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自由电子激光(FEL)具有波长连续可调(可达X射线波段)，可设计等新颖特性和高功率，高效率等潜在能力，在飞秒科学，生物分子结构，纳米科学等研究领域有广泛运用前景。当前自由电子激光的研究正转向短波长(X射线)，实用化，紧凑型方向发展，已经成为国内外研究的热点。本文在中国国家自然科学基金及美国能源部DOE项目的资助下，对能产生X射线波长的自由电子激光几类器件进行了深入、全面的研究，包括理论分析、数值编程和模拟研究，以及如何获得高质量的电子束源的理论和实验研究，对于X射线FEL理论研究的深化和实验装置的设计和改进具有重要的意义，取得了一批有价值的研究成果。主要研究内容为： 1.利用粒子经典理论建立 SASE(自放大自辐射)自由电子激光自洽方程组，编写了稳态 Matlab-SASE-FEL数值计算程序，对辐射光场功率，饱和长度，聚束因子等特性进行了详细的分析。此程序的主要优势在于基于Matlab的便利性可以很方便的进行后处理数据，为X射线FEL发展提供理论设计便利。 2.利用光场的高斯赫米特源项展开法，推导相应 FEL方程，编制振荡器稳态FEL程序-Matlab-Oscillator code，探索振荡器工作的稳定区，并对镜子的折射率，镜子曲率半径，腔体结构等三维问题对振荡器工作的影响，最终获得稳定工作的光腔结构。最后将新程序与国际通用软件Genesis进行了单Pass的SASE对比，符合很好。 3.概述HGHG FEL和EEHG FEL产生高次谐波的数理方法及优缺点，并在国际上首次采用双振荡器(Two oscillator system)产生高次谐波而生成X射线的物理设计，进而编制Matlab two-oscillator system code。研究了高次谐波产生随Chicane-R56参数的变化关系及稳定性研究。为了改善进入辐射段电子束能散，提出带有 OK机构的HGHG和EEHG创新结构，对其采用Ginger进行模拟优化，显著改善电子束能散。 4.对X射线FEL采用的电子束源的各种方案进行探讨，最终采用虚火花空心阴极放电这种特殊的放电方式进行了研究，利用PIC-MCC model进行了数值模拟，得出放电规律。最后在放电的实验研究中测量到放电电流达到千安级别，放电电压2000伏特。得到符合X射线自由电子激光基本要求的高电流强度和低能散的高质量电子束源，降低了对束团长度压缩系统的要求。 5.最后探索了可能采用的X射线FEL电子束源的产生机制-微空心阴极放电阵列理论研究，采用纯流体理论对微空心阴极放电单个单元进行数值编程，并进行了可行性分析。