Avanceret Photon Source-opgradering vil transformere verden af ​​videnskabelig forskning

Fra kemi til materialevidenskab til COVID-19-forskning, APS er en af ​​de mest produktive røntgenlyskilder i verden. En opgradering vil gøre den til en global leder blandt den næste generation af lyskilder, åbne nye grænser inden for videnskaben.

I de næsten 25 år siden Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, første gang åbnet på DOE's Argonne National Laboratory, det har spillet en væsentlig rolle i nogle af de mest afgørende opdagelser og fremskridt inden for videnskaben.

Mere end 5, 000 forskere fra hele verden udfører eksperimenter på APS hvert år, og deres arbejde har, blandt mange andre bemærkelsesværdige succeser, banede vejen for bedre vedvarende batterier; resulterede i udviklingen af ​​adskillige nye lægemidler; og hjalp med at gøre køretøjer mere effektive, infrastrukturmaterialer stærkere og elektronik mere kraftfuld.

Forskning udført ved APS har også direkte ført til to Nobelpriser, og bidrog til en tredje. Seneste, APS yder betydelige bidrag i kampen mod COVID-19. Dens strålelinjer er involveret i forskning for både at identificere virusets proteinstrukturer og finde potentielle farmaceutiske behandlinger og/eller vacciner. Sådant arbejde gør klart den vedvarende betydning af røntgenlyskilder, ligesom APS, i at løse kritiske problemer for vores verden.

Men mens APS stadig er en af ​​de fremtrædende forskningsfaciliteter af sin art, elektronlagringsringen, der er i dens hjerte, blev designet i slutningen af ​​1980'erne og, lige så banebrydende som det var på det tidspunkt, er nu afhængig af dateret teknologi.

"Efter 25 år, udfordringen er, hvordan vi fortsætter med at gøre APS til et interessant og nyttigt sted for forskere?" spurgte Jim Kerby, chefprojektleder for APS Upgrade (APS-U), som kom til Argonne for at hjælpe med at besvare det spørgsmål. "Hvordan skaber vi en facilitet, der fortsat giver muligheder for arbejde, der ikke kan udføres andre steder?"

Mens APS er klar til at gennemgå en opgradering på $815 millioner, der vil så tidligt som i slutningen af ​​2023, muliggøre videnskab i en helt ny og hidtil uset skala, APS-teamet i Argonne og de tusindvis af forskere, det støtter, ser spændt fremad – selvom ingen helt kan kende hele rækken af ​​videnskabelige muligheder, der venter.

"APS-opgraderingen vil give os mulighed for at udføre nye eksperimenter, som vi næsten ikke engang kan forestille os lige nu. Det vil være transformerende, " sagde Jonathan Lang, direktøren for APS X-ray Science Division (XSD).

"Fra Usain Bolt til en F-15"

APS fungerer som et kæmpe røntgenmikroskop. Det producerer ekstremt skarpe røntgenstråler, der kan se gennem tætte materialer og belyse stoffets struktur og kemi på molekylært og atomært niveau. Som en del af opgraderingen, den eksisterende 1,1 kilometer lange cirkulære lagerring vil blive udskiftet, og røntgenstrålelinjer og andet udstyr vil blive opdateret, skabe et langt mere kraftfuldt røntgenanlæg og lysere røntgenproduktion.

Lysstyrken af ​​røntgenstrålerne vil være op til 500 gange større end den nuværende maskine, sagde Kerby, og vil forbedre ydeevnen markant.

"Det er svært for nogen virkelig at forestille sig, " sagde Kerby. "Det er som at gå fra Usain Bolt, en verdensrekordholder atletiksprinter kendt for at være en af ​​de hurtigste mænd på Jorden, til et F-15 jagerfly. Begge er hurtige, men det er to meget forskellige slags hastighed. Eksperimenter, der tidligere var umulige at udføre på en realistisk tid, vil nu blive udført på minutter til timer."

En anden stor forbedring involverer strålekohærens, som relaterer sig til, hvor ordnet røntgenlyset er. Lang sagde, at det vil gå fra noget som en spotlight, der producerer en bred vask af lys til noget meget mere som en laser.

Ifølge Stephen Streiffer, vicelaboratoriedirektør for videnskab og teknologi, midlertidig associeret laboratoriedirektør for Photon Sciences, og direktør for ApS, sammenhæng er især vigtigt:"Røntgenstråler med høj energi, der er ultra-lyse med meget høj sammenhæng, vil tillade os eksperimenter i virkelige miljøer, ikke kun modelmiljøer."

Streiffer sagde, at det var vigtigt, at den nye røntgenkilde muliggør målinger på tværs af flere fysiske og tidsskalaer. "Tænk på at udforske elektrokemien i et batteri. Det går fra et nanosekund med atomer, der diffunderer i et lokalt miljø hele vejen op til makroskopiske ændringer i batteriet over dage, uger eller endda år. Med den øgede lysstyrke vil vi være i stand til at se på hele billedet."

Lang pegede på en anden vinkel. "I øjeblikket, du kan kun se en lille del af et materiale, og det tager lang tid. Med opgraderingen får vi både høj opløsning og et bredt synsfelt. For eksempel, at forstå mekaniske egenskaber i polykrystallinske materialer, du ønsker at se, hvordan elementer er fordelt omkring korngrænser mellem krystaller, men du vil også se, hvordan et stort antal korngrænser kan sammenlignes. Dette vil give forskere mulighed for at se på mange flere celler, på måder, der i sidste ende kan dramatisk forbedre de strukturelle materialer, der bruges i bil- og rumfartsindustrien."

Med den højere lysstyrke, Lang sagde, vil også komme en enorm databelastning. "Men vi har højtydende computing på campus, så det er stor synergi. De kan knuse tallene for at håndtere dataene. Det er en unik kilde og ressource meget tæt på." Og med den nye Aurora supercomputer, der skal debutere i 2021, der vil være endnu flere muligheder for at udnytte Argonnes enestående ressourcer.

Bob Hettel, direktøren for APS-U-projektet, var involveret i at designe den nuværende APS, mens han var på SLAC National Accelerator Laboratory. Han sagde, at det er en meget spændende tid for røntgenteknologi, især med fremskridt inden for opbevaringsringdesign, og APS er "kommet op med en aggressiv tilgang, der forbedrer og forbedrer, hvad andre har gjort de sidste to årtier."

For Hettel, den største udfordring er, at der ikke er en eneste teknisk forhindring, men det er snarere integrationen af ​​så mange forskellige komponenter. "Der er en million bevægelige dele. Men vi engagerer os i brugerfællesskabet, og vi har de absolut bedste tekniske folk i verden på flere områder, der er gået sammen for at få det hele til at fungere."

Kerby sagde, at den tidligste APS vil blive lukket ned er juni 2022 - men ikke før alle dele af den nye maskine er blevet tjekket ud og er klar til at blive samlet på den gamle maskines sted - med den opgraderede APS kommer tilbage online omkring et år senere. På det tidspunkt, han sagde, brugere bliver nødt til fuldstændigt at omkalibrere, hvordan de tænker på, hvilke videnskabelige eksperimenter der er mulige.

Ændrer hele spillet

Conal Murray er en forskningsmedarbejder ved IBM Watson Research Center i New York, som havde sin første stråletid ved APS for mere end 20 år siden, og som har vendt tilbage næsten hvert år siden.

Hans nuværende forskning involverer strain engineering i fremtidige generationers transistorer. Fremskridt på dette område er vigtige for enhedsskalering i applikationer lige fra smartphones til højtydende computere, hvor der kan opnås større transistortæthed og samtidig øge den samlede funktionalitet.

"Den forbedrede sammenhæng og lysstyrke vil give os mulighed for at foretage målinger af faktiske enheder, ikke kun repræsentative strukturer. Vi kunne kun gøre dette med APS-opgraderingen, " sagde Murray. "Men jeg er lige så begejstret for de uventede resultater, der vil komme fra denne opgradering. Vi kender ikke de fulde fordele, før det er bygget og i drift."

For Gayle Woloschak, en forsker ved Northwestern University, APS-U vil give hende mulighed for at "springe videre til det næste niveau af, hvad vi kan gøre. Vi vil være i stand til at lave en hurtig scanning af celler, et betydeligt antal på kort tid." Dette vil markant øge antallet af patienter, der kan spores, og give en meget bedre forståelse af, hvad der sker under behandlingen.

For forskere som Stephan Hruszkewycz, i Argonnes Materials Science division, røntgenstrålerne ved APS er en af ​​de eneste måder at se, hvordan materialer opfører sig under ekstreme forhold, som er afgørende for at imødegå en række energiudfordringer. "Opgraderingen er en kæmpe mulighed for materialevidenskab. Med de forbedrede egenskaber og ved at tage nye metoder, vi vil være i stand til at se på materialer i en tilstand, der giver os en meget rigere idé om, hvordan de transformerer sig i ekstreme miljøer."

Hej Chen, en fysiker i Argonnes røntgenvidenskabsafdeling, der primært arbejder med biologiske applikationer, sagde, at APS-U også vil involvere store udstyrsforbedringer. "En af de vigtigste ting er ikke kun selve opgraderingen, men alle de nye instrumenter til at bruge den lysstyrke, som opgraderingen vil give."

Chen sagde, at den røntgen-endestation, hun i øjeblikket arbejder med, kan studere nogle få celler om dagen; bruge en ny andengenerationsmaskine efter opgraderingen, dette vil stige til tusindvis af celler om dagen. "Vi vil være i stand til at indsamle data meget hurtigere, og at større befolkning vil øge tilliden til forskningskonklusionerne."

Hun tilføjede, at den nye maskine vil gøre det muligt for forskere at opnå et 10 nanometer fokus - hvilket er seks til otte tusinde gange mindre end et enkelt menneskehår.

Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) kører to beamlines ved APS, finansieret af National Institutes of Health og servicerer 600-700 unikke brugere. Malcolm Capel, NE-CAT vicedirektør, aftalt, at der skal ske flere overgange på én gang. "Vores kontrolsystemer er 20 år gamle, også. Vi vil have ny software og mere dokumentation af vores systemer til brugerne."

Laurence Lurio er formand for fysikafdelingen ved Northern Illinois University, hvis arbejde involverer at undersøge biologiske materialer såsom proteiner og lipider. Han sagde, at den forbedrede strålekohærens vil give hans forskerhold mulighed for at fokusere mere på videnskab end teknik.

"Det mest spændende ved opgraderingen er, at vi vil gå fra at gøre meget udfordrende, teknikdrevne målinger til noget, der er meget nemmere og bekvemt at udføre. Teknikken skal være let nok til, at du kan se på videnskaben. Hvis du prøver for hårdt på at foretage en måling, kan du ikke se på de vigtige applikationer."

Lurio tilføjede, at hvis det ikke var for APS og støtten fra DOE, et sådant innovativt arbejde ville ikke være muligt. "Kommer fra et mellemstort universitet, vi har ikke et stort budget til forskningsinfrastruktur. Og det gælder nok for endnu større forskningsuniversiteter. Men vi kan alle komme til APS og pludselig have verdens bedste værktøj til at lave et eksperiment. Tilgængeligheden af ​​denne facilitet ændrer hele spillet."

På fast grund i yderligere 25 år

Potentialet for fremtidige afgørende opdagelser som følge af opgraderingen er praktisk talt ubegrænset. Eksempler kan omfatte revolutionære systemer til at omdanne sollys til energi og lagre denne energi; detaljerede mekanismer, hvorved forurenende stoffer bevæger sig gennem jorden; renere, mere effektive biobrændstoffer; en transformerende forståelse af strukturen i Jordens indre kerne; nye lægemidler til behandling af infektioner, der er resistente over for antibiotika; og en bedre forståelse af, hvordan hjernen behandler og lagrer information med neuroner.

Kerby sagde, at han ikke var i tvivl om, at opgraderingen ville producere mange spektakulære eksempler på innovativ videnskab. Men tilføjede, "Det virkelig vigtige er ikke de specifikke eksempler; det er muligheden for at gå i retninger, som folk tidligere ikke havde tænkt over, eller havde afskrevet."

Og det, sagde Lang, er i sidste ende målet for opgraderingen.

"Vi vil sikre, at APS er relevant i yderligere 25 år, " sagde Lang. "Om 10 til 15 år, folk vil begynde at komme med nye ideer. APS-opgraderingen vil sætte Argonne på solid grund i verden i yderligere 25 år. Man kan ikke forudsige fremtiden meget længere ude end det«.