Stora tekniska steg kräver stora steg i design – helt nya tillvägagångssätt som kan dra full nytta av allt tekniken har att erbjuda.

Det är tanken bakom ett nytt initiativ vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory. För att säkerställa att experimenterare kan få ut det mesta av en stor röntgenlaseruppgradering som kommer att producera strålar som är 10, 000 gånger ljusare och pulser upp till en miljon gånger per sekund, labbet har skapat en ny position-chef för experimentell design vid Linac Coherent Light Source-och anlitat en världsberömd röntgenforskare för att fylla den.

Paul Fuoss (uttalas "foos") kommer att titta på LCLS och LCLS-II-uppgraderingen från ett nytt perspektiv och arbeta med forskare och ingenjörer i labbet för att designa instrument, användarvänliga styrsystem och experimentella flöden som drar full nytta av detta tekniksprång.

Även om uppgraderingen inte är klar förrän i början av 2020 -talet, det finns verkligen ingen tid att förlora, sa LCLS -direktören Mike Dunne.

"Vi är på gränsen till en omvandling av våra vetenskapliga förmågor som helt enkelt är ouppnåelig idag. När du tar dessa stora steg måste du i grunden ompröva hur du närmar dig vetenskapen och utformningen av experiment, "Sa Dunne.

"Du kan inte bara göra det som du gjorde förr utan lite bättre. Du måste närma dig det från en helt ny tankeprocess:Vilken vetenskaplig kunskap du försöker få ut, och vilka vetenskapliga data kan belysa den nya förståelsen, och hur går det tillbaka till hur du får den informationen, och hur påverkar det hur du utformar anläggningen? "

Tämja komplexitet för att göra vetenskapen mer produktiv

För Fuoss, det bredare målet är att öka produktiviteten och förbättra forskarnas erfarenheter av röntgenljuskällor överallt.

"Experimenten har blivit mycket mer komplexa under de senaste 20 åren, inte bara vid LCLS utan vid synkrotronljuskällor, för, "sa han." Vi har gått från att kontrollera experiment med en enda dator och upptäcka en enda pixel data åt gången till att använda flera datorer och upptäcka mer som en miljon pixlar på en gång. Vår förmåga att integrera olika verktyg och datorer och visualisera data har ofta inte hängt med tekniken. Och på LCLS, att komplexiteten kommer att öka dramatiskt om några år när LCLS-II-uppgraderingen blir operativ. "

Ett sätt att göra arbetet med LCLS mer strömlinjeformat och intuitivt är att införliva användarvänliga funktioner i de instrument som kommer ombord som en del av LCLS-II.

"Mycket av det kommer att arbeta med forskarna och ingenjörerna som designar dessa instrument för att få in byggstenarna för användarkompatibilitet där, "Fuoss sa." Det är inte en del av grundutbildningen för forskare och ingenjörer, så vi förväntar oss att vi kommer att behöva nå ut till människor som har den expertis och få dem att hjälpa oss."

En annan väg, han sa, är att skapa verktyg som låter forskare visualisera sina data när de samlas in, så att de kan förstå vad som händer i realtid.

"Det finns många olika delar som måste samordnas, " sade Fuoss. "Alla av dem håller för närvarande på att göras, men vi måste få ett enhetligt fokus och se till att det inte finns onödiga hinder. I sista hand, du vill integrera den här typen av saker i allas dagliga utvecklingsaktiviteter. "

Röntgenstrålar, Uppfinningar och mänskliga gränssnitt

Fuoss har djupa rötter på SLAC. Ursprungligen från South Dakota, där han växte upp på en ranch, han tog en examen i fysik vid South Dakota School of Mines and Technology och kom till Stanford University 1975 för forskarskola. Han avslutade sin forskarutbildning vid SLAC, med hjälp av röntgenstrålar från det som senare blev Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för att undersöka material.

Efter att ha tagit en doktorsexamen, Fuoss fortsatte med att forska på Bell Laboratories, AT&T Laboratories och Argonne National Laboratory. Han har varit en aktiv användare av SSRL och andra ljuskällor och har utvecklat ett antal nya tekniker för att utforska material med röntgenstrålar, många av dem är nu standard vid ljuskällor runt om i världen; 2015 fick han SLAC:s Farrel W. Lytle Award för detta arbete. Fuoss spelade också en roll i utformningen av LCLS.

I mitten av 1990-talet medan en forskare vid AT&T Laboratories, Fuoss tog en sexårig omväg in i världen av mänsklig gränssnittsdesign och forskning om mänskliga faktorer – studien av hur människor interagerar med teknik, från flygplanscockpits till din kopiator. Då, han fokuserade på att göra telekommunikationssystem och webbgränssnitt mer användarvänliga. Denna erfarenhet kan också tillämpas på LCLS experimentell design.

"Paul har en otrolig bakgrund, "Sa Dunne." Han ger den djupa förståelsen för röntgenvetenskapens natur, förståelse för alla instrument och tekniska delar, och sedan en förståelse för vad vi försöker uppnå vetenskapligt. "

Få ut det mesta av Beam Time

Till skillnad från synkrotronljuskällor, som kan ha dussintals röntgenstrålar och många experiment som pågår samtidigt, den nuvarande versionen av LCLS har bara en kraftfull stråle, en miljard gånger ljusare än någon tidigare tillgänglig, vars pulser kommer upp till 120 gånger per sekund. I teorin begränsar detta möjligheten till att göra ett experiment i taget.

Men under de sju år sedan det öppnade, forskare och ingenjörer har kommit på ett antal sätt att komma runt den begränsningen, som att dela strålen så att den kan levereras till två eller flera experiment samtidigt. På samma gång, de minskade stilleståndstiden mellan experimenten genom att schemalägga liknande experiment rygg mot rygg, så de behöver inte byta utrustning så ofta. Dessa och andra åtgärder ökade antalet experiment som utförs per år med 72 procent från 2014 till 2016, och LCLS klarade nyligen milstolpen att vara värd för mer än 1, 000 användare per år.

LCLS-II kommer att lägga till en andra röntgenlaserstråle, ytterligare öka anläggningens kapacitet. Genom att fortsätta hitta sätt att klämma in fler experiment samtidigt som människors sätt att interagera med LCLS blir enklare, Fuoss sa, "Vi kan förbättra produktiviteten och låta de vetenskapliga användarna ha en mer praktisk roll i själva datainsamlingen. Det kommer både att minska belastningen på LCLS-personalen och leda till en bättre upplevelse för forskarna som kommer hit för att använda den. . "