超导加速腔是加速器制造中最为昂贵与复杂的部件之一。提高超导加速腔的性能，降低其造价，一直都是超导腔工作者追求的目标。本论文以稀有同位素束流装置（Facility for Rare Isotope Beams（FRIB））的低β超导加速腔为例，系统介绍了我们在提高超导腔性能方面的一系列工作。此系列工作涵盖了加速腔的设计（结构优化）、加速腔的控制（加速电压的控制）、以及加速腔的测试（次级电子倍增现象的抑制）。部分研究成果已经或者将会被应用到FRIB的加速腔上，相关的初步测试结果作为研究成果的一部分亦会详细说明。除去简介FRIB加速腔的第一章以及总结性质的第五章，本论文按上述所提的子项目分为三部分：第二章里，我们重点介绍了在FRIB加速腔设计的基础上提出的名为“赛车”（“Race-car”）的设计方案。一如其名，此方案重点提高了加速梯度并增大了分流阻抗。在第三章，我们尝试在低电平控制和调谐器控制中引入一种更先进的控制算法——自抗扰控制。在仿真与实验中，我们对比了这种算法与传统的比例积分控制算法，并建立了完整的加速电压控制的仿真模型。作为本论文的一项重点工作，第四章详细讨论了测试中制约FRIB加速腔性能的主要问题——功率耦合器和加速腔中的次级电子倍增现象。基于对物理图像的理解，我们分别对二者的次级电子的热点区域建立了两个简化模型。而由此提出的功率耦合器的结构优化将会被应用在FRIB加速器的改进中，另外加速腔短路板曲率的优化对于将来加速腔的设计也有很好的指导作用。超导加速腔的设计与制造是非常复杂的，本论文仅仅涵盖了其中一小部分课题。未来我们将继续这方面的学习与研究，努力做出世界一流的超导腔。