自1936年从宇宙射线中发现muon后,作为基本粒子的它在粒子物理和应用物理中成为广泛研究的对象,特别是利用高能质子束流轰击固体靶得到的高强度μ源,在粒子物理、材料科学、生命医学和地球物理等诸多学科中发挥重要的作用。表面muon作为μ源类型中最基本的一种,它是利用束线系统将μ靶表面逸出动能仅为4.1MeV的μ+进行收集、输运而得到的,其极化率极高(-100%)。将表面muon注入物质材料中,利用自旋极化的muon与物质材料及磁场环境相互作用的物理机制,通过探测静止衰变产生的正电子便能研究材料内部微观结构信息,这便是凝聚态物理、材料物理等领域中常用的μSR谱学技术(Muon Spin Rotation, Relaxation, Resonance and related Research)的基本原理。本文主要研究基于散裂中子源的表面muon源的物理设计,通过大量模拟计算对表面muon源的三大组成系统进行研究,主要包括：μ靶Monte Carlo模拟计算、表面muon束流光学计算以及μSR谱仪中探测器系统的Geant4模拟研究。具体研究对象包含建设中的日本muon源装置(J-PARC MUSE)和设计中的国内首个试验型muon源装置(CSNS EMuS)。另外本文对相关模拟分析方法、模拟程序使用等方面也开展了广泛的研究,特别是利用G4Beamline对脉冲慢正电子束流的空间和时间聚焦做了初步模拟探究。本博士论文取得的主要研究成果如下：(1) MUSE上S-Line和D-Line两条束线的表面muon源物理设计及模拟研究。利用Geant4和Fluka等工具对μ靶的次级粒子产率进行计算：验证了表面muon源的产生机制；μ靶上下表面次级粒子产率值的差异性也解释了MUSE束线的特定布局；比较研究表明靶区高达0.1T的边缘场对表面(?)nuon收集效率影响较小(损失率<10%)。利用多种束流光学计算程序对元件参数、束线布局、束流光学以及寻优模拟等问题进行研究：利用相空间区域划分的方法计算束核区域的发射度(εRMSCore)及其相空间参数,再用εRMSCore内外推演方法得到束流收集处的相关参数,并综合考虑它们与收集系统的关系优化得到合理初始源；计算得到S-Line和D-Line表面muon束流强度能够分别达8×106μ+/s和1.5×107μ+/s,束斑和角散分别在4cm和50mrad之内,结果完全符合最初设计预期值。通过比较D-Line的模拟结果和实验调束结果,发现模拟得到衰变螺线管的最佳电流值和实测值较为接近,调束测量得到的束流强度和束斑特征与模拟结果也有较好的吻合,由此表明本文所采用的表面muon束流模拟分析方法的正确性和可靠性,S-Line的模拟结果也是准确可信的。(2)对EMuS的μ靶和表面muon束线进行初步设计。从材料、厚度、长度以及收集位置和角度等方面分析EMuS μ靶的设计思路,结论表明：次级粒子束线中心轴与质子束流成90°更有利于长靶表面muon的收集；石墨、铍、钽和钨等四种材料长度可选定为80mm,厚度分别为17mm、15mm、7mm和5mm,靶表面muon的最佳产率达10-5μ+/(p·GeV)量级。采用MUSE模拟中同样的相空间分析和束流寻优模拟方法,分析表明：长靶以及侧端收集方案能够获得的束流性能优比J-PARC muon源装置布局设计(一个量级),最终能够获得表面muon束流强度达5×105μ+/s,束斑和角散分别在4cm和100mrad之内,性能满足常规μSR谱学研究,达到预期设计目标。(3)利用Geant4来模拟研究适用于EMuS表面(?)muon源的μSR谱仪探测器系统。首次提出单路探测单元的模拟设计方案,模拟得到相关结论：正电子在晶体中的能损比与入射能量的非线性关系较好解释了正电子与物质相互作用机理；低能正电子光产额与能量满足线性关系、高能正电子则只与晶体条厚度成正比关系,μSR谱学中将选择性探测较高能量的正电子；长晶体条虽然带来大的探测面积,但是对打在晶体条上不同位置正电子的能量探测分辨率差(高达40%),进而影响电子学信号阈值甑别和能谱选取,合理长度的选取对实验谱学的测量尤为重要；对于脉冲型μSR谱仪,束流强度决定了晶体条的长度和宽度的选择,在设计上必须保证无信号堆积的高计数率探测。综合分析,晶体尺寸选定为长50～60mm、宽10～12mm以及高为5mm,该尺寸的晶体条有较高的传输效率,满足μSR谱的甑别及测量。对于预期105μ+/s量级的表面(?)nuon源,采用总共100～120路前后环阵列对称布局的探测器框架,谱仪计数率达104量级,满足常规μSR谱学的研究。(4)利用G4Beamline对升级后脉冲慢正电子束线的空间聚焦和时间聚焦进行模拟分析。主要结论有：升级后系统工作磁场可达200G～300G,均匀性较好,消除了诸多因素带来的束流损失；束线系统具有较好的磁约束和输运能力,束斑可控制在直径5mm以内,输运效率100%；寻优模拟得到脉冲束流时间分辨率小于200ps,分析发现加速电压对时间聚焦有显著影响,给出了高加速电压及低加速电压工作模式时的不同参数设置组合；分析表明低引出电压将导致较低的斩波效率、而且拉宽了束流从斩波器出来后的时间宽度,对后端的集束提出了更高的要求。本文较好地验证了G4Beamline非常适用于脉冲慢正电子的设计,相比于其他模拟程序或者算法有较大的优势,可以为束流调束提供可靠的理论分析。