高功率束流阻挡性元件是加速器驱动嬗变研究系统前端示范装置——超导直线加速器中的关键部件,主要用于加速器束流流强的调节控制、束晕的刮除、束流的诊断以及废弃束的收集,包括可调限束光阑、刮束器、法拉第筒、束流剖面及束晕监测器、束流收集器等部件,分别位于超导直线加速器的低能传输线、中能传输线及高能传输线。本文以三种高功率束流阻挡性元件为研究对象,通过对25 MeV质子束与材料的相互作用机理研究,根据质子束在材料中布拉格峰型的能量沉积曲线建立了符合实际的热源模型。为了解决现有束流调试及限束方法存在的缺陷,设计并研制了一种连续可调圆孔限束光阑,保证了C-ADS直线加速器连续波模式的在线稳定可靠运行,填补了国内空白,该设计可为有相同需求的加速器装置所借鉴。针对束流剖面及束晕监测器样机安装现场的法兰孔径小、探头行程大、丝间距小等实际问题,设计并研制了一套束流束晕监测器样机,提出了有效解决方案,并成功实施,此项工作对同行开展束流剖面及束晕监测器的研制具有一定参考意义。针对现有高功率束流收集器的主要问题,进行了束流收集器的结构设计及热流固耦合参数优化分析,为高功率束流收集器样机的研制提供了理论依据。主要研究工作和结论如下:(1)通过蒙特卡罗方法模拟了25 MeV质子束在几种材料中的输运过程,对质子束与材料相互作用的机理进行了研究,计算了质子束在不同材料中的能量沉积及损伤分布,结果表明,质子与靶材的原子核碰撞,使靶材晶格原子发生移位、空位以及产生了间隙原子,其中空位对材料性能的影响起着主要作用。密度越小的靶,质子在靶材中造成的空位越少,对靶的损伤越低。质子束在不同材料中的能量沉积为质子束在材料中热源分布模型的建立提供了依据,保证了束流阻挡性元件的材料选择满足使用要求。(2)根据质子束在不同材料中的能量沉积建立了质子束入射材料的面热源及体热源数学模型,并以束流收集器模型中的碳材为例,计算得出质子束在材料中的深度归一化能损函数,并建立了质子束在碳材中的体热源模型,为束流阻挡性元件的热流固耦合分析提供了理论依据,并通过Fluent中的UDF程序将面热源和体热源分别加载到相应的束流阻挡性元件上并完成了其多场耦合分析。(3)针对C-ADS超导直线加速器连续波模式运行的要求,提出了一对镜像相对转动的转芯结构,完成了可调限束光阑的结构设计,进行了热流固耦合分析,完成了样机的研制以及在线测试,样机已上线安装,实现了超导直线加速器束流流强0~10 mA的在线连续调节,为质子直线加速器提供了一套便捷的调束方法。(4)针对靶前高功率束流物理特性的研究以及测试安装环境的限制,提出了一种适用于小通道的束流剖面及束晕监测器,多丝束流剖面探头采用多点定位法,实现了在一块长120 mm、宽34 mm、厚5 mm的陶瓷基板正反面分别布置8根横向及纵向的信号丝,丝间距为2 mm,此设计结构紧凑,很好地解决了因安装现场管道小、探头行程大以及多丝束流剖面探头丝间距小导致的监测器样机难以安装及运行的问题,根据束流测量需求完成了样机的结构设计及加工,通过静力学分析及对样机的离线测试,保证了样机的性能满足使用需求。(5)针对束流收集器的优化设计,根据质子束与材料相互作用以及辐照计算的结果,选择导热性好、活化剂量低的碳碳复合材料作为高功率束流收集器的面向束流材料,建立了不同结构束流收集器及其冷却系统的虚拟三维模型,采用有限元分析软件ANSYS Workbench对束流收集器进行了热流固耦合分析,对比了不同结构参数及运行参数对温度场、热应力及热变形的影响,完成高功率束流收集器的设计及参数优化。