为了系统研究FLASH效应的放射生物学机制，需要一个可以进行超高剂量率细胞辐照实验的平台，该实验平台应具有稳定、大小合适且大范围可调的剂量和平均剂量率。基于国产7 MeV医用质子直线注入器，使用蒙特卡罗程序FLUKA设计并优化了一个单散射照射头。该照射头的材料为40 μm厚度的钽箔，它既充当真空窗又充当散射体，源皮距为26 cm。经过模拟验证，该平台可提供直径为2 cm的照射野，剂量均匀度为4.9%。通过调整单质子脉冲的流强（0.1~1 mA）和脉宽（20~200 μs），该实验平台的平均剂量和平均剂量率可以在6~667 Gy和3.3×10⁵~3.3×10⁶ Gy·s^-1之间调节。基于此，设计了使用单脉冲穿透模式辐照单层细胞的实验，剂量率为3.3×10⁵ Gy·s^-1，剂量在7~40 Gy范围内变化。该实验平台可以探究细胞FLASH效应的总剂量依赖关系，为揭示FLASH效应的机制提供支持。

光阴极注入器为X射线自由电子激光提供高品质电子束团，其中，阴极面上电子发射的均匀性在很大程度上影响着电子束团的束流品质，实验中常通过测量光阴极量子效率分布来评估电子发射的均匀性。成像法测量光阴极量子效率分布时具有实时、高分辨的特点，目前，此方法只在电磁分离型光阴极注入器中有所应用。探索成像法在电磁叠加型光阴极注入器中应用的可行性，采用理论分析结合数值模拟的方法，研究结果显示成像法适用于电磁叠加型光阴极注入器，且由此获得的量子效率分布具有阴极面中心位置处分辨率优于外层的特点。此外，针对成像法在初始束团横向动量分布测量中的应用进行模拟计算分析，并在此基础上提出一种判断阴极面剩余磁场是否为零的方法。

能量回收技术将使用后的电子束进行能量回收，用于加速后续束团，可大大减少加速器消耗的射频功率和有害辐射。基于能量回收技术的光源除节能环保外，还具有束团短、发射度低的特点，可有效提高光源的峰值亮度和相干性，是一种很有潜力的未来先进光源。介绍能量回收直线加速器技术的基本原理、相关关键物理问题和技术以及能量回收直线加速器发展现状，最后简要介绍几个国际上提出的典型能量回收直线加速器光源方案。

质子直线注入器是质子治癌系统的重要组成部分。出于项目进度的考虑，上海先进质子治癌示范装置APTRON采用了进口自美国的直线注入器。为了加快质子治癌产业进程，掌握质子放疗关键技术，保证产业链安全可控，注入器团队研发了国产医用质子直线注入器。该直线注入器采用了电子回旋共振（ECR）离子源和四翼型射频四极加速器（RFQ）的技术方案，并在漂移管加速器（DTL）段创新性地采用了交变相位聚焦（APF）结构。在这个过程中，通过研究APF DTL的束流运动规律和设计思想，自主开发了APF DTL的底层物理设计软件，相继完成了物理设计、电磁设计、机械设计、加工建造、腔体冷测、高频老练和载束实验等多个阶段的工作，最终成功引出了7 MeV、7 mA的质子束流。经过束诊系统的测量分析，认定束流中心能量为6.975 MeV，动量分散在±0.35%以内的束流流强为6.07 mA。成为国产首台医用质子直线注入器和首个实现成功载束的APF加速腔。

为了验证国产质子注入器的参数是否满足需求，注入器团队设计了束流测量系统用于测量国产质子直线注入器束流的流强、发射度、能量以及能散等关键指标。此测量系统包含了采用变聚焦法测量发散度、采用分析磁铁测量束流能量和能散的主要功能。利用束流输运线设计软件Tracewin(版本2.11.4.1)进行了系统束线的物理设计，对束测系统测量质子束流的发散度和能量的精度进行了模拟计算。由于经过RFQ-(APF)DTL加速后的粒子束团为“拖尾”的非理想粒子束团，需要针对非理想束团对束测系统测量发射度和能量产生的影响进行分析。通过对模拟计算结果的分析，发现相对于测量理想粒子束团的结果非理想粒子束团对束测系统测量发射度精度影响较大；非理想粒子束团对束测系统测量能量精度影响较小。

为实现质子治疗装置的国产化和小型化，基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置（APTR），开展质子治疗注入器系统的升级设计研究，利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略，针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz，流强18 mA，对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速，引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数，有效避免参数共振，减小束流损失，使其整体传输效率达到98.0%，在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%，出口束流满足下一级腔体的注入需求，开展设计模拟验证和相关冗余度分析，为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。