近20年来，射频超导腔的低腔壁损耗和可以在宏脉冲甚至连续波下运行的优点，为加速器技术在高新前沿领域的发展带来了新的活力。当今射频超导腔的技术已经日趋成熟，在一些大型科学工程中应用获得成功，成为目前加速器的一个主流。例如目前TRISTAN(KEK)的对撞机、Diamond(英国)和CLS(加拿大)的储存环光源、CEBAF用于核物理研究的实验装置等等都是采用射频超导技术，而正在兴建的TeV能量超级直线对撞机(TESLA)、散裂中子源(SNS)、高平均功率自由电子激光(FEL)等大型加速器项目都将射频超导技术作为主加速器首选。 超导加速器的前沿发展追求的两个目标为高加速梯度和强流加速。超导加速器的大规模生产，要求降低造价，缩短加速器长度，需要提高超导腔的加速梯度。超导腔30多年的研究使它的加速梯度从几MV/m提高到目前的45MV/m，其中的关键技术是超导腔的表面处理。本论文详细研究了使超导腔加速梯度超过40MV/m的新发展起来的超导腔处理方法——电抛光+低温热处理(EP+bake)。本人利用DESY的实验条件对EP+bake进行了大量的实验研究，对电抛光从原理上与化学抛光(BCP)进行了比较，给出了EP超导腔优越于BCP超导腔的解释；进行了EP+bake超导腔的稳定性实验，发现干净空气、氮气、高压水对Bake后的超导腔基本没有负面影响；找到了EP超导腔出现Q—disease的原因，及避免Q—disease的措施；从实验中分析了bake可以降低EP超导腔的BCS表面电阻；提高超导腔的Q值。 从超导加速器的总造价来说，超导腔的表面处理费用占了较大的一部分，进一步研究超导腔的表面处理工艺，降低其费用是很有必要的。EP虽然可以大大提高超导腔的性能，但它存在一定的缺点，例如装置复杂、造价高、危险性大、耗时长等，为此，本论文利用北京大学的溅射条件，发展了一种超导腔处理的新方法——“干式”超导腔处理法，所谓“干式”是利用溅射技术进行的表面处理方法。并对这种处理方法进行了系统的研究，包括溅射处理对铌的表面特性的分析研究和对超导腔的超导性能的影响。通过对化学抛光、电抛光后的铌样品溅射处理前后的表面形貌分析，得到了溅射处理可以改善化学抛光的粗糙度、使铌表面重结晶的结论。溅射后铌样品的RRR提高了50-60，进一步证实了溅射具有使铌重结晶的作用，可以将铌表面的杂质、吸附的气体清洗掉，提高铌样品的纯度。此外，本论文首次将溅射处理法应用在北京大学1+1/2超导腔上，并进行了超导腔的4.2K温度下的性能测试，实验表明经过溅射处理后的超导腔性能比溅射前有了很大的改善，尤其是Multipacting在短时间内即可消除，使电子束载束实验得以在4.2K下顺利进行，并得到了很好的实验结果：超导腔的Q值达到了108，加速梯度达到5Mv/m，电子束增能大于1MeV。 超导加速器追求的另一个目标是用于强流加速，流强通常在几十到几百mA。强流质子加速器为散裂中子源、核废料处理、核物理研究提供强有力的手段。但质子、重离子加速器在不同的粒子速度范围需要不同的加速结构，以达到高的加速效率。在速度较低(β＜0.1)和速度较高(β＞0.5)时，高频四极场(RFQ)结构和椭球腔分别可以起到良好的加速效果，但当粒子速度介于中间时还没有成熟的加速结构，这一能段的加速结构是目前超导加速器领域中的一个研究热点。为此，在充分调研的基础上，本论文对一种新型强流超导加速腔——spoke腔进行了详细的性能研究，它是一种连接RFQ和椭球腔的桥梁结构，并设计了一个β=0.45，f=350MHz的超导型spoke加速腔。由于中β也有采用椭球腔的结构，所以本人还设计了一个β=0.5，f=805MHz的椭球腔，通过比较，发现中βspoke腔比中β椭球腔更有优势。 对强流加速器来说，高阶模的影响不可忽略。由于spoke腔是最近新发展起来的，高阶模的研究还很少。为了对spoke腔的高频性能进行较为系统的研究，按照设计加工了一个铜模型腔。本论文从高阶模的理论出发，通过模拟计算分析了几种有害模式，并在模型腔上进行了高阶模参数和轴向电场分布的测量，取得了与模拟计算相一致的结果，验证了有害模式的存在性。为下一步的高阶模抑制工作提供了一定的理论指导。