等离子体加速具有不受电离阈值的限制和极高的加速梯度等特性,为实现台面式粒子加速器提供了理论依据。近年来,随着啁啾脉冲放大技术的发展,基于超强超短激光驱动的等离子体电子加速器愈来愈受到人们的重视并已日臻成熟。加速出的相对论电子束可以通过Betatron振荡、逆康普顿散射等过程产生次级的辐射源,该X射线脉冲具有脉宽短、亮度高和源尺寸小等优势,在物理、化学、生物等学科的超快研究方面具有重要而广泛的应用。本论文主要对超强激光驱动的电子束及其辐射源的产生和控制过程进行了深入地探索,并且在研制的超快X射线衍射装置上开展了相应的应用研究。内容分成以下六章:第一章是绪论。首先介绍激光尾波场电子加速的物理机制和发展概况。然后介绍基于激光等离子体作用产生的超快X射线辐射源,包括Betatron辐射、逆康普顿散射和KαX射线。最后介绍这三种辐射源的超快应用,包括超快泵浦探测、超快吸收谱学、相衬成像和三维CT扫描成像。第二章是激光电子束指向的控制。首先介绍了控制激光电子束指向的原理以及脉冲波前倾斜在空间的演化过程。接着介绍了利用20 TW钛宝石飞秒激光器研制了一台激光等离子体电子加速器,获得了高品质的相对论电子束。然后,通过带有波前倾斜的激光脉冲实现了对电子束空间指向的线性调控,并建立理论模型对该过程进行了解释。最后介绍了激光电子束指向的控制在实际中的应用。第三章是激光等离子体X射线源的控制与品质的提升。（1）利用超强激光驱动的电子束与被等离子体镜反射回来的剩余激光对撞,通过逆康普散射过程产生高能的硬X射线。实验中,采用低背压高透光率的高Z纯氮气靶,提高激光在等离子体中能量的传输效率。进一步将激光聚焦在喷嘴的后沿,在不牺牲电子束品质的情况下,提高电子与激光的对撞截面,最终实现了X射线源产额的提升。（2）利用激光等离子体尾波场加速的相对论电子束在等离子体空泡中的横向振荡向外辐射出Betatron X射线,通过在激光脉冲中引入正的二阶色散,激发出更强的等离子体尾波,使得空泡的横向不稳定性增加,最终提高了Betatron X射线的临界能量。（3）将尾波场加速出的相对论电子束与高Z的金属靶作用,通过Bethe-Heitler过程产生了高能的γ射线和产额达1.0×106（>30 Me V）的正电子源。第四章是超快X射线衍射装置的研制。首先介绍了超快X射线衍射的原理,基于该原理设计了一套衍射系统。然后对泵浦探测光路的时空重合、靶面的平整度、KαX射线的产生和定标及X射线多层膜反射镜等进行了系统性地优化。接着利用该装置对SrCoO2.5薄膜样品的瞬态结构变化进行了探测。最后还介绍了一种单发实时超快X射线衍射装置的设计方案,可用于对样品的不可逆动力学过程进行单发实时动态地进行测量。第五章是超快X射线衍射的应用。首先介绍了反铁磁绝缘体SrCoO2.5样品的性质及制备过程。然后对SrCoO2.5薄膜样品在光诱导下的动力学过程进行了研究,通过超快X射线衍射并结合可见光的飞秒瞬态反射率信号对该样品进行了结构相变的分析。400 nm激光泵浦时,激发的是四面体结构,电荷转移是导致晶格畸变主要的物理机制,而800 nm激光泵浦时,激发的是八面体结构,热膨胀占主要贡献。第六章是总结与展望,对博士期间所作的工作进行了全面地总结,并对后续的工作进行了一定的思考和展望。