上海軟Ⅹ射線自由電子雷射裝置

由射頻電子直線加速器驅動的X射線自由電子雷射（FEL）裝置是具有可工作於整個X射線波段區的高亮度、短脈衝、可調諧的新型相干X射線光源。

基本介紹

• 中文名：上海軟Ⅹ射線自由電子雷射裝置
• 特點：高亮度、短脈衝、可調諧
• 適用方面：生命科學、材料科學、信息科學
• 意義：推動科技的發展

項目簡介

X射線FEL裝置已成為已開發國家爭奪21世紀科技至高點的必備高科技基礎設施，它將為生命科學、材料科學、信息科學、環境科學和非線性科學等科學前沿的基礎研究和高新尖端技術的開發研究，帶來全新的視野和不可估量的革命性的前景。目前國際上X射線FEL裝置的研究和建設十分迅速，並與第三代光源一起構成光子科學研究中心的核心裝備。中國於“十五”期間編制的《國家科學技術中長期發展計畫戰略研究第15專題》中已明確指出：“更高性能的第四代光源—高增益FEL能產生極高強度的飛秒相干X射線，為提高空間分辨和時間分辨的動力學研究提供強有力的手段，它將對未來科學技術的發展帶來深刻的影響。中國應從深紫外FEL研究起步，分階段實施，在2015年前後建成X射線FEL，以在2020年左右能在此領域裡進入世界先進行列”。

SXFEL試驗裝置總體方案

2011年2月1日，上海軟X射線自由電子雷射試驗裝置（簡稱SXFEL）項目建議書獲得國家發展改革委批覆（發改高技﹝2011﹞184號），SXFEL項目正式進入可行性研究階段。批覆的SXFEL投資1.95億，新增建築面積約5500平方米。SXFEL的建設意義主要體現在以下兩方面：

1）在軟X射線波段區9nm出光實驗的總目標下，實驗驗證級聯高增益諧波放大模式的可行性，確定我國硬X射線FEL最終採用的工作模式。

2）通過SXFEL建設，在整機集成的層面上，掌握硬X射線FEL裝置涉及的各項重大關鍵技術，進行人才與技術儲備，確定X射線自由電子雷射發展的技術路線，為中國建設X射線自由電子雷射用戶裝置提供技術儲備和支撐。

SXFEL 9nm兩級級聯HGHG工作模式裝置示意

SXFEL試驗裝置項目法人單位為中國科學院上海套用物理研究所。項目主要建設內容包括建造由光陰極注入器、主加速器、兩級高增益諧波放大振盪器系統以及加速器隧道、調束管長廊、中央控制室和公用工程配套設施等組成的軟X射線自由電子雷射裝置。其中，光陰極注入器包括光陰極微波電子槍（RF Gun）和S-band預加速段（L0）；主加速器包括X-band諧波補償段、兩級磁壓縮系統（BC1和BC2）、S-band、C-band直線加速段（L1、L2、L3）及電子束輸運匹配線（DL）；兩級HGHG波盪器系統包括2個調製波盪器、2個輻射波盪器、2個色散段、延遲線與X射線診斷系統等。

SXFEL建設選址於上海張江高科技園區的上海光源園區內。整個SXFEL裝置建於上海光源（SSRF）園區的北側居中，電子束方向由西向東。SXFEL將共享上海光源園區內的公共配套設施資源，如變配電所、給排水、消防、通訊、計算中心、招待所、實驗室/辦公室等。SXFEL的土建工程包括加速器等隧道、速調管長廊和中央控制室等工程用房，總建築面積約5500m2，隧道包括加速器隧道、波盪器廳和X射線FEL廳，均為箱式結構。

SXFEL在張江上海光源園區內的選址布局示意

SXFEL項目從立項（開工）至建設完成驗收的建設周期為5年，其中主設備製造1年半，安裝9個月，直線加速器調試1年，FEL調試驗收2年。

工程進展

2011年2月1日，SXFEL項目建議書獲得國家發展改革委批覆（發改高技﹝2011﹞184號），SXFEL項目正式進入可行性研究階段。

2011年3月7日，院計畫財務局下發了《關於轉發<國家發展改革委關於X射線自由電子雷射試驗裝置項目建議書的批覆>的通知》（計字﹝2011﹞27號），要求項目法人中國科學院上海套用物理研究積極組織，全力推進SXFEL可行性研究工作。

2011年3月，十一屆全國人大四次會議表決通過了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》，自由電子雷射裝置作為“科學研究設施”被列入國家“十二五”規劃的“科技創新能力建設重點”。

2010年，在積極爭取項目立項過程中，跟蹤國際自由電子雷射前沿發展，考慮技術儲備和創新，對原有設計方案進行了修改和最佳化：包括注入器-直線加速器方案及參數最佳化、波盪器-實驗系統最佳化、診斷光束線布局最佳化等。特別是C波段加速結構、小間隙波盪器、低發射度電子槍等關鍵技術和重要設備，已準備啟動樣機和首件的研製工作。同時，在充分調研國外自由電子雷射裝置布局的基礎上，結合上海光源張江園區具體情況，考慮泵浦-探針的可能性，從合理性、經費預算等多方面著手，啟動了總體布局設計和園區規劃工作，推進環評準備工作，積極準備對建築設計的工藝技術規格和要求。

項目總體分階段組織了直線加速器物理最佳化、C波段加速結構最佳化、FEL總體參數和波盪器技術路線、參數選擇等討論會。

1．直線加速器：根據中咨公司評審意見，取消了原能量倍增器的設計，確定了電子束流能量為840MeV。在此基礎上，充分調研了近期國際上在建和在研的自由電子雷射裝置的新發展、新動向，重新對束流物理參數進行了全面分析和最佳化，確定了在L3加速器段採用C-band加速結構的技術方案。

2．FEL物理及波盪器與診斷光束線：為確保SXFEL試驗裝置先進性，結合自由電子雷射領域內近來出現的新原理，確認了保持波盪器長度和數目不變的兩級級聯方案，並由自由電子雷射部組織了方案的模擬計算和最佳化，確定了新版物理參數，提出了對波盪器和診斷光束線的技術要求。

3．注入器：根據最佳化後的直線加速器參數需要，對注入器參數和布局進行了重新模擬和調整。

4．建安與公用設施：對園區總體布局進行了重新規劃，初步確定了建築布局，並討論了建築工藝技術規格初步要求。對利用上海光源現有公用設施裝備和連線管線排布進行了初步考慮