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美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)
时间 : 2011-05-06     

美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)


“卓越”的国家实验室 / 历史沿革 / 战略方向 / 国家用户装置

核科学部建造项目 / 技术转让 / 75年的成就 / 诺贝尔奖


 

一、“卓越”的国家实验室

美国能源部所属劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称LBNL)坐落在美国加州大学拥有的200英亩(0.81平方公里)的伯克利山中,俯瞰旧金山湾。LBNL由加州大学负责管理,共有约4000名员工,其中学生约800名。每年,该实验室还接待3000多名参加合作的客座人员。

 

 

 

LBNL地理位置图(图片来自Google)

 

LBNL位于山上,俯瞰伯克利中心校园和旧金山湾

 

LBNL的所长由美国加州大学董事会任命,并向加州大学校长报告工作。虽然LBNL独立于加州大学的伯克利分校校园进行管理,但两者密切关联:超过200名LBNL的研究人员兼任教授,500多名加州大学伯克利分校的学生在LBNL开展研究。约20多名能源部雇员进驻LBNL,为美国能源部行使联邦政府对LBNL的监督工作。

 

 

LBNL开展非保密的研究,涉及许多学科,重点开展宇宙、定量生物学、纳米科学、新的能源系统和环境解决方案,以及利用综合计算作为取得发现工具的基础研究。

2010年LBNL的经费为7.07亿美元,另外从美国复苏与再投资法案获得1.04亿美元的经费支持,共计8.11亿美元。最近的一项研究估计,通过在构成旧金山湾区九个县的直接、间接和诱发消费,LBNL的整体经济影响每年将近7亿美元。该实验室还负责在当地创造5600个就业机会和全国12000个工作机会。总体经济对国民经济的影响估计每年为16亿美元。LBNL开发的技术已经产生数十亿美元的收入,以及数以千计的职位。LBNL因开发照明和窗户以及其他节能技术,也节约了数十亿美元。

在科学界,LBNL相当于“卓越”(Excellence)的同义词。与LBNL相关的11个科学家获得诺贝尔奖。75位LBNL的科学家是美国国家科学院(NAS)的院士。院士在美国是科学家最高的荣誉之一。13 位科学家获得了科研领域国家最高终身成就奖—国家科学勋章。18位工程师当选为美国国家工程院院士,3位科学家被选入医学研究所。此外,LBNL培养了数千名大学理科和工程专业的学生,他们推动着全美国和世界各地的技术革新。

从20世纪50年代到现在,LBNL一直保持着它作为一个主要国际物理研究中心的地位,同时也将其研究计划扩展到了几乎每一个科学研究领域。该实验室的14个科学部门按计算机科学、普通科学、能源和环境科学、生命科学和光子学进行组织。许多研究项目由多个部门配备工作人员和提供支持,计算和工程跨生物科学、一般科学和能源科学进行集成。科学部门包括:地球科学、基因组学、生命科学、化学科学、环境能源技术、材料科学、物理生物科学、计算研究、加速器和聚变研究、工程、核科学和物理。

LBNL有六个主要科学重点:用来作出发现的软X射线、气候变化和环境科学、宇宙中的物质和力量、能源效率和可持续能源、计算科学和网络、以及进行能源研究的生物科学。这是Lawrence的信念,科学的研究最好通过与不同领域的专业知识一起工作,个人的团队完成。他的团队概念是LBNL的传统,一直延续至今。

此外,LBNL拥有6个国家重大用户装置:先进光源、国家电子显微术中心、国家能源研究科学计算中心、能源科学网络、分子铸造厂和联合基因组研究所(JGI)。

LBNL的价值观

• 总体承诺创造科学

• 高度诚实和无可挑剔的伦理

• 为安全不让步

• 人和思想的多样性

• 紧迫感

 

二、历史沿革

1928年,欧内斯特•奥兰多•劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901-1958)从耶鲁大学来到加州大学伯克利分校,计划继续从事光电学的研究。

 

 奥兰多•劳伦斯

 

1929年初,Lawrence看到欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford,l871-1937)提出的产生快粒子的方法,他认为自己知道如何改变它并能实现。他考虑通过将磁场中与轨道平面垂直的粒子轨道弯转使粒子再循环,以便每圈将粒子加速两次。Lawrence说服利文斯顿(Milton Stanley Livingston,1905-1986)和斯隆(David Sloan)离开通用电气研究实验室到伯克利作研究生,从事改进回旋加速器技术的研究。

1930年,David Sloan建造了较大型的Wideroe重离子直线加速器。

1931年1月,在美国物理学会的一次会议上,报告了Lawrence和他的研究生Livingston建造的第一台回旋加速器将几个氢分子离子加速到80000 eV的结果。

 

第一台回旋加速器

 

20世纪30年代,Lawrence不断推动建造用于物理研究的越来越大的机器,拉私人慈善家资助。在提前报道他们感到实验室应该作出的几个基本发现后,他们开始与罗伯特•奥本海默领导的伯克利分校物理学系的理论物理学家们进行更加紧密的合作。

1931年,Lawrence在加州大学伯克利校园获得一个废弃实验室,用来安放他的第一台回旋加速器。8月26日,辐射实验室(Radiation Laboratory)正式创建,该实验室成为回旋加速器先驱者的大本营。Lawrence确信,通过具有不同领域专业知识一起工作的个人组成的团队,可出色地开展科学研究。他的团队概念成为LBNL一直延续至今的传统。他招募了许多杰出的、精力充沛和埋头工作的忠实追随者。David Sloan完成了一个1.14米长能够产生1.2MeV水银离子,接近百万分之一安培的管子。

 

David Sloan在实验室工作

 

1932年1月,联邦电报公司的一块大型磁铁运到老的工程测试实验室,后重新命名为“辐射实验室”,即LBNL的前身。

 

辐射实验室

 

Livingston造了一台11英寸的回旋加速器。他与David Sloan一起利用联邦电报公司的一个水冷管制造了一台高功率的高频振荡器,加速电压达50 kV,频率高达20000000赫兹。大磁铁移到新的实验室时,11英寸的回旋加速器的流强为十亿分之一安培,能量为1.22 MeV。

 

11英寸回旋加速器

 

Lawrence、Livingston和David Sloan全年拼命工作,以使他们75吨重的磁铁极之间产生束流。当年夏季,为实现原子核分裂,Lawrence请他的老朋友Donald Cooksey为他建造探测器。Cooksey和他的一个学生在伯克利为 Lawrence建造成功所需要的探测器。1932年12月,新的27英寸的回旋加速器产生了4.8 MeV的氢离子。

 

27英寸回旋加速器

 

1934年初,居里夫妇在实验中发现放射性物质。Lawrence和他的学生们在《自然》杂志上看到这一报道后半小时内就又再现了居里夫妇的发现,称“核物理明显提供了一个非常昂贵、复杂和有趣的研究领域。”在罗马的Enrico Fermi组显示中子实际上诱发所有元素的活动。Lawrence拥有了世界上最强大的中子束流,再次确认和扩展了Enrico Fermi组的实验结果。

Lawrence和他的学生一直从事中子、质子、氘核和阿尔法粒子产生人造同位素的研究。他开始寻找有用的放射性同位素后不久,就通过用氘核轰击岩盐有效地制造出钠-24。他用他的回旋加速器生产了其他的同位素,如磷-32、碘-131、钴-60、锝-99并发现在医学上具有重要的应用。

 

生产同位素的回旋加速器

 

1936年,辐射实验室作为加州大学物理系的一个独立实体正式建立,Lawrence指定Cooksey为所长助理。Lawrence被任命为加州大学工程学院院长。改组后的实验室致力于核物理的研究,而不是刚成立时的加速器物理研究。

1937年9月,一台新的37英寸回旋加速器产生8 MeV氘核。

 

37英寸回旋加速器

Lawrence在37英寸回旋加速器的控制台前

 

1939年6月,60英寸回旋加速器首次运行,发射出16 MeV氘核。9月,德国纳粹发动第二次世界大战。Lawrence宣布建造一台100 MeV回旋加速器计划。由于担心德国的科学家根据核裂变原理设计出原子弹,所以美国决定搞原子弹。Lawrence的新加速器磁铁作为战时优先项目加以完成,它有助于开发制造第一个核爆炸装置所用的机械。Lawrence获得本年度诺贝尔物理奖。

 

60英寸回旋加速器

 

1940年4月,Lawrence从洛克菲勒基金会得到建造新加速器的主要一笔140万美元经费,用于购买一台磁铁截面直径为184英寸的回旋加速器。Lawrence认为,该加速器将开辟超越100 MeV的物理前沿,会发现完全没有预料到的特点和有极重要的发现,它还可能引起人为的链式反应,开启核能的巨大宝库。Edwin McMillan发现U-239。珍珠港事件发生后,Lawrence被授权继续进行钚的研究。

1942年1月,由于一切为了战争,材料非常紧缺,不得不实行配给制。辐射实验室被定为A-1优先级用钢。184英寸磁铁被定为作战装置。磁铁被放在一个大的质谱仪里,进行将U-235从U-238分离出来的可行性实验。

 

184英寸回旋加速器的磁铁

 

1942年3月,Lawrence利用实验室的经费改进了37英寸的回旋加速器进行初步演示,成功地将可裂变的同位素浓缩为铀的样品。Glenn Seaborg应邀加入Compton和Fermi开发钚产生后将其分离的化学工艺。4月17日,Glenn Seaborg用公文包带着钚乘火车前往芝加哥。Glenn Seaborg的工作并未使在伯克利的钚研究工作结束。Wahl继续研究镧-氟化物过程。化学院院长Wendell Latimer指导这项工作,并开始研究热对钚生产反应堆中使用的材料的影响。与此同时,Hamilton组检查快中子对石墨减速剂的影响。

1942年10月,辐射实验室的管理模式发生变化,部门分开,管理层次增加,制订了相关手续,加强安全管理。

1943年5月1日,辐射实验室的人员增加到826人,外加65名警卫。8月,由橡树岭建造的电磁集合体的轨道运行中出现故障,Lawrence和其他人从伯克利前往进行诊断。

1944年6月,辐射实验室的总人数接近1200人。7月,经过连续20000小时运行后,60英寸回旋加速器停机检修。Lawrence起草并修改曼哈顿工程未来计划。

 

60英寸回旋加速器

 

1945年3月,Lawrence写信给曼哈顿工程,提出接受7百万—1千万用于战后辐射实验室第一年的运行费用。 Alvarez和 McMillan从LANL回到辐射实验室。Groves授权完成184英寸的同步回旋加速器并建造一台电子同步加速器。Alvarez获得设计产生2000 MeV质子直线加速器初步工作的经费支持;Seaborg从芝加哥返回领导核化学,从事放射性同位素的研究。

1945年7月16日,美国第一颗原子弹在新墨西哥州爆炸成功,几周后美国在长崎投下一颗原子弹。战争将整个实验室都动员起来,核医学、核物理和核化学也被动员起来。Hamilton和他的同事们研究了裂变产物对生理学的影响。LBNL的Donner实验室的John Lawrence和他的同事们调查了高度飞行产生的生物学后果。利用惰性气体放射性同位素,他们揭开了减压疾病和其他疾病的奥秘,在低压室模拟高海拔度试验了1500人。实验室示踪物的研究为了解气体的循环和扩散,像氧气设备、降落伞开启器这样的实用设备以及用毛细血管测量血液的循环和灌注的方法起了基本的作用。

1946年 11月1日,184英寸同步回旋加速器首次出束。二战结束后,辐射实验室迅速恢复起来。

Lawrence的实验室对帮助判断什么是二战的三个最有价值的技术开发项目(原子弹,低空爆炸信管和雷达)作出了贡献。使用新建造的184英寸回旋加速器作为质谱仪,Lawrence和他的同事们提出电磁铀浓缩原理。这一原理用在了橡树岭国家实验室大型Y-12装置的分离同位素电磁装置上。

 

184英寸同步回旋加速器首次出束

184英寸回旋加速器

安装184英寸回旋加速器的建筑(战后的身影)

 

老辐射实验室的科学家们在Melvin Calvin的领导下,利用碳-14和离子交换、纸色谱分析法和放射性照相术新技术,绘制了碳在光合作用中的轨迹。

 

Melvin Calvin在实验室

 

1946年至1949年期间,辐射实验室不到30%的服务部门直接与军事问题有关,其余的工作集中在Crocker 实验室。该实验室有一个小组参加了在比基尼岛的核试验,它告诫海军要清除核爆炸对船的污染。它研究了放射性浮悬颗粒和裂变产物对生物学的影响。战后前几年辐射实验室的其他的防卫工作涉及分离可裂变元素。

1947年,医学上开始应用新元素。今天普遍使用的70个人造放射性核素的一半首先在回旋加速器上产生,其中一半在辐射实验室被发现或首先合成。8月,Lawrence说服原子能委员会里主要反对加强基础研究的研究局长James Fisk承认加强基础研究的必要性。

Brobeck设计了一台10 BeV质子加速器,造价相当184英寸回旋加速器的10倍。设计遇到了许多技术的不稳定性。为帮助解决这些问题,辐射实验室建了一个1/4的模型。

 

 

10 BeV质子加速器1/4模型(最右为Brobeck)

 

1948年,美国原子能委员会停止研制分裂同位素的电磁装置。Alvarez的直线加速器建成,束流流强达到0.4 mA。年末,Lawrence的多学科设施蓬勃发展起来。在“热实验室”,Seaborg, Albert Ghiorso, James Kennedy, B. B. Cunningham和其他人详细阐述锕类元素的丰富和各种各样的化学特性;Seaborg和他的助手们在60英寸的回旋加速器上又合成了锫(97)、锎(98)和钔(101)。

1948年12月,340MeV的电子同步加速器首次出束(从1945年起在Edwin McMillan的指导下开始设计)。

 

340MeV的电子同步加速器

 

1949年11月,R. Bjorkland、W. E. Crandell、B. J. Moyer和H. York观测到来自184英寸同步回旋加速器的质子轰击来自靶的光子产生的几对电子。

1950年1月,Lawrence向美国原子能委员会建议建造一台25 MeV高流强直线加速器模型。4天后,他要求建造一台产生350 MeV氘核,每天制造1克中子的加速器。原子能委员会批准在LIVERMORE海军航空基地建造加速器模型MARK-I,用于生产核武器和辐射战争中使用的钋。4月J. Steinberger, W. Panofsky和J. Steller在实验中,利用McMillan建造的电子同步加速器产生的X射线的准直束打靶产生光子。夏季,朝鲜战争爆发后,开始研制MARK-II,用于生产氚和钚。

 

MARK-I的真空室

 

1951年,Edwin McMillan和Glenn Seaborg因发现第一批超铀元素而分享诺贝尔化学奖。Lawrence开始力劝建造强流强、强聚焦回旋加速器MARK-III,以试验扇区聚焦原理,但原子能委员会未予批准。

1952年,MARK-I建成。8月7日,原子能委员会终止MARK-II。

1953年11月,MARK-I关机。

1954年,在建造1/4的模型加速器实验的基础上,设计参数几经修改,6 BeV质子加速器建成,使其能够产生反物质。11月19日,Alvarez在建造了两个粒子探测器的基础上,建造的第三个液氢泡室在6 BeV质子加速器上运行。

1957年,建造了一台重离子加速器。利用它合成了锘(102)和铑(103)。辐射实验室获得一台IBM650计算机。该计算机和伯克利校园里的一台IBM704完成了数据分析和第一个泡室系统。Frank Solmitz和Arthur Rosenfeld首次实现了重建由Franckenstein室提供的轨迹,并将它们与假设的相互作用轨迹加以比较。

1958年,授权建造88英寸扇区聚焦回旋加速器。8月27日Lawrence病逝,他不仅为回旋加速器的技术做出巨大贡献,而且确立了LBNL的多学科基础,创建了新的综合科学,包括核科学、物理、化学、生物学和医学。LBNL成为一个多学科实验室,研究领域包括冶金、催化剂、表面科学、电子显微术、理论化学、光电光谱学、地球科学、水文学、物理化学、细胞生物学、肿瘤学、激光化学和生物学。Edwin McMillan被任命为LBNL所长直到1973年。

1959年3月——72英寸液氢泡室探测器建成。Denis Keefe和Leroy Kerth发明火花室。

 

72英寸液氢泡室探测器

 

1961年,Melvin Calvin因利用碳-14和离子交换、纸色谱分析法和放射性照相术新技术,绘制了碳在光合作用中的轨迹获得诺贝尔化学奖。88英寸扇区聚焦回旋加速器建成。

 

 

88英寸扇区聚焦回旋加速器

 

1963年,螺旋扫描法研制成功。测量事例数大幅度增加。实验室的计算机经过改进升级,使测量的事例在1968年比前20年约提高了1000倍。

1967年,与SLAC合作建造的20 BeV电子直线加速器开始运行;还与SLAC合作建造了PEP。

 

LBNL设计的在PEP上使用的探测器——时间投影室

 

1973年,Andrew M. Sessler被任命为LBNL所长。他把LBNL的研究领域扩展到能源和环境研究。

1980年,David A. Shirley被任命为LBNL所长(1980-1989)。他将研究领域扩展到空间科学和战时开始进行的反应堆材料研究领域。该实验室开发了杰出的仪器,如1.5 MeV 的电子显微镜等。

1987年,LBNL开始建造先进光源ALS。

1989年9月,Charles Vernon Shank被任命为LBNL所长(1989-2004)。他被公认为科学研究的帅才,他的研究领域涉及物理、化学、电机工程和计算机科学。

1993年3月,先进光源ALS建成,同年10月22日投入运行。

 

先进光源ALS全景

 

第二次世界大战结束后,Lawrence力求保持他的实验室与政府和军方的强有力的关系。他的实验室后来并入原子能委员会(AEC,现为能源部DOE)国家实验室的新系统中,20世纪50年代初宣布该实验室的目的主要是开展非机密性的研究。机密性的武器研究在洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)(在战争期间成立)和新的Lawrence利弗莫尔国家实验室(LLNL)进行。后者由Lawrence和爱德华特勒从最初由原来的辐射实验室分裂出去的部分建立而成。但是,有些与武器有关和合作的研究继续在LBNL进行,直到20世纪70年代。

1959年Lawrence去世后,辐射实验室被重新命名为劳伦斯伯克利实验室,尽管许多人继续称它为“辐射实验室”。渐渐地,出现另一个常见的简称用语“LBL”(Lawrence Berkeley Laboratory)。1995年,当所有美国能源部实验室的名称加上“国家”后,它的正式名称修改为欧内斯特•奥兰多•劳伦斯伯克利国家实验室。为缩短名称,随后去掉了欧内斯特• 奥兰多。

 

三、战略方向

1、光子科学: 用来作出重要发现的X射线

 

X-ray image 

先进光源ALS的11.0.2光束线

 

LBNL的先进光源ALS、加速器和聚变部以及其他部的科学家们正在探索产生超快、超亮在改造我们周围世界中能够捕集电子的X射线束流。

阳光能

超快X射线可以用来分析自然光合作用化学。在光合作用中,光能转换为化学能如此之快,以至没有光能作为热而被浪费。了解到这一点,科学家们可以创造人工光合作用,利用太阳光在没有浪费的情况下将水和二氧化碳转换成清洁液体燃料和燃料电池用的氢。通过了解今天最好的太阳能电池可期望如何为被吸收的每个光子获得两个电子而不是只有一个,太阳能电池也可以大大加以改进。

人体康复

快速、亮度高的X射线能帮助医学科学家观看自然时标运动中的生命机器。超快、高重复率、相干的X射线可使运动中的活性蛋白质结构成像。分子机器、细胞成分、运动中的整个活细胞的精美详细运动情况能够推动毒理学、药理学的研究进展,以及我们对人体和它如何工作的认识,导致治愈包括各种形式癌症的多种疾病。

绿色化学

利用X射线实时探测化学反应能帮助节能、无废物的绿色化学时代的到来。今天的催化剂从氨合成肥料,制造合成燃料,控制燃料电池,它们甚至清除废气排放量。明天更智能的催化剂将消除更多废物,降低更多污染,并使用更少的能源。通过一步一步地确定参与催化作用的复杂和快速变化,研究人员可以设计可即时调整每一个阶段化学过程的纳米催化剂。

超级电

利用X射线,科学家们可以揭示磁性和电子隐藏的秘密。电线传输因电阻浪费电力,但电流通过一个超导体完全没有电阻。X射线可以帮助解决如何利用高温超导体传输电力问题。为制造未来电动车用的新电池,X射线可以激发几组电子,并跟踪它们的能量,它们如何旋转,以及电池充电和放电时它们如何移动。

 

2、气候变化和环境科学

 

Climate image 

加州大学野外站温室微型生态模拟系统研究

 

在LBNL,气候科学家、地质学家、微生物学家、计算机科学家和工程师解决地球上最紧迫的一些问题。

气候模拟

实验室的科学家们正在建一种新的集成尖端科学,如在LBNL进行的碳循环开创性工作的气候模型。目标不是单独预测气候,而是在全球范围内气候,水和能源之间的相互作用。这将能够在任何时候纳入新的数据并生成新的情况:能源需求和碳排放;大气成分及热进入和离开它的变化;对生态系统和人类福祉的影响;以及减轻或适应变化的不同战略。

碳存储

气候变化还提供强大的动力,以减少进入大气层的二氧化碳数量。实验室的科学家们正在解决研究需要被称为捕获和储存二氧化碳的一种创新技术,其中包括捕捉、压缩和运输二氧化碳到地质有利区,在那里注入到多孔岩石超过一公里的地下,永久储存。

地下能源生产创新

按照对可供、可靠和环境友好能源的需求,LBNL的科学家们正在与地热、石油和天然气工业部门合作,开发提高地下能源资源生产的创新方法。

环境治理

实验室的科学家们发现对生物地球化学循环的见解(陆地、海洋和大气)对水和能源资源的管理至关重要。他们正在开创环境整治和水资源管理技术,采用的方法,范围从分子到宏观尺度。

模拟地球的复杂过程

LBNL的科学家在开发揭示形成和控制地球复杂过程的预测模型中,如地下流体如何流动和化学品如何通过地质介质输送也处于领先地位。他们还开发了了解范围广泛的、从在地壳中的自然流体移动的相对短期效果到长期全球气候变化的全球过程性质的新的同位素技术。

 

3、宇宙中的物质和力

LBNL的科学家是宇宙的探路者,并仍处于探索的前列中。

暗能量的神秘

以LBNL为基础的国际超新星宇宙学项目率先发现宇宙正在加速膨胀,显示出神秘的暗能量。负责美国航天局/美国能源部暗能量共同任务的能源部的项目办公室的总部设在LBNL,实验室领导国际邻近超新星工厂和重子振动光谱调查- 一种新奇的测量宇宙膨胀历史的方法。实验室的宇宙学家们都加入美国国家科学基金会天文学家提出绘制有5000万个星系、类星体和氢气的宇宙。

研究难以捉摸的中微子

LBNL的研究人员是表明中微子具有足够的质量,让它们改变“味道”的团队成员。该实验室参加了大亚湾反应堆中微子实验,该实验是一个国际合作项目,利用在中国的强大核反应堆了解不同类型的中微子的质量。中微子科学是地下深处科学与工程实验室(DUSEL)的重点。该实验室是为南达科他州前霍姆斯特克金矿所提出建立的一个多学科的实验室,那里的数千英尺的岩石保护实验,防宇宙射线和背景辐射。有一天,DUSEL将是世界上最深最大的地下实验室。目前,世界上最大的中微子望远镜是位于南极的IceCube(冰立方)探测器,其规模1立方千米,掩埋在南极冰盖表面以下1.5公里深处。LBNL在设计IceCube探测器中发挥了重要作用,是现在利用该探测器进行研究的合作组成员。

核科学

为了研究原子核的核心,能源部新的稀有同位素束流装置包括LBNL的GRETA探测器,当奇异原子核对撞和四分五裂后,该探测器测量伽玛射线的动量和方向,该装置还包括LBNL孪生的强大离子源VENUS(金星)注射器。在其他地方,LBNL的科学家们利用理论研究探索早期宇宙中夸克胶子等离子体的短暂时代,以及对像在西欧中心大型强子对撞机上进行大型离子对撞机实验ALICE的国际团队的重要贡献。

超越标准模型

长期以来,LBNL的实验物理学家们都成功地设计和建造了像西欧中心大型强子对撞机上进行大型ATLAS实验最核心部分一样的高能量物理装置。该实验室的科学家们利用这些工具探讨为什么在宇宙中物质多于反物质,暗物质是什么,以及是否存在额外维空间。

 

4、能源效率和可持续能源

 

Energy image

配备能源效率功能的旧金山联邦大厦

 

一个小时的阳光,在无碳排放和加剧全球变暖的情况下,足以供应人类整整一年对能源的需求。但是,直到我们能够充分和有效地利用大自然的这一恩惠之前,能源效率仍然是最容易获得的减少对外国石油依赖的手段。

能源效率

与普遍看法相反,“能源效率”和“节约能源”不是同义词。能源节约意味着学会在没有帮助的情况下设法应对,而能源效率则意味着提供那项服务,但是使用较少的能量这样做。LBNL的研究人员通过环境能源技术处的许多项目,将重点放在证明富有成果的领域,如低辐射镀膜节能窗户、节能荧光灯和电子镇流器、以及电脑模拟软件程序,如有助于建筑师和工程师设计出更节能建筑的DOE-2,和给房主提供查阅能源费用,建议他们如何能节省能源帐单上费用的家庭节能器。LBNL的研究人员还对节能电器标准、建筑法规、设备效率标识、和其他能源标准提供科学和技术分析。

能源研究

2005年,时任LBNL所长的朱棣文发起了一项雄心勃勃的开发基于太阳的能源技术项目,被称之为以古希腊神话命名的“太阳神工程”。今天,太阳神太阳能研究中心(SERC)的研究,旨在开发一种可用于从二氧化碳和水产生液体燃料的人工版本的光合作用。目标是用可以有效地收集太阳光和分散电荷的纳米晶体和能催化化学从水和二氧化碳形成燃料的纳米晶体填充单个光伏膜。换句话说,太阳神SERC研究人员希望制造比植物叶子会更有效地起作用的合成叶子。据计算,用合成叶膜覆盖5800万英亩美国非耕地10%的转换效率产生的能量远远高于目前全国每年的消耗量。

 

5、计算科学和网络

 

奥克兰技术中学生在'富兰克林的Cray XT4超级计算机集群

 

LBNL的科学家和位于LBNL的计算资源已率先帮助我们了解了气候的变化,蛋白质如何构成生命的基本工作,以及恒星如何爆炸等。预期未来有更多的突破。LBNL在高性能计算和高速网络处于领先地位,这两者都是当今数据密集的国际科学合作所需要的。

国家能源研究科学计算中心(NERSC)

NERSC坐落在LBNL,是能源部科学局的旗舰超级计算机设施。用户设施在提供资源,通过计算加速科学发现中系世界的领导者。在任何特定时间,约3000名科学家利用该设施解决400多个项目,包括从气候研究和天体物理学到加速器物理和材料科学。

能源科学网络(ESnet)

ESnet是一种高速网络,服务于科学家和由能源部资助的合作者。由LBNL的ESnet工作人员进行管理和运行,网络与所有能源部主要网站联接,提供高性能的速度。它使国家实验室、大学、以及其他机构的研究人员合作解决世界上一些最重要的科学挑战- 例如在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机上寻找物质的起源。ESnet将很快研制一台每秒100千兆位的以太网网络样机,以比目前技术快10倍的速度与美国能源部的超级计算机中心连接- 创造世界上最快的计算机网络。

计算研究

LBNL计算研究部的科学家们进行计算机科学与应用数学的研究和发展。他们开发使科学家们能够利用当今最先进计算资源的计算工具,如行星表面温度惊人的计算机可视化。

绿色计算

LBNL还是发展能效计算的领导者。由于功耗可能成为高性能计算未来生长的限制因子,所以实验室的科学家们正在开发利用低功耗处理器的新的计算机体系结构。其他的科学家正在评估数据中心的能源效率和提出减少它们耗电量的战略。

 

6、用于能源研究的生物科学

 

Biosci image

用光学成像技术来研究生物燃料背后的分子机器

 

生物量包括所有植物或植物材料,代表被抓获和通过光合作用储存在植物糖中的大的太阳能储存库。提取和发酵植物糖使之成为可以取代以加仑为基础的先进生物燃料,具有远远超过当今整个全球石油产量的潜力。LBNL的研究人员通过联合生物能源研究所、联合基因组研究所和能源生物科学研究所的工作,正在朝着这个目标努力。

联合生物能源研究所(JBEI)

JBEI是位于加利福尼亚州埃默里维尔(Emeryville)的美国能源部(DOE)三个生物能源研究中心之一。这一科学合作是由LBNL领导的,该项合作包括桑迪亚国家实验室、美国加州大学(UC)伯克利分校和戴维斯分校、卡内基科学研究所和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)。JBEI的五年任务由能源部资助1.35亿美元,旨在推进下一代生物燃料的开发。JBEI通过给料、解构、合成燃料和技术完成其研究。

联合基因组研究所(JGI)

联合基因组研究所位于加利福尼亚州核桃溪,作为人类基因组工程的一部分于1997年由美国能源部成立,2004年,它被指定为美国能源部国家用户设施。今天,JGI的研究人员调查生物圈,以表征与生物能源、全球碳循环和生物地球化学的能源部科学任务相关的生物体。他们还提供高流量定序及与清洁能源产生及环境表征和清理相关的基因计算分析。JGI整合LBNL、劳伦斯利弗莫尔国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室3个基因组中心率先进行基因组绘制、DNA排序、技术开发和信息科学中的专门技术和资源。今天,联合基因组研究所的伙伴实验室包括LBNL、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室、太平洋西北国家实验室和哈德逊阿尔法生物技术研究院(原与斯坦福大学人类基因组中心相关联)。联合基因组研究所的工作人员大多来自LBNL和劳伦斯利弗莫尔国家实验室。

能源生物科学研究所(EBI)

EBI是加州大学伯克利分校、LBNL和伊利诺伊大学之间共同运作的一个研究所。英国石油公司为其提供资助十年,共计5亿美元,EBI研究人员的任务是利用生物学、物理学、工程、环境和社会科学,制定解决全球能源挑战、减少化石燃料对全球变暖影响的可行方案。作为世界上第一个专门致力于能源生物科学研究的研究机构,EBI的研究最初集中在开发下一代生物燃料上,但也研究生物学在能源方面的各种各样的应用。

 

四、国家用户装置

1、先进光源(ALS)

LBNL的先进光源ALS(Advanced Light Source)是世界上紫外线和软X射线束流最亮的光源和在其能区内世界上第一台第三代同步辐射光源,ALS使以前不可能进行的研究成为可能。该装置欢迎来自世界上的各大学、工业部门和政府实验室的研究人员。

ALS于1987年开始建造,1993年3月建成,同年10月22日投入运行,造价为9950万美元。ALS由美国能源部基础能源科学处提供经费支持。

ALS的工作人员大约210人,2005年以来被引用的文章3100多篇。2010财政年度运行经费4900万美元,运行时间5842.6小时,现有光束线39条+束流测试设备。

(1)ALS的用户

(2)ALS亮度有多高?

ALS在X射线区产生的电磁谱光比太阳亮十亿倍。这个非同寻常的工具为在材料科学、生物学、化学、物理和环境科学研究开展最先进的研究提供前所未有的机会。

正在进行的研究课题和技术包括:探测物质的电子结构、半导体、磁性材料、三维生物成像、蛋白质晶体学、臭氧光化学、生物样品的X射线显微术、化学反应动力学、原子和分子物理及光学测试。

(3)ALS的用途

ALS是个研究设施,科学家们利用它来研究物质的特性;分析样品,获得为量元素;探明原子和分子的结构;研究生物标本;了解化学反应;制造精微机器。

ALS产生带有特殊质量的主要是X射线的光。科学家们利用这些X射线作为他们开展工作的工具,正如牙医用X 射线作为工具一样。

从不同研究项目的许多科学家可同时使用ALS。例如,一位科学家可检查泥的样品,寻找微量的有毒污染物,而另一位可同时研究聚合物,发现分子是如何排列的。事实:X射线具有比可见光还短的波长。但两者都是光,又称电磁辐射。

 

(4)ALS为何有用?

ALS在电磁光谱的远紫外和软X射线区产生光。该光的波长为0.0001微米到0.1微米,是研究物质的良好工具:

原因1:ALS的光可穿透物质。正像牙医用X射线看你齿龈内部一样,科学家们利用ALS的光观察物质的内部。

原因2:小于所用光波长的任何东西都不可能“看到”。所以要研究原子或分子,必须用相当或小于它们尺寸的光波。ALS产生的光,其波长约为原子、分子、化学键的尺寸和晶体中原子位面之间的距离。原子、化学键和晶体中原子位面之间的距离全为几个埃,大约与ALS的光的波长相同。

原因3:来自ALS的光子(或光的粒子)具有与原子中许多电子发生相互作用的恰当能量。下面的图显示光照在物质上以后可能发生的情况。

电子可吸收光子的能量并从物质逃脱(如图上部所示)。十九世纪晚期,科学家们观测到了这个现象,并把其称为光电效应。

或物质原子中的电子可吸收光子的能量,并跳到一个更高的能级。电子这样做时,其原子就称为“激发”。很快电子就失去多余的能量,返回到较低的能级 – 这一过程被称为退激。这一失去的能量常常以光子的形式从原子逃脱。激发和退激如图下部所示。

ALS的科学家们探测和分析正逃脱的电子或光子,以期更多地了解他们所发现的原子和物质的结构和行为。这样的分析要达到许多目的,例如:从发射样本中,探测稀有元素的存在和数量;提供显示物质结构的图像。

原因4:ALS是美国亮度最高的软X射线。这里产生的X射线比牙医机器中用的最大功率X射线管产生的X 射线的亮度高一亿倍。高的亮度意味着X射线高度集中。每秒X射线光子可被引导到一种材料的极小区域。

原因5:除了它们的亮度外,ALS的X射线具有其他的有用特性,像可调谐性、接近相干性、脉冲性质和极化。

既然ALS产生X射线,那么为什么科学家们就不能像牙医那样仅用X 射线管而非用ALS呢?

实验室和牙医室有X射线管,它们继续用于许多实验。但当ALS用来研究多数材料时,它比X射线管具有优越性。

一个明显的优点是X射线束流延续的时间长度。ALS 的束流延伸数小时,而X 射线管的束流往往有限。科学家不能利用X射线管产生的光用于需要很长时间的实验,例如扫描材料表面寻找杂质。

来自ALS的X 射线还具有与构成多数普通材料的较轻原子中的许多电子繁盛相互作用的恰当能量。相互作用必须发生;否则实验不会产生信息。X射线管比ALS产生更高能量的光子–使由像金(Au)这样的非常重的元素组成的物体成像的优势。但是这些高能光子正好通过由轻原子组成的物质,根本不发生相互作用。

ALS的最大优点是它的亮度。你可以将ALS的X射线束流与激光加以比较,X射线管的X射线束流与泛光加以比较。虽然它们两个每秒都可能产生相同数量的光子,但是ALS 产生的光子集中在一个小的区域,而X射线管产生的光子则分布的到处都是。光子较高集中在比较小的区域,可使科学家们增加他们实验的特异性。他们可以研究较小的物体或选择更特殊的光子能量(eV的十分之几)以研究非常特殊的目标。

(5)ALS的结构

 

 

ALS由直线加速器、增强器、储存环、束流引出、光束线、实验站组成。当电子束团被磁铁强迫进入圆形轨道时,这些束团以接近光的速度运行,发出明亮的紫外和X射线光,通过光束线输送到实验站。

 

ALS直线加速器                    ALS增强器

  

ALS储存环                 ALS的5厘米周期波荡器

 

     束流引出口                  ALS实验区 

 

ALS束线分布

 

 

MERLIN束线上的实验站

 

(6)ALS的战略规划(2009年2月)

两个主要因素主导ALS的未来规划:基础能源科学处进行的三年一次的非常成功的评审和担心联邦预算可能会限制今后的项目。因此,要及时更新设想,特别是战略规划。为此,ALS的科学家们最近修订和更新了计划,以确保它既全面,又能大胆地满足用户和21世纪对科学要求的需要。

¨研究领域

来自不同领域的科学家们来到ALS作实验。下面列出的是ALS的光束线所涵盖的最常见的一些研究领域。每个标题下面是包括在这一类内特定类型项目的几个例子。

能源科学:光电、光合作用、生物燃料、能源储存、燃烧、催化、碳捕获/封存。

生物科学:普通生物学和结构生物学。

材料/凝聚物质:相关材料、纳米材料、磁性、聚合物、半导体和水。

物理:原子、分子和光学(AMO)物理及加速器物理。

化学:表面/界面、催化剂、化学动力学(气相化学)、晶体学和物理化学。

地球科学/环境:地球和行星科学、生物修复、气候变化和水化学。

应用科学/技术:光学、超紫外线(EUV)光刻技术、计量、仪器仪表、探测器和新的同步技术。

¨研究技术

在ALS上使用的实验技术分为三大类:光谱仪、衍射和成像。此外,一些技术随时间变化能够捕获变化。点击标题,可更多了解在ALS上采用的这些技术。

光谱学技术:被用于研究由样品发射和吸收的粒子的能量。这些样品暴露于光源光束,通常用来确定化学键和电子运动的特点。

散射技术:利用X射线被固体中的原子紧密晶格偏转时产生的光模式,常用来确定晶体结构和如蛋白质这样的大分子。

成像技术:利用光源的束流来获得所研究的样品的良好空间分辨率的图片,这些技术用于不同的研究领域,如细胞生物学、光刻、红外显微术,放射学和X 射线断层扫描。

时间分辨技术:利用光源光束脉冲性质拍摄一系列的快照,这些快照聚集起来,随时间的推移,可以形成一个样品变化的动态图像。

(7)2010年科学集锦

• 纳米管富勒烯D5h(1)- C90令人吃惊的外观

先前未被发现的富勒烯D5h(1)- C90已经由单晶X射线衍射分离和在结构上确定。纳米管D5h(1)- C90,一种具有纳米管一些物理和电气性能的富勒烯的发现,为圆柱形的富勒烯作为纳米管的分子模型提供一个独特的机会。

• 墨西哥湾深海喷油分子测量

为了研究深水范围井喷泻油的影响,研究人员收集了来自墨西哥湾深海样品,并采用各种技术,包括SR - FTIR分析了它们物理、化学和微生物特征。

• 所有聚合物太阳能电池的结构阻碍效率

半导体聚合物薄膜是一种可能替代硅为基础的太阳能电池。然而,模型中所有聚合物太阳能电池低的能量转换率是由太大的区域和不太明显的接口造成的。

• 铂纳米团簇好于单晶

在高压下,铂表面可以急剧改变其结构,以应对大有效区反应物的存在。研究人员使用高压扫描隧道显微镜和环境压力的X 射线光电子能谱研究根据实际情况下催化剂的结构和组成。

• 混合纳米结构中的成分变异

混合纳米结构,如尖头带有催化材料的纳米棒允许个别元件单独有新的或改进的功能。然而,直到最近,现在还不清楚改变的生长过程如何影响所需要的特性。

• 细菌生物膜开发实时化学成像

科学家们已经开发出一种强大的,无标记的方法来探查正在发展的细菌生物膜的化学基础,耦合红外线与首个开放式通道微流平台,以确定形成生物膜发展的化学。细菌生物膜可以抵御拮抗剂,分解顽固的材料和生产生物燃料。

• 远紫外线光刻掩膜缺陷研究

印刷电脑芯片采用极端紫外线(EUV)光刻技术将能够生产更小、更快和更便宜的半导体。为了更好地发现和描述对EUV光刻技术极为重要的在一个特殊镜子中的缺陷,LBNL的科学家们创造了一种独特的菲涅尔波带显微镜。

• 人类皮质骨断裂行为辐射效应

为了更好地预测骨破裂,研究人员使用同步辐射微断层照相调查裂纹路径的变化和人类的骨皮质增韧机制。当暴露在高剂量辐射时,研究人员发现,骨头可以在不同大小的尺度失去强度,柔软性和韧性。

• 纳米团簇中选择地点电离影响后续的破碎

了解纳米系统在原子层面上的电荷转移过程对设计基于纳米管或二维石墨烯薄片的纳米器件至关重要。研究人员已经了解到,电荷转移和纳米团簇碎裂动力学受最初电离原子环境的影响。

• 首次观测石墨烯中的等离极化子

一个在ALS上进行角分辨光电子发射能谱(角分辨光电子能谱)实验的国际科学家小组发现,被称为等离极化子的复合粒子在决定石墨的性能中起到至关重要的作用。这是第一次观测石墨烯或任何材料中等离极化子截然不同的能带。

• 铟纳米结构力学行为

铟由于其优良的润湿性能,延长的延展性和高电导率,是一种微电子应用无铅焊接的关键材料。研究人员研究了铟纳米结构的小规模力学。

• 软X射线整个生物细胞无透镜成像

科学家们在ALS的光束线9.0.1上利用X射线衍射显微镜,获得整个酵母细胞的图像,分辨率在11至13纳米,这是向来用此方法获得的生物标本最高的分辨率。他们的成功表明,应该很快就可以获得同等分辨率的全细胞全三维成像。

太阳能电池用的仿生染料分子

最具成本效益的太阳能电池不是高端、高效率单晶设备,而是基于有机分子或导电聚合物的低端电池。使用近边X射线精细结构光谱获得制造具有更具竞争性的广泛实施的有机太阳能电池至关重要的知识。

• 环状蛋白质中的旋转点火解释了单向性

为了解六聚体解旋酶如何沿着一定的单链核酸的极性方向走,LBNL的研究人员利用ALS的X射线晶体学解决六聚体解旋酶的结构,与ATP模仿物和RNA酶作用物结合的Rho转录终止因子(来自大肠杆菌)。

• 结构说明真菌聚酮环化机理

由称为聚酮合成酶的真菌酶形成的聚酮化合物(PKSs)环由酶的产品模板(PT)结构域介导。然而,从具有高保真线性媒介形成的一个芳香环的形成机制仍不清楚。

 

2、能源科学网络(ESnet)

Esnet是一个高速网络,服务于超过40个机构的能源部数千名科学家,与100多个其他的网络连接。Esnet率先提供连接国家实验室、大学和其他研究机构研究人员的高带宽、可靠连接,使他们能够在包括能源、气候科学以及宇宙起源方面对世界上最重要的科研挑战进行合作。Esnet由美国能源部科学局提供经费,LBNL的Esnet组负责管理和运行,它为科学家们提供使用能源部独特的研究设施和计算资源。

 

ESnet连接了40多个能源部的实验室

 

Esnet是一个可靠的、强有力的、高吞吐量和高效率的网络基础设施,提供无障碍可达其用户的全球连接。Esnet连接能源部的研究场所,提供用以支持该机构任务的有效和可靠通信基础设施以及先进的网络服务和专业知识。Esnet为研究人员提供与能源部其他机构和世界各地的同事们的合作和交流数据的能力。

管理海量数据流是科学家今天面临的主要问题之一,特别是他们与世界各地研究小组合作进行大量计算物理问题、就合作进行能源研究、气候研究和天文学时。当诸如模拟和可视化的工具变得更为精细调整和成熟时,他们也需要处理和管理更大量的数据。

单是由国际科学合作组和大数据流量越来越分散的性质,以及实时云计算的发展所产生的数据量,就在创造一个惊人的网络通信量。自1990年以来,Esnet网络的通信量就增长了72%。平均通信量每47个月就增加10倍。

当国际科学合作,如包括大型强子对撞机、气候研究和国际核聚变实验堆这样的项目产生和交换大量数据时,这一增长趋势才加速。

Esnet提供可升级的高效网络基础设施,使科学家们能够优化其资源,并进行雄心勃勃的、世界一流的研究。

Esnet有一种强烈的领导网络创新的风气。我们的团队正在不断改进网络和服务,以创造一个更加通用和强大的网络环境,满足科研人员新的需要。我们与世界技术界紧密合作,以开发开放源码软件和协作技术项目。我们的项目以及与世界各地其他研究和教育网络的合作表明,我们致力于推动网络的研究,所以我们将能够预见并完美地服务于美国能源部科学的需要。

Esnet是开拓性的网络研究和发展项目,包括:

-OSCARS。在Esnet开发需求的安全电路和预订系统软件开发和现在对科学界开放源码,创造多领域、虚拟电路,保证在网络上终端到终端的数据传输的性能

-perfSONAR。提供终端到终端的多域网络性能监控的测试与测量框架。Esnet是国际perfSONAR合作的重要成员。

-ANI。美国复苏与再投资法案先进网络计划,由美国恢复和再投资法案资金6200万美元启动,Esnet着手从事先进网络计划,以处理能源部超级计算设施之间不断扩大的数据需求。该项目的目标是加快100 Gbps(每秒千兆字节)的技术部署,以支持科学研究和教育,以及建立一个过渡到生产网络的强大基础设施。

 

3、联合基因组研究所(DOE JGI)

美国能源部联合基因组研究所(DOE JGI)位于加州Walnut Creek,成立于1997年,以将能源部在LBNL、劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)基因组中心率先进行DNA测序、信息科学和技术发展中的专长和资源整合在一起。1999年,为加快完成能源部对人类基因组计划的承诺,负责管理DOE JGI的美国加州大学,将在加州Walnut Creek轻工业园区实验室和办公室租赁出去,以巩固各项活动。这样做取得的重大规模经济使联合基因研究所成为第一个在自然杂志上发表的目标染色体5、16和19序列分析。继这一成就之后,DOE JGI通过测序20 多个微生物物种几种典型的生物体和将这一信息无偿地贡献给公共数据库继续推进基础科学。

 

JGI鸟瞰图

 

2004年,DOE JGI将自己确定为全国用户设施,而今天有超过2000名世界各地的用户。DOE JGI测序的绝大多数是在生物群落测序项目(CSP)赞助下进行的,测量生物圈以表征与能源部生物能源、全球碳循环和生物地球化学科学任务范围有关的生物体。DOE JGI的最大客户是美国能源部生物能源研究中心(BRCs),这些中心成立于2007年,旨在加速开发下一代纤维素生物燃料的基础研究。该研究所继续得到来自美国能源部科学局生物和环境研究处的大部分资金支持。

目前,DOE JGI已发展到占地八万平方英尺,聘请由国际公认的遗传学家、医学博士和哲学博士Eddy Rubin领导的250名员工。DOE JGI的伙伴实验室包括:LBNL、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验室和太平洋西北国家实验室(PNNL)以及哈森阿尔法生物技术研究院(以前与斯坦福人类基因组中心有关)。DOE JGI的劳动力大多从LBNL和劳伦斯利弗莫尔国家实验室抽调而来。

 

JGI的组成:LBNL=劳伦斯伯克利国家实验室;

LLNL = 劳伦斯·利弗莫尔国家实验室;

LANL = 洛斯阿拉莫斯国家实验室;

JGI = 联合基因组研究所;

ORNL= 橡树岭国家实验室;

HudsonAlpha Institute =哈森阿尔法生物技术研究院;

PNNL= 太平洋西北国家实验室 

 

DOE JGI硕果累累,不仅生成了DNA序列数据,(仅在2010财年,就超过5万亿个核苷酸),而且还产生了知名的出版物。2004年以来,DOE JGI在数百同行评审的出版物中发挥了作用,并系两作者之一,从2006年至今,在科学和自然杂志上发表的数十篇论文中发挥了重要作用。所有这些论文都有一个或多个DOE JGI的作者,对他们的大多数人来说,DOE JGI在研究中发挥了领导作用,这反映在第一或首席作者的身份上。

DOE JGI的经费主要由系美国能源部科学局一部分的生物和环境研究处提供,2011财政年度(FY2011)的运行费为6900万美元。

 

 

4、分子铸造厂

 

分子铸造厂外景

 

分子铸造厂有六个相互依存的研究设施,与LBNL的其他用户项目和附属的研究实验室一起,提供使用最先进的仪器,科学知识和专门技术,帮助用户解决在纳米科学和纳米技术中的无数挑战。

¨铸造厂的内部研究集中围绕以下四个研究主题

组合纳米科学 - 采用高度自动化和并行处理,利用机器人合成器生成和测试使用生物和无机纳米结构库。这使研究人员能够快速测试数千种化合物以获得广受欢迎的光学、电子和热性能。

纳米界面 - 设计混合纳米材料的机械和运输性能(具有不同特性的材料,例如,无机纳米材料和复杂的活生物体),通过异质结构和界面合成、基本原理模拟及功能表征来完成。

多模态原位纳米成像 -应用多种成像技术,包括扫描探针显微术、纳米光子学和电子显微术研究液体和蒸气环境中的动态纳米尺度现象。高度强调子软态状。

单位数纳米制造 - 利用生物和有机模板、先进的光刻技术和基于探针的表面改动制造纳米结构、特征和测量小于10纳米,即在个位数的空间。

研究设施坐落在一个六层,9.4万平方英尺的大楼里,配备了先进的,有时一种一件的仪器。它包括大约4800 平方英尺等级100的洁净室空间,一个较小的等级10的纳米加工/光刻和清洁测量区,和一个放有最先进的成像和操纵工具的5500平方英尺的低振动,低电磁场实验室。

¨六个内部研究设施和多个附属资源:

 

Foundry Stairway

 

利用六个研究设施和多个附属的用户项目和科研实验室,铸造厂的科学家们帮助用户应对在纳米尺度的挑战,同时也围绕四个跨学科研究主题,即组合纳米科学、纳米接口、多模态原位纳米成像和单位纳米加工,开展内部研究项目。

• 纳米结构成像和处理

通过将结合电子、光学和扫描探针显微术结合起来,侧重于最先进的纳米结构表征和处理-从“硬”到非常“软”的物质。

• 纳米制造

侧重于先进的光刻和薄膜处理技术,强调与化学和生物纳米系统的集成和开发纳米电子、纳米磁性和纳米光子学器件。

• 无机纳米结构

侧重于半导体、碳和混合纳米结构科学-包括纳米晶体、纳米线和纳米管的设计和合成-和研究它们的电子学应用。

• 有机和大分子合成

侧重于研究“软”材料-包括有机分子、大分子、合成聚合物及其组合的研究,可以利用功能系统、光敏、有机-无机混合和多孔材料。

• 生物纳米结构

侧重于基于生物聚合物和仿生聚合物自我组装的新材料,生物成像的新探针和合成生物学技术,以重新设计生物体和创建混合生物分子与设备接口。

• 纳米结构材料理论

侧重于理论支持,以指导对新的原理、行为和实验的了解-包括在纳米尺度分子结中的电输运、生物纳米结构自组装和在混合纳米接口光谱学的计算。

除了六个设施外,用户还可以利用LBNL下属的研究中心,包括先进光源ALS、国家电子显微术术中心和国家能源研究科学计算中心。

 

5、国家电子显微术中心(NCEM)

 

NCEM外景

 

国家电子显微术中心NCEM(National Center for Electron Microscopy)是世界上电子显微术和微表征最重要的中心之一。它是一个由LBNL为美国能源部运行的科学局用户设施。

NCEM成立于1983年,以保持拥有最先进仪器和专业知识的电子 - 光学材料表征最前沿研究中心地位。作为国家用户设施,国家电子显微术中心对来自大学、政府和工业实验室的科学家开放。该中心提供最先进的仪器、技术和高空间分辨率材料先进电子束微表征专门技术。该中心的宗旨是进行有关微结构与微量化学特性、材料特性和工艺参数的基础研究;开发先进的电子显微术技术、计算机算法和仪器仪表;并帮助培养电子光学微表征理论和应用方面的未来的科学家。

国家电子显微术中心的科学家开展高水平的研究,运用新技术解决关键材料问题,和与外部的研究小组合作,最大限度地提高电子光学方法对材料科学的影响。该中心的重点和主要影响在以下几个研究方面:

- 缺陷和变形

- 材料中的相变机理及动力学

- 纳米结构材料

- 表面,界面和薄膜

- 微电子学材料与器件

该中心由科学界领导人组成的科学顾问委员会指导。经过外部建议评审委员会对科学建议的严格评审后,可免费使用这一装置。NCEM用户的兴趣和关注,在当选的用户执行委员会的领导下,由NCEM用户协会提出。NCEM目前有十台电子显微镜。用户支持由常驻的科学、技术和行政人员提供。

 

NCEM的显微镜及先进仪器

http://ncem.lbl.gov/frames/microscopes&facilities.htm

 

TEAM I = 透射电子像差矫正显微镜;

TEAM 0.5 = 透射电子像差矫正显微镜0.5;

LIBRA = 200 kV蔡司单色仪;

OAM = 1埃显微镜;

SPLEEN = 自旋极化低能电子显微镜;

3010 INSITU = 300 kV JEOL 3010电子显微镜

CM200 FEG = 飞利浦CM200 FEG万能仪;

FIB = FEI层235双束聚焦镓离子束系统;

TECNAL = 200 kV单色F20 UT显微镜

 

6、国家能源研究科学计算中心(NERSC)

国家能源研究科学计算中心NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)是美国能源部科学局的旗舰科学计算设施。作为致力于为基础科学研究提供计算资源和专门知识世界上最大的设施之一,NERSC通过计算在加速科学发现中处于世界领先地位。

利用NERSC的3000多名计算科学家进行门类齐全的跨学科基础科学研究。这些学科包括气候模型、研究新材料、模拟早期宇宙、分析高能量物理实验数据、研究蛋白质结构、以及许多其他科学工作。在NERSC进行的科研调查,可以在NERSC年度报告中找到。

NERSC被誉为世界上运行最好的科学计算设施之一。虽然NERSC提供无论何处都是最大的计算和存储系统,但使NERSC表现突出的是它成功地创造了一种使这些资源有效用于科研的环境。NERSC系统可靠、安全,提供最先进的具有NERSC不同用户所需工具的科学发展环境。NERSC提供智力服务,让计算科学家成为更有效的顾问,他们是计算科学和性能优化、协助可视化、培训、根据用户要求提供支持和其他服务方面的专家。

 

NERSC的XT4s超级计算机群

 

由美国能源部科学局提供资金支持和需要高性能计算支持的所有研究项目,均可申请使用NERSC资源。不由美国能源部科学局资助,但进行研究支持科学局任务的项目,也可申请。

NERSC的任务是,通过提供高性能计算、信息、数据和通信服务,加速美国能源部科学局科学发现的步伐。NERSC是为科学局项目,如磁聚变能、高能物理、核物理、基础能源科学、生物和环境研究和先进科学计算研究提供高性能计算服务的主要供应者。

计算是一个像解决二十一世纪科学挑战的实验和理论一样重要的工具。NERSC的基本任务是启动规模计算科学,大型、跨学科的科学家团队处理需要大量计算和有广泛科学和经济影响的科学和工程中的基本问题。这些问题的例子包括全球气候模型、燃烧模型、磁聚变、天体物理、计算生物学,等等。

历史

1973年的石油危机的确在加油站形成排长队现象 - 它快速启动了超级计算的革命。寻求替代能源导致更多的资金用于能源部项目的磁聚变,模拟等离子体聚变反应堆的行为需要一个致力于这一目的计算机中心。1974年,在劳伦斯利弗莫尔国家实验室创建的受控热核研究计算机中心是第一个非保密的超级计算机中心,并是那些后者的典型。

多年来,该中心的名称改为国家磁聚变能计算机中心,后来改为国家能源研究超级计算机中心。1983年,中心的作用扩大,超出了聚变项目,并开始为美国能源部能源研究局(现为科技局)资助的所有项目提供一般计算服务。1996年,当中心搬迁到LBNL并和计算科学计划合并后,采用了目前的这一名称。名称的改变- 从“超级中心”到“科学计算中心” - 标志着一个新的理念,即使科学计算多出成果,而不仅仅是提供超级计算机周期。

早在1974年,该中心就开始用借来的控制数据公司6600电脑进行运行。最初,大多数用户必须连接到他们的终端调制解调器和通过电话拨通这台电脑,尽管一些早期的用户能够利用ARPA(美国国防部高级研究计划署 - 译者注)网进行连接。1975年,CDC(中央数字计算机 - 译者注)7600取代了6600。1976年,租用的专用电话线将该中心与主要聚变能源研究中心的场所连接起来,使得用户从当地的DEC PDP - 10小型计算机登录到7600。这台机器迅速爆满,并且有一段时间,不得不从LBNL的7600购买额外的时间。

该中心于1978年获得一个CRAY-1大型、通用、高速计算机系统,并作为一个管理和运行超级计算机的创新者很快出名。将7600操作系统、实用程序和库转换到新的机器,形成Cray分时系统(CTSS)- Cray计算机系统的第一个分时系统 - 并证明该机器可交互使用。其他九个计算机中心随后采用了CTSS。

1985年,该中心安装了世界上第一个Cray 2,一个四个处理器的系统。已经花费了两年多的时间准备多重任务处理CTSS操作系统。交货后仅一个月,Cray 2就提供给用户使用,这一准备工作收到成效。

NERSC继续加强尖端的计算机体系结构的生产力。1997年8月,NERSC达到了里程碑:成功地停止和重新启动许多没有任何数据处理丢失或间断的在Cray T3E上的科学计算任务。被称为通过“检查点”,停止/重新启动程序被认为是这样的程序第一次已经在大规模并行处理系统(MPP)上完成。这一成就开启了强大、可靠、生产模式的MPP计算新时代。

在LBNL,NERSC已经成为科学项目中的一个活跃合作伙伴。科学项目既形成高性能计算,又从中受益。LBNL的高性能计算系统和优良的客户服务,通过计算和计算科学专门知识的扩大得到补充。利用背靠加州大学伯克利分校校园的优势,数学科学研究所,主要计算机和旧金山湾区的数据通信公司以及LBNL的各种科研项目,NERSC力争达到任何其它高性能计算机中心都无与伦比的科学和技术合作水平。

能源科学网络(ESnet)连同NERSC一起增长和发展,超越了使用计算机为美国能源部的科学家提供全方位的通信服务。

2000年11月,NERSC的计算和存储系统已从LBNL的主要场地移到奥克兰市中心的奥克兰科学设施。

 

五、核科学部建造项目

1、伽玛射线探测器(GRETINA)

GRETINA(The Gamma Ray Energy Tracking In-Beam Nuclear Array)是一种新型的研究原子核结构和性能的伽玛射线探测器。它由超纯锗的大块晶体建造而成,将成为第一个利用最近开发的伽玛射线能量跟踪概念的探测器。GRETINA由28个高度细分的同轴锗晶体组成。每个晶体被分割成36个电隔离元件,四个晶体组合成一个单独的低温恒温器,形成一个四晶体模块。共有7模块。这些模块以适应密排球面几何学进行设计,覆盖球体的四分之一。GRETINA是全部伽玛射线能量跟踪阵列GRETA(Gamma-Ray Energy Tracking Array)的第一阶段。

GRETA的概念于1994年提出,经过约十年的研发,掌握的技术已可用于建造这样一个探测器。2003年8月,美国能源部为GRETINA作出关键决定0(CD0),建造一台覆盖四分之一总固体角跟踪探测器。自那时起,工程项目已按计划进行,并在2011年完成。重大决定的日期列于下表。

 

 

正在安装中的GRETINA

GRETINA简介

探测器:探测器的关键技术是制造提供查找三维空间互动点灵敏度信号二维分割同轴锗探测器。此外,晶体应该有大的体积,并形成锥形的不规则六边形形状,以密实填充到具有很高立体角范围的球壳中。LBNL一直在与探测器制造商密切合作,以便经过几个样机发展阶段研制出这样的探测器。该GRETINA几何设计采用装在30个低温保持器中的120个晶体。第一个生产4晶体探测器的模块已经订货,并于2006年底交货。第一个GRETINA生产模块描述如下。

电子学:确定伽玛射线三维相互作用的位置需要对脉冲形状进行详细分析。要做到这一点,每段的脉冲形状需要以约100 MHz采样率和14位的分辨率加以记录。为了减少必须在光盘存储的数据量,数字转换器中的在线处理产生能量、时间和触发信息,以及捕捉有关部分脉冲形状由计算机集群实时对信号进一步进行分解。触发器和定时系统将执行复杂的触发器决定,将时钟和触发信息分配给GRETINA及其辅助探测器。所有的数字转换器和触发模块均在2008年生产和进行测试,其中一些已被使用。

信号分解:为了执行γ射线(γ-ray)跟踪,必须从信号的波形准确确定锗晶体中的g射线相互作用的位置和能量。每一个伽玛射线通过几个康普顿散射的事例典型地相互作用,跟着是光电吸收。该程序必须处理探测器段其中之一内发生两个或两个以上相互作用的情况。一个来,通过将几种方法如奇异值分解,自适应网格搜索和约束最小二乘方结合在一起,已经形成了一种执行这个“信号分解”的算法。它利用计算的信号波形,并列入前置放大器响应和两个不同类型的串话这样的效果。实验证明,该算法可以实现至少2毫米的平均位置分辨率。

实时进行信号分解非常重要,以便使大量波形数据不需要进行存储。这一要求意味着信号分解有望形成数据获取瓶颈;计算速度和算法的效率因此非常重要。对于目前这一代2 GHz的处理器,该算法每个击中段需要不到CPU时间的10毫秒。随着多内核CPU处理能力的进步,这种性能将足以满足要求。GRETINAs计算机集群由40个八核处理器组成。

跟踪:跟踪过程使用信号分解产生的相互作用点的能量和位置,以确定特定的g射线的散射顺序。算法已形成,以跟踪基于康普顿散射、对产生和光电互动的事例。当g射线多重数从1改到25时,获得的跟踪效率范围从大约100%到50%。目前的跟踪算法需要大约所计划的计算能力的10%。

端至端测试:三晶样机探测器一直用装备有信号数字转换器的所有111个段进行一些终端到终端的测试。利用G射线源及在LBNL的88英寸回旋加速器和密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室在束流中产生的g射线(produced in-beam)进行了测量。在密歇根州立大学,取了带有在S800光谱仪中检测到碎片的g粒子耦合数据。进行了完整的数据分析过程,包括事件的建立、信号分解和跟踪。结果表明,用样机系统可获得约2毫米的位置分辨率(在所有三个方向的平方差均值平方根)。

 

2、冰立方(IceCube)

IceCube是一个正在南极洲南极Amundsen-Scott站建造的中微子望远镜。建成后,将在冰表面向下延伸1450到2450米深处1立方千米的冰里装备仪器。IceCube的科学目标是在未开发的约高于1 TeV的高能区绘制中微子天空地图。IceCube将搜索来自北半球天空点源的中微子、中微子扩散通量,以及地球和太阳的中心暗物质湮灭的迹象。IceCube合作是国际性的,建设的项目由美国国家科学基金会提供资助,威斯康星大学负责管理。

 

   

IceCube示意图

 

LBNL在IceCube中的作用是重要的,负责数据获取系统的设计和建造,包括在冰中部署的传感器和数字光学模块。LBNL至今已建成5693个数字光学模块主板,形成了探测器的心脏。除了数据获取的硬件和软件外,设计了软件系统的整体架构和开发了实验控制软件。60个数字光学模块中的第一弦于2005年1月部署在南极冰中。全部60个数字光学模块均按设计工作。前两个中微子候选者由LBNL的博士后利用来自这个弦的数据发现。截至2008年1月,在基地IceCube设计中的80个弦中已部署40个,98%的数字光学模块工作极佳,另外1%用于取数据。在整个阵列,数字光学模块的定时精度好于3纳秒。

LBNL研究组大量参与IceCube物理分析和开发分析工具 - 重建算法、模拟代码及模拟事例。该组的物理兴趣集中于寻找地球外的电子中微子、宇宙射线大气簇射中高的横动量μ子的测量和中微子天图的产生。该组分析软件的职责包括数字光学模块主板的模拟,级联(来自电子中微子的簇射)重建算法的发展和表征及级联“2级”和t事例的处理。

2011年后,IceCube将在冰中有80-86个冰弦和在IceTop中有140 - 160个元素。6个额外的冰弦将在立方千米的一小部分密集装备仪器,形成了一个密集的装备仪器区域,该区域有一个大大减少的中微子能量阈值。

 

六、技术转让和知识产权管理

1、发放使用LBNL技术许可证

LBNL向工业部门发放使用其开发的软件和技术许可证,以将其发明推向市场,造福公众。LBNL寻找能够安排必要的财政、研发、制造、营销和管理能力,并承诺能成功LBNL的创新进行商业化的获取许可证的人。LBNL的目标是:

¨通过向能够将LBNL的发明技术成功实现商品化的公司发放使用许可证,促进其技术的利用,以造福社会;

¨支持通过创造而取得的收入,通过发放许可证所得收入来支持未来实验室的研究和确定工业合作伙伴赞助实验室的研究来支持实验室的研究任务;

¨为实验室和发明者获取合理的回报和认可;

¨促进区域和国家经济的发展。

 

2、与LBNL合作:产业 - 实验室的研究机会

LBNL一些最创新的技术转移涉及到与工业部门的合作项目。在合作研究中,美国能源部和工业部门可根据合作研究和开发协议(CRADA)共同赞助一个项目。费用、人员、设施、设备,或研究能力可以共享,互惠互利。这给工业部门提供了一个充分利用研发资金和工业部门不可能进行的研究的极佳方式。

LBNL还开展一些工业部门赞助的研究,并提供众多国家用户设施。

 

3、政府资助的合作研究项目

小公司创新研究(SBIR)和小公司技术转让(STTR):通过这些美国政府的项目,联邦机构支持小企业的研究和发展。这种授予小公司创新研究的转包合同经常发生,对于授予小公司技术转让,需要与美国非盈利机构(如大学或国家实验室)进行合作。许多公司与国家实验室进行合作或分包进行部分研究。

加州大学发明基金:通过支持产业-大学研究合作来加强和扩大加利福尼亚州的经济。来自州、产业和大学/实验室每年高达6000万美元的资金用于支持以下九个领域的研究:生物技术、通讯和网络、数字媒体创新、电子制造和新材料、生命科学信息技术、微电子学、能源、健康和保健、以及纳米技术。该基金项目向美国加州大学(包括那些在LBNL)的研究人员开放,这些研究人员与企业合作已在美国加州进行了涉及所提交建议书的研发或制造过程,或与加州的一个公司联合开展了相关的研发。

防扩散计划举措(IPP):可定期提供LBNL的研究人员与美国的工业合作伙伴与来自前苏联国防设施的科学家的合作机会。美国能源部给该实验室和前苏联在这方面的工作提供资金。工业合作伙伴必须捐助价钱等于美国能源部资助的实物。

接受受赞助的研究:可赞助LBNL的科学家在一个指定的领域进行研究,如果可确定研究人员具有适当和独特的能力、兴趣和有效用性。独特的LBNL的设备和专业知识提供其他地方可能无法提供的研究机会。

当前特许使用和进行合作的现有技术涉及先进材料、生物燃料、生物技术与医药、发展中的世界、能源、环境技术、成像及激光器、离子源和束流、纳米和微技术、软件和IT。

 

七、75年的成就

¨发明了回旋加速器 - E.O. Lawrence获得1939年诺贝尔物理奖的圆形加速器;

¨发现了锝 - 成为医学中最广泛应用锝放射性同位素的第一个人造元素;

¨建造了60英寸锝回旋加速器 - 诞生了克罗克辐射实验室和核医学;

¨发现了镎和钚 - 产生了第一个超铀元素,Edwin McMillan 和Glenn Seaborg获得1951年诺贝尔化学奖;

¨发现了碳14 - 称为测定人类史前古器物年代的原子钟;

¨建造了184英寸的同步回旋加速器 - 由加州大学伯克利分校校园移到伯克利山上的位置;

¨发明了第一台质子直线加速器 - 至今肿瘤门诊用于治疗癌症的一种类型的加速器;

¨发现了锫 - 一种放射性的稀土金属;

¨发明了Anger照相机 - Hal Anger研制出第一台组织中成像放射性同位素伽马射线照相机;

¨发明了液氢泡室 - 使Donald Glaser获得1960年诺贝尔物理奖;

¨建造了贝伐特朗质子加速器 - 加速器击碎10亿电子伏特质子(GeV)的障碍;

¨发现了反质子 - Emilio Segrè和Owen Chamberlain获得1959年诺贝尔物理奖;

¨发现了反中子 - 反物质或镜象物质扩大到包括电中性基本粒子;

¨确定了碳的光合作用路径 - Melvin Calvin获得1961年诺贝尔化学奖;

¨发现了铑 - 按LBNL创始人Ernest O. Lawrence 命名的放射性稀土金属;

¨88英寸回旋加速器开放 - 今天仍用于研究电离辐射对基于空间电子学的效应;

¨发明了化学激光器 - 成为最通用和广泛使用的科学工具之一;

¨发现了基本粒子中的“共振态”- Luis Alvarez获得1968年诺贝尔物理奖;

¨正电子断层照相(PET)获得突破 - 开发出世界上用于诊断研究分辨率最高的PET扫描仪

¨发现了j/psi粒子 - 包括粲夸克第一个证据的介子;

¨发现了106号元素Sg - 以LBNL诺贝尔奖获得者Glenn Seaborg 命名的放射性合成元素;

¨建造了贝伐拉克 - 超级重离子直线加速器和贝伐特朗质子加速器组合在一起将重离子加速到相对论的能量;

¨发明了时间投影室 - 时间投影室仍然是高能物理粒子探测器的重负荷设备;

¨超导磁铁打破特斯拉记录 - LBNL成为世界上超导电磁技术的领导者;

¨在斯坦福建造了正负电子对撞机 - 与SLAC国家加速器实验室联合建造的项目诞生了第一台物质反物质对撞机;

¨在帕克菲尔德(Parkfield)开始进行地震研究 - LBNL成为地下成像技术的领导者;

¨构思出10米望远镜 - 提出世界上最大光学望远镜中现在使用的分节反射镜;

¨发明了SQUIDs - 测量超微型磁场用的超导量子干涉设备(SQUIDs);

¨发明了智能窗 - 嵌入的电极能使窗户的玻璃对阳光的变化作出反应;

¨恐龙灭绝 - 铱在KT边界的异常使恐龙灭绝与小行星撞击地球联系在一起

¨国家电子显微术中心开放 - 世界上最强大的电子显微镜之家将产生第一批碳原子晶格图象;

¨创造了DOE-2程序 - 用于模拟加热、照明和空调费用的节能计算程序;

¨观测到了集体流 - 核物质可压缩到高温和密度的第一个直接证据推动寻找夸克胶子等离子体;

¨交叉分子束研究 - 李远哲赢得1988年诺贝尔化学奖;

¨发明了核磁共振魔角和双旋转 - 一系列新核技术中的第一种,使核磁共振技术从固体扩展到液体和气体;

¨确定了好的和坏的胆固醇 - 在胆固醇种发现了两种形式的脂蛋白,高密度和低密度,前者是好的,后者对心脏病是坏的;

¨固态荧光灯镇流器 - 高频电子镇流器导致商业开发出紧凑型荧光灯;

¨分子束外延(MBE)-4 惰性聚变能实验- 直线加速器加速并将平行的重离子束聚焦到1 MeV,提供了磁聚变能的一种替代物;

¨北极发现煤烟 - LBNL的黑碳仪揭示在北极辐射吸收黑色颗粒浓度大,说明污染是全球性的问题;

¨发明了随机涡方法 - 数学模型描述湍流,在宇宙中最常见的运动形式;

¨创造了下一代气凝胶 - LBNL研制96%是空气的材料,导致建立美国第一个商业气凝胶公司;

¨建立了正常人上皮细胞株 - 形成在培育中无限生活的细胞为癌症研究打开新的大门;

¨揭开了氡的危险 -发现氡气通过地下室进入家庭在美国某些地区构成重大辐射危险;

¨提出细胞外基质理论 - 突破性的理论将乳腺癌的发展与围绕乳腺细胞的微环境崩溃联系在一起;

¨人类基因组工程开始 -被指定能源部两个中心之一的LBNL进行绘制和对人类基因组进行排序,该项目于2003年成功完成;

¨发明了固体聚合物电池 - 新种类的聚合物阴极使新家族的轻型充电电池成为可能;

¨COBE卫星记录早期宇宙的萌芽 - LBNL搭载美国宇航局卫星的探测器揭示导致产生今天星系的宇宙微波背景的波动;

¨先进光源ALS开放 - 产生世界上用于科学研究的最亮的软X射线和紫外光;

¨确定了心脏病的基因 - 新的证据将动脉硬化症与一个单个显性基因联系在一起;

¨超硬碳氮化合物 - 在理论模型基础上设计的新化合物比钻石更强硬;

¨第一次看到DNA双螺旋线 - 不变的DNA图像让科学家门首次看到双螺旋线;

¨凯斯特森(Kesterson)水库威胁揭密 - LBNL发现被农业径流硒污染野生动物庇护所暴露普遍的生态危害;

¨第一个飞秒X射线束流 - 先进光源ALS的束流脉冲长度被限定到仅一秒的十亿分之几秒;

¨发明了硫灯 - 实验室科学家们帮助分子发射器产生的能效比传统白炽灯泡高四倍和亮度高700倍;

¨国家能源研究科学计算中心移到LBNL - LBNL成为国家能源研究科学计算中心的东道主,该中心是美国能源部科学局的旗舰科学计算设施;

¨细胞衰老与癌症 - 生物测定帮助科学家们确定在活着的有机体中的生物衰老细胞,并发现与癌症的联系;

¨世界上最强大的伽马探测器(Gammasphere)亮相 - 世界上最敏感的伽马辐射探测器赋予好莱坞灵感,生产出好莱坞大片《绿巨人》;

¨构思出B工厂 - 与SLAC合作建造第一台不对称粒子对撞机,称为B工厂,它将继续显示CP破缺的第一个证据;

¨镰状细胞和转基因小鼠唐氏综合征 - 带有人类基因的小鼠模型模仿镰状细胞疾病和将DYRK(蛋白激酶)基因与智力低下症联系在一起;

¨传输控制协议/因特网互联协议(TCP / IP)的流量控制算法 - LBNL开发的算法大大减少网络的交通挤塞情况,并被广泛地与认为能够防止互联网发生不可避免的拥塞崩溃;

¨发现了顶夸克 - LBNL的科学家参加了在Tevatron上进行的两个历史性CDF和D0实验,找到预测的六个夸克中最后、也是最难以捉摸的顶夸克;

¨紫外线净水器防止霍乱暴发 - 紫外线光快速和廉价消毒偏远地区的水;

¨尤卡山的3维计算机模型- 水文地质模型显示核废料储存库选在内华达山是合理的;

¨发现了暗能量 - 超新星宇宙学项目揭示被称为“暗能量”的反引力导致宇宙加速膨胀;

¨微管蛋白的第一个三维原子尺度模型 - 图像揭示灵活蛋白质的结构,它启动生物细胞的有丝分裂和其他关键功能;

¨完成散裂中子源的前端系统 - LBNL完成为散裂中子源产生负氢离子并将其发送到田纳西州橡树岭国家实验室的加速器的工作。

¨来自加拿大中微子观测站(SNO)的初步结果表明中微子质量 - 来自SNO第一年的数据揭示了诡异亚原子粒子的微小质量;

¨开发了混合型太阳能电池 - 纳米技术与塑料电子学相结合,产生可以大量生产多种不同形状的光电设备;

¨南大洋和弗里奥(Frio)试验 - 实验室开始在南极海岸和得克萨斯州休斯敦附近的深部咸水含水层进行碳固存研究;

¨发明了小人激光器 - 紫外发光纳米线激光器测量100纳米的直径,或千分之一的人的头发

¨发明了伯克利灯 - 荧光台灯比传统台灯减少50%的能源费用;

¨合成生物学的突破 - 在主要研究所的第一个合成生物学部创造了抗疟疾和抗艾滋病的超级药物合成基因;

¨创造了世界上最小的合成电动机 - 由碳纳米管和金子制作的旋转电动机长度低于300纳米;

¨分子铸造厂开放 - 能源部国家用户设施,专门用于涉及、合成和表征纳米尺度材料。

¨将窗变成了节能器 - LBNL开发出阻止热夏天进入冬天热逃脱的窗口镀膜;

¨斜屋顶防全球变暖 - LBNL在分析和实现反射阳光、降低表面温度和大幅度消减冷却费用的冷屋顶材料中处于领先地位;

¨保存了不久以前的声音 - 实验室的科学家们研制出一种进行数字化改造过于脆弱无法播放的老化录音,如从19世纪后期爱迪生蜡盘的高科技方式。

¨使器具物尽其职 - LBNL的科学家们帮助拟定了各种器具的联邦政府能效标准;

¨创造了超小型DNA取样器 - 确定空气、水和土壤样品中微生物的工具,广泛用于公共卫生、医学和环境清除项目;

¨开发超强气候模型 - 在LBNL国家能源研究科学计算中心进行的气候模拟帮助使全球变暖称为餐桌上的交谈话题;

¨促成了中国的能源效率- 中国在制定能源标识和电器标准时,LBNL给予了相当大的支持,还帮助提高中国的住宅和商业楼宇以及工业部门如水泥制造业的能源效率;

¨使星星更近 - 二十世纪七十年代LBNL开发的革命性的望远镜技术能使科学家们一睹数十亿光年远的超新星。拼接镜面设计用于世界上的许多天文台。

 

八、诺贝尔奖

诺贝尔奖是对科学成就的赞美,被公认为国际上的最高科学奖项。自从LBNL成立以来,共有11位研究人员获得诺贝尔奖:

(1)Ernest Orlando Lawrence,LBNL的创始人,因“发明和研制出回旋加速器,以及因此所获得的研究成果,特别是关于人造放射形元素”获得1939年诺贝尔物理奖。他是LBNL的第一个诺贝尔奖获得者。

 

Ernest Orlando Lawrence

Ernest Orlando Lawrence

 

现代物理以科学家大胆探索原子的内部以及力和物质的基本粒子的能力为基础。这需要能量。能量是把所有一切装在一起的通用容器。如果想打开任何一个容器看看它的内容,就必须克服容器的能量。物理学家们在粒子加速器中得到他们需要的能量。加速器将亚原子粒子加速到接近光的速度(186000英里/秒)。当粒子的速度攀升时,它的动能增加,速度接近光速时,动能达到最大。将这些微小的很少的快速运动的子弹撞击靶,粒子会轰击靶并释放出它的内容。有时,从变动中释放的能量触发新粒子的形成,像Alvarez产生Y-粒子的情况那样。

1931年Lawrence发明回旋加速器后打开了现代物理的大门。作为所有圆形加速器的祖先,回旋加速器很快就能达到少数几位科学家只是在几年前认为不可能达到的能量。

1928年英国物理学家Ernest Rutherford的实验室研制出电压倍增器,一种形成电位可将质子提高到约400,000 eV的设备。美国物理学家Robert van de Graff很快提高了赌注,他的静电加速器将质子提高到8 MeV。直线加速器出现了,将能量提得很高,但为了产生更高的能量,需要很长很长的加速管,这为使用这些加速器带来严重困难。

加速器的圆形设计可以在相对紧凑尺寸的机器中产生高的能量。以其最简单的形式,回旋加速器由两个装在密闭的真空盒和插在一个圆形磁铁极之间的半圆形电极组成。电场充满电极之间的间隙。通过这个间隙的粒子由电往前推。磁铁使粒子的轨道弯转,以便它们在一个原型物中运行。这意味着粒子不断地反复穿过同一加速间隙,每穿过一次都获得速度和能量。

第一台回旋加速器的直径不到一英尺,用来将少量的质子增强到约80000 eV。到1939年,Lawrence已经建造了一台磁铁直径接近5英尺的回旋加速器,它将粒子加速到20 MeV。后来建造越来越多的这样的加速器,其功率一个比一个高。

如果说,Lawrence发明的回旋加速器开启了现代物理的大门,正是他本人带领大家穿过这道大门。他对大规模地开展实验坚信不移,并被称谓"大科学之父"。在他创建和通过扩建所抚育起来的"辐射实验室",Lawrence开始组织多学科科学小组进行实验。他还是推动将工程师作为这些小组正式伙伴,并将工程概念和设计综合到基础科学研究设备中的第一人。

Lawrence从事科学研究的方法丰富了基础知识和应用技术,他的贡献从多年来LBNL所获得奖项,包括最重要的9个诺贝尔奖得到公认。

(2)、(3)Glenn T. Seaborg与 Edwin M. McMillan(担任过LBNL所长)因“在化学中发现超铀元素”获得1951年的诺贝尔化学奖。

 

Glenn T. Seaborg Edwin M. McMillan

lenn T.Seaborg与Edwin M.McMillan

 

1879年发现了铀元素。在元素周期表中,铀的序号被定为92,当时许多科学家把其宣布为周期表中的上限。然而,意大利物理学家Enrico Fermi宣布用中子轰击一个元素可改变或将元素转变为下一个更高的序号。Fermi和他的小组然后继续用中子轰击铀,以形成铀93。他们认为做到了,把其命名为"铀X",但其他人重复他们实验的后续工作揭示Fermi组实际上做的是将铀一分为二——一种称为"核裂变"的过程。

从这个揭示中诞生了许多实验。1940年,Edwin McMillan和LBNL的化学家Philip Abelson筛选裂变产生的许多放射性核素,通过其放射能可以确定元素93。因为铀以天王星命名,所以元素93为太阳系的下一个行星命名为镎。

McMillan继续自己的工作,他发现与他产生的镎混合在一起的是元素94的证据,但后来因被征召到MIT作为战时工作帮助开发雷达而中断研究。Glenn Seaborg拣起他的工作。1941年,他与Joseph Kennedy和Arthur Wahl一起证实发现钚(为距离太阳最远的行星起的名字)。一个月后,他们发现钚可以裂变。当钚作为燃料的原子弹投到长崎结束第二次世界大战时,世界才知道他们的发现。

McMillan做了发现超铀元素的工作后,回过头来继续从事加速器的研究,发现"相位不稳定原理",使物理学家们克服了回旋加速器的能量限制。McMillan的发现导致发明一种新型加速器,他将其命名为"同步加速器"。物理学家们现在使用的这个巨大的圆形加速器是同步的。因此项工作,McMillan和前苏联物理学家Vladimir Veksler分享了1963年原子和平奖。

与此同时,Seaborg与Albert Ghiorso一起利用钚作为形成许多包括镅(95)、锔(96)、锫(97)、锎(98)和钔(101)超铀元素的垫脚石。1961年,他被约翰.肯尼迪总统任命为美国原子能委员会主席,任职10年后返回LBNL从事研究工作。

(4)、(5)Owen Chamberlain与Emilio Segre,因 “发现反质子”获得1959年诺贝尔物理奖。

 

Owen Chamberlain Emilio G. Segre

Owen Chamberlain与Emilio G. Segrè

 

在发现Y粒子之前,已有了质子、中子和电子,有了反物质。是否还有其他东西呢?1930年理论物理学家Paul Dirac用数学方法分析已知亚原子粒子的特性,并得出结论每一种粒子都应有一个反粒子后,首先将这个问题提了出来。虽然科学家们像喜欢简单那样喜欢对称,但是很少有人似乎对Dirac的意见感兴趣,直到两年以后Carl Anderson 和Robert Millikan发现反电子。这个新的粒子除带正电荷外在各方面都与负电子一样,它被称为正电子。正电子的发现点燃了各地科学家和科学幻想作家们的想象力,因为它的存在使反物质可行——大量的正的电子和负的质子,我们自己的镜像。

寻找反质子的实验慢慢开始。因为产生粒子所需能量与其质量成正比,所以产生反质子的能量是产生正电子能量的1836倍。直到1954年,LBNL的质子加速器运行才达到这样的能量。LBNL的一组科学家立即参加寻找实验,该组中,就有物理学家Emilio Segre和Owen Chamberlain。

这两个人明显有资格参加寻找反质子实验。Segre是Fermi指导下在罗马大学第一个获得物理学位的学生,借助LBNL的新回旋加速器发现了锝,这是第一个人造化学元素。他是确定以钚为基础的原子弹是可行的科学家之一,他在中子和质子散射以及质子极化方面的实验为理解核力提供了新意。Chamberlain也在Fermi指导下进行过研究,Segre也是。前者还是研究生时就当Segre在LANL从事曼哈顿工程的助手,后来他来到LBNL,与Segre合作研究核力。

产生反质子只是任务的一半,如何了解它出现后的情况也是艰难的挑战。每产生一个反质子,就会出现40000其他的粒子。挑选这些粒子的时间很短:粒子出现后的百万分之十秒内,反质子与质子接触,两个粒子湮灭。

1955年,Segre和Chamberlain与Clyde Wiegand和Thomas Ypsilantis一起,将磁铁和电子计数器搞成一个探测系统,该系统能够从周围的粒子中精选出反质子。最后具备了产生和识别反质子的手段后,Segre和Chamberlain继续用被加速到6.2 BeV能量的质子轰击铜。轰击进行了数小时,烟消后,他们的猎物中不是一个而是60个长期寻找的粒子。

(6)Donald A. Glaser,因 “发明泡室” 获得1960年诺贝尔物理奖。

Donald A. Glaser

Donald A. Glaser

 

传说,泡室是1952年在靠近密歇根大学校园的一个酒吧间里构思出来的。故事是这样的:LBNL的物理学家Donald Glaser正在赞赏一杯正在饮用的啤酒中一串泡沫形成的平稳干净的线条。他的一位同事说泡沫形成一个非常好的轨迹,这句话突然使他想到这样的一个轨迹可用来跟踪带电粒子的轨道。

那时,物理学家们正准备揭开原子核的秘密,而不是要看其内部有什么东西。闪烁计数器仅对探测单个粒子有效,云室里的离子太少,对快速移动的短寿命粒子没有价值。通过往玻璃室内填充液体,加热,使压力正好在沸腾以下,Glaser克服了这些障碍。粒子通过这个像小的飓风一样的过热大浪从原子核中爆发出来,尾后留下可以拍照的小的泡轨迹。对粒子的泡室轨迹的分析可以告诉物理学家们许多有关粒子的物理性能和历史。

Glaser发明的泡室,使他在34岁这一小小年纪时就获得了1960年诺贝尔物理奖。他先于1953年在美国物理学会的一次会议上报告了他的发明。Alvarez参加了那次会议,很快他就将他同事的创造带到下一个开发阶段。

(7)Melvin Calvin,因“确立植物吸收二氧化碳时所涉及的化学反应顺序”获得1961年诺贝尔化学奖。

 

Melvin Calvin

Melvin Calvin

 

与裂变钚的天崩地裂相比,绿色植物的能量转换过程似乎微不足道。但是,这个星球上的所有生命都取决于绿色植物将光能转化为化学能 - 光合作用过程的能力。每年,绿色植物从空气中的二氧化碳吸收约1500亿吨的碳和从水中吸收约250亿吨的氢,产生约4000亿吨的氧。估计植物利用它们吸收光能的效率最低为30%,最高可达100%。长期以来,科学家们一直认为,重复植物的成功将是达到结束长期食品和能源短缺而迈出的重要的一步。然而,首先必须准确地发现光合作用是如何进行的。

自1845年德国物理学家Julius Robert von Mayer 首次确定光合作用以来,了解光合作用的努力一直在进行。但直到二十世纪三十年代,科学家们真正知道的一切是,二氧化碳和水进入植物,出来氧气。三十年代末,使用放射性"示踪物"后,开始出现新的信息。示踪物为可探测到的元素,通常为放射性同位素,可作为有机分子的标记,和用来跟踪那些分子通过化学过程不同阶段的命运。早期使用的放射性示踪物"寿命"太短,不能揭开光合作用、特别是碳的关键轨迹的所有秘密。但是,1940发现了年半寿命为5000年的碳14。

日本投降的那天,LBNL所长Ernest Lawrence告诉他的同事生物化学家Melvin Calvin说,"现在是利用放射性碳做一些有用事情的时候了。"从该辐射实验室抽人组成一组研究人员,Calvin专攻光合作用问题。利用碳14示踪物,他和他的小组绘制了植物在光合作用中,从吸收大气中的二氧化碳到转化成为碳水化合物和其他有机化合物所走的整个路程。在绘制这样一个图的过程中,Calvin和他的小组还表明:阳光作用在植物中的叶绿素上,为制造有机化合物提供燃料,而不是像以前人们认为的阳光作用在二氧化碳上。叶绿素利用辐射能将水分子分裂为氢和氧。分开后,氢和氧含有的化学能比它们组合成水时更多。

Calvin因破解光合作用过程而获诺贝尔化学奖。他继续致力于建立LBNL的生物动力学部,他领导该部长达20年。1980年他退休后,加州大学校园内这个独特的圆环形(该部科学家工作的三层实验室)被重新命名为Melvin Calvin实验室。

(8)Luis W. Alvarez,因“通过开发采用氢泡室和数据分析技术对粒子物理的决定性贡献”获得1968年诺贝尔物理奖。

 

Luis W. Alvarez

Luis W. Alvarez

 

即使匆忙回顾一下这个科学上持异见和提倡打破旧习者的成就也会令人大吃一惊。Alvarez是国家发明家名人纪念馆中的名人之一,持有30多项发明专利,包括当今仍然使用的三种类型的雷达系统。1948年,他设计了一台产生空前流强质子束流的直线加速器,并作为当今"直线加速器"的样机。他是氚的发现者之一。氚是氢的放射性同位素,为聚变能提供燃料的最佳可能性。他为结束第二次世界大战的钚弹,设计了起爆器,实际上,他在拖尾飞机上执行广岛和长崎的轰炸任务,观察爆炸效果。

Alvarez是第一个提出一个地球外的大型物体像彗星,或巨大的流星大约6500万年前撞击了地球,引发一连串的生态灾难,灭绝了恐龙的人。起初,他的理论受到科学界的极大怀疑,此后经受了所有的挑战,并逐渐被广泛接受。在他"消遣的时间"里,他利用宇宙线寻找埃及金字塔中隐藏的室,发明室内高尔夫球训练设备和分析暗杀肯尼迪总统的著名Zapruder影片,确定实际上发射了几粒子弹。

Alvarez获诺贝尔奖所做的工作是他发现了大量的共振态。Alvarez的发现打开了通往亚原子世界的大门,并释放出亚原子。这些共振态太多(现在有150多种不同的类型),以至物理学家们确信存在着比质子、中子或强子家族其他成员更基本的粒子。研究宇宙的需求导致发现夸克。

Alvarez释放出来的第一个亚原子粒子是他1960年发现的"Y粒子"。Y粒子是α粒子和介子的组合,结合的时间为万亿分之一秒,然后分解成更小和较低能量的粒子。它的发现确定了新的物质态可以在足够的能量对撞中产生。为探索这个未知的世界,Alvarez用相当约质子一半尺寸与原子核发生强相互作用的K介子轰击LBNL质子加速器中的氢原子核。为"看到"它可能释放出来的任何共振粒子,Alvarez将质子加速器连在他设计的一个探测装置,即氢泡室上。

粒子通过泡室,直到它们或丢失能量和衰变为其他的东西为止,或到它们撞击另外一个粒子为止。当时,Glaser用二乙基乙醚填充泡室,但Alvarez用液氢代替二乙基乙醚,因为氢原子核(单个质子)将对被跟踪粒子的任何干扰减小到最低程度。Glaser原来的泡室全是玻璃做的,因为据信平滑的壁对于防止不需要泡的形成是必要的。这个全玻璃的构成可以使泡室保持得小:Glaser原来的想法直径仅为几英寸。

而Alvarez证明可以用其他办法获得好的轨迹和精确的照片,尽管有意外的泡。他的泡室由金属构成,带有玻璃窗,通过玻璃窗可以看到粒子轨迹,并可记录下来。这些"脏室" - 这样叫旨在将它们与所有玻璃的"净室"区分开来 - 在十年内尺寸迅速增加,从2.5英寸增加到72英寸。72英寸的泡室,加上他发明的轨道分析计算机处理法,使得Alvarez能够探测Y粒子以及后面跟着的东西。

(9)李远哲,因“对提出新的化学研究领域 - 反应动力学所作出的贡献获得1986年诺贝尔化学奖。

 

Yuan T. Lee

李远哲

 

自古代炼金术士试图将铅变为金子以来,了解物质怎样变化和为什么变化曾经是研究化学的推动力。二十世纪八十年代,LBNL化学家李远哲尝试了解化学反应中在分子水平发生了什么情况。李和他的同事谋求检验化学反应中作用于原子和分子之间的力,以便准确地发现这些反应以怎样的速度发生。

为了解原子和分子对撞、发生相互作用形成新的产物时的运动,观测它们之间的能量流动,李采用了一种被称为"交叉分子束"的技术。两个选择的分子束流以超声波的速度加速,然后送到真空中的对撞航向。当两个束流对撞时,反应产物散射的角度和对撞中释放出的能量数被记录下来。通过控制这两个束流的内容和速度,以及它们彼此接近的角度,李和他的研究组实际上能够在发生化学反应时"见到"它们。1986年,李的这一成就得到承认,荣获诺贝尔化学奖。分享这一奖金的还有哈佛大学的Dudley Herschbach和多伦多大学的John Polanyi。

(10)朱棣文,LBNL前所长,因“开发出用激光冷却和捕获原子的方法”获得1997年诺贝尔物理奖。

 

Steven Chu

朱棣文

 

朱棣文从1983年起开始从事原子冷却技术的研究,1985年发表第一篇学术论文。他从事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉技术研究,有着非常广泛的实际用途。这项研究为帮助人类了解放射线与物质之间的相互作用,特别是深入理解气体在低温下的量子物理特性开辟了道路。在原子与分子物理学中,研究气体的原子与分子相当困难,因为它们即使在室温下,也会以上百公里的速度朝四面八方移动,唯一可行的方法是冷却。然而,一般冷却方法会让气体凝结为液体进而结冻。朱棣文等3位学者则利用激光达到冷却气体的效果,即用激光束达到万分之一绝对温度,等于非常接近绝对零度(摄氏零下273度)。原子一旦陷入其中,速度将变得非常缓慢,而变得容易俘获。该技术可以用来做精确测量,特别是做"重力测量";人们还可以利用此技术做成重力分析图,由此解开地球上的许多谜团:例如观察油田的内层、勘探海底或地层内的矿物质,在生物科技上可以解读去氧核糖核酸(DNA)的密码;科学家还可以借此研究“原子激光”,制造精密的电子元件;也可以测量万有引力,进一步发展太空宇航系统,进行准确的地面卫星定位。科学家们普遍认为,这的确是一个了不起的研究成果。

(11)George F.Smoot III与美国宇航局戈达德太空飞行中心的John C.Mather因“发现黑体形式和宇宙微波背景辐射的各向异性”获得2006年诺贝尔物理奖。

 

George Smoot

George F.Smoot III

 

科学界普遍接受的宇宙起源理论认为,宇宙诞生于距今约137亿年前的一次大爆炸。微波背景辐射作为大爆炸的“余烬”,均匀地分布于宇宙空间。测量宇宙中的微波背景辐射,可以“回望”宇宙的“婴儿时代”场景,并了解宇宙中恒星和星系的形成过程。

20世纪60年代就已知道微波背景辐射的存在,但针对这种大爆炸“余烬”的测量工作一开始都是在地面上展开,进展十分缓慢。大爆炸理论曾预测,微波背景辐射应该具有黑体辐射特性,但一直未能得到地面观测结果的确认。

借助1989年发射的COBE卫星,Smoot和Mather领导的1000多人研究团队首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测研究。他们对COBE卫星测量结果进行分析计算后发现,宇宙微波背景辐射与黑体辐射非常吻合,从而为大爆炸理论提供了进一步支持。借助COBE卫星的测量他们还发现,宇宙微波背景辐射在不同方向上温度有着极其微小的差异,也就是说存在所谓的各向异性。这种微小差异揭示了宇宙中的物质如何积聚成恒星和星系。他们的研究成果实现了对微波背景辐射的精确测量,标志着宇宙学进入了“精确研究”时代。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.lbl.gov/