高时空分辨电子成像与电子衍射技术是用以观测微观、超快过程的强有力工具。相比于传统透射型电子显微镜以及电子衍射中的ke V量级电子束,基于光阴极注入器的高能电子束具有亮度更高、穿透能力更强、脉冲结构更短的优势,有望发展出具有更高时空分辨能力的高能电子成像以及电子衍射工具,并在高能量密度物理（high energy density physics,HEDP）诊断以及超快动力学研究等领域发挥重要作用。论文的主要工作就聚焦在先进光阴极注入器产生的高亮度电子束驱动的高时空分辨高能（>MeV）电子成像与电子衍射应用中的一些重要物理以及技术问题。为了提升高能电子成像系统的分辨能力以满足HEDP诊断的需求,论文工作首先开展了基于光阴极注入器和常规电磁透镜的高能电子成像实验。在实验中利用约50 MeV高能电子探针实现了对mm量级不透明厚靶的多维度分辨,空间分辨能力达到4μm,厚度分辨能力达到10μm,为高能电子成像技术用于HEDP的诊断做了开拓性工作。为进一步提高高能电子成像系统的空间分辨能力,并使成像系统更加灵活紧凑,本论文开展了基于高梯度永磁四极磁铁的级联放大高能电子成像技术的理论、设计与实验研究。在级联放大成像系统的验证实验中,获得了15倍的放大倍数下1.6μm的单发成像超高空间分辨能力。在高品质静态成像基础上,我们也开展了基于泵浦-探测方案的飞秒强激光触发的金属网格融化过程的动态试验,成功观测到融化过程中3个不同的阶段,证明了高能电子成像技术用于高能量密度物质动态演化过程诊断的可行性。论文工作的另一方面是兆电子伏超快电子衍射装置（MeV ultrafast electron diffraction,MeV UED）的研究。作为一种新兴的超快动力学研究的强力工具,体积紧凑、造价相对低廉的MeV UED装置得到了极大关注。为给用户提供良好的电子衍射平台,我们结合实验室现有条件,提出了发展清华百飞秒UED用户装置的目标,并从理论、模拟方面开展大量工作证明了装置的潜力。目前该专用装置搭建工作已经基本完成,即将进入综合调试及电子束出束阶段,为下一步用户实验的开展打下基础。此外,瞄准高重复频率UED这一重要趋势,与中物院应用电子学研究所进行合作,通过细致的束流动力学模拟,验证了在其超导THz-FEL束线基础上发展高重频飞秒分辨率UED装置的可行性。