Где ученый встречается с машиной: новый подход к экспериментальному дизайну в рентгеновском лазере SLAC: повышение производительности и удобства экспериментов на LCLS и других источниках света

Именно на этом основана новая инициатива Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США. Чтобы экспериментаторы могли получить максимальную отдачу от серьезной модернизации рентгеновского лазера, которая будет производить лучи в 10000 раз ярче и импульсы до миллиона раз в секунду, в лаборатории создана новая должность — руководитель отдела экспериментального проектирования в Когерентный источник света линейного ускорителя — и нанял ученого-рентгенолога, чтобы заполнить его.
Пол Фуосс (произносится как «foos») взглянет на LCLS и обновление LCLS-II с новой точки зрения и будет работать с учеными и инженерами всей лаборатории над разработкой инструментов, удобных для пользователя систем управления и экспериментальных потоков, которые в полной мере используют преимущества этой технологии. прыгнуть.

«Хотя обновление не будет завершено до начала 2020-х годов, нельзя терять время», — сказал директор LCLS Майк Данн.
"Мы находимся на пороге трансформации наших научных возможностей, которая сегодня просто недостижима. Когда вы делаете такой большой скачок, вы должны коренным образом переосмыслить свой подход к науке и планированию экспериментов », — сказал Данн.
"Вы не можете просто сделать это так, как раньше, но немного лучше.

Вы должны подойти к этому, исходя из совершенно нового мыслительного процесса: какие научные знания вы пытаетесь получить, и какие научные данные могут пролить свет на это новое понимание, и как это повлияет на то, как вы получаете эти данные. и как это повлияет на то, как вы проектируете объект?"
Обуздание сложности, чтобы сделать науку более продуктивной

Для Fuoss более широкая цель — повысить производительность и улучшить опыт ученых, работающих с источниками рентгеновского света во всем мире.
«За последние 20 лет эксперименты стали намного сложнее не только на LCLS, но и на синхротронных источниках света», — сказал он. "Мы перешли от управления экспериментами на одном компьютере и одновременного обнаружения одного пикселя данных к использованию нескольких компьютеров и одновременному обнаружению более миллиона пикселей.

Наша способность интегрировать различные инструменты и компьютеры и визуализировать данные часто не поспевает за технологиями. А в LCLS эта сложность резко возрастет через несколько лет, когда будет запущена модернизация LCLS-II."
Один из способов сделать работу с LCLS более оптимизированной и интуитивно понятной — это включить удобные для пользователя функции в инструменты, которые входят в состав LCLS-II.
«Многие из них будут работать с учеными и инженерами, которые разрабатывают эти инструменты, чтобы получить там строительные блоки для совместимости с пользователями», — сказал Фуосс. "Это не является частью основной подготовки ученых и инженеров, поэтому мы ожидаем, что нам нужно будет обратиться к людям, обладающим этим опытом, и попросить их помочь нам."

Другой способ, по его словам, — это создание инструментов, которые позволят ученым визуализировать свои данные по мере их сбора, чтобы они могли понять, что происходит в режиме реального времени.

«Есть много разных вещей, которые необходимо согласовать», — сказал Фуосс. «Все они в настоящее время выполняются, но нам нужно объединить усилия и убедиться, что нет ненужных барьеров. В конце концов, вы хотите интегрировать такие вещи в повседневную деятельность каждого разработчика."

Рентгеновские лучи, изобретения и человеческий интерфейс
Fuoss имеет глубокие корни в SLAC.

Родом из Южной Дакоты, где он вырос на ранчо, он получил степень по физике в Школе горного дела и технологий Южной Дакоты и в 1975 году поступил в Стэнфордский университет, чтобы учиться в аспирантуре. Он закончил свою аспирантуру в SLAC, используя рентгеновские лучи от того, что позже стало Стэнфордским источником синхротронного излучения (SSRL), для исследования материалов.
Получив докторскую степень, Фуосс продолжил исследования в Bell Laboratories, AT&T Laboratories и Аргоннской национальной лаборатории. Он был активным пользователем SSRL и других источников света и разработал ряд новых методов исследования материалов с помощью рентгеновских лучей, многие из которых теперь являются стандартными для источников света по всему миру; в 2015 году он получил Farrel W от SLAC.

Премия Литла за эту работу. Fuoss также сыграл роль в разработке LCLS.
В середине 1990-х, будучи исследователем в AT&T Laboratories, Фуосс на шесть лет предпринял попытку окунуться в мир дизайна человеческих интерфейсов и исследований человеческого фактора — изучения того, как люди взаимодействуют с технологиями, от кабины самолета до вашего офисного копировального аппарата.

Тогда он сосредоточился на том, чтобы сделать телекоммуникационные системы и веб-интерфейсы более удобными для пользователей. Этот опыт также может быть применен к экспериментальному дизайну LCLS.
"У Пола невероятное прошлое", — сказал Данн. "Он приносит это глубокое понимание природы рентгеновской науки, понимание всех инструментов и технических деталей, а затем понимание того, чего мы пытаемся достичь с научной точки зрения."
Получение максимальной отдачи от лучевого времени

В отличие от синхротронных источников света, которые могут иметь десятки рентгеновских лучей и множество экспериментов, проводимых одновременно, текущая версия LCLS имеет только один мощный луч, в миллиард раз ярче, чем любой из доступных ранее, чьи импульсы приходят со скоростью до 120 раз в секунду. Теоретически это ограничивает возможность проведения одного эксперимента за раз.
Но за семь лет, прошедших с момента его открытия, ученые и инженеры придумали несколько способов обойти это ограничение, например, разделив луч, чтобы его можно было использовать в двух или более экспериментах одновременно.

В то же время они сократили время простоя между экспериментами, запланировав аналогичные эксперименты один за другим, поэтому им не приходилось менять оборудование так часто. Эти и другие меры увеличили количество экспериментов, проводимых в год, на 72 процента с 2014 по 2016 год, и недавно LCLS преодолела рубеж, на котором ежегодно размещается более 1000 пользователей.
LCLS-II добавит второй рентгеновский лазерный луч, что еще больше увеличит мощность объекта.

Продолжая искать способы провести больше экспериментов, упростив взаимодействие людей с LCLS, Фуосс сказал: «Мы можем повысить производительность и позволить научным пользователям играть более практическую роль в фактическом сборе данных. Это снизит нагрузку на персонал LCLS и улучшит опыт для ученых, которые приезжают сюда, чтобы использовать его."

Портал обо всем