作者布雷特·汉萨德，阿尔贡国家实验室 高级研究助理蒂姆·格雷伯测试了一个为升级后的APS设计的单色仪
单色仪现在工作在二维光束线上
荣誉:里克·芬纳/阿尔贡国家实验室 从化学到材料科学再到COVID-19研究，APS是世界上最具生产力的x光光源之一
升级将使它成为下一代光源的全球领导者，开辟科学的新领域
在先进光子源问世后的近25年里
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能源部科学用户设施办公室首次在能源部阿尔贡国家实验室开放，它在一些最关键的科学发现和进步中发挥了重要作用
来自世界各地的5000多名研究人员每年都在APS进行实验，他们的工作在许多其他显著的成功中，为更好的可再生电池铺平了道路；导致了许多新药的开发；有助于提高车辆的效率，增强基础设施材料的强度，增强电子设备的功能
在美国科学院进行的研究也直接导致了两项诺贝尔奖，并促成了第三项
最近，APS在打击新冠肺炎的斗争中做出了重大贡献
它的束线被用于研究，以识别病毒的蛋白质结构，并发现潜在的药物治疗和/或疫苗
这样的工作表明了x光光源在解决我们这个世界的关键问题上的重要性
然而，尽管APS仍然是同类研究设施中最优秀的一个，但其核心的电子储存环是从20世纪80年代末开始设计的，尽管当时具有开创性，但现在仍依赖于过时的技术
“25年后，我们面临的挑战是如何继续让APS成为研究者感兴趣和有用的地方？”吉姆·科尔比是美国物理学会升级项目的首席项目官，他来阿尔贡是为了帮助回答这个问题
“我们如何创建一个设施，继续为在其他地方无法完成的工作提供机会？” 随着美国物理学会准备进行一项8.15亿美元的升级，最早在2023年末，将使科学达到一个全新的、前所未有的规模，阿尔贡的美国物理学会团队及其支持的数千名研究人员正兴奋地展望未来——尽管没有人能完全了解等待着他们的各种科学机遇
“APS升级将允许我们进行我们现在几乎无法想象的新实验
这将是一场变革，”美国物理学会x光科学部(XSD)主任乔纳森·朗说
正在进行的升级将使APS成为下一代基于储存环的高能X射线光源的全球领导者，为研究人员提供了一个更强大的工具，并开辟了科学的新前沿
学分:阿尔贡国家实验室 “从尤塞恩·博尔特到一架F-15” APS的工作原理就像一个巨大的x光显微镜
它产生非常明亮的x光，可以穿透致密的材料，在分子和原子层面上照亮物质的结构和化学
作为升级的一部分，现有的1
1公里长的圆形储存环将被替换，x光光束线和其他设备将被更新，创造一个更强大的x光设备和更明亮的x光产品
科尔比说，x光的亮度将比目前的机器高500倍，并将显著提高性能
“这是任何人都难以想象的，”科尔比说
“这就像从尤塞恩·博尔特，一个以世界上最快的人而闻名的田径短跑运动员，到一架F-15战斗机
这两种速度都很快，但却是两种截然不同的速度
以前不可能在现实时间内完成的实验现在将在几分钟到几小时内完成
" 另一个主要的增强涉及光束相干性，这与x光的有序程度有关
郎说，它将从一个能产生大量光线的聚光灯变成一个更像激光的东西
科学与技术实验室副主任、光子科学实验室临时副主任、美国物理学会主任斯蒂芬·斯特里弗认为，相干性尤其重要:“超亮且相干性极高的高能x光将使我们能够在真实环境中进行实验，而不仅仅是在模型环境中
" 斯特里弗说，新的x光源能够在多个物理和时间尺度上进行测量，这一点至关重要
“想想探索电池的电化学
从原子在局部环境中扩散的纳秒到电池在几天、几周甚至几年内的宏观变化
随着亮度的增加，我们将能够看到整个画面
" 朗指了指另一个角度
“目前，你只能看到材料的一小部分，而且需要很长时间
随着升级，我们将获得高分辨率和广阔的视野
例如，为了了解多晶材料的机械性能，您想了解元素在晶体之间的晶界周围是如何分布的，但您也想了解大量晶界是如何比较的
这将使研究人员能够观察更多的细胞，最终可能会显著改善汽车和航空航天工业中使用的结构材料
" 美国物理学会工程支持部测量和校准小组的克里斯·迈斯纳在369号大楼测试了一个四极磁铁，作为美国物理学会的一部分进行安装
学分:里克·芬纳/阿尔贡国家实验室 郎说，随着亮度的提高，也会带来巨大的数据量
“但我们在校园里有高性能计算，所以这是很好的协同效应
他们可以处理数字来处理数据
这是一个独特的来源和资源就在附近
“随着新的极光超级计算机将于2021年首次亮相，将会有更多的机会来利用阿尔贡无与伦比的资源
美国物理学会-美国物理学会项目的负责人鲍勃·海特在美国国家加速器实验室时参与了当前美国物理学会的设计
他说，对于x光技术来说，这是一个非常激动人心的时刻，特别是随着储存环设计的进步，APS已经“提出了一个积极的方法，增强和改进了其他人在过去20年中一直在做的事情”
" 对海特尔来说，最大的挑战是没有单一的技术障碍，而是这么多不同组件的集成
“有一百万个活动部件
但是我们正在与用户社区合作，我们有世界上在多个领域绝对最好的技术人员，他们聚集在一起使整个事情运作起来
" 科尔比说，APS最早将于2022年6月关闭——但直到新机器的所有部件都已检查完毕，准备在旧机器的地方组装——升级后的APS大约一年后重新上线。
他说，到那时，用户将不得不完全重新调整他们对什么样的科学实验是可能的看法
改变整个游戏 柯纳尔·默里是纽约国际商用机器公司沃森研究中心的一名研究人员，20多年前他在美国物理学会获得了第一次电子束曝光，此后几乎每年都回来
他目前的研究涉及未来晶体管的应变工程
这一领域的进步对于从智能手机到高性能计算等应用中的设备扩展非常重要，在这些应用中，可以实现更大的晶体管密度，同时提高整体功能
“增强的相干性和亮度将使我们能够测量实际设备，而不仅仅是代表性结构
我们只能通过APS升级来做到这一点，”默里说
“但我同样对此次升级带来的意外结果感到兴奋
在它建成并运行之前，我们不会知道它的全部好处
" 加速器物理学家和小组组长迈克尔·凯利为APS-U项目研究束延长射频系统
学分:加里·津肯/阿尔贡国家实验室 对西北大学的研究科学家盖尔·沃罗斯克来说，APS-U将允许她“跳到我们能做的下一个层次”
我们将能够对细胞进行快速扫描，在短时间内扫描出大量细胞
“这将极大地增加可追踪的患者数量，并让患者更好地了解治疗过程中发生的情况
对于像阿尔贡材料科学部门的斯蒂芬·赫鲁斯克维奇这样的研究人员来说，APS的x光是观察材料在极端条件下如何表现的唯一方法之一，这对于应对一系列能源挑战至关重要
“升级对材料科学来说是一个巨大的机遇
通过改进特性和采用新方法，我们将能够以一种让我们对材料在极端环境下如何转变有更丰富想法的状态来观察材料
" 阿尔贡x光科学部门的物理学家陈思主要从事生物应用，他说APS-U还将涉及主要设备的增强
“最重要的事情之一不仅仅是升级本身，而是所有使用升级后亮度的新仪器
" 陈说，她目前工作的x光终端每天可以研究几个细胞；升级后使用新的第二代机器，这将增加到每天数千个细胞
“我们将能够更快地收集数据，更大的人口将增加研究结论的可信度
" 她补充说，新机器将使研究人员能够实现10纳米的聚焦——比一根人类头发小6到8千倍
东北协作接入团队在美国物理学会运行两条束线，由美国国立卫生研究院资助，服务于600-700个独特的用户
东北大西洋大学的副主任马尔科姆·卡佩尔同意需要同时进行几项过渡
“我们的控制系统也有20年了
我们将为用户提供新软件和更多系统文档
" 劳伦斯·卢里奥是北伊利诺伊大学物理系的系主任，他的工作包括检查蛋白质和脂类等生物材料
他说，改进的光束相干性将使他的研究团队更加关注科学，而不是技术
“升级带来的最令人兴奋的事情是，我们将从进行极具挑战性的、技术驱动的测量转变为更容易、更方便的测量
这项技术必须足够简单，这样你才能了解科学
如果你太努力去做一个测量，你就不能看重要的应用
" 卢里奥补充说，如果没有美国物理学会和美国能源部的支持，这样的创新工作是不可能的
“来自一所中等规模的大学，我们没有庞大的研究基础设施预算
对于更大的研究型大学来说，可能也是如此
但是我们都可以来到APS，突然拥有世界上最好的工具来做实验
这个设施的可用性改变了整个游戏
" 这张叠加的图像显示了为APS升级而新建或更新的储存环和束线，包括长束线建筑(右上角)，这是一个将容纳两条较长束线的新结构
荣誉:马克·洛佩兹/阿尔贡国家实验室 在坚实的土地上再待25年 作为升级的结果，未来关键发现的潜力几乎是无限的
例子可能包括将阳光转化为能量并储存该能量的革命性系统；污染物穿过土壤的详细机制；更清洁、更高效的生物燃料；对地球内核结构的转换性理解；治疗抗生素耐药性感染的新药；更好地理解大脑如何处理和储存神经元信息
科尔比说，他毫不怀疑升级将产生许多创新科学的壮观例子
但补充道，“真正重要的不是具体的例子；这是一个向人们以前没有想过或已经忽略的方向前进的机会
" 郎说，这是升级的最终目标
郎说:“我们希望确保APS在未来25年内都是适用的。”
“10到15年后，人们将开始提出新的想法
APS升级将使阿尔贡在未来25年里在世界上打下坚实的基础
你无法预测更远的未来
"
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