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新一代光源、电子冷却和超短波长自由电子激光要求注入器能提供低发射度、高亮度的电子束，光阴极注入器是获得高品质电子束的主要途径之一，也是加速器领域的一个难点，它的出现使短波长高增益自由电子激光成为可能。北京大学在成功完成1.5cell DC—SC光阴极注入器原理验证的基础上，于2005年起，开始研制能提供高占空比、低发射度、高品质电子束的3.5cell DC—SC光阴极注入器，作为北京大学能量回收型自由电子激光(PKU—ERL—FEL)装置和高平均功率THz辐射(PKU—THz)装置的电子源。
本论文结合3.5cell DC—SC光阴极注入器深入研究了DC—SC结构的物理性能，推导了DC—SC光阴极注入器所能获得的极限发射度；研究了DC—gun的结构特点，提出参数化DC—gun的模型，并基于该模型分析电子束在DC—gun中的横向和纵向传输特性；本文还研究电子束在3.5cell超导腔中的束流输运，分别给出了电子束在首腔和3个TESLA腔中的相位滑移、能量增益和能散的解析表达式。为了分析3.5cell DC—SC光阴极注入器的发射度演化，本文用Methematica编写了一个包含空间电荷效应、DC—gun、3.5cell超导腔、适合DC—SC结构的束流输运程序，利用该程序研究自由电子激光最关心的Slice发射度的演化。上述解析分析和数值分析与Astra程序的计算结果作比较，两者相符；本文从理论上研究了DC—SC结构的发射度增长机制，研究各参数对发射度增长的影响，提高了DC—SC结构的优化设计速度。
本论文优化设计了满足PKU—ERL—FEL装置和PKU—THz装置要求的3.5cell DC—SC光阴极注入器。在物理上，优化设计了DC—gun和3.5cell超导腔的结构，进行了3.5cell超导腔的频域和时域高阶模分析、PKU—ERL—FEL束团时间结构的高阶模功率分析、研究了3.5cell腔的Multipacting效应、Lorentz失谐效应和机械性能；在工程上，设计了3.5cell DC—SC光阴极注入器恒温器，包括DC—gun、液氦部分、液氮冷屏、悬挂机构、超导腔的调谐结构和具有磁屏蔽功能的恒温器外壳等，分析了恒温器的热负载。同时，本文还对恒温器的关键部件进行了实验研究和研制：对所设计的3.5cell超导腔调谐系统进行了实验研究，实验结果与理论计算相符；研制了具有磁屏蔽功能的恒温器外壳，并进行磁屏蔽效果测量、退磁处理，获得满足超导腔使用要求的磁屏蔽效果：对超导腔与液氦槽之间的氩弧焊焊接进行实验研究，并设计和研制了流动氩气保护的焊接装置。基于该设计，3.5cell DC—SC光阴极注入器从2007年开始进行工程施工，目前已经完成了DC—gun、大晶粒3.5cell超导腔、液氦部分、液氮冷屏、具有磁屏蔽功能的外壳等关键部件的研制。
本论文对超导加速腔关键技术进行实验研究。本论文设计了多cell超导腔的加速场调平装置，编写了多cell超导腔场调平的计算程序，利用该装置和计算程序成功完成了5—cell、9cell、2cell和3.5cell等超导腔的场调平；发展了超导腔质量控制中最重要的一个环节：哑铃的测量和整形的理论和技术，成功地对多cell超导腔的频率和机械尺寸进行控制。同时，本文对超导腔的冲压、加工、电子束焊接等进行研究，成功研制了一只9cell和一只2cell超导腔，达到了国际水平；最后，成功研制了一只大晶粒3.5cell超导腔，并对其进行化学处理、场调平以及2K低温实验。
本论文基于1.5cell DC—SC光阴极注入器的经验，结合束流动力学和超导加速器理论，深入研究了DC—SC结构的物理性能、设计了能提供高品质电子束的、多用途3.5cellDC—SC光阴极注入器，并且对超导加速腔研制的关键技术进行大量的实验研究，发展了一套包括材料的准备、冲压、加工、电子束焊接等超导腔质量控制的规范，为了北京大学的THz辐射和PKU—ERL—FEL装置的成功研制奠定了坚实的基础。