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同步辐射技术近年来得到了快速的发展,它覆盖了从红外到硬X射线的光谱范围,并且具有光谱连续、亮度高、准直性好等特点,在物理、化学、生物学、生命科学、材料科学等科学研究领域具有广泛的应用。作为第四代光源的自由电子激光,在亮度、相干性和可调光谱范围上更优于同步辐射光源。目前世界上已经建成了多台自由电子激光装置,德国的TESLA装置,美国的LCLS装置,意大利的FERMI装置,日本的SCSS装置,韩国Puhang以及中国的大连光源（DCLS）和上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）。上海软X射线自由电子激光装置是中国第一台X射线相干光源,其光谱可范围以覆盖2 nm～10 nm。该装置是基于1.5 Ge V的C波段高梯度电子直线加速器,包含1条种子型自由电子激光（FEL）束线,1条自放大自发辐射（SASE）光束线和5个实验站。其中SASE自由电子激光光束线,即活细胞成像光束线正在在建设中,能量范围约为103到1033 e V,包含前端区、吸收器、偏置平面镜PM1、平面镜PM2（含诊断光栅）、单色器、压弯镜、KB镜、椭球镜EM6等。束线采用两分支模式,优化满足生物成像、表面化学、超快物理等实验站对小光斑、高脉冲光子通量等需求,并结合实验站具体需求,实现了白光和单色光切换、光斑水平尺寸可调等功能。其中北支线由偏转平面镜、诊断光栅、KB镜组（椭圆柱面镜和平面镜）构成,主要用于生物细胞成像实验站。由于SASE光束线中X光的每个单脉冲特性没有HGHG（High Gain Harmonic Generation）模式稳定,因此对束线中X光单脉冲的检测要保证高可靠度和高精度,这样实验人员就可以使他们的数据更为准确,同样可以帮助束线科学家来维护和优化自由电子激光束线。所以有必要设计一种可以分辨每束自由电子激光脉冲的检测工具来满足用户和束线科学家的需求。目前国内外的在线诊断能谱仪主要针对低能段而设计,无法满足高能段对光束检测的分辨率要求。因此本工作设计了一个可以针对高能段优化的在线诊断能谱仪,该谱仪包含一个平面镜和一个变线间距光栅,可以用于在自由电子激光束线X光传播过程中检测单脉冲的能谱特性。本工作使用束线追迹的方法来模拟X光在束线中的传播以便研究它的转播特性,即通过SHADOW模型和SRW模型来研究X光在光束线传播过程来分析在线诊断能谱仪的分辨率和聚焦特性,以及面形误差对聚焦光斑的影响。谱仪的能量分辨率约为3×104（E/ΔE）（光子能量620 e V）,论文分析比较了在不同模型情况下,在线诊断能谱仪的+1阶聚焦光斑和分辨率。为了优化所选用的变线间距光栅,在100 e V到1000 e V能量范围分别详细计算和比较了2000 l/mm和3000 l/mm线密度光栅的+1阶聚焦光斑的分辨率和谱仪参数,如+1阶衍射角β,出射臂长r2以及聚焦面和衍射臂之间的夹角θ。通过模拟模拟,3000 l/mm线密度光栅在1033 e V的分辨率可达2.5×104（E/ΔE）,而2000 l/mm线密度光栅只有1.5×104（E/ΔE）,说明3000 l/mm光栅更适合高能段（光子能量大于800 e V）的能谱诊断。同时采用B4C镀层来降低自由电子激光高功率对镜面的辐射损伤,并且选择刻槽宽度和周期长度比为0.65以及刻槽深度为6 nm的设计使得在620 e V能量下B4C镀层的镜子衍射效率可达到18%。此外在实际光学元件在加工过程中会存在一定的面形误差,面形误差是衡量光学元件表面质量的重要指标。镜子的面形和高度误差相关联,会影响光束的相干性和波前,进而影响最终的光斑,选择合适面形误差的镜子对于整条光束线的设计非常关键。因此对KB镜支线各镜子加入实际面形误差后再进行束线追迹,分析得出面形误差对在线诊断谱仪的+1阶聚焦光斑影响很小,但是对最终聚焦光斑会产生较大的影响。根据模拟结果,当平面镜面形误差控制在0.1μrad到0.2μrad,同时椭圆柱面镜控制在0.4μrad以内,聚焦光斑尺寸在4μm以内。当采用现有镜子的实际面型误差（平面镜PM1、PM2、ECM7、椭圆柱面镜ECM8和ECM9的子午方向面形误差分别为0.1μrad、0.1μrad、0.2μrad、0.2μrad和0.2μrad（RMS））,聚焦光斑尺寸为3.3703μm,是理想情况光斑子午方向尺寸的约1.2倍。本工作为软X射线自由电子激光的在线诊断能谱仪提供了有意义的设计方法和详细的数据,可以为其他自由电子激光光束线的优化设计提供参考和依据。