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自由电子激光(Free Electron Lasers,FELs)能够产生高亮度,高功率,全相干,以及超短脉冲的X射线辐射。这些特性使其在生物,化学,医学,物理等许多领域展现出十分耀眼的活力。从最初理论的提出到现在,短短几十年间,自由电子激光得到了飞速的发展,并且在常规激光器难以实现的远红外,极紫外,X射线波段建成了用户装置。在X射线波段的应用中,生物大分子单颗粒相干衍射成像(Coherent Diffraction Imaging,CDI),泵浦-探针(Pump-Probe)对超快物理化学动力学过程的探测,以及强场极端条件下物理等领域的研究对具有全相干,超快,高稳定性,高功率的X射线FEL光源有着强烈的需求。现有的X射线FEL用户装置主要都工作在自放大辐射(Self-Amplified Spon-taneous Emission,SASE)模式,比如,已建成的FLASH(德国),LCLS(美国),SACLA(日本),European-XFEL(德国),以及正在建造的,SwissFEL(瑞士),PAL-XFEL(韩国),和SHINE(中国)。SASE模式下产生的辐射脉冲虽然具有横向全相干,但是纵向相干性很差,这是由于SASE起源于电子的分布噪声。为了提高X射线FEL脉冲的纵向相干性,自种子(self-seeding)FEL方案被提出。自种子FEL由三部分组成,第一部分是工作在指数增长阶段的SASE FEL,第二部分是单色器和电子旁路通道(由chicane充当),第三部分是FEL放大器。第一部分产生的SASE脉冲通过单色器后会产生单色的种子光,同时电子通过chicane,以补偿单色器中产生的光程差和洗掉电子的的微群聚。在第三部分,单色的种子光和电子重叠在一起并被放大到饱和。在软X射线波段,光栅可以作为单色器。在硬X射线波段,用晶体作为单色器,特别是利用单个晶体单色器的紧凑型硬X射线自种子(Hard X-Ray Self-Seeding,HXRSS)FEL方案(已经在LCLS实现)。虽然HXRSS FEL能够产生全相干的脉冲,但是实验表明其输出脉冲能量抖动性很大(～50%r.m.s.)。此外,现实中的FEL用户装置波荡器长度有限,为了得到更高功率的脉冲输出,就必须要提高FEL的效率。随着FEL重复频率的增加,热负载问题可能造成晶体单色器不可逆损伤,这将对光的品质以及装置的稳定运行造成影响。因此,对于高重复频率装置,HXRSS FEL的方案设计需要把热负载问题考虑进来。基于这一些问题,本论文对种子光的数值模拟、种子光频率特性、高效率HXRSS,HXRSS稳定性进行了研究。另外,还对高重复频率装置LCLS-Ⅱ的HXRSS FEL方案进行了研究。本文内容简介如下:(1)背景和理论部分:第一章本文回顾了FEL发展历史,总结了当前发展状态,讨论了以后可能的发展方向。为了进一步研究HXRSS FEL,第二章对FEL基本理论进行了简要介绍,第三章对X射线衍射动力学理论进行了介绍。(2)HXRSS FEL种子光性质研究:第四章首先研究了种子光的模拟,包括1-D,准3-D,3-D的数值模拟方法。然后研究了种子光的频谱特性,以及HXRSS FEL的长电子束和短电子束运行模式。(3)高效率HXRSS FEL研究:第五章首先简单回顾了现有的高效率HXRSS FEL方案,然后提出了一个新的提高HXRSS FEL效率的方案。该方案提出,适当调节晶体偏离布拉格条件可提高种子光能量,进而提高HXRSS FEL的效率。(4)HXRSS FEL稳定性研究:在实际装置中,导致HXRSS FEL不稳定性的原因非常复杂,但这些原因从根源是影响的是种子光能量的抖动。这些原因包括电子束能量抖动、SASE与晶体表面夹角抖动、电子束和种子光相对时间抖动、晶体单色器带宽、晶体失谐效应、继承于SASE的抖动等等。第六章对这些不稳定性进行了研究,并对提高HXRSS FEL稳定性制定了相应参数标准。(5)LCLS-Ⅱ HXRSS方案研究:对于高重复频率的装置,HXRSS方案的设计需要考虑到热负载问题。基于热负载考虑,LCLS-Ⅱ最初提出级联式HXRSS方案。在第七章,我们发现级联式HXRSS方案相比一级HXRSS方案没有任何优势。最后,本文通过优化模拟,提出了一个一级HXRSS优化方案。该方案不仅能够覆盖LCLS-Ⅱ SCRF-Linac产生的4 GeV和8 GeV电子束运行模式,而且还能覆盖基于CuRF-Linac运行模式。