提高射频直线加速器的加速梯度能够大幅减小加速器设备设施的空间尺寸并降低建造成本。射频击穿现象是限制加速器达到更高梯度的重要因素之一。射频击穿现象会对束流品质造成影响,甚至造成束团丢失。同时,射频击穿现象还有可能对加速结构的表面造成永久性损伤。射频击穿现象的统计规律研究表明,射频击穿发生概率与加速梯度的30次方成正比,与入射微波脉冲宽度的5次方成正比。根据经验关系可以推测,加速器在更短的入射微波脉冲宽度下可能会达到更高的加速梯度。本论文在文献调研中未发现X波段高梯度加速结构在低于10 ns的短脉冲条件下的射频击穿研究工作。为了探索和研究高梯度加速结构在短脉冲条件下的表现,本论文发展了一套针对单腔加速结构在短脉冲条件下的时域梯度计算方法,并依据此方法优化了一个11.7 GHz的单腔行波加速结构。该结构由清华大学加速器实验室加工并焊接,随后邮寄到美国阿贡国家实验室进行冷测和高功率实验,其中冷测数据被用于计算高功率测试过程中的加速梯度。高功率实验以美国阿贡国家实验室AWA小组X金属波段功率提取器为短脉冲功率源,并设计了11.7 GHz的定向耦合器进行高功率微波测量,以解决过去测量过程中微波探针的电子倍增效应问题。在八个电子束团脉冲串条件下,功率提取器输出尾场半高宽为6 ns,平顶为3 ns,实验中最高输出功率达到400 MW。单腔加速结构的加速梯度最高达到313 MV/m。加速结构在较低的功率范围内有明显的电子倍增效应,在高功率下能够观测到射频击穿现象。射频击穿发生时,传输波形的主脉冲没有受到任何影响,仅主脉冲之后的次脉冲幅值降低至0,说明X波段加速结构在短脉冲条件下的射频击穿不会影响电子加速。为了探究该单腔结构在不同入射微波脉宽下的表现,本论文微调该结构的尺寸使其工作频率为11.424 GHz,并在清华X波段高功率测试平台进行高功率测试。射频击穿发生时,不同入射脉宽下传输波形脉宽的概率分布表明,长脉冲条件下,传输波形脉宽不小于20 ns,并且不同入射脉宽下的传输波形脉宽概率分布相似。分布式Half型加速结构是X波段短脉冲加速理想的应用场景之一。本论文研制了一个X波段12腔Half型行波加速结构。该结构经过老练之后可以稳定运行在90 ns脉宽、94 MV/m的梯度下,为未来分布式Half加速结构的发展进行加工和焊接工艺的探索。