Канадский источник света ( CLS ) (по-французски: Center Canadien de rayonnement Synchrotron – CCRS ) — это национальный источник синхротронного света Канады , расположенный на территории Университета Саскачевана в Саскатуне, Саскачеван , Канада. [1] CLS имеет накопительное кольцо третьего поколения с энергией 2,9 ГэВ , а площадь здания равна размеру канадского футбольного поля. [2] Он открылся в 2004 году после 30-летней кампании канадского научного сообщества по созданию установки синхротронного излучения в Канаде. [3] С момента открытия он расширил как набор каналов, так и здание в два этапа. Будучи национальной синхротронной установкой [4] с более чем 1000 отдельными пользователями, она принимает учёных из всех регионов Канады и около 20 других стран. [5] Исследования в CLS варьируются от вирусов [6] до сверхпроводников [7] и динозавров [8] , а также он известен своей промышленной наукой [9] и программами школьного образования. [10]
Интерес Канады к синхротронному излучению зародился в 1972 году, когда Билл Макгоуэн из Университета Западного Онтарио (UWO) организовал семинар по его использованию. В то время в Канаде не было пользователей синхротронного излучения. В 1973 году Макгоуэн представил в Национальный исследовательский совет (NRC) безуспешное предложение по технико-экономическому обоснованию возможного источника синхротронного света в Канаде. В 1975 году в NRC было подано предложение о строительстве специального синхротронного источника света в Канаде. Это также не увенчалось успехом. В 1977 году Майк Бэнкрофт , также из UWO, подал в NRC предложение построить канадский лучевой канал в качестве Канадской установки синхротронного излучения (CSRF) в существующем Центре синхротронного излучения в Университете Висконсин-Мэдисон , США, а в 1978 году новый создал NSERC, получивший капитальное финансирование. CSRF, принадлежащая и управляемая NRC, к 1998 году выросла с первоначальной линии до трех.
Дальнейшее продвижение к созданию канадского источника синхротронного света началось в 1990 году с создания Канадского института синхротронного излучения (CISR), инициированного Брюсом Бигэмом из Atomic Energy of Canada Limited ( AECL ). AECL и TRIUMF проявили интерес к проектированию кольца, но важную роль в разработке сыграла Саскачеванская ускорительная лаборатория (SAL) в Университете Саскачевана . В 1991 году CISR представил NSERC предложение об окончательном проектном исследовании. Это предложение было отклонено, но в последующие годы, при президенте Питере Моранде, NSERC стала оказывать большую поддержку. В 1994 году комитет NSERC рекомендовал канадский источник синхротронного света, и был сформирован новый комитет NSERC для выбора между двумя заявками на размещение такого объекта от университетов Саскачевана и Западного Онтарио. В 1996 году этот комитет рекомендовал построить канадский источник света в Саскачеване.
Поскольку NSERC не смог предоставить необходимые средства, было неясно, откуда возьмется финансирование. В 1997 году Канадский фонд инноваций (CFI) был создан для финансирования крупных научных проектов, возможно, для обеспечения механизма финансирования CLS. В 1998 году команда Университета Саскачевана под руководством Денниса Скопика, директора SAL, представила предложение CFI. [3] Предложение заключалось в том, чтобы профинансировать 40% затрат на строительство, а оставшиеся деньги должны были быть получены из других источников. Сбор этих необходимых соответствующих фондов был назван «беспрецедентным уровнем сотрудничества между правительствами, университетами и промышленностью Канады» [11] , а Бэнкрофт – лидер конкурирующей заявки UWO – признал «геркулесовы» усилия команды Саскачевана по получению средств. от Университета, города Саскатун, Saskatchewan Power , NRC, правительства провинции Саскачеван и Western Economic Diversification . [3] Поздно вечером CFI сообщила сторонникам, что не примет SAL LINAC как часть предложения, и возникший в результате дефицит был частично восполнен спонтанным заявлением городского совета Саскатуна, а затем мэра Генри Дэйдея о том, что они будут удвоить свой вклад, если это сделают другие партнеры. 31 марта 1999 г. было объявлено об успехе предложения CFI.
В следующем месяце Скопик занял должность в лаборатории Джефферсона в США. Он решил не оставаться на посту директора установки в Саскатуне, поскольку его опыт был связан с субатомными частицами, и, по его мнению, главой CLS должен быть исследователь, специализирующийся на использовании такой установки. Его преемником стал Майк Бэнкрофт [11]
В начале проекта все сотрудники бывшего SAL были переведены в новую некоммерческую корпорацию Canadian Light Source Inc., CLSI, которая несла основную ответственность за техническое проектирование, строительство и эксплуатацию объекта. Будучи отдельной от университета корпорацией, CLSI имела юридическую и организационную свободу, подходящую для выполнения этой ответственности. В качестве менеджеров проектов была принята на работу UMA, опытная инжиниринговая фирма, в настоящее время входящая в состав AECOM , с большим опытом управления крупными проектами технического и гражданского строительства . [12]
Новое здание, пристроенное к существующему зданию SAL, площадью 84 на 83 метра и максимальной высотой 23 метра, было завершено в начале 2001 года. [3]
Назначение Бэнкрофта закончилось в октябре 2001 года, и он вернулся в UWO, а исполняющим обязанности директора был назначен Марк де Йонг. Бэнкрофт оставался исполняющим обязанности научного директора до 2004 года .
SAL LINAC был отремонтирован и снова введен в эксплуатацию в 2002 году, когда ускоритель и накопительные кольца еще находились в стадии строительства. [3] Первый оборот бустерного кольца был осуществлен в июле 2002 года, а полный ввод в эксплуатацию бустера завершился к сентябрю 2002 года. [14]
Новый директор Билл Томлинсон, эксперт в области синхротронной медицинской визуализации, прибыл в страну в ноябре 2002 года. Его наняли из Европейской установки синхротронного излучения , где он возглавлял группу медицинских исследований. [15]
Предложение NSERC 1991 года предусматривало накопительное кольцо на 1,5 ГэВ, поскольку в то время интерес сообщества пользователей был в основном в диапазоне мягкого рентгеновского излучения. Кольцо представляло собой схему гоночной трассы с четырьмя-шестью участками изгиба, окружающими прямые, с дополнительными четырехполюсниками , позволяющими выполнять различные функции на прямых. Проект предусматривал использование в некоторых местах сверхпроводящих изгибов для увеличения энергии производимых фотонов . Недостатком этой конструкции было ограниченное количество прямых участков. В 1994 году была предложена более традиционная машина с 8 прямыми секциями, опять же с энергией 1,5 ГэВ. В это время все больше пользователей жесткого рентгеновского излучения заинтересовались, и возникло мнение, что как энергия, так и количество прямых участков слишком малы. К тому времени, когда в 1999 году было обеспечено финансирование, конструкция была изменена на 2,9 ГэВ, с более длинными прямыми участками, позволяющими использовать два вводных устройства на каждую прямую, доставляя луч на два независимых канала. [16]
Строительство накопителя было завершено в августе 2003 года, а ввод в эксплуатацию начался в следующем месяце. Хотя луч можно было хранить, в марте 2004 года в центре камеры было обнаружено большое препятствие. После того, как он был удален, ввод в эксплуатацию прошел быстро, и к июню 2004 года удалось достичь тока 100 мА. [17]
22 октября 2004 года CLS официально открылся, и на церемонии открытия присутствовали высокопоставленные лица федерального и провинциального уровня, в том числе тогдашний федеральный министр финансов Ральф Гудейл и тогдашний премьер-министр Саскачевана Лорн Калверт , президенты университетов и ведущие ученые. Октябрь 2004 года был объявлен городом Саскатун и правительством Саскачевана «Месяцем синхротрона». [18] Питер Мэнсбридж транслировал ночной выпуск новостей CBC The National с вершины хранилища за день до официального открытия. [19] В парламенте местный депутат Линн Йелич заявила: «Предстояло преодолеть множество проблем, но благодаря дальновидности, преданности делу и настойчивости сторонников, синхротрон Canadian Light Source открыт для бизнеса в Саскатуне». [20]
Первоначальное финансирование включало семь линий луча, так называемую Фазу I, которые охватывали весь спектральный диапазон: два канала инфракрасного излучения, три канала мягкого рентгеновского излучения и два канала жесткого рентгеновского излучения. [3] Дальнейшие каналы были построены в два этапа: II (7 каналов) и III (5 каналов), о которых было объявлено в 2004 и 2006 годах соответственно. Большинство из них было профинансировано за счет заявок в CFI от отдельных университетов, включая UWO, Университет Британской Колумбии и Университет Гуэлфа [21].
В марте 2005 года ведущий исследователь инфракрасного излучения Том Эллис присоединился к CLS из Университета Акадии в качестве директора по исследованиям. Ранее он провел 16 лет в Университете Монреаля . [22]
Первый внешний пользователь был размещен в 2005 году, а первые исследовательские статьи с результатами CLS были опубликованы в марте 2006 года: одна из Университета Саскачевана по пептидам , а другая из Университета Западного Онтарио по материалам для органических светодиодов. . [23] В 2006 году был создан комитет для экспертной оценки предложений по лучевому времени под председательством Адама Хичкока из Университета Макмастера . К 2007 году более 150 внешних пользователей использовали CLS [24] , и все семь первоначальных каналов достигли значительных результатов. [1]
Здание CLS также расширялось в два этапа. В 2007 году было завершено расширение стекла и стали для размещения канала медицинской визуализации фазы II BMIT [25] , а строительство расширения, необходимого для размещения канала Брокхауса фазы III, началось в июле 2011 года [26] и продолжается по состоянию на июль 2012 года. .
Билл Томлинсон вышел на пенсию в 2008 году, [27] и в мае того же года новым директором был объявлен профессор физики Йозеф Хормс из Боннского университета , бывший директор синхротрона CAMD в Университете штата Луизиана . [28]
Автор научной фантастики Роберт Дж. Сойер был постоянным писателем в течение двух месяцев в 2009 году, что он назвал «уникальной возможностью пообщаться с работающими учеными» [29]. Там он написал большую часть романа «Чудо». , [30] который получил премию Prix Aurora Award 2012 за лучший роман». [31]
К концу 2010 года более 1000 отдельных исследователей воспользовались этим инструментом, а количество публикаций превысило 500 . В 2011 году опубликовано 190 статей. В 2012 году было получено более 400 предложений по лучевому времени, при этом уровень переподписки в среднем составил примерно 50% по эксплуатационным каналам. К 2012 году сообщество пользователей охватило все регионы Канады и около 20 других стран. [5] В том же году группа старшеклассников из Ла-Лош- Саскачеван стала первой, кто использовал специально созданную образовательную линию IDEAS. [32] Также в 2012 году CLS подписала соглашение с синхротроном Advanced Photon Source в США, чтобы предоставить канадским исследователям доступ к их объектам. [33]
Международная группа под руководством профессора Университета Калгари Кена Нг раскрыла подробную структуру РНК-полимеразы с помощью рентгеновской кристаллографии в CLS. Этот фермент воспроизводит себя по мере распространения вируса Норуолк по организму и связан с другими супервирусами , такими как гепатит С , вирус Западного Нила и простуда . Его дублирование является причиной появления таких вирусов. [6]
Ученый CLS Лука Куарони и профессор Университета Саскачевана Алан Кассон использовали инфракрасную микроскопию для идентификации биомаркеров внутри отдельных клеток ткани, связанной с пищеводом Барретта . Это заболевание может привести к агрессивной форме рака, известной как аденокарцинома пищевода . [34]
Исследователи из Университета Лейкхед и Университета Саскачевана использовали CLS для расследования гибели моряков Королевского флота, похороненных на Антигуа в конце 1700-х годов. Они использовали рентгеновскую флуоресценцию для поиска микроэлементов, таких как свинец и стронций, в костях недавно раскопанного военно-морского кладбища [35].
Ученые из Стэнфордского университета работали с учеными CLS над созданием более чистой и быстрой батареи . Новый аккумулятор заряжается менее чем за две минуты благодаря недавно разработанной углеродной наноструктуре . Команда вырастила нанокристаллы железа и никеля на углероде. Традиционные батареи лишены такой структуры, в них железо и никель смешиваются с проводниками более или менее случайно. Результатом стала прочная химическая связь между материалами, которую команда определила и изучила на синхротроне. [36]
Команда под руководством Миланского политехнического университета , в которую вошли ученые из Университета Ватерлоо и Университета Британской Колумбии, нашла первые экспериментальные доказательства того, что нестабильность волны зарядовой плотности конкурирует со сверхпроводимостью в высокотемпературных сверхпроводниках . Они использовали четыре синхротрона, включая линию луча REIXS в CLS. [7]
Используя луч рентгеновской спектромикроскопии, исследовательская группа под руководством ученых из Государственного университета Нью-Йорка в Буффало получила изображения графена , показывающие, как складки и рябь действуют как «лежачие полицейские» для электронов, влияя на его проводимость . Это имеет значение для использования графена в различных будущих продуктах. [37]
В сотрудничестве между Университетом Реджайны и Королевским музеем Саскачевана в CLS исследуются окаменелости динозавров , в том числе «Скотти», тираннозавр , найденный в Саскачеване в 1991 году, один из самых полных и крупнейших скелетов тираннозавра, когда-либо найденных. Они изучили концентрацию элементов в костях, чтобы изучить влияние окружающей среды на таких животных. [8]
С самого начала CLS демонстрировала «твердую приверженность промышленным пользователям и частному и государственному партнерству», при этом тогдашний директор Бэнкрофт сообщил о «более 40 письмах поддержки от промышленности, свидетельствующих о том, что [CLS] важен для того, что они делают». У CLS есть промышленная группа в рамках более крупного подразделения экспериментальных установок, в которую входят ученые, работающие по связям с промышленностью, которые делают синхротронные методы доступными для «нетрадиционных» пользователей, которые не являются экспертами в области синхротрона. К 2007 году было реализовано более 60 проектов, [9] хотя в своей речи в том же году тогдашний директор CLS Билл Томлинсон сказал, что «одна из самых больших проблем для синхротрона... состоит в том, чтобы привлечь частных пользователей через дверь», причем менее 10% времени фактически используется промышленностью.
В 1999 году тогдашний мэр Саскатуна Дэйдей заявил, что «CLS добавит к ВВП Канады 122 миллиона долларов во время строительства и 12 миллионов долларов ежегодно после этого». Исследование экономического воздействия двух финансовых лет (2009/10 и 10/11) показало, что CLS добавлял 45 миллионов долларов в год к ВВП Канады, или около 3 долларов на каждый доллар операционного финансирования. [38]
CLS заявила, что «основным способом доступа к CLS является система экспертной оценки, которая гарантирует, что предлагаемая научная информация имеет высочайшее качество, и разрешает доступ к объекту любому заинтересованному исследователю, независимо от региональной, национальной, академической принадлежности». , промышленная или правительственная принадлежность». [21]
Тогдашний премьер-министр Жан Кретьен посетил CLS в ноябре 2000 года во время остановки предвыборной кампании в Саскатуне. [39] Он произнес речь в мезонине здания после осмотра объекта, высоко оценив проект за то, что он помог обратить вспять утечку мозгов ученых из Канады. [40] В августе 2010 года тогдашний генерал-губернатор Мишель Жан посетила CLS в рамках двухдневного тура по Саскачевану. [41] В апреле 2012 года CLS «посетил» удаленно генерал-губернатор Дэвид Джонстон . Он посетил синхротрон LNLS в Бразилии во время прямой связи между двумя объектами посредством видеочата и программного обеспечения дистанционного управления. [42] 18 января 2017 г. министр науки Канады Кирсти Дункан осмотрела комплекс. [43]
Поскольку реактор НИУ в лабораториях Чок-Ривер должен был закрыться в 2016 году, возникла необходимость найти альтернативные источники медицинского изотопа технеция-99m , основы ядерной медицины . В 2011 году компания Canadian Light Source получила финансирование в размере 14 миллионов долларов на исследование возможности использования электронного LINAC для производства молибдена-99 , исходного изотопа технеция-99. [44] В рамках этого проекта 35 МэВ LINAC был установлен в неиспользуемом подземном экспериментальном зале, ранее использовавшемся для фотоядерных экспериментов с SAL LINAC. Первое облучение запланировано на конец лета 2012 года, а результаты оценит Виннипегский центр медицинских наук . [45]
Этот проект привел к созданию дочерней компании — Canadian Isotope Innovations Corporation (CIIC), которая была описана как часть «наследия достижений» генерального директора Роба Лэмба, когда он покинул предприятие в 2021 году. [46] CIIC объявила о банкротстве в 2021 году. 2024. [47]
В CLS есть образовательная программа «Студенты на передовых линиях», финансируемая NSERC Promoscience. Эта научно-просветительская программа позволяет старшеклассникам в полной мере ощутить работу ученого, а также получить возможность использовать лучи CLS.
«Программа позволяет учащимся заниматься активными исследованиями, что является очень редким явлением в школах, и обеспечивает прямой доступ к использованию ускорителя частиц, что является еще более редким явлением!» - сказал учитель Стив Дефосс из колледжа Сен-Бернар, Драммондвилль , Квебек. [48]
Студенты Дене из Ла-Лоша, Саскачеван, дважды принимали участие в этой программе, изучая последствия кислотных дождей . [49] Студент Джонте ДеРош прокомментировал: «Старейшины заметили, что на месте, где раньше росли деревья, больше ничего не растет. Они очень обеспокоены, потому что дикая природа исчезает. Мол, здесь раньше были кролики, а теперь их нет». [50] В мае 2012 года в CLS одновременно находились три студенческие группы, причем студенты из Ла-Лоша первыми воспользовались лучом IDEAS. [32]
«Цель студентов», по словам координатора CLS по образованию и работе с общественностью Трейси Уокер, «получить подлинное научное исследование, отличное от примеров в учебниках, которые проводились тысячи раз». [51] Студенты из шести провинций , а также Северо-Западных территорий принимали непосредственное участие в экспериментах, некоторые из которых дали результаты исследований качества, пригодных для публикации. [5]
В 2012 году CLS был награжден Премией Канадского ядерного общества в области образования и коммуникации «в знак признания его приверженности работе с общественностью, повышению осведомленности общественности о синхротронной науке и разработке инновационных и выдающихся программ среднего образования, таких как «Студенты на лучах света». [10]
Система инжекции состоит из LINAC на 250 МэВ, линии передачи низкой энергии, бустерного синхротрона на 2,9 ГэВ и линии передачи высокой энергии. [52] LINAC эксплуатировался более 30 лет как часть ускорительной лаборатории Саскачевана [53] и работает на частоте 2856 МГц. Линия передачи низкой энергии длиной 78 м доставляет электроны от подземного LINAC к усилителю на уровне земли в новом здании CLS через две вертикальные шиканы. Ускоритель с полной энергией 2,9 ГэВ, выбранный для обеспечения высокой стабильности орбиты в накопителе, работает на частоте 1 Гц и радиочастоте 500 МГц, несинхронизировано с LINAC. Это приводит к значительным потерям пучка на энергии вывода. [52]
Структура ячейки накопительного кольца имеет довольно компактную решетку с двенадцатью прямыми секциями, доступными для инъекции, радиочастотными полостями и 9 секциями, доступными для вставных устройств. Каждая ячейка имеет два изгибающих магнита, расстроенных, чтобы обеспечить некоторую дисперсию в прямых – так называемая ахроматная структура с двойным изгибом – и, таким образом, уменьшить общий размер луча. Помимо двух изгибных магнитов, каждая ячейка имеет три семейства квадрупольных магнитов и два семейства секступольных магнитов . Окружность ринга составляет 171 метр, длина прямой секции 5,2 метра. [54] CLS является самым маленьким из новых синхротронных устройств, что приводит к относительно высокому эмиттансу горизонтального луча - 18,2 нм-рад. [1] CLS также был одним из первых объектов, соединивших два ондулятора на одном прямом участке, чтобы максимизировать количество каналов ввода устройства. [24]
Во всех пяти рентгеновских лучах фазы I используются вводные устройства. На ЦЛС спроектированы и собраны четыре ондулятора на постоянных магнитах, в том числе один ондулятор в вакууме и один ондулятор с эллиптической поляризацией (ЭПУ). В луче HXMA используется сверхпроводящий вигглер , созданный Институтом ядерной физики им. Будкера в Новосибирске . [24] Фаза II добавила еще два устройства, включая еще один сверхпроводящий вигглер Будкера, для линии луча BMIT. [55] На этапе III будут добавлены еще четыре устройства, заполняющие 8 из 9 доступных прямых участков. Долгосрочная разработка включает замену двух ондуляторов фазы I на устройства с эллиптической поляризацией. [56]
С 2021 года кольцо работает в режиме пополнения во время обычных операций пользователя, [57] подавая ток каждые несколько минут для поддержания стабильного тока кольца чуть ниже 220 мА. До этого изменения кольцо работало с током заполнения 250мА в режиме затухания, с двумя инжекциями в день. [4] Статус объекта отображается на веб-странице «Состояние машины» и в учетной записи CLSFC в Твиттере. [58]
CLS был первым источником света, в котором с самого начала эксплуатации использовался сверхпроводящий RF (SRF) резонатор в накопителе. [24] Ниобиевый резонатор основан на конструкции с частотой 500 МГц, используемой в Корнельском кольце хранения электронов (CESR), которая позволяет потенциально возмущающим пучок модам высокого порядка распространяться за пределы резонатора, где они могут быть очень эффективно затухают. [54] Сверхпроводящая природа ниобиевого резонатора означает, что только 0,02% радиочастотной мощности, подаваемой в резонатор, тратится впустую на нагрев резонатора по сравнению с примерно 40% для резонаторов с нормальной проводимостью (медь). Однако большая часть этой экономии энергии — около 160 кВт из сэкономленных 250 кВт — необходима для питания криогенной установки, необходимой для подачи жидкого гелия в полость. Резонатор SRF в CLS питается ВЧ от клистрона Thales мощностью 310 кВт.
52 ° 08'12,5 "N 106 ° 37'52,5" W / 52,136806 ° N 106,631250 ° W / 52,136806; -106,631250
