El Centro canadiense de radiación sincrotrón ( CLS , por sus siglas en inglés) (en francés: Centre canadien de rayonnement synchrotron – CCRS ) es la instalación nacional de fuentes de luz sincrotrón de Canadá , ubicada en los terrenos de la Universidad de Saskatchewan en Saskatoon, Saskatchewan , Canadá. [1] El CLS tiene un anillo de almacenamiento de 2,9 GeV de tercera generación y el edificio ocupa un espacio del tamaño de un campo de fútbol canadiense . [2] Se inauguró en 2004 después de una campaña de 30 años por parte de la comunidad científica canadiense para establecer una instalación de radiación sincrotrón en Canadá. [3] Ha ampliado tanto su complemento de líneas de luz como su edificio en dos fases desde su apertura. Como instalación nacional de sincrotrón [4] con más de 1000 usuarios individuales, alberga a científicos de todas las regiones de Canadá y alrededor de otros 20 países. [5] Las investigaciones en el CLS han abarcado desde virus [6] hasta superconductores [7] y dinosaurios [8] , y también se ha destacado por su ciencia industrial [9] y sus programas de educación secundaria. [10]
El interés canadiense por la radiación de sincrotrón data de 1972, cuando Bill McGowan, de la Universidad de Western Ontario (UWO), organizó un taller sobre sus usos. En ese momento no había usuarios de la radiación de sincrotrón en Canadá. En 1973, McGowan presentó una propuesta sin éxito al Consejo Nacional de Investigación (NRC) para un estudio de viabilidad sobre una posible fuente de luz de sincrotrón en Canadá. En 1975 se presentó al NRC una propuesta para construir una fuente de luz de sincrotrón dedicada en Canadá. Esta tampoco tuvo éxito. En 1977, Mike Bancroft , también de la UWO, presentó una propuesta al NRC para construir una línea de luz canadiense , como Instalación Canadiense de Radiación de Sincrotrón (CSRF), en el Centro de Radiación de Sincrotrón existente en la Universidad de Wisconsin-Madison , EE. UU., y en 1978 el NSERC recién creado recibió financiación de capital. El CSRF, propiedad y operado por NRC, creció desde la línea de haz inicial a un total de tres en 1998.
En 1990 se inició un nuevo impulso hacia una fuente de luz de sincrotrón canadiense con la formación del Instituto Canadiense de Radiación de Sincrotrón (CISR), iniciado por Bruce Bigham de Atomic Energy of Canada Limited ( AECL ). AECL y TRIUMF mostraron interés en diseñar el anillo, pero el Laboratorio de Aceleradores de Saskatchewan (SAL) de la Universidad de Saskatchewan se hizo prominente en el diseño. En 1991, el CISR presentó una propuesta al NSERC para un estudio de diseño final. Esta fue rechazada, pero en años posteriores, bajo la presidencia de Peter Morand, el NSERC se mostró más partidario. En 1994, el comité del NSERC recomendó una fuente de luz de sincrotrón canadiense y se formó otro comité del NSERC para seleccionar entre dos ofertas para albergar dicha instalación, de las Universidades de Saskatchewan y Western Ontario. En 1996, este comité recomendó que la Fuente de Luz Canadiense se construyera en Saskatchewan.
Como el NSERC no podía proporcionar los fondos necesarios, no estaba claro de dónde provendría la financiación. En 1997 se creó la Fundación Canadiense para la Innovación (CFI) para financiar grandes proyectos científicos, posiblemente para proporcionar un mecanismo para financiar el CLS. En 1998, un equipo de la Universidad de Saskatchewan dirigido por Dennis Skopik, el director del SAL, presentó una propuesta a la CFI. [3] La propuesta era financiar el 40% de los costos de construcción, y el dinero restante tendría que provenir de otra parte. La reunión de estos fondos de contrapartida necesarios se ha calificado como "un nivel sin precedentes de colaboración entre los gobiernos, las universidades y la industria en Canadá" [11] y Bancroft -líder de la oferta rival de la UWO- reconoció los esfuerzos "hercúleos" del equipo de Saskatchewan para obtener fondos de la Universidad, la ciudad de Saskatoon, Saskatchewan Power , NRC, el gobierno provincial de Saskatchewan y Western Economic Diversification . [3] A última hora, la CFI comunicó a los proponentes que no aceptaría el LINAC SAL como parte de la propuesta, y el déficit resultante se cubrió en parte con el anuncio espontáneo del ayuntamiento de Saskatoon y del entonces alcalde Henry Dayday de que duplicarían su contribución siempre que lo hicieran otros socios. El 31 de marzo de 1999 se anunció el éxito de la propuesta de la CFI.
El mes siguiente, Skopik aceptó un puesto en el Laboratorio Jefferson de Estados Unidos. Decidió no quedarse como director de las instalaciones de Saskatoon porque su especialidad eran las partículas subatómicas y, según él, el director del CLS debería ser un investigador especializado en el uso de este tipo de instalaciones. Su sucesor fue Mike Bancroft [11].
Al comienzo del proyecto, todo el personal de la antigua SAL fue transferido a una nueva corporación sin fines de lucro , Canadian Light Source Inc., CLSI, que tenía la responsabilidad principal del diseño técnico, la construcción y el funcionamiento de la instalación. Como corporación separada de la Universidad, CLSI tenía la libertad legal y organizativa adecuada para esta responsabilidad. UMA, una experimentada firma de ingeniería, ahora parte de AECOM , con amplia experiencia en la gestión de grandes proyectos técnicos y de construcción civil, fue contratada como gerente de proyecto . [12]
El nuevo edificio, anexo al edificio SAL existente y con una superficie de 84 m por 83 m y una altura máxima de 23 m, se completó a principios de 2001. [3]
El nombramiento de Bancroft finalizó en octubre de 2001 y regresó a la UWO, con Mark de Jong como director interino. Bancroft permaneció como director científico interino hasta 2004. [13]
El LINAC SAL fue restaurado y puesto nuevamente en servicio en 2002, mientras que los anillos de refuerzo y almacenamiento todavía estaban en construcción. [3] La primera vuelta de campana se logró en el anillo de refuerzo en julio de 2002 y la puesta en servicio completa del refuerzo se completó en septiembre de 2002. [14]
El nuevo director Bill Thomlinson, un experto en imágenes médicas de sincrotrón, llegó en noviembre de 2002. Fue reclutado en el Centro Europeo de Radiación Sincrotrón , donde había sido el jefe del grupo de investigación médica. [15]
La propuesta de 1991 al NSERC preveía un anillo de almacenamiento de 1,5 GeV, ya que en ese momento el interés de la comunidad de usuarios se centraba principalmente en el rango de rayos X suaves. El anillo era un diseño de pista de carreras con cuatro a seis regiones de curvas que rodeaban líneas rectas con cuadrupolos adicionales para permitir funciones variables en las líneas rectas. El diseño contemplaba el uso de curvas superconductoras en algunas ubicaciones para aumentar las energías de los fotones producidos. El inconveniente de este diseño era el número limitado de secciones rectas. En 1994 se propuso una máquina más convencional con 8 secciones rectas, nuevamente con una energía de 1,5 GeV. En ese momento, más usuarios de rayos X duros estaban interesados y se consideró que tanto la energía como el número de secciones rectas eran demasiado bajos. Cuando se consiguió la financiación en 1999, el diseño había cambiado a 2,9 GeV, con secciones rectas más largas para permitir dos dispositivos de inserción por línea recta, que entregaran el haz a dos líneas de luz independientes. [16]
La construcción del anillo de almacenamiento se completó en agosto de 2003 y la puesta en servicio comenzó el mes siguiente. Aunque se pudo almacenar el haz, en marzo de 2004 se encontró una gran obstrucción en el centro de la cámara. La puesta en servicio se realizó rápidamente después de que se eliminara esta obstrucción y en junio de 2004 se pudieron lograr corrientes de 100 mA. [17]
El 22 de octubre de 2004, el CLS se inauguró oficialmente, con una ceremonia de apertura a la que asistieron dignatarios federales y provinciales, incluido el entonces Ministro Federal de Finanzas Ralph Goodale y el entonces Primer Ministro de Saskatchewan Lorne Calvert , presidentes de universidades y científicos destacados. Octubre de 2004 fue declarado "Mes del Sincrotrón" por la ciudad de Saskatoon y el gobierno de Saskatchewan. [18] Peter Mansbridge transmitió el noticiero nocturno de la CBC The National desde lo alto del anillo de almacenamiento el día antes de la inauguración oficial. [19] En el parlamento, la diputada local Lynne Yelich dijo: "Hubo muchos desafíos que superar, pero gracias a la visión, la dedicación y la persistencia de sus partidarios, el sincrotrón Canadian Light Source está abierto para los negocios en Saskatoon". [20]
La financiación inicial incluía siete líneas de luz, denominadas Fase I, que cubrían todo el rango espectral: dos líneas de luz infrarrojas , tres líneas de luz de rayos X suaves y dos líneas de luz de rayos X duros. [3] Se construyeron más líneas de luz en dos fases posteriores, II (7 líneas de luz) y III (5 líneas de luz), anunciadas en 2004 y 2006 respectivamente. La mayoría de ellas se financiaron mediante solicitudes al CFI presentadas por universidades individuales, entre ellas la UWO, la Universidad de Columbia Británica y la Universidad de Guelph [21].
En marzo de 2005, el destacado investigador en infrarrojos Tom Ellis se incorporó al CLS como director de investigación procedente de la Universidad de Acadia . Anteriormente había pasado 16 años en la Universidad de Montreal . [22]
El primer usuario externo se alojó en 2005, y los primeros artículos de investigación con resultados del CLS se publicaron en marzo de 2006: uno de la Universidad de Saskatchewan sobre péptidos y el otro de la Universidad de Western Ontario sobre materiales para diodos orgánicos emisores de luz . [23] En 2006 se creó un comité para revisar por pares las propuestas de duración del haz, bajo la presidencia de Adam Hitchcock de la Universidad McMaster . En 2007, más de 150 usuarios externos habían utilizado el CLS, [24] y las siete líneas de haz iniciales habían logrado resultados significativos. [1]
El edificio CLS también se amplió en dos fases. En 2007 se completó una ampliación de vidrio y acero para albergar la línea de luz de imágenes médicas de fase II del BMIT [25] , y la construcción de la ampliación necesaria para albergar la línea de luz de fase III del Brockhouse comenzó en julio de 2011 [26] y todavía está en curso en julio de 2012.
Bill Thomlinson se jubiló en 2008, [27] y en mayo de ese año el profesor de física Josef Hormes de la Universidad de Bonn , ex director del sincrotrón CAMD de la Universidad Estatal de Luisiana, fue anunciado como el nuevo director. [28]
El autor de ciencia ficción Robert J. Sawyer fue escritor residente durante dos meses en 2009 en lo que llamó una "oportunidad única en la vida de pasar tiempo con científicos en activo" [29]. Mientras estuvo allí, escribió la mayor parte de la novela "Wonder", [30] que ganó el Premio Prix Aurora 2012 a la mejor novela. [31]
A finales de 2010, más de 1000 investigadores individuales habían utilizado la instalación y el número de publicaciones había superado las 500. [4] Entre 2009 y 2012, varias métricas clave se duplicaron, incluido el número de usuarios y el número de publicaciones, con más de 190 artículos publicados en 2011. Se recibieron más de 400 propuestas para el tiempo de haz en 2012, con una tasa de sobresuscripción de aproximadamente el 50% en promedio en las líneas de luz operativas. En 2012, la comunidad de usuarios abarcó todas las regiones de Canadá y alrededor de otros 20 países. [5] Ese año, un grupo de secundaria de La Loche Saskatchewan se convirtió en el primero en utilizar la línea de luz educativa construida especialmente IDEAS. [32] También en 2012, el CLS firmó un acuerdo con el sincrotrón Advanced Photon Source en los EE. UU. para permitir que los investigadores canadienses accedan a sus instalaciones. [33]
Un equipo internacional dirigido por el profesor Ken Ng de la Universidad de Calgary resolvió la estructura detallada de la ARN polimerasa mediante cristalografía de rayos X en el CLS. Esta enzima se replica a medida que el virus Norwalk se propaga por el cuerpo y se la ha vinculado con otros supervirus como el de la hepatitis C , el virus del Nilo Occidental y el resfriado común . Su duplicación es responsable de la aparición de dichos virus. [6]
El científico del CLS Luca Quaroni y el profesor de la Universidad de Saskatchewan Alan Casson utilizaron microscopía infrarroja para identificar biomarcadores dentro de células individuales del tejido asociado con el esófago de Barrett . Esta enfermedad puede conducir a una forma agresiva de cáncer conocida como adenocarcinoma de esófago . [34]
Investigadores de la Universidad Lakehead y la Universidad de Saskatchewan utilizaron el CLS para investigar las muertes de marineros de la Marina Real enterrados en Antigua a fines del siglo XVIII. Utilizaron fluorescencia de rayos X para buscar elementos traza como plomo y estroncio en huesos de un cementerio naval excavado recientemente [35].
Científicos de la Universidad de Stanford trabajaron con científicos del CLS para diseñar una batería más limpia y rápida . La nueva batería se carga en menos de dos minutos, gracias a una nanoestructura de carbono recientemente desarrollada . El equipo desarrolló nanocristales de hierro y níquel sobre carbono. Las baterías tradicionales carecen de esta estructura, y mezclan hierro y níquel con conductores de forma más o menos aleatoria. El resultado fue un fuerte enlace químico entre los materiales, que el equipo identificó y estudió en el sincrotrón. [36]
Un equipo dirigido por el Politécnico de Milán , que incluye científicos de la Universidad de Waterloo y la Universidad de Columbia Británica, encontró la primera evidencia experimental de que la inestabilidad de la onda de densidad de carga compite con la superconductividad en superconductores de alta temperatura . Utilizaron cuatro sincrotrones, incluida la línea de luz REIXS en CLS. [7]
Utilizando la línea de luz de espectroscopia de rayos X, un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad Estatal de Nueva York, Buffalo, produjo imágenes de grafeno que muestran cómo los pliegues y las ondulaciones actúan como reductores de velocidad para los electrones, lo que afecta su conductividad . Esto tiene implicaciones para el uso de grafeno en una variedad de productos futuros. [37]
Una colaboración entre la Universidad de Regina y el Museo Real de Saskatchewan ha estado investigando fósiles de dinosaurios en el CLS, incluido "Scotty", un tiranosaurio encontrado en Saskatchewan en 1991, uno de los esqueletos de T-rex más completos y grandes que se han encontrado. Analizaron la concentración de elementos en los huesos para estudiar el impacto del medio ambiente en estos animales. [8]
Desde su creación, el CLS ha mostrado un "fuerte compromiso con los usuarios industriales y las asociaciones entre el sector público y el privado", y el entonces director Bancroft informó de que había recibido "más de 40 cartas de apoyo de la industria que indicaban que [el CLS] es importante por lo que hace". El CLS cuenta con un grupo industrial, dentro de la división de instalaciones experimentales, con científicos de enlace industriales que ponen las técnicas del sincrotrón a disposición de una base de usuarios "no tradicionales" que no son expertos en sincrotrón. En 2007 se habían llevado a cabo más de 60 proyectos, [9] aunque en un discurso pronunciado ese mismo año, el entonces director del CLS Bill Thomlinson dijo que "uno de los mayores retos para el sincrotrón... es conseguir que los usuarios privados pasen por la puerta", y que la industria utiliza menos del 10% del tiempo realmente.
En 1999, el entonces alcalde de Saskatoon, Dayday, declaró que "el CLS añadirá 122 millones de dólares al PIB de Canadá durante la construcción y 12 millones de dólares anuales después de eso". Un estudio de impacto económico de los dos ejercicios financieros 2009/10 y 10/11 mostró que el CLS había añadido 45 millones de dólares por año al PIB canadiense, o alrededor de 3 dólares por cada dólar de financiación operativa. [38]
El CLS ha declarado que "el principal medio para acceder al CLS es a través de un sistema de revisión por pares, que garantiza que la ciencia propuesta sea de la más alta calidad y permita el acceso a la instalación a cualquier investigador interesado, independientemente de su afiliación regional, nacional, académica, industrial o gubernamental". [21]
El entonces primer ministro Jean Chrétien visitó el CLS en noviembre de 2000 durante una parada de campaña electoral en Saskatoon. [39] Pronunció un discurso en el entrepiso del edificio después de su recorrido por las instalaciones, elogiando el proyecto por ayudar a revertir la fuga de cerebros de científicos de Canadá. [40] En agosto de 2010, la entonces gobernadora general Michaëlle Jean visitó el CLS como parte de una gira de dos días por Saskatchewan. [41] En abril de 2012, el CLS fue "visitado" de forma remota por el gobernador general David Johnston . Estaba visitando el sincrotrón LNLS en Brasil , durante una conexión en vivo, por video chat y software de control remoto, entre las dos instalaciones. [42] El 18 de enero de 2017, la ministra de Ciencia canadiense, Kirsty Duncan, recorrió el complejo. [43]
Como el reactor NRU de los Laboratorios Chalk River iba a cerrar en 2016, era necesario encontrar fuentes alternativas del isótopo médico tecnecio-99m , un pilar de la medicina nuclear . En 2011, la Canadian Light Source recibió 14 millones de dólares en financiación para investigar la viabilidad de utilizar un LINAC electrónico para producir molibdeno-99 , el isótopo original del tecnecio-99. [44] Como parte de este proyecto, se ha instalado un LINAC de 35 MeV en una sala experimental subterránea sin uso que anteriormente se utilizaba para experimentos fotonucleares con el LINAC SAL. Las primeras irradiaciones están previstas para finales del verano de 2012, y los resultados serán evaluados por el Centro de Ciencias de la Salud de Winnipeg . [45]
Este proyecto condujo a la fundación de una empresa derivada, Canadian Isotope Innovations Corporation (CIIC), que fue descrita como parte del "legado de logros" del director ejecutivo Rob Lamb cuando dejó la instalación en 2021. [46] La CIIC se declaró en quiebra en 2024. [47]
El CLS cuenta con un programa educativo, "Estudiantes en las líneas de luz", financiado por NSERC Promoscience. Este programa de divulgación científica permite a los estudiantes de secundaria experimentar plenamente el trabajo de un científico, además de tener la oportunidad de utilizar las líneas de luz del CLS.
"El programa permite a los estudiantes desarrollar una investigación activa, un fenómeno muy raro en las escuelas, y proporciona acceso directo al uso de un acelerador de partículas, algo aún más raro", afirma el profesor Steve Desfosses del College Saint-Bernard, Drummondville , Quebec. [48]
Los estudiantes de Dene de La Loche, Saskatchewan, han participado en este programa dos veces, observando los efectos de la lluvia ácida . [49] El estudiante Jontae DesRoches comentó: "Los mayores han notado que en el paisaje, donde solían crecer árboles, ya no crece ninguno. Están bastante preocupados porque la vida silvestre está desapareciendo. Por ejemplo, aquí solía haber conejos y ahora no hay ninguno". [50] En mayo de 2012, tres grupos de estudiantes estuvieron en el CLS simultáneamente, y los estudiantes de La Loche fueron los primeros en utilizar la línea de luz IDEAS. [32]
Según Tracy Walker, coordinadora de educación y divulgación del CLS, "el objetivo para los estudiantes es obtener una investigación científica auténtica que sea diferente de los ejemplos que aparecen en los libros de texto y que se han realizado miles de veces". [51] Estudiantes de seis provincias , así como de los Territorios del Noroeste, han participado directamente en experimentos, algunos de los cuales han dado como resultado una investigación de calidad publicable. [5]
En 2012, la CLS recibió el Premio de Educación y Comunicación de la Sociedad Nuclear Canadiense "en reconocimiento a su compromiso con la difusión comunitaria, el aumento de la conciencia pública sobre la ciencia del sincrotrón y el desarrollo de programas educativos secundarios innovadores y destacados como Estudiantes en las Líneas de Haz". [10]
El sistema de inyección consta de un LINAC de 250 MeV, una línea de transferencia de baja energía, un sincrotrón amplificador de 2,9 GeV y una línea de transferencia de alta energía. [52] El LINAC funcionó durante más de 30 años como parte del Laboratorio de Aceleradores de Saskatchewan [53] y funciona a 2856 MHz. La línea de transferencia de baja energía de 78 m lleva los electrones desde el LINAC subterráneo hasta el amplificador a nivel del suelo en el nuevo edificio CLS, a través de dos chicanas verticales. El amplificador de energía completa de 2,9 GeV, elegido para dar una alta estabilidad de órbita en el anillo de almacenamiento, funciona a 1 Hz, con una frecuencia de RF de 500 MHz, sin sincronizar con el LINAC. Esto da como resultado una pérdida significativa del haz en la energía de extracción. [52]
La estructura de la celda de anillo de almacenamiento tiene una red bastante compacta con doce secciones rectas disponibles para inyección, cavidades de RF y 9 secciones disponibles para dispositivos de inserción. Cada celda tiene dos imanes de flexión desafinados para permitir cierta dispersión en las rectas (la llamada estructura acromática de doble curvatura) y, por lo tanto, reducir el tamaño total del haz. Además de los dos imanes de flexión, cada celda tiene tres familias de imanes cuadrupolares y dos familias de imanes sextupolares . La circunferencia del anillo es de 171 m, con una longitud de sección recta de 5,2 m. [54] El CLS es el más pequeño de las instalaciones de sincrotrón más nuevas, lo que da como resultado una emitancia de haz horizontal relativamente alta de 18,2 nm-rad. [1] El CLS también fue una de las primeras instalaciones en chicanizar dos onduladores en una sección recta, para maximizar el número de líneas de luz del dispositivo de inserción. [24]
Las cinco líneas de rayos X de la fase I utilizan dispositivos de inserción. Cuatro utilizan onduladores de imán permanente diseñados y ensamblados en el CLS, incluido un ondulador en vacío y un ondulador polarizado elípticamente (EPU). La línea de luz HXMA utiliza un ondulador superconductor construido por el Instituto Budker de Física Nuclear en Novosibirsk . [24] La fase II agregó dos dispositivos más, incluido otro ondulador superconductor Budker, para la línea de luz BMIT. [55] La fase III agregará cuatro dispositivos más, llenando 8 de las 9 secciones rectas disponibles. El desarrollo a largo plazo incluye el reemplazo de dos de los onduladores de la fase I con dispositivos de polarización elíptica. [56]
Desde 2021, el anillo funciona en modo de recarga durante las operaciones normales del usuario, [57] inyectándose cada pocos minutos para mantener una corriente de anillo estable justo por debajo de los 220 mA. Antes de este cambio, el anillo funcionaba con una corriente de llenado de 250 mA en modo de decaimiento, con dos inyecciones por día. [4] El estado de las instalaciones se muestra en una página web de "estado de la máquina" y mediante la cuenta de Twitter de CLSFC. [58]
El CLS fue la primera fuente de luz que utilizó una cavidad de RF superconductora (SRF) en el anillo de almacenamiento desde el comienzo de sus operaciones. [24] La cavidad de niobio se basa en el diseño de 500 MHz utilizado en el Anillo de Almacenamiento de Electrones de Cornell (CESR), que permite que los modos de orden alto potencialmente perturbadores del haz se propaguen fuera de la cavidad, donde pueden amortiguarse de manera muy efectiva. [54] La naturaleza superconductora de la cavidad de niobio significa que solo el 0,02% de la potencia de RF que se introduce en la cavidad se desperdicia en calentar la cavidad, en comparación con aproximadamente el 40% de las cavidades de conducción normal (cobre). Sin embargo, una gran parte de este ahorro de energía (alrededor de 160 kW de los 250 kW ahorrados) se necesita para alimentar la planta criogénica necesaria para suministrar helio líquido a la cavidad. La cavidad SRF en el CLS se alimenta con RF desde un klistrón Thales de 310 kW.
52°08′12.5″N 106°37′52.5″O / 52.136806, -106.631250
