新科技硬實(shí)力見長 2021年“新生”大科學(xué)裝置盤點(diǎn)
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)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(xué)大裝置“中國天眼”FAST望遠(yuǎn)鏡入選。自上世紀(jì)80年代起來，我國一批科學(xué)大裝置相繼建成并投入使用。自北京正負(fù)電子對撞機(jī)、遙感衛(wèi)星地面站誕生，到如今中國天眼”FAST望遠(yuǎn)鏡、光能同步輻射光源建立，到這些大科學(xué)裝置承載的意義已經(jīng)不止于科學(xué)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(shù)、深空探測、超導(dǎo)等多個(gè)領(lǐng)域。
2021年，幾項(xiàng)功能強(qiáng)大的大科學(xué)裝置相繼誕生，新一代硬科技正在崛起。(以下盤點(diǎn)本盤點(diǎn)僅限網(wǎng)絡(luò)公開資料，如有遺漏歡迎補(bǔ)充。)
500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）：面向世界科學(xué)家開放
2021年3月31日零點(diǎn)，F(xiàn)AST面向世界開放，邀約各國天文學(xué)家，征集觀測申請。據(jù)了解，F(xiàn)AST觀測預(yù)計(jì)將有10%的觀測時(shí)間分配給國外科學(xué)家。觀測申請的研究領(lǐng)域?qū)⒉蛔鱿拗疲茖W(xué)界重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目，如多科學(xué)目標(biāo)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(shí)、快速射電暴觀測等會優(yōu)先考慮。這個(gè)有“天眼”之稱的球面射電望遠(yuǎn)鏡正式開始新的旅程。
實(shí)際上，早在2017 年 FAST突破了天文望遠(yuǎn)鏡百米工程的極限，穩(wěn)定地獲取了目標(biāo)源射電信號。FAST表面共有 4500 塊三角形主動(dòng)反射面，將能夠覆蓋 30 個(gè)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(gè)“小藥丸”就是放在饋源艙內(nèi)，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(shè)計(jì)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(lǐng)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(yuǎn)鏡，它的觀測能力是德國波恩 100 米望遠(yuǎn)鏡的10 倍，是美國阿雷西博300 米望遠(yuǎn)鏡的2.25 倍。
在宣布面向世界開放的兩個(gè)月前，F(xiàn)AST 發(fā)現(xiàn)了四個(gè)在宇宙少年時(shí)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(jìn)一步。
首個(gè)地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)裝置啟用：把地球搬進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(xué)城落成啟用。這是我國研制成功的首個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)裝置，它融合了大氣科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，模擬地球的現(xiàn)狀，預(yù)測未來的氣候變化。
地球科學(xué)一直面臨著實(shí)驗(yàn)條件的問題。地球作為一個(gè)龐大的研究對象，無法保證實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)環(huán)境全部一致。更重要的是，一般實(shí)驗(yàn)中包括“破環(huán)環(huán)境”這一環(huán)節(jié)，而在地球?qū)嶒?yàn)中卻無法展開。如今，地球系統(tǒng)模擬大科學(xué)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(shí)驗(yàn)室，即對地球系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)，利用描述地球系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生命過程及其演化的規(guī)律在超級計(jì)算機(jī)上進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。基于計(jì)算結(jié)果，科學(xué)家們可以重現(xiàn)地球過去、模擬現(xiàn)在、預(yù)測未來。目前，模式水平分辨率最高達(dá)到10-25公里，大氣模式25公里，海洋模式10公里，一天可以計(jì)算出地球多個(gè)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(xué)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(xué)、氣候系統(tǒng)的相互作用，模擬效果更加真實(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)化。
該款地球模擬實(shí)驗(yàn)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(guān)系，對溫室氣體核算、未來升溫預(yù)估提供有力的模擬支撐。該項(xiàng)大科學(xué)裝置將服務(wù)于應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、雙碳愿景目標(biāo)、 防災(zāi)減災(zāi)等國家重大需求，是未來地球科學(xué)研究的重要技術(shù)支撐。
高能同步輻射光源：走進(jìn)微觀
6月28日，高能同步輻射光源(HEPS)首臺科研設(shè)備安裝，標(biāo)志著這一大科學(xué)裝置正式進(jìn)入設(shè)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(qiáng)的同步光。當(dāng)同步光照射在物質(zhì)上時(shí)，就會產(chǎn)生光電子發(fā)射、離子或中性原 子脫離、吸收、散射等現(xiàn)象。科研人員通過觀察、檢測這些反應(yīng)，研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(zhì)、DNA、RNA、核糖體、核小體、 病毒等70%的生物大分子結(jié)構(gòu)。此外，同步輻射光源已成為尖端科學(xué)研究及工業(yè)應(yīng)用不可或缺的實(shí)驗(yàn)利器，可廣泛用于 材料、生物、醫(yī)藥、物理、化學(xué)、地質(zhì)等領(lǐng)域。
如今，我國正在建設(shè)的高能同步輻射光源實(shí)現(xiàn)了加速器、光束線等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上的創(chuàng)新。探測器是同步輻射實(shí)驗(yàn)的核心設(shè)備，以往我國同步輻射光源上的探測器主要依賴進(jìn)口，此次的高能同步輻射光源采用的是研究團(tuán)隊(duì)自主研制出新型X 射線像素陣列探測器樣機(jī)，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(yù)研裝置：推進(jìn)中醫(yī)藥科學(xué)化
2021年7月，多維多通道分離純化預(yù)研裝置在2021上海合作組織傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)論壇上開展推介。據(jù)了解，該款原創(chuàng)性設(shè)計(jì)出多維多通道分離純化預(yù)研裝置，總長近40米，是應(yīng)對中藥復(fù)雜性物質(zhì)組成的重要利器。
多維多通道分離純化預(yù)研裝置可以將其300至500個(gè)化合物單獨(dú)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(jié)構(gòu)等多個(gè)基礎(chǔ)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(shí)，該裝置還是一個(gè)自動(dòng)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(gè)化合物，需要耗費(fèi)兩三年，但是多維多通道分離純化預(yù)研裝置三至五天就能完成一個(gè)藥材的幾百個(gè)化合物分離純化，效率十分高。
一直以來，中藥基礎(chǔ)研究水平和核心技術(shù)研發(fā)能力不足被認(rèn)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(yù)研裝置打破了這一困境，實(shí)現(xiàn)對藥物的活性成分進(jìn)行定量定性的研究，為中醫(yī)藥的產(chǎn)業(yè)化提供第一手的科學(xué)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(dòng)中藥高水平研究和產(chǎn)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(yàn)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(dá)地球。高海拔宇宙線觀測站如同一個(gè)集雨裝置，每天能夠捕獲幾十億個(gè)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(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列，78000平方米水切倫科夫探測器，1188個(gè)繆子探測器和5195個(gè)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(shí)進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，可以多方位、多變量地測量宇宙線。其一是遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù)，確保整個(gè)陣列的每個(gè)探測器同步精度可達(dá)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(jì)算集群協(xié)助下滿足了多種觸發(fā)模式并行的技術(shù)要求。另外，高海拔宇宙線觀測站是國內(nèi)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(shù)，提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達(dá)到了更低的探測閾能。
歷時(shí)四年，科研團(tuán)隊(duì)在今年7月完成了觀測站全陣列建設(shè)。值得一提的是，在建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)燭光的超高能段亮度等多個(gè)科任務(wù)，也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。
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