近日，我國首臺(tái)X射線自由電子激光用戶裝置——上海軟X射線自由電子激光裝置(簡(jiǎn)稱SXFEL)調(diào)試工作連續(xù)取得突破性進(jìn)展，先后在5.6納米、3.5納米、2.4納米和2.0納米波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)自由電子激光放大出光，實(shí)現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋，并在3.5納米實(shí)現(xiàn)飽和，輸出峰值功率超過500MW，X射線貫通光束線傳輸?shù)竭_(dá)實(shí)驗(yàn)站。該進(jìn)展表明我國在軟X射線自由電子激光研制方面已步入國際先進(jìn)行列。
“水窗”是指波長(zhǎng)在2.3納米到4.4納米范圍的軟X射線波段，在此波段內(nèi)，水對(duì)X射線是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素，例如碳等仍會(huì)與X射線相互作用，因而水窗波段的X射線可用于活體生物細(xì)胞顯微成像等，具有十分重要的科學(xué)應(yīng)用價(jià)值。在水窗波段，自由電子激光的峰值亮度比同步輻射高十億倍以上，且同時(shí)具備橫向和縱向相干性，能夠?yàn)槲锢怼⑸铩⒒瘜W(xué)等學(xué)科提供革命性的研究工具。
SXFEL裝置是我國第一臺(tái)X射線相干光源，將與上海同步輻射光源、硬X射線自由電子激光裝置和超強(qiáng)超短激光裝置等一起在浦東張江構(gòu)建具有全球影響力的光子科學(xué)設(shè)施集群和光子科學(xué)研究中心。整個(gè)裝置的研制分為試驗(yàn)裝置和用戶裝置兩個(gè)階段進(jìn)行，其最終目標(biāo)是建成波長(zhǎng)覆蓋水窗波段的高亮度軟X射線自由電子激光光源，并為首批5個(gè)實(shí)驗(yàn)站供光。SXFEL試驗(yàn)裝置已于2020年11月通過國家驗(yàn)收，SXFEL用戶裝置于2021年1月完成了基于試驗(yàn)裝置的升級(jí)改造和總體集成。SXFEL裝置包括1臺(tái)光陰極注入器驅(qū)動(dòng)的高性能C波段電子直線加速器、2臺(tái)束團(tuán)壓縮器、2條50米長(zhǎng)的波蕩器線、兩條光束線以及5個(gè)實(shí)驗(yàn)站。電子束最大能量為1.5GeV，發(fā)射度為1.5μm-rad，峰值流強(qiáng)超過800A，束團(tuán)電荷量超過500pC。SXFEL團(tuán)隊(duì)于3月完成了直線加速器的調(diào)試，之后以國際少有的速度相繼實(shí)現(xiàn)了5.6納米、3.5納米、2.4納米和2.0納米自由電子激光的出光放大，輸出性能優(yōu)異。此外，經(jīng)過晝夜不停的緊張調(diào)試，自由電子激光已貫通整個(gè)光束線并到達(dá)實(shí)驗(yàn)站。在目前調(diào)試工作的基礎(chǔ)上，SXFEL團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)一步優(yōu)化裝置參數(shù)和性能，將在年內(nèi)全面實(shí)現(xiàn)裝置性能達(dá)標(biāo)，為我國光子科學(xué)研究和應(yīng)用提供前所未有的高時(shí)間分辨率和高空間分辨率利器。
圖1.5.6納米(左圖)和2.0納米(右圖)自由電子激光光斑
圖2.3.5納米自由電子激光飽和增益曲線、光斑和主要參數(shù)
圖3.上海軟X射線自由電子激光用戶裝置
圖4.直線加速器隧道
圖5.波蕩器大廳