光阴极微波电子注入器(RF Photoinjector)是一种能够用于X射线自由电子激光装置和汤姆逊散射X射线源等的高亮度电子束源。降低光阴极微波电子注入器的归一化发射度,能够显著减小X射线自由电子激光装置的波荡器长度和提高汤姆逊散射X射线源的谱峰值亮度。从理论上探讨进一步降低光阴极微波电子注入器的发射度的可能途径是很有意义的。另一方面,国内汤姆逊散射X射线源和深紫外自由电子激光项目对S波段光阴极微波电子枪需求迫切,而国内还没有建成S波段光阴极微波电子枪,我们有必要对S波段光阴极微波电子枪进行实验研究,并建成S波段光阴极微波电子枪。因此,本论文一方面从理论上探讨进一步降低光阴极微波电子注入器发射度可能的途径;另一方面,进行了S波段1.6Cell光阴极微波电子枪的实验研究。光阴极微波电子注入器的发射度由两部分构成:其一是由电子发射过程决定的热发射度;其二是在传输、加速过程中空间电荷和射频相位等效应引入的关联发射度。关联发射度在电子束空间电荷力作用下,可以得到一定程度的减小亦即补偿。目前国际上一些金属光阴极热发射度测量结果与理论计算值相比明显偏大,阴极的粗糙度可能对热发射度有重要贡献。为此我们建立理论模型,对金属阴极表面粗糙度导致的表面杂散电场贡献的热发射度进行了分析。我们对加工的样品进行了表面形貌测量,依据结果估算这部分效应对热发射度的贡献为0.3mm·mrad/mm激光半径。我们在一阶近似下,对注入器中空间电荷占优相对论电子束的关联发射度(包括关联投影发射度和关联切片发射度)的补偿过程做了解析分析,得到注入器束线中两种关联发射度的变化对初始相空间的定量依赖关系以及漂移段内两种关联发射度变化的解析表达式。在对发射度构成以及补偿的分析的基础上,我们提出两种可能进一步降低现在国际上1nC、10ps电子束注入器发射度的途径。本论文的另一部分主要内容是S波段BNL/KEK/SHI型光阴极微波电子枪初步实验研究。我们完成了一个S波段BNL/KEK/SHI型光阴极微波电子枪的设计加工、调谐、焊接以及高功率测试。完成焊接后的电子枪π模频率为2856.22MHz(换算到45摄氏度真空状态),半腔与整腔场强比值为1.0。经过约200小时的微波老练,馈入电子枪的功率达到4.5MW,对应的阴极面峰值场强约75MV/m。测量到4.5MW功率下暗电流流强约5mA,电荷量约2.5nC。通过暗电流测量拟合得到场增强因子值为140。