二级轻气炮在超高速发射领域中应用十分广泛,是超高速碰撞下材料动态响应研究的重要设备,而对于材料微观动态响应及其机理的研究需要有原位实时高时空分辨率的手段,第三代同步辐射X射线光源具有高时空分辨诊断能力,因此将二级轻气炮与同步辐射X射线结合起来是非常有必要的。本文以氦气为驱动气体研制了一门小型化二级轻气炮,应用于先进光子源实验线站。本文通过理论计算和有限元仿真模拟,考虑科研项目需求,对所研制的二级轻气炮进行弹道模拟,初步了解一级活塞和弹丸的运动规律以及一级气室和二级气室的压压力场变化,为整体设计和测试实验提供了参考数据。在满足实验要求的情况下,确定了最终的参数。依据有限元仿真模拟结果和轻气炮相关原理,对该二级轻气炮提出了整体设计方案,包括发射结构、炮体结构以及辅助系统。发射机构由一级活塞自身密封,并采用电磁阀控制。炮体结构主要包括泵管、锥形高压段、发射管和靶室,参数使用计算模拟结果,主要构件已进行模拟分析,能够满足要求。所设计的靶室按照超快衍射实验要求,扩大特定几何下的探测范围,获得更多的动态衍射原位信息,设计了一种双靶室的结构,样品与探测器之间的距离可以控制在80～100 mm,衍射角2θ可以达到30°。基于所研制的二级轻气炮在先进光子源实验线站搭建了超高速发射系统,对单晶Mg进行了超高速冲击加载实验,同时结合超快X射线衍射探测方法,得到了单晶Mg在被冲击加载前后的衍射图像。根据实验结果对衍射斑变化的分析得出,单晶Mg在沿着<1010>和<1120>方向加载时,孪晶在冲击压缩时产生;而在沿着<0001>方向加载时,孪晶在卸载时产生。