25 年來，先進光子源的強 X 射線實現了重要的突破。隨著工作的大規模升級，科學家們將能夠看到前所未有的大規模事物。
每一個科學突破都始于觀察。大約 125 年前，隨著被稱為 X 射線的不可見光的發現，我們的觀察能力大大擴展。我們中的許多人都知道它們是一種醫學掃描技術，但最強大的 X 射線使我們能夠窺視最致密的材料并看到其中的原子。
在美國能源部 (DOE) 的阿貢國家實驗室，異常強大的 X 射線幫助世界領先的科學家解決與清潔能源技術、氣候研究、醫學和許多其他領域相關的復雜問題。
阿貢的高級光子源 (APS) 是美國能源部科學用戶設施辦公室，于 1995 年產生了第一臺 X 射線。從那時起，APS 使幾乎所有科學研究學科的發現成為可能，包括獲得 2009 年和 2012 年諾貝爾獎的研究化學獎。
跨越科學領域的強大工具
APS 是世界領先的高能 X 射線源，稱為硬 X 射線。這些強烈明亮的射線是對物質特性進行成像的關鍵，以便我們能夠理解它們、改進它們并重新發明它們。在 APS 的任何一天，X 射線束都可能聚焦在構成病原體的蛋白質上，例如冠狀病毒、用于快速充電電池的鋰巖鹽晶體、土壤中存在的微生物，甚至是一粒受過輻射的核汽油。
APS 已經是世界上技術最復雜的機器之一，正處于革命性的升級之中。升級完成后，該設施將能夠產生比現在更亮 500 倍的 X 射線。這將使科學家能夠更詳細地觀察一系列現象，而且通常在十億分之一秒的時間范圍內。
“如果你想在原子水平上理解材料——看看原子是如何排列的、它們如何移動以及它們如何變化——我們在這里產生的 X 射線是實現這一目標的關鍵工具，”阿貢大學的主任喬納森·朗說。 X射線科學部。
APS 通過環形粒子加速器產生 X 射線。被稱為電子的亞原子粒子圍繞著環，由磁鐵引導。當電子通過稱為波蕩器的特殊磁性陣列擺動時，它們會發出光子，即光粒子。然后將光子匯集到研究人員可用的許多 APS 光束線之一中，每個光束線都用于特定的科學目的。
APS 每年接待來自世界各地的大約 5,500 名學術、實驗室和行業研究人員，其正在開展的工作服務于各種科學目標。例如，它可以幫助研究人員了解支撐電池和核能的過程。APS 的見解還為設計更高效的噴氣發動機和從水中制氫的技術提供了信息，為汽車和電力的清潔氫燃料鋪平了道路。所有這些都在幫助國家邁向零碳未來，以減緩氣候變化。
最近，APS 通過闡明其蛋白質結構，在 SARS-CoV-2(導致新冠的病毒)的研究中發揮了重要作用。來自病毒的蛋白質已被用作刺激體內免疫反應的疫苗的基礎。這是 APS 協助的一系列生物醫學突破中的最新成果，包括一種治療埃博拉的有前途的藥物和用化學療法對抗癌癥的新途徑。
“APS 非常擅長為許多不同的學科貢獻廣泛的知識，”朗說。他指出的一個例子是開發運行所需功率較小的小型電子設備，這項工作建立在 APS 進行的材料研究的基礎上。“我們在這里獲得的關于如何將事物組合在一起以及如何排列原子的所有知識都為從先進電池到癌癥治療的一切奠定了基礎。”
一種新的先進技術
APS 由美國能源部科學基礎能源科學辦公室資助，在 1990 年代上線時是最先進的。這樣的設施不僅需要為當下建造，而且需要為未來幾十年建造。
“APS 的最初設計是經過深思熟慮的，直到現在，也就是近 30 年后的未來，我們才能充分利用當前設施的所有功能，”阿貢實驗室負責科學和APS 技術和總監。
計劃中的升級將涉及用一個新的、更強大的模型完全取代電子存儲環。這將為科學家帶來更精細的分辨率，例如阿貢的物理學家 Mary Upton，她與來訪的科學家合作進行 27-ID 光束線實驗。這條光束線的研究人員通常專注于作為計算機內存構建塊的磁性材料。
“我們正在 APS 進入一個激動人心的時刻，”厄普頓說。“在 27-ID 光束線上已經是非常精確的儀器將隨著升級變得更加強大。由此產生的洞察力將擴展我們所有電子設備的功能。”
但這只是故事的開始。為用戶提供基于 X 射線成像技術的其他光束線將看到與 X 射線亮度提高相當的改進，使他們能夠掃描比當前可能大 500 倍的體積。
“例如，這就是能夠檢查小鼠大腦一小部分的解剖結構與能夠檢查整個事物之間的區別。只有這樣你才能真正理解你在看什么，”Streiffer 解釋說.
新的 X 射線源將實現更快、更廣泛的測量。以電池中的電化學為例。當電池充電和放電時，電子從一端快速移動到另一端。但在數天、數周或數年內，電池在使用過程中會發生其他化學變化。增加的亮度將使人們可以看到更大的畫面。
“APS 的升級將使科學達到我們現在甚至無法想象的規模，”阿貢光子科學實驗室副副主任丹尼斯·米爾斯說。“增加的亮度，以及將這些明亮光束聚焦到令人難以置信的小尺寸的能力，將開辟新的發現途徑，從而導致許多領域的重要創新。”
更亮的光束也將大大加快研究速度，使以前不可能在幾分鐘或幾小時內進行的實驗成為可能。“如果你只需要一個小時來收集數據，而不是整整一個月，那結果就會大不相同，”朗說。“這就是升級將允許我們做的事情。”
更亮的光線，更多的數據
Streiffer 指出，過去幾十年光源的改進速度已經超過了計算機變得更快的速度。這就是為什么阿貢領導力計算設施 (ALCF)，另一個美國能源部科學用戶設施辦公室，是一項關鍵資產。
“光源帶來了巨大的數據挑戰，”Streiffer 說。“擁有我們的專業知識以及 ALCF 的計算能力是能夠使用升級后的 APS 并產生科學的關鍵成功因素。”
目前，APS 每年收集大約 5 PB 的原始數據——1 PB 是一百萬 GB。隨著升級，這個數字每年將上升到數百 PB。即將于 2022 年推出的 Aurora 超級計算機將補充數據的激增。
“Aurora 和其他 ALCF 系統對于處理和理解 APS 升級時代生成的數據至關重要，”Argonne 首席計算機科學家 Nicholas Schwarz 說。
ALCF 和 APS 將通過高速網絡連接，以允許交換海量數據集。Schwarz 說，這種 APS 儀器和 ALCF 超級計算機的結合將使實時分析成為可能，以幫助科學家做出關鍵的實驗決策。
阿貢的科學家們已經應用人工智能比傳統方法更快地預測和重建 X 射線數據。這種類型的工作，連同 Aurora 增加的可用功率，將幫助 ALCF 跟上升級后的 APS 的涌入。
“人工智能將涉及 APS 操作的各個方面，從控制升級后的存儲環的穩定性到自動對齊 X 射線束中的樣本，”施瓦茨說。
如果過去三個十年有任何跡象，研究人員將找到使用升級后的 APS 來實現我們今天甚至無法想象的突破的方法。Streiffer 指出，在 APS 的早期，很少有人認為 APS 會有助于確定蛋白質的結構。
傳統觀點認為，如果將蛋白質晶體放入光束中，它會在獲得任何有用數據之前蒸發。取而代之的是，APS 已成為此類結構生物學的主要家園，這要歸功于艱苦的實驗方法，使生物學家能夠在不破壞樣本的情況下測量樣本。
“APS 講述了科學的一個方面，它使它如此具有挑戰性，但也如此有益，”Streiffer 說。“你永遠不會完全確定你會發現什么。”
