通过光电离磁光阱中的冷原子团可以产生低温、低密、强耦合的超冷等离子体,对超冷等离子体的理论和实验研究是等离子体物理、原子物理、低温物理和凝聚态物理的前沿交叉课题。在强库仑耦合体系中,粒子间的库仑势能超过其平均动能,同时粒子在演化过程中建立起空间关联,德拜屏蔽的有效相互作用势以及经典的流体力学方程不再有效。因此,超冷等离子体的实验测量和数值模拟研究有助于检验和完善强耦合非平衡系统的理论模型。本论文对超冷等离子体中电子、离子、里德堡原子的演化开展了实验和数值模拟研究,主要包括:超冷等离子体电子平衡阶段的电子快速冷却机制,离子平衡阶段的无序诱导加热与等离子体膨胀,以及超冷等离子体中里德堡原子的产生和演化。在超冷等离子体的电子平衡阶段,我们发现了电子快速冷却这一非平衡演化机制。实验上通过测量三体复合形成里德堡原子与等离子体中离子的数量关系,实现了对电子非平衡演化后达到局部热平衡温度的诊断;结合分子动力学模拟结果,理论和实验一致地表明电子快速冷却是超冷等离子体中普遍存在的电子非平衡演化机制,在电子初始弱耦合条件下会主导电子平衡阶段的行为。在超冷等离子体的离子平衡阶段,我们观察到了同时发生的离子无序诱导加热和等离子体膨胀现象。利用离子速度成像诊断系统我们实现了对超冷等离子体的离子温度和膨胀速度的同时测量。结合带电粒子追踪的数值模拟方法,理论和实验相互印证,都给出相同的离子升温结果,而且离子在非平衡演化过程中一直处于强耦合状态,其库仑耦合参数保持大于2。同时,等离子体膨胀速度的实验测量和数值模拟结果表现出相似的特征,与自相似膨胀模型的计算结果进行了对比,我们指出离子平衡阶段等离子体膨胀的驱动力是离子-离子空间关联所蕴含的能量。针对超冷等离子体中的里德堡原子,我们对其形成以及演化机制展开了研究。通过测量里德堡原子场电离的电子飞行时间谱,我们获得了里德堡原子总数以及态分布随时间的演化。里德堡原子总数的演化特征与一个理论模型相吻合,体现出电子碰撞在里德堡原子演化过程中的重要作用。另外,里德堡原子态分布的时间演化结果细节性地展现出三体复合过程与电子碰撞过程的竞争关系。综上所述,我们提出新的带电粒子诊断方案测量了超冷等离子体中电子、离子和里德堡原子,结合带电粒子追踪数值模拟方法,研究了超冷等离子体中电子和离子的非平衡演化以及里德堡原子过程,为理解超冷等离子体的产生和演化、检验强耦合非平衡系统的理论模型提供了关键证据。