超快电子衍射技术(UED,Ultrafast Electron Diffraction)因其具有超高的时间与空间分辨能力,被广泛应用于固体物理、气相飞秒化学、固体有机化学等领域的研究。利用该技术人们实现了对金属热熔化、化学反应过渡态以及有机样品结构相变等过程超快动力学的直接观测。近年来,基于高亮度电子脉冲的UED技术被广泛应用于探究化学生物领域中大量非可逆超快过程。然而,由于高亮度电子束内所含电子个数(>105)较多,电子在自由飞行过程中会受到相互之间库伦斥力的影响,使得电子脉冲的脉宽被极大地展宽,从而导致系统的时间分辨能力下降,无法实现对激发对象超快动力学的观测。因此,如何实现在保持高亮度的同时,将电子束脉宽压缩到亚皮秒甚至飞秒量级就成为了UED技术所面对的重大挑战。本论文的核心工作就在于利用射频技术有效地抑制了电子束脉宽的展宽,实现了超短电子脉冲的压缩以及精确测量。同时,我们对射频信号所引入的边带噪声,相位抖动等问题从理论和实验两方面进行了系统的研究和分析,论文主要内容如下:(1)搭建了一套基于射频压缩的高亮度超快电子衍射系统并对传统的直流电子枪进行了优化,优化后的电子枪采用双凸型的阴阳极结构,大大降低了局部场增强效应,使得电子枪的直流加速电场强度从7 MV/m提升到12 MV/m,电子能量从50 ke V提升到120 ke V。(2)利用频率锁定系统实现了飞秒激光系统与射频信号发射系统的相位锁定。测试了偏置频率在1 Hz-10 MHz范围内射频信号发生器、大功率3.2 GHz以及6.4 GHz信号的相位噪声(三者均在700 fs左右)。并通过实验测试了电子脉冲与射频信号的同步特性。(3)阐述了射频压缩技术的原理,利用专业软件对压缩过程进行了数值模拟,并在实验上成功将电子个数为105个,能量为40 ke V的电子脉冲宽度从14.98ps压缩到0.60 ps;此外介绍了利用射频技术测量电子脉宽的原理,分析比较了单脉冲测量与多脉冲测量这两种模式下测量结果的差异,以及产生差异的原因。(4)开展了一系列针对金属以及半导体材料的超快动力学实验。首先,观测得到了铝薄膜样品在能量密度为10 m J/cm2飞秒激光辐照下的晶格动力学过程,验证了UED系统的时间及空间分辨能力;其次,研究了半导体薄膜Ge2Sb2Te5受激光辐照的结构相变过程,同时,论证了利用超快电子衍射观测激光诱导Ti O2从锐钛矿型-金红石型相变过程的可行性并模拟了两种晶型的静态电子衍射。