软X射线自由电子激光装置建设取得重大进展

记者从在上海同步辐射光源举行的软X射线自由电子激光成果发布会上获悉,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(以下简称“SXFEL”)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纳米和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500MW,X射线贯通光束线传输到达实验站。

据介绍,目前全球已建成的软X射线自由电子激光装置仅有德国DESY、意大利FERMI-FEL,以及中国SXFEL。SXFEL在2.0纳米波长实现自由电子激光放大出光在国际上尚属首次,最新进展表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。

“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,例如碳和氧等仍会与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。”中国工程院院士、软X射线自由电子激光用户装置首席科学家赵振堂介绍。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。

“X射线自由电子激光作为最前沿的研究工具之一,在‘探测超小结构,捕获超快过程,理解复杂体系’三方面尤为突出。”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,“SXFEL装置可以为生命科学中的活细胞结构与功能成像,材料科学中非晶材料的本质和相变机理,能源科学中的超快化学反应动态过程,以及物质科学中超导的电子结构动态过程等各领域的具体科研工作提供有效手段。”

记者了解到,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、两条光束线以及5个实验站。电子束最大能量为1.5GeV,发射度为1.5μm-rad,峰值流强超过800A,束团电荷量超过500pC。其中,SXFEL试验装置已于2020年11月通过国家验收,SXFEL用户装置于2021年1月完成了基于试验装置的升级改造和总体集成。SXFEL团队于3月完成了直线加速器的调试,目前,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。

上海科技大学物质科学与技术学院教授江怀东表示,SXFEL用户装置正式开通后,将为进一步提高科研精度提供助力。例如,以前只能通过制作细胞切片对细胞进行“静态”观察,而SXFEL用户装置开通后,则能实时动态地观察到活细胞中各个细胞器的分布情况、功能机制等。据悉,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2021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高时间分辨率和高空间分辨率的利器。

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