X射线自由电子激光试验装置(以下简称“SXFEL试验装置”)是中国第一台X射线相干光源,其输出波长小于9 nm。这台基于0.84 GeV 直线加速器、以掌握装置相关技术和实验演示种子型自由电子激光(FEL)级联与短波长回声型FEL为主要目标的自由电子激光装置,于2020年11月通过国家验收。本文将介绍SXFEL试验装置的基本情况和主要进展。

先进光源的发展在前沿科学研究中发挥的作用越来越重要。近十年来, 飞速发展的自由电子激光技术为科学家们提供了探索未知世界、发现新科学规律和实现技术变革的重要工具。建成的大连极紫外(EUV)相干光源的运行波段为50~150 nm, 单脉冲能量大于100 μJ, 且可提供10-12 s和10-13 s量级的超快激光脉冲, 是我国第一台自由电子激光用户装置, 并且是国际上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置, 在世界范围内为用户提供具有高峰值亮度和超短脉冲的极紫外激光。大连EUV相干光源是由国家自然科学基金委资助、由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所共同承担的重大科学仪器研制项目, 目标是打造一个以先进极紫外光源为核心、主要用于能源基础科学研究的光子科学平台。

束流分配系统是自由电子激光装置中至关重要的一部分，它可以将直线加速器产生的电子束团分配至不同的波荡器中。提出了一种基于上海软X射线自由电子激光装置的束流分配系统设计方案。针对该方案，详细介绍了三维从头至尾的束团跟踪模拟以及在传输过程中的束流动力学分析，模拟结果表明，该束流分配系统设计可以保证束流发射度增长小于8%，同时可以保证峰值电流、能散以及束团长度在经过该分配系统时未受到破坏。此外，针对束团在直线加速器中的微束团不稳定性和抖动也进行了分析。

为了更好的测试控制方法和开发上层控制软件,本文提出了一种基于ELEGANT和SDDS Toolkit的虚拟加速器环境。在这个虚拟环境下,可以将底层物理模拟软件与上层控制软件通过EPICS控制通道及Matlab脚本进行数据分析及处理。本文描述了在该虚拟加速器环境中束流参数测量和轨道控制等软件的开发和测试,并探讨了该虚拟加速器的设计理念和未来可能的应用。

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)对束流发射度增长的幅度有着较为严格的限制，传统的光学准直已经不能满足其要求。采用基于束流的准直方法可以实现更为精密的准直，使得直线加速器的准直误差进一步降低，以满足自由电子激光装置的要求。通过对不同条件下束流位置检测器(BPM)测得的数据采用最小二乘法算法进行计算分析，可以计算得到四极磁铁和BPM的准直误差，进而进行束流准直和轨道校正。基于以上原理，计算了各种元件误差对轨道和发射度造成的影响，同时基于Matlab平台设计了控制软件，模拟结果表明轨道偏离量可减少一个数量级。