布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室(BNL)位于

该实验室有4项基本任务：根据美国能源部和国际科学界的需要，构思、设计、建造和运行复杂的、前沿的、面向用户的实验设施;实施前沿科学领域长期和高风险的基础科学与应用科学研究项目;开发先进的技术以满足国家的需要，并将这些技术转让给其他组织和企业界;传播技术知识，培养新一代科学家和工程师，保持美国就业人员的技术能力，鼓励大众加深对科学的了解。

该实验室的研究领域主要包括：材料物理和化学特性、环境和能源研究等。

该实验室所设置的研究部门包括：

(1)能源科学和技术部。该部门通过从事基础科学与应用科学研究开发和技术实施与应用项目，支持DOE关于确保国家具备充足清洁而且经济的能源供应目标的实现，减少能源供应中断可能会对美国造成的损害，推进替代能源和可再生能源技术，增加可供选择的能源种类，维持美国在能源供应与使用方面的主导地位。

(2)仪器部。负责开发实验室项目所需要的先进技术，研究方向包括：半导体、气体和低温探测仪器，微电子，数据采集设备，光学测量设备等。

(3)环境科学部。负责自然环境的研究工作，例如在加利福尼亚州北部以及世界很多地区设置“富集的游离CO2气体生态学研究中心”，研究空气中过量的CO2对于各种生态系统的影响。

(4)材料科学部。研究方向包括：各种超导氧化物的特性，超导体特性描述和制作，先进的永磁材料的特性，电池和燃料电池材料的合成，金属钝化和局部腐蚀的机理，水泥玻璃材料特性的研究和开发等。

功能性纳米材料中心：这里为研究人员提供加工和研究纳米尺度材料最先进的能力。其工作重点是要做到基本了解这些材料处于纳米尺度形态时如何反应。

RIKEN BNL研究中心：该中心是日本理化所建在布鲁克海文国家实验室的一个研究中心，研究的重点是相对论重离子对撞机物理计划、硬量子色动力学/自旋物理、格点量子色动力学和相对论重离子物理。

计算科学中心：这里主要通过使用最先进的计算机为从事生物学、化学、物理、应用数学、医学和纳米科学的研究人员提供分析计算能力。这里拥有庞大的Linux群簇器和两台分别有12288个处理器的QCDOC计算机。

平移神经成像中心：科学家们在了解脑在细胞水平如何工作方面已经取得重大进展。但用这一知识理解人类行为和治疗脑疾病，如进食障碍、注意缺损障碍等方面相对落后。这个中心的宗旨就是采用补充的脑成像工具网络包括正电子断层照相和核磁共振成像来解决这个差距。

放射化学研究中心：该中心采用脉冲辐解技术，通过使样品产生高能电子脉冲，研究化学反应和其他现象。这些反应由各种时间分辨光谱学方法和其他探测技术进行跟踪。该中心有新的皮秒激光-电子加速器装置，一台MeV静电加速器和一台钴-60源。

分子科学光谱学中心：该中心由BNL化学系的化学物理组、纽约州立大学石溪分校和哥伦比亚大学有关成员组成，在高分辨率激光光谱技术方面集中了国际上公认的专门技术，与理论和计算方法有强交互作用。

环境废物技术中心：其宗旨是通过采用现场技术、废物成形、地球化学、材料技术、风险评估和排除污染以及退役领域里的创新性和实用的解决办法，解决当今危险材料的管理问题。

国家核数据中心：该中心向美国和加拿大的用户提供低能和中能核物理领域里信息服务。特别是能够提供中子、带电粒子和光核反映、核结构 以及衰变数据方面的信息。

加速器物理中心：该中心是个跨部门单位，其任务是促进加速器物理的演技和教育。

布鲁克海文国家实验室

“一群”协调运动的夸克与胶子之间的关系

相对论重离子对撞机：这是一台最近完工的加速器，用来使交叉的重离子束流发生对撞，寻找一种称为夸克-胶子等离子体的物质态。

交变梯度同步加速器：这是一台直径为843英尺的粒子加速器，用来将质子和重离子加速到高能开展物理研究。辅助的装置有200 MeV直线加速器、交互梯度同步加速器增强器和国家宇航局空间辐射研究实验室。

国家宇航局空间辐射研究实验室 (NSRL)：是世界上仅有的几个能够模拟空间发现的苛刻的宇宙和太阳辐射环境的设施之一。采用从美国最好的布鲁克海文加速器引出的重离子束流开展放射性生物系学的研究。

国家同步辐射光源(NSLS)：这是一台为产生可用于研究物质精细结构的同步辐射而专门设计的加速器。在这里，通过真空窗口能够看见蓝色的同步辐射光。

串联静电加速器：被用来使物质与离子撞击，用于加工和试验目的。它们还被用来给相对重离子对撞机提重离子。

高场核磁共振装置：用于人的医学成像研究。它有一个能够产生世界上用于人体研究最高场强的4个泰斯拉的整块磁铁的核磁共振仪器。

加速器测试设备：用来研究粒子加速和产生更亮用于应用研究的X射线束流。

正电子断层照相(PET)设备：用来使脑成像，以便进行治疗人吸毒成瘾、衰老过程药物的研发。

激光电子加速器装置(LEAF)：这是BNL辐射化学研究中心的一台皮秒激光-电子加速器装置。

回旋加速器：由化学系运行，60英寸的回旋加速器和40英寸“医用回旋加速器” 用来生产用于正电子断层照相装置和核磁共振装置研究的放射性试剂。

透射电子显微镜：由能源科学和技术系运行，用于材料表征的独特探针。

扫描透射电子显微镜：由生物系运行。这是一定制的为使带有最小辐射损伤无污垢的生物分子进行优化的电子显微镜。

1987年，布鲁克海文国家实验室成为采用正电子断层照相和其他医学成像技术，研究

布鲁克海文国家实验室

布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory，简称BNL)位于纽约长岛萨福尔克县(SUFFOLK COUNTY)中部，建立于1947年，占地5300英亩。原场地为第一、二次世界大战时的美国陆军厄普顿兵营。BNL隶属美国能源部，由纽约州立石溪大学和BATTELLE成立的公司布鲁克海文科学学会负责管理，有各类职员3000人，常年保持4000客座研究人员，年度研究经费超过4亿美元。

美国能源部在BNL建立之始就将其定位为一个大型综合性研究机构，对BNL规定的四项基本任务是：构想、设计、建造和运行复杂、先进的用户装置;在科学前沿开展长期、高风险的基础研究和应用研究;发展国家需要的先进技术，并将其转移给其他机构和产业部门，以及培养新一代科学家和工程师;提高公众的科学精神。

经历了50余年的发展，BNL拥有3台开展研究用的反应堆、回旋加速器、同步辐射光源，以及强场核磁共振仪、投射电子显微镜、扫描电子显微镜、正电子断层成像仪等大批大型仪器和设备。它开创了核技术、高能物理、纳米技术等多个领域的研究，还在生物、化学、医学、材料科学、环境科学、能源科学和技术等多学科开展研究。大科学装置群的强大支撑能力和多学科交叉的环境，使BNL在发展新型、边缘科学和突破重大新技术方面具有强大的能力，取得多项令世界瞩目的重大成果，并数次获得诺贝尔奖，成为著名的大型综合性科学研究基地。

石墨研究反应堆BGRR：1950开始运行，1968年退役

高通量束流反应堆HFBR：1965年开始运行，1999年退役

医学研究反应堆BMRR：1959年开始运行，2000年退役

质子同步加速器COSMOTRON：1948年建造，1953年开始运行，1966年关闭

交变梯度同步加速器AGS：1960年开始运行，后来成为RHIC的注入器

超导加速器ISABELLE：1977年开始建设，因技术问题1983年停建，其隧道后来用于RHIC

相对论重离子对撞机RHIC：经10年预制研究和建造，2000年投入运行

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

同步辐射光源NSLS-II：2008年开始建设，计划2012年投入运行

深紫外自由电子激光DUV-FEL：1995年开始建造，2002年建成

BGRR(Brookhaven Graphite Research Reactor)是BNL的第一台大反应堆，也是二次大战后美国在和平时期建造的第一台反应堆，1947年开始建设，1950年8月投入运行。BGRR由重700吨25英尺的石墨立方体构成，铀作为燃料，功率为20兆瓦，最大中子流量约为2×1013 /厘米2/秒。其主要任务是为科学实验提供中子，改进反应堆技术。1955年，BGRR的中子通量已明显不足以支持所提出的实验。1958年BNL设计了新型的反应堆，即高通量束流反应堆(HFBR)，获得原子能委员会的批准。BGRR提供了18年(1950年-1968年)的服务后永久停机，于20世纪末彻底退役。

HFBR(High Flux Beam Reactor)的中子通量不在堆芯内达到最高值，而是在堆芯外面达到最大值，中子束流通过堆芯切线处出来的束流引出口随时可供实验人员开展研究。1965年10月31日，HFBR首次实现了自我持续连锁反应。HFBR的设计功率40兆瓦，中子通量为1.6×1015 /厘米2/秒，比BGRR高50个数量级，1982年功率提高到60兆瓦，晚期低到30兆瓦。运行30多年中通过正常的改进升级，HFBR作为可依赖的中子源在使用上创造了令人羡慕的记录，1999年永久退役。

BMRR(Brookhaven Medical Research Reactor)是美国首次专为医学研究建造的反应堆，1959年3月15日开始运行，直到2000年12月。它产生的最大中子通量为2×1012/厘米2/秒。

BNL于1948年开始建造第一台质子同步加速器，取名COSMOTRON，系世界上首台将粒子加速到10亿电子伏特级(GeV)的加速器(与簇射到地球外部大气层的宇宙线能量相同)。COSMOTRON 1953年建造成功，能量达到设计指标(3.3GeV)，是当时世界上能量最高的加速器，也是首台为在加速器之外提供实验粒子束流的同步加速器。早期为实验引出的束流流强为100亿个质子/脉冲，到1966年时流强提高了近100倍。COSMOTRON是首台产生所有已知宇宙中存在的正负介子的加速器，使发现K0L介子和第一个矢量介子成为可能。同时它还是首台产生不稳定重粒子的加速器，在实验中证实了相关奇异粒子产生的理论。因COSMOTRON在设计时存在固有的局限性而使其能量受到限制，运行14 年后于1966年关闭，1969年拆除。

随着加速器技术的发展，为将质子加速到更高的能量，BNL1960年建成了直径843英尺的交变梯度同步加速器AGS(Alternating Gradient Synchrotron)，能量达到设计指标33 GeV，用来将质子和重离子加速到高能开展物理研究。该加速器在其运行初期，束流的最高流强为3000亿个质子/脉冲，比原设计的流强高30倍。到1986年流强达到1012质子/脉冲，比设计指标高出1800倍。科学家们利用AGS开展物理实验，其中有四项实验结果获诺贝尔物理奖。美国国家宇航局空间辐射研究实验室(NSRL)利用AGS引出的重离子束流开展放射性生物学的研究。

AGS属固定靶实验，因技术原因一直无法实现加速束流的对撞，直到提出利用超导磁铁建造两个质子交叉储存环，才使束流对撞成为可能。

1975年第一块1：1的超导磁铁研制成功，其磁场强度超过了预计设计值。1977年利用此技术开始建造一台新的加速器ISABELLE，但1981年在制造超导磁铁中遇到一些难以克服的技术问题而于1983年停建。科学家们继续研究制定新的更先进的加速设计方案。

1984年提出了建造相对论重离子对撞机RHIC(Relativistic Heavy Ion Collider)的方案，使交叉的重离子束流发生对撞，寻找一种称为夸克-胶子等离子体的物质态。RHIC充分利用BNL原有的设备，将AGS作为注入器并利用原ISABELLE隧道。经过10年的预制研究和建造，RHIC于2000年投入运行，是目前世界上唯一的重离子对撞机，它可以加速从质子(250 GeV)直到金离子(100 GeV/核子)的各种离子并使之对撞。重离子从串列静电加速器(Tendem)出发，经过传输线HITL 送到直线加速器注入增强器，再送到交变梯度同步加速器AGS 加速，最后通过束流传输线ATR 注入RHIC。在RHIC 中，相互对撞的是同一种重离子，分别在两个独立的超导储存环中积累、加速、储存，并在六个对撞点交叉对撞。科学家利用RHIC研究宇宙大爆炸后早期现象，研究重离子对撞产生夸克-胶子等离子体等复杂过程。

1978年9月28日，美国能源部拨款在BNL建造专用于产生同步光的同步辐射光源NSLS(NationalSynchrotron Light Source)破土动工。NSLS分为两个储存环，小环为真空紫外环(0.8 GeV)，建于1984年，约有25条光束线，主要提供紫外、可见、红外及部分X光。大环称为X光环(2.5 GeV)，建于1986年，约有60条光束线，产生比真空紫外环能量更高的X光。NSLS每天24小时运行，产生世界一流的光束，可同时进行80个以上的不同的实验，每年为400多个学术界、工业界和政府研究机构的2500名科学家提供重要的科研手段。他们无数的研究项目每年大约出650篇论文，其中有125篇以上的论文刊登在主要的学术杂志上。

除NSLS光源外，BNL还有强场核磁共振仪、30kV投射电子显微镜、扫描电子显微镜、正电子断层成像仪、生产放射性示踪剂的回旋加速器等一大批大型仪器和设备，使BNL具备了非常强大的支撑多学科研究的能力。

NSLSII的设计渲染图

经过20年的不断改进，NSLS的性能实际上已达到极限。保持和提高NSLS用户的积极性和用户的数量，需要继续提供能够满足它们现在和将来科学上的需要，研制能提供更高的平均亮度和通量的新装置已不得不提上议事日程。这一新的装置被称为NSLS-II，它将保留构成现行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仍属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，可达到更强的X射线叠加效果，因此电子团能量级别可有所减小，轨道可相应减小，产生的X射线的亮度将比NSLS高10000倍，是先进的中能电子储存环(3 GeV)。NSLS-II的设计工作从2005年开始，2008年开始建造，计划2012年投入运行。

NSLS-II将为BNL带来新的科学机遇，它所提供的各种能力的组合将在未来几十年内将对美国主要的科学研究项目产生重大影响，例如在国家卫生研究院结构基因组、能源部基因组到生命和其他主要研究项目中起关键作用;大大提高研究凝聚态物理和材料科学的实验能力;提供范围广泛的纳米分辨率探测器，满足国家迅速增加的纳米科学计划;对决定地球和星体演化的过程提供新的解释，这些研究项目涵盖了生命科学、材料科学、化学科学、纳米科学、地球科学、环境科学等广泛的不同学科和研究领域。

2009年3月23日，美国能源部部长朱棣文访问BNL时宣布向该实验室投入1.84亿美元资金，主要用于NSLS-II的研究。朱棣文强调：对于美国的经济繁荣来说，科技的领先地位是至关重要的，这个项目不仅能为经济的短期恢复提供帮助，最重要的是向代表了国家未来的基础研究做了战略投资。

深紫外自由电子激光DUV-FEL(Deep Ultra-violet Free Electron Laser)也是研究平台型装置，1995年开始设计和建造，2002年建成。DUV-FEL利用NSLS的直线加速器，先让电子沿着直线加速器加速，之后电子通过正弦式轨迹激励磁铁(称为插入件)，同时与来自种子激光(seed laser)的光藕合，产生脉冲极强的高能光。由于这种光极为稳定，每个脉冲持续不及兆分之一秒。短暂而强烈的光使研究者得以拍下化学反应短暂分子变化过程的极速快照。

布鲁克海文国家实验室

作为一个实力强大的大型综合性研究机构，BNL取得了辉煌的科学成就。高能物理方面的成就有m中微子的发现、J/y粒子的发现、CP破坏、宇称破缺和太阳中微子研究中的先驱性工作等。在多学科研究中有利用X射线和中子开展生物样品研究这样导致结构生物学的开创性工作，用于医学的L-多巴、和铊-201、锝-99m放射性核素的发明、以及X射线心血管造影术的发展。高技术方面有

BNL形成的这种大科学装置群的强大支撑能力和多学科交叉的环境，使其在发展新型、边缘科学和突破重大新技术方面具有强大的能力。2000年美国决定大力发展纳米科学技术时，能源部迅即在几个大科学装置基地建立了5个各具特色的纳米中心，其中能为研究人员提供加工和研究纳米尺度材料最先进能力的BNL成为5个纳米研究中心之一，这正是充分利用BNL这种强大能力的有力证明。

除了纳米研究中心，BNL还建有多个研究中心，包括：计算科学中心(用最先进的计算机为从事生物学、化学、物理、应用数学、医学和纳米科学的研究人员提供分析计算能力)、平移神经成像中心(正电子断层照相和核磁共振成像等脑成像工具网络)、放射化学研究中心(拥有皮秒激光-电子加速器装置LEAF，MeV静电加速器和钴-60源)、分子科学光谱学中心(高分辨率激光光谱研究)、环境废物技术中心(解决危险材料的管理)、国家核数据中心(提供中子、带电粒子和光核反应、核结构及衰变数据的信息)、加速器物理中心(加速器物理研究)、RIKEN BNL研究中心(日本理化所建)等。BNL已经成为国际著名的大型综合性科学研究基地。