采用3D particle-in-cell(PIC)数值模拟方法, 研究高品质高能质子束经由脉冲电流螺线管传输并聚焦于远端的情况。模拟结果表明:初始时刻中心能量为250 MeV, 能散度为10%, 空间发散角小于15 mrad的质子束, 通过长度为760 mm、中心磁感应强度为10.87 T的通电螺线管, 可以被聚焦于距离质子源约2.5 m的远端, 焦斑横截面直径约为1.2 mm, 小于模拟初始时刻的1.8 mm, 质子数目的损失小于3%。研究结果表明利用通电螺线管来传输和调控高能质子束流的方案是可行的。该方案可用于优化质子束流品质, 促进激光驱动质子加速在癌症治疗等对质子束单能性和发散角要求较高的领域得到早日应用。

针对双级加速离子光学系统的设计，开展了栅极几何参数对离子光学系统性能影响的研究。采用质点网格法和蒙特卡罗碰撞法开展栅极关键几何参数对束流引出能力、束流发散角、交换电荷(CEX)离子的截获影响规律研究；另外，还开展了不同比冲下束流发散角、碰撞交换电荷离子的变化趋势研究。研究结果表明，屏栅孔径对束流引出能力、束流发散角、CEX离子截获电流以及鞍点电势都有影响，随着屏栅孔径的增加，束流引出能力、束流发散角和鞍点电势呈上升趋势。加速栅孔径的变化对CEX离子得能量分布有影响，随着加速栅孔径的增大，截获的高能CEX离子逐渐减少，而随着加速栅厚度的增加，束流发散角、CEX离子的截获数量和能量呈上升趋势。在8000 s比冲下，加速级间距的改变对束流引出能力影响较小。另外，比冲对离子光学系统性能也有影响，比冲越高，束流发散角越小，且加速栅截获的CEX离子也越少。

以离子推力器栅极组件为研究对象，建立了3维数值模型，应用网格质点法研究了束流离子和电荷交换离子在栅极组件间的运动规律。根据给定的几何和物理参数，模拟得到了栅极组件附近的电势分布、束流离子和电荷交换离子的运动轨迹、速度相空间分布以及加速极电流等。模拟结果表明：加速栅极下游产生的电荷交换离子在电场的作用下会加速撞击加速栅极下游面，是造成加速栅极腐蚀的主要因素；栅极间产生的电荷交换离子会撞击到加速栅极孔壁面，使加速栅极孔逐渐增大。