作为产生强流高电荷态离子束的最有效装置之一,电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance,ECR）离子源因其优异的性能受到国际上加速器领域的重视。然而,对ECR离子源物理机制的研究远远落后于其技术的发展。由于ECR等离子体的复杂性与多变性,仅仅依靠实验研究很难理解清楚其中的全部物理机制,因此数值模拟逐渐成为了研究ECR离子源的重要辅助手段。高电荷态离子的产生是ECR离子源中最为重要的物理过程之一。但是,受限于目前计算能力不足以匹配其模拟的复杂度,尤其是考虑到非线性多物理耦合的自洽求解,迄今为止仍没有数值模拟研究工作可以对相关的物理机制进行一个完整的描述。因此,本论文针对ECR等离子体的关键物理特征,合理结合多种模拟模型和数值优化方案的优势,开发了ECR离子源高电荷态离子产生的三维高性能粒子模拟结合蒙特卡罗碰撞（Particle-in-cell plus Monte Carlo Collision,PIC/MCC）算法。模拟算法突破了ECR离子源常规PIC/MCC模拟的时空尺度限制,实现了对高电荷态离子产生的动力学模拟研究,并通过模拟结果对其中的关键物理过程进行了相应的理论分析,为深入理解ECR离子源的工作机制提供了科学依据。本论文的研究内容与创新主要分为以下五个部分:（1）ECR离子源模拟的基础算法研究。针对ECR离子源模拟的不同侧重点,分别开发了相应的单粒子模型算法和静电PIC/MCC算法。全三维柱坐标的模拟算法可以适用于任意的ECR离子源磁场结构,并利用局部直角坐标系转换求解了带电粒子的受力运动。PIC/MCC方法实现了ECR离子源中多种关键物理问题的非线性耦合求解,包括等离子体的集体作用和碰撞作用。模拟算法经过代码实现和数值验证,具有较高的计算精度与效率,为ECR离子源模拟研究奠定基础。（2）ECR离子源模拟的优化算法开发。根据ECR等离子体的物理特征,将单粒子模型和PIC/MCC方法结合在一起,开发了ECR离子源高电荷态离子产生的预计算PIC/MCC方法。基于其中的物理简化带来的模拟计算问题,进一步考虑了静态和动态两种温度平衡模型。同时,应用了多种数值模拟优化方案以提高计算效率,并分别进行了数值模拟验证。优化算法在一定程度上突破了PIC/MCC模拟的时空尺度限制,可以较为准确地描述ECR等离子体在多物理场作用下的自洽演化过程,在保证关键物理本质的同时,减少了大量的计算消耗。（3）ECR离子源电子磁约束加热的模拟研究。使用全三维的单粒子模型模拟研究了ECR离子源中电子在最小B磁场和馈入微波作用下的约束与加热过程。模拟诊断分析了电子的运动和分布特征,并比较讨论了库仑碰撞、微波功率和负偏压对ECR离子源中电子的磁约束能力、加热效率、分布特征等关键性能参数的影响,深化了对电子磁约束和ECR加热机制的理解。（4）ECR离子源高电荷态离子产生的模拟研究。使用全三维的预计算PIC/MCC方法,并分别基于静态和动态两种温度平衡模型,对ECR离子源高电荷态离子产生过程进行了模拟研究。模拟结果得到了相应情况下ECR离子源中的粒子运动特征以及等离子体电势分布特征。从双极扩散的角度,诊断分析了ECR离子源高电荷态离子产生中的一些关键物理问题,比较讨论了微波功率和射频（Radio Frequency,RF）扩散对等离子体电势分布和离子引出的影响,为深入理解ECR离子源高电荷态离子产生机制提供了理论帮助。（5）时变电磁场的自洽反馈算法研究。针对当前模拟模型中被忽略的时变电磁场的自洽反馈,开发了基于圆柱腔模式展开方法的准三维混合理论模拟算法,并根据实际模拟中计算模式的选取问题建立了相应的解析近似方法。通过电子注模型验证了算法的可行性与正确性,包括解析近似方法对计算消耗的有效节省。该算法能够求解带电粒子和时变电磁场的非线性互作用,并且既可以作为一种数值模拟算法独立存在,也可以耦合进单粒子模拟或是PIC/MCC模拟中。