軟X射線自由電子激光裝置建設取得重大進展

記者從在上海同步輻射光源舉行的軟X射線自由電子激光成果發佈會上獲悉，我國首台X射線自由電子激光用户裝置——上海軟X射線自由電子激光裝置（以下簡稱“SXFEL”）調試工作連續取得突破性進展，先後在5.6 納米、3.5納米、2.4納米和2.0納米波長實現自由電子激光放大出光，實現了“水窗”波段全覆蓋，並在3.5納米實現飽和，輸出峯值功率超過500MW，X射線貫通光束線傳輸到達實驗站。

據介紹，目前全球已建成的軟X射線自由電子激光裝置僅有德國DESY、意大利FERMI-FEL，以及中國SXFEL。SXFEL在2.0納米波長實現自由電子激光放大出光在國際上尚屬首次，最新進展表明我國在軟X射線自由電子激光研製方面已步入國際先進行列。

“水窗”是指波長在2.3納米到4.4納米範圍的軟X射線波段。在此波段內，水對X射線是透明的，但其他構成生命的重要元素，例如碳和氧等仍會與X射線相互作用，因而水窗波段的X射線可用於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，自由電子激光的峯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。”中國工程院院士、軟X射線自由電子激光用户裝置首席科學家趙振堂介紹。SXFEL裝置是我國第一台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建具有全球影響力的光子科學設施集羣和光子科學研究中心。整個裝置的研製分為試驗裝置和用户裝置兩個階段進行，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，併為首批5個實驗站供光。

“X射線自由電子激光作為最前沿的研究工具之一，在‘探測超小結構，捕獲超快過程，理解複雜體系’三方面尤為突出。”上海光源科學中心副主任、軟X射線自由電子激光用户裝置項目常務副經理劉波介紹，“SXFEL裝置可以為生命科學中的活細胞結構與功能成像，材料科學中非晶材料的本質和相變機理，能源科學中的超快化學反應動態過程，以及物質科學中超導的電子結構動態過程等各領域的具體科研工作提供有效手段。”

記者瞭解到，SXFEL裝置包括1台光陰極注入器驅動的高性能C波段電子直線加速器、2台束團壓縮器、2條50米長的波盪器線、兩條光束線以及5個實驗站。電子束最大能量為1.5GeV，發射度為1.5μm-rad，峯值流強超過800A，束團電荷量超過500pC。其中，SXFEL試驗裝置已於2020年11月通過國家驗收，SXFEL用户裝置於2021年1月完成了基於試驗裝置的升級改造和總體集成。SXFEL團隊於3月完成了直線加速器的調試，目前，經過晝夜不停的緊張調試，自由電子激光已貫通整個光束線併到達實驗站。

上海科技大學物質科學與技術學院教授江懷東表示，SXFEL用户裝置正式開通後，將為進一步提高科研精度提供助力。例如，以前只能通過製作細胞切片對細胞進行“靜態”觀察，而SXFEL用户裝置開通後，則能即時動態地觀察到活細胞中各個細胞器的分佈情況、功能機制等。據悉，在目前調試工作的基礎上，SXFEL團隊正在進一步優化裝置參數和性能，將在2021年內全面實現裝置性能達標，為我國光子科學研究和應用提供前所未有的高時間分辨率和高空間分辨率的利器。