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X射线自由电子激光(XFEL)能够产生功率高、横向相干性好且波长连续可调的短波长辐射脉冲。这些特性使得X射线自由电子激光在原子物理、纳米材料科学、飞秒化学、生物分子结构等诸多领域都有着广泛的应用。目前,X射线自由电子激光多采用自放大自发辐射(SASE)运行模式作为主流运行方案。该模式具有结构简单且波长连续可调等优点,但因其自身电子束的噪声起振效应,导致输出辐射脉冲的纵向相干性较差。为了改进X射线自由电子激光的纵向相干性,人们已提出多种改进的运行模式。其中高增益高次谐波放大(HGHG)运行模式和自种子(self-seeding)运行模式最为成熟,且均为实验所证实。然而,具有外种子的HGHG运行模式因电子束能散较大,限制了高次谐波的转换效率,在应用于XFEL时难以保证输出的脉冲品质;自种子运行模式则由于其第一部分SASE抖动,也会造成输出脉冲的不稳定性。近来,随着X射线自由电子激光装置的发展,原子内壳层激光在实验上已能实现。利用高功率短脉冲的XFEL泵浦特定原子的内壳层电子,该方法可以产生相干性更好的X射线激光。因此,尝试在现有XFEL装置中引入原子内壳层激光相关的作用机制,可能为实现高品质且全相干的X射线脉冲束流提供一种新的设计思路。在本论文中,通过将原子内壳层激光与自种子运行模式相结合,以改进X射线自由电子激光的纵向相干性为目标,提出了一种原子内壳层激光作为种子驱动的XFEL运行模式。该模式利用SASE XFEL作为泵浦源,泵浦电中性原子,再将产生的原子内壳层激光作为种子激光用以调制电子束团,从而产生全相干的自由电子激光。论文首先基于半经典激光理论,给出原子内壳层能级占有数的速率方程,并采用高斯型XFEL作为泵浦源研究原子内壳层激光的产生机制。结果表明,该方案能够产生高功率的原子内壳层激光,完全可以作为后续XFEL调制电子束的种子激光。其次,基于上海相干光源设计参数,利用fresh-slice技术,对该模式从头到尾(start-to-end)过程进行模拟,得到210 GW的高功率的X射线输出脉冲。脉冲谱宽约为0.58 e V,对应时间带宽积1.02,表明该方案能够产生一个高功率、短脉冲、短波长并且横向和纵向全相干的X射线自由电子激光。相关设计与理论模拟证实了原子内壳层辐射驱动的X射线自由电子激光的可行性,也为上海相干光源产生高品质且全相干的短脉冲辐射(软X射线、硬X射线等波段)提供了一种可能的设计方案。