25 年来，先进光子源的强 X 射线实现了重要的突破。随着工作的大规模升级，科学家们将能够看到前所未有的大规模事物。
每一个科学突破都始于观察。大约 125 年前，随着被称为 X 射线的不可见光的发现，我们的观察能力大大扩展。我们中的许多人都知道它们是一种医学扫描技术，但最强大的 X 射线使我们能够窥视最致密的材料并看到其中的原子。
在美国能源部 (DOE) 的阿贡国家实验室，异常强大的 X 射线帮助世界领先的科学家解决与清洁能源技术、气候研究、医学和许多其他领域相关的复杂问题。
阿贡的高级光子源 (APS) 是美国能源部科学用户设施办公室，于 1995 年产生了第一台 X 射线。从那时起，APS 使几乎所有科学研究学科的发现成为可能，包括获得 2009 年和 2012 年诺贝尔奖的研究化学奖。
跨越科学领域的强大工具
APS 是世界领先的高能 X 射线源，称为硬 X 射线。这些强烈明亮的射线是对物质特性进行成像的关键，以便我们能够理解它们、改进它们并重新发明它们。在 APS 的任何一天，X 射线束都可能聚焦在构成病原体的蛋白质上，例如冠状病毒、用于快速充电电池的锂岩盐晶体、土壤中存在的微生物，甚至是一粒受过辐射的核汽油。
APS 已经是世界上技术最复杂的机器之一，正处于革命性的升级之中。升级完成后，该设施将能够产生比现在更亮 500 倍的 X 射线。这将使科学家能够更详细地观察一系列现象，而且通常在十亿分之一秒的时间范围内。
“如果你想在原子水平上理解材料——看看原子是如何排列的、它们如何移动以及它们如何变化——我们在这里产生的 X 射线是实现这一目标的关键工具，”阿贡大学的主任乔纳森·朗说。 X射线科学部。
APS 通过环形粒子加速器产生 X 射线。被称为电子的亚原子粒子围绕着环，由磁铁引导。当电子通过称为波荡器的特殊磁性阵列摆动时，它们会发出光子，即光粒子。然后将光子汇集到研究人员可用的许多 APS 光束线之一中，每个光束线都用于特定的科学目的。
APS 每年接待来自世界各地的大约 5,500 名学术、实验室和行业研究人员，其正在开展的工作服务于各种科学目标。例如，它可以帮助研究人员了解支撑电池和核能的过程。APS 的见解还为设计更高效的喷气发动机和从水中制氢的技术提供了信息，为汽车和电力的清洁氢燃料铺平了道路。所有这些都在帮助国家迈向零碳未来，以减缓气候变化。
最近，APS 通过阐明其蛋白质结构，在 SARS-CoV-2(导致新冠的病毒)的研究中发挥了重要作用。来自病毒的蛋白质已被用作刺激体内免疫反应的疫苗的基础。这是 APS 协助的一系列生物医学突破中的最新成果，包括一种治疗埃博拉的有前途的药物和用化学疗法对抗癌症的新途径。
“APS 非常擅长为许多不同的学科贡献广泛的知识，”朗说。他指出的一个例子是开发运行所需功率较小的小型电子设备，这项工作建立在 APS 进行的材料研究的基础上。“我们在这里获得的关于如何将事物组合在一起以及如何排列原子的所有知识都为从先进电池到癌症治疗的一切奠定了基础。”
一种新的先进技术
APS 由美国能源部科学基础能源科学办公室资助，在 1990 年代上线时是最先进的。这样的设施不仅需要为当下建造，而且需要为未来几十年建造。
“APS 的最初设计是经过深思熟虑的，直到现在，也就是近 30 年后的未来，我们才能充分利用当前设施的所有功能，”阿贡实验室负责科学和APS 技术和总监。
计划中的升级将涉及用一个新的、更强大的模型完全取代电子存储环。这将为科学家带来更精细的分辨率，例如阿贡的物理学家 Mary Upton，她与来访的科学家合作进行 27-ID 光束线实验。这条光束线的研究人员通常专注于作为计算机内存构建块的磁性材料。
“我们正在 APS 进入一个激动人心的时刻，”厄普顿说。“在 27-ID 光束线上已经是非常精确的仪器将随着升级变得更加强大。由此产生的洞察力将扩展我们所有电子设备的功能。”
但这只是故事的开始。为用户提供基于 X 射线成像技术的其他光束线将看到与 X 射线亮度提高相当的改进，使他们能够扫描比当前可能大 500 倍的体积。
“例如，这就是能够检查小鼠大脑一小部分的解剖结构与能够检查整个事物之间的区别。只有这样你才能真正理解你在看什么，”Streiffer 解释说.
新的 X 射线源将实现更快、更广泛的测量。以电池中的电化学为例。当电池充电和放电时，电子从一端快速移动到另一端。但在数天、数周或数年内，电池在使用过程中会发生其他化学变化。增加的亮度将使人们可以看到更大的画面。
“APS 的升级将使科学达到我们现在甚至无法想象的规模，”阿贡光子科学实验室副副主任丹尼斯·米尔斯说。“增加的亮度，以及将这些明亮光束聚焦到令人难以置信的小尺寸的能力，将开辟新的发现途径，从而导致许多领域的重要创新。”
更亮的光束也将大大加快研究速度，使以前不可能在几分钟或几小时内进行的实验成为可能。“如果你只需要一个小时来收集数据，而不是整整一个月，那结果就会大不相同，”朗说。“这就是升级将允许我们做的事情。”
更亮的光线，更多的数据
Streiffer 指出，过去几十年光源的改进速度已经超过了计算机变得更快的速度。这就是为什么阿贡领导力计算设施 (ALCF)，另一个美国能源部科学用户设施办公室，是一项关键资产。
“光源带来了巨大的数据挑战，”Streiffer 说。“拥有我们的专业知识以及 ALCF 的计算能力是能够使用升级后的 APS 并产生科学的关键成功因素。”
目前，APS 每年收集大约 5 PB 的原始数据——1 PB 是一百万 GB。随着升级，这个数字每年将上升到数百 PB。即将于 2022 年推出的 Aurora 超级计算机将补充数据的激增。
“Aurora 和其他 ALCF 系统对于处理和理解 APS 升级时代生成的数据至关重要，”Argonne 首席计算机科学家 Nicholas Schwarz 说。
ALCF 和 APS 将通过高速网络连接，以允许交换海量数据集。Schwarz 说，这种 APS 仪器和 ALCF 超级计算机的结合将使实时分析成为可能，以帮助科学家做出关键的实验决策。
阿贡的科学家们已经应用人工智能比传统方法更快地预测和重建 X 射线数据。这种类型的工作，连同 Aurora 增加的可用功率，将帮助 ALCF 跟上升级后的 APS 的涌入。
“人工智能将涉及 APS 操作的各个方面，从控制升级后的存储环的稳定性到自动对齐 X 射线束中的样本，”施瓦茨说。
如果过去三个十年有任何迹象，研究人员将找到使用升级后的 APS 来实现我们今天甚至无法想象的突破的方法。Streiffer 指出，在 APS 的早期，很少有人认为 APS 会有助于确定蛋白质的结构。
传统观点认为，如果将蛋白质晶体放入光束中，它会在获得任何有用数据之前蒸发。取而代之的是，APS 已成为此类结构生物学的主要家园，这要归功于艰苦的实验方法，使生物学家能够在不破坏样本的情况下测量样本。
“APS 讲述了科学的一个方面，它使它如此具有挑战性，但也如此有益，”Streiffer 说。“你永远不会完全确定你会发现什么。”
