170 GHz兆瓦级回旋管是热核聚变等离子体加热用电子回旋谐振系统最重要的功率源。在获得兆瓦级连续波输出功率的同时，收集极功率密度过大成为限制整管平均功率和脉宽进一步提升的主要问题。因此，设计了具备周期性变化的横向磁场扫描线圈组。通过仿真分析收集极内的电子注分布可知，采用该线圈组可以有效降低功率密度，从而保证整管稳定工作。同时，对不同电流相位的线圈组的性能进行对比分析，优化后的横向磁场扫描线圈组可使收集极平均功率密度由4.7 kW/cm2下降到0.29 kW/cm2，将被应用到未来170 GHz兆瓦级回旋管的热测中。

研究了线圈间距、匝数、个数以及不锈钢套筒对脉冲磁体产生磁场的影响规律。在储能电容和电压不变的前提下，研究结果表明：增加线圈间距会导致磁感应强度降低，磁力线包络增大，但总电流达到峰值时刻减小；增加线圈匝数，峰值电流明显减小，会降低磁感应强度，但有利于抑制磁力线包络；增加并联线圈个数，有利于产生较长的均匀区，但是在供能一定的条件下，磁场强度有所降低，同时总电流达到峰值时刻减小。总体来看，在一定均匀区长度的设计要求下，减少单个线圈匝数，增加并联线圈个数，能够得到磁感应强度更大、均匀性更好的磁场，但要考虑线圈承载电流的能力。另外，不对称的阴阳极金属结构会导致磁场不对称分布，且磁感应强度达到峰值时刻要晚于总电流达到峰值的时刻。

磁光调制方位传递系统中,交变电流驱动内置磁光材料的螺线管磁场至关重要,直接关系到方位信息的传递精度。研究了交变电流驱动的螺线管内磁场对方位信息传递精度的影响。首先,利用麦克斯韦方程构建空心螺线管电磁场模型,分析驱动信号频率对磁场的影响;然后结合安培环路定律建立内置磁光材料的螺线管内部磁场模型;最后分析无松弛极化介质、松弛极化介质、驱动信号频率等对系统方位传递精度的影响。结果表明:驱动信号频率是影响系统方位传递精度的重要因素,且方位传递误差存在规律性;无松弛极化介质与松弛极化介质对系统方位传递精度的影响程度相当。该结果为研究磁光调制方位传递系统的方位传递精度与系统优化设计提供了参考。

为满足中国加速器驱动的次临界系统（C-ADS）对于可靠性的要求, 计划采用基于螺线管的电磁垂直输运方案, 将经过质子束辐照后下落的散裂靶颗粒球再次输运至初始高度。基于解析方法对颗粒流垂直输运装置进行了分析和设计, 通过基于螺线管散热、径轴向颗粒流聚散焦效应和互感损耗等方面的考虑, 得到了适合于垂直输运颗粒流的螺线管驱动方式和螺线管构型及排布。利用基于本文解析方法的模拟程序, 对不同输运管道内径、不同螺线管驱动电流和不同螺线管构型和排布下的颗粒流垂直输运装置进行了模拟, 并从中筛选出了该装置的优化设计。模拟表明, 采用该优化设计的输运装置可将质量流量为19.6 kg/s的颗粒流垂直输运至40 m高度, 并满足颗粒球出口速度足够大的要求。

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。

提出了一种多层螺线管线圈电感的精确计算方法，其思想是叠加螺线管单层线圈的自感和不同线圈层之间的互感。建立了用于计算单层线圈自感的显示表达理论模型，给出了两层线圈之间互感的数值计算方法。使用提出的精确算法，计算出一个实验中使用的螺线管线圈的电感为4.30 mH，与实验测量的电感值4.33 mH的偏差小于1%。

为了分析方波驱动长螺线管内磁场畸变机理，利用麦克斯韦方程研究了螺线管内外的磁场分布情况。首先，利用麦克斯韦方程，分别建立了正弦波驱动螺线管内外电场、磁场模型，并结合安培环路定律和电磁感应定律选取了合适的边界条件，得到了正弦波驱动长螺线管的磁场分布；其次，通过傅里叶变换将方波信号变换为多个正弦信号叠加的形式，从而得到了方波驱动长螺线管磁场分布；最后，通过仿真试验重点分析了方波驱动信号频率对磁场的影响，并得出结论：方波驱动长螺线管磁场波形会失真、畸变，驱动信号频率较低、距离螺线管轴线距离较近处，磁场的方波特性较好