质子治疗及其装置是当前医学物理界中一大热点,由于其对正常组织极好的保护性及其在布拉格峰附近的生物效应,质子治疗获得了越来越多医生的认可和患者的青睐,是目前世界上最前沿的放射治疗方式之一。然而,先进的质子治疗设备巨大且昂贵。要解决这个问题,必须实现质子治疗设备的小型化。自此紧凑型质子治疗设备应运而生,高梯度射频技术的发展有助于实现更紧凑、更高效的质子治疗装置。根据当前提出的单室治疗、质子CT和FLASH闪疗的新要求,研制紧凑高效的质子治疗加速器受到了大家的重视。为了满足紧凑型、小型化与能量快速可调的质子治疗装置的技术要求,需要解决加速结构的高场问题、高梯度驻波加速结构和永磁四极铁聚焦等关键技术。通过调研国际上提出的质子治疗装置的方案,并结合我国对于质子治疗装置的需求,确定了S波段驻波加速结构的设计方案。与同步辐射加速器和回旋加速器相比,直线加速器因其具有能量连续快速可调;输出束流尺寸和发射度小;控制系统相对简单;束流品质高;可能量升级等优势,基于直线加速器的质子治疗方案可以发挥更好的性能。论文首先介绍了质子治疗技术的概况,然后系统性的论述了50 MV/m的高梯度S波段驻波加速结构的设计研究工作。利用仿真计算软件MWS-CST、HFSS和Superfish完成了加速结构的仿真工作,并利用多项式拟合的方法对加速结构的尺寸参数进行了优化。通过先进的加工制造技术完成了国内首根用于紧凑型质子治疗直线加速器中主加速结构的样机。样机加工完成后,在测量间建立了完善的测量平台,使用拉珠法测量（微扰法）对微波参量进行了测量。经过调谐过程,达到了可以进行高功率测试的条件。随后在上海软X射线自由电子激光装置（Shanghai soft X-ray Free Electron Laser facility,简称SXFEL）平台上完成了高功率实验。从实验平台的设计到搭建以及最后的实验结果的分析,最后测量到的有效加速梯度值达到了46 MV/m,显示样机的测试结果达到了预期的设计目标,至此完成了高梯度S波段驻波加速结构的可行性研究。最后,本课题的展望,将研制成功的高梯度、紧凑型的S波段驻波加速结构进行束流实验,进一步验证高梯度的有效性。