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基于射频超导加速器技术的能量回收型直线加速器(ERL)结合了直线加速器和环形加速器的优点，能以较低的功率消耗加速较高平均流强的电子束流，同时又可以获得较好的束流品质，在下一代同步辐射光源、高平均功率自由电子激光、逆康普顿散射/汤姆逊散射光源等光子科学平台以及电子冷却、电子离子对撞机等高能物理与核物理研究平台方面有很好的应用前景。目前为止，已经有多家实验室建成了ERL装置，在ERL的理论和实验以及应用方面取得了大量的成果，例如美国托马斯·杰佛逊实验室在其ERL装置中利用10mA平均流强的CW束流实现了平均功率10kW以上的红外自由电子激光输出，并形成了用户装置。更多ERL装置的建设计划也已经由世界各国的实验室提出，其中有的已经在建设当中。 ERL中有很多物理问题与关键技术仍有待进一步研究和探索，本文中将重点对其中的多圈束流崩溃效应问题进行研究。ERL中的多圈束流崩溃效应由超导腔中的具有横向作用的高阶模引起，可能限制ERL中平均流强的提高，是ERL中需要重点关注的问题之一。北京大学正在建设一台小型ERL实验装置，该装置的主直线加速器中计划采用9-cellTESLA型超导腔。9-cellTESLA型超导腔是一种腔型设计较为完善，制造加工工艺也比较成熟的超导腔型，但其并非为高平均流强束流运行而设计，当其应用于ERL装置时,腔中没有很好衰减的高阶模可能会导致出现多圈束流崩溃效应。因此，本论文中对采用9-cellTESLA型超导腔的小型ERL装置中的多圈束流崩溃效应进行了系统地模拟研究。计算了了采用TESLA型超导腔的小型ERL装置中不同返航束线参数时的多圈BBU阈值流强。找出了TESLA型超导腔中对多圈束流崩溃贡献最大的高阶模。分析了束团初始偏轴、加速腔数目、高阶模频率离散等因素对BBU阈值流强的影响。在此以上研究的基础上，最后我们对小型ERL装置中抑制多圈BBU的方法进行了探讨。 2013年作者在访问日本KEK时，接触到了其与日本JAEA联合提出的KEK3-GeVERL光源计划，并对该ERL装置进行了多圈束流崩溃模拟研究。在该ERL装置的初步设计报告中，对于多圈束流崩溃效应问题只给出了定性的简单分析。本论文中采用程序模拟对该ERL装置两种不同设计方案的多圈束流崩溃效应进行了定量的计算。研究了返航束线的β振荡相移、不同加速腔之间的高阶模频率离散、超导腔的加速梯度等对高能量ERL光源的BBU阈值流强的影响。模拟计算得到的结果说明采用9-cellKEK-ERLmode-2型超导腔时，KEK3-GeVERL光源的BBU阈值流强高于其平均流强设计值100mA。为该ERL装置的设计与建设提供了参考。 ERL产生的高重复频率高品质束流的应用是人们关心的另外一个重要问题。本论文中还对利用经过密度调制后的ERL束流通过相干汤姆逊散射产生高重复频率、短波长的超短脉冲辐射的物理过程和机制进行了探索性研究。通过程序模拟了分别采用HGHG、PEHG、EEHG中的束团密度调制方法对100MeV的ERL束团进行调制，经过群聚之后可以在束团纵向相空间中产生超短的微脉冲结构。将经过调制后的ERL束团与经过腔镜放大的ERL束流经过偏转磁铁时产生的相干同步辐射相互作用，形成相干汤姆逊散射，可以产生波长20nm，脉冲长度为数百阿秒到数飞秒的高重复频率超短脉冲辐射。