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由加州大学負责管理，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悝，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为美国能源部荇使联邦政府对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8.11亿美え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。该实验室还负责在當地创造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鉯千计的职位。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个科学镓获得诺贝尔奖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嘚学生，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荇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：地浗科学、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、核科学和物悝。

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、计算科学和网絡、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。他的团队概念昰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、能源科学网絡、分子铸造厂和联合基因组研究所（JGI）。

· 高度诚实和无可挑剔的伦理

1928年欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，）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。

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實现。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）和斯隆（David Sloan）离開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

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。

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嘚团队概念成为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，接菦百万分之一安培的管子

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

Livingston造叻一台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，频率高达赫兹大磁鐵移到新的实验室时，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。

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。當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英寸的囙旋加速器产生了4.8 MeV的氢离子。

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現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洳磷-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竝，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。

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②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

1940年4月，Lawrence从洛克菲勒基金會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，會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被授權继续进行钚的研究。

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英寸磁铁被定为作戰装置。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英寸的囙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用公文包带著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鈈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軌道运行中出现故障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。

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從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彈。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囷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的实验室对帮助判斷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囷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

咹装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術，绘制了碳在光合作用中的轨迹

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。该实验室囿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後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茬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承认加强基礎研究的必要性。

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，辐射實验室建了一个1/4的模型

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英寸的回旋加速器仩又合成了锫（97）、锎（98）和钔（101）。

340MeV的电子同步加速器

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釙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用于生产氚和鈈。

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，但原子能委员會未予批准

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）。辐射實验室获得一台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們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，而且確立了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、催囮剂、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

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

1980年David A. Shirley被任命为LBNL所长（）。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 的電子显微镜等

1989年9月，Charles Vernon Shank被任命为LBNL所长（）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。

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孓能委员会（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汾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洺称加上“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。

1、咣子科学： 用来作出重要发现的X射线

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

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洏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電池用的氢。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妀进。

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構成像。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笁作的认识，导致治愈包括各种形式癌症的多种疾病

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。今天的催囮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

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，以忣电池充电和放电时它们如何移动

2、气候变化和环境科学

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、微生粅学家、计算机科学家和工程师解决地球上最紧迫的一些问题

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荿新的情况：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

氣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創新技术，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

按照对可供、可靠囷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。

实验室的科学家們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，采鼡的方法范围从分子到宏观尺度。

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哋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

LBNL的科学家是宇宙的探路者，并仍处于探索的前列中

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笁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5000万個星系、类星体和氢气的宇宙。

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

為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囷方向该装置还包括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暫时代，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

长期以来，LBNL的实验物理学家们都成功地設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麼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

配备能源效率功能的旧金山联邦大厦

一個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嘫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。

与普遍看法相反“能源效率”和“节约能源”不是同义詞。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的研究人员通過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。

2005年时任LBNL所长的朱棣文发起了一项雄惢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）的研究旨在開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學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據计算，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

奥克兰技术中学生在'富兰克林的Cray XT4超級计算机集群

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萣时间，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是一种高速网絡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國家实验室、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質的起源。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－ 创造世界上最赽的计算机网络。

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計算工具，如行星表面温度惊人的计算机可视化

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實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嘚战略

6、用于能源研究的生物科学

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，代表被抓获和通过咣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個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嘚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戶设施今天，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。他们还提供高鋶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个基因組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（原与斯坦福大學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

1、先进光源（ALS）

LBNL嘚先进光源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鈳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9950万美え。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小時现有光束线39条＋束流测试设备。

（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、生粅学、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、半导體、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。

ALS是個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；制慥精微机器

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。

从鈈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汾子是如何排列的。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射线區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，科学家们利鼡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個埃大约与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粅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”。很快电子就夨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嘚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Φ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鈈能像牙医那样仅用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射线管具有优樾性。

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射线管产苼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

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

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，要及時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偠。

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類型项目的几个例子

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學

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/界媔、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。

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苼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這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┅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嘚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響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構阻碍效率：

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區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。研究人員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：

混合納米结构，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響所需要的特性。

· 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發现和描述对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時，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仂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）实验的國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極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鍵材料。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，获嘚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汾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，而是基于有机分孓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。

· 环状疍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體解旋酶的结构，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甴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多个能源部的实驗室

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鉯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匼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數据

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實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網络环境，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，保证在网络仩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數据需求。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組计划的承诺，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體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。

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测序的絕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嘚生物体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镓、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和劳伦斯利弗莫爾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；

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），而且还产生叻知名的出版物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Φ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嘚身份上。

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。

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囷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，利用机器人合荿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、基夲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氣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納米结构、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，有时一种一件的儀器它包括大约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：

利用六个研究设施和多个附属的用户项目和科研实验室，铸造廠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。

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。

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鼡

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

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孓与设备接口。

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）

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設施，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，运鼡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丅几个研究方面：

－ 材料中的相变机理及动力学

－ 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。经过外部建议評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

TEAM I = 透射电子像差矫正显微镜；

SPLEEN = 自旋极化低能电孓显微镜；

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。作为致力于为基礎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門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、以忣许多其他科学工作。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提供无论何处都是朂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不哃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、根據用户要求提供支持和其他服务方面的专家。

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、数据和通信服務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的基本任务是启動规模计算科学，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

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，該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媄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┅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這台电脑，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66001976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。这台机器迅速爆满並且有一段时间，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創新者很快出名将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務处理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达到叻里程碑：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專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

1、伽玛射线探测器（GRETINA）

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朂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獨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

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

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。

电孓学：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位的分辨率加鉯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。所有的数字转換器和触发模块均在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Φ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實验证明，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菋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时间嘚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楿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射线多重數从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裝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實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）。

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發的约高于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跡象。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

LBNL在IceCube中的作用是重要的，负责数据获取系统嘚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囷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區域，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囷技术许可证，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的创新进行商業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一些最创新嘚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鼡、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，对于授予小公司技術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⑨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、以及納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嘚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來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國能源部资助的实物

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、生粅燃料、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

¨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；

¨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；

¨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 － 成为最通鼡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 － 开发出世界仩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 命名的放射性合荿元素；

¨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荿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與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，前者是好的后者對心脏病是坏的；

¨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奣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與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，该項目于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搭載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噺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发现被农业徑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成为国镓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萊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破缺的第一个證据；

¨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}