I mer än 25 år, Advanced Photon Source intensiva röntgenstrålar har möjliggjort viktiga genombrott. Med en massiv uppgradering på gång, forskare kommer att kunna se saker i omfattning som aldrig tidigare setts.

Varje vetenskapligt genombrott börjar med en observation. För cirka 125 år sedan, vår förmåga att observera ökade kraftigt med upptäckten av det osynliga ljuset som kallas röntgenstrålar. Många av oss känner till dem som en medicinsk scanningsteknik, men de mest kraftfulla röntgenstrålarna ger oss möjligheten att titta in i även de tätaste materialen och se atomerna inom oss.

Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, exceptionellt kraftfulla röntgenstrålar hjälper världens ledande forskare att lösa komplexa problem relaterade till ren energiteknik, klimatforskning, medicin och många andra områden.

Argonnes avancerade fotonkälla (APS), en DOE Office of Science User Facility, producerade sitt första röntgenljus 1995. Sedan dess har APS har möjliggjort upptäckter inom nästan alla vetenskapliga forskningsdiscipliner, inklusive studier som vann 2009 och 2012 års Nobelpris i kemi.

Ett kraftfullt verktyg som spänner över det vetenskapliga spektrumet

APS är en världsledande källa för högenergiröntgenstrålar som kallas hårdröntgen. Dessa intensivt ljusa strålar är nyckeln till att avbilda materiens egenskaper så att vi kan förstå dem, förbättra dem och uppfinna dem igen. Varje dag på APS, en röntgenstråle kan vara fokuserad på proteinerna som utgör en patogen som coronavirus, kristaller av litiumstensalt för snabbladdning av batterier, mikroberna som finns i jorden eller till och med en fläck bestrålat kärnbränsle.

Redan en av de mest tekniskt komplexa maskinerna i världen, APS är mitt uppe i en revolutionerande uppgradering. När uppgraderingen är klar, anläggningen kommer att kunna generera röntgenstrålar upp till 500 gånger ljusare än vad som är möjligt idag. Det gör det möjligt för forskare att observera en rad fenomen i mycket finare detaljer och ofta inom tidsramar mätt i miljarder sekunder av sekunder.

"Om du vill förstå material på atomnivå - se hur atomerna är ordnade, hur de rör sig och hur de förändras – röntgenstrålningen vi producerar här är nyckelverktyg för att få det att hända, "sa Jonathan Lang, chef för Argonnes röntgenvetenskapsavdelning.

APS genererar röntgenstrålar genom en ringformad partikelaccelerator. Subatomära partiklar som kallas elektroner glider runt ringen, styrs av magneter. När elektronerna vickar genom speciella magnetiska arrayer som kallas undulatorer, de avger fotoner, som är ljuspartiklar. Fotonerna leds sedan in i en av många APS-strållinjer som är tillgängliga för forskare, var och en används för ett specifikt vetenskapligt syfte.

Arbetet som görs vid APS, som årligen är värd för cirka 5, 500 akademiska, laboratorie- och industriforskare från hela världen, tjänar en mängd olika vetenskapliga mål. Det hjälper forskare att förstå de processer som ligger till grund för batterier och kärnkraft, till exempel. Insikter från APS informerar också utformningen av effektivare jetmotorer och tekniker för att tillverka väte från vatten, banar väg för rent vätebränsle för bilar och el. Alla dessa hjälper nationen att gå mot en koldioxidfri framtid för att mildra klimatförändringarna.

Nyligen, APS har varit avgörande för forskning om SARS-CoV-2, viruset som orsakar COVID-19, genom att belysa strukturen hos dess proteiner. Proteiner från viruset har använts som grund för vacciner som stimulerar ett immunsvar i kroppen. Detta är det senaste i en rad biomedicinska genombrott med hjälp av APS, inklusive ett lovande läkemedel för att behandla ebola och nya vägar för att bekämpa cancer med kemoterapi.

"APS är bra på att bidra med breda kunskaper till många olika discipliner, " sa Lang. Ett exempel han pekade på är utvecklingen av mindre elektroniska enheter som behöver mindre ström för att fungera, en insats som bygger på materialstudier som genomförts vid APS. "All kunskap vi får här om hur man sätter ihop saker och hur man ordnar atomerna bidrar till grunden för allt från avancerade batterier till behandlingar för cancer."

En ny "state of the art"

APS, som finansieras genom DOE:s Office of Science Basic Energy Sciences -program, var toppmodern när den kom online på 1990-talet. En sådan anläggning måste byggas inte bara för tillfället, men för de kommande decennierna.

"Den ursprungliga designen av APS gjordes med tillräckligt med tanke på att det är först nu, nästan 30 år in i framtiden, att vi fullt ut utnyttjar alla möjligheter i den nuvarande anläggningen, sade Stephen Streiffer, Argonnes biträdande laboratoriechef för vetenskap och teknik och chef för APS.

Den planerade uppgraderingen kommer att innebära att elektronlagringsringen helt ersätts med en ny, mer kraftfull modell. Detta kommer att resultera i bättre upplösning för forskare som Mary Upton, en fysiker vid Argonne som arbetar med besökande forskare på experiment vid 27-ID strållinjen. Forskare vid denna strållinje är ofta fokuserade på magnetiska material som är byggstenarna i datorns minne.

"Vi går in i en spännande tid på APS, ", sade Upton. "Det som redan var ett otroligt exakt instrument vid 27-ID-strållinjen kommer att bli ännu kraftfullare med uppgraderingen. De resulterande insikterna kommer att utöka kapaciteten hos alla våra elektroniska enheter."

Men detta är bara början på historien. Andra strållinjer som erbjuder användarna tekniker baserade på röntgenbilder kommer att se förbättringar som motsvarar förbättringen av röntgenstrålningens ljusstyrka, så att de kan skanna volymer som är upp till 500 gånger större än vad som är möjligt för närvarande.

"Detta är skillnaden mellan, till exempel, kunna undersöka anatomin hos en liten bit av en mushjärna, kontra att kunna undersöka det hela. Först då kan du verkligen förstå vad du tittar på, ", förklarade Streiffer.

Den nya röntgenkällan möjliggör snabbare och bredare mätningar. Ta elektrokemi i ett batteri, till exempel. Elektroner rör sig snabbt från ena änden till den andra när batterier laddas och laddas ur. Men över dagar, veckor eller år, andra förändringar i batteriets kemi sker när det används. Den ökade ljusstyrkan gör det möjligt att se denna större bild.

"Uppgraderingen av APS kommer att möjliggöra vetenskap i skalor som vi inte ens kan drömma om just nu, "sa Dennis Mills, biträdande biträdande labbchef för fotonvetenskap vid Argonne. "Den ökade ljusstyrkan, samt möjligheten att fokusera de ljusa strålarna ner till otroligt små storlekar, kommer att öppna nya upptäcktsvägar som kommer att leda till viktiga innovationer inom ett antal områden."

De ljusare strålarna kommer också att avsevärt påskynda forskningen, göra tidigare omöjliga experiment möjliga att genomföra inom minuter eller timmar. "Om det tar dig en timme att samla in data, i motsats till en hel månad, det gör bara en värld av skillnad, ", sa Lang. "Det är vad uppgraderingen kommer att tillåta oss att göra."

Ljusare ljus, mer data

Den hastighet med vilken ljuskällor har förbättrats under de senaste decennierna har överträffat den hastighet med vilken datorer har blivit snabbare, noterade Streiffer. Det är därför Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en annan DOE Office of Science användaranläggning, är en nyckeltillgång.

"Ljuskällor utgör en enorm datautmaning, "Att ha vår expertis och sedan ALCF:s beräkningskraft är en viktig framgångsfaktor för att kunna använda den uppgraderade APS och producera vetenskap."

Just nu, APS samlar in cirka 5 petabyte rå data per år - 1 petabyte är en miljon gigabyte. Med uppgraderingen, det antalet kommer att gå upp till hundratals petabyte per år. Den kommande Aurora superdatorn, som kommer 2022, kommer att komplettera ökningen av data.

"Aurora och andra ALCF-system kommer att vara avgörande för att bearbeta och förstå data som genereras under APS-uppgraderingseran, sa Nicholas Schwarz, förste datavetare vid Argonne.

ALCF och APS kommer att anslutas via ett höghastighetsnätverk för att möjliggöra utbyte av massiva datamängder. Denna koppling av APS-instrument och ALCF-superdatorer kommer att möjliggöra analys i realtid för att hjälpa forskare att fatta viktiga experimentbeslut, Sa Schwarz.

Redan, forskare vid Argonne har använt artificiell intelligens för att förutsäga och rekonstruera röntgendata snabbare än traditionella metoder. Denna typ av arbete, tillsammans med den ökade kraften som är tillgänglig med Aurora, kommer att hjälpa ALCF att hålla jämna steg med tillströmningen från den uppgraderade APS.

"Artificiell intelligens kommer att beröra alla aspekter av APS-drift, från att kontrollera stabiliteten hos den uppgraderade lagringsringen till att automatiskt rikta in prover i röntgenstrålen, " sa Schwarz.

Om de senaste tre decennierna är någon indikation, forskare kommer att hitta sätt att använda den uppgraderade APS för att åstadkomma genombrott som vi inte ens kan föreställa oss idag. I APS tidiga dagar, Streiffer noterade, få trodde att APS skulle vara användbart för att bestämma strukturen hos ett protein.

Konventionell visdom ansåg att om du lägger en proteinkristall i strålen, det skulle förångas innan du kunde få någon användbar data. Istället, APS har blivit ett stort hem för denna typ av strukturbiologi, tack vare noggranna experimentella metoder som gör att biologer kan mäta ett prov utan att förstöra det.

"APS talar till en av aspekterna av vetenskapen som gör det så utmanande, men också så givande, "Sa Streiffer. "Du är aldrig helt säker på vad du kommer att upptäcka."