juli 21, 2020 — under de nästan 25 åren sedan Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, öppnade först vid does Argonne National Laboratory, har den spelat en viktig roll i några av de mest viktiga upptäckterna och framstegen inom vetenskapen.
Mer än 5000 forskare från hela världen utför experiment på APS varje år, och deras arbete har bland många andra anmärkningsvärda framgångar banat väg för bättre förnybara batterier; resulterade i utvecklingen av många nya läkemedel; och hjälpte till att göra fordon effektivare, infrastrukturmaterial starkare och elektronik kraftfullare.
forskning vid APS har också direkt lett till två Nobelpriser och bidragit till en tredjedel. Senast gör APS betydande bidrag i kampen mot COVID-19. Dess strållinjer är involverade i forskning för att både identifiera virusets proteinstrukturer och hitta potentiella läkemedelsbehandlingar och/eller vacciner. Ett sådant arbete klargör den pågående betydelsen av Röntgenljuskällor, som APS, för att lösa kritiska problem för vår värld.
” ApS-uppgraderingen gör det möjligt för oss att genomföra nya experiment som vi knappt ens kan föreställa oss just nu. Det kommer att vara transformerande”, säger Jonathan Lang, direktören för APS X-ray Science Division (XSD).
men medan APS fortfarande är en av de främsta forskningsanläggningarna i sitt slag, utformades elektronlagringsringen som ligger i hjärtat från och med slutet av 1980-talet och, så banbrytande som den var vid den tiden, bygger nu på daterad teknik.
” Efter 25 år är utmaningen hur fortsätter vi att göra APS till en intressant och användbar plats för forskare?”frågade Jim Kerby, chief project officer för APS Upgrade (APS-U), som kom till Argonne för att hjälpa till att svara på den frågan. ”Hur skapar vi en anläggning som fortsätter att ge möjligheter till arbete som inte kan göras någon annanstans?”
När APS förbereder sig för att genomgå en uppgradering på 815 miljoner dollar som redan i slutet av 2023 möjliggör vetenskap i en helt ny och aldrig tidigare skådad skala, ser APS-teamet på Argonne och de tusentals forskare som den stöder ivrigt framåt — även om ingen helt kan känna till hela utbudet av vetenskapliga möjligheter som väntar.
” ApS-uppgraderingen gör det möjligt för oss att genomföra nya experiment som vi knappt ens kan föreställa oss just nu. Det kommer att vara transformerande”, säger Jonathan Lang, direktören för APS X-ray Science Division (XSD).
”från Usain Bolt till en F-15”
ApS fungerar som ett jätte Röntgenmikroskop. Det producerar extremt ljusa röntgenstrålar som kan peer genom täta material och belysa materiens struktur och kemi på molekylär och atomär nivå. Som en del av uppgraderingen kommer den befintliga 1,1 kilometer långa cirkulära lagringsringen att bytas ut och röntgenstrålar och annan utrustning kommer att uppdateras, vilket skapar en mycket kraftfullare Röntgenanläggning och ljusare röntgenproduktion.
röntgenstrålarnas ljusstyrka kommer att vara upp till 500 gånger större än den nuvarande maskinen, säger Kerby, och kommer att förbättra prestandan avsevärt.
” det är svårt för någon att verkligen föreställa sig,” sa Kerby. ”Det är som att gå från Usain Bolt, en världsrekord som håller spår och fältsprinter känd för att vara en av de snabbaste männen på jorden, till ett F-15-stridsflygplan. Båda är snabba, men det är två mycket olika typer av hastighet. Experiment som tidigare var omöjliga att utföra på en realistisk tid kommer nu att genomföras i minuter till timmar.”
en annan stor förbättring innebär strålkoherens, som relaterar till hur beställt Röntgenljuset är. Lang sa att det kommer att gå från något som en strålkastare som producerar en bred ljustvätt till något mycket mer som en laser.
enligt Stephen Streiffer, biträdande laboratoriedirektör för vetenskap och teknik, tillfällig associerad laboratoriedirektör för Fotonvetenskap och chef för APS är koherens särskilt viktigt: ”röntgenstrålar med hög energi som är ultralätta med mycket hög koherens kommer att tillåta oss experiment i verkliga miljöer, inte bara modellmiljöer.”
Streiffer sa att det var viktigt att den nya Röntgenkällan möjliggör mätningar över flera fysiska och tidsskalor. ”Tänk på att utforska elektrokemi i ett batteri. Det går från en nanosekund med atomer som diffunderar i en lokal miljö hela vägen upp till makroskopiska förändringar i batteriet över dagar, veckor eller till och med år. Med den ökade ljusstyrkan kommer vi att kunna titta på hela bilden.”
Lang pekade på en annan vinkel. ”För närvarande kan du bara se en liten del av ett material, och det tar lång tid. Med uppgraderingen får vi både hög upplösning och ett brett synfält. Till exempel, för att förstå mekaniska egenskaper i polykristallina Material, vill du se hur element fördelas runt korngränser mellan kristaller, men du vill också se hur ett stort antal korngränser jämför. Detta gör det möjligt för forskare att titta på många fler celler, på sätt som i slutändan dramatiskt kan förbättra strukturella material som används inom fordons-och flygindustrin.”
med den högre ljusstyrkan, sade Lang, kommer också en enorm databelastning. ”Men vi har högpresterande datorer på campus så det är bra synergi. De kan krossa siffrorna för att hantera data. Det är en unik källa och resurs mycket nära.”Och med den nya superdatorn Aurora som kommer att debutera 2021 kommer det att finnas ännu fler möjligheter att utnyttja Argonnes oöverträffade resurser.
Bob Hettel, chef för APS-U-projektet, var inblandad i utformningen av den nuvarande APS medan han var på SLAC National Accelerator Laboratory. Han sa att det är en mycket spännande tid för röntgenteknik, särskilt med framsteg inom lagringsringdesign, och APS har ”kommit med ett aggressivt tillvägagångssätt som förbättrar och förbättrar vad andra har gjort de senaste två decennierna.”
För Hettel är den största utmaningen att det inte finns ett enda tekniskt hinder, utan det är integrationen av så många olika komponenter. ”Det finns en miljon rörliga delar. Men vi engagerar oss i användargemenskapen, och vi har de absolut bästa tekniska människorna i världen på flera områden som har samlats för att få det hela att fungera.”
Kerby sa att den tidigaste APS skulle stängas av är juni 2022 — men inte förrän alla delar av den nya maskinen har checkat ut och är redo att monteras på den gamla maskinens plats-med de uppgraderade APS som kommer tillbaka online ungefär ett år senare. Vid den tiden sa han att användarna måste kalibrera om hur de tänker på vilka vetenskapliga experiment som är möjliga.
för att läsa hela artikeln, besök https://www.anl.gov/article/advanced-photon-source-upgrade-will-transform-the-world-of-scientific-research
om den avancerade Fotonkällan
U. S. Department of Energy Office of Science ’ s Advanced Photon Source (ApS) vid Argonne National Laboratory är en av världens mest produktiva Röntgenljuskälla. APS ger röntgenstrålar med hög ljusstyrka till ett mångsidigt samhälle av forskare inom materialvetenskap, Kemi, kondenserad materiefysik, livs-och miljövetenskap och tillämpad forskning. Dessa röntgenstrålar är idealiska för utforskningar av material och biologiska strukturer; elementär distribution; kemiska, magnetiska, elektroniska tillstånd; och ett brett utbud av tekniskt viktiga tekniska system från batterier till bränsleinsprutare sprayer, som alla är grunden för vår nations ekonomiska, tekniska och fysiska välbefinnande. Varje år använder mer än 5,000-forskare APS för att producera över 2,000-publikationer som beskriver effektiva upptäckter och löser mer vitala biologiska proteinstrukturer än användare av någon annan Röntgenljuskälla forskningsanläggning. ApS-forskare och ingenjörer innoverar teknik som är kärnan i att främja accelerator-och ljuskälloperationer. Detta inkluderar insättnings enheter som producerar extrem ljusstyrka röntgen uppskattad av forskare, linser som fokuserar röntgen ner till några nanometer, instrumentering som maximerar hur röntgen samverkar med prover som studeras, och programvara som samlar in och hanterar den massiva mängden data som härrör från upptäckt forskning vid APS.
denna forskning använde resurser från Advanced Photon Source, ett USA. DOE Office of Science Användaranläggning drivs för DOE Office of Science av Argonne National Laboratory enligt kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357.
om Argonne National Laboratory
Argonne National Laboratory söker lösningar på att pressa nationella problem inom vetenskap och teknik. Landets första nationella laboratorium, Argonne bedriver ledande grundläggande och tillämpad vetenskaplig forskning i praktiskt taget alla vetenskapliga discipliner. Argonne-forskare arbetar nära forskare från hundratals företag, universitet och federala, statliga och kommunala myndigheter för att hjälpa dem att lösa sina specifika problem, främja Amerikas vetenskapliga ledarskap och förbereda nationen för en bättre framtid. Med anställda från mer än 60 nationer förvaltas Argonne av UChicago Argonne, LLC för US Department of Energy ’ s Office of Science.
om U. S. Department of Energy ’ s Office of Science
USA. Department of Energy Office of Science är den enskilt största supporteren av grundforskning inom fysiska vetenskaper i USA och arbetar för att ta itu med några av de mest pressande utmaningarna i vår tid. För mer information, besök https://energy.gov/science.
källa: Brett Hansard, Argonne National Laboratory