Grote sprongen in technologie vereisen grote sprongen in ontwerp - geheel nieuwe benaderingen die volledig kunnen profiteren van alles wat de technologie te bieden heeft.

Dat is de gedachte achter een nieuw initiatief bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. Om ervoor te zorgen dat onderzoekers het meeste uit een grote röntgenlaser-upgrade kunnen halen die bundels van 10 zal produceren, 000 keer helderder en pulsen tot een miljoen keer per seconde, het lab heeft een nieuwe functie gecreëerd - hoofd experimenteel ontwerp bij de Linac Coherent Light Source - en heeft een wereldberoemde röntgenwetenschapper ingehuurd om het te vullen.

Paul Fuoss (uitgesproken als "foos") zal LCLS en de LCLS-II-upgrade vanuit een nieuw perspectief bekijken en samenwerken met wetenschappers en ingenieurs in het laboratorium om instrumenten te ontwerpen, gebruiksvriendelijke controlesystemen en experimentele stromen die optimaal profiteren van deze technologische sprong.

Hoewel de upgrade pas begin 2020 voltooid zal zijn, er is echt geen tijd te verliezen, zei LCLS-directeur Mike Dunne.

"We staan ​​aan de vooravond van een transformatie van onze wetenschappelijke capaciteiten die vandaag de dag gewoon onbereikbaar is. Als je deze grote sprongen maakt, moet je fundamenteel heroverwegen hoe je de wetenschap en het ontwerp van experimenten benadert, ' zei Dunne.

"Je kunt het niet gewoon doen zoals je eerder deed, maar een beetje beter. Je moet het benaderen vanuit een geheel nieuw denkproces:wat is de wetenschappelijke kennis die je probeert te krijgen, en wat zijn de wetenschappelijke gegevens die dat nieuwe begrip zouden kunnen verlichten, en hoe vertaalt zich dat terug naar hoe u die gegevens verkrijgt, en hoe beïnvloedt dat hoe je de faciliteit ontwerpt?"

Complexiteit temmen om wetenschap productiever te maken

Voor Fuoss, het bredere doel is om de productiviteit te verhogen en de ervaringen van wetenschappers bij röntgenlichtbronnen overal te verbeteren.

"Experimenten zijn de afgelopen 20 jaar veel complexer geworden, niet alleen bij LCLS, maar ook bij synchrotron-lichtbronnen, te, " zei hij. "We zijn van het controleren van experimenten met een enkele computer en het detecteren van een enkele pixel aan gegevens per keer gegaan naar het gebruik van meerdere computers en het detecteren van meer als een miljoen pixels tegelijk. Ons vermogen om verschillende tools en computers te integreren en de gegevens te visualiseren, heeft de technologie vaak niet bijgehouden. En bij LCLS, die complexiteit zal over een paar jaar dramatisch toenemen wanneer de LCLS-II-upgrade operationeel wordt."

Een manier om het werken met LCLS gestroomlijnder en intuïtiever te maken, is door gebruiksvriendelijke functies op te nemen in de instrumenten die aan boord komen als onderdeel van LCLS-II.

"Veel daarvan zal werken met de wetenschappers en ingenieurs die die instrumenten ontwerpen om de bouwstenen voor gebruikerscompatibiliteit erin te krijgen, "Zei Fuoss. "Het maakt geen deel uit van de kernopleiding van wetenschappers en ingenieurs, dus we verwachten dat we mensen met die expertise moeten bereiken en hen moeten vragen om ons te helpen."

Een andere manier, hij zei, is om tools te maken waarmee wetenschappers hun gegevens kunnen visualiseren terwijl ze worden verzameld, zodat ze in realtime kunnen begrijpen wat er aan de hand is.

"Er zijn veel verschillende stukken die moeten worden gecoördineerd, " zei Fuoss. "Ze worden momenteel allemaal gedaan, maar we moeten een uniforme focus brengen en ervoor zorgen dat er geen onnodige barrières zijn. uiteindelijk, je wilt dit soort dingen integreren in de dagelijkse ontwikkelingsactiviteiten van iedereen."

Röntgenstralen, Uitvindingen en menselijke interfaces

Fuoss heeft diepe wortels bij SLAC. Oorspronkelijk uit Zuid-Dakota, waar hij opgroeide op een boerderij, hij behaalde een graad in natuurkunde aan de South Dakota School of Mines and Technology en kwam in 1975 naar Stanford University voor een graduate school. Uiteindelijk deed hij zijn afstudeeronderzoek bij SLAC, met behulp van röntgenstralen van wat later de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) werd om materialen te onderzoeken.

Na het behalen van een doctoraat, Fuoss deed onderzoek bij Bell Laboratories, AT&T Laboratories en Argonne National Laboratory. Hij is een actieve gebruiker van SSRL en andere lichtbronnen en heeft een aantal nieuwe technieken ontwikkeld voor het onderzoeken van materialen met röntgenstralen, waarvan er vele nu standaard zijn bij lichtbronnen over de hele wereld; in 2015 ontving hij SLAC's Farrel W. Lytle Award voor dit werk. Fuoss speelde ook een rol bij het ontwerpen van LCLS.

Halverwege de jaren negentig, terwijl een onderzoeker bij AT&T Laboratories, Fuoss maakte een omweg van zes jaar in de wereld van het ontwerp van menselijke interfaces en onderzoek naar menselijke factoren - de studie van hoe mensen omgaan met technologie, van vliegtuigcockpits tot uw kantoorkopieerapparaat. Vroeger, hij richtte zich op het gebruiksvriendelijker maken van telecommunicatiesystemen en webinterfaces. Deze ervaring kan ook worden toegepast op LCLS-experimenteel ontwerp.

"Paul heeft een ongelooflijke achtergrond, "zei Dunne. "Hij brengt dat diepe begrip van de aard van röntgenwetenschap, een begrip van alle instrumenten en de technische stukken, en dan een begrip van wat we wetenschappelijk proberen te bereiken."

Haal het meeste uit de straaltijd

In tegenstelling tot synchrotron-lichtbronnen, die tientallen röntgenbundellijnen en veel experimenten tegelijkertijd kan hebben, de huidige versie van LCLS heeft slechts één krachtige straal, een miljard keer helderder dan ooit tevoren, waarvan de pulsen tot 120 keer per seconde aankomen. In theorie beperkt dit de mogelijkheid tot het uitvoeren van één experiment tegelijk.

Maar in de zeven jaar sinds de opening, wetenschappers en ingenieurs hebben een aantal manieren bedacht om die beperking te omzeilen, zoals het splitsen van de straal zodat deze aan twee of meer experimenten tegelijk kan worden geleverd. Tegelijkertijd, ze verminderden de uitvaltijd tussen experimenten door soortgelijke experimenten achter elkaar te plannen, zodat ze niet zo vaak van apparatuur hoeven te wisselen. Door deze en andere maatregelen is het aantal experimenten dat per jaar wordt uitgevoerd tussen 2014 en 2016 met 72 procent toegenomen, en LCLS hebben onlangs de mijlpaal bereikt van het hosten van meer dan 1, 000 gebruikers per jaar.

LCLS-II voegt een tweede röntgenlaserstraal toe, de capaciteit van de faciliteit verder te vergroten. Door te blijven zoeken naar manieren om meer experimenten te doen, terwijl de manier waarop mensen omgaan met LCLS eenvoudiger wordt, Fuoss zei, "We kunnen de productiviteit verbeteren en de wetenschappelijke gebruikers een meer praktische rol laten spelen bij de feitelijke gegevensverzameling. Dat zal zowel de belasting van het LCLS-personeel verminderen als leiden tot een betere ervaring voor de wetenschappers die hier komen om het te gebruiken ."