国之重器

被称作“天眼”的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电天文望远镜(FAST)建设项目，已进入收尾阶段，我国将再添一项大科学装置。有人用“国之重器”来形容这些应现代科学发展需求而生的大装置，以凸显其重大意义。事实上，与它们紧密相连的，往往是人类基因组计划、国际热核实验反应堆计划等耳熟能详的国际大科学计划。　　当前，我国正不断兴建大科学装置，积极参与国际大科学计划。在“十三五”规划中，更是提出“积极提出并牵头组织国际大科学计划和大科学工程”的目标。我国目前有哪些已运行和在建的大科学装置?参与国际合作，我们如何扮演更重要角色?本版今起关注科技大项目。　　——编 者　　作为重大科技基础设施，大科学装置在提高我国自主创新能力方面占据重要地位。早在上个世纪80年代，北京正负电子对撞机的建成就对我国高能物理的发展起到至关重要的作用。　　近些年，散裂中子源、强磁场装置、同步辐射光源、大型天文望远镜̷̷一项项大科学装置先后被列入相关规划，其中一部分，已经建成并投入使用。有人用“国之重器”来形容它们，如何才能发挥出这些耗费巨资建设的大装备的最大能量?　　既有专用研究设施，也有公共实验和公益科技设施　　在国家蛋白质科学研究(上海)设施运行之前，中国科学家想要完成蛋白质结构的解析，得特意跑到日本、美国。2015年7月，这个研究设施通过国家的验收，能够满足80%以上研究用户的需要。　　这只是中科院目前运行和在建的23个重大科技基础设施的其中之一。作为承担我国重大科技基础设施建设和运行的主要力量，中科院负责的项目涉及时间标准发布、遥感、粒子物理与核物理、天文、同步辐射、地质、海洋、能源和国家安全等众多领域，其中有的是为特定学科领域的重大科学技术目标建设的专用研究设施，如北京正负电子对撞机等 有的则是为多学科领域的基础研究、应用基础研究和应用研究服务的，具有强大支持能力的公共实验设施，如合肥同步辐射装置等 还有的是为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据的公益科技设施，如中国遥感卫星地面站、长短波授时系统等。　　国家自然基金委员会相关负责人指出，事实表明，重大的科学突破离不开科研仪器的进步，科研仪器为科学研究提供新颖手段和有力工具，对于开拓研究领域、催生源头创新、推动前沿突破起着至关重要的作用。　　LIGO(激光干涉引力波观测站)发现引力波，让不少科学家更加感叹大科学装置的重要性。有科学家指出，目前，世界各国都认识到大科学装置在国家创新能力建设中的重要地位，许多国家，特别是发达国家在已经建设众多大科学装置的基础上，又在制定新的大科学装置发展规划。　　2013年，国务院批准印发了《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》。《规划》对能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理、空间和天文、工程技术等7个科学领域进行了系统部署，明确了未来20年这7个科学领域重大科技设施发展的主要方向。《规划》是我国历史上第一部系统部署国家重大科技基础设施中长期建设和发展的指导性文件。我国重大科技基础设施经历了从无到有、从小到大、从学习跟踪到自主创新的过程。近些年我国先后兴建了上海光源、海洋科考船和地壳运动观测网等一大批设施，设施数量、建造规模和覆盖领域逐步扩大。　　建设本身就是科研攻关，能考验和提高一个国家的工业制造能力　　随着我国国力的不断增强，科研经费不再如从前般捉襟见肘。在广东东莞，中国散裂中子源(CSNS)的大部分关键设备已进入调试阶段，这一项目的预计总投资达20多亿元。但建设大科学装置，并不只是钱的事。　　在中科院院士、高能物理研究所所长王贻芳看来，大科学装置的建设过程不同于简单的房屋建造，建设本身就是一个科研的过程。　　王贻芳认为，对于大科学装置，项目的选择尤其重要，甚至决定最终成败。“首先要在科学上有意义，其次还要在技术上能够实现。”　　“但技术的边界并不好把握”，王贻芳说，标准低了，缺少突破性。采用的技术激进一些，就存在失败的可能。“因此，大科学装置在立项前，必须经过非常专业的论证和判断，最终的成败也与项目负责人的经验和能力有很大关系。”　　中科院院士、LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，又称郭守敬天文望远镜)项目首席科学家崔向群认为，大科学装置的核心在于创新。 LAMOST的建设在基于国际先进技术的基础上，又在主动光学、光纤定位等方面有所突破，大口径与大视场兼备，因此独一无二。　　大科学装置的建设还考验着一个国家的工业制造能力。　　崔向群表示，LAMOST的建设过程，就得益于我国国力的增强和工业基础的提升。国内的一些特殊材料生产企业、造船厂、轴承生产企业、玻璃生产企业等都在其中做出了贡献。　　大科学装置，往往瞄准国际最先进水平、对制造工艺也有着极严苛的要求，对企业是一个十分难得的提高技术水平的契机。　　王贻芳介绍，北京正负电子对撞机曾进行过一次大的改造，联系了当年参与建造的厂家，不少参与项目的职工现在已经成长为企业领导。他们都谈到，当年对撞机的建造对于企业自身生产工艺带来很大提升。　　正在建设的X射线自由电子激光试验装置备受瞩目，中科院上海应用物理研究所所长赵振堂认为，大科学装置的建设过程中，不但锻炼了科研队伍、研发出很多关键设备，还培育起了很多能够生产这些设备的高技术企业。　　据介绍，自由电子激光设备招标时，很多分布于长三角的企业都来投标，关键设备绝大多数实现了国产。其中，波荡器、直线加速器等主要设备还实现了对外出口。　　产出大量前沿科技成果，是参与国际合作与竞争的利器　　对于大科学装置，建好仅仅是开始，用好才是关键。　　大科学装置陆续投入使用，首先满足了国内日益增长的科研需求。　　自上世纪90年代以来，中科院高能物理研究所借助北京正负电子对撞机，获得了多项重大成果，居于国际领先水平，成为世界高能物理研究中心之一。同时还“一机两用”，成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台。　　在河北兴隆，天文学家已经可以在这里使用世界上口径最大的大视场光学望远镜LAMOST巡天，获取在世界上遥遥领先的光谱数据 在云南昆明，生物学家可以在被誉为中国“植物诺亚方舟”的西南野生生物种质资源库，建立保存生物种质资源的科学研究体系，从而为我国经济社会发展提供生物资源战略储备。　　上海光源投入使用6年多来，已有近400家单位、1万多人成为用户，取得了众多有价值、有影响力的科研成果。从地域分布上看，上海光源的用户几乎覆盖我国所有省市区，还有10多个国家的科研人员以合作形式来到这里，开展研究工作。　　崔向群认为，建设完成后，大科学装置本身还需一定的完善过程，数据也需要一定时间进行沉淀，要多些耐心。此外，大科学装置在建设的同时要注重相应人才的培养，面对同样的数据，不同科学家做出的成果会有高低之分，只有优秀的科学家才能发挥出大科学装置的最大能量。　　在不少科学家看来，大科学装置更是一个开放的平台，可以让我们在国际合作与竞争中更具话语权，是参与国际前沿科技竞争的利器。　　崔向群说，从2011年9月到2015年6月，经过3年巡天，LAMOST共观测了2669个天区，已对外释放了约570万条光谱数据，其中成功获取高质量恒星光谱462万个，比世界上所有已知光谱巡天项目获取的数据总数还要多。这些别国没有的数据，让我们占据了学术的高地，可以通过国际合作来弥补我们在光谱处理等技术上的短板。

p 　　散裂中子源、强磁场装置、同步辐射光源、大型天文望远镜……近年来，一项项神秘的大科学装置陆续建成并投入使用，它们或隐世于高山峡谷，或藏身在喧嚣城市的地下，虽然不被世人所熟悉，却自带耀眼的光环。它们作为重大科技基础设施，伴随着一项项大科学计划，缔造着中国乃至世界科学的未来。 /p p 　　这些大科学装置何以成为“国之重器”?它们究竟发挥着怎样的作用?又将承载什么样的使命? /p p 　　 strong 大科学装置发展进入快车道 /strong /p p 　　在国家蛋白质科学研究(上海)设施运行之前，中国科学家想要完成蛋白质结构的解析，只能去日本、美国。而现在，一批又一批跨国企业和国外优秀科学家纷纷来到中国，使用国家蛋白质科学研究(上海)设施的设备和服务开展前沿课题研究，一系列诞生于此的重要成果发表在Nature、PNAS等高水平国际学术刊物上。 /p p 　　国家蛋白质科学研究(上海)设施何以有如此吸引力?这项大科学装置集中了我国自主研发的规模化蛋白质制备系统，实现了蛋白质制备全流程的高度集成和流水线作业，而且在样品处理通量上超过半自动化系统10倍、超过传统的人工系统100倍，居于国际领先水平。因此，它很快就成为国际上有重要影响的大型综合研究创新基地，也是我国科学家探索生命奥秘的利器。 /p p 　　作为当今全球生命科学领域首个综合性的大科学装置，国家蛋白质科学研究(上海)设施能够满足80%以上研究用户的需要。在开放试运行的第二年底，就已经执行用户课题800多个，服务150多家单位，各系统累计运行95000多小时。 /p p 　　从无到有、从小到大、从学习跟踪到自主创新，这些年，我国一大批大科学装置横空出世，惊艳世界。中国“天眼”FAST，500米口径球面射电望远镜，将覆盖30个足球场大小的信号，聚集在药片大小的空间里，实现了新的突破 中国西南野生生物种质资源库，主要收集和保存云南及周边地区和青藏高原的种质资源，与世界其他著名的种子库相比，是唯一建立在“生物多样性热点地区”的种质资源库 上海同步辐射光源，是世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一…… /p p 　　这些各领风骚的大科学装置不但覆盖面越来越广，包括时间标准发布、遥感、粒子物理与核物理、天文、同步辐射、地质、海洋、能源和国家安全等众多领域，而且近年来装置设施的数量、建造规模也逐步扩大。中科院高能物理研究所北京正负电子对撞机国家实验室主任陈和生表示，我国的大科学装置发展已经进入快车道，取得了很多重大科学成果，有些已经处于国际领先地位。 /p p 　　这批“国之重器”为研究物质结构提供了最先进的技术手段，支撑着国内外科学家开展物质基本结构、宇宙起源与演化、生命起源等重大科学问题的探索，在世界科学研究的舞台上熠熠生辉。 /p p 　　 strong “神兵利器”带来累累硕果 /strong /p p 　　对于大科学装置，建好仅仅是开始，用好才是关键。大科学装置陆续投入使用，满足了国内日益增长的科研需求。 /p p 　　自上世纪90年代以来，中科院高能物理研究所借助北京正负电子对撞机，获得了多项重大成果，居于国际领先水平，成为世界领先的高能物理研究中心之一。同时还“一机两用”，成为我国众多学科的同步辐射大型公共实验平台。 /p p 　　上海光源一期虽然只有7条光束线站，但是自2009年建成后需求极大，去年已有近400家单位、1万多人成为用户，线站供不应求，取得了众多有价值、有影响力的科研成果。从地域分布上看，上海光源的用户几乎覆盖我国所有省区市，还有10多个国家和地区的科研人员以合作形式来到这里，开展研究工作。 /p p 　　有这些“神兵利器”加持，我国的科研水平迅速提升，取得的成果日益丰富。 /p p 　　世界最大单口径、最灵敏的500米口径球面射电望远镜(FAST)落成启用，大幅提升我国深空测控能力。上海超强超短激光实验装置达到国际最高激光脉冲峰值功率，合肥稳态强磁场装置实现了40万高斯稳态强磁场，全超导托卡马克装置(EAST)创造聚变等离子体稳态高约束模大于60秒的世界纪录，大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡并精确测量其振荡几率。 /p p 　　除了大科学装置结出的累累硕果外，反观大科学装置的存在本身，已经远远超出一件新“神器”的意义。因为它们本身就集成了许多科学前沿领域的重大原创突破，凝聚了各个方面的创新驱动力，培育了一批科研后备力量。它们更多在发挥着“科技航母”的关键作用，直接促进了大批原始创新成果、核心关键技术的产生。 /p p 　　当承建单位研发出符合FAST要求的新钢索时，申请了12项专利 上海光源不仅推动生命科学、材料科学、环境科学等多学科领域科技创新，还对现代高性能加速器、高精密机械加工、X射线光学等先进技术和相关产业升级起到了重要作用 不少过去参与北京正负电子对撞机建造的厂家现在已经成长为领军企业，他们都谈到，当年对撞机的建造对于企业自身生产工艺带来很大提升。 /p p 　　每建设一项大科学装置，对我国工业基础就是一次严峻的考验。在高标准的技术要求筛选下，大科学工程建设培养和汇聚了一批国内最牛的施工单位和高技术企业，它们边“追赶”边“补课”，创造了一个又一个“中国制造”的奇迹。 /p p 　　 strong 面向未来抢占科技制高点 /strong /p p 　　从2011年9月到2015年6月，经过3年多巡天，LAMOST共观测了2669个天区，对外释放了约570万条光谱数据，成功获取高质量恒星光谱462万个，比世界上所有已知光谱巡天项目获取的数据总数还要多，让我国占据了学术的高地。 /p p 　　当LAMOST在探望苍穹之时，一艘名叫“科学”号的海洋科学综合考察船桅杆高立，威武浩荡地驶向大海。目前，借助“科学”号，科学家已经成功开展了西太平洋冲绳海槽热液、南海冷泉、主流系、马努斯海盆和雅浦海山等航次综合调查，获得了大量珍贵的海洋资料。 /p p 　　不同领域的先进科技装备使我国走向自主创新高地，抢占科学前沿阵地。这些集“颜值”与“实力”于一体的大科学装置，代表着各种大型复杂科学的研究系统，为科学家探索未知世界、发现自然规律及实现技术变革提供极限研究手段，也是经济社会发展不可或缺的技术基础设施。它们推动了我国粒子物理、核物理、生命科学等领域的科研水平进入国际先进行列。通过发挥大科学装置的最大能量，让我国在国际合作与竞争中更具话语权，更好地参与国际前沿科技的竞争。 /p p 　　如何帮助人们远离越来越频繁发生的灾难?在煤炭、石油等资源枯竭后，人类将依靠什么能源继续生存下去?怎样保持这颗美丽星球的生物多样性?这一系列未知的难题，大科学装置正在一一破解。 /p p 　　EAST，是我国自行设计建设的世界首个“全超导托卡马克”核聚变实验装置，被誉为“人造太阳”。据中科院合肥分院等离子物理研究所助理研究员鄢容介绍，依靠环形磁场作为“容器”，聚变原料实现可控的核聚变反应，获得大量能量，进而得到清洁能源。“核聚变的原料从海水中提取，非常安全，一升海水可以提取33克原料，相当于300升石油释放的能量。海水里的核聚变原料非常丰富，可以供人类使用上亿年。”鄢容说。 /p p 　　不仅未来可期，当前人类已经在大科学装置的建设中受益。如今，一种新的治疗癌症的方法诞生，它利用高速的重离子束对病变组织进行治疗。重离子治疗癌症是当代世界上公认的先进有效的放疗方法，与传统的放射治疗相比，重离子束对健康组织辐射损伤轻、疗程短、治愈率高。而重离子治疗技术的开展，正是依托于一个属于“大科学装置”的机器——重离子加速器。 /p p 　　这批重大科技基础设施，不光是高高在上的科研利器，它还解决了一批关乎国计民生和国家安全的重大科技问题，在载人航天、资源勘探、防灾减灾等方面也发挥着不可替代的作用。可以说，大科学装置正在加速改变我们的现在和未来。 /p p br/ /p

11月28日一大早，中科院高能物理研究所（以下简称高能所）研究员李晓就走进了中国散裂中子源的办公室，开始了新一天的工作。李晓2005年进入高能所攻读研究生，2010年博士毕业留所工作。2014年初，他来到东莞松山湖，参与到中国散裂中子源的建设中，见证着这个“大国重器”的建设和运行。目前，中国散裂中子源一年开放机时超过5000小时，运行效率达到97%；自2018年对外开放以来，已完成8轮用户实验共800多项课题。通过聚焦“四个面向”，中国散裂中子源有力地支撑了我国的科技前沿研究和基础研究，为实现高水平科技自立自强作出了贡献。设备国产化率超过90%散裂中子源就像“超级显微镜”，是研究物质微观结构的理想探针，能够为我国材料科学、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等领域提供技术先进、功能强大的科研平台。我国早在本世纪初就开始谋划建设散裂中子源，并于2011年在东莞开工建设。李晓目前在高能所东莞研究部加速器技术部工作，研究领域是“粒子加速器”的高频技术。“粒子加速器”是利用电磁场将带电粒子加速至高能量的装置，对中国散裂中子源意义重大。走别人没有走过的路，自然会遇到不少“拦路虎”。遇到瓶颈之时，李晓和团队都会想到中国散裂中子源建设中的一些人和事——70多岁的中科院院士陈和生为推进中国散裂中子源建设，长期在北京和东莞两地奔波。面对技术封锁，陈和生掷地有声——“回国自己干”“国家急需这样的大科学装置，我们不管怎么辛苦，都要坚持”。散裂中子源科学中心主任陈延伟在东莞一扎就是16年，把最美好的青春年华奉献给了科技事业……中国散裂中子源历经多年的设计与预制研究，在工程建设尤其是关键技术攻关中，凝聚了几代科学家的心血和汗水。2018年，中国散裂中子源完成验收，成为我国首台、世界第4台脉冲式散裂中子源，设备国产化率超过90%，一举填补了我国在脉冲中子应用领域的空白。谱仪数量将增加到20台新起点，再出发。中国散裂中子源正在准备升级工程，未来的谱仪数量将增加到20台，覆盖广大用户各方面的研究领域，加速器打靶和靶站功率将从100千瓦提升到500千瓦，设备研究能力大幅度提升。近日，国内首台高功率高梯度磁合金加载腔在中国散裂中子源正式投入运行。高功率高梯度磁合金加载腔是中国散裂中子源二期工程中必须突破的关键技术。李晓团队经过近10年预研，从基础材料和基本工艺着手，在国产高功率高梯度磁合金加载腔的研制上取得重大成果，其中磁环最关键的技术指标，比目前国际上公开报道的最高性能指标提高约30%。“作为年轻的科技工作者，要发挥自己的主观能动性，要敢于挑战这个世界最前沿或是最先进的技术，同时要把自己的视野打开，更多地参与到国际最前沿的竞争里面去。”李晓说。目前，中国散裂中子源拥有一支500多人的科研和工程团队，平均年龄不到37岁，许多青年科研人员已担任系统负责人。党的二十大报告指出，以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。陈延伟说：“党的二十大报告赋予了科技工作者新的历史使命，我们将强化科技自立自强的行动自觉，久久为功，扎根基础研究和应用基础研究，为全面建成社会主义现代化强国贡献力量。”