硬X射线自由电子激光装置（Hard X-ray Free Electron Laser,简称HXFEL）的出现使得能够产生短、强、相干X射线脉冲,用于物理、生物、化学研究等领域的广泛科学应用。正在建设的上海高重复频率硬X射线自由电子激光和极端光学装置（SHINE）是国内第一台高重复频率硬X射线自由电子装置,装置建成后,将成为世界上最高效和最先进的自由电子激光用户装置之一,为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段,形成独具特色、多学科交叉的先进科学研究平台。SHINE为了提供1MHz高重复频率的电子束团,则选用了高Q低损耗的超导腔作为加速结构来加速粒子。而超导腔需要工作在低温环境中,束流经过整个超导模组时不仅会激励起纵向阻抗和尾场给整个模组带来额外的低温热负载。而且也会激励起横向阻抗和尾场导致束团的发射度增长。这些效应都会影响装置的运行,对它们的研究显得至关重要。而欧洲硬X射线自由电子激光装置（The European XFEL）是世界上已经建成且正在运行的硬X射线自由电子装置,同样也是一台基于超导直线加速器的自由电子激光设备,重复频率高达4.5 MHz。目前计划在The European XFEL的SASE1线上安装一个褶皱结构,当束流通过这样的褶皱结构时,不仅可以激励纵向尾场,以控制SASE辐射的带宽,也可以激励横向尾场,作为双色方案的kicker。但是,由于褶皱结构的间隙非常小,受到尾场作用的束团粒子撞击褶皱结构后会经历较大的betatron振荡,会导致能量在波荡器束线中沉积,这可能会导致波荡器退磁,尤其是在高重复率下这种情况就更危险。并且,SHINE未来也会在直线加速器出口安装同样的褶皱结构,那么也会遇到这样的问题。因此,研究尾场对粒子穿过褶皱结构造成的束流损失,以及如何减少这种束流损失以保护下游波荡器,显得尤为紧迫。本论文详细论述了 SHINE中1.3 GHz Tesla和3.9 GHz超导模组中的纵向阻抗与尾场引起的低温热负载,得出的结果直接用于SHINE超导模组的低温冷却工程。还计算了1.3GHz在Tesla超导模组中的横向阻抗与尾场引起的发射度增长,这里有横向阻抗及发射度影响,短程横向尾场引起的单束团发射度增长以及长程横向尾场引起的多束团发射度增长。以及研究了因1.3GHz超导腔耦合器引起的coupler RF kick和发射度增长问题,给出了合理安排低温模组中8个腔的排列来优化发射度增长,得出的结论成为了 SHINE直线物理的参数设计。本论文还详细研究了欧洲硬X射线自由电子激光装置中褶皱结构导致的束流损失,提出了在BDSIM中等效模拟尾场效应的新方法,并给出了两种不同的方案进行了束流损失模拟:FODO optics下的双片褶皱结构和低β optics下的单片褶皱结构。最终结果显示,后一种方案可以容纳更多束团中的粒子通过。为了进一步减少束团束晕中的粒子撞击下游波荡器段从而造成能量损失峰值,研究了在褶皱结构与波荡器段之间增加一准直器的可能性,结果显示能量峰值降低了 100倍,并计算了高重频电子束团下增加冷却系统后准直器的温度分布。鉴于准直器的重要性,SHINE未来也要安装准直器,且准直器与连接段之间的结构复杂,尾场的计算呈现复杂性。本文基于目前SHINE准直器与段间结构的初步设计,详细分析了纵向尾场的计算方法,并比较了多个准直器间隙的纵向尾场。最终结果可作为SHINE准直器工程设计与加工的方案。综上所述,本文是基于高重频硬X射线自由电子激光装置SHINE和Eu-XFEL对阻抗与尾场的研究,详细介绍了超导腔、低温模组、褶皱结构和准直器与段间结构的阻抗与尾场及导致的纵向与横向作用,相关结论已经用于工程实际中或为工程设计提供了可靠依据。