高能电子束驱动的自由电子激光（Free Electron Laser,FEL）可以产生高功率且频率可调的太赫兹波,是获得高平均功率太赫兹波的重要太赫兹源。加速器产生的电子束品质直接影响太赫兹辐射的功率、波形、频谱等性能参数,而稳定的微波功率系统是产生高品质电子束的重要保证,也是实现FEL输出太赫兹波时域精确测量的重要基础。论文依托华中科技大学紧凑型太赫兹自由电子激光装置（HUST THz-FEL）,研究了微波功率抖动对电子束、太赫兹辐射及其时域测量的影响规律,确定了微波功率系统稳定性控制指标;研制了一套基于FPGA的数字低电平（Low Level Radio Frequency,LLRF）控制系统抑制了微波抖动,满足了THz-FEL对微波稳定性的要求;提出了针对太赫兹脉冲频率的啁啾优化方法,补偿了宽谱激光在厚晶体中的色散,优化了THz-FEL辐射时域测量测量系统。论文基于束流动力学与FEL理论,仿真计算了电子束在微波场中的加速过程及THz-FEL波荡器中太赫兹辐射产生、增益及饱和过程,得出了微波电场幅值与相位抖动对电子束参数、FEL输出功率及THz时域测量波形的影响规律,其中幅值抖动对FEL输出功率的影响尤为明显,而相位抖动导致的THz时域测量波形畸变更严重。在此基础上提出了LLRF系统对微波电场幅值和相位抖动的控制目标。论文建立了LLRF系统的数学模型,推导了包含行波加速管的微波系统基带传递函数,分析了微波系统的稳定性。设计了分别以速调管输出信号、加速管末端输出信号、加速管入口反射信号作为控制对象的PI控制器,完成了LLRF系统仿真,验证了LLRF系统对微波电场幅值与相位抖动抑制的有效性。为了进一步提高系统响应速度并抑制超调,在传统加速器LLRF系统的PI控制基础上增加了模糊控制器并设计了适用于多种LLRF系统工作模式的模糊控制策略。论文研制了基于FPGA的数字LLRF系统,针对HUST THz-FEL开发了射频前端模块与数字信号处理模块,基于Verilog HDL语言编写了应用于LLRF系统的FPGA硬件算法,使LLRF系统能根据微波系统需要工作在参考信号跟踪模式与外部参数设定模式下。对LLRF系统各模块及微波抖动控制效果进行了测试,射频前端与数字信号处理模块输出信号都具有良好的信噪比与相位噪声,以速调管输出微波信号作为反馈信号的LLRF系统将微波电场幅值与相位抖动分别控制在在±0.7%与±1°范围内,达到了HUST THz-FEL微波电场幅值和相位抖动控制的要求。为了实现FEL输出辐射大频率调节范围内的THz脉冲时域测量,THz-FEL辐射时域测量系统需要足够的测量时间窗口及带宽,因此采用10fs宽谱采样激光和厚电光晶体对THz脉冲进行电光采样。但宽谱激光在厚电光晶体中存在较严重的色散效应,进而导致电光信号幅值下降。为了补偿宽谱采样激光在厚晶体中的色散,论文提出了针对太赫兹脉冲频率的啁啾优化方法,设计了负啁啾光路以提升THz-FEL时域测量系统探测带宽与信噪比。优化后的THz时域测量系统的电光信号正半周幅值增加71.29%,信噪比提升7.5d B。