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多样化的工程技能推动 X 射线科学的未来

2022-02-24 23:58     来源:阿贡国家实验室     X 射线束 X射线

美国能源部 ( DOE ) 阿贡国家实验室的工程师们共同创造了一种精致产品:一个将推动 X 射线科学未来的升级设施,从而带来使我们生活得更好、更安全的突破。

阿贡先进光子源 ( APS ) 的此次升级将产生比目前产生的 X 射线束更亮数百倍且聚焦更紧密的 X 射线束。APS的主要目的是利用在一个周长超过一公里的环中以接近光速飞行的电子产生用于实验的X射线。有了这些更亮的 X 射线束, APS 升级将使实验能够以前所未有的分辨率和规模进行。从事 APS 升级项目的工程师掌握设施的各个方面,从用于引导电子束的磁铁到容纳光源的建筑物。

“ APS升级是一个巨大的 项目,”Argonne 首席机械工程师 Jie Liu 表示,他从事加速器的工作,该加速器为产生 X 射线所需的电子提供能量。“它不仅需要大量的时间和资源投资,而且还涉及许多不同类型的工程专业知识。有机械工程、电气工程、磁工程、真空工程甚至土木工程,还有其他,”她说。

希望利用升级后的 APS的科学家 和致力于建造该设施的工程师之间的互动形成了一条双向道路。在这种关系中,科学家们提出了潜在的改进建议,工程师们确定了哪些在逻辑上是可能的。据刘说,创建升级的 APS的过程 丰富了有助于实现它的工程学科。

“进行 APS 升级有助于将我们在各种工程形式中的所有专业知识付诸实践,”刘说。“该项目的雄心勃勃的性质将我们所有人推向了我们的理解和能力的极限,并帮助我们达到了新的高度。需要一个工程师团队以不同的背景、观点和技能来解决相同的问题,才能使新设施栩栩如生。”

“随着不同的工程师聚集在一起,我们总是在学习新的东西,”Argonne 首席机械工程师 Dana Capatina 补充道,他负责帮助开发新的改进组件以提供 X 射线束。“升级完成后我们将生成的光束将更加集中,这需要更精确的设备。”

APS升级项目的合作性质为新的设计创造了一个肥沃的领域,。例如,为了制造 1,300 多个磁铁,这些磁铁将被替换到包含高速电子的新环中,物理学家必须与磁铁工程师密切合作,而磁铁工程师又必须与机械工程师合作,将设计变为现实。

“这是一个迭代过程,”刘说。“一个地区的一名工程师将与另一个地区的一名工程师来回走动。然后他们将与物理学家商讨,以不断改进最终设计。要优化您尝试构建的内容,您可能需要与五六位不同类型的工程师合作。”

“ X 射线束线是为科学家而存在的,”Capatina 补充道。“我们必须将他们实现关键发现的需求转化为我们可以构建的东西。”

即使 APS 升级项目完成,也需要不同类型的工程师来帮助确保升级后的 APS 顺利运行。“即使一切都安装完毕,您也有负责设施运营的供电工程师和控制工程师,就像我们今天一样,”刘说。

随着新发现的出现,它们构成了设计该设施的新战略的基础,将科学家和工程师聚集在一起评估如何 改进APS 升级项目。这些对话通常会产生优雅的技术成就。

“例如,很多人认为磁铁是一个单一的、简单的包装,”刘说。“很多时候,大多数人并不了解看似简单的工程中的所有细节。通常最大的挑战是为具有复杂功能的东西创建简单的设计。”

多种工程类型的融合产生了针对特定技术挑战量身定制的新专业领域。“配备和优化实验或实验站以利用高质量的光束需要机电一体化——一种利用最新进展的机械和电气工程的结合,”Capatina 说。

对 Liu 来说,正是对细节的关注使 APS 升级项目成为了现实。“就像厨师一样,工程师必须彻底,并全心全意地制作精美且实用的东西,”她说。

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