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高能物理和光子科学的发展,对实验装置的能量提出了更高的要求,推进了加速器的发展。为了发现和研究新的物理现象,粒子对撞机的对撞能量需要提升一个量级。受限于安装长度,加速梯度也需要相应的提高。这同时迎合了紧凑型自由电子激光装置的发展需求,有利于实验室装置和医疗设备等装置的小型化。因此,高加速梯度是实现紧凑型直线加速装置的关键因素。为了实现高梯度的目标,斯坦福直线加速器中心(SLAC)、日本高能加速器研究中心(KEK)和欧洲核子研究中心(CERN)等机构,致力于研究X波段乃至更高频率的加速结构,并在测试装置NLCTA(Next Linear Collider Test Accelerator)、XTF(New X-band Test Facility)和CTF(Compact Linear Collider Test Facility)上进行了大量的研究。目前,X波段加速结构最高能获得120 MV/m的无束流负载稳定加速梯度,远高于S波段和C波段能达到的加速梯度。对于30GHz频率的加速结构,加速梯度可以在极短脉冲长度下实现150 MV/m,但是不能在多束团模式下稳定运行。随着精密加工技术、高功率源等的发展,多个机构联合建立了X波段自由电子激光国际合作组,将X波段高梯度加速结构作为未来紧凑型自由电子激光装置的首选方案。但是X波段加速结构仍然面临“打火”和横向尾场抑制等技术难题。结构的“打火”通常发生在腔壁上,与表面电磁场相关,限制了结构的加速梯度。横向尾场效应与束团间隔、束团数目等息息相关,在多束团模式运行中尤其严重。针对单束团模式运行的装置,例如自由电子激光装置,横向尾场效应的抑制与束流孔径相关。本论文完成了80 MV/m的X波段高梯度盘荷波导结构的设计、加工和调谐。该结构是专门为紧凑型自由电子激光装置设计,后由于工程项目变动,样管安装在上海软X射线自由电子激光装置上,用于束团线性压缩。本论文提出了利用多项式拟合建模的多目标优化算法,分析了表面电磁场抑制、尾场效应抑制和耦合器中的多极场效应抑制问题,进行了非谐振微扰测量调谐等,完成了样管的制造,并且开展了高功率实验和束流实验。本论文还详细介绍了用于紧凑型直线对撞机项目第一阶段(380 GeV CLIC)的X波段波导阻尼结构的设计。通过优化腔体轮廓、阻尼波导尺寸、高次模吸收负载位置等,实现了横向尾场效应的抑制和表面电磁场的优化。本文基于高斯失谐原理的尾场效应抑制,探讨了盘荷波导结构在双束团运行模式时的尾场效应,并拓展到多个束团运行模式。