En frisk tilgang til eksperimentelt design ved SLAC røntgenlaseren

Store teknologiske spring kræver store spring i design - helt nye tilgange, der kan drage fuld fordel af alt, hvad teknologien har at tilbyde.

Det er tankegangen bag et nyt initiativ på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. For at sikre, at eksperimenter kan få mest muligt ud af en større røntgenlaseropgradering, der producerer 10 stråler, 000 gange lysere og pulser op til en million gange i sekundet, laboratoriet har skabt en ny stilling-chef for eksperimentelt design ved Linac Coherent Light Source-og ansat en verdenskendt røntgenforsker til at fylde den.

Paul Fuoss (udtales "foos") vil se på LCLS og LCLS-II-opgraderingen fra et nyt perspektiv og arbejde med forskere og ingeniører på tværs af laboratoriet for at designe instrumenter, brugervenlige kontrolsystemer og eksperimentelle forløb, der drager fuld fordel af dette teknologiske spring.

Selvom opgraderingen først er færdig i begyndelsen af ​​2020'erne, der er virkelig ingen tid at tabe, sagde LCLS -direktør Mike Dunne.

"Vi er på nippet til en transformation af vores videnskabelige kapaciteter, der simpelthen er uopnåelig i dag. Når du tager disse store spring, skal du grundlæggende genoverveje, hvordan du griber videnskaben og design af eksperimenter, "Sagde Dunne.

"Du kan ikke bare gøre det på den måde, du gjorde før, men lidt bedre. Du skal gribe det an fra en helt ny tankeproces:Hvad er den videnskabelige viden, du forsøger at få ud, og hvad er de videnskabelige data, der kan belyse denne nye forståelse, og hvordan oversætter det tilbage til, hvordan du får disse data, og hvordan påvirker det, hvordan du designer anlægget? "

Tæmning af kompleksitet for at gøre videnskab mere produktiv

For Fuoss, det bredere mål er at øge produktiviteten og forbedre forskernes erfaringer med røntgenlyskilder overalt.

"Eksperimenter er blevet meget mere komplekse i løbet af de sidste 20 år, ikke kun ved LCLS, men ved synkrotron lyskilder, også, "sagde han." Vi er gået fra at kontrollere eksperimenter med en enkelt computer og opdage en enkelt pixel data ad gangen til at bruge flere computere og opdage mere som en million pixels på én gang. Vores evne til at integrere forskellige værktøjer og computere og visualisere dataene har ofte ikke fulgt med teknologien. Og på LCLS, at kompleksiteten vil stige dramatisk om et par år, når LCLS-II-opgraderingen bliver operationel. "

En måde at gøre arbejdet med LCLS mere strømlinet og intuitivt på er at integrere brugervenlige funktioner i de instrumenter, der følger med ombord som en del af LCLS-II.

"Meget af det vil arbejde med forskere og ingeniører, der designer disse instrumenter for at få byggestenene til brugerkompatibilitet derinde, "Fuoss sagde." Det er ikke en del af grunduddannelsen af ​​forskere og ingeniører, så vi forventer, at vi bliver nødt til at nå ud til folk, der har den ekspertise og få dem til at hjælpe os. "

Anden måde, han sagde, er at skabe værktøjer, der lader forskere visualisere deres data, mens de indsamles, så de kan forstå, hvad der foregår i realtid.

"Der er mange forskellige stykker, der skal koordineres, "Fuoss sagde." Alle er ved at blive gjort, men vi skal bringe et samlet fokus og sikre, at der ikke er unødvendige barrierer. Ultimativt, du ønsker at integrere denne slags ting i alles daglige udviklingsaktiviteter. "

Røntgenstråler, Opfindelser og menneskelige grænseflader

Fuoss har dybe rødder hos SLAC. Oprindeligt fra South Dakota, hvor han voksede op på en ranch, han fik en grad i fysik ved South Dakota School of Mines and Technology og kom til Stanford University i 1975 for kandidatskole. Han sluttede med at lave sin kandidatforskning på SLAC, ved hjælp af røntgenstråler fra det, der senere blev Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til at undersøge materialer.

Efter at have opnået en ph.d. Fuoss fortsatte med at undersøge på Bell Laboratories, AT&T Laboratories og Argonne National Laboratory. Han har været aktiv bruger af SSRL og andre lyskilder og har udviklet en række nye teknikker til at udforske materialer med røntgenstråler, hvoraf mange nu er standard på lyskilder rundt om i verden; i 2015 modtog han SLACs Farrel W. Lytle Award for dette arbejde. Fuoss spillede også en rolle i designet af LCLS.

I midten af ​​1990'erne mens en forsker ved AT&T Laboratories, Fuoss tog en seksårig afstikker til verden inden for design af menneskelige grænseflader og forskning i menneskelige faktorer-undersøgelsen af ​​hvordan mennesker interagerer med teknologi, fra fly cockpits til din kontor kopimaskine. Dengang, han fokuserede på at gøre telesystemer og webinterfaces mere brugervenlige. Denne erfaring kan også anvendes på LCLS eksperimentelt design.

"Paul har en utrolig baggrund, "Sagde Dunne." Han bringer den dybe forståelse af røntgenvidenskabens natur, en forståelse af alle instrumenterne og de tekniske stykker, og derefter en forståelse af, hvad vi forsøger at opnå videnskabeligt. "

Få mest muligt ud af stråletiden

I modsætning til synkrotron lyskilder, som kan have snesevis af røntgenstråler og mange eksperimenter, der foregår samtidigt, den nuværende version af LCLS har kun en kraftig stråle, en milliard gange lysere end nogen tidligere tilgængelig, hvis pulser ankommer op til 120 gange i sekundet. I teorien begrænser dette anlægget til at lave et eksperiment ad gangen.

Men i de syv år siden den åbnede, forskere og ingeniører er kommet med en række måder at komme uden om denne begrænsning, såsom opdeling af strålen, så den kan leveres til to eller flere forsøg på én gang. På samme tid, de reducerede nedetiden mellem eksperimenter ved at planlægge lignende eksperimenter baglæns, så de ikke behøver at skifte udstyr så ofte. Disse og andre foranstaltninger øgede antallet af forsøg, der blev kørt om året med 72 procent fra 2014 til 2016, og LCLS passerede for nylig milepælen med at være vært for mere end 1, 000 brugere om året.

LCLS-II tilføjer endnu en røntgenlaser, yderligere at øge anlæggets kapacitet. Ved at fortsætte med at finde måder at presse flere eksperimenter på, mens man gør den måde, folk interagerer med LCLS mere ligetil, Fuoss sagde, "Vi kan forbedre produktiviteten og give de videnskabelige brugere mulighed for at have en mere praktisk rolle i selve dataindsamlingen. Det vil både reducere belastningen på LCLS-personalet og føre til en bedre oplevelse for de forskere, der kommer her for at bruge det. . "