美国国家标准与技术研究院先进测量实验室建设特点介绍

1      先进测量实验室定位

对某个特定分子进行跟踪和操控;将原子排列成精准的纳米结构;对电子数逐个测量来测定电流的大小;用小于原子半径的增量来标定距离;测量抗体和病毒之间化学键的强度…… 这些极其先进的测量能力是对国家未来高科技发展、产业竞争力、公民健康和福祉至关重要,已成为提升产业的社会效益、抓住当下纳米技术带来的商业前景的关键影响因素。这些先进测量能力正是美国国家标准与技术研究院(NIST)先进测量实验室内100多个前沿研究项目力求实现的目标。

前沿的测量科学对于环境的稳定性要求极高,因为环境条件的微小变化——即使温度升高百分之一度,周边交通带来的微振,电流的轻微波动——都会对精密设计的实验造成干扰,降低实验结果的精确性。以激光为例,激光是现代研究的主要工具之一,可用于分析,打印,扫描,冷却,加热等。激光束周边温度的变化会使焦点失真;振动会使激光束和靶标发生偏移;电磁干扰会导致波长发生变化,引起控制测量误差,使得整个实验过程变得不精确。

在NIST的先进测量实验室中,严格受控的环境条件使测量变得更加精确,减少了测量结果的不确定性,使研究人员免于环境波动带来的干扰,从而更专注于探索其科研领域。NIST的先进测量实验室综合体于2004年建成,拥有世界最前沿的研究设施,提供前所未有的实验室环境条件,旨在消除最尖端测量科学和技术研究中的环境干扰。出自先进测量实验室的众多研究成果将转化为新的高精度测量技术、构建起“纳米结构”材料的基本属性数据库及其他基础科研支撑能力体系,为美国的产业发展提供基础设施技术保障,成功地将当今分子科学及工程技术的成果扩展到纳米技术产品和工艺,以走向国内外市场。


2      先进测量实验室建设特点

拟建地块受干扰的程度对先进测量实验室的选址、布局及建筑设计起着至关重要的影响,对环境条件要求较高的实验室通常布置在距离交通干道较远、受干扰较小的安静腹地,辅助类用房及对环境要求不甚严格的实验室可布置在外围。在实验室建筑开展设计及实施建设前,通过各类勘察和测试综合评定地块的环境特性,才能进一步优化建筑的选址布局及应对环境干扰的设计策略。


2.1建筑布局

NIST的先进测量实验室建筑组群总共有5个建筑单体连接而成,其中2个实验楼体完全为地下建筑。相比于地上环境,地下环境更为稳定,将部分对温湿度、微振等环境条件要求极为敏感的实验室区域设置在地下,有利于对实验环境条件实现更为精准的控制,同时也是合理开发地下空间,降低院区容积率的一个明智举措。

 先进测量实验室建筑总面积49843平方米,总投资约2.4亿美元。先进测量实验室总共有338个实验单元,拥有面积超过5600平方米的纳米实验室,含1800平方米洁净间,其中750平方米达到了百级洁净间的标准。虽然环境工艺指标应当根据不同类型实验室的具体要求量身定制,但没有其他的实验场地能够像NIST的先进测量实验室一样,能在这如此大尺度的空间里同时对温度、湿度、隔振、空气洁净度和电力供应等环境综合指标进行严密控制。 


2.2 建设理念

NIST先进测量实验室大楼中的实验单元并非为某类特定实验室所设计,而是通过建造达到国际一流的高标准环境工艺指标,从而灵活地兼容多类实验环境要求。不同于现场浇筑的施工方式, NIST的先进测量实验室内部空间采用标准单元模数化设计及建设理念,确保实验室可根据研究课题的改变而进行灵活的空间改造及环境条件改造。建筑内部采用了方便拆卸的铝合金板作为围护材料分隔空间,材料选择时需充分考虑电磁屏蔽的功能需要。实验室内标准单元的数量及面积依据研究课题的不同需求进行分配,通过实验室标准单元的“积木式”组合,迅速建立所需要的受控环境,并能实现灵活性调整。整体建筑通过梁、柱等结构承重,内部墙体不承重。这种结构的建筑内部空间分隔灵活,不仅方便实验设施的布置,同时也节省了大量的建筑材料;建筑内部装配的实验室单元便于未来的改造、装卸等,缩短了施工工期。


2.3空间布置

动力及辅助单元设施为实验室提供精准受控的环境,但同时也是造成环境条件扰动的主要干扰源之一。在实验室的内部空间布置中,环境干扰源应远离精密实验设备存放区域及人员进行实验的工作区域,以保证实验室核心区域的环境稳定性。因此,实验室的总设备间通常安排在楼顶或地下,与各楼层的辅助设备间相连接,上下通过管线将水、电、气供应到相应楼层的实验室,各实验室楼层的辅助设备间统一设计在该楼层外围,与实验区域隔离开,最大限度降低了对实验室的干扰。设备间与货梯连接,方便设施运输和维修人员的进出,不影响实验室和走廊的洁净环境,同时也便于实验材料及设施的统一管理。

实验室层高通常在7米左右,局部根据实际需要做适当调整,保证了足够的竖向空间。上部空间增添配套的小型仪器和贴有明确标识的通风、水、电、气等管线,起到调节实验室内温湿度、洁净度等环境条件的作用,并为未来可能发生的实验室改造留出空间,同时为不同等级的环境条件留够设计余量。

实验室内恒温恒湿、洁净等环境需要庞大的条件供应保障系统, NIST先进测量实验室内动力及辅助单元的面积与实验室使用面积的比例达到了1:1甚至更高,实验室的“低得房率”为高水准环境条件的提供了最有力的保障。


2.4环境指标

在运行保障系统的强大支持下,NIST的先进测量实验室内的环境指标达到了以下水准:

2.4.1空气洁净度

(1)通用实验室:所有送入先进测量实验室的空气都经过高效空气过滤器技术处理,相比于上世界60年代NIST建成的通用实验室,先进测量实验室中的空气洁净度有了上千倍的提高。在某些区域,空气质量已经提升到千级洁净度(即ISO 6标准)如此严苛的高标准。

(2) 纳米材料洁净室:每升空气中大于0.5μm粒径的尘粒数不超过3.5个(百级洁净室的标准),这就意味着必须用高效空气过滤系统以不少于每小时300次的换风频率过滤洁净间的空气,其中空气洁净度等级可升级至十级(ISO4)的标准,即每升空气中大于0.1μm粒径的尘粒数不超过10个。

2.4.2 温度

在整个先进测量实验室楼里,为满足科研课题的需要,实验楼内有48个实验室需精确控温,实验室内的控温精度可分别达到:基准温度±0.25摄氏度、±0.1摄氏度,和±0.01摄氏度。其中36个实验室要求室内的温度控制精度达到±0.1摄氏度,剩余的12个实验室则要求达到±0.01摄氏度的控温精度,如此高精度的控温水平,在这种量级的项目中尚属首例。

先进测量实验室的高精度控温实验室中阵列配备着同样高精度的热敏电阻温度传感器和湿度传感器。要知道电子器件在遇到温度变化时,电阻也会随之改变,NIST的研究人员对配置在±0.01°控温精度实验室中的热敏电阻温度传感器都分别进行了校准,保证传感器的容差在±0.003°以内。这种接近极限的高精度对于先进测量实验室中电子自控系统的信号输入非常必要,才能将温度信号的输入保持在±0.01°的幅度以内。

2.4.3振动

在27个防微振的实验室单元中,减振控制可以从3微米/秒的基准振幅控制到0.5微米/秒以内,这个防微振的标准比NIST的通用实验室要好15-100倍。为避免组装过程中微粒子结构间的冲撞对超灵敏实验设备的影响,这27个实验室单元都进行了极高标准的隔振处理。这些实验室单元位于地下12米深,作为隔振处理的第一道措施,实验室都建设在与主体建筑分离的旁支楼体中,这样就隔离了通过建筑结构传导过来的振动;其次,实验设备都放置在经过特殊设计的独立基础板上,这些基础板质量非常大,由充气的“空气弹簧”支撑;再者,这些独立的基础板所处的基坑上,铺设横跨整个基坑的架空活动地板,研究人员在地板上开展实验活动时,造成的振动不会由地板传至隔振基础板, 从而保证整个隔振系统的效果。

2.4.4湿度

在某些特殊的实验室区域内,可以从基准湿度±5%精确控制到±1%,而在NIST的通用实验室中,湿度控制的精度只需在±20%即可。

2.4.5电源设施

先进测量实验室采用都是不间断电源(UPS),避免停电、电压陡然增降或其他的非洁净电源等问题, 确保了实验精准度、分析精准度等不会因为电源供应的干扰而受到到破坏,长期运行的实验不至于被迫中断。

2.4.6绿色建筑

在先进测量实验室的设计和后期运行管理中,都非常注重节能减排的理念,例如白天尽量通过自然光照明、对废弃物进行回收循环利用等。


                                        表1:NIST先进测量实验室环境指标一览

环境条件

洁净度

温度

振动

湿度

电源

节能

标准

ISO4

±0.01°

≤0.5μm /s

±1%

UPS

自然光照明、废弃物循环利用


3  先进测量实验室支撑科研成果

先进测量实验室为NIST的科学家和工程师们提供了一个几乎不受干扰的实验环境,在如此优良环境条件的支持下,科学家们取得了众多的科研成绩并成功落地到实际应用中:例如:

3.1大大增加NIST高精度激光校准光探测器的范围和精准程度,提高了“视觉感知”能力,这对电子显示屏产业乃至自动驾驶领域都至关重要,同时这一研究结果也能应用在环境检测甚至天文学领域中;

3.2通过计数并导入约1亿个电子到一个低温电容器中,然后测定产生的电压,建立一种能够自动进行校准的电容标准,这套标准可用于测量电容量,应用领域包括国防和众多基础研究;

3.3测量和操纵单个分子的能力。传统的化学和生化实验结果是对数百万乃至数十亿分子的行为特征进行平均总结,但在细胞中,蛋白质和其他生物分子通常每次的行为特征都不尽相同,NIST基于对单分子测量和操控能力,正在开发超灵敏的技术,旨在直接探测和测量单个分子的行为特征,并通过“芯片上的实验室”控制它们,该研究课题为精准医疗提供技术基础。

NIST先进测量实验室具备世界上最先进的电磁屏蔽、隔振以及控温、控湿和洁净度的环境条件,在这些建设高标准、工艺严要求的实验室支撑下,NIST向美国工业和科学界提供最尖端的测量研究成果和标准,为纳米技术、半导体、生物技术、先进材料、量子计算和先进制造等本世界最重要的科技领域奠定了坚实的基础。