Кіріспе

Канаданың Синхротрондық жарық көзі (CLS) – Канаданың ұлттық синхротрондық жарық көзі нысаны, Саскачеван университетінің аумағында, Саскачеван қаласында, Канадада орналасқан. CLS үшінші буын 2,9 ГэВ сақтау сақинасына ие, ал ғимараттың ауданы Канада футбол алаңының көлемімен тең. Қазақстандық ғылыми қауымдастық Канадада синхротрондық сәулелену нысанын құру үшін 30 жылдық күш-жігер жұмсағаннан кейін 2004 жылы ашылды. 1000-нан астам жеке пайдаланушысы бар, ол Канаданың барлық аймақтарынан және 20-ға жуық басқа елден келген ғалымдарды қабылдайды. CLS-те жүргізілген зерттеулер вирустардан бастап орта мектептердегі білім беру бағдарламаларына дейін қамтиды.

CLS-ке жол: 19721999

Канаданың синхротрондық сәулеленуге деген қызығушылығы 1972 жылдан басталады, ол кезде Батыс Онтарио университетінің (UWO) Билл МакГоуэн оның қолданысы туралы семинар ұйымдастырды. Ол кезде Канадада синхротронды сәулеленуді пайдаланушылар болмаған. 1973 жылы МакГоуэн Ұлттық зерттеулер кеңесіне (NRC) Канададағы ықтимал синхротронды жарық көзіне қатысты мүмкіндіктерді зерттеу туралы ұсыныс енгізді. 1975 жылы Канадада арнайы синхротронды жарық көзін салу туралы ұсыныс NRC-ге ұсынылды. Бұл да сәтсіз аяқталды. 1977 жылы Майк Банкрофт, сонымен қатар UWO, Канаданың Синхротрондық сәулелену қондырғысы (CSRF) ретінде Канаданың сәуле желісін салу туралы ұсынысты NRC-ге ұсынды. NRC-ге тиесілі және басқарылатын CSRF бастапқы сәуле желісінен 1998 жылға дейін барлығы үшке дейін өсті. Канадалық синхротронды жарық көзіне деген тағы бір күш 1990 жылы Канаданың Синхротронды сәулелену институтының (CISR) құрылуымен басталды. AECL және TRIUMF сақинаны жобалауға қызығушылық танытты, бірақ Саскачеван университетіндегі Саскачеван жеделдеткіш зертханасы (SAL) жобалауда маңызды рөл атқарды. 1991 жылы CISR ҰҒЗК-ға соңғы жобалау зерттеуін жүргізу туралы ұсыныс берді. Бұл ұсыныстан бас тартылды, бірақ кейінгі жылдары президент Питер Моран басшылығымен NSERC көбірек қолдау көрсетті. 1994 жылы NSERC комитеті Канаданың синхротронды жарық көзін ұсынды және Саскачеван және Батыс Онтарио университеттерінің осындай қондырғыны қабылдауға арналған екі өтінімін таңдау үшін NSERC-тің тағы бір комитеті құрылды. 1996 жылы бұл комитет Канаданың Жарық Көзін Саскачеванға салуды ұсынды. NSERC қажетті қаражатты бере алмағандықтан, қаржыландырудың қайдан келетіндігі белгісіз болды. 1997 жылы ірі ғылыми жобаларды қаржыландыру үшін Канаданың Инновациялар қоры (CFI) құрылды, мүмкін CLS-ті қаржыландыру механизмін қамтамасыз ету үшін. 1998 жылы Саскачеван университетінің Деннис Скопик басқаратын тобы, SAL директоры CFI-ге ұсыныс ұсынды. Құрылыс шығындарының 40%-ын қаржыландыру ұсынылды, ал қалған ақшаны басқа жерден алу қажет болды. Бұл қажетті қаржыны жинау "Канададағы үкіметтер, университеттер мен өнеркәсіп арасындағы бұрын-соңды болмаған ынтымақтастық деңгейі" деп сипатталды, ал бәсекелес UWO ұсынысының жетекшісі Банкрофт Саскачеван командасының Университет, Саскатун қаласы, Саскачеван қуаты, NRC, Саскачеван провинциялық үкіметі және Батыс экономикалық әртараптандырудан қаражат алудағы "қиын" күш-жігерін мойындады. Жаңа ғимарат қолданыстағы SAL ғимаратына жалғастырылған, ал көлемі 84м х 83м, ең биіктігі 23м, 2001 жылдың басында аяқталды. SAL LINAC 2002 жылы қайта жаңартылып, қайта пайдалануға берілді, ал бустер және сақтау сақиналары әлі де салынып жатқан еді. 2002 жылдың қарашасында жаңа директор – синхротронды медициналық бейнелеудің маманы Билл Томлинсон келді. Ол Еуропалық синхротрондық сәулелену қондырғысынан жұмысқа алынды, онда ол медициналық зерттеу тобының басшысы болды. 1991 жылы NSERC-ке ұсынылған ұсыныста 1,5 ГэВ сақтау сақинасы қарастырылған, өйткені сол кезде пайдаланушылар қауымдастығының қызығушылығы негізінен жұмсақ рентген диапазонына қатысты болды. Сақина төрт-алты бұрылыс аймақтары бар жарыс трассасының орналасуы болды, олар тура жолдарды айнала отырып, тура жолдарда өзгермелі функцияларды қамтамасыз ету үшін қосымша төрт бұрышты. Жоба кейбір жерлерде фотондар энергиясын арттыру үшін суперөткізгіш бұрылыстарды пайдалануды қарастырды. Бұл жобаның кемшілігі – тік қималардың санының шектеулі болуы. 1994 жылы 8 тік секциялы, тағы да 1,5 ГэВ энергиясы бар, дәстүрлі машина ұсынылды. Бұл кезде қатты рентген сәулелерін пайдаланушылар көбірек қызығушылық танытты және энергиясы да, тік қималардың саны да тым аз деп саналды. 1999 жылы қаржыландыруды қамтамасыз еткен кезде жобалау 2,9 ГэВ-қа өзгерді, әр түзуде екі енгізу құрылғысын іске қосу үшін ұзын тік секциялар болды, бұл сәуле екі тәуелсіз сәуле желісіне жеткізілді. Сақтау сақинасының құрылысы 2003 жылдың тамызында аяқталып, келесі айда пайдалануға берілді. Сәулені сақтауға болатын болса да, 2004 жылдың наурыз айында камераның ортасында үлкен кедергі табылды. Бұл кедергі алынып тасталғаннан кейін пайдалануға беру жұмысы жылдам жүргізілді, ал 2004 жылдың маусымында 100 мА токқа қол жеткізілді. 2004 жылдың 22 қазанында CLS ресми түрде ашылды, ашылу рәсіміне федералды және провинциялық сауатты адамдар қатысты, соның ішінде сол кездегі Федералды қаржы министрі Ральф Гудаль және Саскачеван премьер-министрі Лорн Кальверт, университет президенттері және жетекші ғалымдар. 2004 жылдың қазан айы Саскатун қаласы мен Саскачеван үкіметімен "Синхротрондар айы" деп жарияланды. Питер Мансбридж ресми ашылудың алдындағы күні сақтау сақинасының үстінен CBC-нің кешкі жаңалықтарын – The National-ды көрсетті. Парламенттегі жергілікті депутат Лин Йелич "Жеңіске жету үшін көптеген қиындықтарды еңсеруге тура келді, бірақ оның қолдаушыларының көрегенділігі, адалдығы және табандылығының арқасында Канаданың Жарық Көзі Саскатунда жұмыс істеп тұр" деді.

Жұмыс істеу және кеңейту: 2005-2012

Бастапқы қаржыландыру I кезең деп аталатын жеті сәуле желісін қамтыды, олар толық спектрлік диапазонды қамтыды: екі инфрақызыл сәуле желісі, үш жұмсақ рентген сәуле желісі және екі қатты рентген сәуле желісі. Бірінші сыртқы пайдаланушы 2005 жылы қабылданды, ал CLS нәтижелерімен алғашқы ғылыми еңбектер 2006 жылдың наурыз айында жарияланды – Саскачеван университетінің пептидтер жөніндегі және Батыс Онтарио университетінің органикалық жарықдиодтарға арналған материалдар жөніндегі еңбектері. 2006 жылы Макмастер университетінің Адам Хичкок төрағалығымен сәуле уақытына ұсыныстарды сараптау үшін комитет құрылды. 2007 жылға қарай 150-ден астам сыртқы пайдаланушы CLS-ті пайдаланды және барлық жеті бастапқы сәуле желісі маңызды нәтижелерге қол жеткізді. III кезеңді Брокхаус сәуле желісін орналастыруға қажетті кеңейту құрылысы 2011 жылдың шілдесінде басталды және 2012 жылдың шілдесінде әлі де жалғасуда. Билл Томлинсон 2008 жылы зейнеткерлікке шықты, ал сол жылдың мамыр айында Луизиана штатының университетіндегі CAMD синхротронының бұрынғы директоры, Бонн университетінің физика профессоры Йозеф Хормес жаңа директор болып тағайындалды. Ғылыми фантастика жазушысы Роберт Дж. Сойер 2009 жылы екі айға резиденттік жазушы ретінде жұмыс істеді, ол бұл мүмкіндікті "жұмыс істейтін ғалымдармен бірге уақыт өткізуге бір рет болатын мүмкіндік" деп атады. Ол сол жерде "Ғажайып" романының көп бөлігін жазды, ол 2012 жылы ең жақсы роман үшін Prix Aurora сыйлығын жеңіп алды. 2010 жылдың соңына қарай 1000-нан астам жеке зерттеушілер бұл орталықты пайдаланды, ал жарияланымдар саны 500-ден асты.

Ғылым

Калгари университетінің профессоры Кен Нг басқаратын халықаралық команда КЛС-те рентгендік кристаллографияны пайдаланып, РНК полимеразаның толық құрылымын анықтады. Бұл фермент Норвок вирусы денеде тарағанда көбейеді және гепатит С, Батыс Нил вирусы және қарапайым суық тию сияқты басқа да күшті вирустармен байланысты. Оның көбейуі осы вирустардың пайда болуына себеп болады. КЛС ғалымы Лука Куарони және Саскачеван университетінің профессоры Алан Кассон Барреттің асқазын сықырына байланысты тіндерден алынған жеке клеткалардағы биомаркерлерді анықтау үшін инфрақызыл микроскопияны қолданды. Бұл ауру асқазын аденокарциномы деп аталатын қатерлі ісікке алып келуі мүмкін. Лейкхед университеті мен Саскачеван университетінің зерттеушілері 1700 жылдардың соңында Антигуада жерленген Корольдік теңіз флотының теңізшілерінің өлімін зерттеу үшін КЛС-ті пайдаланды. Олар рентгендік флуоресценцияны қолданып, жақында қазылған теңіз зиратынан табылған сүйектердегі қорғасын және стронций сияқты іздік элементтерді іздеді. Ғалымдар Стэнфорд университетінен КЛС ғалымдарымен бірлесіп, таза, жылдам зарядталатын батарея жасады. Жаңа батарея, жаңа әзірленген көміртек наноқұрылымның арқасында екі минуттан кем уақытта зарядталады. Команда көміртек үстінде темір мен никельдің нанокристалдарын өсірді. Дәстүрлі батареяларда мұндай құрылым болмайды, темір мен никель өткізгіштермен біркелкі араласпайды. Нәтижесінде материалдардың арасында берік химиялық байланыс пайда болды, оны команда синхротрон арқылы анықтап зерттеді. Милан политехникалық институтының жетекшілігімен, Ватерлоо университеті мен Британдық Колумбия университетінің ғалымдарын қамтитын команда, жоғары температуралы суперөткізгіштерде заряд тығыздығы толқынының тұрақсыздығы суперөткізгіштікпен бәсекелесетінін көрсететін алғашқы тәжірибелік дәлелдерді тапты. Олар төрт синхротрон, соның ішінде КЛС-тегі REIXS сәуле желісін пайдаланды. Нью-Йорк штаты университетінің ғалымдары жетекшілік ететін зерттеу тобы рентгендік спектрлік микроскопия сәуле желісін пайдаланып, графеннің бүктелулері мен толқындары электрондардың жылдамдығын қалай баяулататынын көрсететін суреттер жасады, бұл оның өткізгіштігіне әсер етеді. Бұл графеннің болашақтағы түрлі өнімдерде қолданылуына әсер етеді. Реджина университеті мен Саскачеван Корольдік мұражайының бірлескен зерттеуі КЛС-те динозаврлардың қазбаларын зерттеді, соның ішінде 1991 жылы Саскачеванда табылған "Скотти" тираннозавры, бұл ең толық және ең үлкен T-rex қаңқаларының бірі. Олар осы жануарларға қоршаған ортаның әсерін зерттеу үшін сүйектердегі элементтердің концентрациясын зерттеді.

Өнеркәсіптік бағдарлама және экономикалық әсер

Бастапқыда CLS "өнеркәсіптік пайдаланушыларға және жеке/мемлекеттік серіктестіктерге берік міндеттеме" көрсетті, содан кейін директор Банкрофт "өнеркәсіптен 40-тан астам қолдау хаттары келіп түсті, олар [CLS] өз қызметтері үшін маңызды екенін көрсетті" деп хабарлады. CLS-де үлкен тәжірибелік құрылыстар бөлімінде өнеркәсіптік топ бар, олар синхротрондық техниканы синхротрондық сарапшы емес "дәстүрлі емес" пайдаланушыларға қолжетімді етеді. 2007 жылға дейін 60-тан астам жоба орындалды. CLS "CLS-ке қол жеткізудің негізгі тәсілі – әріптестердің сараптамасы жүйесі арқылы, бұл ұсынылған ғылымның ең жоғары сапалы екенін қамтамасыз етеді және аймақтық, ұлттық, академиялық, өнеркәсіптік немесе мемлекеттік байланысына қарамастан, кез келген қызығушылық танытқан зерттеушіге нысанға кіруге мүмкіндік береді" деп мәлімдеді. Ол нысанды аралағаннан кейін ғимараттың галереясында сөз сөйледі, жобаны Канададан ғалымдардың ақыл-ойының ағып кетуін тоқтатуға көмектескені үшін мақтады. 2010 жылдың тамызында сол кездегі генерал-губернатор Микаэль Жан Саскачеванға екі күндік сапар аясында CLS-ке келді. 2012 жылдың сәуірінде генерал-губернатор Дэвид Джонстон CLS-ті қашықтан "көріп шықты". Ол Бразилиядағы LNLS синхротронына сапар шекті, екі нысан арасында тікелей байланыс орнатылды, бейне-чат және қашықтан басқару бағдарламалық жасақтамасы арқылы. 2017 жылдың 18 қаңтарында Канаданың ғылым министрі Кирсти Дункан кешенді аралады.

Медициналық изотоптар жобасы

Чалк Ривер зертханасындағы NRU реакторы 2016 жылы жабылуға тиіс болғандықтан, ядролық медицинаның маңызды құралы болып табылатын медициналық изотоп технотиум-99m-нің баламалы көздерін табу қажеттігі туындады. 2011 жылы Канадалық жарық көзі 99-текнетиумнің аналық изотопы – молибден-99-ды өндіру үшін электрондық LINAC-ты пайдалану мүмкіндігін зерттеуге 14 миллион доллар қаржы алды. Осы жоба аясында 35 МэВ LINAC бұрын SAL LINAC-пен фотоядролық эксперименттер жүргізілген пайдаланылмаған жер асты эксперименттік залына орнатылды. Бірінші сәулелендіру 2012 жылдың жаз айының соңында жоспарланған, ал нәтижелерін Виннипег денсаулық ғылымдары орталығы бағалайды. Бұл жоба «Канадалық изотоптық инновациялар корпорациясы» (CIIC) компаниясының құрылуына әкелді, ол 2021 жылы бас директор Роб Лэмбтің «жетістіктерінің мұрасы» деп сипатталды. CIIC 2024 жылы банкротқа ұшырады.

Білім беру бағдарламасы

CLS-де NSERC Promoscience қаржылайтын «Сәулелердегі студенттер» білім беру бағдарламасы бар. Бұл ғылыми бағдарлама орта мектеп оқушыларына CLS сәуле желілерін пайдалану мүмкіндігімен қатар, ғалымның жұмысын толыққанды тәжірибелеуге мүмкіндік береді. «Бұл бағдарлама студенттерге мектептерде сирек кездесетін белсенді зерттеулерді дамытуға және тіпті сирек кездесетін бөлшектер үдеткішіне тікелей қол жеткізуге мүмкіндік береді!» – деді Квебек штатының Драммондвилл қаласындағы Сент-Бернард колледжінің мұғалімі Стив Дефосс. Саскачеван провинциясының Ла-Лош қаласынан келген студенттер қышқыл жаңбырдың әсерін зерттеу үшін осы бағдарламаға екі рет қатысты. Студент Жонти Десрошес: «Елдегілер бұрын ағаштар өскен жерлерде енді өсімдіктердің өспейтінін байқады. Олар қатты алаңдайды, себебі жануарлардың саны азайып барады. Мысалы, бұрын қоян көп болған, енді жоқ» деді. 2012 жылдың мамыр айында үш студенттік топ бір уақытта CLS-те болды, ал Ла-Лош студенттері IDEAS сәуле желісін алғашқылардың бірі болып пайдаланды. Алты провинция мен Солтүстік-Батыс территориясының студенттері эксперименттерге тікелей қатысты, олардың кейбіреулері жариялануға дайын зерттеулерге әкелді. LINAC 30 жылдан астам Саскачеван үдеткіш зертханасының бөлігі ретінде жұмыс істеді және 2856 МГц жиілігінде жұмыс істейді. 78 метрлік төмен энергиялық беру желісі электрондарды жер астындағы LINAC-тен жаңа CLS ғимаратындағы жер үстіндегі үдеткішке екі тік шикан арқылы жеткізеді. 2,9 ГэВ толық энергиялы үдеткіш, сақтау сақинасында жоғары орбиталық тұрақтылықты қамтамасыз ету үшін таңдалды, 1 Гц жиілігімен, 500 МГц радиожиілігімен, LINAC-пен синхронды емес жұмыс істейді. Бұл энергияны шығару кезінде сәуленің жоғалуына себеп болады. CLS – жаңа синхротрон құрылғыларының ең кішісі, нәтижесінде көлденең сәуле шығаруы 18,2 нм радианға салыстырмалы түрде жоғары. ІІІ кезеңінде тағы төрт құрылғы қосылып, 9 тік бөлімнің 8-і толтырылады. Ұзақ мерзімді даму жоспарына I фазадағы екі толқындағы құрылғыларды эллипстік поляризациялайтын құрылғылармен алмастыру кіреді. 2021 жылдан бері сақина қалыпты пайдалану кезінде толықтыру режимінде жұмыс істейді, тұрақты сақиналық ток 220 мА-дан төмен деңгейде ұстап тұру үшін бірнеше минут сайын инъекция жасалады. Бұл өзгеріске дейін сақина күніне екі рет инъекция жасалып, 250 мА токпен жұмыс істеді.