近年来,紧凑型正负电子对撞机、X射线自由电子激光、紧凑型医疗及工业用加速器等装置对常温高梯度加速结构有着迫切的需求。实现高梯度加速结构的主要限制因素之一为射频击穿现象。该现象可导致金属表面损伤、加速腔失谐、腔间相移改变、加速管寿命缩短、被加速束团能量下降甚至丢失等一系列问题,需要得到尽可能的抑制。射频击穿现象是一种复杂的物理现象,一般认为由场致发射所诱发,并包括等离子产生、爆炸发射、表面熔化等众多物理过程。其发生概率与电场、磁场、脉冲宽度、修正后的坡印廷矢量等多种物理量有关。射频击穿发生的位置和时刻均随机分布,因此目前通常的实验研究多采用对特定的加速结构进行长期测量的方式,通过大量实验数据的统计结果进行分析。该方法所需实验时间较长,且无法较好地分离各物理量,为解读实验数据和进一步理解射频击穿现象带来了困难。本论文采用高功率激光,可在发生位置和时刻均可控的情况下在腔体表面触发射频击穿,从而缩短实验时间并明确实验结论。在S波段1.6 cell光阴极微波电子枪中,通过该方法得到了射频击穿电流的时间结构,并发现了在同一个微波脉冲中发生多次射频击穿的实验现象。结合带有射频击穿电流项的等效电路模型,本论文分析了多次射频击穿现象的成因,并提出了可以抑制其发生概率的新加速结构方案。另外,本论文采用L波段单腔高梯度光阴极微波电子枪对射频击穿和场致发射进行了深入的研究。观察到场致发射参数随微波老练的演变。通过采用针形阴极并改变阴极纵向位置,发现在阴极基模表面电场强度一定的情况下,场致发射电流强度随腔体储能/馈入功率而变化。该结论表明局部场致发射电流受腔体宏观参量所影响,以及加速器领域对Fowler-Nordheim方程的传统应用方法存在局限性。针对加速器中场致发射位置未知的问题,本论文还开展了场致发射位置在线高分辨率成像的研究。提出了高分辨率成像方法并进行了系统的粒子动力学仿真研究。在实验中得到了分辨率为100μm量级的阴极场致发射点清晰图案,发现场致发射由多个独立的发射点所主导,并对其场增强因子进行了测量。结合实验后的阴极表面形态分析,观察到大多数发射点均与阴极表面射频击穿位置重合。