カナダの光源

カナダの光源

設立	1999
研究の種類	シンクロトロン光源
監督	ビル・マティコ（CEO）、イングリッド・ピカリング（最高科学責任者）、マーク・ボーランド（機械部長）
スタッフ	約250
位置	サスカトゥーン、サスカチュワン州
運営機関	カナディアン・ライト・ソース社
Webサイト	ライトソース

カナダ光源施設（CLS ）（フランス語：Centre canadien de rayonnement synchrotron – CCRS）は、カナダのサスカチュワン州サスカトゥーンにあるサスカチュワン大学の敷地内にある、カナダの国立シンクロトロン光源施設です。^[1] CLSには第3世代の2.9 GeV蓄積リングがあり、建物はカナディアンフットボール競技場と同じ大きさです。^{[2]カナダの科学コミュニティによる、カナダに}シンクロトロン放射施設を 設立するための30年にわたるキャンペーンの後、2004年にオープンしました。 ^{[3]オープン以来、2つのフェーズで}ビームラインと建物の両方を拡張してきました。1000人を超える個人ユーザーを擁する国立シンクロトロン施設^[4]として、カナダ全土と約20か国の科学者が参加しています。^[5] CLSの研究はウイルス^[6]から超伝導体^[7]、恐竜^{[8]まで多岐にわたり、産業科学[9]} や高校教育プログラムでも知られています。 ^[10]

カナダにおけるシンクロトロン放射への関心は、西オンタリオ大学(UWO)のビル・マクゴーワンがその利用に関するワークショップを開催した 1972 年に遡ります。当時、カナダにはシンクロトロン放射のユーザーはいませんでした。1973 年、マクゴーワンは、カナダにおけるシンクロトロン光源の実現可能性調査を求める提案を国立研究会議 (NRC) に提出しましたが、不採択となりました。1975 年には、カナダに専用のシンクロトロン光源を建設する提案が NRC に提出されました。これも不採択となりました。1977 年、同じくUWOのマイク・バンクロフトは、米国ウィスコンシン大学マディソン校の既存のシンクロトロン放射センターにカナダのビームライン(カナダシンクロトロン放射施設(CSRF) NRC が所有し運営する CSRF は、当初のビームラインから 1998 年までに合計 3 本にまで成長しました。

カナダのシンクロトロン光源に向けたさらなる推進は、1990年にカナダ原子力公社（AECL）のブルース・ビガムが主導したカナダシンクロトロン放射研究所（CISR）の設立から始まった。AECLとTRIUMFはリングの設計に興味を示したが、設計ではサスカチュワン大学のサスカチュワン加速器研究所（SAL）が中心的な役割を担うようになった。1991年、CISRは最終的な設計検討のためにNSERCに提案書を提出した。これは却下されたが、後年、ピーター・モランド会長の下、NSERCはより協力的になった。1994年、NSERC委員会はカナダのシンクロトロン光源を推奨し、さらにNSERC委員会が設立され、サスカチュワン大学と西オンタリオ大学の2つの入札から、そのような施設を誘致する候補を選ぶこととなった。1996年、この委員会はカナダ光源をサスカチュワン州に建設することを推奨した。

NSERC が必要な資金を供給できなかったため、資金がどこから調達されるかは明らかではありませんでした。1997 年にカナダ革新財団(CFI) が設立され、大規模な科学プロジェクトに資金を提供し、おそらく CLS に資金を提供するメカニズムを提供することになりました。1998 年に、SAL ディレクターのデニス スコピック率いるサスカチュワン大学チームが CFI に提案書を提出しました。^[3]この提案では、建設費の 40% を賄い、残りの資金は他から調達するというものでした。これらの必要な資金を集めることは、「カナダの政府、大学、および業界の間で前例のないレベルの協力」と呼ばれています。^[11]ライバルである UWO の入札リーダーであるバンクロフトは、大学、サスカトゥーン市、サスカチュワン電力、NRC、サスカチュワン州政府、および西部経済多様化局から資金を獲得したサスカチュワン チームの「超人的な」努力を称賛しました。^{[3]夜遅くになってCFIは提案者に対し、SAL} LINACを提案の一部として受け入れないと伝え、その結果生じた不足分は、サスカトゥーン市議会と当時のヘンリー・デイデイ市長が、他のパートナーがそうする限り、自分たちも寄付金を倍増させると自発的に発表したことで部分的に補われた。1999年3月31日、CFIの提案が成功したことが発表された。

翌月、スコピックは米国のジェファーソン研究所に着任した。彼はサスカトゥーン研究所の所長に留まらないことを決めた。彼の専門は素粒子であり、CLSの責任者はそのような施設の利用を専門とする研究者であるべきだと主張したからである。彼の後任はマイク・バンクロフトであった^[11]。

プロジェクトの開始時に、旧SALのスタッフ全員が新しい非営利法人であるCanadian Light Source Inc.（CLSI）に異動となり、施設の技術設計、建設、運営の主たる責任を負うことになった。大学とは別の法人として、CLSIはこの責任を果たすのにふさわしい法的および組織的自由を持っていた。経験豊富なエンジニアリング会社で現在はAECOMの一部門であり、大規模な技術・土木建設プロジェクトの管理で豊富な経験を持つUMAがプロジェクトマネージャーとして雇用された。^[12]

新しい建物は既存のSALビルに隣接しており、面積は84m×83m、最大高さは23mで、2001年初頭に完成しました。^[3]

バンクロフトの任期は2001年10月に終了し、彼はUWOに戻り、マーク・デ・ヨングが代理所長に任命された。バンクロフトは2004年まで代理科学所長を務めた。^[13]

SAL LINACは改修され、2002年に再び稼働しましたが、ブースターリングとストレージリングはまだ建設中でした。^[3]ブースターリングの最初の回転は2002年7月に達成され、2002年9月までにブースターの完全な試運転が完了しました。^[14]

シンクロトロン医療画像の専門家であるビル・トムリンソン新所長は2002年11月に着任した。彼は欧州シンクロトロン放射線施設から採用され、そこで医療研究グループの責任者を務めていた。^[15]

1991 年に NSERC に提案されたのは 1.5 GeV の蓄積リングを想定したもので、当時はユーザー コミュニティの関心は主に軟 X 線領域にあった。リングは直線部を囲む 4 ～ 6 つのベンド領域と、直線部で可変機能を可能にするための追加の四重極を備えたレーストラック レイアウトだった。設計では、生成される光子エネルギーを高めるために、一部の場所で超伝導ベンドを使用することが検討された。この設計の欠点は、直線部の数が限られていることだった。1994 年には、8 つの直線部を持つより従来型の装置が提案されたが、これも 1.5​​ GeV のエネルギーだった。このとき、硬 X 線ユーザーの関心が高まり、直線部のエネルギーと数はどちらも低すぎると感じられた。1999 年に資金が確保されたときには、設計は 2.9 GeV に変更され、直線部が長くなって直線部ごとに 2 つの挿入装置が使用可能になり、2 つの独立したビームラインにビームが送られるようになった。^[16]

貯蔵リングの建設は2003年8月に完了し、翌月から試運転が開始された。ビームは貯蔵できたが、2004年3月にチャンバーの中央に大きな障害物が見つかった。これが除去された後、試運転は急速に進み、2004年6月までに100mAの電流が達成できた。^[17]

2004年10月22日、CLSは正式にオープンし、開所式には当時の連邦財務大臣 ラルフ・グッデール、当時のサスカチュワン州首相 ローン・カルバートを含む連邦および州の高官、大学の学長、一流の科学者らが出席した。2004年10月はサスカトゥーン市とサスカチュワン州政府により「シンクロトロン月間」と宣言された。^[18] ピーター・マンスブリッジは、公式オープンの前日に、 CBCの夜間ニュース番組 「ザ・ナショナル」をリングの頂上から放送した。 ^[19]議会で地元議員 リン・イェリッチは「克服すべき課題は多かったが、支援者のビジョン、献身、粘り強さのおかげで、カナダ光源シンクロトロンはサスカトゥーンで営業を開始した」と述べた。^[20]

当初の資金には、全スペクトル範囲をカバーするフェーズIと呼ばれる7本のビームラインが含まれていました。2本の赤外線ビームライン、3本の軟X線ビームライン、2本の硬X線ビームラインです。^[3]さらに、2004年と2006年にそれぞれ発表されたフェーズII（7本のビームライン）とフェーズIII（5本のビームライン）の2つのフェーズでビームラインが建設されました。これらのほとんどは、UWO、ブリティッシュコロンビア大学、グエルフ大学などの個々の大学からのCFIへの申請を通じて資金提供されました^[21]

2005年3月、赤外線研究の第一人者であるトム・エリスがアカディア大学から研究ディレクターとしてCLSに加わった。エリスはそれ以前にモントリオール大学で16年間勤務していた。^[22]

最初の外部ユーザーは2005年に受け入れられ、CLSの結果を含む最初の研究論文は2006年3月に出版されました。1つはサスカチュワン大学からのペプチドに関するもので、もう1つはウェスタンオンタリオ大学からの有機発光ダイオードの材料に関するものでした。^{[23]ビームタイムの提案を}ピアレビューするための委員会が2006年に設置され、マクマスター大学のアダム・ヒッチコックが委員長を務めました。2007年までに150人以上の外部ユーザーがCLSを使用し、^[24]初期の7つのビームラインすべてが重要な成果を達成しました。^[1]

CLSの建物も2段階に分けて拡張されました。ガラスとスチールでできた拡張工事は2007年に完了し、フェーズIIの医療用画像ビームラインBMITを収容しました^[25]。そしてフェーズIIIのブロックハウスビームラインを収容するために必要な拡張工事は2011年7月に始まり^[26]、2012年7月現在も継続中です。

ビル・トムリンソンは2008年に引退し、^[27]その年の5月に、ルイジアナ州立大学CAMDシンクロトロンの元所長であるボン大学の物理学教授ヨーゼフ・ホルメスが新しい所長に就任することが発表されました。^[28]

SF作家のロバート・J・ソーヤーは2009年に2か月間作家として滞在し、これを「現役の科学者と交流できる一生に一度の機会」と呼んだ^[29]。滞在中に彼は小説『ワンダー』の大部分を執筆し^[30] 、 2012年に最優秀小説賞のプリ・オーロラ賞を受賞した。^[31]

2010年末までに、1000人以上の研究者がこの施設を利用し、論文数は500を超えました。^[4] 2009年から2012年にかけて、ユーザー数や論文数など、いくつかの重要な指標が倍増し、2011年には190以上の論文が出版されました。2012年には、ビームタイムの提案が400件以上寄せられ、稼働中のビームラインの平均で約50%の予約超過率となりました。2012年までに、ユーザーコミュニティはカナダ全土と約20か国に広がりました。^{[5]その年、サスカチュワン}州ラロッシュの高校生グループが、教育用に特別に建設されたビームラインIDEASを初めて使用しました。^{[32]また、2012年にCLSは米国の}Advanced Photon Sourceシンクロトロンと協定を結び、カナダの研究者が施設を利用できるようにしました。^[33]

カルガリー大学のケン・ン教授率いる国際チームは、CLSのX線結晶構造解析を用いてRNAポリメラーゼの詳細な構造を解明した。この酵素は、ノロウイルスが体内に広がるにつれて自己複製し、C型肝炎、西ナイルウイルス、風邪などの他のスーパーウイルスと関連付けられてきた。その複製が、このようなウイルスの発症の原因となっている。^[6]

CLSの科学者ルカ・クアロニとサスカチュワン大学のアラン・カソン教授は、赤外線顕微鏡を使用して、バレット食道に関連する組織の個々の細胞内のバイオマーカーを特定しました。この病気は、食道腺癌として知られる悪性度の強い癌を引き起こす可能性があります。^[34]

レイクヘッド大学とサスカチュワン大学の研究者は、 1700年代後半にアンティグアに埋葬された英国海軍の水兵の死をCLSで調査した。彼らは、最近発掘された海軍墓地の骨に鉛やストロンチウムなどの微量元素が含まれているかどうかを蛍光X線で調べた^[35]

スタンフォード大学の科学者たちは、CLSの科学者たちと協力して、よりクリーンで高速なバッテリーを設計した。この新しいバッテリーは、新たに開発されたカーボン ナノ構造のおかげで、2分以内に充電できる。研究チームは、炭素上に鉄とニッケルのナノ結晶を成長させた。従来のバッテリーにはこの構造がなく、鉄とニッケルを導体とほぼランダムに混合している。その結果、材料間に強力な化学結合が生まれ、研究チームはこれをシンクロトロンで特定し、研究した。^[36]

ウォータールー大学とブリティッシュコロンビア大学の科学者を含むミラノ工科大学が率いる研究チームは、高温超伝導体において電荷密度波不安定性が超伝導と競合するという初めての実験的証拠を発見した。研究チームはCLSのREIXSビームラインを含む4つのシンクロトロンを使用した。^[7]

ニューヨーク州立大学バッファロー校の科学者が率いる研究チームは、X線分光顕微鏡ビームラインを使用して、グラフェンの折り目や波紋が電子の減速バンプとして機能し、その導電性に影響を与える様子を示すグラフェンの画像を作成しました。これは、将来のさまざまな製品におけるグラフェンの使用に影響を与えます。^[37]

レジーナ大学とロイヤルサスカチュワン博物館の協力により、CLSの恐竜 化石の調査が行われている。その中には、1991年にサスカチュワン州で発見されたティラノサウルスの「スコッティ」も含まれている。スコッティは、これまで発見されたティラノサウルスの骨格の中で最も完全かつ最大のものの一つである。彼らは、骨に含まれる元素の濃度を調べ、環境がそのような動物に与える影響を研究した。^[8]

CLS は設立当初から「産業界のユーザーと官民パートナーシップへの強いコミットメント」を示しており、当時の所長バンクロフトは「CLS の活動が重要であることを示す産業界からの支持の手紙が 40 通以上」あったと報告している。CLS には、より大規模な実験施設部門内に産業界グループがあり、産業界との連絡科学者がシンクロトロン技術をシンクロトロンの専門家ではない「非伝統的な」ユーザー層に提供している。2007 年までに 60 以上のプロジェクトが実施されたが、^[9]同年のスピーチで当時の CLS 所長ビル・トムリンソンは「シンクロトロンの最大の課題の 1 つは...民間ユーザーを獲得すること」であり、産業界が実際に利用している時間は 10% 未満であると述べた。

1999年、当時のサスカトゥーン市長デイデイは「CLSは建設期間中にカナダのGDPに1億2200万ドル、その後は毎年1200万ドルを追加するだろう」と述べた。2009 /10年度と2010/11年度の2年間の経済影響調査では、CLSはカナダのGDPに毎年4500万ドルを追加しており、これは運営資金1ドルにつき約3ドルに相当する。^[38]

CLSは、「CLSにアクセスする主な手段はピアレビューシステムを通じてであり、提案された科学が最高品質であることを保証し、地域、国、学術、産業、政府の所属に関係なく、興味のある研究者なら誰でも施設にアクセスできるようにする」と述べている。^[21]

当時の首相ジャン・クレティエンは、2000年11月にサスカトゥーンでの選挙活動中にCLSを訪問した。 ^[39]彼は施設の見学後、建物の中二階でスピーチを行い、カナダからの科学者の頭脳流出を食い止めるのに役立つこのプロジェクトを称賛した。^[40] 2010年8月、当時の総督 ミカエル・ジャンは、2日間のサスカチュワン州ツアーの一環としてCLSを訪問した。^[41] 2012年4月、総督デイビッド・ジョンストンがCLSを遠隔で「訪問」した。総督は、ビデオチャットとリモートコントロールソフトウェアによる2つの施設間のライブリンクアップ中に、ブラジルのLNLSシンクロトロンを訪問していた。 ^[42] 2017年1月18日、カナダの科学大臣カースティ・ダンカンが複合施設を視察した。^[43]

チョークリバー研究所のNRU原子炉は2016年に閉鎖される予定であり、核医学の主力である医療用同位体テクネチウム99mの代替供給源を見つける必要がありました。2011年に、カナダ光源研究所は、テクネチウム99の親同位体であるモリブデン99を電子LINACを使用して製造する可能性を調査するために1400万ドルの資金を受け取りました。 ^{[44]このプロジェクトの一環として、以前はSAL LINACで}光核実験に使用されていた未使用の地下実験ホールに35MeV LINACが設置されました。最初の照射は2012年の夏の終わりに計画されており、結果はウィニペグ健康科学センターによって評価される予定です。^[45]

このプロジェクトは、スピンオフ企業であるカナダ・アイソトープ・イノベーションズ・コーポレーション（CIIC）の設立につながり、2021年にCEOのロブ・ラム氏が施設を去った際に「功績の遺産」の一部と評された。^[46] CIICは2024年に破産を宣言した。^[47]

CLS には、NSERC Promoscience の資金提供による教育プログラム「Students on the Beamlines」があります。この科学アウトリーチ プログラムでは、高校生が CLS ビームラインを使用する機会に加え、科学者の仕事を十分に体験することができます。

「このプログラムにより、生徒は学校ではめったに見られない積極的な研究を展開できるようになり、さらにめったに見られない粒子加速器を直接利用できるようになります」とケベック州ドラモンヴィルのサン・ベルナール大学のスティーブ・デスフォッセ教師は語った。^[48]

サスカチュワン州ラ・ロッシュのデネ族の学生たちは、酸性雨の影響を調査するこのプログラムに2度参加した。^[49]学生のジョンタ・デロッシュは「年長者たちは、かつて木が生えていた場所に、もう木が生えていないことに気づいています。彼らは野生生物が消えつつあることを非常に心配しています。例えば、かつてはウサギがいたのに、今はもういません」とコメントした。^[50] 2012年5月、3つの学生グループが同時にCLSを訪れ、ラ・ロッシュの学生がIDEASビームラインを最初に使用した。^[32]

CLSの教育・アウトリーチコーディネーターであるトレイシー・ウォーカー氏によると、「学生たちの目標は、何千回も行われてきた教科書の例とは異なる、本物の科学的探究を得ることです。」^[51] 6つの州とノースウェスト準州の学生が実験に直接参加し、そのうちのいくつかは出版可能な品質の研究を生み出しました。^[5]

2012年、CLSは「地域社会への貢献、シンクロトロン科学に対する一般の認識の向上、そして「ビームラインの学生たち」のような革新的で優れた中等教育プログラムの開発」に対する取り組みが認められ、カナダ原子力学会の教育コミュニケーション賞を受賞した。^[10]

夜の中二階

入射システムは、250 MeV LINAC、低エネルギー転送ライン、2.9 GeV ブースターシンクロトロン、高エネルギー転送ラインで構成されています。^{[52] LINAC は、サスカチュワン加速器研究所[53]}の一部として 30 年以上運用され、2856 MHz で動作します。78 m の低エネルギー転送ラインは、2 つの垂直シケインを経由して、地下 LINAC から新しい CLS ビルの地上レベルのブースターに電子を運びます。蓄積リングで高い軌道安定性を実現するために選択されたフルエネルギー 2.9 GeV ブースターは、LINAC とは同期せずに 1 Hz、RF 周波数 500 MHz で動作します。これにより、抽出エネルギーでビームが大幅に損失します。^[52]

蓄積リングセル構造は、かなりコンパクトな格子構造で、12 の直線部が入射用、RF 空洞用、9 の挿入装置用セクションに使用できます。各セルには、直線部での分散を可能にするために調整された 2 つの偏向磁石 (いわゆるダブルベンドアクロマート構造) があり、これにより全体のビームサイズが縮小されます。2 つの偏向磁石に加えて、各セルには 3 つの四極磁石ファミリーと 2 つの六極磁石ファミリーがあります。リングの円周は 171 m で、直線部の長さは 5.2 m です。^[54] CLS は新しいシンクロトロン施設の中で最も小さいため、水平ビームのエミッタンスは18.2 nm-rad と比較的高くなっています。^[1] CLS は、挿入装置ビームラインの数を最大化するために、1 つの直線部に2 つのアンジュレータをシケインし た最初の施設の 1 つでもあります。^[24]

フェーズ I の 5 つの X 線ビームラインはすべて挿入型装置を使用しています。4 つは CLS で設計および組み立てられた永久磁石アンジュレータを使用しており、これには真空インアンジュレータ 1 つと楕円偏光アンジュレータ (EPU) 1 つが含まれます。HXMA ビームラインは、ノボシビルスクのBudker 原子核物理学研究所で構築された超伝導ウィグラーを使用しています。^[24]フェーズ II では、BMIT ビームライン用に別の Budker 超伝導ウィグラーを含む 2 つの装置が追加されました。^[55]フェーズ III ではさらに 4 つの装置が追加され、9 つの直線セクションのうち 8 つが埋められます。長期的な開発には、フェーズ I アンジュレータのうち 2 つを楕円偏光装置に置き換えることが含まれます。^[56]

2021年以降、リングは通常のユーザー操作中はトップアップモードで動作し、^[57]数分ごとに注入して220mAをわずかに下回る安定したリング電流を維持しています。この変更以前は、リングは減衰モードで250mAの充填電流で動作し、1日2回の注入が行われていました。^[4]施設の状態は、「マシンステータス」ウェブページとTwitterのCLSFCアカウントで表示されます。^[58]

CLSは、運用開始当初から蓄積リングに超伝導RF（SRF）空洞を使用した最初の光源でした。 ^[24]ニオブ空洞は、コーネル電子蓄積リング（CESR）で使用されている500MHz設計に基づいており、潜在的にビームを乱す高次モードを空洞の外に伝播させ、非常に効果的に減衰させることができます。^[54] ニオブ空洞の超伝導性により、空洞に投入されたRF電力のわずか0.02％のみが空洞の加熱に無駄になります。これに対し、常伝導（銅）空洞では約40％です。た​​だし、この電力節約の大部分（節約された250kWのうち約160kW）は、空洞に液体ヘリウムを供給するために必要な極低温プラントへの電力供給に必要です。CLSのSRF空洞には、310kWのタレスクライストロンからRFが供給されます。

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北緯52°08′12.5″ 西経106°37′52.5″ / 北緯52.136806° 西経106.631250° / 52.136806; -106.631250