针对我国核能可持续发展中“核废料安全处置”的需求,中国科学院于2011年启动先导专项“中国加速器驱动次临界系统”(China Accelerator Driven Subcritical system,CADS)的研究。CADS装置基于一台1.5GeV、10 mA连续波运行的超导直线加速器,提供质子束流轰击靶材料,产生中子进而维持次临界反应堆的链式反应。CADS直线加速器中、高能加速段主要采用两种几何β(0.63和0.82)超导椭球腔。本论文主要针对频率为650 MHz、几何β为0.63超导椭球腔的关键物理问题进行研究;同时与最优β为0.67的三间隙Spoke超导加速腔进行了对比研究。研究表明,对于CADS加速器中能段,超导椭球腔相比于三间隙Spoke腔具有很大的优势。论文首先分析了CADS中能段超导椭球腔的设计难点,给出了该超导腔设计优化的原则和流程。通过反复迭代优化,完成了该强流超导腔的设计,其性能满足项目的工程要求。超导腔的电磁性能优于国际上现有的同类型超导腔。作者利用Multipac 2.1对超导椭球腔的multipacting效应进行了模拟,结果显示腔体内不存在因结构因素而产生不可克服的二次电子倍增效应。随后论文分析了超导椭球腔的高阶模。束流激励起的高阶模不仅同束流相互作用而降低束流品质,而且会增加腔体的额外功率损耗。数值计算得到CADS运行10mA强流质子束对于超导椭球腔高阶模的要求。通过对超导腔的结构优化,使得腔体高阶模频率与束流共振线的差值远高于计算阈值。在论文的最后,作者设计并优化了适用于该超导腔的液氦槽,利用有限元方法的多物理场耦合,分析计算了超导腔的各种失谐因素,包括氦压波动效应、洛仑兹失谐效应和麦克风效应等。分析结果显示,对腔体加环型加强筋的设计,能够有效提高腔体结构稳定性。