硬X射线自由电子激光装置（SHINE）的三号波荡器（FEL-III）发出能量范围为10-25 keV，对应波长为0.1-0.05 nm的X射线。三号线分总体建立于这条光束线，利用硬X射线自由电子激光的以下特性：（1）超高峰值亮度、（2）超短脉冲、（3）相干性、（4）随机光谱、以及（5）原子尺度的波长，建立单脉冲下的X射线衍射、X射线散射与X射线光谱学这三大类方法学。光束照射到串联而建的三个实验站：距离光源最近、位于四号井的硬X射线超快谱学实验站（HXS），以及位于一公里后五号井的串行晶体学实验站（SFX）和相干衍射实验站多功能材料成像子系统（CDE-IEM）。
硬X射线超快谱学实验站（HXS）主要实验平台为高能量分辨率的X射线光进-光出（PIPO）谱仪，结合泵浦-探测技术可实现飞秒时间分辨。实验站覆盖的元素范围为：从31号镓元素到46号钯元素的K边，以及从72号铪元素到97号锫元素的L边。可实时观测物质体系受激发后能量或电荷传递、转移的超快过程，揭示复杂体系光致反应的本质和历程，可应用于生命科学、环境科学、材料科学、能源催化等多学科领域（布局见图1）。
图1：硬X射线超快谱学实验站（HXS）布局示意图。
串行晶体学实验站（SFX）利用X射线自由电子激光的超高亮度及超短脉冲，通过衍射的方法获得生物大分子晶体的结构信息（在结构被破坏前完成探测）。本实验站适用于外形尺寸在10微米至亚微米尺度的生物大分子晶体结构解析。此外，通过泵浦-探测技术，还可开展生物大分子在毫秒至飞秒时间尺度的时间分辨结构研究。实验站布局见图2。
图2：串行晶体学实验站（SFX）布局示意图。
相干衍射实验站多功能材料成像子系统（CDE-IEM）利用X射线自由电子激光的超强、飞秒、全相干脉冲，提供以“前散射”为主的实验方法，包括相干X射线衍射成像（CDI）、X射线光子关联谱（XCPS）以及时间分辨的小角和广角散射（tr-SAXS, tr-WAXS）等技术，为揭示材料的高时空动态变化过程（飞秒时间尺度、原子空间尺度）提供先进研究平台。
图3：相干衍射实验站多功能材料成像子系统（CDE-IEM）布局示意图。
