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納米波長實現(xiàn)自由電子激光放大出光。這一進展表明我國在軟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)取得突破性進展，先后在5.6 納米、3.5納米、2.4納米、2.0納米波長實現(xiàn)自由電子激光放大出光，實現(xiàn)了“水窗”波段全覆蓋，并在3.5納米實現(xiàn)飽和，輸出峰值功率超過500兆瓦，X射線貫通光束線到達實驗站。
中國科學院上海高等研究院黨委書記、上海光源科學中心主任、軟X射線自由電子激光用戶裝置首席科學家、中國工程院院士趙振堂提到，在上海張江，正在建設(shè)光子科學大裝置集群。軟X射線自由電子激光裝置出光，標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行科學研究。屆時集群的能力將得到顯著提升，為科學研究提供更多的手段。
上海光源科學中心副主任、軟X射線自由電子激光用戶裝置項目常務(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、生物、物質(zhì)、材料等領(lǐng)域進行非常前沿的科學研究和實驗。
劉波表示， X射線自由電子激光足夠“快”，可用于活體生物細胞的顯微成像等，具有重要的科學應用價值。他表示，原來我們沒辦法去探知活細胞的真正結(jié)構(gòu)，“以前可以‘輻射’活細胞，但一下子就‘打’死了，看到的是死細胞狀態(tài)，而‘水窗’波段的X射線自由電子激光，雖然也會把細胞‘打’死，但捕捉到的是細胞沒死時的狀態(tài)，因為它足夠‘快’足夠強?！?/p>
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胞顯微成像等，具有極其重要的科學應用價值。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，能夠為物理、生物、化學等學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設(shè)施集群和光子科學研究中心。整個裝置的研制分為試驗裝置和用戶裝置兩個階段進行，其最終目標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個實驗站供光。
SXFEL試驗裝置已于2020年11月通過國家驗收；隨后基于試驗裝置進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臺束團壓縮器、2條50米長的波蕩器線、2條光束線以及5個實驗站。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，峰值流強超過800安培，束團電荷量超過500皮庫。SXFEL團隊于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實驗站。在目前調(diào)試工作的基礎(chǔ)上，SXFEL團隊正在進一步優(yōu)化裝置參數(shù)和性能，將在年內(nèi)全面實現(xiàn)裝置性能達標，為我國光子科學研究和應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
