美國(guó)能源部 ( DOE ) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工程師們共同創(chuàng)造了一種精致產(chǎn)品：一個(gè)將推動(dòng) X 射線科學(xué)未來的升級(jí)設(shè)施，從而帶來使我們生活得更好、更安全的突破。
阿貢先進(jìn)光子源 ( APS ) 的此次升級(jí)將產(chǎn)生比目前產(chǎn)生的 X 射線束更亮數(shù)百倍且聚焦更緊密的 X 射線束。APS的主要目的是利用在一個(gè)周長(zhǎng)超過一公里的環(huán)中以接近光速飛行的電子產(chǎn)生用于實(shí)驗(yàn)的X射線。有了這些更亮的 X 射線束， APS 升級(jí)將使實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛞郧八从械姆直媛屎鸵?guī)模進(jìn)行。從事 APS 升級(jí)項(xiàng)目的工程師掌握設(shè)施的各個(gè)方面，從用于引導(dǎo)電子束的磁鐵到容納光源的建筑物。
“ APS升級(jí)是一個(gè)巨大的 項(xiàng)目，”Argonne 首席機(jī)械工程師 Jie Liu 表示，他從事加速器的工作，該加速器為產(chǎn)生 X 射線所需的電子提供能量。“它不僅需要大量的時(shí)間和資源投資，而且還涉及許多不同類型的工程專業(yè)知識(shí)。有機(jī)械工程、電氣工程、磁工程、真空工程甚至土木工程，還有其他，”她說。
希望利用升級(jí)后的 APS的科學(xué)家 和致力于建造該設(shè)施的工程師之間的互動(dòng)形成了一條雙向道路。在這種關(guān)系中，科學(xué)家們提出了潛在的改進(jìn)建議，工程師們確定了哪些在邏輯上是可能的。據(jù)劉說，創(chuàng)建升級(jí)的 APS的過程 豐富了有助于實(shí)現(xiàn)它的工程學(xué)科。
“進(jìn)行 APS 升級(jí)有助于將我們?cè)诟鞣N工程形式中的所有專業(yè)知識(shí)付諸實(shí)踐，”劉說。“該項(xiàng)目的雄心勃勃的性質(zhì)將我們所有人推向了我們的理解和能力的極限，并幫助我們達(dá)到了新的高度。需要一個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)以不同的背景、觀點(diǎn)和技能來解決相同的問題，才能使新設(shè)施栩栩如生。”
“隨著不同的工程師聚集在一起，我們總是在學(xué)習(xí)新的東西，”Argonne 首席機(jī)械工程師 Dana Capatina 補(bǔ)充道，他負(fù)責(zé)幫助開發(fā)新的改進(jìn)組件以提供 X 射線束。“升級(jí)完成后我們將生成的光束將更加集中，這需要更精確的設(shè)備。”
APS升級(jí)項(xiàng)目的合作性質(zhì)為新的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一個(gè)肥沃的領(lǐng)域，。例如，為了制造 1,300 多個(gè)磁鐵，這些磁鐵將被替換到包含高速電子的新環(huán)中，物理學(xué)家必須與磁鐵工程師密切合作，而磁鐵工程師又必須與機(jī)械工程師合作，將設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
“這是一個(gè)迭代過程，”劉說。“一個(gè)地區(qū)的一名工程師將與另一個(gè)地區(qū)的一名工程師來回走動(dòng)。然后他們將與物理學(xué)家商討，以不斷改進(jìn)最終設(shè)計(jì)。要優(yōu)化您嘗試構(gòu)建的內(nèi)容，您可能需要與五六位不同類型的工程師合作。”
“ X 射線束線是為科學(xué)家而存在的，”Capatina 補(bǔ)充道。“我們必須將他們實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)的需求轉(zhuǎn)化為我們可以構(gòu)建的東西。”
即使 APS 升級(jí)項(xiàng)目完成，也需要不同類型的工程師來幫助確保升級(jí)后的 APS 順利運(yùn)行。“即使一切都安裝完畢，您也有負(fù)責(zé)設(shè)施運(yùn)營(yíng)的供電工程師和控制工程師，就像我們今天一樣，”劉說。
隨著新發(fā)現(xiàn)的出現(xiàn)，它們構(gòu)成了設(shè)計(jì)該設(shè)施的新戰(zhàn)略的基礎(chǔ)，將科學(xué)家和工程師聚集在一起評(píng)估如何 改進(jìn)APS 升級(jí)項(xiàng)目。這些對(duì)話通常會(huì)產(chǎn)生優(yōu)雅的技術(shù)成就。
“例如，很多人認(rèn)為磁鐵是一個(gè)單一的、簡(jiǎn)單的包裝，”劉說。“很多時(shí)候，大多數(shù)人并不了解看似簡(jiǎn)單的工程中的所有細(xì)節(jié)。通常最大的挑戰(zhàn)是為具有復(fù)雜功能的東西創(chuàng)建簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。”
多種工程類型的融合產(chǎn)生了針對(duì)特定技術(shù)挑戰(zhàn)量身定制的新專業(yè)領(lǐng)域。“配備和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)站以利用高質(zhì)量的光束需要機(jī)電一體化——一種利用最新進(jìn)展的機(jī)械和電氣工程的結(jié)合，”Capatina 說。
對(duì) Liu 來說，正是對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注使 APS 升級(jí)項(xiàng)目成為了現(xiàn)實(shí)。“就像廚師一樣，工程師必須徹底，并全心全意地制作精美且實(shí)用的東西，”她說。
