Tekniska framsteg beror mycket på vår vetenskapliga förståelse av det material vi använder för att bygga världen runt oss, från längre batterier till nya mediciner.

Forskare och ingenjörer förlitar sig på en komplett uppsättning verktyg för att förstå materialens egenskaper på atom- och molekylnivå, och de använder olika sonder som synligt ljus, lasrar, ultraljud, Röntgen, elektroner och neutroner. Varje verktyg avslöjar vissa egenskaper hos material, generera kunskap som vägleder för bättre förståelse och förbättringar.

Neutronstrålar är bland de mest unika, och används för att studera material och processer på subatomär nivå. Neutroner är en av de bestående delarna av alla atomer och, tillsammans med protoner, bildar en atomkärna. De erbjuder oöverträffad känslighet för ljuselement och magneter och på grund av sina unika penetrerande egenskaper kan de ge tydliga bilder av föremålens inre utan att störa dem.

Tillgång till neutroner

Vetenskaplig studie med neutroner kräver att en tillräcklig mängd produceras av specialiserade, storskaliga laboratorier. Kanada har varit en föregångare inom detta område, och majoriteten av den forskningen - mer än 120 forskningsartiklar per år med 250 kanadensiska forskare - kom från National Research Universal Reactor (NRU) i Chalk River, Ont. Dock, NRU stängdes av 2018, stoppa många vetenskapliga framsteg.

Brist på tillgång till neutroner känns djupt av forskare i Kanada, men detta är inte ett unikt problem. Globalt sett många neutronkällor är i slutet av sina livscykler, och några har nyligen stängt. Detta resursvakuum utgör en unik möjlighet för Kanada.

Kanadensiska forskare håller nu på att utarbeta en ny nationell neutronstrategi för att återuppbygga kanadensisk kapacitet för forskning med neutronstrålar. Omedelbara och kortsiktiga planer pågår för närvarande, som att samarbeta med utländska neutronkällor och använda McMaster Nuclear Reactor till sin fulla potential.

Kanadensiskt ledarskap

Nya neutronkällor kommer att stärka Kanadas ledarskap inom kärnvetenskap och teknik på lång sikt. Compact Accelerator Neutron Sources (CANS) är alternativa neutronkällor, och de vinner grepp i det globala vetenskapliga samfundet.

BÄSKOR kan byggas och drivas till en lägre kostnad och, eftersom de inte använder klyvning, det är mindre regelverk. Detta underlättar konstruktionen av CANS på platser som ett universitetscampus, göra neutronstrålar betydligt mer tillgängliga för materialforskare och öppna nya gränser för Kanada som att använda neutronstrålning för cancerbehandlingar.

Som forskare, vi har tre mycket olika användningsområden för neutroner. Drew Marquardt, en biokemist, använder neutroner för att undersöka cellmembranens strukturfunktion. Zahra Yamani är en fysikforskare som forskar om kvant och andra framväxande material, dessa material i innovativ teknik. Som strålningsonkolog, Ming Pan använder neutroner för att behandla cancer.

Våra föreslagna CANS består av tre huvudkomponenter:en protonaccelerator, en mål-moderator-enhet som gör att neutronerna och neutronstrålarna leder till instrument för forskning, industriell användning eller medicinska behandlingar.

Prisvärdhet och tillgänglighet

Det fina med CANS -tekniken ligger både i dess lägre kostnad - jämfört med andra typer av neutronkällor - och dess mångsidighet. Även om det är mycket lovande i princip, det har varit relativt få försök att implementera en mångsidig CANS på en användbar, praktisk skala. Forskare i Frankrike, Tyskland och Japan driver CANS -teknik för olika applikationer.

Tillämpningar av CANS varierar från studier av nya material till nya cancerbehandlingar. Det är här Kanada åter kan ta ledningen genom att utveckla en neutronkälla som kan möjliggöra olika aktiviteter i en anläggning:från undervisning och fakultetsledd forskning till medicin.

Nyligen, vi har initierat ansträngningar för att designa en sådan CANS som kan tillgodose det breda tillämpningsområdet som kanadensiska forskare och läkare kräver. Vårt initiativ syftar till att göra något som CANS inte har gjort:vi tänker serva både medicin och innovativ materialforskning med en toppmodern anläggning.

Medicinska tillämpningar

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) är en riktad strålcancerbehandling där neutronerna reagerar med bor som har ackumulerats i tumörer. Neutronborreaktionen producerar en form av strålning i tumörerna till cancercellerna inifrån. Med förmågan att rikta in och förstöra cancerceller samtidigt som de friska granncellerna är intakta, BNCT lovar att vara effektivt mot många former av cancer. CANS som utformas skulle underlätta det första nationella BNCT -centret i Kanada, vilket gör det till en av endast en handfull sådana centra som är utformade för patientbehandling globalt.

Utöver BNCT, den protonaccelerator som krävs för en CANS kan också användas för att producera vissa medicinska isotoper. Vi kommer att kunna producera diagnostiska isotoper för positronemissionstomografi (PET) -skanningar till lokala medicinska diagnostiska bildcentraler.

Materialforskning

Våra föreslagna CANS är avsedda att tillhandahålla neutroner till kanadensiska forskare för deras innovativa materialforskning utöver medicin. Vi kommer att bygga instrumentering som underlättar forskning om "mjuka material", allt från hur bakterier blir resistenta mot antibiotika och hur nya anticancermedel fungerar till viktiga frågor från livsmedelsindustrin om nanoskopisk mjölk.

Neutronbildningsinstrumentet vid vår föreslagna CANS -anläggning kan tjäna en mängd olika applikationer, från att undersöka brister i motorblock och turbiner till att studera vattenupptag i nya grödor eller det inre innehållet i arkeologiska artefakter.

Vi använder ett nytt tillvägagångssätt för att leverera neutroner till utredare både inom medicin för att behandla sjukdomar och inom materialforskning som alla använder samma anläggning på ett kostnadseffektivt sätt. Våra ansträngningar är den första fasen i ett program med längre räckvidd för att utveckla en så kompakt acceleratorbaserad neutronkälla. Det är dags för Kanada att - än en gång - visa ledarskap inom forskning.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.