加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)是用于核废料安全处置原理验证的国际首台兆瓦量级的ADS装置。系统设计功率10 MW,其中超导质子直线加速器能量500 MeV,束流流强5 mA,束流功率2.5 MW,连续波运行。CiADS已完成初步设计,即将开始建设。欧洲散裂中子源(ESS)是目前国际上设计功率最高的散裂中子源装置。ESS超导质子直线加速器设计能量2 GeV,平均流强2.5 mA,功率5 MW。ESS目前正在建设,已于2018年9月从离子源引出束流。以这两个加速器为代表的高功率质子加速器目前面临着一系列的挑战,包括强流束的空间电荷效应,高功率束流的束损控制,高功率RFQ和超导加速段的设计和稳定运行,以及高功率散裂靶对入靶束流分布的需求。这些挑战主要集中在超导段和高能传输线上。考虑到CiADS和ESS加速器的共性问题,本论文针对超导段和高能传输线开展了相关关键问题的研究:超导段腔体失效与再匹配研究,高能传输线上束损研究与控制,束流入靶的均匀化方法。超导腔失效后,束流在下游腔体处的同步相位会发生紊乱。为避免束流损失在超导腔内,需要在腔体失效后进行束流的再匹配。本论文以ESS超导直线加速器为例展开研究,以最小化失效前与再匹配后的传输矩阵的差异为优化目标,提出了一种新的匹配方法。基于此方法,编写了利用遗传算法进行优化的再匹配程序,实现了传输矩阵差异最小化的目标。在零流强匹配模式中,得到了与62.5 mA条件下匹配相近的结果。利用这个程序进行了腔体失效再匹配计算,得到的束流包络、发射度增长、Tune depression等结果与预期相符,证明了算法和程序的有效性和可行性。用同样的方法对ESS超导段所有腔体的单腔失效进行了再匹配计算,在多粒子跟踪模拟程序中均未出现束损。这表明了单腔失效情况下,可以利用本程序实现无束损的再匹配。相比低能段,在高能传输线上,同样百分比束流损失的束损功率更高。论文研究了高能传输线上的束损问题,完成了ESS束流在571 MeV能量下的高能传输线的物理设计。在设计中考虑了偏转段消色散、二极铁剩余磁场、相移平滑过渡等效应对束损的影响,并着重考虑了A2T段带误差的扫描对入靶段束流在入靶窗上束损的影响。提出了束损扫描因子概念,用于快速评估入靶窗上的束损。采用类似的方法,论文完成了 CiADS带真空差分系统的高能传输线的物理设计,其中重点考虑了刮束方法和束流入靶的均匀化方法。在刮束方法研究中,采用了使上游发射度完全包含于下游接受度的理念,控制相空间束晕损失在刮束器上,从而避免了下游差分小孔处和靶前束管上的束损。在束流入靶的均匀化方法研究中,针对CiADS靶对束流的形状、分布、峰值电流密度、靶区利用率等需求,对不同的均匀化方法进行了模拟、对比、选择、优化研究,提出了空心螺旋摇摆扫描方案。通过傅里叶变换,将半径函数展开至四次谐波,解决了dI/dt无穷大的问题,实现了全域平滑近似,具备了工程可实现性。扫描后形成了满足需求的中空圆形分布,峰值电流密度控制在35 μA/cm2以内,具有高的靶区利用率。本论文以CiADS和ESS两个工程为样本,对超导腔失效再匹配和高能传输线束损控制等关键问题进行了研究。由于两个加速器的相似性,论文中的研究方法和研究结论对二者具有同等的参考价值。