[大國重器-中科院重大科技基礎設施]X 射線自由電子雷射

綜述及基本情況

X 射線自由電子雷射試驗裝置（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雷射級聯模式，以確定硬X射線自由電子雷射裝置發展的技術路線，解決並掌握關鍵技術，進行人才與技術儲備，為我國建設硬 X 射線自由電子雷射裝置作預先研究。項目的工程目標是建成由射頻電子直線加速器驅動的軟 X 射線自由電子雷射裝置，為升級為用戶裝置提供基礎。項目建設內容包括 1 臺能量為 840 MeV 的電子直線加速器，1 臺兩級級聯的 EEHG－HGHG 外種子自由電子雷射放大器，公用設施以及主體建築和輔助建築，目標是產生中心波長為 8．8 nm 的全相干軟X射線自由電子雷射脈衝。

在X射線自由電子雷射試驗裝置的基礎上，後續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 射線自由電子雷射用戶裝置（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就緒，大部分設備研製已經完成，正在進行設備安裝，預計 2020 年初開始調束，年底向用戶開放。

研究進展與成果

作為新一代光源，X射線自由電子雷射（XFEL）的峰值亮度比第三代同步輻射光源高 10 億— 100 億倍；脈衝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，為物理、化學、生物、材料等學科前沿研究開闢了全新的領域，成為實現科學突破與技術創新的研究利器。

 

X 射線自由電子雷射試驗裝置加速器

X 射線自由電子雷射試驗裝置的項目建議書於 2011 年 2 月獲得國家發展和改革委批覆，2014 年 12 月在「上海光源」園區內舉行開工奠基儀式，啟動工程建設。SXFEL－TF 是基於外種子模式的自由電子雷射裝置，採用光陰極注入器產生高亮度電子束，採用 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，隨後在波蕩器系統中產生全相干的軟 X 射線自由電子雷射，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 EEHG 放大飽和，其脈衝能量達到百微焦量級，同時由測量光譜可見 EEHG 的相干性好於 HGHG；2019 年 3 月主加速器進行了技術測試，全面達到設計指標；2019 年 4 月實現 8．8 nm 自由電子雷射的出光放大，光子能量及脈衝長度達到設計指標，輻射功率接近設計指標。

自由電子雷射新原理實驗和關鍵技術

該項目在高梯度加速結構、高性能波蕩器、高精度束測和光學診斷、雷射－電子束同步設備以及種子和驅動雷射系統等關鍵技術研製方面也取得了重要進展。其中，C 波段高梯加速單元實現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 波段偏轉腔測量系統也投入了工程應用，這些關鍵技術的成功研製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）