2024年6月17日，位于阿贡国家实验室的先进光子源（APS）完成了一次重要的升级，这一事件标志着科学发现新时代的开始。阿贡国家实验室是美国能源部的国家实验室，与芝加哥大学（2024USNews美国大学排名：12）有着长期的合作关系。自成立近30年来，APS一直是X射线科学的领先目的地，科学家们利用其超亮X射线束研究电池、太阳能电池和建筑材料等。此次升级包括更换了原有的储存环，并引入了一种名为多束交换注入的新技术，使得X射线束的亮度提高了500倍。新的储存环将使科学家能够以前所未有的空间和时间分辨率观察材料内部结构。升级后的APS将于2024年晚些时候全面投入使用，全球科学家将利用这一设施进行研究。阿贡实验室和芝加哥大学的领导人对这一升级表示高度赞赏，认为这将大大增强美国在光子科学领域的领导地位，并期待未来的科学突破。
先进光子源升级2024
2024年6月25日，位于伊利诺伊州莱蒙特的先进光子源（APS）完成了升级，并向科学光束线发射了首批X射线光束。在过去的一年中，APS的原始电子存储环被移除，以便为新的存储环腾出空间。新的存储环由1321个强大的电磁铁、数千个电源单元和一个连接所有组件的细长真空系统组成。它运行在32英里的电缆、8英里的诊断电缆和20英里的光纤上。新的存储环采用了多束交换注入的方法，这种方法定期补充电子束流，以保持光束电流的恒定。阿贡国家实验室表示，APS是世界上第一个使用这种技术的现代同步加速器X射线光源。升级后的APS存储环在调试一个多月后，团队开始将71条光束线逐一投入运行。首条接收X射线的科学光束线是27-ID，研究人员将利用这条光束线研究未来技术所需的复杂材料。阿贡实验室主任Paul Kearns表示，升级后的APS将大大加速科学发现的步伐。
阿贡国家实验室与芝加哥大学的合作
2024年4月17日，乔治·克拉布特里发现与可持续性研究所（George Crabtree Institute for Discovery and Sustainability）在芝加哥成立。该研究所由伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）和美国能源部（DOE）下属的阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）合作创立，旨在利用两大机构的研究和职业发展优势，通过前沿科学和工程技术提升全球福祉和可持续性。研究所以乔治·克拉布特里命名，他是阿贡国家实验室的高级科学家和杰出研究员，同时也是UIC的物理学、电气和机械工程学教授。克拉布特里曾领导能源存储研究联合中心（Joint Center for Energy Storage Research），其多学科领导力为新研究所提供了灵感。研究所将致力于能源生成与存储、人工智能、城市发展等领域的创新，并通过社区参与项目将当地需求与科学技术发展结合。研究所还将支持UIC本科生、研究生和博士后的研究培训，特别鼓励来自科学技术职业中代表性不足群体的学生参与。阿贡国家实验室主任保罗·科恩斯（Paul Kearns）和UIC校长玛丽·林恩·米兰达（Marie Lynn Miranda）对研究所的成立表示期待，认为其将为多个重要领域带来影响。
X射线科学在APS的进展
经过一年的安装和调试，位于美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源（APS）新电子储存环正式投入使用。2024年6月17日，APS首次向科学实验线提供X射线光束，标志着该设施全面升级的完成。APS是美国能源部科学用户设施，近30年来一直是X射线科学的领先目的地。科学家们利用其超亮X射线光束研究宇宙，开发更持久的电池、更高效的太阳能电池和更坚固的道路和桥梁材料等。过去一年，APS暂停运行，拆除了原有储存环并安装了全新的储存环。新储存环采用世界首创的多束交换注入技术，使X射线光束亮度提高至原来的500倍。升级后的APS将使科学家能够以前所未有的空间和时间分辨率研究复杂材料。未来一年内，所有APS实验线将恢复运行，全球科学家将在2024年下半年开始利用升级后的APS进行研究。阿贡国家实验室的领导表示，升级后的APS将增强美国在光子科学领域的领导地位，并与新一代超级计算机Aurora结合，推动科学发现的速度。
多束交换注入技术在X射线源中的应用
欧洲同步辐射设施（ESRF）的极高亮度源（EBS）是新型混合多弯消色差（HMBA）储存环磁性晶格概念的实验实现。本文介绍了其成功的调试和首次运行，强调了HMBA设计的优势，并将其与大多数现有同步辐射X射线源的设计进行了比较。EBS储存环显著改善了水平电子束发射度和其他关键束参数，扩展了同步辐射X射线科学的应用范围，确认了HMBA概念在未来设施升级和新建中的可行性。现代同步辐射和X射线自由电子激光设施的X射线科学使得从单个原子到宏观尺度的物质结构变化研究成为可能。本文回顾了同步辐射储存环设计的新概念，并报告了位于格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施新X射线储存环的成功调试和运行。
综合总结
阿贡国家实验室的先进光子源（APS）升级不仅是技术上的飞跃，更是科学研究领域的一次重大突破。通过引入多束交换注入技术，APS的X射线束亮度提高了500倍，使得科学家们能够以前所未有的空间和时间分辨率观察材料内部结构。这一升级将大大加速科学发现的步伐，特别是在电池、太阳能电池和建筑材料等领域。
阿贡国家实验室与芝加哥大学的合作进一步加强了这一升级的影响力。通过成立乔治·克拉布特里发现与可持续性研究所，两大机构将共同致力于能源生成与存储、人工智能和城市发展等领域的创新。这不仅将提升全球福祉和可持续性，还将为科学技术职业中代表性不足群体的学生提供更多的研究培训机会。
此外，欧洲同步辐射设施的极高亮度源（EBS）成功调试和运行，进一步验证了多束交换注入技术在未来设施升级和新建中的可行性。这一技术的应用将扩展同步辐射X射线科学的应用范围，使得从单个原子到宏观尺度的物质结构变化研究成为可能。
总的来说，APS的升级不仅增强了美国在光子科学领域的领导地位，还为全球科学家提供了一个更强大的研究工具。随着新一代超级计算机Aurora的结合，科学发现的速度将进一步加快，未来的科学突破将更加令人期待。
参考新闻资料:
- Upgraded synchrotron starts up at Argonne National Laboratory
- Upgraded Advanced Photon Source Delivers First Light
- Argonne National Laboratory and the University of Illinois Chicago launch the George Crabtree Institute for Discovery and Sustainability
- Upgraded advanced photon source sees first X-ray light for science
- The Extremely Brilliant Source storage ring of the European Synchrotron Radiation Facility
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