5月14日凌晨，我國首臺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（簡稱SXFEL）在2.0納米波長實(shí)現(xiàn)自由電子激光放大出光。這一進(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。
近日，上海軟X射線自由電子激光裝置調(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、2.0納米波長實(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500兆瓦，X射線貫通光束線到達(dá)實(shí)驗(yàn)站。
中國科學(xué)院上海高等研究院黨委書記、上海光源科學(xué)中心主任、軟X射線自由電子激光用戶裝置首席科學(xué)家、中國工程院院士趙振堂提到，在上海張江，正在建設(shè)光子科學(xué)大裝置集群。軟X射線自由電子激光裝置出光，標(biāo)志著它作為裝置集群中的一個活躍成員即將開始工作，有望在年底提供給用戶進(jìn)行科學(xué)研究。屆時集群的能力將得到顯著提升，為科學(xué)研究提供更多的手段。
上海光源科學(xué)中心副主任、軟X射線自由電子激光用戶裝置項(xiàng)目常務(wù)副經(jīng)理劉波介紹，軟X射線自由電子激光可以在物理、化學(xué)、生物、物質(zhì)、材料等領(lǐng)域進(jìn)行非常前沿的科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)。
劉波表示， X射線自由電子激光足夠“快”，可用于活體生物細(xì)胞的顯微成像等，具有重要的科學(xué)應(yīng)用價值。他表示，原來我們沒辦法去探知活細(xì)胞的真正結(jié)構(gòu)，“以前可以‘輻射’活細(xì)胞，但一下子就‘打’死了，看到的是死細(xì)胞狀態(tài)，而‘水窗’波段的X射線自由電子激光，雖然也會把細(xì)胞‘打’死，但捕捉到的是細(xì)胞沒死時的狀態(tài)，因?yàn)樗銐颉臁銐驈?qiáng)。”
5.6納米（左圖）和2.0納米（右圖）自由電子激光光斑
3.5納米自由電子激光飽和增益曲線、光斑和主要參數(shù)
“水窗”是指波長在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X射線是透明的，但其他構(gòu)成生命的重要元素，例如碳仍會與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，具有極其重要的科學(xué)應(yīng)用價值。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。整個裝置的研制分為試驗(yàn)裝置和用戶裝置兩個階段進(jìn)行，其最終目標(biāo)是建成波長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；隨后基于試驗(yàn)裝置進(jìn)行了升級改造和總體集成，形成了全新的SXFEL裝置，包括：1臺光陰極注入器驅(qū)動的高性能C波段電子直線加速器、2臺束團(tuán)壓縮器、2條50米長的波蕩器線、2條光束線以及5個實(shí)驗(yàn)站。電子束最大能量為1.5吉電子伏特，發(fā)射度為1.5微米弧度，峰值流強(qiáng)超過800安培，束團(tuán)電荷量超過500皮庫。SXFEL團(tuán)隊于2021年3月底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。
同時，經(jīng)過晝夜不停的緊張調(diào)試，自由電子激光已貫通整個光束線并到達(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)用提供前所未有的利器。
上海軟X射線自由電子激光裝置
直線加速器隧道
波蕩器隧道
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