布鲁克海文国家实验室.docx

布鲁克海文国家实验室石墨研究反响堆BGRR1987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，研究毒品上瘾脑机制的第一个研究机构。布鲁克海文的科学家们正在研究对尼古丁、可卡因、大麻、甲基苯丙胺、酒精和溶剂上瘾的机制。通过观看脑化学的变化，了解毒品怎样引起这些变化，进而提出预防措施和帮助设计新的抗上瘾药物。布鲁克海文国家实验室纳米科学研究纳米科学是研究超小尺度纳米尺度，即0.000000001米时的物质。纳米尺度科学、工程和技术是一个新兴的穿插学科领域，涉及材料科学家、化学家、物理学家、生物学家和其他研究人员。他们的目的是以原子和分子为单位设计和组装需要特性和功能的新材料。布鲁克海文国家实验室生命科学布鲁克海文国家实验室在生命科学方面所进行的研究具有很长和荣耀的历史，为DNA和蛋白质、改变它们的细胞机制、开发研究人类疾病的成像技术的基础研究和基于从这些研究得到的知识的生物医学应用方面作出奉献。DNA的损伤和修补：布鲁克海文的生物学家们研究细胞对受损DNA的反响、生物化学和修补细菌、植物和动物中DNA机制的遗传学。已经开发出准确测量DNA损伤和修补的高灵敏技术。排序技术：布鲁克海文基因组排序小组已经开发出排列人类染色体困难区域先后顺序的技术。利用这样的技术，科学家们已经成功地填补了染色体19排序中的空白。空间生物医学研究：布鲁克海文的科学家们正在不断改良探测和量化空间辐射生物效应的方法。该工作将帮助评估宇航员在执行长期空间任务时所面临的辐射风险，并帮助改良放射疗法杀死癌细胞的潜力。在布鲁克海文的国家宇航局辐射实验室是世界上能够模拟进行这一研究需要苛刻的宇宙和太阳辐射空间环境的几个少数地点之一。布鲁克海文实验室的国土安全研究项目：BNL国土安全研究项目的重点是开发保护美国国内外国家安全利益所面临挑战的先进的基于科学的解决方法。高通量束流反响堆HFBR布鲁克海文的科学家们已经开发出包括保护裂变物质领域里很多反恐惧主义和非扩散技术；研制出探测核武器、脏弹、有毒化学物质、生物病原体和爆炸物的传感器；设计了用于识别、表征和管理各种环境中的风险的工具和方法。布鲁克海文近期被指定为美国国土安全部官方有奉献的实验室，并期望在将来几年内极大地扩大其国土安全方面的工作。高能和核物理：经过10年的预制研究和建造，相对论重离子对撞机RHIC于2000年投入运行。世界上很多科学家利用这一对撞机研究宇宙构成后头几分钟是何情景。RHIC使两个金离子束发生亚原子对撞，从这些对撞中，物理学家们获得的知识可能会有助于我们了解小到亚原子粒子大到星体的物质世界为什么会按其运动的方式运动。布鲁克海文国家实验室医学突破锝-99m的开发：20世纪50年代，BNL的科学家WalterTucker和PowellRichards开发出放射性示踪元素锝-99m。1966年起，由于锝-99m几乎可用于体内任何器官的造影，世界对该示踪元素的需求大增，美国每年在1300万核医疗经过中使用它。帕金森病的研究：20世纪60年代，BNL的科学家GeorgeCotzias开场研究用左旋-多巴治疗帕金森病。在尚无良药的情况下，左旋-多巴帮助很多患者在生活上实现了自理。心脏扫描：1990年，利用BNL的国家同步光源，初次将人类心脏显影，采用的技术称为经静脉血管造影技术。美国有500万人患心脏病，开发这一方法对他们的动脉造影，其危险性比采用通常技术低。盐与高血压：1952年，BNL的科学家LewisDahl开场从事具有创始性的盐与高血压有关的研究。在25年实验的经过中，他发现盐的摄入量高对青年人危险性较大。他的研究表明：人的遗传背景使盐在很大程度上引起高血压。率先研制出诊断工具：BNL从事的核物理研究导致开发出医用放射性同位素。在早期开发锝-99m的基础上，SureshSrivastava和他的同事们1988年研制了一种易于使用的工具盒，将锝-99m附在红细胞上，医生通过心脏和其他器官可看到血液的流动。到20世纪中叶，该工具盒在世界上得到广泛应用。心脏健康检查：世界上成千上万的病人都接受过心脏负荷实验，但只要少数人知道这些实验使用的是铊-201。铊-201是在BNL60英寸的回旋加速器上开发出来的。铊-201多数集中在心脏肌肉内，医生用同位素照相机能够测量它的分布。将放射性同位素注入心脏病病危者的血流中，可对心脏受损情况进行安全有效的诊断。铊-201可用来诊断早期心脏病。缓解癌症疼痛:BNL的研究人员利用高通量束流反响堆开发出一种放射性化合物，称为锡-117mDPTA。20世纪90年代中期，在最初临床实验中，使用这一放射性同位素的癌症患者中80%疼痛有所缓解，20%的患者疼痛几乎消失。正电子断层扫描仪:1961年，BNL的化学家们开场研究怎样通过分析注入到血流和被肿瘤吸收的放射性物质的衰变来探测小型脑肿瘤。20世纪70年代，BNL的研究人员发现了将探测器数据重建成脑影象的方法，该工作是迈向当代正电子断层扫描仪的重要的一步。核磁共振成像技术：BNL开发了被称为正电子断层照相也称“PET的强有力的医学成像技术，医生可利用此项技术观测人体内器官的活动情况，以便治疗病人和开展医学研究。BNL开发的放射性示踪元素，一种称为葡萄糖的18FDG几乎用于每个PET中心对癌症的诊断。作为成像和神经科学中心的一部分，BNL研制的核磁共振成像装置为研究人的心脏及人脑补充了其他两种成像方法。测量脑功能：PET的探测器可对人体特定部位进行测量，如测量脑部有多少释放出称为正电子粒子的放射性示踪元素。1983年，PET的开拓者AlfredWolf做了一项实验，将本人的头放入BNL一台PET机器的圆形阵列里，研究脑是怎样发送和接收书面和口头表达思想的。毒瘾研究：研究吸毒对人脑的影响。20世纪90年代初，BNL的科学家率先报道了吸食可卡因和海洛因及嗜酒精成瘾的人抑制了其脑多巴胺系统的活动。这一发现也适用于吸食甲苯丙胺成瘾和受肥胖困扰的人。BNL的研究为治疗吸毒提出了新的方法。布鲁克海文国家实验室生物研究花的提示：从1958年开场，BNL的研究人员利用紫露草属花的花瓣随像化学物品或辐射等不同的诱变剂而改变颜色的特性，率先使用紫露草属花作为研究细胞变种的工具之一。基因突破：1992年，BNL的生物学家们首创了一种解密DNA构造的新方法，进而破译了引起淋巴腺疾病的细菌的染色体组，有助于寻找新的疫苗。氚胸腺嘧啶核甙：1956年BNL的科研人员发现了一种研究DNA新方法，将放射性同位素氚附在DNA组成部分之一的胸嘧啶核甙上，用于研究DNA双螺旋左旋载体染色单体。1957年BNL的生物学家们利用氚胸腺嘧啶核甙产生植物根部合成的DNA图象，检验了Watson-Crick分子构造模型。另人惊讶的结果提供了DNA在单个染色体水平上复制的Watson-Crick模型的第一个证据，该实验还初次从微观上对“姊妹染色单体进行了识别。在研究细胞在体内移动和生长经过中，证实氚胸腺嘧啶核甙也是有用的。经过用老鼠做的初步实验后，1957年开展了初次人类临床研究。紫外光与癌：1979年，BNL的生物学家将人体皮肤细胞置于几个小剂量的紫外光下照射，模拟接受屡次小剂量阳光照射的人体发生何种变化。初次将被紫外光照射后的人体细胞变化到恶性阶段前显示出来。BNL的生物学家RichardSetlow在后来的实验中，使用剑尾鱼属逆代杂交鱼来显示恶性黑素瘤可由紫外光-A和紫外光-B诱发。而以前，只以为紫外光-B的照射可引发这类皮肤癌。病毒机理：将来可能有一天，每个物种的DNA序列均有案可查。但在1982年，情况远非如此。BNL的科学家们完成了病毒T7的DNA序列确定，当时已知它的DNA序列最长。此工作证实了这一点，一共数出和认出它的39，936个基对。遗传图与病毒T7的蛋白质产生相关联，蛋白质的产生使人们能具体地了解这些病毒是怎样控制本身复制的布鲁克海文国家实验室研究成果编辑播报概述布鲁克海文国家实验室BrookhavenNationalLaboratory，简称BNL位于纽约长岛萨福尔克县SUFFOLKCOUNTY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从属美国能源部，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：设想、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台开展研究用的反响堆、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。它创始了核技术、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穿插的环境，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，获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。BNL的大科学装置群石墨研究反响堆BGRR：1950开场运行，1968年退役高通量束流反响堆HFBR：1965年开场运行，1999年退役医学研究反响堆BMRR：1959年开场运行，2000年退役质子同步加速器COSMOTRON：1948年建造，1953年开场运行，1966年关闭交变梯度同步加速器AGS：1960年开场运行，后来成为RHIC的注入器超导加速器ISABELLE：1977年开场建设，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年开场建设，真空紫外环1984年开场运行，X环1986年开场运行同步辐射光源NSLS-II：2020年开场建设，计划2021年投入运行深紫外自由电子激光DUV-FEL：1995年开场建造，2002年建成石墨研究反响堆BGRRBGRRBrookhavenGraphiteResearchReactor是BNL的第一台大反响堆，也是二次大战后美国在和平常期建造的第一台反响堆，1947年开场建设，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，改良反响堆技术。1955年，BGRR的中子通量已明显缺乏以支持所提出的实验。1958年BNL设计了新型的反响堆，即高通量束流反响堆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。高通量束流反响堆HFBR高通量束流反响堆HFBRHFBRHighFluxBeamReactor的中子通量不在堆芯内到达最高值，而是在堆芯外面到达最大值，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初次实现了自己持续连锁反响。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良升级，HFBR作为可依靠的中子源在使用上创造了令人羡慕的记录，1999年永久退役。医学研究反响堆BMRRBMRRBrookhavenMedicalResearchReactor是美国初次专为医学研究建造的反响堆，1959年3月15日开场运行，直到2000年12月。它产生的最大中子通量为2×1012/厘米2/秒。质子同步加速器COSMOTRONBNL于1948年开场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一样。COSMOTRON1953年建造成功，能量到达设计指标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，在实验中证明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遭到限制，运行14年后于1966年关闭，1969年拆除。交变梯度同步加速器AGS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AGSAlternatingGradientSynchrotron，能量到达设计指标33GeV，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年流强到达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穿插储存环，才使束流对撞成为可能。超导加速器ISABELLE1975年第一块1：1的超导磁铁研制成功，其磁场强度超过了估计设计值。1977年利用此技术开场建造一台新的加速器ISABELLE，但1981年在制造超导磁铁中碰到一些难以克制的技术问题而于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。相对论重离子对撞机RHIC1984年提出了建造相对论重离子对撞机RHICRelativisticHeavyIonCollider的方案，使穿插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，是世界上唯一的重离子对撞机，它能够加速从质子250GeV直到金离子100GeV/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加强器，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，互相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，并在六个对撞点穿插对撞。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经过。同步辐射光源NSLS布鲁克海文国家实验室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NSLSNationalSynchrotronLightSource破土动工。NSLS分为两个储存环，小环为真空紫外环0.8GeV，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2.5GeV，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天天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。同步辐射光源NSLS-IINSLSII的设计渲染图经过20年的不断改良，NSLS的性能实际上已到达极限。保持和提高NSLS用户的积极性和用户的数量，需要继续提供能够知足它们如今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知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，可到达更强的X射线叠加效果，因而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3GeV。NSLS-II的设计工作从2005年开场，2020年开场建造，计划2021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将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构造基因组、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，知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经过提供新的解释，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。2020年3月23日，美国能源部部长朱棣文访问BNL时公布向该实验室投入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讲，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将来的基础研究做了战略投资。深紫外自由电子激光DUV-FEL深紫外自由电子激光DUV-FELDeepUltra-violetFreeElectronLaser也是研究平台型装置，1995年开场设计和建造，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鼓励磁铁称为插入件，同时与来自种子激光seedlaser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响短暂分子变化经过的极速快照。布鲁克海文国家实验室辉煌成就编辑播报作为一个实力强大的大型综合性研究机构，BNL获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毁坏、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构造生物学的创始性工作，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。高技术方面有磁悬浮列车技术的发展。加速器技术方面有对于当代粒子加速器利用有决定意义的强聚焦原理的发明。共有7项诺贝尔奖与BNL相关：李政道和杨振宁1956年在BNL工作期间，成功地解释了在BNL的COSMOTRON加速器上所做粒子衰变实验的结果，发现宇称守恒毁坏，荣获1957年诺贝尔物理奖。丁肇中1974年利用BNL的AGS加速器开展物理实验，与在SLAC加速器上开展实验的里克特同时发现粲夸克，获1976年诺贝尔物理奖。JamesCronin和ValFitch1963年开场在BNL的AGS上开展物理实验，结果发现CP破缺，获1980年诺贝尔物理奖。LeonLederman，MelvinSchwartz和JackStaeinberger1962年在BNL的AGS上开展物理实验中发现子-中微子，获1988年诺贝尔物理奖。RaymondDavisJr.因探测到太阳中微子，与日本的MasatoshiKoshiba和美国的RiccardoGiacconi一起获2002年诺贝尔物理奖。RodericMacKinnon因说明了离子通道的构造和机理，与发现并描绘了细胞膜水通道蛋白质特性的PeterAgre共享了2003年诺贝尔化学奖。他们的研究中，基于同步辐射的蛋白质构造测定发挥了很关键的作用，部分研究在NSLS上完成。VenkatramanRamakrishnan和ThomasA.Steitz因在核糖体构造和功能研究的宏大奉献，以期获得2020年诺贝尔化学奖。布鲁克海文国家实验室科研基地编辑播报