作为一种经典的肿瘤物理治疗手段,放射治疗已有100多年的历史。放射治疗通常采用光子或者电子射线,其剂量分布在进入人体后呈指数趋势迅速衰减,针对深层肿瘤治疗存在一定局限性。质子束在刚进入人体的过程中剂量释放很少,但到达射程终点时能量全部释放,形成所谓的Bragg峰,可将病灶周边组织的损伤降到最低,因此在剂量分布上具有突出的精准治疗优势。质子治疗系统集成了粒子加速器、医学物理、电气工程、机械工程、自动控制、医学影像等多学科领域前沿技术。基于回旋加速器的质子治疗装置具有占地面积小、可输出连续束流等优点,是当前国际上一种主流方案。但由于回旋加速器输出能量固定,需要在束流输运系统中配置一套能量选择系统实现能量调节功能,以治疗不同深度的肿瘤。在基于超导回旋加速器的质子治疗束流输运系统设计中,关键问题有:1)能量选择系统设计需同时实现能量调节、束流发射度调节和能散度控制等功能,束流参数满足临床需求;2)束流光路设计需考虑束损控制、校准磁铁与束测元件布局等问题;3)需进行完备的束流传输效率计算,并通过流强调制使得等中心点束流满足临床要求;4)通过束流光路设计,优化束线磁铁种类和数量,降低成本。针对以上几个问题,本文的主要研究内容和创新点包括:(1)基于回旋加速器固定能量的输出特性,结合治疗端的束流参数需求,对整体束线布局和光路设计进行了介绍。主要研究了旋转机架段和周期传输段所采用的1:1镜像光学和完全镜像光路设计方案。配合机架束线入口段的准直器,1:1镜像光学设计可显著提高机架等中心点处束斑尺寸的稳定性。(2)能量选择系统的核心功能是完成大范围能量调制,并且控制降能后束流的发射度和能散度。本文对能量选择系统中的发射度选择部件和能散度选择部件进行了详细的物理设计和束流跟踪计算。最终能量选择系统可实现能量70-240 MeV范围内连续可调,束流发射度5πmm-mrad、7πmm-mrad、10πmm-mrad可调,束流动量分散度0.3%、0.5%可调。(3)针对不同能量下能量选择系统传输效率差别大的问题,提出了输运线上流强调制的方案。通过扩束加准直的方式减小高能段的传输效率,从而降低流强动态比。本文以7πmm-mrad为例,给出了一套完备的流强调制设计计算结果,其中包括扩束方案设计、传输效率计算和下游束流光学匹配。最终流强动态比可控制在10以内,满足临床治疗要求。(4)本文对束线上所需的四极磁铁样机进行了详细的物理设计、磁场计算与端部优化,最终磁场分布满足设计指标要求。针对物理设计,开展了初步的工程设计。