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美国阿贡国家实验室(ANL)
时间 : 2011-03-16     

美国阿贡国家实验室(ANL)

(Argonne National Laboratory)


美国历史最悠久的国家实验室 /使命构想与价值观 / 研究计划与研究领域

国家科学用户装置 / 其他研究装置 / 成就与发现 / 荣誉与奖项


一、美国历史最悠久的国家实验室

美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL)是美国政府最老和最大的科学与工程研究实验室之一(在美国中西部最大)。阿贡实验室是1946年特许成立的美国第一个国家实验室,也是美国能源部(DOE)所属最大的研究中心之一。过去半个世纪中,由芝加哥大学下属的实验室管理分支机构UChicago Argonne,LLC负责实验室的运行。

阿贡实验室是从美国芝加哥冶金实验室(Metallurgical Laboratory)(属于第二次世界大战曼哈顿计划一部分)的基础上发展起来的。1942年12月2日,在冶金实验室,美国科学家恩里科·费米(Enrico Fermi,1901-1954)和他约有50位同事的团组在芝加哥大学施塔格场(Stagg Field)看台下的一个废弃的壁球场创造了世界上第一个受控核裂变链式反应堆。 

恩里科·费米      世界上第一个受控核裂变链式反应堆       

1943年2月底,费米的反应堆被移到遥远的库克县的森林保护区的阿贡森林区 - 为纪念在第一次世界大战中进行的一次重大战役战场欧洲森林而命名。围绕反应堆成长起来的这一小实验室开始被称为“阿贡实验室”(Argonne Lab)。

1946年,阿贡实验室正式更名为阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,简称ANL),并被赋予研制用于和平目的核反应堆的使命。20世纪40年代末,ANL迁到伊利诺伊州杜佩奇县(DuPage County)西南,距芝加哥25英里,毗邻55号州际公路,被森林保护区所环绕。ANL现有的4000名雇员中约有3200名在该1500英亩树木繁茂的场所工作。美国能源部的芝加哥工作办公室也设在这里。 

ANL伊利诺州东场所位置(图片来自google)

ANL(东场所)鸟瞰

ANL西场所占地约900英亩,位于爱达荷州蛇河谷爱达荷瀑布西约50英里处。它是ANL多数主要核反应堆研究设施的所在地,约有800名雇员在此工作。2005年,ANL(西)脱离ANL,与紧邻爱达荷州国家工程和环境实验室合并成为爱达荷州国家实验室。 

ANL爱达荷州西场所位置(图片来自google)

ANL(西场所)

ANL长期在先进核反应堆系统和技术方面领先世界,设计、建造和测试了商用反应堆的样机,这些商用反应堆目前提供美国20%的电力,还研制了为美国第一批核潜艇提供动力的海军潜艇反应堆。

多年来,ANL的研究已经扩大到包括基础和应用科学及工程的许多领域,支持能源部为美国提供一个安全,可靠和环保的能源供应的使命。该实验室目前的研发项目主要集中在能源,生物和环境系统,以及国家安全。

ANL的雇员中四分之三的人拥有博士学位。ANL的年运行经费约为6.3亿美元,支持高达200个研究项目。自1990年以来,ANL曾与600多家企业和众多的联邦机构和其他组织一道工作。

ANL的任务是,利用世界水平的科学、工程和用户设施的独特组合,提供创新研究和技术,创造新的知识,解决美国对最重要的科学和社会的需求。ANL积极寻求与工业界的合作机会,通过许可转让、联合研究和许多其他合作关系,将技术推向市场。

ANL致力于在所有活动中保护它的员工、客人和邻居。期待每一位员工、访问者、设备用户和研究合作者将安全放在一切工作的首位。没有一项工作能重要到要让安全作出让步。ANL的质量管理体系通过了ISO 9001:2000认证。

ANL预计从美国复苏与再投资法案(复苏法案)得到接近1.91亿美元的资金。这一资金的注入,使ANL能够保持和创造新的就业机会,推动关键的环境整治活动,并继续投资于促进科学、改善交通和更好地长期保护环境的技术。这些投资将能够使ANL实现科技研发的巨大潜力,帮助推动地区、州和国家的经济,并为今后的岁月提供绿色能源的未来。

 

二、ANL的使命、构想和价值观

ANL的使命:应用世界级的科学、工程和用户设施的独特组合,提供创新研究和技术。创造新的知识,以解决国家对最重要的科学和社会需要。

ANL的构想:在世界上率先为我们时代的大挑战,即丰富和安全的能源、健康的环境、经济竞争力和安全的国家,提供科学和工程解决方案。

ANL的核心价值和运作原则

¨做事必求安全做对。作为科学领导,我们拥有公众极大的信任。我们对美国人民承担的义务,要求我们安全和负责任地进行我们的研究和业务。对于常规和艰难的决定,我们将永远按道德行事,做正确的事情。

¨有目的地进行创新。因为我们的研究都有可能大大造福社会,所以我们会尽快追求发现新知识,回答今天我们国家所面临的科技挑战。

¨使赞助者满意。通过研究的质量、有效沟通、适当的财政管理和按时完成被授予的项目,超出我们赞助者的期望,我们对此感到非常自豪。

¨尊重我们的研究界。不同背景、观点和思想的融合是ANL的最大资产之一。我们欢迎研究界的多样性,和它给我们提供创造一个充满活力的学术研究环境的机会。

¨合作伙伴研究。美国当今面临不能由单个科学家,甚至单个机构解决的重大挑战。因此,我们建立合作关系,打破ANL内的学科界限,将我们的专门知识和能力与其他主要实验室、大学和公司的专门知识和能力结合在一起。

 

三、研究计划及研究领域

在基础研究与创新技术紧密联系方面,ANL被公认为成绩卓越。ANL的研究计划分为四大类:

1.基础科学

基础科学寻求解决多种多样的科学挑战。ANL处在不断变化的纳米科学革命和了解空间、时间和物质的基本特性的前沿。ANL也是以加速器为基础的科学的主要参与者,以及将高性能计算的优势扩展到其他研究领域的领导者。

2.能源资源

能源资源计划有助于确保为未来稳定提供有效和可靠的清洁能源。ANL正在开发新的先进电池和燃料电池,以及先进的电力生成和储存系统,增加美国的能源资源,确保美国的能源未来,并为提高美国和苏联设计的核反应堆的安全和寿命而工作。在国家、经济和能源安全问题的世界级计划中扮演着领导作用。

3.环境管理

ANL的环境管理计划包括解决美国的环境问题和促进环境管理。该领域的研究包括可替代的能源系统、环境风险和经济影响评估、有害垃圾场分析和整治规划、安全处理核废料,以及排除污染和使老化核反应堆退役的新技术。ANL在开发管理和解决美国环境问题、促进环境服务新方法中处于前沿。

4.国家安全

ANL在应用基础科学和应用科学为国土安全开发展新的技术方面处于领先地位。这项研究正帮助开发高度灵敏的仪器和技术,以探测化学,生物和放射性威胁,并确定其来源。其他的研究正帮助探测和阻止可能的武器扩散或实际攻击。

 

ANL的三个主要研究领域

1.能源

(1)储能:ANL开发能源转换存储系统,起动和提高电力驱动汽车和通过开发电能储存,样机和制造工艺技术,固定的存储和栅极管理,启动和提高绿色能源网,以及电力运输系统。

(2)替代能源和效率:ANL正在开发下一代替代能源,通过改进的化学燃料、先进的生物燃料和太阳能系统,以及通过燃料和发动机动态优化,促进能源的独立性。

(3)核能:ANL开发先进的反应堆和燃料循环系统 - 包括快反应堆和燃料循环技术,先进的建模与模拟方法和创新核能系统- 以安全和可持续地产生核能。

2.生物与环境系统

ANL产生综合的分子尺度、水文、经济和社会计算模型,通过宏基因组分析,蛋白质的发现,区域气候预测和综合气候,能源和经济的发现,能够对以区域为重点的生态环境和气候进行评估。

3.国家安全

通过防止大规模杀伤性武器的扩散,决策科学,新的传感器和材料,武器和网络安全,ANL提供防止和减轻具有大规模破坏潜力事件的关键安全技术。

 

四、国家科学用户装置

国家科学用户装置提供专门的仪器和技术,使科学家(特别是用户)能够开展在他们自己的实验室不能开展的实验。用户装置是国家首要研发的装置,提供其他地方没有的技术和仪器,并在同行评审的基础上与科学界共享。可提供运行时间,对计划在公开杂志上发表研究结果的科学家不收取费用。专利研究以全部成本回收为基础进行收费。以下国家用户装置建在ANL或由其负责管理:

1.先进光子源(APS)

ANL的先进光子源APS(Advanced Photon Source)为几乎所有学科的研究提供美国(事实上是本半球的)亮度最高的储存环产生的X射线束流。 

先进光子源APS

APS的X射线可使科学家们获得对地球中心和外空间以及各点之间材料的结构和功能的新知识。这项研究所获得的知识可能会影响内燃机和微电路的发展,协助开发新药和尺度在十亿分之一米的开创性的纳米技术等。这些研究会深远地影响美国的技术、经济、健康以及人类对构成世界的材料的基本了解。

APS的电子加速器和存储系统是产生高能量可用于前沿研究的X射线的首要关键。APS的5个主要组成部分为:直线加速器、增强器、电子储存环、插入设备和实验大厅。

 

APS组成部分示意图

(1)直线加速器

APS产生高亮度X射线光束始于加热至〜1100 °C的阴极发射电子。直线加速器中的高压交变电场加速电子。电场选择性的相位调整将电子加速到450 MeV。在450 MeV,电子以接近光速的速度运行(大于99.999%光速),即299792458米/秒(18.6万英里/秒)。 

APS直线加速器和它在APS的位置

(2)增强器同步加速器

电子注入到一个跑道形的电磁铁环,即增强器同步加速器中,在半秒内从450 MeV被加速到7 GeV(相比之下,照亮电视屏幕的电子束仅有25000电子伏特)。电子在以大于光速99.999999%的速度运行。加速力由四个高频腔中的电场提供。为了维持电子的轨道路径,弯转和聚焦磁铁与高频场同步提供电子的磁场强度。 

增强器同步加速器和它在APS的位置 

(3)电子储存环

7 GeV的电子注入到1104米周长的储存环-一个超过1000块磁铁及相关设备的圆形物,位于防辐射混凝土外壳内部的实验大厅内。强大的磁场将电子聚焦成一个狭窄的光束,当该光束在通过磁铁中心的铝合金真空盒中沿轨道运行时,在圆形轨道被弯转。

 

电子储存环和它在APS中的位置

在APS储存环中,磁铁的先后顺序或磁铁聚焦机构产生一个非常小尺寸和低角误差、质量备受同步辐射光源用户称赞的光束。磁铁聚焦结构也导致在储存环中形成40个直线节。其中五个直线节用于束流注入和高频设备,其余35个直线节可装备仪器,为西半球提供最亮的X射线辐射源。

(4)插入设备和亮度

为插入设备而优化的同步储存环被称为“第三代”光源。有些装置,如在加利福尼亚州的先进光源和法国的SuperACO,提供在光谱紫外线/软X射线一部分的辐射。7 GeV的APS和它的姊妹装置–建在法国的6 GeV的欧洲同步辐射装置(ESRF)和日本8 GeV的超级光子环(SPring-8),因更高的机器能量可以产生软X射线到硬X射线(穿透力更强)。 

插入装置

(5)实验大厅和光束线

APS储存环和实验大厅之间的棘轮状辐射屏蔽墙充当分界线。在实验大厅的地面上标有35个扇区。每个扇区包括至少两个X射线光束线,一个来源于储存环磁铁聚焦结构中的一块弯转磁铁处,另一个在插入设备处。所有APS扇区装备和运行后,实际上,APS在一个屋檐下有35个分散的实验室。要了解更多关于APS光束线的信息,包括图和详细说明,可在ANL网页的Find a Beamline(查找光束线)上获得。 

APS光束线示意图

Photo: Experiment Hall (empty)

实验设备安装前的实验大厅(左)和装备仪器的扇区(右) 

圆形的APS实验大厅是科学家们组装实验仪器和进行研究的地方。大厅被设计成一个封闭的周长1104米的光学试验台。大厅地板由一英尺厚的浇注混凝土组成。浇注混凝土施工中常见的做法是在混凝土路面进行均匀切割,形成独立自由移动的单独部分,减轻裂缝。APS实验大厅的地板没有切割,形成一个坚实的和统一的混凝土路面,如照片(左)所示。

稳固的实验大厅地板对APS的用户大有裨益,他们必须把实验设备调整到亚微米的公差。对地板的定期测量显示,在某些区域地板最多移动了6毫米(在其他区域少于6毫米),现在每年以0.2毫米的比例移动。这一数字包括收缩、沉降,和随着时间的推移混凝土所经历的短暂变化。

(6)实验室/办公室区域和光束线

在设计实验大厅中,APS受益于曾在其他同步辐射装置进行实验的研究人员的经验。一个教训是需要有足够的用户实验室和办公室场地。APS用户组织选择了实验室/办公室区域(LOMs),而且他们的要求很明确,即区域尽可能地靠近光束线的位置。正如下图所示,LOMs靠近实验大厅,距每个光束线仅几步之遥。

用户光束线包括晶体和/或反射镜光学器件,它们是为适应用于特定类型实验的光子束而定制的。这些光学器件从由插入设备束流携带的能量(或波长)的每百万中选择约一部分,并将这部分能量通过光束线向下传送到一个铅防辐射实验站,该实验站有进行研究的样品;可能需要进行分析和表征散射、吸收或成像过程的额外的光学器件;以及收集从X射线束与样品相互作用产生数据的探测器。

2.纳米尺度材料中心(CNM)

ANL的纳米尺度材料中心CNM(Center for Nanoscale Materials)是一流的用户设施,为跨学科的纳米科学和纳米技术研究提供专门知识、工具以及基础设施。学术界、工业界和国外的研究人员可以通过该中心的用户计划为进行非专利和专利研究访问这一中心。 

ANL的纳米尺度材料中心CNM

该中心的目标是支持基础研究和研制先进的仪器,帮助产生新的科学见解,创造具有独特功能的创新材料,大大促进有关能源的研究和发展项目的发展。影响力高的工作人员和用户科学被安置在CNM的三个主要的交叉主题上:

(1)纳米尺度材料的设计和发现

(2)能源和信息传导

(3)纳米尺度设备科学

CNM是美国能源部科学局五个致力于纳米科学和纳米技术研究的纳米尺度科学研究中心之一。它是作为美国能源部纳米尺度科技研究中心计划的一部分,根据美国能源部与美国伊利诺斯州之间的合作协议而建造的。这些纳米尺度科学研究中心由一系列的配套装置组成,为研究人员提供最先进的加工、处理、表征和模拟纳米尺度材料的能力,构成国家纳米技术计划的最大基础设施投资。

美国能源部科学局5个纳米研究中心分布图

CNM欢迎外部用户,无论是作为独立的研究者还是合作者,研究涉及广泛的科学领域,项目建议经同行评议,项目建议每年征集三次。

可到CNM开展研究,确保纳米相关研究采用跨学科方法,使思想和活动相互交流启发、成熟,并随时间推移发展成有助于塑造社会未来的科学研究和发现的途径。

CNM正在六个主要领域执行世界领先的研究项目。这些项目开发单独的纳米结构和它们的有序阵列的独特电子、磁性、结构、化学和光学特性。CNM还与ANL的其他用户装置-电子显微术中心和先进光子源一起提供使用世界领先的表征方法。作为其使命的主要组成部分,为硬X射线纳米探针光束线,该中心利用先进的光子源的亮度。它的能力和聚焦是对美国能源部其他纳米尺度科学研究中心的补充。 

CNM的六个主要研究领域如下:

(1)电子、磁性材料和器件

CNM电子、磁性材料和器件(EMMD)组的研究目的是发现、了解和利用新的电子和基于自旋的材料及几何约束现象。潜在的好处包括降低功耗、新的医疗成像和治疗方法,提高自旋电流和电场辅助书写数据存储的效率,并提高光电器件的能源转换。 

复合氧化物分子束外延设备

(2)纳米生物接口

在自然法则的指导下,为能源和信息传递、先进的医学治疗、生物传感器和新型的电子设备开发功能性地集成生物分子-无机杂合结合物及其组件。

用纳米生物技术处理恶性肿瘤

(3)纳米加工和设备

CNM电子和磁性材料及器件(EMMD)组的目标是,发现、了解和利用限制几何形状中的新电子和基于自旋的材料及现象。潜在的好处包括降低功耗、新的医疗成像和治疗方法、通过自旋电流和电场辅助书写提高数据存储效率,和提高光电设备中的能源转换。

纳米材料制备

该组的研究包括通过推进利用纳米构图中的最先进技术,加工新的纳米结构材料、纳米器件和纳米系统。

(4)纳米光子学

纳米光子学的研究目标是,通过将金属、有机、半导体和电介质材料的性能接合起来,和对化学和催化反应、光子电路、传感器和光学非线性性质形成光与物质的强耦合态,控制在纳米级的光能量和它的转化。

二氧化钛纳米管电子显微镜图像

(5)理论和建模

本组的研究提出理论、建模和计算能力,建立纳米科学的虚拟微观装配实验室,最终目标是设计具有用户规定性能的新的纳米尺度材料。实验由理论与多尺度计算机模拟进行协调,提供了解基础研究解释和预测的框架,帮助设计新的功能系统。

氧化铝膜中的白金原子

(6)X射线显微术

X射线显微术研究小组利用X射线为纳米尺度的新材料和新现象成像,特别强调硬X射线纳米探针的运作与先进光子源的合作,和提出纳米聚焦X射线光学器件的新概念。这对CNM的具体研究领域非常关键,对更广泛的纳米科学界研究纳米材料和纳米结构,特别是嵌入式结构也具有广泛用途。

X射线纳米探测束线

硬X射线纳米探测

CNM拥有5个跨领域的装置:

(1)材料合成

其合成技术包括采用自下而上的聚合物和生物模板分级组装,核壳胶体纳米粒子的合成,多肽/DNA的合成方法,复合氧化物分子束外延和PECVD纳米金刚石薄膜。

物理气相沉积设备

(2)纳米加工研究

进行纳米材料的可控合成和定向组装;光刻辅助混合结构构图;纳米材料的化学和生物功能化;电子束光刻,聚焦离子束和纳米压印构图的方法。

纳米材料制备洁净室

(3)近场探针

扫描探针隧道和原子力显微术能力阵列可用于表面、界面和磁性分析;还具有近场扫描的特点。

原子力显微镜扫描穿透显微镜

(4)专用硬X射线光束线

纳米探针光束线提供荧光、衍射和透射成像,空间分辨率为30nm或好于光谱范围3-30 keV以上。

纳米探测设备

(5)计算纳米科学

理论与多尺度计算机模拟提供了解基础研究解释和预测的框架,帮助设计新的纳米功能系统。CNM最先进的10万亿次/秒运算能力的超级计算机可容纳建模、模拟和可视化的高度并行应用。

纳米科学高效计算设备 

CNM 2009-2010年研究集锦

¨高密度,高宽比精度聚酰亚胺纳米过滤器

¨CNM科学家控制纳米机电系统的引力

¨生物功能化的磁性漩涡微型光盘

¨国产混合动力太阳能电池的目标是低成本电源

¨黄金纳米粒子声波振动阻尼

¨在原始状态的Nb掺杂钛酸锶表面进行扫描隧道显微术纳米构图

¨铁电畴纳米尺度压电响应

¨探索在纳米结构材料中的反铁磁性极限

¨ANL科学家发现新的一批多铁性材料

¨来自电解质门控碳纳米管场效应晶体管的电致发光

¨靶对脑肿瘤治疗的一种高性能纳米生物催化剂

¨超纳米金刚石微谐振器机械能量损耗

¨基于多壁碳纳米管的新的气体传感器

¨半导体纳米杂化粒子表面增强拉曼散射

¨ANL的科学家发现了新的丙烷脱氢铂催化剂

¨改进的混合太阳能电池

¨铁电薄膜逆向化学开关

¨CNM石墨薄膜研究

¨金纳米棒溶剂介导端至端组装

¨纳米级可调尺寸图案材料

¨直接探测复合氧化物界面

¨金纳米粒子在纳米线中形成可见光催化作用

¨在电铁表面进行极化调制较正

¨具有可调光学性质的超顺磁性金纳米壳

¨绿法生产环氧丙烷???

¨二维纳米超晶格的自组装动力学

¨石墨薄膜纳米构图

¨硬X射线表征粉煤灰地质聚合物

¨纳米尺度准晶的次序

3.串联直线加速器装置(ATLAS)

串联直线加速器装置ATLAS(Argonne Tandem Linear Accelerator System)是世界上第一台重于电子的超导粒子加速器。这个独特的系统是美国能源部的国家合作研究装置,对来自全世界的科学家开放。

ATLAS由一系列的加速器组成,每台加速器加速带电原子,然后将束流注入到下一节提高它的能量。束流由2个注入加速器中的一个,或是9 MV的范德格喇夫静电串联加速器或是一台称为正离子注入器的新的12 MV低速直线加速器和电子回旋共振离子源提供。从其中之一注入器来的束流被输送到20 MV增强器直线加速器,最后输送到20 MV的ATLAS电子直线加速器部分。高精度重离子束包括所有可能的元素,从氢到铀,可加速到能量达17 MeV/核子,并输送到三个之中的一个靶区。

ATLAS有以下几个重大实验设备:伽马射线球、碎片质谱仪、螺旋轨道光谱仪、Enge分极摄谱仪(pole spectrograph)、加拿大潘宁陷阱、大散射室和ATLAS原子陷阱。另外,还有供外部用户使用的辅助探测器。

ATLAS平面布置图

ATLAS的核心是超导开环谐振器。经过两年半的研制,1977年11月首次试验铌开环谐振器取得成功。铌被选为超导表面,因为它是最好的高频设备可用超导体。每个谐振器的外壳是由通过爆炸与铜结合的铌组成。该谐振器的内部组件是纯铌,在纯铌中液氦直接接触进行冷却。其结果是加速结构中大的电荷在油炸圈饼般的漂移管之间每秒来回流动9700万次。漂移管之间产生约80万伏特的电位差,该电位差可用于加速任何原子核束。1978年6月,用这些谐振器首次实现离子束加速。第二类谐振器,被称为'四分之一波'谐振器,是在1985年和1986年作为正离子注入器装置升级的一部分而研制的。

在直线加速器中,离子增加能量的方式非常类似于一个人乘在海浪的冲浪板上。如果冲浪人远离海滩,他可使他的速度与来的波浪匹配,登上冲浪板,乘浪进入海滩,当波浪闯入海滩时,随着波浪增加速度,增加速度。ATLAS直线加速器中共安排了七种不同的超导谐振器,以便加速给定速度的粒子,并与被加速场保持同步或同相。通过调整它们的相对射频相位,这种谐振器阵列可以调整到一个广泛有效的速度。ATLAS中的谐振器能够开始加速不到光速('c')1%的粒子,并将那些粒子加速到高达约'C'的15%。ATLAS中的每个谐振器相对较小,并独立控制。这种不寻常的独立控制每个谐振器的能力,可通过ATLAS使我们能够调整加速电磁冲击波的有效速度,使任何离子,无论质量如何,都可以加速。

ATLAS的电子回旋共振离子源

当电磁冲击波经过时,ATLAS离子源提供一个束团内有1000到10000个的离子,这些离子必须“跳”到波上,以通过直线加速器。虽然每个束团中的离子可能会从同一点开始,但它们通常会走稍微不同的方向。在整个ATLAS,始终利用磁场引导这些带电粒子束流,迫使它们走人们所希望的方向。在直线加速器中,这些磁聚焦场由散置在谐振器之间的超导螺线管提供。

ATLAS的束流可以进入三个不同的实验区,这三个实验区均充分装备了核物理和原子物理精确研究所需的仪器。在原来的第二区,这些仪器包括一个65英寸的散射室,一个进入加拿大潘宁陷阱中的30吨的磁谱仪,一个18英寸的散射室和一条通用光束线。第三和第四实验区有类似但更先进的设备,包括有鍺酸铋(BGO)闪烁体阵列的伽玛射线仪器设备和康普顿抑制锗光谱仪,一个能够支持大面积粒子探测器和提供长粒子飞行路径的大型散射室设施,第二个大型磁谱仪,称为碎片质量分析仪(FMA)10米长的质量分离器,一条原子物理光束线和两条通用光束线。

碎片质量分析仪FMA

自1978年ATLAS装置模型第一次成功加速离子束以来,ATLAS一直在为世界范围的核物理和原子物理研究计划提供独特和强大的束流增加和扩大能力。ATLAS的建造一直持续,直到最近与装置为研究运行平行进行。作为用户装置,ATLAS已为研究界提供了超过5.5万小时的束流。在那段时间,来自美国和18个国家的94个研究机构的物理学家参加了在ATLAS上进行的实验。ATLAS最近的改进是发展了正离子注入器(PII)。PII项目于1992年完成,使ATLAS能够提供包括最重的原子束流,包括铀,大幅度增加了可用更轻的离子束流。我们不希望ATLAS的发展已经走到了尽头。ATLAS类似于一个活的有机体,改变和应对新技术挑战和研究的需要。ATLAS的工作人员正在研究产生不稳定(即具有放射性)原子的可能性。通过在ATLAS上增加一个新的东西,可将这些不稳定原子加速,然后注入到现有的ATLAS直线加速器,以便开展广泛研究领域里的研究。这种束流将是极其宝贵的,例如,在核天体物理研究中 - 试图了解构成宇宙和我们自己的元素的起源和丰度。

4.超级计算设施(ALCF)

ANL的超级计算设施ALCF(Argonne Leadership Computing Facility)到2012年将升级为一台Mira超级计算机。Mira是IBM蓝色基因/Q超级计算机,每秒运行10千万亿次,它将给科学家们提供科学发现的一种新工具。Mira用于广泛的研究,包括设计超高效率的电动汽车电池,预测流体流动和先进核反应堆设计中的热对流交换,了解全球气候的变化,提高燃烧效率,和探索宇宙的演化。

计算和超级计算对解决最大的科学挑战至关重要。这次升级将有助于解决复杂的建模和模拟能力,对促进美国的经济繁荣和提高其全球竞争力是必不可少的。

ANL现有的超级计算机Intrepid是IBM蓝色基因/P型机,它的运算速度每秒超过500万亿次;Mira每秒运算10千万亿次,快于前者20倍。

ANL的IBM蓝色基因/P型机

像它的前身一样,Mira将被研究人员用于进行科学挑战方面的工作,这些科学挑战可以通过高性能的超级计算机能力加以解决。Mira INCITE的经费由能源部科学局先进科学计算研究(ASCR)处提供,计算机的时间通过公开、同行评审的竞争过程判给,这一过程被称为创新和新颖计划影响理论与实验(INCITE)计划。

高性能计算已经彻底改变了ANL如何研究新的材料,了解在亚细胞水平或甚至原子水平的生物有机体,设计新颖、安全可靠的能源来源。在与IBM和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的合作中,ANL成功地设计了一个系统,能够对科学有新的见解,同时还功率高效。ANL的目标是为科学界部署最先进的系统,同时还以负责任和环保意识的方式运行这些系统。

除了是世界上最快的超级计算机之一外,Mira在建造和安装完成后,也将是最环保的高性能计算机之一。早些时候,ALCF因为其目前系统所设计的创新能源冷却系统获得环境可持续性(EStar)奖,预计通过采用新的芯片创新设计和非常有效的水冷却组合,Mira的能力将变得更大更友好。

ALCF工作人员准备2012年交付MIra。在开始运行之前,ALCF将进行早期科学计划,旨在让研究人员从事精细调它们的代码,找到影响Mira功率的最有效方式。因为拥有超过75万个单独运算核心,科学家们将不得不扩展其当前的计算机代码,以充分利用新系统不可思议的能力。早期科学计划将要取得的进展意味着,Mira安装后不久研究人员将能够取得激动人心的/突破性的科学和工程成果。从来自世界各地的项目中,已选定16个项目参加早期科学计划,跨越代表ALCF当前和预测的计算工作量相当大比例的应用,包括交通的能源效率、氢能系统、先进的发动机设计和能源技术的催化剂。

ALCF致力于通过大规模的计算促进科学和工程的进步,打造ANL高性能计算的实力。

5.大气辐射测量气候研究装置(ACRF)

大气辐射测量ARM(Atmospheric Radiation Measurement)气候研究装置(Climate Research Facility)是美国能源部的科学用户装置,用于国内和国际科学界对全球气候变化的研究。

ARM的阿拉斯加北坡站

大气辐射测量(ARM)项目1989年立项,资金由美国能源部提供。该项目要发展几个装备高性能仪器的地面站,研究云的形成过程及其对辐射传输的影响。这一科学的基础设施现在包含两个移动装置,一个空中装置和供全球科学家通过ARM气候研究装置利用的数据档案文件。

由美国能源部科学局发起、生物和环境研究局管理的ARM是一个多实验室、部门间的项目,是国家和国际相关研究全球气候变化努力的重要关键贡献者。该用户装置对提升对广泛的跨学科地球科学的认识具有巨大潜力。它的一个主要目标是,提高对云和大气中的辐射反馈过程之间相互作用相关的基础物理学的科学认识。ARM的重点是取得连续的现场测量结果,并提供数据产品,促进气候模型的发展。

ACRF分布示意图

该项目的最初几年,工作重点是建立实地研究场所,研制和采购仪器,开发大气检索和评估模型的技术。

为了获得最有用的气候数据,分别选择了代表范围广泛天气条件的三个主要地点。在俄克拉荷马州南部的大平原站点提供气候云类型和地表通量性质的广泛可变性,以及温度和具体湿度很大的季节可变性。阿拉斯加北坡的站点正提供高纬度地区有关云和辐射过程的数据,高纬度已被确定为对气候变化最敏感的地区地区之一。由于在这个星球上始终最温暖的海水表面温度(简称太平洋“暖池”),热带西太平洋区域经历分布广泛的对流云。海洋表面温度和对流模式在这一地区的变化,在全球气候系统观测到的年际变化中起到很大的作用。

ARM的移动装置

另外,ARM的移动装置包含有多数像永久站点那样相同的仪器,可以支持不同气候区内的短期(最多一年)实验。ARM航空设备机载测量自1993年以来已成为ARM一个不可或缺的测量能力,并在密集的实地活动或在长期定期飞行中利用各种空中平台和仪器。

ARM的空中设备G-1飞机

自1996年以来,南部大平原的ARM站点已保持了世界上运行为数不多的几个拉曼激光雷达之一。现在,由于从美国复苏与再投资法案获得资金,ARM热带西太平洋站点即将加入该组。由新墨西哥州桑迪亚国家实验室建造的新的拉曼激光雷达,运往澳大利亚的达尔文。

Optics contained inside the Raman lidar shelter guide backscattered laser radiation in order to measure signals collected by the telescope.

在拉曼激光雷达隐蔽处的光学设备引导反向散射激光辐射,目的是为了测量望远镜收集的信号

拉曼激光雷达(光探测和测距)利用激光辐射脉冲探测大气。望远镜收集返回的反向散射辐射,实验室方舱内的光学仪器利用辐射衍生时间和海拔高处分辨的大气水汽、气溶胶、云和温度轮廓。系统安放在两个独立的方舱内;一个作为实验室的场地,另一个包含诸如采暖通风与空调服务和电源调节的这样的支持系统。

新的激光雷达几乎与南部大平原站点的拉曼激光雷达相同,该雷达也是由桑迪亚国家实验室研制的。作为复苏法案活动的一部分,桑迪亚国家实验室还在利用为新的激光雷达所开发的更新的技术对南部大平原的激光雷达进行升级改造。

6.电子显微术中心(EMC)

ANL电子显微术中心EMC(Electron Microscopy Center)的任务是:

(1)利用先进的微结构表征方法进行材料研究;

(2)为ANL和国内科学界提供独一无二的资源和装置;

(3)通过促进发展在仪器仪表、技术和科学专门知识方面最先进、相互促进的资源,发展和扩大微量分析的前沿。

EMC开展自己的研究,也参加ANL材料科学部、其他部科学家以及全世界研究人员、教育工作者和学生们的合作项目。

EMC具有开发和维护电子束表征的独特能力,并用这些能力解决材料问题。EMC的工作人员与材料科学部、ANL其他部的成员,以及来自大学和其他实验室的合作者开展合作研究。另外,EMC的专门知识和设备还为国内和国际研究人员服务。EMC强调三个主要领域:材料研究;技术和仪器仪表的研制;并作为国家研究装置进行运行。EMC研究人员的研究包括以显微术为基础对高温超导材料的研究,在金属和半导体中的辐射效应,相变和处理加工薄膜中界面的相关结构和化学研究。

腐蚀合金的研究

EMC的资源

EMC目前运行和管理7个全日制用户仪器和包括样品制备、图像分析和计算资源的支撑设施。以下根据其功能和能力进行分组,有关用户可通过网络的链接了解详细信息。具有重大能力的仪器,一般通过分配进行使用,而核心仪器一般则可连续使用。

重大能力的用户仪器:

(1)色差校正透射电子显微镜(ACAT)

FEI Titan 80-300 ST显微镜以前专门用于为透射电子光行差校正显微镜项目进行测试和评估CEOS Cc 校正软件和硬件。在2010财政年度,ANL将这个透射电子显微镜转变成为用户研究仪器和先进显微术的开发平台。该仪器被用来为电子显微术中心提供新的功能,如表征隐藏接口和研究位移低于损伤阈值低电压时硬/软材料的三维化学成像。

ACAT提供一个采用新概念的平台,如采用洛伦兹成像色差校正的可能性,以获得结构的原子尺度分辨率和在同一时间各向场的纳米尺度分辨率。另外一个需要探讨的领域是,将一个相位盘包括在色像差校正显微镜中,以提高对比度。

(2)FEI Tecnai F20ST 透射电子显微镜/扫描透射电子显微镜

Tecnai是电子显微术中心现有主要的分析透射电子显微镜(AEM)。专门配件包括一个电子全息术的旋转双棱镜,一台后柱Gatan GIF2000 100万像素的CCD电子能量损失谱(EELS)和能量过滤成像(EFI)的相机,一台Gatan Ultrascan 4000的数码相机(160万像素),能使电子全息和普通成像。扫描透射电子显微镜的能力能使HAADF成像和XEDS/EELS光谱成像。样品冷却和加热固定盒也可提供。

(3)Zeiss1540XB FIB扫描电子显微镜

1540XB是电子显微术中心特定场地透射电子显微镜样品制备、三维数据获取、纳米加工和处理、以及其他先进用途的平台。电子和离子同时扫描提供独特的成像和加工机会。

(4)中间电压透射电子显微镜(IVEM)-串联设施

这个独一无二的的设备包括一台中间电压透射电子显微镜(IVEM),一台与两个离子加速器接口的日立H - 9000NAR。这种组合可在现场观察离子束的更改和辐射效应。此外,许多台、架支撑物可允许在现场进行各种实验,研究范围从使用液氦台的低温研究到利用高温台的高温研究。离子束加速器可单独用来对其他项目进行离子束辐照/植入和分析。

核心用户仪器:

(1)FEI CM30T分析透射电子显微镜(AEM)

(2)Hitachi S-4700-II高分辨率,高真空扫描电子显微镜

(3)FEI Quanta 400F高分辨率环境和变压扫描电子显微镜

用户支撑设备:

(1)样品制备

样品制备是电子显微术的重要组成部分。EMC保持着一批标准的样品制备功能,用户可以利用。虽然希望用户自己进行样品制备,但EMC或材料科学部的其他的工作人员可提供专业知识和指导。

(2)图象分析实验室

EMC的成像实验室提供图像处理和分析的资源。该中心有计算机和工作站,有进行图像仿真、建模、处理和分析的商业软件,还有图像处理输入和输出设备。

在建大型设备:

亚埃显微术和微量分析设备(SÅMM)

为了迎接未来的科学挑战,EMC已经建立了一个新的现代化的先进电子显微镜实验室场所。新大楼的设计,意为下一代的科学提供通过改造现有设施所达不到的运行环境。EMC的员工了解尽可能多的来自世界各地类似的工作,包括达斯伯里(Daresbury)的SuperSTEM建筑、Triebenberg专门实验室,橡树岭国家实验室的航空材料实验室、美国国家标准技术研究所的新的建筑物、以及各种纳米科学设施。SÅMM(Sub-Angstrom Microscopy and Microanalysis Facility)在设计上类似橡树岭国家实验室的航空材料实验室。四个新的仪器室已建在单独、孤立的混凝土路面上。每台仪器都有自己的控制室,仪表和控制室完全与建筑外部隔离。维护生态环境的设备位于一个单独孤立的建筑物内,以防止机械和声学振动干扰仪器。仪器的建筑物设计考虑尽量减少交流电磁场,减缓机械振动传输,消除噪声的传入,并尽量减少在仪器上的空气流动。SÅMM由美国能源部和ANL共同投资,曾获得联邦“绿色建筑”奖。

SÅMM外景

透射电子像差校正显微镜(TEAM)

像差校正电子光学仪器开创性的发展,创造了通过先进的透射电子显微镜直接观察个别纳米结构的原子尺度顺序、电子结构和动力学前所未有的机会。可以预见,在未来数年内,可建造呈现具有单原子灵敏度深亚埃分辨率,及提高时间和能量分辨率的像差校正电子显微镜。开发和维护这种像差校正电子显微镜的大量开支,超出单个研究人员甚至大学中心的能力。

为了应对这一需要,能源部电子束微表征中心提出开发围绕像差校正光学仪器建造的新一代先进电子显微镜。TEAM(Transmission Electron Aberration-corrected Microscope),即透射电子像差校正显微镜,作为一个合作建议启动,涉及五个美国能源部所支持的国家实验室的电子束显微术的工作,这五个国家实验室分别是:阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、橡树岭国家实验室、以及位于弗雷德里克塞茨材料研究实验室。该TEAM项目的构想是,通过消除直到目前仍限制电子显微术的约束条件,提供一个在可调谐的电子光学环境中电子散射实验的样本空间。分辨率的改善,增加周围的样本空间,以及设置外来电子光学仪器的可能性,将能够进行新类型的实验。

TEAM合作示意图

7.交通运输研究和分析计算机中心(TRACC)

美国交通运输部(USDOT)与ANL合作,在伊利诺伊州芝加哥西杜佩奇国家科技园建立了高性能计算和工程分析研究设施。美国交通运输研究和分析计算机中心TRACC(Transportation Research and Analysis Computing Center)为交通运输研发界提供最先进的大规模并行计算机系统、先进的科学可视化能力、高速网络连接和现代工程分析软件。

交通运输模型

TRACC和它的项目因最先进的设备和设施得以运作。TRACC项目的关键基础设施组成部分是ANL伊利诺伊大学合作伙伴的高性能计算集群、先进的可视化和合作资源、以及与ANL主场所的高带宽连通性。该TRACC的计算、网络和设施的基础设施已经在靠近杜佩奇机场的杜佩奇国家科技园(DNTP)实现。项目组和合作组的办公室场所位于杜佩奇机场管理局(的DAA)飞行中心,非常靠近DNTP的交通实施。美国伊利诺斯(UI)大学是TRACC项目中一个关键的技术合作伙伴,在TRACC项目工期内,它已借给了约150万美元的先进可视化和网络设备。

TRACC与其他美国交通运输部的研发设施、州的交通运输部门和大学交通运输研究中心相连。ANL的TRACC伙伴是伊利诺斯大学和北伊利诺斯大学。

 

五、其他研究装置

ANL有许多实验室和研究装置对来自工业界、学术界和其他国家实验室的外部用户开放,基于成本回收进行收费。在谈判的基础上,根据用户的意愿,研究的成果可为专利或在公开杂志上发表。建在ANL并可提供给研究人员的实验室和装置有:

2 MeV的直线加速器;3 MeV范德格喇夫加速器;锕类装置;先进的计算试验台;先进的动力传动试验装置;气溶胶实验室;分析化学实验室;大气边界层实验;大气场测量装置;自动碎纸机残留实验室;基础能源科学同步辐射中心;电池测试设备;钴60源(20000居里);柴油发动机试验设备;区域加热和冷却模拟器;电气化学能量储存;电渗析试验设施;电子显微镜实验室(ANL西部所址);工程开发实验室;环境促进破裂实验室;泡沫浮选分离试验装置;燃料电池试验设备;燃料调节设备;一般内科和癌症研究所合作团队(GM/CA-CAT);

高温腐蚀试验设备和高压金属粉尘测试设备;高温电解质炉设施;热燃油检测设备;辐照材料实验室;激光应用实验室;激光实验室;磁成像设备;磁共振成像设备;熔体侵蚀和冷却能力实验(MACE);微型质谱仪实验室;毫米波实验室;中子放射线照相术反应堆;非破坏性评估实验室和测试设备;非破坏性评估试验加载架设施;非破坏性评价显微镜设备;优质煤样品试验设备;动力传动和排放实验室;原型阴极处理器;脉冲电子直线加速器;研发试验和鉴定稀释装置;反应堆模拟装置;机器人实验室;安全分析培训中心;芒硝设施试验场;钠封堵试验回路;钠反应堆实验测试设备;蒸汽发生器传热管完整性设施;结构生物学中心;超临界二氧化碳实验回路;透射电子显微镜和扫描电子显微镜;摩擦学实验室。

 

六、成就和发现

作为美国的第一个国家实验室,ANL进行广泛的跨学科的基础和应用科学研究,从高能物理到气候学和生物技术。自1990年以来,ANL曾与600多家企业和众多的联邦机构和其他组织合作,帮助提升美国的科学领先地位,并使美国为未来做好准备。以下是ANL对美国能源安全、经济安全和国家安全作出的最重要贡献。

能源安全

¨高温冶金处理废反应堆燃料

¨示范固有的安全核反应堆

¨示范封闭核燃料循环

¨紧凑的重整炉将汽油转化为燃料电池用的氢

¨GREET软件评估先进的车辆技术和新的燃料

¨近乎无摩擦的碳光滑度数倍于特氟纶

¨美国第一根高温超导金属丝

¨核电照亮的第一座城镇

¨产生可用量电力的第一个核反应堆

¨率先和平利用核能

经济安全

¨网格计算和Globus工具包

¨经济地有效回收汽车塑料

¨超纳米金刚石薄膜和其他纳米技术

¨非破坏性检测技术

¨Grancrete公司承诺低成本的世界上的穷人住房

¨受激准分子激光手术

¨防飞行时差反应饮食

¨帮助建立下一代的科学和技术劳动力

国家安全

¨保护预警系统防止化学和生物袭击

¨同步矩阵应急响应软件

¨出口管制有助于防止大规模杀伤性武器扩散

¨生物芯片检测和识别有毒化学和生物制剂

¨研究和试验反应堆降低铀浓缩

¨核潜艇反应堆

 

几十年来的成就:

1.生物学

(1)生物体及其节律

在ANL,生物科学方面的研究一直是跨学科的工作。核物理和分子物理学家以及化学家小组与生命科学家一道工作,研究癌症的成因和潜在的治疗方法及对生物系统的辐射效应。冶金实验室后为ANL的科学家,率先开展辐射领域的研究。这里介绍的历史亮点包括嗜热的细菌、导致ANL研制出抗飞行时差反应饮食的昼夜节律的研究、开创性地对工作上受到辐射的人的研究、以及对癌症的原因和起源的早期研究。

1954年8月,在ANL设计了由碳弧光源、反射镜和衍射光栅三部分组成的光谱摄制仪。它是美国同类仪器中最大和最通用的光谱摄制仪。在这台光谱仪上,光被分成不同的波长,以产生一个从不可见紫外线到不可见红外线的完整的颜色波段。现在可以获得辐射能与原生质相互作用的数据。该光谱仪是ANL创新性研究昼夜节律,调节基本生命功能的细胞中时钟般周期的一种重要研究工具。

1953年,ANL的生物学家们首次证明在单个原生动物细胞中存在生物钟。他们还说明,该时钟可被光打乱和复位。这一突破性的发现导致1982年设计和研发出ANL的抗飞行时差饮食和养生之道,以纾缓跨洲际旅行和轮班工作的影响。

ANL抗飞行时差反应饮食被经常乘坐飞机的旅客继续广泛采用,一个新的网站每年为成千上万旅客免费提供有关这一饮食的信息。

(2)开辟新的研究领域

金属实验室一个异常重要的现象是辐射-从来没有过这么多的人聚在一起从事放射性材料的工作。到1942年中期,对动物进行的辐射效应研究工作全面展开-并创造出“保健物理”这一术语。

ANL继续进行开拓性的工作。早期进行的超铀元素、裂变产物和其他放射性同位素的研究,导致产生保护接触到这些新材料的人的国际辐射标准和从体内去除放射性材料的现有方法。现在很少看到人类体内有大量的放射性物质。然而,在以前的几十年内,相当多的人在工作中摄入镭。

在ANL研究的人群中,其中有发光刻度盘的油漆工,他们使用自己的嘴唇点装有镭的刷子。他们经历了不寻常的高比率骨癌。这些和许多辐射危险被认识之前受到辐射带有机体放射性积存量的许多其他人,被纳入ANL开创性研究的人群中,以确定在人体内允许放射性物质的最高水平。

ANL对镭刻度盘油漆工早期的研究,对保护暴露于放射性物质的人类的国际标准作出贡献

ANL第一个测量人体内放射性的设备是一个“铁房”,在这个“铁房”内,在20世纪50年代。对人进行美国最敏感和准确的辐射检测。这些试验使科学家们能够确定人体内极小量(一克镭的十亿分之一)放射性物质的数量、地点和身份。类似的设施后来被用于世界各地。

20世纪50年代开发和广泛用于模拟的设备是“铁室”,它是ANL第一个测量人体放射性的设备

在极端的温度和酸度条件下茁壮成长的生物体是生物学家Jonathan Trent的兴趣所在。这些被称为嗜热古细菌的生物体,看起来像细菌,但并非如此。它们生活在火山热泉和地壳的某些区域,那里的条件让人想起原始地球的样子。事实上,据信这些生物体类似这个星球上某些最早期的生命。嗜热古细菌中的蛋白质已经适应了它们称之为家园的苛刻环境。ANL的科学家正在研究这些蛋白质,以发现新的工业和生物技术工艺,并确定在法医学和癌症治疗中的用途。

修改辐射效应的尝试导致开发出第一个成功抗X射线的保护剂、清除体内放射性金属的技术和对组织移植和免疫系统的深入研究。细胞转化系统被用来研究受促进剂或抑制化学剂作用后的致癌过程。制定了化学预防研究项目,以降低患者接受放射线治疗后患癌症的风险。

ANL还在光生物学中发挥领导用,特别是在近紫外辐射的致命细菌和诱变效应研究中。ANL的科学家们首先进行受近紫外辐射遗传效应的深入研究。研究的结果对评估受太阳辐射或在医学和工业中采用人造光作用后的效应至关重要。

在极端的温度和酸度条件下茁壮成长的生物体是生物学家 Jonathan Trent(上图)的兴趣所在。这些被称为嗜热古细菌的生物体,看起来像细菌,但并非如此。它们生活在火山热泉和地壳的某些区域,那里的条件让人想起原始地球的样子。事实上,据信这些生物体类似这个星球上某些最早期的生命。嗜热古细菌中的蛋白质已经适应了它们称之为家园的苛刻环境。ANL的科学家正在研究这些蛋白质,以发现新的工业和生物技术工艺,并确定在法医学和癌症治疗中的用途。

(3)发现癌症的成因与起源

一组生物学家负责寻找骨肿瘤病毒,于1965年发现了一个在小鼠体内产生肿瘤的过滤性因子。这一发现在已知病毒产生恶性肿瘤的词汇中增加了一个新的肿瘤,以及强烈暗示所有癌症的病毒源。1975年,该小组分离出两个骨肿瘤病毒,进一步加强了病毒可能在癌变骨肿瘤形成中的作用的假设。

与此同时,其他癌症的研究也取得了决定性的进展。1962年,ANL的生物学家们发现,血液中的白血球只占在骨髓中制造的白血球的很小部分,这是了解白血病的一个重要线索。1969年,骨癌患者的两个相关异常血液和尿液中的蛋白质被分离和结晶。这是第一次免疫球蛋白结晶。作为一个重要的突破特点,第一个免疫球蛋白的结晶是ANL研究的一部分,它大大提高了人类在分子水平上对免疫反应的理解。ANL生物学家还首次证明了氨基硫醇介导的基因表达和对DNA合成的影响。

2.化学

冶金实验室的化学家们对实现连锁反应起到关键作用。在20世纪40年代初,生产超铀元素处在起步阶段。冶金实验室的化学家们曾承担有希望从铀中分离钚以利用令人敬畏的新能源这一看似不可能完成的任务。这种创新的早期记录一直继续到今天。这里介绍的历史亮点,包括发现人造元素,创造世界上第一个诺贝尔气体化合物,发现水合电子,以及有机化合物和蛋白质的开创性研究。

(1)人造元素

ANL的化学家们除生产超铀元素外,还生产超钚元素,并参与它们的发现。在20世纪50年代,实验室的化学家们共同分别发现人造元素99、100和102、锿、镄和锘。102元素的发现是国际上努力的结果。1957年初,在诺贝尔研究所发现,通过用回旋加速器中加速的碳离子轰击锔,产生102元素。ANL的化学家们还对这些元素和它们同位素的产生、分离和表征作出独特的贡献。

芝加哥反应堆-1生产钚

冶金实验室的化学家们曾承担有希望从铀中分离钚以利用令人敬畏的新能源这一看似不可能完成的任务。

(2)惰性气体

1962年,ANL的科学家们成功地进行了三个以前认为不可能的化学反应。他们将被认为是惰性的和非反应性的“惰性气体”氙与高活性元素氟结合生产四氟化氙。这是一个重大发现,揭开了一个全新的化学键研究领域。冶金实验室的化学家们还确定,另一个惰性气体氡能够生产化学物质。随着在惰性气体化学中的这些突破,该实验室在这一领域鹤立鸡群。1963年4月,ANL召开了稀有气体化学的首次会议。

(3)水合电子

1963年初,一个“新”离子-水合电子被一位ANL的化学家和英国同事发现。这是一个重大的突破,因为它阐明了以前无法解释的化学反应。

但是,它的发现是偶然的。ANL的研究人员说,他们不是在寻找水合电子。他们在做水的脉冲辐射研究,不料,他们所使用的摄谱仪显示了蓝色的吸收带 - 这是新的水合电子。这一发现及对水合电子和其他短寿命碎片作用的分析,导致对放射化学更好的了解。

化学家Edwin Hort发现了水合电子

(4)有机化合物和蛋白质

进行了其他的关于有机化合物中“同位素替代”的开创性研究,包括第一批为活的生物体植物和动物细胞中的普通氢完全替换氘(重氢)。ANL的科学家们是第一个证明在光合作用中的主要电荷分离中三重态的起源的。这种现象和相关自由基对作为自然和人工光合作用最后的“指纹署名”。ANL的化学家们获得膜结合蛋白的第二个晶体结构。这向世界的科学界表明,膜蛋白的结晶化普遍可行。这也证实了德国化学家们的工作,他们获得了第一个膜蛋白晶体结构,为此,获得诺贝尔奖。

3.教育

(1)努力是全球性的

二次世界大战前,科学家之间的国际合作自由和开放。这场战争改变了一切。研制原子弹的竞赛培养了科学保密的氛围。

1953年12月8日,艾森豪威尔总统在恢复国际科学合作的努力中,提出原子用于和平的计划,其中美国将帮助其他国家和平利用核能。

两年后,ANL建立了自己的核科学与工程国际学校。第一学期于1955年3月14日开始。听课的有来自20个国家的40名学生,全部来自工业部门。艾森豪威尔总统告诉这些人:“你们象征着自由世界努力调动其原子资源和平利用原子能和造福人类的积极成果。”在讲习班,七个月的课程包括反应堆的非保密理论和技术。

(2)出类拔萃的基础

1956年,基于一系列的倍增实验,设计了费用低的培训和研究反应堆阿耳戈(Argonaut)。1957年,它达到临界,成为ANL国际学校的主要培训设施。到1959年,ANL培训了来自41个国家,包括美国在内的420个学生。当学校在1965年关闭时,800名来自自由世界各地的学生参加了培训。

1968年,ANL教育事务中心成立。在这个中心,核技术的培训班于1976年开始,由美国国务院与国际原子能机构合作赞助。1980年,各种教育活动统一到教育计划部。今天,2000多名来自外国参与者已完成了辐射防护、核安全和能源规划处提供的培训。

ANL在充实的培训和教育方面的良好信誉,既不局限于国际部门,也不限于一个特定的时期。该实验室的教育部门已被许多人称为美国能源部国家实验室提供的科学教育计划中的“旗舰”。例如,美国能源部实验室进行的美国能源部赞助的最大的全国大学生参与研究计划。每年都有数百名学生由ANL的科学家和工程师指导。该鼓励年轻人进入技术职业的计划非常成功。ANL在建立这一计划、以及建立科学碗、社区学院和理工学院计划、科学与工程研究学期、以及行业/ANL实习计划其他方面发挥了主导作用。在聚焦女性问题上,ANL于1990年确定了寻找妇女科学事业的系列会议。每年近500名年轻妇女和教师与ANL的科学家进行交流,探讨在科学上的就业机会。

1992年,第60000个芝加哥科学探索者的学生被能源部长James Watkins(上图左)和电视新闻主播Bill Kurtis授予一件T恤。ANL搞了一个研究指导节目,配有Kurtis的公共广播系统科学节目。科学探险者计划现用于全国。

ANL为大学预科学生和教师提供学习经验。从ANL拟定的影响全美国10万名学生的科学探险者计划,到更近的如教师电信培训班计划,ANL对美国的教育系统作出重大贡献。

4.能源和材料研究

(1)未来能源新材料:国家中心

ANL在决定材料的性能和可靠性方面卓越超群,这对开发新的能源系统至关重要,这种卓越的表现基于优秀的传统,可以追溯到冶金实验室的时代。材料研究开始于需要知道燃料和结构材料- 在运行早期反应堆中使用的石墨、铀、钚的物理和化学性质。

第二次世界大战后,美国ANL是第一个专门用于民用核能的实验室。20世纪70年代能源危机期间,其计划扩大到包括替代能源。通过开发新材料和改变现有的材料,材料研究提供优越的机械、电气、热、核、腐蚀和磨损性能。例如,ANL1967年在金属中发现的辐射诱导空洞,是设计快速增殖反应堆堆芯的重要因素。到了80年代中期,除重点放在裂变和核聚变的工作上外,也有探索新的方法以提供高效节能的承诺- 摩擦学、水溶液腐蚀、非晶态合金、超导体和陶瓷。

ANL研制出第一块单片燃料电池

(2)超导研究

超导,实际上是电无阻力的传导,于1911年被发现。但是,它是有限的,因为这种现象只能在极低的温度下才能实现。1986年,当两名瑞士研究人员开发出在高温时超导的化合物后,该领域发生了革命性的变革。这个获诺贝尔奖的工作促使ANL的科学家们更加注重独创性。ANL的超导研究得到该实验室的强流脉冲中子源快速研究新材料和暗示修改合成能力的帮助。1987年,ANL的科学家们基于高温超导的性能制造了第一台电动马达,迈斯纳(Meissner)马达。同年,该实验室被命名为国家高温超导应用研究中心。

ANL所长Alan Schriesheim在1987年超导应用会议上向罗纳德。里根总统展示高温超导

1986年发现高温超导后的四年里,ANL的科学家报告18项超导发明,包括确定在高温超导陶瓷中氧原子的精确位置、生产高温超导轴承、从高温超导材料挤压出线-在全国第一个这样做的实验室。他们后来成长单晶材料,并发现电流主要是通过晶体中的铜和氧链荷载的。1990年,ANL的化学家们超越了自己的有机超导体最高转变温度的世界纪录。次年,从ANL和西北大学的科学家们发现了由氧气、铜、镓、锶和钇化合物构成的高温超导体新家族。

当由液氮冷却时,一卷超导带失去所有的电阻力

ANL被指定为美国三个超导先导中心之一,引起了私营工业部门的兴趣和参与。成功地取得了更多的标准。私人超导公司,伊利诺伊州超导公司,于1990年成立。它是第一个作为州和联邦政府之间,私营工业界和学术界之间合作项目而成立的超导公司。它在市场上的第一个高温超导商业产品是医院设备中使用的液氮深度传感器。

Bogdan Dabrowski在高压合成室中测试超导体

1990年,ANL及西屋科学和技术中心开发出一种电导线,达到实际高温超导装置荷载电流的一项世界纪录。三年后,ComEd和ANL研制出世界上效率最高的超导磁轴承。它可以彻底改变电力储存以及它如何提供给消费者的方式。ANL和Intermagnetics General公司科学家之间的团队合作,产生了高温超导线圈有史以来产生的最强的磁场-这是电动机和发电机的一项重要创新。1994年1月,他们创造了一个更高的纪录。

Balu Balachandran拉长一根包银的高温超导线

(3)创造新材料的工具

提供了便利的设施,ANL的辐照装置,如芝加哥反应堆5和实验增值反应堆II,促进了核反应堆用的燃料和结构材料的开发。辐照材料继续由阿尔法伽玛热室装置进行检验。

芝加哥反应堆5鸟瞰图

1981年落成的ANL的高压电子显微镜-串列加速器,允许研究人员研究受到分辨率接近原子水平的离子轰击的材料中的实时结构性变化。通过300千伏或200万伏特的粒子加速器产生的粒子轰击材料,特殊的显微镜显示辐射损伤。这就允许开展对可能导致核反应堆和能量储存和转移所用新材料的辐射损伤和变形的研究。它是世界上唯一可以让科学家“观察”辐射损伤材料时的效应的研究装置。

ANL的强脉冲中子源IPNS(Intense Pulsed Neutron Source)使大力扩展材料研究成为可能。基于质子加速器而不是反应堆的强脉冲中子源,允许科学家研究原子和分子结构,以及在不同环境下固体和液体动力学及材料。

强脉冲中子源IPNS鸟瞰

IPNS是第一个具有足够强度的脉冲散裂中子源(峰值流量3 × 1014 ñ平方厘米/秒),平均束流功率为0.0075MW,重复频率为30Hz,广泛用于凝聚态研究,因此产生新的成果,并作为开发脉冲中子技术的中心。

强脉冲中子源由一台50 MeV的直线加速器和一台快循环同步加速器组成,前者作为后者的注入器。直线加速器由单个的复合钢罐组成,长33.5米,内径为95.1厘米。该直线加速器的共振频率为200.07兆赫。在罐内,124根漂移管中放置相同数量独立偏置的四极磁铁。漂移管按组建造,但每一个在其本质上具有独一无二的物理尺寸。漂移管中采用了四种不同孔径的直径和六种四极磁体的长度。快循环同步加速器是一个具有六重对称性和联合功能磁铁的环。两个高频腔位于环的两侧,并将质子束流从50 MeV加速到450MeV,而高频频率约在14毫秒内从2.21兆赫变化到5.41兆赫。

 

IPNS直线加速器 IPNS大厅

1978年10月20日卡特总统签署议案,拨款开始设计和建造IPNS。1981年5月进行首次调试,8月4日第一批束流送到强脉冲中子源中子散射靶。1984年6 月10日 强脉冲中子源产生第10亿个中子脉冲,至1993年12月12日产生第40亿个中子脉冲。IPNS由芝加哥大学负责运行,因缺乏维持运行的经费,也无法支持升级改造,ANL于2010年10月26日宣布IPNS退役。

(4)新材料研究

ANL科学家的基准工作在材料研究中取得许多突破。例如,在所有有机超导材料中,他们发现了其中的三分之一。金属层状材料中具有破纪录的磁阻效应的材料,一直不被人所知,直到ANL的研究人员发现它们。其他发现包括

¨辐射诱导分离作为金属中一个重要的微观结构过程。

¨用于热核聚变反应堆应用限制侵蚀的合金,提供自我维持的保护层,以减少能量损失,并抑制杂质转移。

¨用于只需要低浓缩铀、因此抗扩散的研究和试验反应堆的硅化铀燃料。

¨新的有机超导材料的合成和结构性能的关系;确定这些材料的最高高温超导转变温度。

¨用于高能量密度的燃料电池和甲烷转化为液体燃料中使用的氧渗透膜的新陶瓷化合物。

¨新的基于硼酸化合物的固体润滑剂。

¨合成高品质的纳米金刚石薄膜,它异常光滑,并具有优越的摩擦磨损性能。

X射线衍射研究表明材料如何随温度而变化

纳米相材料具有非凡的摩擦磨损性能

在其他重大成就中,ANL的科学家们能够确定辐照引起的材料膨胀的机制;预测在反应堆堆芯中燃料元素的行为;研究和澄清单晶中超导性和磁性的共存;开发非弹性中子散射技术,以提供关于固体和液体动力学的独特信息;确定许多超铀化合物的结构、热力学和相位关系;阐明溅射原子的起源深度和溅射团簇发射的机制(这对许多领域中的应用很重要,包括地球化学、宇宙化学和超导行业)。还开发了中子照相以及其他在世界各地使用的无损测试技术。

(5)未来能源

到了80年代,ANL与能源相关方面的研究任务扩大到包括化石燃料、核聚变、太阳能和能源贮存系统。例如,在熔盐和液态金属化学方面的工作导致开发出锂合金二硫化铁(LiAl - FeS)电池。

另一个例子是将在ANL开发的光敏分子与电导拉伸薄膜结合在一起的“卷式太阳能电池”(solar-cell-on-a-roll)技术。

1991年,美国能源部审定质子交换膜燃料电池计划,开发节能电动汽车的技术。ANL负责其技术管理工作。

正在开发电动汽车用的可充电锂离子双极金属硫化物电池

电气化学材料的研究包括开发导致可充电锂双极/金属硫化物电池成功示范的改进化学电池、原位电气化学过载公差,以及金属与陶瓷密封技术。该技术增强了电动和混合动力汽车的长寿命电池的功率和能量密度,使它们能够维持长达10万英里,并跑250英里后再充电。

ANL的科学家们还专注于开发一个磷酸燃料电池推进系统,导致第一个以甲醇为燃料的城市客车的成功示范。

该实验室关于燃料电池技术方面的工作,可以使电动车在街道上随处可见。比目前的汽车更有效率和较少污染,燃料电池产生电力,它们永远不需要充电。ANL已开发了一种装置,可以提高燃料电池的性能。这种车上的甲醇重整炉小到足以连同燃料电池一起,安装在汽车的引擎盖下。

5.环境研究

ANL自从早期以来一直专心环境项目。由于在20世纪50年代初期的核试验,所以原子能委员会关注放射性核素的命运和运输。因此,确定了早期的大气模型、植物吸收和人的保健物理学项目。

为适应国家的需求,自60年代末,扩大了环境项目。即使在美国环境保护局(US EPA)成立之前,ANL的科学家和工程师们就对整个大芝加哥地区的大气环境质量进行评价。继美国国家环保局成立和国家环境政策法案通过之后,就是否需要有一种新的文件-环境影响评介存在有相当大的争论。从1973年起,ANL的科学家们开始为原子能委员会,后来为核管理委员会和美国能源部拟定这些评介。这项工作一直延续到现在,ANL被公认为这项活动的卓越实验室。

在这短短的历史中,突出的主题包括:危险废物清除、净化大气和控制污染。

(1)危险废物清理

自1983年拉夫运河时期以来,在为所有的联邦机构处理危险废物场地问题中,ANL一直是领先者。实验室的研究人员已经开发出许多创新分离放射性废物的技术。1990年发现TRUEX流程-一种对超铀元素放射性废物的分离方法后,紧接着是开发出从液体放射性废料中分离出锶-90的流程。最近,开发出Diphonix-一种螯合离子交换树脂,用来处理危险和放射性废物。

提出许多去向和运输废物方案,以解决场地的整治问题。RESRAD是一个环境程序和健康风险模型,用来导出土清理指导原则。连同用来检查与运输废物相关问题的RISKIND,ANL提出的这些决策模型现用于许多美国能源部的装置。

ANL的John Harkness(上图)准备测试一种化学物质。这种化学物质能够清除从配有净化器的燃煤发电厂烟道气产生的大部分氮氧化物。这种化学物质叫做ArgoNox,基于一种普通的食品添加剂。

ANL还制定了快速评估和表征场地的方法。ANL是最早开发加快场地表征过程和方法的机构之一。这些技术首先在内政部和农业部场所开发,从已获得监管机构的广泛接受,现正在被美国能源部使用,这些技术大大降低了成本和节省了时间。其他模型和决策工具已经由ANL开发出来,包括PLUME-第一个在环境领域中产生版税的合作研究和开发协议。成功用在美国能源部和美国空军特定区域的这个软件,目的是要减少基于模型预测的土壤采样要求。

全国酸雨评估计划始于70年代后期,目的是要调查与酸雨相关的原因和影响。该计划将生态、气象和大气物理中的研究活动与开发用于公共政策评估和建议的大气传输模型结合在一起。

这方面的工作在全球气候变化活动的总体框架下继续进行。ANL是大气辐射测量(ARM)的项目领导者。该实验室目前运行美国唯一仪表装备齐全的云和辐射实验平台站点。在堪萨斯州-俄克拉荷马州边境的站点,科学家们测量和研究太阳辐射、温室气体、气溶胶、云和它们对大气热量和温度的影响。

(2)净化大气

在70年代早期和中期,ANL的科学家们还开拓新的思路,研制用于测量人为造成大气污染的新仪器。例如,开发的技术将分析大气颗粒的时间从几个小时降低到20分钟。

自20世纪50年代以来,ANL的化学家们一直在积极解决与分离和处理废水中放射性核素相关的需要。早期的突破包括1973年开发的从污染的大气分离氙和氡的方法。

ANL的研究提供通过大气传输空气污染物的分析

20世纪70年代中期的能源危机导致出台新的综合评估计划,寻求开发本国的能源资源。随着美国能源部的形成,人们认识到可能存在与开发资源如煤、油页岩、铀矿、以及太阳能和可再生能源技术所需材料相关的严重的环境影响。制定了全国煤炭利用评估和区域研究两个计划,主要部分由实验室的科学家和工程师们领导。这些计划因其他计划开发出来的专门技术而得到加强,例如为工程师兵团进行的水质研究,为能源部审查露天煤矿开采的土地的重新使用的土地复垦计划,和为预测大气污染物传输所提出的大气建模活动。到了70年代末,ANL实际上被定位在解决任何与能源和环境相关的科学或工程问题上。

(3)控制污染

ANL在化石发电厂的污染控制系统中系领先者。该专门技术的一些方面已发展到污染防治、减少废物及循环利用相关的新领域。该实验室的核、化学和生物技术工程专业知识和经验,使ANL在能源部和其他联邦机构的废物管理活动中发挥日益重要的作用。一些活动包括开发玻璃化技术、分离技术的使用、减少放射性废物的数量、利用生物技术对TNT炸药污染的土壤修复、以及利用作为整体快速反应堆计划一部分所开发的技术和经验。在最后的用途中,仪器、装置和高温冶金处理的研究和发展,正用来解决美国能源部的核废燃料问题。自20世纪50年代初以来,ANL一直是环境研究和技术发展的贡献者。由于在这一领域国家的需要和优先事项的增加,ANL的经验和能力也已经增加,以满足这些需求和应对优先事项。为了国家的利益,开展ANL的环保项目。

William Penrose测试ANL研制的一种有毒气体探测器。该探测器几乎可以立刻识别40种危险气体

6.工业发展

自冶金实验室时期开始,ANL就具有与业界合作的传统。导致每天发明实用“副产品”的研究结果,正像在空间技术那样,已经为广大公众带来效益。由于对能源承担的使命,作为能源部帮助业界提出公共政策问题解决方案任务的一部分,ANL是从实验室向私营行业转让技术的佼佼者。美国ANL与芝加哥大学一起,于1986年形成一个不以营利为目的的公司-ARCH开发公司。其目的是要加快科研创新的商业化。通过大力推行专利许可协议,成立新公司,并发展与现有组织合资企业来做到这一点。重点是建立新公司,将发明上市。

到1995年,已经建立了13家公司,年度申请专利的数量从15个上升到150个,增加了10倍。一些创业公司的例子包括伊利诺伊州一个18000人的小镇Darien的2个。Eichrom工业有限公司生产塑料树脂,用于从危险废物分离放射性物质和重金属,采用的技术是由ANL开发的。1993年的销售额为100万美元,收入比上年增长了一倍。

ANL的早期医疗发明-小的廉价血液透析器-人工肾-为肾功能衰竭患者开发

在Darien的纳米相技术公司,完善了大规模生产由陶瓷或金属化合物构成的纯、超细粉末的经济方式,从每天一克到一小时一磅,费用从50万美元一英镑降到仅10美元一英镑。他们的技术可以彻底改变许多日常产品的结构,从防晒油到柴油发动机。其客户之一是Peoria的Caterpillar有限公司。他们一起正在开发铸模引擎部件,而不是加工成型的部件,这些部件在高温下运行不会破裂。

在伊利诺伊州埃文斯顿刚成立5年的伊利诺伊超导公司获得特大成功。该公司采用在ANL开发的用于消除电气设备阻力的液氮冷却陶瓷技术。例如,它已经开发出高效率的电子过滤器,以提高手机系统的能力。公司在1993年上市,拥有约4000万美元的市场价值。目前正计划把生产设备转移到伊利诺伊州的景色山(Mount Prospect)。

7.数学和计算机

(1)从AVIDAC到虚拟现实

今天,ANL的科学家们可以解决曾经被认为无法解决的计算问题。他们可以“走进”计算机虚拟现实环境中的实验,在此,他们使用鼠标一样的控制棒,可以看到、听到和巧妙地处理信息。计算机的发展,与反应堆技术一样,在第二次世界大战期间由国防需要加快。电子数字积分计算机ENIAC含18000个真空管,1946年在宾夕法尼亚大学建成,并很快就被ANL的研究人员用来解决弹道问题。两年后,晶体管的发明开创了工业革命,使建造功能强大的计算机成为可能。然而,直到1951年,第一个商业晶体管驱动的计算机UNIVAC才被引入用于商业和科学。

(2)数字到模拟

ANL的物理学家们遇到了极其复杂的数学问题。1949年,由于没有商用计算机,所以研究人员建造了他们自己的计算机。该实验室的第一台电子数字计算机AVIDAC,被称为“电脑”,于1953年1月开始运行,共花费25万美元,用于反应堆工程与理论物理的研究。几个月后,紧接着是更大的ORACLE计算机系统。随着实验室的扩大,更好、更快地处理科学数据的需要日益增加,几乎成倍增加。先进的计算机设施成为必然。1957年,ANL的科学家们建造了昼夜运行的GEORGE这台大型数字计算机。安装了一台IBM-704计算机,当时它是世界上最大的计算机之一。次年,购置了精密模拟计算机设备。该设备不像数字计算机,它测量和模拟实验条件。

ANL的第1台数字计算机AVIDAC

ANL计算机科学家先驱Jean F. Hall

(3)高速计算机

到60年代初,ANL是中西部地区最大的计算机中心之一。它的高速计算机被用于设计计算,帮助确定反应堆的设计,和通过测量物理性能,进行数据分析,以解释例如在确定少量辐射对人体的影响的重要实验。这些计算机能使物理学家、生物学家和化学家们对实验结果进行比较,和检验他们的理论模型的有效性。

难以跟上对最先进的计算机技术的需求,导致产生新的和扩大的计划。1963年,开始建造一台数学和计算机设备,应用数学部的工作人员增加了百分之五十,购买了世界上最先进之一的电子计算机CDC 3600。此外,GEORGE得到了一个新的三倍的内存和进行了其他升级,包括一个浮动指标点(FLIP),让GEORGE计算机自动处理广泛变化大小的数字。它后来“成为”作为趋向“链接”一部分的GUS计算机(GEORGE United System);GUS提供高达同时运行七台计算机的内存。在这整个十年中,ANL增添了新的计算机资源。特别值得注意的是,设计和开发了一系列的称为CHLOE,POLLY和ALICE的计算机系统。这些系统都能够在感光胶片上分析数据,并用来为物理研究和指纹型样扫描火花室数据。

GUS代表 GEORGE Unified System(GEORGE统一系统),基于对ANL 1957年建造的GEORGE大型数字计算机的升级改造,昼夜不停地运行。GUS提供多达7台同时运行的计算机的存储器。

(4)运算法则和软件

20世纪70年代和80年代,软件工程被确定为实验室的一个学科。在ANL的领导下,设计并完成了第一批真正高品质的数学软件包。特别是EISPACK,它设置了可靠性、效率和精度的新标准。不久之后开发的LINPACK,工业及科学界今天仍然对其需求量很大,并在世界各地被广泛用来评价新的计算机的性能。到80年代初,ANL不仅在数字软件,而且在符号计算上,均被国际公认为世界的领先者。

实验室的研究人员引入了新的定理证明战略,使项目“合理”。被称为“自动推理项目”的这些项目,今天仍被用来设计电路、验证计算机代码、解决难题和从数学和逻辑证明定理。

(5)并行计算

预见到并行计算的日益重要性,1984年,ANL建立了先进的计算研究设施。近十年来,设施支持与大学、实验室和产业在并行机方面合作研究,包括超立方体和本地开发的绰号为狐猴的一个共享内存机。最近,该实验室建立了高性能计算研究设施,设有一个IBM可扩展的大规模POWER并行系统。研究人员使用这一并行系统从事从高能物理、推进力和数据成像到汽车研究和环境恢复的合作研究。为支持此类研究,实验室的科学家正在开发便携式并行编程工具包。ANL的计算机科学家还大力促进使用MPI- 一种在分布式内存、共享内存和网络计算机上传递消息的标准接口。MPI允许超级计算机程序进行快速转换,易于在并行处理计算机上使用。

8.物理

(1)了解物质宇宙

对核裂变的了解大部分来自在冶金实验室和ANL工作的物理学家。ANL的科学家领导该国支持反应堆的基础研究工作。他们还研制和建造了两台新的加速器 - 零梯度同步加速器和ANL串列直线加速器系统,后者是世界上第一台重核超导加速器,是目前该国研究重原子核结构和动力学的重要研究工具。

(2)加速所有原子核

ANL串联直线加速器系统(ATLAS)于1985年第一次加速离子束一个星期后落成。世界上第一台用于核研究的超导直线加速器,是加速器技术的一个重大进步。加速由超导谐振器提供。这使得高质量的离子束具有范围广泛的入射离子能量和质量,横跨核结构影响尤为重要的能源领域。它的光束强度在1988年增加100倍,使重如铀的离子能量可加速到1.9 GeV。

Paul Markovich抛光开环谐振器,该技术使ATLAS成为世界上第一台重离子超导直线加速器

(3)确定核结构

1948年,ANL的一名科学家推测,原子核由排列在一个外壳中的质子和中子组成。她发明的核壳层模型为研究原子核的性质提供了工作理论基础,使她分享了1963年物理学诺贝尔奖。其他ANL的科学家提出并扩展了壳层模型,使其适用于广泛的原子核。在这个过程中,他们向核物理引进了现代电子计算。

ANL的科学家们还通过核谱学,特别是在极重的原子核- 那些超越铀的原子核的实验,提供对原子核的了解。

1956年,由Eugene Wigner在1936年假定的宇称守恒法则受到挑战。Wigner最初的公式表明,原子可在两个原子状态之间波动和自然法对左右没有区别。因其工作获得诺贝尔奖的挑战者证明,这一原则并不适用于所有的核反应,宇称在弱相互作用中并不守恒。1957年,芝加哥大学和ANL的物理学家证明,该法则对复杂的原子核或介子并非有效。他们后来证明,采用慢中子束,宇称守恒也不适用于中子的放射性衰变。这些结果大大扩展了对核科学的了解。

芝加哥大学和ANL的研究人员挑战复杂的原子核和介子的宇称守恒法则

1958年首先由德国物理学家证明的穆斯堡尔效应,向世界呈现了一种通过利用在特殊原子核中清楚定义的能量和在特殊条件时吸收X射线、大大提高精度水平研究各种各样现象的新方式。ANL的科学家们几乎立即发现了一个特定原子核(铁-57),然后,在很多情况下,穆斯堡尔效应就可为此作为一个实用工具。从那时起,超过90%利用穆斯堡尔效应的研究利用铁-57完成。ANL的研究人员在利用穆斯堡尔效应进行核物理、热原子化学、材料科学和广义相对论实验的基础研究中处于领先者之中。

ANL利用实验室基础研究和开发裂变反应堆之间的协同作用,从一开始就一直是利用慢中子研究核物理、材料科学、化学和生物学的领先者。在物理学方面的成就有:系统性地研究慢中子与原子核的相互作用;发明中子磁镜,让中子来作为研究物质属性无用的X射线的替代物;和关于普适弱相互作用 - 自然界四个基本作用力之一的一些特性的基本数据。

(4)加速质子和散裂中子

在60年代初,ANL科学家设计并建造了12.5 GeV的零梯度同步加速器(ZGS),当时世界上领先的弱聚焦质子加速器。其极化靶的研制和利用计划导致对强相互作用粒子自旋的依赖的更多了解,以及后来在ZGS中加快极化质子取得的成功,开辟了高能量物理学的一个新领域。

大多数同步加速器是交替梯度设计- 磁场使不断循环的粒子束聚焦。ZGS没有磁场梯度,依托边缘聚焦,以将粒子限制在束流轨道上。通过研制ZGS中使用的高效窗口框架磁铁,该实验室赢得了在磁铁技术中处于前沿的声誉。

为在ZGS上使用而开发的实验设备大大提高了它的科学性能。科学家们建立和安装了世界上最大的(12英尺)高能物理研究气泡室。另一个重要成就是与这个巨大的室配合使用超导磁铁。1970年11月,在泡室中观察到中微子相互作用-这是向来第一次在液氢室中见到。该实验室在60年代和70年代开发低温和超导磁铁中在世界领先。

1970年11月13日,在这张零梯度同步加速器的12英尺气泡室的历史照片上(上图),世界首次在氢气泡室中观测到中微子。这个看不见的中微子打击产生3个离子轨迹的质子(右)。中微子变成了µ介子,长的中心轨迹。短的轨迹是质子。第三轨迹是对撞产生的一个π介子。

1973年7月11日,在ZGS上进行的测量证明可以注入极化质子并将它们加速到高的能量,同时保留它们的极化。这使得对以前无法观察高能质子质子相互作用方面的研究成为可能。

零梯度同步加速器于1979年关闭后,其部件被重新用于更先进的设备中。12英尺泡室107吨重的超导磁铁被纳入斯坦福直线加速器中心PEP对撞机的高分辨率谱仪上。该探测器由ANL的科学家与几所大学的组合作建造和运行。1983年,探测器发现了一个新的τ轻子衰变模式,并在当时对中微子的质量进行了最精确的测量。

强脉冲中子源(IPNS)于1981年建成,也采用了旧的ZGS的部件。这是美国最有成效的散裂中子源。基于质子加速器而不是反应堆,通过向铀靶发射加速的质子,它产生中子;然后中子通过一个称为散裂的过程蒸发出来。脉冲中子源在ANL设计和建造,1985年它发射了第十亿个脉冲后得到提高。流强被浓缩铀靶提高-从不到1%的铀235到77%。科学家们现在可以更快地收集数据,更容易进行艰难的实验,使用更小的样品,并提高专门仪器的精确度。1995年,强脉冲中子源接近5亿个脉冲的世界纪录。

(5)尾场和爆炸

1987年,ANL在基于化学部电子直线加速器的先导加速器测试设备上,有史以来第一次示范了在结构和等离子体中的尾场加速。尾场概念在大幅缩短距离中可以比常规技术更能将亚原子粒子加速到更高的能量。通过等离子或特殊介质加载高频率波导发射相对低能量电子脉冲产生电磁“尾巴”完成尾场加速。尾巴中的强电场可用于加速第二个尾随粒子脉冲。如果第二个脉冲相对于第一个定时适当,当它像一快艇后面的冲浪者旅行时,它可以乘坐第一个脉冲尾巴获得能量。

ANL发明了库仑爆炸技术,现用于世界各地其他核加速器实验室。这项技术基于加快分子和在薄箔中破坏它们,提供测量分子离子几何结构的更大灵敏度。

(6)寻找顶夸克

20世纪80年代的主要发现包括重核超形变;新的质子发射器;通过对阈值介子产生介子交换模型原子核中的短程相关性,以及高密度激光,极化氢粒子,包括同位素氘和氚。1993年,ANL的科学家们发现了含有底夸克和奇异夸克的介子。两年后,通过帮助在靠近伊利诺伊州Batavia的费米国家加速器实验室(FNAL)发现难以捉摸的顶夸克,它们超越了那一成就。

ANL为费米国家加速器实验室(FNAL)建造的190吨探测器

 

七、荣誉和奖项

每年,ANL的员工和ANL本身-因对科研的贡献而获得数百个荣誉和奖励,据不完全统计,其中包括3项诺贝尔奖,106项研发100奖,700项国内和国际奖和荣誉奖,750项专利和启动30多个小公司。ANL的诺贝尔奖获得者如下:

Alexei Abrikosov因有关物质在极低温度下如何显示奇异行为的理论分享了2003年诺贝尔物理奖 

Maria Goeppert Mayer因研究原子核壳模型分享了1963年的诺贝尔物理奖

Enrico Fermi(ANL的创建者)因证实中子辐照产生的新的放射性元素的存在

和相关发现慢中子带来的核反应获1938年诺贝尔物理奖

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.anl.gov/