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新科技硬實力見長 2021年“新生”大科學裝置盤點
2021年12月22日 09:52:30
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：江魚 點擊量：8486
2021年，幾項功能強大的大科學裝置相繼誕生，新一代硬科技正在崛起。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】近日，中國工程院院刊《Engineering》評選的“2021全球十大工程成就”在京發(fā)布。其中，一款科學大裝置“中國天眼”FAST望遠鏡入選。自上世紀80年代起來，我國一批科學大裝置相繼建成并投入使用。自北京正負電子對撞機、遙感衛(wèi)星地面站誕生，到如今中國天眼”FAST望遠鏡、光能同步輻射光源建立，到這些大科學裝置承載的意義已經(jīng)不止于科學本身，而在于衍生的一系列創(chuàng)新成果，覆蓋生物、材料、生物技術、深空探測、超導等多個領域。
2021年，幾項功能強大的大科學裝置相繼誕生，新一代硬科技正在崛起。(以下盤點本盤點僅限網(wǎng)絡公開資料，如有遺漏歡迎補充。)
500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）：面向世界科學家開放
2021年3月31日零點，F(xiàn)AST面向世界開放，邀約各國天文學家，征集觀測申請。據(jù)了解，F(xiàn)AST觀測預計將有10%的觀測時間分配給國外科學家。觀測申請的研究領域將不做限制，科學界重點關注項目，如多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測時、快速射電暴觀測等會優(yōu)先考慮。這個有“天眼”之稱的球面射電望遠鏡正式開始新的旅程。
實際上，早在2017 年 FAST突破了天文望遠鏡百米工程的極限，穩(wěn)定地獲取了目標源射電信號。FAST表面共有 4500 塊三角形主動反射面，將能夠覆蓋 30 個足球場大的信號聚集在一顆小藥丸大小的空間里，監(jiān)聽宇宙微弱的射電信號。這個“小藥丸”就是放在饋源艙內，類似收集衛(wèi)星信號的喇叭式接收器。而且在地下，還埋藏著超過10萬根光纖，為FAST數(shù)據(jù)傳輸提供保障。
借助全新的設計思路，F(xiàn)AST迄今已發(fā)現(xiàn) 300 余顆脈沖星，并在快速射電暴等研究領域取得重大突破。目前，該裝置是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，它的觀測能力是德國波恩 100 米望遠鏡的10 倍，是美國阿雷西博300 米望遠鏡的2.25 倍。
在宣布面向世界開放的兩個月前，F(xiàn)AST 發(fā)現(xiàn)了四個在宇宙少年時期的快速射電暴，拓展人類宇宙視野，在探索宇宙起源方面更進一步。
首個地球系統(tǒng)模擬大科學裝置啟用：把地球搬進實驗室
2021年6 月23 日，“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”在北京懷柔科學城落成啟用。這是我國研制成功的首個具有自主知識產權的地球系統(tǒng)模擬大科學裝置，它融合了大氣科學、計算科學和計算機技術，模擬地球的現(xiàn)狀，預測未來的氣候變化。
地球科學一直面臨著實驗條件的問題。地球作為一個龐大的研究對象，無法保證實驗室環(huán)境和真實環(huán)境全部一致。更重要的是，一般實驗中包括“破環(huán)環(huán)境”這一環(huán)節(jié)，而在地球實驗中卻無法展開。如今，地球系統(tǒng)模擬大科學裝置解決了這一難題。
地球系統(tǒng)模擬裝置又稱地球模擬實驗室，即對地球系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。研究人員以地球系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)為基礎，利用描述地球系統(tǒng)的物理、化學和生命過程及其演化的規(guī)律在超級計算機上進行科學計算?；谟嬎憬Y果，科學家們可以重現(xiàn)地球過去、模擬現(xiàn)在、預測未來。目前，模式水平分辨率最高達到10-25公里，大氣模式25公里，海洋模式10公里，一天可以計算出地球多個圈層10年左右的變化。
據(jù)了解，該款模擬裝置的核心軟件是由中國科學院大氣物理研究所自主研發(fā)的地球系統(tǒng)各圈層數(shù)值模擬軟件。相比國際上其他氣候系統(tǒng)，該款軟件是地球模式，具備地球大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈的演變規(guī)律，更全面地考慮地球生態(tài)、生物地球化學、氣候系統(tǒng)的相互作用，模擬效果更加真實、準確、系統(tǒng)化。
該款地球模擬實驗室的建成有助于研究人員建立起“生態(tài)—氣溫—二氧化碳濃度—碳排放量”的關系，對溫室氣體核算、未來升溫預估提供有力的模擬支撐。該項大科學裝置將服務于應對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設、雙碳愿景目標、 防災減災等國家重大需求，是未來地球科學研究的重要技術支撐。
高能同步輻射光源：走進微觀
6月28日，高能同步輻射光源(HEPS)首臺科研設備安裝，標志著這一大科學裝置正式進入設備安裝階段。周長近1.4 公里的北京高能同步輻射光源是我國第一臺高能同步輻射光源，也將是世界上最亮的第四代同步輻射光源之一。
高能同步輻射光源可制造能量高、亮度強的同步光。當同步光照射在物質上時，就會產生光電子發(fā)射、離子或中性原 子脫離、吸收、散射等現(xiàn)象?？蒲腥藛T通過觀察、檢測這些反應，研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規(guī)律。迄今為止，高能同步輻射光源幫助人類分析了蛋白質、DNA、RNA、核糖體、核小體、 病毒等70%的生物大分子結構。此外，同步輻射光源已成為尖端科學研究及工業(yè)應用不可或缺的實驗利器，可廣泛用于 材料、生物、醫(yī)藥、物理、化學、地質等領域。
如今，我國正在建設的高能同步輻射光源實現(xiàn)了加速器、光束線等多個關鍵技術上的創(chuàng)新。探測器是同步輻射實驗的核心設備，以往我國同步輻射光源上的探測器主要依賴進口，此次的高能同步輻射光源采用的是研究團隊自主研制出新型X 射線像素陣列探測器樣機，保證高能光源建成后，擁有高光譜亮度。
多維多通道分離純化預研裝置：推進中醫(yī)藥科學化
2021年7月，多維多通道分離純化預研裝置在2021上海合作組織傳統(tǒng)醫(yī)學論壇上開展推介。據(jù)了解，該款原創(chuàng)性設計出多維多通道分離純化預研裝置，總長近40米，是應對中藥復雜性物質組成的重要利器。
多維多通道分離純化預研裝置可以將其300至500個化合物單獨分離純化出來，分析中藥到底含有多少化合物，化合物的含量、結構等多個基礎信息，從而深度剖析中藥，從根本上提升中藥研究的深度。同時，該裝置還是一個自動化、智能化的系統(tǒng)，可以極大地提高中藥研究的效率。人工分離出幾十個化合物，需要耗費兩三年，但是多維多通道分離純化預研裝置三至五天就能完成一個藥材的幾百個化合物分離純化，效率十分高。
一直以來，中藥基礎研究水平和核心技術研發(fā)能力不足被認為是造成中藥發(fā)展困境的主要原因之一。多維多通道分離純化預研裝置打破了這一困境，實現(xiàn)對藥物的活性成分進行定量定性的研究，為中醫(yī)藥的產業(yè)化提供第一手的科學數(shù)據(jù)，可以更加穩(wěn)定地將中藥有效成分提取分離出來，這對推動中藥高水平研究和產業(yè)化發(fā)展有著極大的作用。
高海拔宇宙線觀測站：睜眼看宇宙
2021年10月17日，高海拔宇宙線觀測站通過工藝驗收，開始正式探索高能宇宙線起源。
宇宙線是宇宙高能粒子流的總稱，如同來自宇宙的雨滴，攜帶著多種信息抵達地球。高海拔宇宙線觀測站如同一個集雨裝置，每天能夠捕獲幾十億個高能宇宙線。目前，高海拔宇宙線觀測站包括18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列，78000平方米水切倫科夫探測器，1188個繆子探測器和5195個電磁粒子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列，占地總面積約1.36平方公里。
高海拔宇宙線觀測站建立同時進行了多項技術創(chuàng)新，可以多方位、多變量地測量宇宙線。其一是遠距時鐘同步技術，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平，并在高速前端信號數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計算集群協(xié)助下滿足了多種觸發(fā)模式并行的技術要求。另外，高海拔宇宙線觀測站是國內首次大規(guī)模使用硅光電管，超大光敏面積微通道板光電倍增管等探測技術，提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達到了更低的探測閾能。
歷時四年，科研團隊在今年7月完成了觀測站全陣列建設。值得一提的是，在建設期間，高海拔宇宙線觀測站發(fā)現(xiàn)了宇宙最高能量光子、完成測定了標準燭光的超高能段亮度等多個科任務，也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學研究提供了重要實驗平臺，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學基地。
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