作为放射性治疗肿瘤的一种,质子治疗因其独特的物理特性,使其在某些特定肿瘤的治疗方面具有一定的优越性,同时其优越的术中治疗感受、术后生活质量和较高的生存率,使其成为目前放射性治疗的一个焦点。中国科学院上海应用物理研究所与上海市瑞金医院合作共建国内首台质子治疗装置APTRON,目前装置处于认证阶段。作为基于同步加速器的质子治疗装置的核心部件之一,质子直线注入器通常由质子源、低能束线、RFQ直线加速器、中能束线以及漂移管直线加速器DTL几个部分组成。为加快质子治疗装置的国产化、小型化和产业化进程,本论文基于目前在线运行的进口的直线注入器PL-7,以整个注入器的紧凑性、运行维护方便和降低成本为出发点,在满足国产同步加速器注入要求下,对质子治疗同步加速器直线注入器中的RFQ和DTL直线加速腔体进行设计。基于APTRON质子治疗装置,本论文以ECR离子源和LEBT出口束流为基准,对紧凑型质子直线注入器的进行初步设计,主要内容包括:1)低能端预加速器射频四极场直线加速器RFQ的物理设计和相关的电磁谐振结构设计仿真;2)高能端的主加速段基于KONUS动力学的漂移管直线加速器的物理设计。对于低能端预加速段RFQ,为保证注入器的稳定性和紧凑性,本论文基于RFQ束流动力学的相关理论基础,从物理参数选择出发,展开相关的初步动力学方案设计。为使腔体更加紧凑,针对初步方案中的成型段和聚束段提出快聚束的优化设计策略,并展开相关的优化设计,使整个RFQ腔体结构较初步方案缩短7%。通过多粒子模拟研究,腔体对非理想入口束流具有较强容忍度。利用MWS-CST软件展开相关高频谐振结构设计,通过分析结构参数对高频特性的影响,得到相关高频谐振结构。对于主加速段的DTL直线加速器,通过对比负同步相位原理、交变相位聚焦原理和结合零相位加速原理三种低能量段的DTL动力学原理,为提高低占空比的质子治疗注入器的加速梯度,最终选用KONUS动力学原理。为简化腔体加工工艺,结合APF型IH-DTL腔体的特点和KONUS动力学结构的优势,提出腔内无磁铁的DTL单腔结构,并将其首次应用于质子治疗直线注入器装置中,将质子束流从3 MeV加速到7 MeV。利用经国际上多次验证的LORASR程序,从入口参数选择、动力学参数选择到对于入口束流参数的误差冗余度分析等多方面进行相关DTL的动力学设计和多粒子模拟研究。此外,针对组内团队成员设计好的APF型IH-DTL腔体展开冷测实验。从测试平台的搭建到测试结果分析,最终腔体测试值与设计值吻合的较好,为后续类似结构的测试奠定一定的基础。通过上述优化设计,保证质子治疗注入器整体的紧凑性,为今后质子治疗装置直线注入器的设计研发提供和积累新的设计思路和技术经验。