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。

上海软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是中国第一台X射线相干光源, 其最短波长可达到2 nm。这台基于1.5 GeV C波段高梯度电子直线加速器的激光装置包含1条种子型自由电子激光(FEL)束线、1条自放大自发辐射束线以及5个实验站。整个装置的研制分试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF)两个阶段进行, 基于0.84 GeV直线加速器的SXFEL-TF以掌握种子型FEL级联技术和短波长回声型FEL为主要目标, 而SXFEL-UF的目标则是建成可提供5个实验站的用户装置并于2019年底开始首批实验。介绍了SXFEL的基本构成和目前装置研制的进展。

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。

上海光源恒流注入的运行模式, 需要直线加速器提供持续、稳定和高品质的束流。阐述了八条形电极束流位置探测器(BPM)的工作原理及其对直线加速器至增强器低能运输线的束流进行能散的测量, 并以(微波)幅度或相位作为调节参数, 采用比例积分(PI)控制算法对束流能散进行反馈控制, 实现了束流能量的长期稳定性, 保证了直线加速器束流的高效率注入。

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。

输出脉冲稳定性的需求对驱动自由电子激光产生的电子直线加速器装置束流稳定性提出了严格的要求，包括电子束平均能量、峰值流强、束团到达时间抖动和横向位置抖动等参数。基于正在建设的大连相干光源用户装置，探讨了最近提出的褶皱管用作能量稳定器的可行性。采用解析计算和数值模拟结合的方法，结合大连相干光源直线加速器的设计，在设计参数条件下能量稳定性至少提升10%。同时提供了褶皱管尾场设计的一般步骤。

能量为100 MeV左右的高性能电子直线加速器是第三代同步辐射光源注入器和自由电子激光注入器的重要组成部分，采用热阴极栅控电子枪、聚束系统和4根SLAC型加速管作为加速器主体结构，一套45 MW的速调管调制器系统和波导系统作为微波功率源系统。设计中，使用了国际通用的模拟软件对加速器的动力学特性进行了数值模拟和参数优化，电子束能量达到100 MeV以上，能散小于1%，归一化发射度小于30 mm·mrad。

上海应用物理研究所建造并调试了一台飞秒电子束装置.这台装置主要由一把S波段热阴极微波电子枪、一台alpha磁铁和一根SLAC型加速管组成.这台装置可以产生能量为 20～30 MeV,峰值电流为100 A,微束团长度为250 fs的电子束.这篇文章报道了这台装置的调试和电子束团参数的测量.