超快电子衍射（UED）是用于观测物质和材料超快结构变化过程的探针工具,在物理、化学、材料等学科前沿研究中发挥了重要的作用。Me V UED利用微波电子枪获得超短电子束团并从衍射样斑中获得样品结构演化的信息。相比于传统的静电高压加速的ke V UED,Me V UED具有电荷量更高、穿透能力更强等优势。本论文围绕Me V UED的系统优化问题进行了研究,设计搭建了Me V UED装置并开展了超快物理过程的应用探索研究。我们对Me V UED系统的优化研究集中在横向的空间分辨能力和纵向的束团压缩两个方面。在空间分辨能力方面,我们利用传输矩阵和基于三维均匀椭球分布的束团模型以研究聚焦场、空间电荷力等因素对束团尺寸演化的影响,并利用粒子跟踪程序对阴极激光进行了优化研究。在束团压缩方面,我们研究了利用加速管对Me V UED束团进行速度压缩的方案,设计了适用于低电荷量、低能量超短束团的基于相干渡越辐射的束长测量方案。在研究过程中发现束团的横向尺寸因素显著降低了相干辐射能量,我们对这一效应进行了定量计算,并在实验中引入了横向聚焦。根据理论计算我们开展了实验研究,测量到小于40飞秒的束长,这一结果和模拟相一致。在理论优化的指导下我们设计并搭建了一套紧凑型Me V UED装置。该装置包括光阴极微波电子枪、微波偏转腔、激光系统、束团控制及测量系统、束线控制程序及数据采集程序等分系统。我们对装置进行了测试,并利用单发电子束获得了高质量的单金晶的衍射斑。利用搭建的Me V UED装置,我们开展了超快物理过程的泵浦–探测实验研究。首先我们用电子阴影方法研究了激光泵浦金属针尖的超快过程,找到了泵浦–探测实验的时间零点。对于单晶金样品,我们开展了泵浦–探测研究,获得了泵浦后25皮秒内样品结构的动态过程并测量了金样品在德拜–沃勒效应中衍射斑衰减的时间常数。最后我们利用偏转腔对泵浦后的衍射斑条纹化,以研究Me V UED装置的连续时间分辨工作模式。实验结果验证了清华紧凑型Me V UED系统在泵浦–探测实验中具备亚皮秒、原子尺度的分辨能力。