扫描磁铁是扫描治疗头的核心部件,它通过改变笔形束扫描的束流轨迹使其准确照射到目标肿瘤区域。在已有等气隙扫描磁铁研究与分析的基础上,本文对可以减小慢扫描磁铁电流的锥形气隙扫描磁铁进行了电磁热与束流分析。根据扫描治疗头的性能要求,开展了基于霍尔探头的扫描磁铁磁极边缘磁场的在线监测方法研究,最后根据扫描电源参数开展了扫描路径优化的研究。本文结合对等气隙扫描磁铁的计算与仿真,进一步将慢扫描磁铁的气隙形状设计为锥形。采用COMSOL对扫描磁铁进行电磁热耦合分析,并与OPERA作对照分析,验证了使用COMSOL的可靠性。接着根据磁铁线圈的静态发热功率计算出线圈所需的最小水流量,考虑到一定的裕量,取两块磁铁的线圈水冷流量分别为3.5 L/min和8 L/min。然后比较了不同磁极切割参数对磁铁温升的影响,结果表明扫描电流在最大电流,变化速率为80 A/ms长期运行的极端条件下,通过对快扫描磁铁进行适当的磁极切割可以防止磁极温升过高,避免粘合剂熔化。最后根据治疗头入口质子束尺寸参数,对比锥形气隙磁铁和等气隙磁铁对不同位置束斑尺寸的影响。两种气隙扫描磁铁使70 MeV质子束在不同位置的束斑尺寸相差小于1%,且在等中心平面的尺寸均小于2.5 mm,验证了采用锥形气隙磁铁的有效性。为了满足束流配送系统对扫描位置正确性安全冗余的要求,本文对扫描磁铁磁极边缘磁场在线监测方案做了相关设计。根据质子束在等中心平面的位置精度和扫描点切换时间,完成了对霍尔磁场探测器的选型,设计相应EPICS客户端实现了探头磁场和温度等数据的获取,并对霍尔探头零漂问题、温度补偿和消除地磁场问题进行了分析。通过对扫描磁铁的磁场仿真发现,不同位置边缘磁场与中心磁场均有很强的线性关系,初步选取了与中心磁场相差不大的靠近磁极的边缘磁场进行在线监测。为了减少扫描点切换时扫描磁铁电流以及磁场稳定时间对治疗时间的影响,本文采用了智能算法对扫描路径进行优化。首先介绍并实现了蚁群算法、快速模拟退火算法和遗传算法三种智能优化算法。然后分析了典型肿瘤形状和磁场稳定死时间对路径优化的影响。结果表明,当扫描点较为分散、两个方向扫描相同距离所需时间相近时,智能算法路径相比之字形扫描路径有较好的优化效果。