連續波太瓦阿秒X射線自由電子激光研究取得進展

　　【儀表網 研發快訊】阿秒X射線脈沖是研究凝聚態體系、分子體系及強關聯材料中超快電子動力學的重要工具，可同時提供原子尺度的空間選擇性與阿秒級時間分辨率。近年來，自由電子激光技術持續發展，將X射線脈沖長度從飛秒量級推進至阿秒量級，拓展了超快X射線科學研究能力。
 

　　近日，中國科學院上海高等研究院聯合德國電子同步加速器研究所，在阿秒X射線研究方面取得重要進展。研究團隊提出，依托上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)，通過優化直線加速器、束流分配及波蕩器的工作參數，可在軟X射線和硬X射線波段穩定產生兆赫茲重復頻率、太瓦級峰值功率的阿秒X射線脈沖。
 

　　研究團隊系統論證了我國首臺連續波X射線自由電子激光裝置SHINE具備在兆赫茲重復頻率下，穩定輸出高強度阿秒X射線脈沖的潛力，并提出了“自啁啾”方案，即在依托SHINE基準硬件配置的基礎上，僅通過優化調整束流動力學，可實現高峰值功率阿秒X射線脈沖的產生。該方案的核心機制為：利用縱向空間電荷力與相干同步輻射效應等電子束自身的集體效應，在束團內部形成強能量啁啾，進而通過束流分配線對電子束進行極端縱向壓縮，形成超短的10kA峰值流強尖峰，從而輻射出強度大幅提升的阿秒X射線脈沖。研究表明，在自由電子激光進入飽和狀態后，超輻射效應可進一步壓縮X射線脈沖長度，并顯著提升其峰值功率。
 

　　數值模擬結果表明，在考慮超導模組射頻相位抖動等實際運行條件的情況下，SHINE在硬X射線波段(6keV)可產生平均脈寬約300阿秒、峰值功率約0.8太瓦的X射線脈沖；在1keV軟X射線波段，可實現平均脈寬約470阿秒、峰值功率達太瓦量級的輸出。
 

　　該研究為高重頻、高峰值功率阿秒X射線光源發展提供了新的技術路徑，且上海硬X射線自由電子激光裝置有望同時實現阿秒級時間分辨率與兆赫茲重復頻率，進而提升平均譜亮度。未來，該技術有望促進強關聯材料中電子動力學研究的發展，并為量子相干X射線譜學及生物、化學體系的原子尺度超快成像提供新的實驗手段。
 

　　相關研究成果發表在《超快科學》(Ultrafast Science)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。