超导加速器技术和光阴极技术在高平均功率自由电子激光的研究中占有重要地位。本文围绕超导腔-光阴极注入器实验研究工作，在分析实验系统中的物理问题和探索总体集成实验技术的基础上完成的。 根据超导腔表面的射频电阻特性，对超导腔和常温腔在频率选择、腔形设计上的不同进行了分析。由于超导腔采用大束孔、低阻抗腔形，通过对π模圆柱谐振腔场分布的解析分析，并与实际超导腔轴上纵向场分布数值模拟的结果进行对比，得到了超导腔轴上纵向场分布的解析表达式。利用MAFIA程序对单腔超导腔中的高阶模进行了计算，得到了其模式、频率及场分布，并对束流的长程尾场效应进行了简要的分析。 在微波系统与加速腔匹配的问题中，通过确定束流负载的并联导纳，将复杂的问题简单化，得到的匹配条件与用激励源方法得到的结果一致。由于超导腔的射频损耗极小，其束流负载效应变得很重要。从分析超导腔的储能入手，得到了加速腔建场强度与束流负载之间的关系。 在超导腔束管耦合器的设计中，将耦合器分成波导阻抗变换和波导同轴转换两个部分，降低了设计难度。通过对束管耦合器耦合度的解析分析、数值模拟计算和实验测量，确定了其耦合度的变化规律。 在光阴极RF Gun束流动力学分析中，在K．J．Kim理论的基础上，通过增加首腔腔长作为新的变量，分析了电子束的纵向运动，得到了首腔腔长与初始注入相位的关系。 在束流横向发射度的分析中，引入了发射度增长因子的概念，使得在分析线性效应引起发射度增长时的物理图像更加清晰。在首腔腔长可变的条件下，分析了射频场效应和空间电荷效应对束流发射度增长的影响。解析分析显示，适当增加光阴极RF Gun首腔腔长，减小电子束的注入相位，可以改善束流品质，提高束流纵向压缩比，减小由于空间电荷效应和射频场效应引起的束流发射度增长。 与常规加速器相比，超导腔-光阴极注入器实验系统复杂、技术难度大，实验周期长。超导腔-光阴极注入器实验系统由四倍频Nd：YAG锁模激光器、Cs₂Te光阴极、2+1／2微波电子枪、L波段3．5MW脉冲微波源，1．3GHz单腔超导铌腔，500W连续微波源，超导腔束管耦合器，4．2K低温恒温容器，液氦制冷系统， 超导偷光阴极注人器物理与实验研究同步控制系统，束流参数诊断，真空系统等构成。2001年6月在中物院进行了首次超导腔－光阴极注入器原理性实验，实验获得的束流参数为：柬流能量3．4MeV，微脉冲束流0．IA，超导腔能量增益0．58MeV，宏脉冲宽度lps。