“光剑”出鞘！上海软X射线自由电子激光装置建设取得重大进展

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（SXFEL）建设，取得重大进展。

近日，上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）在调试工作中，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，完成了“水窗”波段全覆盖。这表明我国在软X射线自由电子激光研制方面已步入国际先进行列。

▲上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）的直线加速器隧道。新华社记者 张建松 摄

“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重大前沿课题的研究，具有极其重要的科学应用价值。

▲上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）的波荡器隧道。新华社记者 张建松摄

中国科学院上海高等研究院党委书记、上海光源科学中心主任、软X射线自由电子激光用户装置首席科学家赵振堂院士表示，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。

作为我国第一台X射线相干光源，上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）将与上海同步辐射光源（SSRF）、上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）和上海超强超短激光装置（SULF）等一起，在浦东张江构建具有全球影响力的光子大科学设施集群和光子科学研究中心。

▲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（右）和软X射线自由电子激光用户装置直线分总体负责人张猛（左），在波荡器大厅商量工作。  新华社记者 张建松 摄

据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，上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）总长532米，位于上海同步辐射光源（SSRF）的北侧。其研制由X射线自由电子激光试验装置、上海软X射线自由电子激光用户装置、活细胞结构与功能成像等线站工程三个项目支撑，分为试验装置和用户装置两个阶段进行。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。

其中，试验装置已于2020年11月通过国家验收；随后基于试验装置进行了升级改造和总体集成，现上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）包括：1台高性能C波段电子直线加速器、2条波荡器线、2条光束线和5个实验站。

▲团队人员在上海软X射线自由电子激光装置（SXFEL）控制室里进行自由电子激光调试。新华社记者 张建松 摄

目前，经过昼夜不停的紧张工作，装置团队已于2021年3月底完成直线加速器的调试，随后相继实现了5.6纳米、3.5纳米、2.4纳米和2.0纳米自由电子激光的出光放大，输出性能优异；自由电子激光已贯通整个光束线，并到达实验站。其中，3.5纳米波长实现饱和，输出峰值功率超过500MW，率先达到了设计指标。

团队正进一步优化装置参数和性能，计划在今年内全面实现装置性能达标，为我国基础前沿和应用科学研究提供前所未有的“利器”。