聚变能被认为是解决人类未来能源问题最有希望的方案，受到世界各国的重视。中性束注入（neutral beam injection,NBI）加热技术就是利用高能的中性粒子束注入反应堆，将等离子体加热到聚变反应所需要的高温。离子源是NBI系统的核心部件，射频（radio frequency,RF）驱动的大功率强流负离子源已被公认为是ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）及未来大型核聚变实验装置NBI系统的最佳选择。大功率射频负离子源目前已是国际聚变领域研究的热点，对中国聚变工程实验堆的建设也具有重要意义。　　2011年起，华中科技大学（HUST）在科技部ITER计划专项支持下，开展了“ITER高频负离子源激励器的关键技术与工程研究”，初步建成了一个大功率射频负氢离子源激励器实验平台。该装置没有安装引出系统，因此没有束流引出。本文的工作从射频离子源激励器实验平台出发，研究射频激励器的相关特性，并且在该平台基础上，开展负离子束流引出关键技术研究，设计完成一个包括引出系统的完整的小型射频负离子源实验平台。　　为了保证最终能成功引出负离子束流并使其参数达到实验要求，需要对负离子源实验平台进行详细地设计。设计的过程中需解决以下关键问题：（1）射频负离子源的总体设计。射频负离子源是一台复杂的装置，其中包括激励器、注铯装置、引出系统、诊断系统等关键部件，目前国内尚未有见报导的射频负离子源研制成功；（2）引出系统的束流光学。引出系统的物理结构和电磁参数对于引出负离子束流的品质非常关键，通过束流光学分析，设计合适的引出系统；（3）负离子源的热-机械分析。激励器中的法拉第屏蔽和引出系统的引出栅极在实验过程中会受到大量的热负载，容易使零件发生较大的热形变而影响实验效果，因此合适的水冷结构设计以控制它们的温度是整个负离子源设计的核心；（4）射频激励器的稳定运行。国外的研究发现射频激励器在大功率长脉冲下，很容易发生射频击穿现象，严重影响负离子源的稳定运行。如何通过提高射频功率转换效率来改善激励器的射频稳定性是负离子源迫切需要解决的问题；（5）负离子源的真空和高压设计。负离子源实验平台是一个完整的工程设备，需要完整的水电气结构等工程设计。由于负离子源引出过程中的特殊要求，系统的真空设计和高压结构设计格外重要。　　针对以上问题，本文以负离子束的引出为目标，通过电磁场分析、束流仿真、流-热-固三相耦合分析、真空设计等，研究设计了完整的HUST射频负离子源实验平台，对负离子源的理论分析和工程实现具有参考价值。本文的主要研究内容包括：　　（1）HUST射频负离子源的总体设计。基于射频负离子源的设计需求，完成了HUST负离子源从理论到工程的完整设计，提出离子源的设计参数。在此参数的基础上，对负离子源的主要部件：射频激励器、注铯系统、引出系统和诊断系统进行了具体的分析和设计。　　（2）负离子源引出系统的束流分析。针对HUST射频负离子源的设计参数，设计了一套三电极的引出结构。通过粒子追踪算法，对引出系统进行了束流仿真。通过比对最终的引出束流发散角，研究了引出结构中孔的几何尺寸、引出电压、偏转磁场等对束流品质的影响，对初始的引出结构和参数进行优化。　　（3）负离子源中引出系统和激励器的设计和优化。引出系统中的等离子体栅极处于大电流高温度的工作条件，本文通过对温度和过滤磁场的分析，提出了一种简化的等离子体栅极结构。引出栅极在引出过程中受到极大的热负载，其水冷设计是整个负离子源的关键。通过对热负载的分析，设计了内部水冷结构，并且进行了流-热-固三相耦合分析，提出了最优的水冷参数。同时，本文针对激励器重要部件法拉第屏蔽也进行了热-机械分析。　　（4）射频激励器形状对射频功率耦合因数影响的研究。本文提出了射频功率耦合因数的概念，用于表征离子源吸收射频功率激发等离子体的能力。提高功率耦合因数，有望降低离子源对射频功率的要求。研究了激励器形状对射频功率耦合系数的影响，对离子源激励器的结构形式进行了有益的探讨。　　（5）射频负离子源的真空和高压设计。着重介绍了HUST射频负离子源工程设计中真空系统和高压系统的设计。真空系统设计中，由于激发区和引出区后端需要显著的气压梯度，必须综合考虑腔体的结构和真空泵的性能。高压系统中激励器、扩展腔、引出电源等装置都位于负高压状态，需要设计相应的隔离装置。　　基于本文工作，HUST射频负离子源完整的工程设计已经完成。目前系统正在进行加工中，预计2018年上半年完成组装、调试。该离子源将作为今后进一步开展负离子源物理研究的实验平台。