Канадский источник синхротронного излучения: История и современность

Введение

Канадский источник света (CLS) — национальный источник синхротронного излучения Канады, расположенный на территории Университета Саскачевана в Саскатуне, провинция Саскачеван, Канада. CLS оснащен накопительным кольцом третьего поколения с энергией 2,9 ГэВ, а здание занимает площадь, равную размеру канадского футбольного поля. Он был открыт в 2004 году по итогам 30-летней кампании канадского научного сообщества по созданию установки синхротронного излучения в Канаде. CLS обслуживает более 1000 пользователей и принимает ученых из всех регионов Канады и примерно 20 других стран. Исследования, проводимые в CLS, охватывают широкий спектр областей – от вирусов до образовательных программ для старших классов.

Дорога к CLS: 19721999

Интерес Канады к синхротронному излучению возник в 1972 году, когда Билл МакГоуэн из Университета Западной Онтарио (UWO) организовал семинар, посвященный его применению. В то время в Канаде не было пользователей синхротронного излучения. В 1973 году МакГоуэн представил Национальному исследовательскому совету Канады (NRC) безуспешное предложение о проведении исследования осуществимости создания канадского источника синхротронного излучения. В 1975 году в NRC было подано предложение о строительстве специализированного источника синхротронного излучения в Канаде, которое также не было одобрено. В 1977 году Майк Бэнкрофт, также из UWO, представил в NRC предложение о создании канадской лучевой линии, как Канадского центра синхротронного излучения (CSRF), на базе существующего Центра синхротронного излучения при Университете Висконсина-Мэдисон (США). В 1978 году вновь созданный NSERC выделил капитальное финансирование. CSRF, принадлежащий и управляемый NRC, к 1998 году вырос с первоначальной лучевой линии до трех. Дальнейшее продвижение к созданию канадского источника синхротронного излучения началось в 1990 году с образованием Канадского института синхротронного излучения (CISR) по инициативе Брюса Бигема из Atomic Energy of Canada Limited (AECL). AECL и TRIUMF проявили интерес к проектированию кольца, однако Saskatchewan Accelerator Laboratory (SAL) при Университете Саскачевана занял видное место в разработке. В 1991 году CISR представил в NSERC предложение о проведении окончательного проектного исследования, которое было отклонено. Однако в последующие годы, при президенте Питере Моранде, NSERC стал оказывать большую поддержку. В 1994 году комитет NSERC рекомендовал создание канадского источника синхротронного излучения, и был сформирован еще один комитет NSERC для отбора из двух претендентов – университетов Саскачевана и Западной Онтарио – площадки для размещения этого объекта. В 1996 году этот комитет рекомендовал построить Канадский источник света в Саскачеване. Поскольку NSERC не смог предоставить необходимые средства, вопрос об источниках финансирования оставался открытым. В 1997 году был создан Канадский фонд инноваций (CFI) для финансирования крупных научных проектов, возможно, чтобы обеспечить механизм финансирования CLS. В 1998 году команда Университета Саскачевана во главе с Деннисом Скопиком, директором SAL, представила предложение в CFI. Предложение предусматривало финансирование 40% затрат на строительство, а остальные средства должны были быть привлечены из других источников. Сбор этих сопоставимых средств был назван «беспрецедентным уровнем сотрудничества между правительствами, университетами и промышленностью в Канаде», а Бэнкрофт – руководитель конкурирующего проекта UWO – признал «титанические» усилия команды Саскачевана по привлечению средств от университета, города Саскатун, Saskatchewan Power, NRC, правительства провинции Саскачеван и Western Economic Diversification. Новое здание, примыкающее к существующему зданию SAL, площадью 84 м x 83 м и максимальной высотой 23 м, было завершено в начале 2001 года. LINAC SAL был модернизирован и вновь введен в эксплуатацию в 2002 году, в то время как кольца ускорителя и хранения все еще находились в стадии строительства. В ноябре 2002 года новым директором стал Билл Томлинсон, эксперт в области синхротронной медицинской визуализации. Он был приглашен из Европейского центра синхротронного излучения, где возглавлял группу медицинских исследований. Предложение, представленное в NSERC в 1991 году, предусматривало создание накопительного кольца с энергией 1,5 ГэВ, поскольку в то время интерес научного сообщества был сосредоточен главным образом в диапазоне мягкого рентгеновского излучения. Кольцо имело конфигурацию гоночной трассы с четырьмя-шестью участками изгиба, окружающими прямые участки с дополнительными квадруполями для обеспечения переменных функций на прямых. В проекте рассматривалось использование сверхпроводящих магнитов изгиба в некоторых местах для увеличения энергии фотонов. Недостатком этой конструкции было ограниченное количество прямых секций. В 1994 году был предложен более традиционный вариант с 8 прямыми секциями, также с энергией 1,5 ГэВ. В то время все больше пользователей проявляли интерес к жесткому рентгеновскому излучению, и считалось, что как энергия, так и количество прямых секций были недостаточными. К моменту получения финансирования в 1999 году конструкция была изменена до 2,9 ГэВ, с более длинными прямыми секциями для размещения двух устройств вставки на каждой прямой, обеспечивающих луч на две независимые лучевые линии. Строительство накопительного кольца было завершено в августе 2003 года, а ввод в эксплуатацию начался в следующем месяце. Хотя луч можно было накапливать, в марте 2004 года в центре камеры было обнаружено крупное препятствие. После его удаления ввод в эксплуатацию проходил быстро, и к июню 2004 года были достигнуты токи в 100 мА. 22 октября 2004 года CLS был официально открыт на церемонии, в которой приняли участие федеральные и провинциальные должностные лица, в том числе тогдашний министр финансов Канады Ральф Гудэйл и премьер-министр Саскачевана Лорн Калверт, президенты университетов и ведущие ученые. Октябрь 2004 года был объявлен «Месяцем синхротронного излучения» городом Саскатун и правительством Саскачевана. Питер Мэнсбридж вел ночной выпуск новостей CBC The National из верхней части накопительного кольца накануне официального открытия. В парламенте местный депутат Лин Йелич сказала: «Было много трудностей, но благодаря видению, преданности делу и настойчивости его сторонников канадский источник синхротронного излучения Canadian Light Source открыт для работы в Саскатуне».

Canadian interest in synchrotron radiation dates from 1972, when Bill McGowan of the University of Western Ontario (UWO) organised a workshop on its uses. At that time there were no users of synchrotron radiation in Canada. In 1973 McGowan submitted an unsuccessful proposal to the National Research Council (NRC) for a feasibility study on a possible synchrotron lightsource in Canada. In 1975 a proposal to build a dedicated synchrotron lightsource in Canada was submitted to NRC. This was also unsuccessful. In 1977 Mike Bancroft, also of UWO, submitted a proposal to NRC to build a Canadian beamline, as the Canadian Synchrotron Radiation Facility (CSRF), at the existing Synchrotron Radiation Center at the University of Wisconsin Madison, USA, and in 1978 newly created NSERC awarded capital funding. CSRF, owned and operated by NRC, grew from the initial beamline to a total of three by 1998. A further push towards a Canadian synchrotron light source started in 1990 with formation of the Canadian Institute for Synchrotron Radiation (CISR), initiated by Bruce Bigham of Atomic Energy of Canada Limited (AECL). AECL and TRIUMF showed interest in designing the ring, but the Saskatchewan Accelerator Laboratory (SAL) at the University of Saskatchewan became prominent in the design. In 1991 CISR submitted a proposal to NSERC for a final design study. This was turned down, but in later years, under President Peter Morand, NSERC became more supportive. In 1994 NSERC committee recommended a Canadian synchrotron light source and a further NSERC committee was formed to select between two bids to host such a facility, from the Universities of Saskatchewan and Western Ontario. In 1996 this committee recommended that the Canadian Light Source be built in Saskatchewan. With NSERC unable to supply the required funds it was not clear where funding would come from. In 1997 the Canada Foundation for Innovation (CFI) was created to fund large scientific projects, possibly to provide a mechanism to fund the CLS. In 1998 a University of Saskatchewan team led by Dennis Skopik, the SAL director, submitted a proposal to CFI. The proposal was to fund 40% of the construction costs, with remaining money having to come from elsewhere. Assembling these required matching funds has been called "an unprecedented level of collaboration among governments, universities, and industry in Canada" and Bancroft – leader of the rival UWO bid – anckowledged the "Herculean" efforts of the Saskatchewan team in obtaining funds from the University, the City of Saskatoon, Saskatchewan Power, NRC, the Provincial Government of Saskatchewan, and Western Economic Diversification. The new building – attached to the existing SAL building, and measuring 84m by 83m in area with a maximum height of 23m – was completed in early 2001. The SAL LINAC was refurbished and placed back into service in 2002 while the booster and storage rings were still under construction. New director Bill Thomlinson, an expert in synchrotron medical imaging, arrived in November 2002. He was recruited from the European Synchrotron Radiation Facility where he had been the head of the medical research group. The 1991 proposal to NSERC envisioned a 1.5 GeV storage ring, since at this time the interest of the user community was mainly in the soft X ray range. The ring was a racetrack layout of four to six bend regions surrounding straights with extra quadrupoles to allow for variable functions in the straights. The design contemplated the use of superconducting bends in some locations to boost
the photon energies produced. The drawback of this design was the limited number of straight sections. In 1994 a more conventional machine with 8 straight sections was proposed, again with 1.5 GeV energy. At this time more users of hard X rays were interested and it was felt that both the energy and number of straight sections were too low. By the time funding was secured in 1999 the design had changed to 2.9 GeV, with longer straight sections to enable two insertion devices per straight, delivering beam to two independent beamlines. Construction of the storage ring was completed in August 2003 and commissioning began the following month. Although beam could be stored, in March 2004 a large obstruction was found across the center of the chamber. Commissioning proceeded quickly after this was removed, and by June 2004 currents of 100mA could be achieved
On 22 October 2004 the CLS officially opened, with an opening ceremony attended by federal and provincial dignitaries, including then Federal Minister of Finance Ralph Goodale and then Saskatchewan Premier Lorne Calvert, university presidents and leading scientists. October 2004 was declared "Synchrotron Month" by the city of Saskatoon and the Saskatchewan government. Peter Mansbridge broadcast the CBC's nightly newscast The National from the top of the storage ring the day before the official opening. In parliament local MP Lynne Yelich said "There were many challenges to overcome, but thanks to the vision, dedication and persistence of its supporters, the Canadian Light Source synchrotron is open for business in Saskatoon."

Операция и расширение: 20052012

Первоначальное финансирование включало семь линий лучей, известных как Фаза I, которые охватывали весь спектральный диапазон: две инфракрасные линии лучей, три линии лучей мягкого рентгеновского излучения и две линии лучей жесткого рентгеновского излучения. Первый внешний пользователь был принят в 2005 году, а первые научные публикации с результатами, полученными в CLS, вышли в марте 2006 года – одна из Университета Саскачевана, посвященная пептидам, и другая из Университета Западной Онтарио, посвященная материалам для органических светодиодов. В 2006 году был создан комитет для экспертной оценки заявок на время использования лучей под председательством Адама Хичкока из Университета Макмастера. К 2007 году более 150 внешних пользователей использовали CLS, и все семь первоначальных линий лучей продемонстрировали значительные результаты. Строительство расширения, необходимого для размещения линии Брокхауса Фазы III, началось в июле 2011 года и продолжается по состоянию на июль 2012 года. Билл Томлинсон вышел на пенсию в 2008 году, а в мае того же года профессором физики Йозефом Хормесом из Боннского университета, бывшим директором синхротрона CAMD при Университете штата Луизиана, был объявлен новым директором. Писатель-фантаст Роберт Дж. Сойер в течение двух месяцев в 2009 году находился в творческой резиденции, назвав это «уникальной возможностью пообщаться с работающими учеными». Там он написал большую часть романа «Чудо», который получил премию Prix Aurora 2012 года как лучший роман. К концу 2010 года более 1000 отдельных исследователей использовали это учреждение, а количество публикаций превысило 500.

Наука

Международная команда во главе с профессором Университета Калгари Кеном Нгом определила детальную структуру РНК-полимеразы с помощью рентгеновской кристаллографии в CLS. Этот фермент реплицируется по мере распространения вируса Норвока по организму и связан с другими опасными вирусами, такими как гепатит С, вирус Западного Нила и обычная простуда. Его размножение является причиной возникновения этих вирусов. Ученый CLS Лука Куарони и профессор Университета Саскачевана Алан Кассон использовали инфракрасную микроскопию для выявления биомаркеров внутри отдельных клеток ткани, связанной с пищеводом Барретта. Это заболевание может привести к агрессивной форме рака, известной как аденокарцинома пищевода. Исследователи из Университета Лейкхед и Университета Саскачевана использовали CLS для изучения причин смерти моряков Королевского флота, захороненных в Антигуа в конце 1700-х годов. Они использовали рентгеновскую флуоресценцию для поиска микроэлементов, таких как свинец и стронций, в костях с недавно раскопанного морского кладбища.

Ученые из Стэнфордского университета совместно с учеными CLS разработали более экологичную и быструю батарею. Новая батарея заряжается менее чем за две минуты благодаря недавно разработанной углеродной наноструктуре. Команда вырастила нанокристаллы железа и никеля на углеродном основании. Традиционные батареи лишены такой структуры, смешивая железо и никель с проводниками более или менее хаотично. В результате образовалась прочная химическая связь между материалами, которую команда идентифицировала и изучила на синхротроне. Команда под руководством Политехнического университета Милана, включающая ученых из Университета Ватерлоо и Университета Британской Колумбии, обнаружила первые экспериментальные доказательства конкуренции волновой неустойчивости плотности заряда и сверхпроводимости в высокотемпературных сверхпроводниках. Они использовали четыре синхротрона, включая луч REIXS в CLS. Используя рентгеновскую спектромикроскопию, исследовательская группа под руководством ученых из Государственного университета штата Нью-Йорк в Буффало получила изображения графена, демонстрирующие, как складки и волны действуют как препятствия для электронов, влияя на его проводимость. Это имеет значение для применения графена в различных будущих продуктах. Сотрудничество между Университетом Реджины и Королевским музеем Саскачевана исследует окаменелости динозавров в CLS, включая "Скотти" – тираннозавра, найденного в Саскачеване в 1991 году, один из наиболее полных и крупных скелетов тираннозавра, когда-либо обнаруженных. Они изучали концентрацию элементов в костях, чтобы исследовать влияние окружающей среды на этих животных.

Промышленная программа и экономическое воздействие

С самого начала CLS продемонстрировал "сильную приверженность промышленным пользователям и частно-государственному партнерству", тогдашний директор Банкрофт сообщил "о более чем 40 письмах поддержки от представителей промышленности, указывающих на то, что CLS имеет важное значение для их деятельности". В составе более крупного подразделения экспериментальных установок в CLS функционирует промышленная группа с учеными-специалистами по связям с промышленностью, которые предоставляют методы синхротронного излучения "нетрадиционным" пользователям, не являющимся экспертами в области синхротронов. К 2007 году было выполнено более 60 проектов. CLS заявил, что "основным способом доступа к CLS является система рецензирования, которая обеспечивает высокое качество предлагаемых исследований и предоставляет доступ к объекту любому заинтересованному исследователю, независимо от его региональной, национальной, академической, промышленной или государственной принадлежности". После экскурсии по объекту он выступил с речью на антресольном этаже здания, высоко оценив проект за вклад в возвращение ученых в Канаду. В августе 2010 года генерал-губернатор Канады Мишель Жан посетила CLS в рамках двухдневной поездки по Саскачеванской провинции. В апреле 2012 года CLS был "посещен" удаленно генерал-губернатором Дэвидом Джонстоном. Он посещал синхротрон LNLS в Бразилии, участвуя в прямой трансляции посредством видеосвязи и программного обеспечения для удаленного управления, обеспечивающей взаимодействие между двумя объектами. 18 января 2017 года комплекс посетила министр науки Канады Кирсти Дункан.

Проект по изотопам для медицины

В связи с планируемым закрытием реактора NRU на объектах Chalk River Laboratories в 2016 году возникла необходимость найти альтернативные источники медицинского изотопа технеций-99m, являющегося основой ядерной медицины. В 2011 году Канадский источник света получил 14 миллионов долларов на исследование возможности использования электронного линейного ускорителя (LINAC) для производства молибдена-99, родительского изотопа технеция-99. В рамках этого проекта LINAC мощностью 35 МэВ был установлен в неиспользуемом подземном экспериментальном зале, ранее использовавшемся для фотоядерных экспериментов с LINAC SAL. Первые облучения запланированы на конец лета 2012 года, а результаты будут оценены Виннипегским центром медицинских наук. Этот проект привел к созданию дочерней компании Canadian Isotope Innovations Corporation (CIIC), которую при уходе с должности в 2021 году генеральный директор Роб Лэмб назвал частью своего "достижений и наследия". CIIC объявила о банкротстве в 2024 году.

Образовательная программа

CLS имеет образовательную программу «Студенты на лучевых линиях», финансируемую NSERC Promoscience. Эта программа научно-просветительского направления позволяет старшеклассникам полностью ощутить работу ученого, а также получить возможность использовать лучевые линии CLS. «Программа позволяет студентам развивать навыки активных исследований, что является очень редким явлением в школах, и обеспечивает прямой доступ к использованию ускорителя частиц – еще более редкая возможность!» – сказал учитель Стив Десфосс из колледжа Сент-Бернард, Драммондвилль, Квебек. Студенты из общины Dene из Ла-Лош, Саскачеван, дважды принимали участие в этой программе, изучая последствия кислотных дождей. Студент Джонте Десрош прокомментировал: «Старейшины заметили, что на ландшафте, где раньше росли деревья, теперь ничего не растет. Они очень обеспокоены тем, что исчезает дикая природа. Раньше здесь были кролики, а теперь их нет». В мае 2012 года в CLS одновременно работали три студенческие группы, причем первыми лучевую линию IDEAS использовали студенты из Ла-Лош. Студенты из шести провинций, а также из Северо-Западных территорий, принимали непосредственное участие в экспериментах, некоторые из которых дали результаты, пригодные для публикации. LINAC эксплуатировался более 30 лет в составе Saskatchewan Accelerator Lab и работает на частоте 2856 МГц. 78-метровая линия передачи низкой энергии доставляет электроны из подземного LINAC к бустеру на уровне земли в новом здании CLS через два вертикальных дефлектора. Бустер полной энергии 2,9 ГэВ, выбранный для обеспечения высокой стабильности орбиты в кольце хранения, работает на частоте 1 Гц с радиочастотной частотой 500 МГц, не синхронизированной с LINAC. Это приводит к значительным потерям пучка при энергии извлечения. CLS – наименьший из современных синхротронных комплексов, что обуславливает относительно высокую горизонтальную эмиттансность пучка – 18,2 нм·рад. На третьем этапе планируется добавить еще четыре устройства, заполнив 8 из 9 доступных прямых секций. Долгосрочные разработки включают замену двух вигглеров первого этапа устройствами эллиптической поляризации. С 2021 года кольцо работает в режиме пополнения во время обычных пользовательских операций, с инжекциями каждые несколько минут для поддержания стабильного тока кольца чуть ниже 220 мА. До этого изменения кольцо работало с током наполнения 250 мА в режиме затухания, с двумя инжекциями в день.

The CLS has an education program – "Students on the Beamlines" – funded by NSERC Promoscience. This outreach program for science allows high school students to fully experience the work of a scientist, in addition to having the chance to use the CLS beamlines. "The program allows students the development of active research, a very rare phenomena in schools and provides direct access to the use of a particle accelerator, something even rarer!" said teacher Steve Desfosses form College Saint Bernard, Drummondville, Quebec. Dene students from La Loche, Saskatchewan have taken part in this program twice, looking at effects of acid rain. Student Jontae DesRoches commented "Elders have noticed that the landscape, where trees used to grow, there's none growing anymore. They're pretty concerned because wildlife is disappearing. Like, here there used to be rabbits and now there's none". In May 2012 three student groups were at the CLS simultaneously, with the La Loche students as the first to use the IDEAS beamline. Students from six provinces as well as the Northwest Territories have been directly involved in experiments, some of which have yielded publishable quality research. The LINAC was operated for over 30 years as part of the Saskatchewan Accelerator Lab and operates at 2856 MHz. The 78m low energy transfer line takes the electrons from the below ground LINAC to the ground level booster in the newer CLS building, via two vertical chicanes. The full energy 2.9 GeV booster, chosen to give high orbit stability in the storage ring, operates at 1 Hz, with an RF frequency of 500 MHz, unsynchronised with the LINAC. This results in significant beam loss at the extraction energy. The CLS is the smallest of the newer synchrotron facilities, which results in a relatively high horizontal beam emittance of 18.2 nm rad. Phase III will add four more devices, filling 8 of the 9 available straight sections. Longer term development includes the replacement of two of the phase I undulators with elliptically polarizing devices. Since 2021, the ring operates in a top up mode during normal user operations, injecting every few minutes to maintain a stable ring current just below 220 mA. Prior to this change, the ring operated with a fill current of 250mA in decay mode, with two injections per day.