高电荷态电子回旋共振(ECR，Electron Cyclotron Resonance)离子源是产生强流高电荷态离子束最有效的装置之一，为重离子加速器系统提供所需的各种高电荷态离子，是整个加速器系统的关键部件。随着加速器性能的不断提升，尤其是重离子加速器的飞速发展，对高电荷态ECR离子源提出了更高的要求。为了进一步提高高电荷态离子产额，一直以来，高电荷态ECR离子源主要向着高微波频率、高微波功率以及高磁场强度的方向发展，从而采用常温技术的ECR离子源磁体功率和功率密度也随之不断上升，并已经达到原有技术的极限。如何解决该高功率密度磁体的散热问题，逐渐成为了常温高电荷态ECR离子源磁体发展的瓶颈。本文根据新型高电荷态ECR离子源磁体的结构特点和散热需求，结合蒸发冷却技术的特点，对高功率密度蒸发冷却ECR离子源磁体的发热、传热和散热问题进行研究。　　高电荷态ECR离子源磁体，是利用水平布置的螺线管电磁线圈，在直流电流的作用下产生高效的磁场，为离子源提供特定的磁场形态参数。磁体线圈的励磁损耗将完全转变为热量的形式，并由冷却系统吸收。新型高电荷态ECR离子源磁体线圈导线的电流密度将大于17A/mm2，功率密度将达到3340kW/m3。本文希望通过蒸发冷却技术实现高功率密度磁体线圈冷却的目标，首先对离子源磁体的结构和电磁参数进行研究分析，提出了蒸发冷却ECR离子源磁体线圈的结构形式和设计参数，并对饼式磁体线圈的绕制方法、结构强化和通道实现等工程实施的关键环节进行研究。　　在磁体线圈结构布置、负荷参数及运行维护技术要求的基础上，论文提出了自循环蒸发冷却热力系统的传热方案。首先介绍了自循环系统的原理，并对自循环蒸发冷却的热力过程进行了分析。结合磁体线圈高功率密度的特点，建立了蒸发冷却磁体自循环热力系统的理论模型，并通过对应的自循环模型进行研究分析和实验验证，最终形成了冷凝器集成一体式自循环热力循环系统的设计方案，为蒸发冷却ECR离子源磁体自循环热力系统的设计和工程实施提供参考依据。　　为了适应自循环蒸发冷却热力循环系统的特点，磁体线圈采用饼式阵列结构布局，线饼单元间设置垂直方向上的流动通道，实现对线圈的冷却。论文首先对蒸发冷却磁体线圈内的流道结构和线圈散热关键因素进行分析，参考管内自循环两相流与换热的关系，对磁体线圈内两相流动与换热过程进行研究。利用数值计算方法，建立线圈内两相流场数值计算的数学和物理模型，基于数值仿真平台对线圈流道内的两相流场进行仿真计算，获得了流动通道两相流场的分布，并建立了线圈内两相流场研究实验模型，通过模型实验对数值仿真方法进行验证。借助数值仿真方法对线圈内两相流动与换热的关键参数进行研究和验证，并对磁体线圈的芯筒结构、辅助流道和支撑条布置进行了优化分析，为磁体线圈内流动通道的设计提供指导。　　根据支持项目的需要，在理论分析研究和模型仿真实验的基础上，开展蒸发冷却高电荷态ECR离子源—LECR4离子源的研制。论文介绍了LECR4离子源的关键参数、磁体结构和自循环蒸发冷却系统的设计，以及对LECR4离子源磁体加工制作关键环节的研究，最后介绍了LECR4离子源磁体的测试和运行状况。利用LECR4离子源的运行数据，对磁体线圈的设计和自循环热力系统的研究进行验证，获得并完善了高功率密度蒸发冷却ECR离子源磁体的工程设计方法和实施依据。