綜述及基本情況

X?射線自由電子激光試驗裝置（X－ray Free－Electron Laser Test Facility，SXFEL－TF）是由中國科學院和教育部共同向國家申請建造的國家重大科技基礎(chǔ)設施，項目由中國科學院上海應用物理研究所作為法人單位，北京大學作為共建單位。項目的科學目標是探索兩級外種子自由電子激光級聯(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)，進行人才與技術(shù)儲備，為我國建設硬?X?射線自由電子激光裝置作預先研究。項目的工程目標是建成由射頻電子直線加速器驅(qū)動的軟?X?射線自由電子激光裝置，為升級為用戶裝置提供基礎(chǔ)。項目建設內(nèi)容包括?1?臺能量為?840?MeV?的電子直線加速器，1?臺兩級級聯(lián)的?EEHG－HGHG?外種子自由電子激光放大器，公用設施以及主體建筑和輔助建筑，目標是產(chǎn)生中心波長為?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?個實驗站供光，升級成上海軟?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施已經(jīng)就緒，大部分設備研制已經(jīng)完成，正在進行設備安裝，預計?2020?年初開始調(diào)束，年底向用戶開放。

研究進展與成果

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；脈沖長度可達到飛秒量級，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、生物、材料等學科前沿研究開辟了全新的領(lǐng)域，成為實現(xiàn)科學突破與技術(shù)創(chuàng)新的研究利器。

X?射線自由電子激光試驗裝置加速器

X?射線自由電子激光試驗裝置的項目建議書于?2011?年?2?月獲得國家發(fā)展和改革委批復，2014?年?12?月在“上海光源”園區(qū)內(nèi)舉行開工奠基儀式，啟動工程建設。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?輸出波長為?8．8?nm。SXFEL－TF?主要開展對先進?FEL，尤其是外種子型?FEL?運行模式的實驗研究。2018?年實現(xiàn)了?HGHG?和?EEHG?模式下的?24?nm FEL?飽和輸出，這是國際上首次在?EUV?波段實現(xiàn)?EEHG?放大飽和，其脈沖能量達到百微焦量級，同時由測量光譜可見?EEHG?的相干性好于?HGHG；2019?年?3?月主加速器進行了技術(shù)測試，全面達到設計指標；2019?年?4?月實現(xiàn)?8．8?nm?自由電子激光的出光放大，光子能量及脈沖長度達到設計指標，輻射功率接近設計指標。

自由電子激光新原理實驗和關(guān)鍵技術(shù)

該項目在高梯度加速結(jié)構(gòu)、高性能波蕩器、高精度束測和光學診斷、激光－電子束同步設備以及種子和驅(qū)動激光系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研制方面也取得了重要進展。其中，C?波段高梯加速單元實現(xiàn)了國際上最高的平均運行加速梯度?37．1 MV／m，X?波段線性化微波單元和?X／C／S?波段偏轉(zhuǎn)腔測量系統(tǒng)也投入了工程應用，這些關(guān)鍵技術(shù)的成功研制保證了直線加速器達到設計指標和種子型?FEL?順利出光。（中國科學院院刊供稿）