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新科技硬实力见长 2021年“新生”大科学装置盘点

   2021-12-29 1220
核心提示:近日,中国工程院院刊《Engineering》评选的“2021全球十大工程成就”在京发布。其中,一款科学大装置“中国天眼”FAST望远镜入选。自上世纪80年代起来,我国一批科学大装置相继建成并投入使用。自北京正负电子对撞机、遥感卫星地面站诞生,到如今中国天眼”FAST望远镜、光能同步辐射光源建立,到这些大科学装置承载的意义已经不止于科学本身,而在于衍生的一系列创新成果,覆盖生物、材料、生物技术、深空探测、超导等多个领域
近日,中国工程院院刊《Engineering》评选的“2021全球十大工程成就”在京发布。其中,一款科学大装置“中国天眼”FAST望远镜入选。自上世纪80年代起来,我国一批科学大装置相继建成并投入使用。自北京正负电子对撞机、遥感卫星地面站诞生,到如今中国天眼”FAST望远镜、光能同步辐射光源建立,到这些大科学装置承载的意义已经不止于科学本身,而在于衍生的一系列创新成果,覆盖生物、材料、生物技术、深空探测、超导等多个领域。

2021年,几项功能强大的大科学装置相继诞生,新一代硬科技正在崛起。

500米口径球面射电望远镜(FAST):面向世界科学家开放

2021年3月31日零点,FAST面向世界开放,邀约各国天文学家,征集观测申请。据了解,FAST观测预计将有10%的观测时间分配给国外科学家。观测申请的研究领域将不做限制,科学界重点关注项目,如多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等会优先考虑。这个有“天眼”之称的球面射电望远镜正式开始新的旅程。

实际上,早在2017 年 FAST突破了天文望远镜百米工程的极限,稳定地获取了目标源射电信号。FAST表面共有 4500 块三角形主动反射面,将能够覆盖 30 个足球场大的信号聚集在一颗小药丸大小的空间里,监听宇宙微弱的射电信号。这个“小药丸”就是放在馈源舱内,类似收集卫星信号的喇叭式接收器。而且在地下,还埋藏着超过10万根光纤,为FAST数据传输提供保障。

借助全新的设计思路,FAST迄今已发现 300 余颗脉冲星,并在快速射电暴等研究领域取得重大突破。目前,该装置是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它的观测能力是德国波恩 100 米望远镜的10 倍,是美国阿雷西博300 米望远镜的2.25 倍。

在宣布面向世界开放的两个月前,FAST 发现了四个在宇宙少年时期的快速射电暴,拓展人类宇宙视野,在探索宇宙起源方面更进一步。

首个地球系统模拟大科学装置启用:把地球搬进实验室

2021年6 月23 日,“地球系统数值模拟装置”在北京怀柔科学城落成启用。这是我国研制成功的首个具有自主知识产权的地球系统模拟大科学装置,它融合了大气科学、计算科学和计算机技术,模拟地球的现状,预测未来的气候变化。

地球科学一直面临着实验条件的问题。地球作为一个庞大的研究对象,无法保证实验室环境和真实环境全部一致。更重要的是,一般实验中包括“破环环境”这一环节,而在地球实验中却无法展开。如今,地球系统模拟大科学装置解决了这一难题。

地球系统模拟装置又称地球模拟实验室,即对地球系统进行数值模拟。研究人员以地球系统观测数据为基础,利用描述地球系统的物理、化学和生命过程及其演化的规律在超级计算机上进行科学计算。基于计算结果,科学家们可以重现地球过去、模拟现在、预测未来。目前,模式水平分辨率最高达到10-25公里,大气模式25公里,海洋模式10公里,一天可以计算出地球多个圈层10年左右的变化。

据了解,该款模拟装置的核心软件是由中国科学院大气物理研究所自主研发的地球系统各圈层数值模拟软件。相比国际上其他气候系统,该款软件是地球模式,具备地球大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈的演变规律,更全面地考虑地球生态、生物地球化学、气候系统的相互作用,模拟效果更加真实、准确、系统化。

该款地球模拟实验室的建成有助于研究人员建立起“生态—气温—二氧化碳浓度—碳排放量”的关系,对温室气体核算、未来升温预估提供有力的模拟支撑。该项大科学装置将服务于应对气候变化、生态环境建设、双碳愿景目标、 防灾减灾等国家重大需求,是未来地球科学研究的重要技术支撑。

高能同步辐射光源:走进微观

6月28日,高能同步辐射光源(HEPS)首台科研设备安装,标志着这一大科学装置正式进入设备安装阶段。周长近1.4 公里的北京高能同步辐射光源是我国第一台高能同步辐射光源,也将是世界上最亮的第四代同步辐射光源之一。

高能同步辐射光源可制造能量高、亮度强的同步光。当同步光照射在物质上时,就会产生光电子发射、离子或中性原 子脱离、吸收、散射等现象。科研人员通过观察、检测这些反应,研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律。迄今为止,高能同步辐射光源帮助人类分析了蛋白质、DNA、RNA、核糖体、核小体、 病毒等70%的生物大分子结构。此外,同步辐射光源已成为尖端科学研究及工业应用不可或缺的实验利器,可广泛用于 材料、生物、医药、物理、化学、地质等领域。

如今,我国正在建设的高能同步辐射光源实现了加速器、光束线等多个关键技术上的创新。探测器是同步辐射实验的核心设备,以往我国同步辐射光源上的探测器主要依赖进口,此次的高能同步辐射光源采用的是研究团队自主研制出新型X 射线像素阵列探测器样机,保证高能光源建成后,拥有高光谱亮度。

多维多通道分离纯化预研装置:推进中医药科学化

2021年7月,多维多通道分离纯化预研装置在2021上海合作组织传统医学论坛上开展推介。据了解,该款原创性设计出多维多通道分离纯化预研装置,总长近40米,是应对中药复杂性物质组成的重要利器。

多维多通道分离纯化预研装置可以将其300至500个化合物单独分离纯化出来,分析中药到底含有多少化合物,化合物的含量、结构等多个基础信息,从而深度剖析中药,从根本上提升中药研究的深度。同时,该装置还是一个自动化、智能化的系统,可以极大地提高中药研究的效率。人工分离出几十个化合物,需要耗费两三年,但是多维多通道分离纯化预研装置三至五天就能完成一个药材的几百个化合物分离纯化,效率十分高。

一直以来,中药基础研究水平和核心技术研发能力不足被认为是造成中药发展困境的主要原因之一。多维多通道分离纯化预研装置打破了这一困境,实现对药物的活性成分进行定量定性的研究,为中医药的产业化提供第一手的科学数据,可以更加稳定地将中药有效成分提取分离出来,这对推动中药高水平研究和产业化发展有着极大的作用。

高海拔宇宙线观测站:睁眼看宇宙

2021年10月17日,高海拔宇宙线观测站通过工艺验收,开始正式探索高能宇宙线起源。

宇宙线是宇宙高能粒子流的总称,如同来自宇宙的雨滴,携带着多种信息抵达地球。高海拔宇宙线观测站如同一个集雨装置,每天能够捕获几十亿个高能宇宙线。目前,高海拔宇宙线观测站包括18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列,78000平方米水切伦科夫探测器,1188个缪子探测器和5195个电磁粒子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列,占地总面积约1.36平方公里。

高海拔宇宙线观测站建立同时进行了多项技术创新,可以多方位、多变量地测量宇宙线。其一是远距时钟同步技术,确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平,并在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足了多种触发模式并行的技术要求。另外,高海拔宇宙线观测站是国内首次大规模使用硅光电管,超大光敏面积微通道板光电倍增管等探测技术,提高了伽马射线测量的空间分辨率,达到了更低的探测阈能。

历时四年,科研团队在今年7月完成了观测站全阵列建设。值得一提的是,在建设期间,高海拔宇宙线观测站发现了宇宙最高能量光子、完成测定了标准烛光的超高能段亮度等多个科任务,也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台,并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。
 
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