上海软X射线自由电子激光装置 
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Shanghai Soft X-Ray Free-Electron Laser Facility
1 中国科学院上海应用物理研究所, 上海 201800
2 清华大学工程物理系, 北京 100084
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
图 & 表
图 1. SSRF和SXFEL的鸟瞰图
Fig. 1. Aerial view of SSRF and SXFEL
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图 2. SXFEL布局示意图
Fig. 2. Schematic of SXFEL layout
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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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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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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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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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表 1SXFEL直线加速器的主要参数
Table1. Main parameters of SXFEL linear accelerator
| Parameter | SXFEL-TF | SXFEL-UF |
|---|
| Electron beam energy /GeV | 0.84 | 1.5 | | Energy spread (RMS) /% | ≤0.1 | ≤0.1 | | Normalized emittance (RMS) | ≤2.0 | ≤1.5 | | Bunch length (full widthat half maximum, FWHM) /ps | ≤1.0 | ≤0.7 | | Bunch charge /nC | 0.5 | 0.5 | | Peak current /A | ≥500 | ≥700 | | Repetition rate /Hz | 10 | 50 |
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表 2所设计的SXFEL-UF工作参数
Table2. Designed working parameters of SXFEL-UF
| Device | Electron beamenergy /MeV | Bunchlength /mm | Energyspread /% | Gradient /(MV·m-1) | Phase /(°) | Momentumcompression factor /mm |
|---|
| L0 | 130 | 0.86 | 0.14 | | | | | L1 | 273 | 0.86 | 1.44 | 27 | -29.2 | | | X | 256 | 0.86 | 1.51 | 19 | 180 | | | BC1 | | 0.13 | | | | -48 | | L2 | 640 | 0.13 | 0.42 | 38 | 4 | | | BC2 | | 0.07 | | | | -15 | | L3 | 1500 | 0.07 | 0.028 | 38 | 6 | |
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表 3SXFEL的FEL参数
Table3. FEL parameters of SXFEL
| Parameter | SXFEL-TF | SXFEL-UF |
|---|
| Seeded FEL line | SASE FEL line | |
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| FEL operation scheme | HGHG-HGHG/EEHG-HGHG | Externally seeded FEL | SASE | | Seed laser wavelength /nm | 266 | 240-360 | | | FEL wavelength /nm | 8.8 | 3-20 | 2-10 | | FEL peak power /MW | ≥100 | ≥100 | ≥100 | | FEL pulse length (FWHM) /fs | ~100 | ~50 | ~100 |
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表 4SXFEL波荡器的主要参数
Table4. Main parameters of SXFEL undulators
| Device | Parameter | Value |
|---|
| Stage 1 ofseeded FEL line | | Period /mmLength /m | 801.6 | | Quantity | 2 | | Modulator | Type | Planar, hybrid | | Maximal peak field /T | 0.78 | | Minimum gap /mm | 10 | | Period /mmLength /m | 403 | | Quantity | 4 | | Radiator | Type | Planar, hybrid | | Maximal peak field /T | 0.85 | | Minimum gap /mm | 10 | | Stage 2 ofseeded FEL line | | Period /mmLength /m | 551.6 | | Quantity | 1 | | Modulator | Type | Planar, hybrid | | Maximal peak field /T | 1.42 | | Minimum gap /mm | 10 | | Period /mmLength /m | 23.53 | | Quantity | 10 | | Radiator | Type | Planar, hybrid | | Maximal peak field /T | 0.65 | | Minimum gap /mm | 8.75 | | Period /mmLength /m | 303 | | Quantity | 2 | | Afterburner | Type | Elliptical, APPLE-II | | Maximal peak field /T | 0.8/0.85/0.6* | | Minimum gap /mm | 4 | | | Period /mmLength /m | 164 | | | Quantity | 10 | | SASE FEL line | Undulator | Type | Planar, hybrid, in-vacuum | | | Maximal peak field /T | 1.14 | | | Minimum gap /mm | 4 |
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表 5SXFEL在样品点的FEL参数
Table5. FEL parameters of SXFEL at sample points
| Parameter | SASE FEL beamline | Seeded FEL beamline |
|---|
| Wavelength /nm | 1.2-12 | 2.4-24 | | Photon energy /eV | 100-1000 | 50-500 | | Pulse energy /μJ | 330(100 eV), 47(620 eV) | 64(56 eV), 5(500 eV) | | Photon number per pulse | ~4.6×1011(620 eV),~1.3×1013(100 eV) | ~5.0×109(500 eV)~2.9×1012(50 eV) | | Relative bandwidth /% | 0.04-0.20 | 0.008-0.040 | | Resolving power of spectrometer | ~3×104(620 eV) | ~4×103(200 eV) | | Spot size (RMS) /μm | ~3 | ~10 | | FEL pulse length (FWHM) /fs | 117(620 eV) | 50(300 eV) |
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赵振堂, 王东, 殷立新, 顾强, 方国平, 谷鸣, 冷用斌, 周巧根, 刘波, 唐传祥, 黄文会, 刘志, 江怀东, 翁祖谦. 上海软X射线自由电子激光装置[J]. 中国激光, 2019, 46(1): 0100004. Zhao Zhentang, Wang Dong, Yin Lixin, Gu Qiang, Fang Guoping, Gu Ming, Leng Yongbin, Zhou Qiaogen, Liu Bo, Tang Chuanxiang, Huang Wenhui, Liu Zhi, Jiang Huaidong, Weng Zuqian. Shanghai Soft X-Ray Free-Electron Laser Facility[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(1): 0100004.
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