我国软X射线自由电子激光装置重大进展：水窗波段放大出光

5月14日凌晨，我国首台X射线自由电子激光用户装置——上海软X射线自由电子激光装置（简称SXFEL）在2.0纳米波长实现自由电子激光放大出光。这一进展表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。
近日，上海软X射线自由电子激光装置调试工作连续取得突破性进展，先后在5.6 纳米、3.5纳米、2.4纳米、2.0纳米波长实现自由电子激光放大出光，实现了“水窗”波段全覆盖，并在3.5纳米实现饱和，输出峰值功率超过500兆瓦，X射线贯通光束线到达实验站。
中国科学院上海高等研究院党委书记、上海光源科学中心主任、软X射线自由电子激光用户装置首席科学家、中国工程院院士赵振堂提到，在上海张江，正在建设光子科学大装置集群。软X射线自由电子激光装置出光，标志着它作为装置集群中的一个活跃成员即将开始工作，有望在年底提供给用户进行科学研究。届时集群的能力将得到显著提升，为科学研究提供更多的手段。
上海光源科学中心副主任、软X射线自由电子激光用户装置项目常务副经理刘波介绍，软X射线自由电子激光可以在物理、化学、生物、物质、材料等领域进行非常前沿的科学研究和实验。
刘波表示， X射线自由电子激光足够“快”，可用于活体生物细胞的显微成像等，具有重要的科学应用价值。他表示，原来我们没办法去探知活细胞的真正结构，“以前可以‘辐射’活细胞，但一下子就‘打’死了，看到的是死细胞状态，而‘水窗’波段的X射线自由电子激光，虽然也会把细胞‘打’死，但捕捉到的是细胞没死时的状态，因为它足够‘快’足够强。”

5.6纳米（左图）和2.0纳米（右图）自由电子激光光斑

3.5纳米自由电子激光饱和增益曲线、光斑和主要参数

“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米范围的软X射线波段，在此波段内，水对X射线是透明的，但其他构成生命的重要元素，例如碳仍会与X射线相互作用，因而水窗波段的X射线可用于活体生物细胞显微成像等，具有极其重要的科学应用价值。在水窗波段，自由电子激光的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，且同时具备横向和纵向相干性，能够为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具。
SXFEL装置是我国第一台X射线相干光源，将与上海同步辐射光源、硬X射线自由电子激光装置和超强超短激光装置等一起，在浦东张江构建具有全球影响力的光子科学设施集群和光子科学研究中心。整个装置的研制分为试验装置和用户装置两个阶段进行，其最终目标是建成波长覆盖水窗波段的高亮度软X射线自由电子激光光源，并为首批5个实验站供光。
SXFEL试验装置已于2020年11月通过国家验收；随后基于试验装置进行了升级改造和总体集成，形成了全新的SXFEL装置，包括：1台光阴极注入器驱动的高性能C波段电子直线加速器、2台束团压缩器、2条50米长的波荡器线、2条光束线以及5个实验站。电子束最大能量为1.5吉电子伏特，发射度为1.5微米弧度，峰值流强超过800安培，束团电荷量超过500皮库。SXFEL团队于2021年3月底完成了直线加速器的调试，之后以国际少有的速度相继实现了5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米和2.0纳米自由电子激光的出光放大，输出性能优异。
同时，经过昼夜不停的紧张调试，自由电子激光已贯通整个光束线并到达实验站。在目前调试工作的基础上，SXFEL团队正在进一步优化装置参数和性能，将在年内全面实现装置性能达标，为我国光子科学研究和应用提供前所未有的利器。

上海软X射线自由电子激光装置

直线加速器隧道

波荡器隧道

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