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橡树岭国家实验室

2009-11-23  Chris zhao
 
 
橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,简称ORNL)是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室,成立于1943年,现由田那西大学和Battelle纪念研究所共同管理。20世纪50、60年代,ORNL主要从事核能、物理及生命科学的相关研究。70年代成立了能源部后,使得ORNL的研究计划扩展到能源产生、传输和保存领域等。
  目前,ORNL的任务是开展基础和应用项目的研发,提供知识和技术上的创新方法,增强美国在主要科学领域里的领先地位;提高洁净能源的利用率;恢复和保护环境以及为国家安全作贡献。ORNL在许多科学领域中都处于国际领先地位。它主要从事6个科学领域方面的研究,包括中子科学、能源、高性能计算、复杂生物系统、先进材料和国家安全。
  2003年8月1日起,Jeff Wadsworth担任橡树岭国家实验室现任所长。他是国际上公认的冶金学家,曾任位于俄亥俄州首府哥伦布市Battelle纪念研究所的首席执行官,集中从事能源部科学计划、技术转让和国土安全方面的工作。2002年8月到Battelle纪念研究所工作之前,任劳论斯. 利弗莫尔国家实验室负责科技的副所长。1980年-1992年,在Palo Alto研究实验室为洛克希德导弹和空间公司工作。2003年,他因在开发先进材料和超塑性,以及在确定大马士革和其他钢种的历史和产地所做出的突出贡献,和在科学上维护国家安全方面的广泛主导作用而被选为美国科学进步协会的会员。
  ORNL现有雇员3,800多人和客座研究人员约3,000人。这些客座研究人员每年在此工作2周或更长的时间。其2005财政年度的经费投入超过10亿美元。田那西大学-Battelle纪念研究所每年提供120万美元,用于支持橡树岭地区的数学和科学教育、经济开发和其他项目。目前ORNL处于新工程的最后阶段。经费将由联邦政府、州政府和私营部门提供,用于建造13个新的装置,包括功能性基因组中心、纳米相材料科学中心、先进材料实验室以及计算科学、生物科学和中子科学联合研究所等。另外,投资14亿美元的散裂中子源将于2006年竣工,它是世界上最大的民用科学项目,届时ORNL将成为世界上首屈一指的中子科学研究中心。ORNL有近20个复杂的实验设施和装置,不仅为本实验室的科学家和工程师服务,而且对美国的大学、工业界和其他的国家实验室以及国外研究机构的研究人员开放。
  实验设施和装置
  生物处理研究设施:此设施系指采用搅拌罐、桶状反应堆和用于大规模批量和桶型实验的发酵实验生产装置,研究先进生物处理方案的实验室组合体。研究与开发活动包括饲料养分的预处理和分离、微生物培育分类和改进以及基因控制;微生物和酶的定位、先进生物反应堆原理;垃圾生物处理、处理检测和控制以及生化分离等。
  建筑技术中心:该中心确定、开发和推广可持续性和能源效率高的建筑技术和系统。为建筑行业提供建筑外壳、加热和冷却以及设备的测试和分析等帮助。同时还负责监测和系统分析现有的建筑。
  用于中子科学的锎用户装置:这是个采用紧凑型(手指大小)锎-252中子源容器的独特中子辐照装置。能放射出大于1011中子/秒的锎-252中子源,可用于辐照。快中子谱(平均能量约为2.1 MeV)可调制到热中子谱,小样品容积可由大于108 cm-2s-1的热和/或快中子通量辐照。相应的伽吗剂量比中子剂量小得多。利用此装置的实验避免了在规章和放射性方面对中子源进行监管和处理的考虑。
  工业创新计算中心:由于ORNL的计算能力强大,该中心的用户们可利用它的计算能力,解决以前因计算能力不足或没有适当的软件而无法解决的的问题。
  冷却、加热和动力集成实验室:此实验室是使研究人员对分布式能源产品和系统进行测试的设施,它可使开发者对其产品进行性能和可靠性测试。
  燃料、发动机和排气研究中心:此中心专门详细描述内燃发动机的排出物和效率,其综合能力包括半敞开的发动机排气模拟器,各种的功率计和车辆。该中心有专用诊断和测量工具,还包括许多协助开发和评估发动机和排气控制技术的工具。
  高通量同位素反应堆:这是个铍反射轻水冷却和调制通量——俘获型游泳池式、多用途85-MW同位素制备反应堆,具有进行各种辐照实验的能力和设备。它的峰值热中子通量为2.6×1015中子/cm2/秒,在西方世界最高。它采用浓缩铀235作为燃料,一个燃料周期通常为85-MW时。
  高温材料实验室:此实验室提供最先进的检测材料在分子水平组成和微结构的仪器设备。负责测量在各种环境条件下的机械性能,特别是生命预期研究,在模拟使用条件下蠕变和疲劳实验,以及微机械测试和分析等。同时还用于对材料变化、结构、稳定度、反应和通过现场衍射膨胀的高温及室温研究;通过衍射方法,测量剩余应力和结构(极性图);为各种各样的样品如涂层、薄膜、复合材料等提供大量独特的高温热传递和热分析设备;利用装有仪器的磨床研究最佳研磨参数,并对加工过的部件进行精密测量,以及进行摩擦和磨损研究等。
  Holifield放射性离子束装置:此装置提供高质量短寿命放射性同位素束流。ORNL等时性回旋加速器产生的强轻离子束打击高耐熔靶时,产生这些同位素。放射性同位素从产生靶裂变出来离子化,形成束流和所选的质量。然后放射性离子束被注入到25-MV的串联加速器——世界上电压最高的静电加速器,供核反应、结构和天体物理研究使用。
  金属处理实验室用户设施:此设施提供专门设备,用于研究材料合成(熔融、铸造和粉末冶金);变形处理(锻造、轧制、挤压成型和热机械处理);机械性能、断裂力学、非损伤性检查、腐蚀、计算机控制膨胀计分析以及数据库生成;焊接、铜焊、粘合以及固化监视和控制;利用世界上最大型的并行计算机和ORNL人员开发出的计算代码,进行数学模拟(预测热梯度、熔化的金属流动、相平衡、固化率、张力分布、剩余应力等)。
  老鼠遗传学研究设施:该设施包括大约800支标准的或变种的实验室老鼠。目前饲养350种,其他450种作为冷藏胚胎、精子或卵巢存放。50多年来,该设施吸引了很多遗传学者和分子生物学家来此进行基因功能和人类遗传疾病的原形研究。
  国家运输研究中心:建立该中心的目的在于开发和评估先进的运输技术和系统,并利用这些先进的技术解决具有国际意义的问题,譬如空气质量下降、对不稳定石油供应的依赖、交通拥塞和高速公路的安全等。
  橡树岭国家环境研究园:这是一个拥有有几个野外研究场地的户外研究室。场地上有维护和支持设施,足以能够进行复杂的环境实验。其精细的监视系统,能使使用者精确地测量环境因子。园中的各种场地为水中和陆地的生态系统分析,能进行像生产能源设施产生的污染物的生物地球化学循环、地形的改变、森林和野生动物管理等研究。
  橡树岭电子直线加速器:此加速器被用来产生强毫微秒中子脉冲,脉冲的能量在10-3eV到 108eV之间,广泛的应用于很多实验中。利用飞行时间技术,可以对许多不同种类的中子反应进行研究,其分辨率和精确度都很高。目前该加速器集中在对基础和应用核物理的研究方面,并可同时进行多个独立的实验。
  物理性能研究设施:该设施专门用于测量生理化学特性。这些测量可以获得独特的数据,模拟产生基础物理特性,评价它们对工业工艺优化的影响。
  功率电子学和电动机械研究设施:该设施因其开发和制造先进功率转换器、可调速驱动器和电动机械的样机,以及功率传输和分配的研发、功率的质量、效率和测量方面的专门技术而得到世界的承认。中心提供功率转换器布局、热管理、最大程度的降低电磁干扰和减少空间和重量的装配技术、以数字信号为基础的马达驱动器控制技术、系统能量管理、飞轮能量储存应用和超高速驱动应用等方面独特的专门技术。
  共享研究设备合作研究中心:该中心在穿透电子显微镜方法、扫描电子显微镜方法、原子探头场离子显微镜方法和机械性能微分析方面拥有最先进的能力。
  纳米材料科学中心的纳米传输系统
  加速器
  ORIC:这是一台1962年建成的可变能量多粒子加速器,是最早建成的等时性或磁场沿方位角变化回旋加速器之一。等时性是指通过径向增加磁场以补偿离子质量相对论性增加所得到的沿轨道绕转的恒定频率。因为径向增加磁场使束流散焦,为环流时没有损失和有效引出,所以需要磁场中方位角的变化使束流聚焦。
  ORIC的主要用途是作为产生放射性离子束的驱动器,给位于放射性离子束注入器平台的靶——离子源装置提供强质子、氘核和a粒子。
  橡树岭电子直线加速器脉冲中子源:这是个大功率以电子加速器为基础的中子源,由一台180-MeV的电子加速器、中子产生靶、200米长通向地下探测器位置的隐藏真空飞行管、许多复杂的探测器、数据获取和分析系统组成。它提供强中子毫微秒脉冲,每个脉冲里有能量在10e-03到10e08 eV的中子。中子由来自钽辐射器的韧致辐射产生。慢化的或非慢化的中子都有,光谱的形状由可移动的滤波器进行进一步的修整。脉冲宽度为4-30毫微秒,重复率每秒为12~1000个脉冲。
  在这一装置上可进行许多类型的中子截面测量,能量分辨率极好。还进行探测器的标定和探测器对中子的响应测量。中子通量峰值约1 MeV时,利用ORELA进行许多类型的辐射损坏和活化研究最为理想。ORELA每年大约运行1200小时,是个对大学、国家实验室和科学家开放的用户装置。目前,它的任务由应用研究转为核天文物理学研究。
  散裂中子源(SNS): SNS是个合作项目,美国能源部所属六大实验室参与设计和建造了这个世界上功率最大的用于中子散射研究与开发的散裂中子源。初步设计要求加速器系统由一个离子源、一台全能量直线加速器和一台累积环组成。三者合在一起产生短的强大质子脉冲。这些质子脉冲撞击一个水银靶,通过散裂核反应过程产生中子。SNS将1.4 MW的束流功率发送到靶。足以满足下一世纪科学界对中子流强的要求。
  1、中子源:劳伦斯伯克力国家实验室 (LBNL)负责设计和建造SNS的前端系统,包括离子源、束流形成和控制软件以及低能束流输运和加速系统。离子源产生负氢离子形成一个脉冲束流,加速到MeV。该束流被送到一台大型直线加速器。
  2、直线加速器:洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)负责直线加速器。该直线加速器将负氢束流从2.5加速到1000 MeV或1 GeV。该加速器由正常传导和超导高频腔叠加而成,腔体加速束流和提供聚焦和导向的磁铁布局。使用了三种不同类型的加速器:前两个加速器,即漂移管直线加速器和耦合腔直线加速器由铜制成,室温运行,将束流加速到约200 MeV。其他部分的加速由超导铌腔完成。超导铌腔由托马斯?杰斐逊国家实验室(JLab)负责。诊断部件提供有关束流电流、形状、定时方面的信息,以及确保束流适于注入到累积环,并得到安全控制所需的信息。
  3、累积环:布鲁克海文国家实验室(BNL)负责累积环结构。该结构增强离子束并使离子束形成束团,发送到水银靶,产生脉冲中子束。直线加速器产生的强负氢束流必须锐化1000次,以便产生最佳中子散射研究所需要的极短和尖锐的中子束团。为实现这一目标,直线加速器产生的负氢(H -)脉冲通过剥离金属箔被掩蔽在环中,剥离金属箔从带负电荷的氢离子剥离电子,产生在环中运行的质子(H + )。大约累积1200圈,然后所有这些质子立即被踢出,产生小于10~6秒的脉冲送到靶。用这一方法,以每秒60次的速率产生、储存和引出短的强中子脉冲打靶。设计时留有升级到更高功率的余地,足以满足科学界在下一世纪对中子流强的要求。
  4、靶:橡树岭国家实验室(ORNL)负责设计和建造液体水银靶。因为进入的1GeV 质子束流的短强脉冲要将大量的能量存在散裂靶中,所以决定采用液体水银靶,而不是像钽或钨这样的固体靶。SNS是第一个采用纯水银作为质子束流靶的科学装置。
  从靶出来的中子必须变成适用于研究的低能中子,即它们必须减速到室温或更低点。从靶来的中子通过装满水的管(产生室温中子),或通过温度20K的液氢容器(产生冷中子)减速。
  SNS是一种产生中子的特有安全方法,因为质子束中断后中子产生停止。它还产生极少的危险物质。为使装置的安全性达到最大程度,SNS设计中包括有多种牵制水平,防止潜在的危险物质进入环境。
  5、SNS上的仪器和实验设备:阿贡国家实验室(ANL)主要负责为SNS开发中子散射仪器,并与ORNL密切合作开发实验设备。SNS开始时有一个靶站,工作频率为60 Hz。将用两个“热”减速剂和两个“冷”减速剂为8条光束线服务,在这些光束线上将建造各种仪器。SNS期待每年有来自科学和工业界的1000~2000个用户使用其实验设备。SNS将提供科学家和技术员维护和运行这些仪器的帮助。
  纳米相材料科学中心:该中心由8万平方英尺的4层主实验室、办公楼和一个附属的纳米加工研究实验室组成。它将为纳米尺度科学研究提供独特的资源,将纳米尺度科学研究与中子科学、合成科学,以及理论/建立模型/模拟(TMS)独特地结合起来。该中心的主要重点是,利用ORNL新的散裂中子源提供的中子散射和改进后的高通亮同位素反应堆所具有的独一无二的能力,确定纳米材料的结构,了解软物质合成和自组装过程,以及研究在纳米尺度出现的集体(合作)现象。
  为实现上述目标,CNMS将纳米尺度科学与下述高度相互促进的国家需要结合起来:中子科学,利用散裂中子源和最近改进的高通亮同位素反应堆;合成科学,或我们所称的“科学驱动的合成”;理论、建立模型和模拟,通过建立新的纳米材料理论研究所,将ORNL计算科学中心工作人员的专门技术和计算能力,以及新的国家领导科学计算设施(Leadership Scientific Computing Facility)紧密结合起来。在重点研究领域里,CNMS将为全美国广大的科学家、工程师和学生,特别是东南大学随时提供开展纳米尺度研究所需要使用的一个地点的所有工具和协作能力。
  六十多年来,ORNL在其从事的研究领域里取得了45项重大成就,对推动美国乃至世界的科学技术进步,增强美国的综合经济实力和在某些领域里国际上的垄断地位,改善环境等方面发挥了关键作用。
  美国橡树岭国家实验室主要管理人员
  ORNL所长 J. Wadsworth
  主管科技常务副所长 J. B. Roberto
  主管运行常务副所长 J. W. Smith

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