兆电子伏超快电子衍射(MeV Ultrafast Electron Diffraction,MeV UED)是一种探测物质被激发到非平衡态时发生的原子尺度超快结构动力学的研究工具。MeV UED系统通过光阴极微波电子枪将电子束迅速加速到接近光速来降低空间电荷力效应,也因此可以维持电子束较小的发射度和脉宽。相比上一代空间电荷力效应更严重的千电子伏超快电子衍射(keV UED)系统,MeV UED已经将时间分辨率从亚ps提高到了约100 fs,并产生了许多重要研究成果。然而,大量重要的科学问题(如石墨中的相干声子震荡,分子内的质子传输和小分子气体中的化学键震动和结构变化等)发生在10-100 fs的时间尺度,因此需要更高时间分辨率的研究工具;而单纯利用光阴极微波电子枪还无法将MeV UED的时间分辨率提高至10-100 fs的水平。本论文介绍了我们为提高MeV UED的时间分辨率至10 fs量级而进行的相关工作,主要内容总结如下:根据基本系统布局和核心元件参数,我们分析了当前系统最优的分辨率大约为100 fs。为了提高时间分辨率,我们设计并研制了一套C波段微波聚束系统和脉宽测量系统。微波聚束腔对电子束实现完全压缩时,测得电子束的平均脉宽为6 fs(rms);但是压缩后电子束的中心能量抖动增大了4倍。通过理论分析得出该抖动来源于聚束腔的相位抖动,并且会增加电子束的飞行时间抖动。这个模式下时间分辨率的进一步提升需要对电子束的飞行时间抖动进行测量并校正。上述需求下,我们搭建了基于铌酸锂的强场太赫兹源,设计并实现了以下三种飞行时间测量的方法。1.太赫兹亚波长狭缝偏转法:强场太赫兹源结合谐振式场增强狭缝对太赫兹电场形成局部增强,对电子束形成了最大5.1μrad/fs的偏转梯度并获得了约1.5 fs的飞行时间确定精度。2.介质管太赫兹示波器法:针对狭缝的偏转是线性偏转,其近似线性的测量时间窗口大约只有四分之一太赫兹周期左右的不足,为实现有效测量窗口的提升,我们设计并实现了在表面有金属镀层的介质管中注入圆周偏振的太赫兹对电子束产生螺旋型偏转,实现了约1.5倍太赫兹周期的线性时间测量窗口,并获得了约3 fs的电子束飞行时间确定精度。介质管内径约为1 mm,相比于亚波长狭缝,也避免了电荷量的损失。口径和动态范围的同步提升明显改善了太赫兹偏转的性能。3.能量抖动测量法:相比于上述两种介入式的飞行时间测量方法,我们也实现了基于电子束能量测量的非介入式测量方法,通过太赫兹偏转验证了这个方法的准确性,估计了其矫正精度约24 fs。微波聚束腔压缩获得的6 fs脉宽超短电子束结合精度达到1.5 fs的飞行时间抖动测量技术,使得10 fs时间分辨率的MeV UED研究成为了可能。根据微波聚束腔压缩的实验结果,我们总结出研究更低飞行时间抖动的超短相对论电子束产生方法的必要性。我们据此进行了三种先进方法的研究:1.太赫兹尾场压缩:在介质尾场压缩实验中,我们获得了与微波聚束腔法同样的速度压缩效果,压缩后的电子束脉宽约7 fs(rms)。由于产生驱动电子束和被压缩电子束的紫外激光同源,因此实验测得这个方法不引入额外的飞行时间抖动。2.太赫兹切片:我们利用太赫兹偏转将原本分布宽度约158 fs(rms)的长电子束在横向踢开。下游的一个狭缝对踢开后的电子束进行切片,截取出了脉冲中约24 fs(rms)的部分。实验中测得切片法后电子束中心能量抖动降低,也因此可获得更低的飞行时间抖动。3.太赫兹偏转腔偏心注入法:太赫兹在介质管偏转腔中激发的偏转模式在偏心处可以提供有效的纵向压缩场。我们通过偏心注入,成功实现了利用与外激光同步的压缩场进行脉宽压缩,该方法可以同时降低电子束的脉宽和飞行时间抖动。实验中测得压缩前后电子束的脉宽和时间抖动分别从130 fs(rms)和97fs(rms)降低到了28 fs(rms)和36 fs(rms)。本论文还介绍了晶体衍射的基本原理和兆电子伏超快电子衍射的基本实验方法。以单晶金薄膜为测试样品,我们实现了该样品在受到飞秒激光泵浦之后的超快结构动力学过程测量。我们还实验验证了一套同时具有更高时间分辨和单发探测能力的实验方法。实验中,我们将电子束的电荷量提高到可以获得足够信噪比的单发衍射斑,并利用微波聚束腔将其压缩到了约13 fs(rms),再通过测量衍射斑零级的中心能量来反推由于微波聚束腔相位抖动引起的飞行时间抖动。我们测得了单晶Bi薄膜在激光泵浦下的纵向声子模引起的特定衍射斑的强度衰减曲线,并将这个过程的时间常数确定到小于210 fs,相比不进行飞行时间矫正获得的时间常数397 fs,系统的单发时间分辨能力得到了大幅提升。