自由電子激光是利用自由電子為工作媒質(zhì)產(chǎn)生的強相干輻射，它的產(chǎn)生機理不同于原子內(nèi)束縛電子的受激輻射。自由電子激光的基本原理是通過自由電子和光輻射的相互作用，電子將能量轉(zhuǎn)送給輻射而使輻射強度增大。自1960年世界上第一臺激光器誕生以來。
隨著激光器技術(shù)的研究和發(fā)展，人們普遍希望普通激光器的功率、效率、波長調(diào)諧范圍能有大幅度地提高。但對于普通的激光器來說，簡直難以做到。于是，科學(xué)家們開始探索新的方法、新的途徑來提高激光器的性能。早在20世紀50年代初期，就有人提出了自由電子受激輻射的設(shè)想。
8月中旬，“X射線自由電子激光試驗裝置”通過了專家組的工藝驗收。該項目實現(xiàn)了EEHG-HGHG級聯(lián)模式放大，相較于兩級級聯(lián)HGHG模式具備更好的中心波長穩(wěn)定性和更窄的帶寬。相較于兩級級聯(lián)HGHG模式具備更好的中心波長穩(wěn)定性和更窄的帶寬。1300 MHz大晶粒9-cell超導(dǎo)腔垂直測試加速梯度和無載品質(zhì)因數(shù)Q0達到國際先進水平。 自主研制和集成的設(shè)備超過90%。
X射線自由電子激光試驗裝置是由中國科學(xué)院和教育部共同向國家申請建造的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施, 項目由中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所作為法人單位, 北京大學(xué)作為共建單位。項目的科學(xué)目標是探索兩級外種子自由電子激光級聯(lián)模式, 以確定硬X射線自由電子激光裝置發(fā)展的技術(shù)路線, 解決并掌握關(guān)鍵技術(shù), 進行人才與技術(shù)儲備, 為我國建設(shè)硬X射線自由電子激光裝置作預(yù)先研究。
項目的工程目標是建成由射頻電子直線加速器驅(qū)動的軟X射線自由電子激光裝置, 為升級為用戶裝置提供基礎(chǔ)。項目建設(shè)內(nèi)容包括1臺能量為840 MeV的電子直線加速器, 1臺兩級級聯(lián)的EEHG-HGHG外種子自由電子激光放大器, 公用設(shè)施以及主體建筑和輔助建筑, 目標是產(chǎn)生中心波長為8.8 nm的全相干軟X射線自由電子激光脈沖。
在X射線自由電子激光試驗裝置的基礎(chǔ)上, 后續(xù)將提升直線加速器能量到1.5 GeV, 同時改造和新建總共2條波蕩器線, 提供3-20 nm種子型FEL輻射和2-10 nm SASE型FEL輻射, 首批將為5個實驗站供光, 升級成上海軟X射線自由電子激光用戶裝置。目前用戶裝置的基建和公用設(shè)施已經(jīng)就緒, 大部分設(shè)備研制已經(jīng)完成, 正在進行設(shè)備安裝, 預(yù)計2020年初開始調(diào)束, 年底向用戶開放。
研究進展與成果
作為新一代光源, X射線自由電子激光(XFEL)的峰值亮度比第三代同步輻射光源高10億-100億倍; 脈沖長度可達到飛秒量級, 比第三代同步輻射光短1 000倍, 而且相干性更好。XFEL的出現(xiàn), 為物理、化學(xué)、生物、材料等學(xué)科前沿研究開辟了全新的領(lǐng)域, 成為實現(xiàn)科學(xué)突破與技術(shù)創(chuàng)新的研究利器。
X射線自由電子激光試驗裝置加速器
X射線自由電子激光試驗裝置的項目建議書于2011年2月獲得國家發(fā)展和改革委批復(fù), 2014年12月在"上海光源"園區(qū)內(nèi)舉行開工奠基儀式, 啟動工程建設(shè)。SXFEL-TF是基于外種子模式的自由電子激光裝置, 采用光陰極注入器產(chǎn)生高亮度電子束, 采用C波段常溫直線加速器作為主加速器將電子束團加速至高能量, 隨后在波蕩器系統(tǒng)中產(chǎn)生全相干的軟X射線自由電子激光, 其FEL輸出波長為8.8 nm。
SXFEL-TF主要開展對先進FEL, 尤其是外種子型FEL運行模式的實驗研究。2018年實現(xiàn)了HGHG和EEHG模式下的24 nm FEL飽和輸出, 這是國際上首次在EUV波段實現(xiàn)EEHG放大飽和, 其脈沖能量達到百微焦量級, 同時由測量光譜可見EEHG的相干性好于HGHG; 2019年3月主加速器進行了技術(shù)測試, 全面達到設(shè)計指標; 2019年4月實現(xiàn)8.8 nm自由電子激光的出光放大, 光子能量及脈沖長度達到設(shè)計指標, 輻射功率接近設(shè)計指標。
自由電子激光新原理實驗和關(guān)鍵技術(shù)
該項目在高梯度加速結(jié)構(gòu)、高性能波蕩器、高精度束測和光學(xué)診斷、激光-電子束同步設(shè)備以及種子和驅(qū)動激光系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研制方面也取得了重要進展。其中, C波段高梯加速單元實現(xiàn)了國際上最高的平均運行加速梯度37.1 MV/m, X波段線性化微波單元和X/C/S波段偏轉(zhuǎn)腔測量系統(tǒng)也投入了工程應(yīng)用, 這些關(guān)鍵技術(shù)的成功研制保證了直線加速器達到設(shè)計指標和種子型FEL順利出光
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