Atomic tour de force

Un tour de force atomique

Le géologue Ian Clark et son groupe de recherche utiliseront la pièce centrale et colossale du Complexe de recherche avancée – un spectromètre de masse par accélérateur – pour étudier les contaminants radioactifs, un atome à la fois.
30 septembre 2014

Il a fallu cinq conteneurs de 12 mètres de long pour lui faire traverser l’océan jusqu’au Canada depuis les Pays-Bas, où il a été construit. Une fois assemblé, il mesure 25 mètres de long sur plus de 9 mètres de large et il pèse au bas mot 44 tonnes. Il a fallu utiliser un pont roulant pour déposer ses aimants géants sur une dalle de béton de près d’un mètre d’épaisseur reposant sur 40 pieux solidement ancrés dans le roc. Bref, tout ce qui entoure le nouveau spectromètre de masse par accélérateur (SMA) du Complexe de recherche avancée de l’Université d’Ottawa, évalué à 10 millions de dollars, est surdimensionné. Ce qui est plutôt insolite puisque le principal emploi de cet appareil consiste à analyser la réalité… au niveau de l’atome.


Liam Kieser, a participé au développement de la
technologie de la spectrométrie de masse par
accélérateur. Il est directeur du SMA de
l’Université d’Ottawa.
Mention de source : Peter Thornton, uOttawa

Le tout nouveau SMA est installé dans un laboratoire spacieux et très éclairé nommé en l’honneur de feu André E. Lalonde, ancien géologue et doyen de la Faculté des sciences de l’Université d’Ottawa. Il accélère les ions à une fraction de la vitesse de la lumière avec très peu de contamination. Il permet en outre de détecter la présence de traces de radioisotopes en concentrations beaucoup plus faibles que les spectromètres de masse classiques.

« C’est toujours stimulant de travailler avec du nouvel équipement imposant, mais cet appareil est dans une classe à part », explique Ian Clark, professeur au Département des sciences de la Terre, reconnu pour son travail de pionnier sur l’utilisation des isotopes en recherche environnementale et en sciences de la Terre. « Il est facile de s’emballer - et c’est un euphémisme – en pensant à tous les nouveaux domaines de recherche qu’il sera maintenant possible d’explorer grâce à cette installation unique au Canada. »

Le SMA permet aux chercheurs de réaliser les expériences les plus pointues en recherche environnementale et de percer d’importants mystères entourant les ressources naturelles, le climat et la santé. Datation au radiocarbone des trouvailles archéologiques, surveillance de dépôt de déchets radioactifs, recherche biomédicale de pointe sur les nouveaux médicaments et en toxicologie : les applications du SMA sont nombreuses et impressionnantes.

Ian Clark est l’un des principaux instigateurs de la création du nouveau laboratoire de spectrométrie, avec le professeur de physique et directeur du laboratoire Liam Kieser. Il est particulièrement enthousiaste à propos du séparateur d’isobares, un composant du SMA conçu à Toronto et servant à régler l’un des grands problèmes de la mesure des isotopes rares : l’interférence créée par les isotopes environnants.

« Pour mesurer des isotopes, il faut les sélectionner selon leur masse, explique-t-il. Le problème, c’est que différents isotopes de différents éléments ont parfois la même masse. » Les mesures prises par spectrométrie de masse sont donc souvent faussées par des isotopes – ou isobares –, qui créent de l’interférence, ce qui rend très difficile la distinction entre deux isotopes de même masse.

Prenons par exemple le chlore 36, un isotope rare très important pour dater les échantillons hydrologiques et en retrouver la trace. Or, le soufre 36, un isotope qui se trouve à peu près partout et dans n’importe quoi – tant dans les aliments que dans l’air –, a la même masse. Il est donc extrêmement difficile d’obtenir des échantillons de chlore 36 non contaminés par le soufre 36.

Situé à l’avant du spectromètre, le séparateur d’isobares élimine ce genre de « bruit de fond » dérangeant au moyen de réactions chimiques. Il offre de nouvelles possibilités au professeur Clark et à son équipe de recherche pour mesurer des isotopes radioactifs, comme surveiller les émissions produites par l’activité nucléaire.

Dans une classe à part

  • Le spectromètre de masse par accélérateur (SMA) de l’Université d’Ottawa est le seul du genre au Canada.
  • Il mesure 25 mètres de long et pèse 44 tonnes.
  • D’une valeur de 10 millions de dollars, le SMA a été financé par la Fondation canadienne pour l’innovation, le Fonds pour la recherche en Ontario et l’Université d’Ottawa.
  • La technologie du SMA a été créée au Canada dans les années 1970 par Ted Litherland de l’Université de Toronto, puis développée par Liam Kieser et Xiaolei Zhao de l’Université d’Ottawa au laboratoire IsoTrace à Toronto.
  • Le SMA comporte deux grandes sections : l’accélérateur principal construit par la société High Voltage Engineering aux Pays-Bas et les composants conçus sur mesure pour accueillir les éléments transférés du laboratoire IsoTrace, qui sera fermé et déclassé.
  • Le SMA permet aux chercheurs et aux étudiants de faire tourner automatiquement un carrousel de 200 échantillons moyennant un entretien minimal; il est même possible de suivre la progression à distance.
  • Le laboratoire de spectrométrie de masse par accélérateur offrira des cours techniques au secteur de la spectrométrie de masse, et de la formation à des technologues de laboratoires et à des dirigeants d’entreprises de toute l’Amérique du Nord.

« C’est là un des grands avantages du SMA, le fait de pouvoir analyser nos isotopes cibles à partir d’échantillons extrêmement petits et de pousser notre compréhension des choses jusqu’aux moindres détails, explique-t-il. Donc, en cas de grave fuite nucléaire, par exemple, nous pourrons commencer à analyser non seulement la quantité de tritium qui s’accumule, disons, dans une pomme, mais aussi de quelle façon le tritium progresse dans toute la chaîne alimentaire. Grâce à notre nouvel instrument, nous pouvons maintenant diviser le mouvement jusqu’au niveau de l’atome. »

Par le même principe, Ian Clark et ses coéquipiers pourront utiliser les mesures de radionucléides dans l’environnement prises à l’aide du SMA pour détecter toutes sortes de contaminants, qu’il s’agisse des émissions nucléaires de la centrale de Fukushima ou du méthane produit par les puits de gaz de schiste.

« Si nous trouvons du méthane dans le puits d’un fermier à proximité d’un site d’hydrofracturation pour l’exploitation du gaz de schiste, nous pourrons maintenant dire si ce méthane était naturellement présent dans le sol ou s’il y est en raison d’une fuite causée par l’hydrofracturation, explique le professeur Clark. Cet appareil multiplie les domaines de recherche possibles. C’est un tout nouveau territoire qui s’ouvre devant nous. »

Cet article a été publié à l’origine dans le numéro été 2014 de Perspectives sur la recherche, une publication de
l’ Université d’Ottawa.

IMAGE PRINCIPALE : Du deuxième étage du Complexe de recherche avancée, le professeur de géologie Ian Clark surveille le spectromètre de masse par accélérateur. Le directeur du laboratoire, Liam Keiser, a contribué à développer cette technologie à la fine pointe. Mention de source  : Peter Thornton, uOttawa