1、 研制极紫外自由电子激光

采用高增益放大谐波的方法（High gain Harmonic Generation）产生高品质自由电子激光，该光源具有亮度高，脉宽窄（飞秒激光），波长可调的众多优点，将成为国内第一套自由电子激光用户装置，也将是世界上同波段的最好VUVFEL光源，将被广泛地应用于能源领域的基础科学研究。该装置已于2017.01.15实现首次饱和出光，激光脉冲能量达到210 uJ，建成的大连光源是我国第一台大型自由电子激光科学研究用户装置、当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光用户装置。

高增益谐波放大的自由电子激光原理图

2、加速器物理及自由电子激光物理

主要研究与自由电子激光（Free-Electron Laser，FEL）相关的物理内容，包括用于产生高品质、高流强电子束的注入器，用于加速和压缩电子束的主直线加速器，用于电子束流分配的分配段，以及用于辐射自由电子激光的FEL放大器段，上述各个部分的物理设计都涉及到最终的FEL辐射光的品质。

加速器物理部分，主要是研究与设计相关物理方案，实现对电子束六维相空间的操作，以取得高能量、高流强、短脉冲、低发射度的电子束，并通过束流分配段实现对电子束的分配；自由电子激光物理部分，主要是研究、设计与控制电子束在波荡器中的调制过程与发光过程，以取得所需波长的高品质FEL辐射。

图DCLS物理布局

3、直流高压电子枪与光阴极材料制备

直流高压电子枪用于产生大流强或自旋极化的电子束源。相较于微波电子枪，在工作状态下直流高压电子枪具备更高的真空度，通常可达10^-9Pa。这一真空度可以大大提高光阴极材料的使用寿命。另一方面，也为砷化镓和双碱基材料等对真空环境要求极高的光阴极材料的使用提供了一个极佳的选择。

电子加速器装置中电子束源的极限品质依赖于光阴极材料。光阴极的基本原理为光电效应。通过探索改材料进制备方法，实现高量子效率，低热发射度，可见光驱动以及长使用寿命的光阴极材料是电子束源光阴极材料制备所追求的目标。

直流高压电子枪结构图

4、粒子加速器

粒子加速器是一种利用电磁场，将电子、质子等微观带点粒子加速至高能量状态的设备，通常分为静电场加速器和射频场加速器两种类型，射频场加速器中又可分为常温射频加速器和超导射频加速器。加速器的应用领域非常广泛，从工业和食品行业的辐照处理，到医疗领域的粒子诊疗，再到高能物理领域的粒子对撞、同步辐射、自由电子激光等，都需要用到各种不同的粒子加速器。由于高能物理对高能量、高重复频率的粒子需求越来越大，粒子加速器设备的建设也越来越倾向于选择高效率、低能耗的超导射频加速器。

5、加速器高频技术

粒子加速器在运行过程中需要幅相稳定的大功率高频信号，不同加速腔对高频信号的频率、功率、幅相稳定的需求不同。同时为了保证束流稳定运行，还需要对加速腔中高频信号进行特殊的算法控制以及对腔体进行调谐。加速器高频技术是通过利用模拟上下变频，IQ解调，幅相控制，高频信号放大等原理来解决上述问题的技术。

主要研究方向有：超导加速器高频场幅相控制算法及调谐算法的研究；中高能超导加速器系统束流稳定算法的研究；谐波腔功率源及高频低电平系统的研究； 120kW VHF固态功率源系统的研究；X波段脉冲激励系统的研究；超导腔高频性能测试方法的研究。

6、大规模分布式控制系统

大科学装置的控制系统是一个大规模、分布式的系统。控制系统实现对功率源、微波、磁铁、波荡器、束流测量、光束线、实验站、安全连锁等多个系统中海量设备的协同控制。它的特点有：规模大，典型大科学装置如同步辐射、自由电子激光等，其控制通道有数千至数万之多；性能要求高，在下一代高重复频率自由电子激光系统中，高重复频率(高达1MHz)带来数据量的激增。这对控制系统的实时性与数据处理能力提出了巨大的挑战；先进的分布式控制系统架构与高性能的控制系统软硬件是高重复频率自由电子激光最重要的核心技术之一。

7、辐射防护

辐射防护是原子能科学技术的一个重要分支，它研究的是人类免受或少受电离辐射危害的一门综合性边缘学科。加速器光源辐射防护的研究通过设置辐射屏蔽系统、安全联锁系统、辐射监测系统，保护从事光源运行维护的人员、公众及其后代的健康与安全，保护环境。

8、自由电子激光光束线技术

光源高性能的充分发挥，依赖于先进的光束线技术发展。自由电子激光装置具备了高峰值功率、高平均功率、超快、全相干的特点，对光束线技术指标提出了全新的要求。光束线技术涉及到光学、精密机械、超高真空和控制等多个学科领域，主要包括：

1、光学系统设计理论与设计；包含聚焦系统设计、相干传输设计、超高分辨单色器设计、delay-line等。

2、光学参数诊断；包含脉冲光谱、脉冲功率、光位置、偏振性、相干性、到达时间、横/纵向分布等。

3、主动光学元件技术；包含超高精度光学面形检测技术，热稳定性冷却技术、主动变形镜技术等。

9、利用极紫外光源进行分子反应动力学研究

自行设计，加工，调试该套离子成像仪，特别是其中的离子光学系统和探测系统。其时间切片技术达到国际领先水平，速度分辨率达到1%。利用上述仪器来测量多原子分子基元反应的微分截面，从而获得反应动力学信息，帮助验证理论计算，进一步理解化学反应的本质，对于控制化学反应进程提供基础支持。