綜述及基本情況

X?射線自由電子激光試驗(yàn)裝置（X－ray Free－Electron Laser Test Facility，SXFEL－TF）是由中國(guó)科學(xué)院和教育部共同向國(guó)家申請(qǐng)建造的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所作為法人單位，北京大學(xué)作為共建單位。項(xiàng)目的科學(xué)目標(biāo)是探索兩級(jí)外種子自由電子激光級(jí)聯(lián)模式，以確定硬X射線自由電子激光裝置發(fā)展的技術(shù)路線，解決并掌握關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行人才與技術(shù)儲(chǔ)備，為我國(guó)建設(shè)硬?X?射線自由電子激光裝置作預(yù)先研究。項(xiàng)目的工程目標(biāo)是建成由射頻電子直線加速器驅(qū)動(dòng)的軟?X?射線自由電子激光裝置，為升級(jí)為用戶裝置提供基礎(chǔ)。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括?1?臺(tái)能量為?840?MeV?的電子直線加速器，1?臺(tái)兩級(jí)級(jí)聯(lián)的?EEHG－HGHG?外種子自由電子激光放大器，公用設(shè)施以及主體建筑和輔助建筑，目標(biāo)是產(chǎn)生中心波長(zhǎng)為?8．8?nm?的全相干軟X射線自由電子激光脈沖。

在X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，后續(xù)將提升直線加速器能量到?1．5?GeV，同時(shí)改造和新建總共2條波蕩器線，提供?3—20?nm?種子型?FEL?輻射和?2—10?nm SASE?型?FEL?輻射，首批將為?5?個(gè)實(shí)驗(yàn)站供光，升級(jí)成上海軟?X?射線自由電子激光用戶裝置（Shanghai Soft X－ray Free－Electron Laser User Facility，SXFEL－UF）。目前用戶裝置的基建和公用設(shè)施已經(jīng)就緒，大部分設(shè)備研制已經(jīng)完成，正在進(jìn)行設(shè)備安裝，預(yù)計(jì)?2020?年初開始調(diào)束，年底向用戶開放。

研究進(jìn)展與成果

作為新一代光源，X射線自由電子激光（XFEL）的峰值亮度比第三代同步輻射光源高?10?億—?100?億倍；脈沖長(zhǎng)度可達(dá)到飛秒量級(jí)，比第三代同步輻射光短?1?000?倍，而且相干性更好。XFEL?的出現(xiàn)，為物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科前沿研究開辟了全新的領(lǐng)域，成為實(shí)現(xiàn)科學(xué)突破與技術(shù)創(chuàng)新的研究利器。

X?射線自由電子激光試驗(yàn)裝置加速器

X?射線自由電子激光試驗(yàn)裝置的項(xiàng)目建議書于?2011?年?2?月獲得國(guó)家發(fā)展和改革委批復(fù)，2014?年?12?月在“上海光源”園區(qū)內(nèi)舉行開工奠基儀式，啟動(dòng)工程建設(shè)。SXFEL－TF?是基于外種子模式的自由電子激光裝置，采用光陰極注入器產(chǎn)生高亮度電子束，采用?C?波段常溫直線加速器作為主加速器將電子束團(tuán)加速至高能量，隨后在波蕩器系統(tǒng)中產(chǎn)生全相干的軟?X?射線自由電子激光，其?FEL?輸出波長(zhǎng)為?8．8?nm。SXFEL－TF?主要開展對(duì)先進(jìn)?FEL，尤其是外種子型?FEL?運(yùn)行模式的實(shí)驗(yàn)研究。2018?年實(shí)現(xiàn)了?HGHG?和?EEHG?模式下的?24?nm FEL?飽和輸出，這是國(guó)際上首次在?EUV?波段實(shí)現(xiàn)?EEHG?放大飽和，其脈沖能量達(dá)到百微焦量級(jí)，同時(shí)由測(cè)量光譜可見?EEHG?的相干性好于?HGHG；2019?年?3?月主加速器進(jìn)行了技術(shù)測(cè)試，全面達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；2019?年?4?月實(shí)現(xiàn)?8．8?nm?自由電子激光的出光放大，光子能量及脈沖長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，輻射功率接近設(shè)計(jì)指標(biāo)。

自由電子激光新原理實(shí)驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)

該項(xiàng)目在高梯度加速結(jié)構(gòu)、高性能波蕩器、高精度束測(cè)和光學(xué)診斷、激光－電子束同步設(shè)備以及種子和驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研制方面也取得了重要進(jìn)展。其中，C?波段高梯加速單元實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最高的平均運(yùn)行加速梯度?37．1 MV／m，X?波段線性化微波單元和?X／C／S?波段偏轉(zhuǎn)腔測(cè)量系統(tǒng)也投入了工程應(yīng)用，這些關(guān)鍵技術(shù)的成功研制保證了直線加速器達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)和種子型?FEL?順利出光。（中國(guó)科學(xué)院院刊供稿）