超快电子衍射技术快速发展,其在研究物理超快动力学、化学反应过渡态以及生物分子功能等方面得到了广泛的应用。超快电子衍射技术以飞秒激光为泵浦光诱导物质结构相变,以超快电子脉冲为探针对物质超快动力学过程进行实时探测,由于该技术结合了飞秒激光脉冲的超高时间分辨特性和电子衍射的超高空间分辨特性,因此实现了在sub-100fs时间尺度下sub-mA空间尺度变化的探测。在超快电子衍射技术中,作为表征系统时间分辨率的电子脉冲时间宽度是研究物质超快动力学过程的一个关键参数,因此有效地抑制电子束空间电荷效应,压缩电子束脉宽就成为超快电子衍射实验中的核心技术。我们实验室自行设计并搭建了一套基于飞秒电子衍射的四维分子成像系统,并获得了具有高亮度的超短电子脉冲。本论文重点介绍其电子枪系统,从理论上模拟电子束特性,进而优化实验装置,取得以下主要结果：首先,介绍电子枪系统中加速电极、聚焦磁透镜以及射频压缩腔等装置,利用Poisson Superfish软件分别计算了电极的三维柱对称电场分布、磁透镜中三维柱对称磁场分布以及含时的射频压缩腔轴向电场分布,并将上述电场分别导入粒子示综软件,模拟电子束的加速聚焦压缩过程。再次,利用粒子示踪软件模拟经电子枪系统作用后电子束纵向以及横向特性,重点分析了样品位置处电子束的纵向和横向相空间性质,即纵向脉宽110fs,横向平均半径132μm,归一化发射度0.02mm-mrad,相干长度2nm,对实验系统的性能进行了验证。为了进一步优化实验装置,我们改变脉冲电子数、磁透镜位置、射频腔位置以及阴阳电极的位置等参数,发现在脉冲电子数为105,磁透镜位置后移20mm,或者射频腔位置前移10mm,或者磁透镜和射频腔整体后移20mm,均得到纵向脉宽最窄横向发射度较小的电子束,进而优化实验系统。