能量回收直线加速器(EPL)不仅能够像储存环一样加速高流强电子束，而且还能像直线加速器一样保持束流的高品质，可以获得超短电子束团，束流流强不受功率源限制，并且降低垃圾靶辐射。ERL的优点以及在高平均功率自由电子激光上的成功实验引起了各国科学家和军方关注，成为目前加速器领域发展的热点和重要方向。北京大学超导实验室在建“基于超导加速器的SASE自由电子激光”装置采用全超导技术，为能量回收提供很好的试验和发展平台。 根据实验室发展规划，结合北京大学在建设备，论文进行能量回收自由电子激光装置(ERL-FEL)理论和设计研究，使它能在CW模式下运行，产生高平均功率自由电子激光，达到掌握ERL的物理和关键技术，为以后能量回收应用到第三代同步辐射的升级和实现MW级高功率FEL研究等奠定基础。 论文主要工作是研究了ERL-FEL有关的物理问题，完成了能量回收束线设计和束流动力学研究。ERL-FEL的束线设计需要满足两个方面的要求，即FEL和能量回收的要求，以实现高功率FEL输出和节约功率源功率的目标。论文的工作主要有以下几个方面：优化系统总体参数，分析和计算对比能量回收和非能量回收下所需射频功率；详细研究了光阴极注入器的束流动力学，并给出了最优运行加速梯度；比较各种并束段结构的特点，对北大ERL-FEL实验室的并束段进行优化设计；系统分析了返航束线束流相空间调控和匹配要求，在此基础上设计了北大ERL-FEL的返航束线；采用粒子追踪对束线的束流动力学进行研究，包括短束团下的相干同步辐射效应和大能散下高阶相差的影响等。 论文考虑各种误差对束线传输的影响，运用数学分析方法对返航束线轨道校正系统进行优化设计，在此基础上，研究了束线结构各种误差的敏感性，给出相应的容差范围，验证了所设计系统的可靠性和稳定性。 此外，还对ERL中多圈、多束团引起的束流不稳定性(BBU效应)进行深入研究，得出该系统的阈值平均电流，并找出最危险的高阶模，为PKU-FEL实现高平均功率FEL提供了理论依据。 论文的工作是紧密结合北京大学实验室的特点和ERL-FEL的要求进行优化设计，提出了工作在ERL-FEL模式下注入器中避免过聚焦的方案和运行要求，对将来注入器的调试具有指导意义；通过研究，提出了R56独立可调的对称消色散arc结构，其中各磁铁功能独立，可简化束流调试过程。