布鲁克海文国家实验室的研究成果

布鲁克海文国家实验室(BNL)位于纽约州长岛萨福克郡中部,成立于1947,占地5300英亩。原址是一战和二战期间美军的厄普顿兵营。BNL隶属于美国能源部,由纽约州石溪大学和巴特尔成立的布鲁克海文科学协会管理。拥有各类员工3000人,常年客座研究员4000人,年科研经费超过4亿美元。

美国能源部自成立以来就将BNL定位为大型综合研究机构,其四项基本任务是:构思、设计、建造和运行复杂先进的用户装置;开展长期高风险的科学前沿基础研究和应用研究;开发国家需要的先进技术,并将其转让给其他机构和工业部门,以及培训新一代科学家和工程师;提高公众的科学精神。

经过50多年的发展,BNL拥有三座反应堆、回旋加速器、同步辐射光源,以及高场核磁共振振动器、投影电子显微镜、扫描电子显微镜、正电子发射断层扫描仪等一大批大型仪器设备。它启动了核技术、高能物理、纳米技术等领域的研究,还开展了生物、化学、医学、材料科学、环境科学、能源科学技术等领域的研究。科学仪器群强大的支撑能力和跨学科的环境,使BNL在发展新兴和边缘科学、突破重大新技术方面具有很强的能力,取得了许多举世瞩目的重大成果,并获得多项诺奖,成为著名的大型综合性科研基地。BGRR石墨研究堆1950开始运行,1968退役。

HFBR高通束流反应堆:1965年开始运行,1999年退役。

医学研究堆BMRR: 1959开始运行,2000年退役。

质子同步加速器宇宙加速器:1948年建成,1953年开始运行,1966年停运。

交替梯度同步加速器AGS: 1960开始运行,后来成为RHIC的注入器。

超导加速器Isabelle: 1977开始建设,但由于技术问题而停止,其隧道后来被用于RHIC。

相对论重离子对撞机RHIC:10年预制建造,2000年投入运行。

同步辐射光源NSLS: 1978开始建设,真空紫外环1984开始运行,X环1986开始运行。

同步辐射光源NSLS-II:2008年开始建设,计划于2012年投入运行。

深紫外自由电子激光器DUV-自由电子激光器:1995开始建设,高通注量反应堆HFBR于2002年建成。

HFBR(高通量束堆)的中子通量在堆芯内不达到最大值,而在堆芯外达到最大值,中子束通过堆芯切线处的束流出口随时可供实验人员使用。1965 10 10月31日,HFBR第一次实现了自持链式反应。HFBR的设计功率为40 MW,中子通量为1.6×1015/cm2/s,比BGRR高出50个数量级。HFBR的功率在1982增加到60 MW,后期低至30 MW。经过30多年的运行,HFBR作为一种可靠的中子源,在使用中创造了令人羡慕的记录,并于1999年永久退役。随着加速器技术的发展,为了将质子加速到更高的能量,BNL1960建造了一台直径为843英尺的交变梯度同步加速器(AGS),能量达到了33 GeV的设计目标,用于将质子和重离子加速到高能,开展物理研究。在其运行初期,加速器的最大束流强度为3000亿质子/脉冲,比原设计提高了30倍。到1986,电流强度达到1012质子/脉冲,比设计指标高出1800倍。科学家利用AGS进行物理实验,其中四人获得了诺贝尔物理学奖。美国国家航空航天局空间辐射研究实验室(NSRL)利用AGS诱发的重离子束进行放射生物学研究。

AGS是一个固定目标实验,由于技术原因,它不可能加速光束碰撞。直到用超导磁体建造两个质子交叉储存环的提议提出,束流碰撞才成为可能。1978年9月28日,美国能源部出资在BNL建设NSLS(国家同步加速器光源)。NSLS被分成两个储存环。小环是真空紫外环(0.8 GeV),建于1984,光束线约25条,主要提供紫外、可见、红外和部分X射线。大环叫X环(2.5 GeV),建于1986。它有大约60条光束线,产生比真空紫外线环能量更高的X射线。NSLS每天24小时运行,产生世界一流的光束,可以同时进行80多项不同的实验,每年为400多个学术、工业和政府研究机构的2500名科学家提供重要的科研手段。他们众多的研究项目每年产生约650篇论文,其中超过125篇论文发表在各大学术期刊上。

除NSLS光源外,BNL还拥有一大批大型仪器设备,如强场核磁共振振动器、30kV投影电子显微镜、扫描电子显微镜、正电子发射断层扫描仪、用于产生放射性示踪剂的回旋加速器等。,这使得BNL有很强的支持多学科研究的能力。NSLSII的设计渲染

经过20年的不断改进,NSLS的表现实际上已经达到了极限。要保持和提高NSLS用户的热情和用户数量,就必须在当前和未来继续为他们提供科学的需求,开发能够提供更高平均亮度和通量的新设备也不得不提上日程。这种被称为NSLS-II的新装置将保留构成当前NSLS研究特点的跨学科性质,同时提供新的能力以满足用户的进一步要求。

NSLS-II仍然属于第三代同步辐射光源,其波荡器采用了全新的设计和加工工艺,可以实现更强的X射线叠加效应,因此可以降低电子团簇的能级,相应缩小轨道,产生的X射线亮度将比NSLS高10000倍,成为先进的中能电子储存环(3 GeV)。NSLS-II的设计工作于2005年开始,2008年开始建设,计划于2012年投产。

NSLS-II将为BNL带来新的科学机遇,其提供的各种能力的组合将对美国未来几十年的重大科研项目产生重大影响,如美国国立卫生研究院的结构基因组、能源到生命部的基因组等重大研究项目;大大提高研究凝聚态物理和材料科学的实验能力;提供大范围的纳米分辨率探测器,以满足国家快速增长的纳米科学计划;这些研究项目涵盖广泛的不同学科和研究领域,如生命科学、材料科学、化学科学、纳米科学、地球科学和环境科学。

2009年3月23日,美国能源部长朱棣文(Steven Chu)访问BNL时,宣布将向该实验室投资6543.8+840亿美元,主要用于NSLS-II的研究。朱棣文强调,科技的领先地位对美国的经济繁荣至关重要。这个项目不仅可以帮助经济的短期复苏,还可以对代表国家未来的基础研究进行战略性投资。DUV-FEL(深紫外自由电子激光器)也是一个研究平台型装置,设计建造于1995,完成于2002年。DUV-自由电子激光使用NSLS的直线加速器沿着直线加速器加速电子,然后电子通过正弦轨迹激发磁体(称为插入物),同时与种子激光器发出的光耦合,产生具有强脉冲的高能光。因为这种光极其稳定,每个脉冲持续的时间不到百万分之一秒。短暂而强烈的光线使研究人员能够快速捕捉化学反应的短暂分子变化过程。