Les grands sauts technologiques nécessitent de grands sauts dans la conception – des approches entièrement nouvelles qui peuvent tirer pleinement parti de tout ce que la technologie a à offrir.

C'est l'idée qui sous-tend une nouvelle initiative du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie. Pour s'assurer que les expérimentateurs peuvent tirer le meilleur parti d'une mise à niveau majeure du laser à rayons X qui produira des faisceaux de 10, 000 fois plus lumineux et pulse jusqu'à un million de fois par seconde, le laboratoire a créé un nouveau poste - responsable de la conception expérimentale à la source de lumière cohérente Linac - et a embauché un scientifique de renommée mondiale en rayons X pour le combler.

Paul Fuoss (prononcé "foos") examinera le LCLS et la mise à niveau du LCLS-II sous un angle nouveau et travaillera avec des scientifiques et des ingénieurs du laboratoire pour concevoir des instruments, des systèmes de contrôle conviviaux et des flux expérimentaux qui tirent pleinement parti de ce saut technologique.

Bien que la mise à niveau ne soit pas terminée avant le début des années 2020, il n'y a vraiment pas de temps à perdre, a déclaré le directeur de la LCLS, Mike Dunne.

« Nous sommes au bord d'une transformation de nos capacités scientifiques qui est tout simplement impossible aujourd'hui. Lorsque vous faites ces grands pas, vous devez repenser fondamentalement la façon dont vous abordez la science et la conception des expériences, " a déclaré Dunne.

"Vous ne pouvez pas simplement le faire comme vous le faisiez auparavant, mais un peu mieux. Vous devez l'aborder à partir d'un processus de pensée complètement nouveau :quelle est la connaissance scientifique que vous essayez d'obtenir, et quelles sont les données scientifiques qui pourraient éclairer cette nouvelle compréhension, et comment cela se traduit-il par la façon dont vous obtenez ces données, et comment cela influence-t-il la façon dont vous concevez l'installation ? »

Apprivoiser la complexité pour rendre la science plus productive

Pour Fuoss, l'objectif plus large est d'augmenter la productivité et d'améliorer les expériences des scientifiques aux sources lumineuses à rayons X partout dans le monde.

"Les expériences sont devenues beaucoup plus complexes au cours des 20 dernières années, non seulement au LCLS mais aux sources lumineuses synchrotron, trop, ", a-t-il déclaré. "Nous sommes passés du contrôle des expériences avec un seul ordinateur et de la détection d'un seul pixel de données à la fois à l'utilisation de plusieurs ordinateurs et à la détection de plus d'un million de pixels à la fois. Notre capacité à intégrer différents outils et ordinateurs et à visualiser les données n'a souvent pas suivi la technologie. Et au LCLS, cette complexité va considérablement augmenter dans quelques années lorsque la mise à niveau LCLS-II deviendra opérationnelle."

Une façon de rendre le travail avec LCLS plus rationalisé et intuitif consiste à incorporer des fonctionnalités conviviales dans les instruments intégrés au LCLS-II.

"Une grande partie de cela travaillera avec les scientifiques et les ingénieurs qui conçoivent ces instruments pour obtenir les éléments de base pour la compatibilité des utilisateurs, " a déclaré Fuoss. " Cela ne fait pas partie de la formation de base des scientifiques et des ingénieurs, nous nous attendons donc à ce que nous devions contacter les personnes qui ont cette expertise et les amener à nous aider. »

Autrement, il a dit, est de créer des outils qui permettent aux scientifiques de visualiser leurs données au fur et à mesure qu'elles sont collectées, afin qu'ils puissent comprendre ce qui se passe en temps réel.

« Il y a beaucoup de pièces différentes qui doivent être coordonnées, " Fuoss a déclaré. "Tous sont actuellement en cours, mais nous devons apporter une concentration unifiée et nous assurer qu'il n'y a pas d'obstacles inutiles. Finalement, vous voulez intégrer ce genre de chose dans les activités de développement quotidiennes de chacun."

Rayons X, Inventions et interfaces humaines

Fuoss a des racines profondes au SLAC. Originaire du Dakota du Sud, où il a grandi dans un ranch, il a obtenu un diplôme en physique à la South Dakota School of Mines and Technology et est venu à l'Université de Stanford en 1975 pour faire ses études supérieures. Il a fini par faire ses recherches supérieures au SLAC, utilisant les rayons X de ce qui est devenu plus tard la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) pour étudier les matériaux.

Après avoir obtenu un doctorat, Fuoss a continué à faire des recherches aux laboratoires Bell, Laboratoires AT&T et Laboratoire National d'Argonne. Il a été un utilisateur actif de SSRL et d'autres sources lumineuses et a développé un certain nombre de nouvelles techniques pour explorer les matériaux avec des rayons X, dont beaucoup sont désormais standard dans les sources lumineuses du monde entier ; en 2015, il a reçu le prix Farrel W. Lytle du SLAC pour ce travail. Fuoss a également joué un rôle dans la conception du LCLS.

Au milieu des années 90, alors qu'il était chercheur aux Laboratoires AT&T, Fuoss a fait un détour de six ans dans le monde de la conception d'interfaces humaines et de la recherche sur les facteurs humains - l'étude de la façon dont les gens interagissent avec la technologie, des cockpits d'avion à votre copieur de bureau. À l'époque, il s'est concentré sur l'amélioration de la convivialité des systèmes de télécommunications et des interfaces Web. Cette expérience peut également être appliquée à la conception expérimentale du LCLS.

"Paul a un parcours incroyable, " a déclaré Dunne. " Il apporte cette compréhension profonde de la nature de la science des rayons X, une compréhension de tous les instruments et des pièces techniques, et ensuite une compréhension de ce que nous essayons d'accomplir scientifiquement."

Tirer le meilleur parti du temps de faisceau

Contrairement aux sources lumineuses synchrotron, qui peut avoir des dizaines de lignes de faisceaux de rayons X et de nombreuses expériences en cours simultanément, la version actuelle de LCLS n'a qu'un seul faisceau puissant, un milliard de fois plus lumineux que tout ce qui était disponible auparavant, dont les impulsions arrivent jusqu'à 120 fois par seconde. En théorie, cela limite la possibilité de faire une expérience à la fois.

Mais au cours des sept années qui ont suivi son ouverture, les scientifiques et les ingénieurs ont trouvé un certain nombre de façons de contourner cette limitation, telles que la division du faisceau afin qu'il puisse être transmis à deux expériences ou plus à la fois. À la fois, ils ont réduit le temps d'arrêt entre les expériences en programmant des expériences similaires dos à dos, ils n'ont donc pas à changer d'équipement aussi souvent. Ces mesures et d'autres ont augmenté le nombre d'expériences menées par an de 72 % de 2014 à 2016, et LCLS a récemment franchi le cap de l'hébergement de plus de 1, 000 utilisateurs par an.

LCLS-II ajoutera un deuxième faisceau laser à rayons X, augmenter encore la capacité de l'installation. En continuant à trouver des moyens d'intégrer plus d'expériences tout en rendant la façon dont les gens interagissent avec LCLS plus simple, Fuoss a dit, « Nous pouvons améliorer la productivité et permettre aux utilisateurs scientifiques d'avoir un rôle plus pratique dans la collecte de données réelle. Cela réduira à la fois la charge de travail du personnel du LCLS et conduira à une meilleure expérience pour les scientifiques qui viennent ici pour l'utiliser. ."