美国布鲁克海文国家实验室

2003-05-26 | 文章来源： |【大中小】

布鲁克海文国家实验室鸟瞰

布鲁克海文国家实验室(BNL)位于纽约长岛萨福尔克县（SUFFOLK COUNTY）中部，原场地为第一、二次世界大战时的美国陆军厄普顿兵营。第二次世界大战期间，该兵营曾改建为新兵征召入伍中心，后被陆军用作回国伤兵康复医院。

BNL隶属美国能源部，由石溪大学和BATTELLE成立的公司布鲁克海文科学学会负责管理。BNL具有50年杰出科学成就的历史，拥有3台开展研究用的反应堆、数台不同类型的粒子加速器和多种先进的研究装置。它开创了核技术、高能物理、化学和生命科学、纳米技术等多个领域的研究，取得多项令世界瞩目的重大成果，并数次获诺贝尔奖。BNL已成为世界著名的大型综合性科学研究基地。

高能同步稳相加速器（COSMOTRON）

1948年BNL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。

实验用的探测器—80英寸泡室

实验中，质子的能量加速到3GeV后打靶，观测到原子对撞的碎片。这对更好地了解许多亚原子粒子的复杂性质极端重要。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。

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，该实验室于1960年建成交变梯度同步加速器AGS(Alternating Gradient Synchrotron)，能量达到设计指标33 GeV。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。

AGS鸟瞰图

AGS隧道

1983年停建的ISABELLE

像AGS这样的单环加速器在将质子加速打固定靶后，多数可用的能量在反应中丢失，使其可达到的能量受到限制。加速器专家们认识到，通过使两个被加速的束流发生碰撞，即可获得更高的反应能量，使用储存环便可达到这一目的。因储存环缺少具有相同能量的单个质子加速器的多用性，故一直没能建造，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，其磁场超过预计设计值。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技术问题而于1983年停建。

AGS作为注入器的对撞机RHIC

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粒子对撞机RHIC的方案，充分利用BNL现有的设备，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。世界上许多科学家利用这一对撞机研究宇宙形成后的头几分钟是何情景。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粒子大到星体的物质世界为什麽会按其运动的方式运动。

RHIC示意图

两个金离子束发生亚原子对撞（侧视图）

对于在电子加速器上做实验的高能物理学家来说，粒子沿圆形储存环运转时，带电粒子沿切线方向释放出电磁辐射，造成粒子能量损失的同步辐射是令人讨厌的，但从事凝聚态物理研究的物理学家则可利用同步辐射光开展实验，研究沿原子核运动的电子和分子中原子的位置。电子在同步加速器中沿轨道运行会产生同步辐射正是后来成为BNL最具影响的加速器物理学家布鲁埃特做出的预言。

国家同步光源NSLS鸟瞰图

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国家同步辐射光源NSLS破土动工，其超真空紫外线环于1982年晚些时候投入运行，而X射线环则于1984年开始进行调试。

两位储存环科学家（Renate Chasman and G.Kenneth Green）在NSLS的设计中插入直线节，并将弯转磁铁、聚焦磁铁和校正磁铁周期性的摆放，通常称为Chasman-Green布局或“双聚焦消色”布局。当在超真空紫外环的两个直线节和X射线环5个直线节中插入特殊的扭摆磁铁后，电子束流通过时会发生扭摆，因而释放出更强的同步辐射。Chasman 和 Green的设计使NSLS产生世界一流的光束。

（高能所科研处 侯儒成编译）