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助建科技创新高地的大国重器(开卷知新)
当前,新一轮科技革命浪潮奔涌,充满机遇和挑战。“工欲善其事,必先利其器”。被称为“大科学装置”的国家重大科技基础设施,正是推动重大科技创新的利器。“中国天眼”、中国散裂中子源、东方超环、上海光源等设施,已然成为人们熟知的科技“明星”、国之重器。
国家重大科技基础设施起源于上世纪40年代,虽然历史不长,却为人类科技创新做出突出贡献。我国国家重大科技基础设施萌芽于“两弹一星”时期,改革开放后,北京正负电子对撞机作为重要里程碑,标志着国家重大科技基础设施进入成长期。上世纪90年代以后,在科教兴国战略指导下,有关部门立项支持了一批设施的启动建设。党的十八大以来,在相关规划指导下,国家重大科技基础设施在范围、数量和质量上实现新的跃升,迎来快速发展时期。
创造极限研究条件,让科学探索和科技创新走得更远
国家重大科技基础设施,是指为提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力,由国家统筹布局,依托高水平创新主体建设,面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统,是为高水平研究活动提供长期运行服务、具有较大国际影响力的国家公共设施。为什么要有国家重大科技基础设施?这要回到科学探索的规律上来,国家重大科技基础设施就像开启未知领域的钥匙,可以创造更高能量、更大密度、更高强度等极限研究条件,帮助科研人员完成相关实验,获得新发现。比如望远镜虽比较常见,但为揭示宇宙深处的奥秘,望远镜越做越大、越做越复杂,举全国之力统筹布局的大型望远镜成为国家重大科技基础设施。为探索微观世界规律,人们发明了粒子加速器,它基于同步辐射光源、散裂中子源,成为洞察复杂微观世界的超级显微镜,也是国家重大科技基础设施。
按照用途,国家重大科技基础设施分为三类:专用设施、公用设施和公益设施。
专用设施为实现特定学科领域重大科技目标而建,瞄准国际前沿,用途明确具体,用户群体固定。依托专用设施,科研工作者可以在前沿方向上实现突破。比如中微子实验站。中微子是连接微观世界与宏观宇宙的奇妙粒子,在自然界极难被捕捉到。其基本参数的变化会影响整个物质世界大厦的构成,中微子混合角θ13就是这样一个参数。已经完成使命的大亚湾中微子实验站位于山洞内,实验大厅利用岩石屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰,中微子探测器静静“坐”在深蓝色的超纯水水池中,睁大“眼睛”紧紧盯着来自核反应堆的中微子。2012年,大亚湾中微子实验站发现第三种中微子振荡模式,并精确测量到正比于θ13角正弦平方的振荡概率。这是中微子物理的里程碑式发现,入选《科学》杂志2012年度十大科学突破。位于广东江门的下一代中微子实验站正在建造,它将利用两万吨重的液体闪烁探测器,精确测量反应堆中微子的能谱,以推断中微子的质量顺序,这是国际科技竞争的热点。类似的专用设施,还有研究磁约束下高温聚变等离子体的东方超环、在射电波段研究天体结构与宇宙起源和演化的“中国天眼”、研究高能宇宙线起源及相关宇宙演化的高海拔宇宙线观测站等等。
公用设施支撑众多领域科学研究。公用设施为不特定领域的大量用户提供实验平台和测试手段,满足用户需求,服务全面完整。中国散裂中子源、上海光源、强磁场实验装置等都属于公用设施。位于广东东莞的中国散裂中子源,有力推动我国材料科学、能源科学领域取得进展。中子不带电,穿透能力强,是给金属材料做“胸透”的理想工具,了解发动机叶片材料,就需要这样的工具。利用这一设施,科研人员可以给不同生产工艺的各种发动机叶片做“胸透”,并模拟不同服役条件,获得其内部应力数据,为国产叶片的材料设计与制造工艺提供重要依据。上海光源则属于中能同步辐射光源,它的建成标志我国进入了世界先进同步辐射光源“俱乐部”。依托上海光源,我国在物理学、化学、生命科学、材料科学甚至考古学等众多领域取得一系列成果:成功发现凝聚态物质中的“幽灵粒子”——外尔费米子、解析出人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构、助力抗癌新药研发……作为设施后续,上海光源线站工程即将完工,上海张江的硬X射线自由电子激光装置、北京怀柔的高能同步辐射光源正在建设。
公益设施主要为经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据、种质资源和信息服务等。中国遥感卫星地面站、长短波授时系统、中国西南野生生物种质资源库就是这类设施。中国遥感卫星地面站经过不断扩建,在北京、新疆等地建有卫星接收站,具有覆盖我国全部领土和亚洲70%陆地区域的卫星数据实时接收能力。它提供的卫星资料广泛应用于土地、林业、农业、水利等部门的资源调查、环境监测、地质勘探、测绘、城市规划、水火虫灾害监测评估。地震、洪灾、泥石流发生后,管理部门通过灾前和灾后的遥感数据对比,评估灾害程度、制定救灾方案。近几年,中国遥感卫星地面站还成功实现了“悟空”“墨子”“慧眼”等卫星的数据接收,保障了空间科学卫星高水平成果产出。
打造科技领域新基建,助力实现高水平科技自立自强
随着我国科技强国建设脚步不断加快,国家重大科技基础设施的布局建设被纳入新基建范畴。越来越多设施面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,成为科技领域不可或缺的力量。
面向世界科技前沿,国家重大科技基础设施发挥着策源地作用。基础研究是整个科学体系的源头,不少设施为此立下汗马功劳。高海拔宇宙线观测站记录到人类观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,打开了超高能伽马天文学的新窗口。面对快速射电暴起源这一天体物理领域前沿问题,我国科研工作者利用“慧眼”卫星精准定位了快速射电暴对应的X射线天体,还利用“中国天眼”第一次捕捉到了快速射电暴多样化的偏振信息,揭示其来源和辐射机制。东方超环实现了1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置高温等离子体运行的最长时间。该装置取得的系列创新成果,为自主建造聚变工程实验堆提供了重要的实验基础。
面向经济主战场和人民生命健康,国家重大科技基础设施是高新技术产业发展的新引擎。比如医疗领域,重离子研究设施一展身手。重离子进入人体后,有一个奇妙功能——按照重离子的能量停留在某一深度。科研工作者设想利用这一特性,可以杀死体内癌细胞而对正常细胞几乎没有伤害。中科院近代物理所依托重离子研究设施,经过多年努力,实现了我国癌症治疗专用重离子加速器——碳离子治疗系统的商业应用,打破了我国高端放疗市场被国外产品垄断的局面,成为我国在大型医疗设备方面的重要突破。
面向国家重大需求,国家重大科技基础设施搭建起解决需求的重要平台。比如在抗击新冠肺炎疫情过程中,武汉国家生物安全实验室首次检测出新冠病毒全基因组序列,首次分离出病毒毒株,为全球科学家开展药物、疫苗、诊断研究提供了重要基础。
国家重大科技基础设施形态多样、功能不同,但都各显神通,成为重要科技资源。在北京怀柔、上海张江、安徽合肥、粤港澳大湾区等综合性国家科学中心,设施建设使用如火如荼,各领域科研工作者正用这些利器打造创新高地,为建设科技强国只争朝夕,为实现高水平科技自立自强不懈努力。

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