1 引言

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是基于自放大自发辐射(SASE)^[1-2]及外种子模式^[3-11]的自由电子激光(FEL)装置,其光谱范围可覆盖2~10 nm。SXFEL位于上海同步辐射光源(SSRF^[12])园区内,如图1所示,其建筑总长532 m,包括了约250 m长的直线加速器隧道、40 m长的束流分配厅、160 m长的波荡器大厅以及80 m长的光束线和实验大厅。SXFEL采用常温直线加速器产生高能量的电子束团,将此电子束送入波荡器系统中可产生高功率的相干辐射。

图 1. SSRF和SXFEL的鸟瞰图

Fig. 1. Aerial view of SSRF and SXFEL

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SXFEL分成两期建设,包括试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF),其中SXFEL-TF的主要目的是开展对先进FEL,尤其是外种子型FEL运行模式的实验研究。主要研究内容包括高增益高次谐波产生(HGHG) ^[4,9,11],回声型谐波产生(EEHG)^[5-6],以及HGHG和EEHG各种不同的级联组合。在SXFEL试验装置上开展的X射线FEL

新原理与关键技术的研究将为未来软X射线用户装置以及硬X射线装置的建设打下坚实基础。SXFEL的光阴极微波电子枪由清华大学研制^[13],C波段高梯度加速单元^[14]以及不同种类的波荡器(包括平面型波荡器、椭圆极化型波荡器、真空内波荡器等)由中国科学院上海应用物理研究所研制,束线站由上海科技大学会同中国科学院上海应用物理研究所研制。通过将电子束能量提升到1.5 GeV并改造、新建波荡器线,试验装置将升级为一台软X射线FEL用户装置,辐射波长将覆盖水窗波段。SXFEL-UF包括两条波荡器线、两条光束线以及5个实验站。图2给出了试验装置和用户装置的布局比较。SXFEL用户装置将继续采用先进的外种子FEL模式,如EEHG或者级联EEHG等,在超高次谐波下获得更高的转化效率,同时保持外种子型FEL在输出特性上的优势,如稳定的中心波长、超短的辐射脉冲长度、与外部激光的自然同步以及多色运行等。

图 2. SXFEL布局示意图

Fig. 2. Schematic of SXFEL layout

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SXFEL装置主要分成电子直线加速器、FEL放大器(波荡器线)、光束线和实验站等部分,下面分别加以介绍。

2 电子直线加速器

SXFEL加速器主要由光阴极注入器、主加速器和两个磁压缩段构成,试验装置和用户装置的主要参数如表1所示。

SXFEL注入器包括S波段光阴极微波电子枪、发射度补偿线圈、驱动激光、两套S波段加速管、激光加热器等主要设备。SXFEL注入器采用清华大学研制的改进型1.6单元光阴极微波电子枪,腔的结构设计经过仔细优化以改进高阶模抑制、模式间

隔、峰值电场等方面的性能。类似的电子枪在清华大学的汤姆孙散射X射线源(TTX)上进行了测试,在阴极表面电场为110 MV/m、束团电荷量为500 pC、峰值电流为62.5 A的条件下,获得了0.78/0.92 mm·mrad的归一化发射度。光阴极微波电子枪产生的电子束团通过一套S波段加速单元L0(由两根3 m行波加速结构及配套功率源构成)加速到130 MeV,加速结构上安装了两套螺线管线圈用于实现发射度补偿。在L0之后安装一套激光加热器以增加电子束的切片能散,从而抑制微束团不稳定性效应(MBI)对电子束品质的破坏。

SXFEL主加速器由S波段加速单元L1(包括两套3m的S波段加速结构)、X波段谐波补偿腔(线性化器)、磁压缩器和两个C波段高梯度加速段(L2和L3)构成,如图2所示。其中,线性化器用于在磁压缩器(BC1)之前补偿束团的高阶能散,BC1用于电子束团压缩以提高峰值束流流强。在试验装置SXFEL-TF阶段,共有6套C波段单元,其中包括2套L2 和4套L3。每套C波段加速单元包括一套50 MW的速调管功率源,一个能量倍增器和两根1.8 m长的C波段加速结构。SXFEL用户装置将在试验装置预留的位置新增一套50 MW的S波段微波功率源、4套C波段加速单元和第二个磁压缩器(BC2)。除此之外,直线加速器末端还将新增一套X波段偏转腔,以实现高分辨率的束团纵向参数测量。设计的SXFEL用户装置主加速器的工作参数如表2所示。

3 FEL放大器

3.1 FEL运行模式

SXFEL有多种运行模式,包括SASE、HGHG、EEHG、级联HGHG和级联EEHG-HGHG等。如图2所示,种子型FEL线的波荡器线包括两级:第一级是典型的EEHG配置,包含两个调制段波荡器(M1和M2)、两个色散段(DS1和DS2)和一个辐射段(R1);第二级是典型的HGHG配置,包含一个调制段波荡器(M3)、一个色散段(DS3)和一个辐射段(R2),两级之间是一个小的束团刷新Chicane(FB)。通过HGHG-HGHG级联或者EEHG-HGHG级联,SXFEL-TF能够产生全相干的8.8 nm辐射。SXFEL-TF的第一级种子激光的波长选择为266 nm(典型钛宝石激光器的三倍频输出),第一级辐射段产生约44 nm的辐射,该辐射作为第二级运行的种子光,最终在8.8 nm产生峰值功率大于100 MW的输出。通过将电子束能量提升至1.5 GeV、束流流强提高到700 A,SXFEL-UF的波长将能够扩展到水窗波段。升级之前的基于外种子激光的波荡器线,用户装置将产生波长短至3 nm的全相干FEL,同时增加一条全新的基于SASE运行模式的波荡器线,以产生波长短至2 nm的FEL。为使外种子FEL线能够在3 nm输出达到饱和,第一级辐射段由3台波荡器增加为4台,第二级辐射段由6台波荡器增加为10台。模拟结果表明,FEL输出的脉冲峰值功率能够达到数百兆瓦,脉冲宽度约为50 fs。为满足用户对偏振可控的需求,在第二级辐射段的下游还增加了两台椭圆极化波荡器,构成“afterburner”的运行模式。基于SASE运行模式的第二条波荡器线采用16 mm周期的真空内平面波荡器。加速器运行在0.84 GeV能量时输出波长可短至8 nm,运行在1.5 GeV时可获得最短波长为 2 nm的饱和FEL输出。为满足用户装置对FEL调谐的需求,种子激光也是宽谱可调的,并且具有很高的时间、能量和指向稳定性。种子激光基于钛宝石啁啾放大器,基波输出的中心波长为800 nm,通过采用光学参量放大技术可产生可调谐的红外输出,再通过光学和频、差频、倍频等非线性过程产生波长在240~360 nm范围内连续可调的紫外波段种子激光。SXFEL装置的主要FEL参数如表3所示。

3.2 FEL模拟

3.2.1 SXFEL试验装置

如前所述,SXFEL可工作于多种模式,这里仅列举一些典型的模拟结果,包括两级HGHG-HGHG级联、EEHG-HGHG级联以及单级EEHG模式,更多的细节可参考文献[ 15-16]。

基于如表1所示的束流参数,采用GENESIS^[17]进行FEL模拟。图3(a)、(b)列出了级联HGHG模式的模拟结果。第一级HGHG的种子激光(266 nm)强度约为200 MW,最终产生的8.8 nm输出峰值功率可超过200 MW。 除了传统的级联HGHG模式之外,还将在SXFEL试验装置上进行一些先进模式的原理性验证实验,包括EEHG-HGHG级联,其主要输出特性如图3(c)、(d)所示。除此之外,试验装置还计划采用单级EEHG模式工作在30次谐波,直接产生8.8 nm的辐射^[18],典型的模拟结果如图3(e)、(f)所示。工作于单级EEHG模式时,可以采用脉冲更长的种子激光来完全覆盖整个电子束团,这样最终的输出脉冲能量会更高,光谱带宽会更窄。

图 3. 模拟的SXFEL-TF 的FEL输出特性。(a)(b) HGHG-HGHG模式;(c)(d) EEHG-HGHG模式;(e)(f)单级EEHG模式

Fig. 3. Simulated FEL output characteristics of SXFEL-TF. (a)(b) HGHG-HGHG cascading scheme; (c)(d) EEHG-HGHG cascading scheme; (e)(f) single EEHG scheme

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3.2.2 SXFEL用户装置

根据用户装置的束流参数,同样使用GENESIS对用户装置的FEL输出性能进行了模拟计算。图4(a)、(b)给出了HGHG-HGHG级联波荡器线的FEL性能,图4(c)、(d)给出了SASE波荡器线的FEL性能。

3.3 波荡器

上海软X射线FEL装置共包括29台不同类型/参数的平面波荡器和椭圆极化波荡器,其中12台波荡器已在试验装置阶段建成。波荡器的主要参数如表4所示。磁场测量结果表明,试验装置第二级辐射段(R2)波荡器的相位误差小于4°,轨道偏离小于5 μm,满足物理要求。

图 4. SXFEL-UF的FEL性能模拟。(a)种子型FEL线(3 nm)沿波荡器长度z的增益曲线;(b)种子型FEL线(3 nm)沿波荡器长度z的输出光谱;(c) SASE线(2 nm)的增益曲线;(d) SASE线(2 nm)的输出光谱

Fig. 4. Simulated FEL performance of SXFEL-UF. (a) Gain curve of seeded FEL line (3 nm) along length of undulator z; (b) output spectrum of seeded FEL line (3 nm) along length of undulator z; (c) gain curve of SASE line (2 nm); (d) output spectrum of SASE line (2 nm)

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4 光束线与实验站

用户装置第一阶段将建设两条光束线(分别对应种子型FEL线和SASE线)和5个实验站,包括生物成像(包括活细胞荧光超分辨显微镜)、超快物理、近常压光电子能谱、表面化学和原子分子光学(包括分子动态成像系统和复合速度成像系统)。图5显示了光束线的布局和关键部件。

图 5. SXFEL用户装置的(a)光束线布局及(b)关键部件

Fig. 5. (a) Beamline layout and (b) key components of SXFEL user facility

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X射线光学诊断系统是SXFEL光束线的重要组成部分,可用来标定和监测SXFEL的辐射参数,主要包括:1)X射线脉冲能量探测器,该器件能够测量具有高峰值功率的FEL脉冲(光子通量可达10¹²~10¹³ s^-1,相应的X射线强度达到100~1000 GW/cm²);2)X射线光谱仪,该仪器的测量范围覆盖2~20 nm,光谱分辨率≫2000,工作于非侵入式模式,可提供单脉冲信息;3)X射线脉冲长度测量设备,该设备用于测量辐射脉冲的长度;4)X射线光斑测量器件,该器件可实现FEL辐射脉冲的横向特性测量。

光束线的设计原则是在满足偏置、传输、聚焦等要求的前提下尽量提高通过率,经过不断优化,最终在实验站样品点获得FEL脉冲特性,如表5所示。

生物成像实验站利用X射线FEL提供的全相干、超强X射线脉冲,采用单脉冲成像技术,在辐射损伤前记录样品的衍射信息,为细胞、病毒等微纳米生物材料的活体无损成像提供先进的成像平台,同时兼顾新型材料结构分析、多物理场原位成像及X射线-物质相互作用等前沿性研究领域。生物成像实验站主要由多功能样品衍射腔和先进探测器系统等组成,通过结合激光抽运-X射线探测等实验技术和方法,在飞秒时间尺度和纳米空间尺度实现材料动态成像。

活细胞荧光超分辨显微镜,包括基于4Pi架构的荧光单分子定位(4Pi-PALM)和荧光发射抑制(4Pi-STED)两个子系统。该显微镜系统利用单分子干涉,通过精密设计和搭建,引入变形镜消除系统和样品本身带来的像差,从而实现全细胞三维超分辨成像。

超快物理实验站利用FEL超短脉冲和高强度的特性实现时间分辨的共振弹性X射线散射(REXS)的实验测量。通过红外激光等抽运光源对关联体系内的电子有序态进行选择性激发,揭示关联材料中多种自由度的有序态和集体激发之间的相互作用和超快动力学过程。该实验站研究体系涵盖非常规超导机理问题、强关联体系中的电子有序态和非平衡态下复杂体系的电子结构。

近常压光电子能谱实验站配备铬靶X射线源(离线光源)和电子能量分析器,主要开展以下研究:1)气-液-固三相界面研究;2)水溶液性质研究;3)电化学反应中电解液和电极界面原位研究;4)复杂生物体系(如蛋白质溶液)研究等。

表面化学实验站主要用于研究化学分子与催化剂表面的相互作用,特别是能源科学表面化学反应的催化过程。结合外源辐射脉冲与X射线FEL脉冲,利用超快抽运-探测技术,通过软X射线光谱学研究化学分子的电子结构于不同时间尺度(飞秒到皮秒)的变化,化学反应的实时观测,在分子层次上推导基元化学反应的过程与机理,进而深入地了解化学反应的本质与历程。表面化学实验站由真空腔体作为主体结构,并配置光栅分光器或TES-X探测器,进行抽运-探测软X射线光谱学实验。

分子动态成像系统利用软X射线FEL作为激励源,结合反应显微成像谱仪技术,在全空间立体角内同时记录所有的反应产物(正负离子和电子),对分子动态反应进行具有超高空间和动量分辨率的多体复合成像。结合延迟分裂镜,实现单分子反应研究,即在原子坐标系下观察电子的运动或在分子坐标下观察原子核和电子量子态的瞬时演化,包括化学反应中的成键断键能量转移等。通过控制光的引入,也可以控制不同反应通道,实现一定程度上的操控过程。复合速度成像系统的核心是利用速度成像谱仪探测超快软X射线FEL脉冲作用于原子、分子、团簇、纳米颗粒等样品靶后产生的高动能电子和离子,测量动能限制提高到1120 eV,满足最新的科学需求,为国内外的原子分子和团簇物理研究提供新的实验平台。

5 建设与调试进展

SXFEL于2014年12月启动建设。隧道、建筑及公用设施于2016年4月建成,随后即开始了设备安装工作。除注入器的激光加热器,主加速器的X波段线性化器、横向偏转腔,以及放大器段的第一级波荡器之外,其他设备均于2016年安装调试完毕。用户装置的建设于2016年11月启动,新波荡器隧道、波荡器大厅、用户实验大厅等建筑于2018年4月完成,目前已完成装修和公用设施设备的安装。用户装置的设备研制也已全面展开,包括新的C波段加速单元、新的波荡器、光束线和实验站等的研制。

图6显示了试验装置和用户装置的建设进展情况。用户装置的设备安装和调试将于2018年下半年开始,预计2019年下半年正式开展用户实验。

2016年12月初步完成SXFEL-TF直线加速器、波荡器和诊断光束线主要设备的安装之后,试验装置即开始了第一阶段的微波老练和束流调试工作。电子束被加速到700 MeV,并顺利通过整个波荡器段,在第二级辐射段的末端成功地观测到波长在15 nm左右的波荡器辐射。2017年上半年,对直线加速器进行长时间的功率老练,在500 MeV能量下进行电子束流调试和FEL调光,束流条件为:磁压缩之后的束流能量约为200 MeV,束团电荷量为350 pC,束团长度约为5 ps,水平和垂直方向归一化发射度分别为1.2 mm·mrad和1.1 mm·mrad。2017年6月,SXFEL试验装置首次出光,实现了第一级HGHG模式下的二次谐波辐射和放大,实验结果如图7所示。2017年7月底至8月中旬又实现了第一级HGHG的3~6次谐波的出光和放大,并测得光谱,如图8所示,其中6次谐波辐射的波长为44 nm左右。

图 6. (a) SXFEL建筑(SXFEL-TF 和SXFEL-UF);(b)注入器;(c)主加速器;(d) FEL放大器

Fig. 6. (a) SXFEL building (SXFEL-TF and SXFEL-UF); (b) injector; (c) main accelerator; (d) FEL amplifier

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图 7. SXFEL-TF的直线加速器和FEL调束结果(2017年6月)。 (a)束流能量;(b)横向发射度;(c)横向光斑;(d) HGHG模式下的2次谐波辐射(133 nm)

Fig. 7. Commissioning results of linear accelerator and FEL of SXFEL-TF (June 2017). (a) Beam energy; (b) transverse emittance; (c) transverse beam spot; (d) second harmonic under HGHG scheme (133 nm)

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图 8. SXFEL第一级HGHG的3~6次谐波辐射光谱测量结果。(a) 3次谐波;(b) 4次谐波;(c) 5次谐波;(d) 6次谐波

Fig. 8. 3rd-6th harmonic spectra of first HGHG output of SXFEL. (a) 3rd harmonic; (b) 4th harmonic; (c) 5th harmonic; (d) 6th harmonic

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图 9. SXFEL开展的EEHG实验结果。(a) 11次谐波的EEHG光谱;(b) 11次谐波的HGHG光谱;(c) 30次谐波的EEHG相干信号

Fig. 9. Results of EEHG experiment at SXFEL. (a) EEHG spectrum of 11th harmonic; (b) HGHG spectrum of 11th harmonic; (c) EEHG coherent signal of 30th harmonic

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2017年9月底,SXFEL进入EEHG实验阶段,分别采用第一级辐射段和第二级辐射段实现低次谐波EEHG和高次谐波EEHG的出光和放大。为满足实验需求,2017年9月至11月完成了X波段谐波腔、新种子激光器、光谱仪和新调制段波荡器的安装及调试,2017年12月实现了EEHG两级种子激光的同步。2018年1月实现了三次谐波EEHG的出光,辐射脉冲能量达毫焦量级。2018年2月至3月开始种子激光改造,并开展高次谐波EEHG实验。2018年4月测得EEHG的14~30次相干谐波辐射信号,实验结果如图9所示,并在第二级辐射段中实现SASE的指数增益。2018年5月底,基于HGHG实现11次谐波的出光和放大,2018年6月初实现EEHG 11次谐波的出光和放大,24 nm的HGHG和EEHG的输出功率均达到百微焦量级。2018年6月实现EEHG 20次谐波出光,目前正在进行20次以及更高次谐波的EEHG放大实验。

6 结论

上海软X射线FEL装置正处于紧张的试验装置调试和用户装置建设并行开展的阶段。目前试验装置SXFEL-TF已经实现了首次出光,并且在先进的外种子激光FEL实验中取得了重要进展。用户装置SXFEL-UF的新波荡器大厅、实验大厅等相关的基建和公用设施建设已完成,很快将开始直线加速器和波荡器的升级;通过将直线加速器能量提升到1.5 GeV并建设2条波荡器线、2条光束线和6个实验站,用户装置将于2019年底为用户提供高亮度的超快软X射线FEL。