中國軟X射線自由電子激光裝置重大進展：水窗波段放大出光

5月14日凌晨，我國首台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製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、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，正在建設光子科學大裝置集群。軟X射線自由電子激光裝置出光，標誌着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副經理劉波介紹，軟X射線自由電子激光可以在物理、化學、生物、物質、材料等領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”，可用於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構，“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，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，因為它足夠‘快’足夠強。”

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“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群和光子科學研究中心。整個裝置的研製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，並為首批5個實驗站供光。

SXFEL試驗裝置已於2020年11月通過國家驗收；隨後基於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、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團隊於2021年3月底完成了直線加速器的調試，之後以國際少有的速度相繼實現了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，輸出性能優異。

同時，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。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利器。