21. Juli 2020 – In den fast 25 Jahren seit der Eröffnung der Advanced Photon Source (APS), einer Benutzereinrichtung des US-Energieministeriums (DOE), im Argonne National Laboratory des DOE, hat sie eine wesentliche Rolle bei einigen der wichtigsten Entdeckungen und Fortschritte in der Wissenschaft gespielt.
Mehr als 5.000 Forscher aus der ganzen Weltführen jedes Jahr Experimente an der APS durch, und ihre Arbeit hat neben vielen anderen bemerkenswerten Erfolgen den Weg für bessere erneuerbare Batterien geebnet; führte zur Entwicklung zahlreicher neuer Medikamente; und half, Fahrzeuge effizienter zu machen, Infrastrukturmaterialien stärker und Elektronik leistungsfähiger.
Forschungen an der APS haben auch direkt zu zwei Nobelpreisen geführt und zu einem dritten beigetragen. Zuletzt leistet die APS bedeutende Beiträge im Kampf gegen COVID-19. Seine Strahllinien sind an der Forschung beteiligt, um sowohl die Proteinstrukturen des Virus zu identifizieren als auch potenzielle pharmazeutische Behandlungen und / oder Impfstoffe zu finden. Solche Arbeiten verdeutlichen die anhaltende Bedeutung von Röntgenlichtquellen wie der APS bei der Lösung kritischer Probleme für unsere Welt.
„Mit dem APS-Upgrade können wir neue Experimente durchführen, die wir uns derzeit kaum vorstellen können. Es wird transformierend sein „, sagte Jonathan Lang, Direktor der APS X-ray Science Division (XSD).
Doch während die APS immer noch eine der herausragenden Forschungseinrichtungen ihrer Art ist, wurde der Elektronenspeicherring, der ihr Herzstück bildet, bereits in den späten 1980er Jahren entworfen und setzt heute, so bahnbrechend wie damals, auf veraltete Technologie.
„Nach 25 Jahren ist die Herausforderung, wie wir die APS weiterhin zu einem interessanten und nützlichen Ort für Forscher machen können?“ fragte Jim Kerby, Chief Project Officer für das APS-Upgrade (APS-U), der nach Argonne kam, um diese Frage zu beantworten. „Wie schaffen wir eine Einrichtung, die weiterhin Arbeitsmöglichkeiten bietet, die nirgendwo anders möglich sind?“Während sich das APS auf ein Upgrade in Höhe von 815 Millionen US-Dollar vorbereitet, das bereits Ende 2023 die Wissenschaft in einem völlig neuen und beispiellosen Ausmaß ermöglichen wird, blicken das APS—Team von Argonne und die Tausenden von Forschern, die es unterstützt, aufgeregt nach vorne – auch wenn niemand die gesamte Bandbreite der wissenschaftlichen Möglichkeiten, die auf ihn warten, vollständig kennen kann.
„Mit dem APS-Upgrade können wir neue Experimente durchführen, die wir uns derzeit kaum vorstellen können. Es wird transformierend sein „, sagte Jonathan Lang, Direktor der APS X-ray Science Division (XSD).
„Von Usain Bolt zu einer F-15“
Das APS funktioniert wie ein riesiges Röntgenmikroskop. Es erzeugt extrem helle Röntgenstrahlen, die durch dichte Materialien blicken und die Struktur und Chemie der Materie auf molekularer und atomarer Ebene beleuchten können. Im Rahmen des Upgrades wird der bestehende 1,1 Kilometer lange kreisförmige Speicherring ersetzt und Röntgenstrahllinien und andere Geräte werden aktualisiert, wodurch eine wesentlich leistungsfähigere Röntgenanlage und eine hellere Röntgenproduktion entstehen.
Die Helligkeit der Röntgenstrahlen wird bis zu 500-mal größer sein als die der aktuellen Maschine, sagte Kerby, und wird die Leistung erheblich verbessern.
„Das ist für niemanden wirklich vorstellbar“, sagte Kerby. „Es ist, als würde man von Usain Bolt, einem Weltrekordhalter für Leichtathletik, der als einer der schnellsten Männer der Welt bekannt ist, zu einem F-15-Kampfflugzeug wechseln. Beide sind schnell, aber es ist zwei sehr unterschiedliche Arten von Geschwindigkeit. Experimente, die bisher nicht in realistischer Zeit durchgeführt werden konnten, werden nun in Minuten bis Stunden durchgeführt.“Eine weitere wichtige Verbesserung betrifft die Strahlkohärenz, die sich darauf bezieht, wie geordnet das Röntgenlicht ist. Lang sagte, es werde von so etwas wie einem Scheinwerfer, der eine breite Lichtwaschung erzeugt, zu etwas viel Ähnlicherem wie einem Laser übergehen.Laut Stephen Streiffer, stellvertretender Labordirektor für Wissenschaft und Technologie, Interim Associate Laboratory Director für Photon Sciences und Direktor des APS, ist Kohärenz besonders wichtig: „Hochenergetische Röntgenstrahlen, die ultrahell sind Mit sehr hoher Kohärenz können wir Experimente in realen Umgebungen durchführen, nicht nur in Modellumgebungen.“Streiffer sagte, es sei wichtig, dass die neue Röntgenquelle Messungen über mehrere physikalische und zeitliche Skalen hinweg ermöglicht. „Denken Sie daran, die Elektrochemie in einer Batterie zu erforschen. Es reicht von einer Nanosekunde mit Atomen, die in einer lokalen Umgebung diffundieren, bis hin zu makroskopischen Veränderungen in der Batterie über Tage, Wochen oder sogar Jahre. Mit der erhöhten Helligkeit können wir das ganze Bild betrachten.“
Lang zeigte auf einen anderen Winkel. „Derzeit kann man nur einen kleinen Teil eines Materials sehen, und es dauert lange. Mit dem Upgrade erhalten wir sowohl eine hohe Auflösung als auch ein breites Sichtfeld. Um beispielsweise mechanische Eigenschaften in polykristallinen Materialien zu verstehen, möchten Sie sehen, wie Elemente um Korngrenzen zwischen Kristallen verteilt sind, aber Sie möchten auch sehen, wie eine große Anzahl von Korngrenzen verglichen wird. Dies wird es den Forschern ermöglichen, viele weitere Zellen zu untersuchen, um letztendlich Strukturmaterialien, die in der Automobil- und Luftfahrtindustrie verwendet werden, dramatisch zu verbessern.“
Mit der höheren Helligkeit, sagte Lang, wird auch eine immense Datenlast kommen. „Aber wir haben High Performance Computing auf dem Campus, das ist eine großartige Synergie. Sie können die Zahlen knacken, um die Daten zu verarbeiten. Es ist eine einzigartige Quelle und Ressource ganz in der Nähe.“ Und mit dem neuen Aurora-Supercomputer, der 2021 auf den Markt kommen wird, wird es noch mehr Möglichkeiten geben, die beispiellosen Ressourcen von Argonne zu nutzen.Bob Hettel, der Direktor des APS-U-Projekts, war während seiner Zeit am SLAC National Accelerator Laboratory an der Entwicklung des aktuellen APS beteiligt. Er sagte, es sei eine sehr aufregende Zeit für die Röntgentechnologie, insbesondere mit Fortschritten im Speicherringdesign, und APS habe „einen aggressiven Ansatz entwickelt, der das verbessert und verbessert, was andere in den letzten zwei Jahrzehnten getan haben.“
Die größte Herausforderung ist für Hettel, dass es keine einzige technische Hürde gibt, sondern die Integration so vieler verschiedener Komponenten. „Es gibt eine Million bewegliche Teile. Aber wir engagieren uns mit der Benutzergemeinschaft, und wir haben die absolut besten technischen Leute der Welt in verschiedenen Bereichen, die zusammengekommen sind, um das Ganze zum Laufen zu bringen.“
Kerby sagte, dass die APS frühestens im Juni 2022 abgeschaltet werden würden — aber erst, wenn alle Teile der neuen Maschine ausgecheckt wurden und bereit sind, an der Stelle der alten Maschine zusammengebaut zu werden – die aktualisierten APS kommen etwa ein Jahr später wieder online. An diesem Punkt, sagte er, müssen die Benutzer vollständig neu kalibrieren, wie sie darüber nachdenken, welche wissenschaftlichen Experimente möglich sind.
Um die ganze Geschichte zu lesen, besuchen Sie https://www.anl.gov/article/advanced-photon-source-upgrade-will-transform-the-world-of-scientific-research
Über die Advanced Photon Source
Die Advanced Photon Source (APS) des US-Energieministeriums am Argonne National Laboratory ist eine der produktivsten Röntgenlichtquellen der Welt. Das APS liefert Röntgenstrahlen mit hoher Helligkeit für eine vielfältige Gemeinschaft von Forschern aus den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie, Physik der kondensierten Materie, Lebens- und Umweltwissenschaften sowie angewandte Forschung. Diese Röntgenstrahlen eignen sich ideal für die Erforschung von Materialien und biologischen Strukturen; Elementverteilung; chemische, magnetische, elektronische Zustände; und eine breite Palette technologisch wichtiger technischer Systeme von Batterien bis hin zu Kraftstoffinjektorsprays, All dies sind die Grundlagen des wirtschaftlichen, technologischen und körperlichen Wohlbefindens unserer Nation. Jedes Jahr nutzen mehr als 5.000 Forscher das APS, um über 2.000 Publikationen zu erstellen, die wirkungsvolle Entdeckungen beschreiben und mehr lebenswichtige biologische Proteinstrukturen lösen als Benutzer jeder anderen Röntgenlichtquellenforschungseinrichtung. Wissenschaftler und Ingenieure von APS entwickeln innovative Technologien, die im Mittelpunkt der Weiterentwicklung von Beschleunigern und Lichtquellen stehen. Dazu gehören die Insertionsvorrichtungen, die Röntgenstrahlen mit extremer Helligkeit erzeugen, die von Forschern geschätzt werden, Linsen, die die Röntgenstrahlen auf wenige Nanometer fokussieren, Instrumente, die die Art und Weise maximieren, wie die Röntgenstrahlen mit den untersuchten Proben interagieren, und Software, die sammelt und verwaltet die enorme Datenmenge, die sich aus der Entdeckungsforschung am APS ergibt.
Diese Forschung verwendete Ressourcen der Advanced Photon Source, einer US-amerikanischen Forschungseinrichtung. DOE Office of Science User Facility betrieben für das DOE Office of Science von Argonne National Laboratory unter Vertrag Nr. DE–AC02-06CH11357.
Über das Argonne National Laboratory
Das Argonne National Laboratory sucht nach Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technologie. Argonne, das erste nationale Labor des Landes, betreibt führende grundlagen- und angewandte wissenschaftliche Forschung in praktisch jeder wissenschaftlichen Disziplin. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern von Hunderten von Unternehmen, Universitäten sowie Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden zusammen, um ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme zu helfen, Amerikas wissenschaftliche Führung voranzutreiben und die Nation auf eine bessere Zukunft vorzubereiten. Mit Mitarbeitern aus mehr als 60 Nationen wird Argonne von UChicago Argonne, LLC für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet.
Über das Büro für Wissenschaft des US-Energieministeriums
Die USA. Das Office of Science des Energieministeriums ist der größte Unterstützer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen. Weitere Informationen finden Sie unter https://energy.gov/science.
Quelle: Brett Hansard, Argonne Nationales Laboratorium