说明：本次主要了解德国DESY线站，包括PETRA Ⅲ第三代同步辐射光源（世界最亮硬X射线源）、FLASH（超短软X射线脉）、欧洲XFEL（3.4公里超导加速器，产生十亿倍亮度的阿秒级X射线激光）。想了解更多XAFS知识请看历史内容！

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大型设施使开展顶级研究和产生创新成为可能。DESY的加速器是国际上需求量很大的超级显微镜，可用于广泛的应用。加速器将微小带电粒子带到高能量和接近光速的速度。通过使粒子正面碰撞，粒子物理学家可以深入了解物质基本构成要素的性质。另一方面，材料研究人员、生物学家和化学家则受益于快速移动的粒子发射的极其强大和准直的X射线辐射。DESY的加速器在全球这两个领域都享有盛誉。

目前，DESY线站主要由三台大型加速器组成：PETRA Ⅲ是最亮硬X射线源；FLASH可产生超短脉冲“软”X射线辐射，使独特的实验成为可能；欧洲XFEL创造了新的世界纪录，产生了历史上最密集的X射线闪光。这三台加速器使DESY成为世界领先的X射线实验中心。

DESY一直运营着世界上最高亮度的基于存储环的高能光子 X 射线源之一，亮度超过 10²¹ ph/(s mm² mrad² 0.1% BW)。它的粒子能量为6 GeV，根据光束线的不同，在光子能量为150 eV和200 keV之间时，水平和垂直发射率分别为1.3 nmrad x 0.01 nmrad。PETRA Ⅲ在连续模式（16ns波束间隔）的充值模式下以120 mA波束电流运行，在定时模式（192 ns 波束间隔）下以100 mA 波束电流运行。存储环在充值模式下运行，光子通量稳定性为1%，每年可为用户提供5000小时的X射线束。PETRA Ⅲ的垂直光束参数接近衍射极限，因此与其他高能第三代光源非常相似。两种运行模式下的水平发射率均为1.3 nmrad，因此可以在样品上进行亚微米聚焦的高相干X射线通量实验。

表1 光束尺寸参数

PETRA Ⅲ光束线的光源来自根据实验具体需要定制的各种波荡器。14个波荡器中有 10个是2米长的平面装置，具有不同的周期长度。标准波荡器（U29）的特点是能量完全可调，1^st谐波位置为3.5 keV（周期长度为29 毫米，K_max=2.2）。某些X射线光谱技术需要更低的光子能量，最低可达2.4 千伏，而光谱波荡器（U32）具有更大的周期长度。短周期装置（U23）是为硬X射线散射实验而优化设计的，具有高于3^rd谐波的可调谐性。在新八分仪之前的长直线节，安装了一个较长的U32（5+5 m），最小间隙为12.5毫米，以后有可能将波荡器的长度增加一倍。

PETRA Ⅲ 波荡器的光谱特性

这套标准波荡器系列还配备了两台专用设备，一台用于极硬X射线波段，另一台用于极紫外（XUV）技术。为了满足高能材料科学光束线所需的高达300 keV的X射线，一台4米长的真空波荡器（U19）将被投入使用，其周期长度为19 mm。在装置的初始运行阶段，该波荡器的最小间距可实现7 mm。这台波荡器主要将在高次谐波下运行，并且能够在50 keV以上调节至第5^th谐波。

与BESSY合作，为PETRA Ⅲ的可变极化极紫外（XUV）光束线建造了一台APPLE Ⅱ波荡器（UE65，周期长度为65.6 mm）。在圆形极化模式下，它的能量范围从245 eV到2.5 keV 的1^st谐波，并在整个能量范围内提供高度极化。

磁力测量台上PETRA Ⅲ的2米长波荡器

始建于1978年的PETRA装置曾以全球最大粒子加速器的身份开启科学征程，其发展历程经历了三个重要阶段：初期作为粒子物理研究的对撞机推动基础科学突破；随后转型为HERA强子电子环形加速器的预注入器；最终通过革命性升级改造，于2010年以PETRA Ⅲ之名重生为第三代同步辐射光源，其产生的X射线束流在亮度与聚焦能力方面始终居于世界领先地位，为纳米尺度科学研究提供了前所未有的先进观测手段。

PETRA Ⅲ的特别之处在于其高度准直的X射线束，其比人类头发丝细5000倍。这使得研究极小的样本成为可能，例如未来硬盘驱动器中将使用的微小蛋白质晶体或纳米晶体。PETRA Ⅲ还可以产生非常“硬”（即短波长）的X射线，与其他X射线相比，它们可以更深地穿透材料。这在分析新型金属合金（例如为未来汽车和飞机开发的合金）时是一个重要的优势。

世界各地的研究人员都对PETRA Ⅲ非常感兴趣。该设施经常超额预订，只有一小部分实验请求能够得到批准。因此，DESY进一步扩建了该设施，包括两个带有额外测量站的新实验大厅。自2013年起，PETRA Ⅲ“马克斯·冯·劳厄“实验厅14条波荡器束线全面投用，其低至1.1 nm·rad的束流发射度特别支撑硬X射线能区的前沿研究。该设施聚焦三大优势领域：纳米聚焦、超高分辨及相干应用，具体体现在P10束线配备相干衍射装置、P11束线建成全视场透射显微镜、P05断层成像束线搭载双多层单色器。2014年实施重大升级工程，包括重建160米储存环隧道、新建两座实验大厅，通过双弯消色差磁铁结构创造新型波荡器安装位，北厅配置40米阻尼摇摆器阵列支撑高能X射线材料科学，东厅预留高能波荡器扩展空间。

技术升级方面，P08高分辨衍射束线新增泵浦–探测激光系统，P06微探针束线与P02.2极端条件束线分别部署Maia和Lambda 2M探测器，P11生物成像束线引入全自动样品更换机器人，同步建成生物安全二级实验室。新建束线分三期实施：一期工程北厅P64/P65束线2015年10月启动调试，其中P65束线已在停机前完成首轮用户实验；二期工程东厅P21-24束线前端2015年完成安装；三期高能材料科学专用P61束线正在规划。瑞典、印度、俄罗斯等国际合作伙伴深度参与东厅3条波荡器束线建设。

PETRA Ⅲ束线布局

表2: PETRA Ⅲ扩建束线布局

（东厅P21~P25波荡器束线组，北厅P61～P65波荡器束线组；P66弯转磁铁束线独立设置于马克斯·冯·劳厄实验厅毗邻建筑）

将PETRA Ⅱ储存环升级为PETRA Ⅲ需要重建八分之一的储存环，以便为八个直段提供电子束光学器件，每个直段可容纳一个5 米长或两个2 米长的插入装置——即所谓的 “波荡器 ”磁铁。有14条光束线配备独立可调的插入装置。电子能量为6 GeV，束流为 100 mA。

PETRA Ⅲ的水平发射率为1.3 nmrad，是迄今为止在高粒子能量下运行的第三代同步辐射源中用于产生硬X射线的无可比拟的数值。

粒子加速器PETRA Ⅲ的组件

在黄色的磁性结构中，粒子束在PETRA Ⅲ型加速器的光束管中循环，被迫回转。在这个回转过程中，粒子束会发出极亮的X射线光，用于在PETRA Ⅲ实验大厅 “Max von Laue ”进行实验。

表3 PETRA Ⅲ技术参数

FLASHX射线脉冲

FLASH 是一个光子科学用户设施，同时运行两条波荡器线，涵盖从极紫外到软X射线范围的波长。与所有短波长自由电子激光（FEL）源一样，FLASH 是一种单次通过型自由电子激光。它基于自放大自发辐射（SASE）原理，产生的典型脉冲持续时间为几十到几百飞秒，单脉冲能量最高可达一毫焦耳。FLASH 由超导加速器驱动，每秒可提供大量脉冲（5000个）。电子束以每秒10次的频率产生，每次产生约500个脉冲的脉冲串，脉冲间隔为1 μs。

2016 年 9 月，三座 PETRA III 实验大厅“Ada Yonath”（左）、“Max von Laue”（中间的弧形建筑）和“Paul P. Ewald”（右，毗邻两座 FLASH 大厅）的鸟瞰图

FLASH1的波荡器部分由固定间距的波荡器组成，提供水平方向的自由电子激光（FEL）偏振，并需要通过改变电子能量来调节输出的波长。该装置覆盖的波长范围为51 nm到4.2 nm。在FLASH1主波荡器的下游，我们运行一个具有九个周期的电磁波荡器，用于产生THz光谱范围内的同步辐射脉冲，频率范围为1.3到30 THz，脉冲能量可达约100 J。

FLASH2的波荡器提供水平偏振和可变间距。这使得波长调节变得非常方便，并且在给定的电子能量下，波长调节范围（从最短波长到最长波长）大约为三倍。通过调节波荡器和电子能量，FLASH2能够覆盖从90 nm到略低于4 nm的波长范围。在FLASH1和FLASH2，已经观察到并为用户提供了显著的（焦耳量级）三倍频辐射，其波长能够延伸到超过3d过渡金属L边共振区域。

第三条电子束线专门用于FLASH forward实验。在此实验中，FLASH的电子脉冲可以注入到等离子体单元中，电子脉冲的头部会产生尾迹场（wakefields），这些尾迹场既可以进一步加速电子脉冲尾部的一部分，也可以加速一个新的电子脉冲，而这些新脉冲的特性是射频（RF）技术无法实现的。此外，关于入射电子脉冲减速的实验展示了其作为高能粒子束倾倒（dump）装置的潜力。这类应用对未来的加速器技术具有重要意义，并使该设施处于当前该领域研究的前沿。

FLASH 设备的布局

新一代激光技术的先锋位于汉堡。自2005年以来，FLASH一直为研究目的提供由“软”（即相对较长波长）X射线组成的高强度激光脉冲。FLASH X射线爆发具有特殊属性。它们比同类传统激光器发射的脉冲强一千倍，而且比储存环中产生的X射线脉冲短得多。这使科学家能够详细监测极快的过程，并回答诸如以下问题：化学反应过程中究竟发生了什么？金属熔化时会发生什么？

国际研究界对FLASH非常感兴趣，因此该设施得到了进一步扩建。第二条用于产生X射线的隧道从加速器隧道分支出来。X射线闪光被引导至一个新实验大厅，该大厅设有多个测量站，为进一步的实验提供了充足的空间。

欧洲XFEL

欧洲XFEL——独一无二的研究设施一座壮观的激光设备产生的X射线闪光短于万亿分之一秒，亮度是储存环产生的辐射的数十亿倍。欧洲XFEL是一座巨大的激光设备，长3.4公里，位于地下隧道中。它从汉堡巴伦费尔德的DESY站点向西北方向延伸至德国石勒苏益格–荷尔斯泰因州的一个大型实验大厅。

总共有12个国家参与了欧洲XFEL项目。主要股东DESY与欧洲XFEL GmbH公司密切合作，负责该设施的运营。DESY和国际合作伙伴共同建造了X射线激光设施的核心——包括电子源的1.7公里超导加速器。DESY还负责操作该加速器。欧洲XFEL提供的研究机会使各个学科的科学家受益——从半导体物理学家到分子生物学家、医学科学家、化学家、天体物理学家和地质学家。

连接欧洲X射线自由电子激光（XFEL）直线加速器中的模块

点击下方链接，即可在线参观线站。

👉 https://vtour.desy.de/desytour/index_en.html#node5

参考资料&链接

PETRA III – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Large-scale facilities for science – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

https://photon-science.desy.de/facilities/petra_iii/machine/parameters/index_eng.html

10.1107/s1600577519014048