基于微波驱动的高电荷态 ECR（电子回旋共振）离子源是产生强流高电
荷态离子束的最佳选择。为满足现代重离子加速器发展对强流高电荷态离子
束的需求，离子源性能必须得到进一步提升。在 ECR 离子源中，微波耦合加
热效果直接影响高温高密等离子体的状态，对其性能至关重要。本论文对强流
高电荷态 ECR 离子源微波耦合加热的相关机制进行了系统的研究，提出了提
高其性能的关键技术与方法。
在 24-28 GHz ECR 离子源中，微波功率耦合普遍沿用传统方案，即利用
直径 32 mm 的过模圆波导将 TE01 模直接耦合加热 ECR 等离子体，实验结果
表明采用该传统微波耦合方式的 ECR 离子源性能低于半经验理论预期，尤其
是高功率下的束流饱和现象，限制了离子源性能的进一步提升，因此需要从微
波耦合加热等离子体方面取得突破，这不仅可以提升现有装置的性能，也将为
下一代 ECR 离子源的发展提供关键依据。本论文从高微波功率下 ECR 等离
子体的稳定性和微波吸收效率特性出发，首次从行波角度利用天线辐射理论
研究了不同微波耦合方式下 ECR 离子源弧腔中的电场功率分布，这为 ECR 离
子源中微波耦合加热等离子体的研究提供了新的思路。在实验上系统地研究
了 HE11 微波模式，以及不同波导口径微波耦合对高电荷态离子束产额的影响。
通过模拟分析和实验优化，创新性地提出了一种利用 TE01 模小口径波导的微
波耦合方式，显著提高了离子源的性能（束流增益>30%）。利用该技术在近代
物理研究所超导 ECR 离子源 SECRAL 和 SECRAL-II 上产生了诸如 1.42 emA 的 Ar12+、1.04 emA 的 Ar14+、1.1 emA 的 Xe26+、0.92 emA 的 Xe27+等一批强流
高电荷态离子束的世界纪录。美国 LBNL 实验室采用这项技术后，也大幅提
升了其 28 GHz VENUS 离子源的性能，验证了该技术的有效性。
为了满足我国强流重离子加速器装置 HIAF（High Intensity Heavy-ion
Accelerator Facility）的束流指标需求，近代物理研究所在国际上率先开展了 45
GHz 第四代 ECR 离子源 FECR 的研制，这面临着诸多物理与技术的挑战，其
中 45 GHz/ 20 kW 的微波高效耦合加热 ECR 等离子体是一项关键技术。我们
基于第三代装置的研究提出了准光学结合波导的微波传输耦合方式，实现了微波的高效传输馈入，首次在ECR源中产生了稳定的45 GHz ECR等离子体，
引出了强流高电荷态离子束。另外，我们还利用该 45 GHz 微波系统首次研究
了 28+45 GHz 双频加热和 28+45+18 GHz 三频加热的工作模式，通过对 ECR
等离子体稳定性的有效提高，产生了一批极高电荷态重离子束流的世界新纪 录，如 53 eμA 的 Xe38+，17 eμA 的 Xe42+等。最后在系统总结论文研究工作的
基础上，给出了下一代高频率 ECR 离子源实现微波高效耦合加热等离子体的
技术方案。