Grandi passi avanti nella tecnologia richiedono grandi passi avanti nel design:approcci completamente nuovi che possono trarre il massimo vantaggio da tutto ciò che la tecnologia ha da offrire.

Questo è il pensiero alla base di una nuova iniziativa presso il National Accelerator Laboratory SLAC del Dipartimento dell'Energia. Per assicurarsi che gli sperimentatori possano ottenere il massimo da un importante aggiornamento del laser a raggi X che produrrà fasci di 10, 000 volte più luminoso e pulsa fino a un milione di volte al secondo, il laboratorio ha creato una nuova posizione - capo del design sperimentale presso la Linac Coherent Light Source - e ha assunto uno scienziato a raggi X di fama mondiale per riempirlo.

Paul Fuoss (pronunciato "foos") esaminerà LCLS e l'aggiornamento LCLS-II da una nuova prospettiva e lavorerà con scienziati e ingegneri in tutto il laboratorio per progettare strumenti, sistemi di controllo user-friendly e flussi sperimentali che sfruttano appieno questo salto tecnologico.

Sebbene l'aggiornamento non sarà completato fino all'inizio degli anni 2020, non c'è davvero tempo da perdere, ha affermato il direttore della LCLS Mike Dunne.

"Siamo sull'orlo di una trasformazione delle nostre capacità scientifiche che è semplicemente irraggiungibile oggi. Quando fai questi grandi passi avanti devi ripensare fondamentalmente al modo in cui ti avvicini alla scienza e alla progettazione degli esperimenti, "Dune ha detto.

"Non puoi semplicemente farlo come facevi prima, ma un po' meglio. Devi affrontarlo da un processo di pensiero completamente nuovo:qual è la conoscenza scientifica che stai cercando di ottenere, e quali sono i dati scientifici che potrebbero illuminare quella nuova comprensione, e come si traduce nel modo in cui ottieni quei dati, e in che modo questo influenza il modo in cui progetta la struttura?"

Domare la complessità per rendere la scienza più produttiva

Per Fuos, l'obiettivo più ampio è aumentare la produttività e migliorare le esperienze degli scienziati con le sorgenti di luce a raggi X ovunque.

"Gli esperimenti sono diventati molto più complessi negli ultimi 20 anni, non solo a LCLS ma a sorgenti di luce di sincrotrone, pure, " ha detto. "Siamo passati dal controllo degli esperimenti con un singolo computer e dal rilevamento di un singolo pixel di dati alla volta all'utilizzo di più computer e alla rilevazione di più di un milione di pixel contemporaneamente. La nostra capacità di integrare diversi strumenti e computer e di visualizzare i dati spesso non è stata al passo con la tecnologia. E a LCLS, questa complessità aumenterà notevolmente tra qualche anno, quando l'aggiornamento LCLS-II diventerà operativo."

Un modo per rendere il lavoro con LCLS più snello e intuitivo consiste nell'incorporare funzionalità intuitive negli strumenti di bordo come parte di LCLS-II.

"Molto di questo lavorerà con gli scienziati e gli ingegneri che stanno progettando quegli strumenti per ottenere i mattoni per la compatibilità dell'utente lì dentro, " Ha detto Fuoss. "Non fa parte della formazione di base di scienziati e ingegneri, quindi prevediamo di dover contattare persone che hanno tale esperienza e convincerle ad aiutarci".

Un altro modo, Egli ha detto, è creare strumenti che consentano agli scienziati di visualizzare i propri dati mentre vengono raccolti, in modo che possano capire cosa sta succedendo in tempo reale.

"Ci sono molti pezzi diversi che devono essere coordinati, " Ha detto Fuoss. "Tutti sono attualmente in corso, ma dobbiamo portare un focus unificato e assicurarci che non ci siano barriere inutili. In definitiva, vuoi integrare questo genere di cose nelle attività di sviluppo quotidiane di tutti."

raggi X, Invenzioni e interfacce umane

Fuoss ha radici profonde in SLAC. Originario del Sud Dakota, dove è cresciuto in un ranch, ha conseguito una laurea in fisica presso la South Dakota School of Mines and Technology ed è venuto alla Stanford University nel 1975 per la scuola di specializzazione. Ha finito per fare la sua ricerca universitaria allo SLAC, utilizzando i raggi X da quella che in seguito divenne la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) per indagare sui materiali.

Dopo aver conseguito un dottorato di ricerca, Fuoss ha continuato a fare ricerca presso i Bell Laboratories, Laboratori AT&T e Laboratorio Nazionale Argonne. È stato un utente attivo di SSRL e di altre sorgenti luminose e ha sviluppato una serie di nuove tecniche per esplorare i materiali con i raggi X, molti dei quali sono ora standard nelle sorgenti luminose di tutto il mondo; nel 2015 ha ricevuto il Farrel W. Lytle Award di SLAC per questo lavoro. Fuoss ha anche avuto un ruolo nella progettazione di LCLS.

A metà degli anni '90, mentre un ricercatore presso AT&T Laboratories, Fuoss ha fatto una deviazione di sei anni nel mondo della progettazione dell'interfaccia umana e della ricerca sui fattori umani:lo studio di come le persone interagiscono con la tecnologia, dalle cabine di pilotaggio degli aerei alla fotocopiatrice dell'ufficio. Allora, si è concentrato sul rendere i sistemi di telecomunicazione e le interfacce web più user friendly. Questa esperienza può essere applicata anche al disegno sperimentale LCLS.

"Paul ha un background incredibile, "Dunne ha detto. "Porta quella profonda comprensione della natura della scienza dei raggi X, una comprensione di tutti gli strumenti e dei pezzi tecnici, e poi una comprensione di ciò che stiamo cercando di ottenere scientificamente".

Ottenere il massimo dal tempo del raggio

A differenza delle sorgenti luminose di sincrotrone, che possono avere dozzine di linee di raggi X e molti esperimenti in corso contemporaneamente, l'attuale versione di LCLS ha un solo raggio potente, un miliardo di volte più luminoso di qualsiasi altro disponibile prima, i cui impulsi arrivano fino a 120 volte al secondo. In teoria questo limita la possibilità di fare un esperimento alla volta.

Ma nei sette anni dalla sua apertura, scienziati e ingegneri hanno escogitato una serie di modi per aggirare questa limitazione, come dividere il raggio in modo che possa essere consegnato a due o più esperimenti contemporaneamente. Allo stesso tempo, hanno ridotto i tempi di inattività tra gli esperimenti programmando esperimenti simili uno dopo l'altro, quindi non devono cambiare l'attrezzatura così spesso. Queste e altre misure hanno aumentato il numero di esperimenti eseguiti all'anno del 72 percento dal 2014 al 2016, e LCLS hanno recentemente superato il traguardo di ospitare più di 1, 000 utenti all'anno.

LCLS-II aggiungerà un secondo raggio laser a raggi X, aumentando ulteriormente la capacità della struttura. Continuando a trovare modi per spremere più esperimenti rendendo più semplice il modo in cui le persone interagiscono con LCLS, Fuos ha detto, "Possiamo migliorare la produttività e consentire agli utenti scientifici di avere un ruolo più pratico nell'effettiva raccolta dei dati. Ciò ridurrà il carico sul personale LCLS e porterà a una migliore esperienza per gli scienziati che verranno qui per usarlo ."