世界著名的物理實驗室（二）

徐漢屏

橡樹嶺國家實驗室

橡樹嶺國家實驗室（簡稱ORNL）是美國能源部所屬最大的科學(xué)和能源研究實驗室，成立于1943年，原稱克林頓實驗室。2000年4月以后由田納西大學(xué)和巴特爾研究所共同管理。

第二次世界大戰(zhàn)期間，為了趕在德國之前造出原子彈，美國啟動了“曼哈頓T程”。作為曼哈頓工程的一部分，1943年2月，在田納西州諾克斯維爾以西30公里處的克林頓小鎮(zhèn)，從事核武試驗研究的克林頓實驗室破土動工。一年之后，在一片荒無人煙的不毛之地建成了一座秘密城市——“橡樹嶺”，以及以生產(chǎn)和分離鈾和钚為主要目的、用于核武試驗研究的國家實驗室。很長一段時間，在公開出版的地圖上是找不到橡樹嶺的。即使在2013年，用GPS也只能查出該實驗室所在的街道，但找不到它具體的門牌號碼位置。

20世紀(jì)50年代和60年代期間，橡樹嶺國家實驗室主要從事核能、物理及生命科學(xué)的相關(guān)研究。70年代成立了能源部后，使得橡樹嶺國家實驗室的研究計劃擴(kuò)展到能源產(chǎn)生、傳輸和保留等領(lǐng)域。到21世紀(jì)初，該實驗室仍承擔(dān)著在和平時期同樣重要但與曼哈頓計劃時期不同的任務(wù)支持著美國。

橡樹嶺國家實驗室的任務(wù)是開展基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究與開發(fā)，提供科學(xué)常識和技術(shù)上解決龐雜問題的創(chuàng)新方式，加強(qiáng)美國在主要科學(xué)領(lǐng)域里的領(lǐng)先地位；進(jìn)一步提高大批能源的利用率；為恢復(fù)和保護(hù)環(huán)境以及為國家安全做貢獻(xiàn)。

橡樹嶺國家實驗室有近20個復(fù)雜的科學(xué)研究設(shè)施和裝置，包括：等時性回旋加速器，作為產(chǎn)生放射性離子束的驅(qū)動器，給位于放射性離子束注入器平臺的靶一離子源裝置提供強(qiáng)質(zhì)子、氘核和α粒子；生物處理研究設(shè)施，采用攪拌罐、桶狀反應(yīng)堆等進(jìn)行發(fā)酵實驗；锎用戶裝置，一個采用緊湊型（手指大小）锎- 252中子源容器的獨特中子輻照裝置，用于中子科學(xué)研究；高通量同位素反應(yīng)堆，一臺多用途85 - MW同位素制備反應(yīng)堆，具有進(jìn)行各種輻照實驗的能力和設(shè)備；Holifield放射性離子束裝置，提供高質(zhì)量短壽命放射性同位素束流；金屬處理實驗室用戶設(shè)施，用于研究材料合成、變形處理、材料表征、材料連接，利用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬；老鼠遺傳學(xué)研究設(shè)施，開展進(jìn)本研究，分析基因功能和確定老鼠中類似人類遺傳疾病的原形；電子直線加速器，用來產(chǎn)生強(qiáng)毫微秒中子脈沖；物理性能研究設(shè)施，專門用于測量生理化學(xué)特性；功率電子學(xué)和電動機(jī)械研究設(shè)施，開發(fā)和制造先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換器、可調(diào)速驅(qū)動器和電動機(jī)械的樣機(jī)等。

實驗室還建有多個科研中心，包括：納米材料科學(xué)中心，研究用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)；基因科學(xué)中心，為基因研究提供先進(jìn)的設(shè)備與研究平臺；建筑技術(shù)中心，確定、開發(fā)和推廣可持續(xù)性和能源效率高的建筑技術(shù)和系統(tǒng)；工業(yè)創(chuàng)新計算中心，擁有每秒進(jìn)行40×l0¹²次計算的世界上最大的超級計算機(jī)；燃料、發(fā)動機(jī)和排氣研究中心，專門詳細(xì)描述內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的排出物和效率；高溫材料實驗室，提供最先進(jìn)的表征確定表面和大部分材料在分子水平組成和微結(jié)構(gòu)的儀器設(shè)備，測量在各種環(huán)境條件下的機(jī)械性能；國家運(yùn)輸研究中心，開發(fā)和評估先進(jìn)的運(yùn)輸技術(shù)和系統(tǒng)；國家環(huán)境研究園，有幾個野外研究場地，用于分析水中和陸地的生態(tài)系統(tǒng)；共享研究設(shè)備合作研究中心，在穿透電子顯微鏡方法、掃描電子顯微鏡方法、原子探頭場離子顯微鏡方法和機(jī)械性能微分析方面提供最先進(jìn)的能力等。

橡樹嶺國家實驗室許多科學(xué)領(lǐng)域在國際上處于領(lǐng)先地位。它主要從事6個方面的研究，包括中子科學(xué)、能源、高機(jī)能計算、復(fù)雜生物系統(tǒng)、進(jìn)步材料和國家安全。此外，實驗室還在化學(xué)和核物理等科學(xué)領(lǐng)域開展世界一流水平的研究。橡樹嶺國家實驗室的諸多設(shè)施裝置與科研中心，不僅為本實驗室的科學(xué)家和工程師服務(wù)，而且對美國的大學(xué)、工業(yè)界和其他的國家實驗室以及國外研究機(jī)構(gòu)的研究人員開放，促進(jìn)了科學(xué)界有益的相互影響，使昂貴的獨特設(shè)備得到了最佳利用，使實驗室逐漸發(fā)展成了美國的大型綜合性研究基地。

阿貢國家實驗室

阿貢國家實驗室（簡稱ANL）是美國政府最早建立的國家實驗室，也是美國最大的科學(xué)與工程研究實驗室之一——在美國中西部為最大。它隸屬于美國能源部和芝加哥大學(xué)，前身是芝加哥大學(xué)的冶金實驗室。

阿貢國家實驗室有兩個場所。伊利諾伊州一東場所被芝加哥環(huán)路西南約25英里的森林保護(hù)區(qū)所環(huán)繞。美國能源部芝加哥工作辦公室也設(shè)在這里。愛達(dá)荷州一西場所占地約900英畝，位于蛇河谷愛達(dá)荷瀑布西約50英里處。它是實驗室多數(shù)主要核反應(yīng)堆研究設(shè)施的所在地。

過去半個世紀(jì)中，芝加哥大學(xué)為美國能源部及其前身監(jiān)管阿貢國家實驗室的運(yùn)行。實驗室是二次世界大戰(zhàn)曼哈頓工程的一部分。1942年12月2日，美國著名物理學(xué)家費(fèi)米和他約50名同事在芝加哥大學(xué)的壁球場里建成了世界上第一個受控核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆——“芝加哥一號堆”，人類從此邁入了原子能時代。

實驗室擁有世界水平的國家級科學(xué)研究裝置，如先進(jìn)光子源APS，提高了美國的科學(xué)領(lǐng)先地位。實驗室設(shè)計、建造和運(yùn)行費(fèi)用太高以至單個公司或大學(xué)不能建造和運(yùn)行的負(fù)載的研究設(shè)施。這些設(shè)施被來本實驗室、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和其他國家實驗室的科學(xué)家所用。阿貢國家實驗室還是強(qiáng)脈沖中子源、串列直線加速器系統(tǒng)和其他設(shè)施的所在地。

戰(zhàn)后，阿貢國家實驗室接受開發(fā)和平利用原子反應(yīng)堆的任務(wù)。幾十年來，實驗室的研究不斷擴(kuò)大，包括了科學(xué)、工程和技術(shù)的許多其他領(lǐng)域，不再單一地涉足核武器的研究。實驗室謀求解決許多科學(xué)挑戰(zhàn)，包括在材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、生命和環(huán)境科學(xué)、高能物理、數(shù)學(xué)和計算科學(xué)，包括高性能計算方面的實驗和理論工作，其令人激動和領(lǐng)先的研究為今天的社會帶來了價值，也為未來的技術(shù)突破打下了基礎(chǔ)。

例如，實驗室的科學(xué)和工程師們正在開發(fā)新的先進(jìn)電池和燃料電池，以及先進(jìn)的電力生成和儲存系統(tǒng)，增加能源資源，確保能源未來，還在為提高核反應(yīng)堆的安全和壽命而工作。

又如，實驗室在環(huán)境管理領(lǐng)域的研究，包括可選擇性的能源系統(tǒng)、環(huán)境風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)影響評估、有害垃圾場分析和補(bǔ)救計劃編制、電冶金處理準(zhǔn)備失去效能的核燃料進(jìn)行處理，以及排除污染和使老化核反應(yīng)堆退役的新技術(shù)，在開發(fā)管理和解決美國環(huán)境問題、促進(jìn)環(huán)境服務(wù)新方法中處于前沿。

再如，在國家安全方面，近年來實驗室所開發(fā)的能力正幫助抗擊恐怖主義的威脅，這些能力包括核燃料循環(huán)、生物學(xué)、化學(xué)、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)建模方面的專門技術(shù)。該項研究正在幫助開發(fā)探測化學(xué)、生物和放射性威脅以及識別它們來源的高靈敏度儀器和技術(shù)，幫助探測和阻止武器的可能擴(kuò)散或?qū)嶋H攻擊。

為使實驗室受公眾資助的研究讓工業(yè)界受益，幫助加強(qiáng)國家的技術(shù)基礎(chǔ)，實驗室也將工業(yè)技術(shù)開發(fā)作為一項重要的工作，設(shè)計、建造、運(yùn)行和管理許多科學(xué)與工程的研究設(shè)施，并將這些設(shè)施向來自工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和其他政府實驗室的研究人員開放。這些設(shè)施中的6個屬于美國能源部正式的國家用戶設(shè)施或用戶中心，它們是：先進(jìn)光子源、串列直線加速器系統(tǒng)、大氣輻射測量氣候研究設(shè)施、納米尺度材料中心、電子顯微中心和強(qiáng)脈沖中子源。

1990以來，實驗室曾與600多家公司、無數(shù)的聯(lián)邦政府部門以及其他組織一道T作。其諾貝爾獎獲得者有：費(fèi)米（因利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新的放射性元素，及慢中子所引起的有關(guān)核反應(yīng)，獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎）、梅耶夫人（因研究原子核殼模式取得的成果，獲1963年諾貝爾物理獎）、阿布里科索夫（因提出在極端低溫時物質(zhì)如何顯示其奇異行為理論，獲2003年諾貝爾物理獎）。

英國國家物理實驗室

英國國家物理實驗室（簡稱NPL）坐落在英國倫敦特丁頓的布希公園，是英國歷史悠久的計量基準(zhǔn)研究中心，也是英國最大的應(yīng)用物理研究組織。

英國國家物理實驗室創(chuàng)建于1900年。1981年，整個實驗室分為6個部，即：電氣科學(xué)、材料應(yīng)用、力學(xué)與光學(xué)計量、數(shù)值分析與計算機(jī)科學(xué)、量子計量、輻射科學(xué)與聲學(xué)。實驗室共有科技人員約1000人，1969年最高達(dá)1800人。

實驗室的電磁輻射測試項目包括：傳導(dǎo)、功率輻射、空間輻射、輻射抗擾度、靜電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、雷擊浪涌抗擾度、傳導(dǎo)抗擾度、工頻磁場抗擾度、電壓跌落抗擾度、諧波、閃爍等。

值得一提的是，英國國家物理實驗室設(shè)計的系列標(biāo)準(zhǔn)黑體可以給實際空腔提供適當(dāng)?shù)陌忻娉叽绾头奖愕男?zhǔn)，同時保持較高的發(fā)射率。該系列標(biāo)準(zhǔn)黑體包括固定點黑體和可變溫黑體。實驗室已構(gòu)造出實現(xiàn)銀（ 961.78℃）、金（1 054.18℃）和銅（1084. 62℃）凝固點黑體空腔，作為建立ITS - 90，使用普朗克輻射定律的基準(zhǔn)源。此外，還構(gòu)建出用作10～200℃間標(biāo)準(zhǔn)源的參考循環(huán)油式空腔、用作10～180℃間標(biāo)準(zhǔn)源的攪拌油槽式空腔、用作500～950℃間標(biāo)準(zhǔn)源的熱管式空腔，以及在50～1000℃溫度區(qū)間內(nèi)使用的寬范圍黑體源。

作為高度工業(yè)化國家的計量中心，英國國家物理實驗室與全國工業(yè)、政府各部門、商業(yè)機(jī)構(gòu)有著廣泛的日常聯(lián)系，對外則作為國家代表機(jī)構(gòu)，與各國際組織、各國計量中心聯(lián)系。它還對環(huán)境保護(hù)，例如噪聲、電磁輻射、大氣污染等方面向政府提供建議。

近年來，英國國家物理實驗室與我國計量科研單位聯(lián)系緊密。據(jù)媒體報道，2010年中國計量院（ NIM）與英國國家物理研究院（NPL，即英國國家物理實驗室）簽署了《中英計量合作諒解備忘錄》。此后，雙方在聲學(xué)、溫度、天線以及時間頻率計量等領(lǐng)域開展了卓有成效的合作。特別是中英合作建成的天線外推法標(biāo)準(zhǔn)測量裝置，具備世界一流技術(shù)水平，為中國乃至亞洲地區(qū)通信、廣播、電視、航空航天等領(lǐng)域天線計量需求提供了重要支撐。2016年4月，英國國家物理研究院院長湯普遜訪問中國計量科學(xué)研究院，并代表NPL與中國計量院院長方向簽署了《NIM與NPL計量戰(zhàn)略合作諒解備忘錄》。此次兩院續(xù)簽合作諒解備忘錄，既是對雙方此前合作成效的充分肯定，也標(biāo)志著兩院合作邁向了戰(zhàn)略規(guī)劃層次的新高度。