2.7 大科学工程

2.7.1 概述

科学技术是第一生产力，纵观人类历史，科学技术的每次重大突破都带来生产方式的重大变革，从而推动经济增长甚至影响到社会的变革。蒸汽机的出现引发了工业革命，相对论改变了人类的时空观念，计算机和通信技术加速了工业经济向信息经济的转变。科学技术的研究和探索过程需要相应的设施、设备和工具来进行实验或验证，而这些设施、设备和工具的建造活动就是科学工程，当然科学技术的研究和探索活动本身也属于科学工程。

所谓大科学工程，就是为了进行基础性和前沿性科学研究，大规模集中人、财、物等各种资源建造大型研究设施，或者多学科、多机构协作的科学研究项目。大科学工程是科学技术高度发展的综合体现，是一个国家科技和经济实力的重要标志。

2.7.2 分类

根据交付物的不同，我们可以将大科学工程分为两类。

1.需要巨额投资建造、运行和维护的大型研究设备或设施

其中包括预研、设计、建设、运行、维护等一系列研究开发活动。其交付物是设备或设施等实物。如国际空间站计划、欧洲核子研究中心的大型强子对撞机计划（LHC）、Cassini卫星探测计划、Gemini望远镜计划等，这些大型设备和设施是许多学科领域开展创新研究不可缺少的技术和手段支撑。

2.需要跨学科合作的大规模、大尺度的前沿性科学研究项目

通常是围绕一个总体研究目标，由众多科学家有组织、有分工、有协作、相对分散地开展研究。其交付物为知识或技术等信息。如人类基因图谱研究、全球变化研究等即属于这类“分布式”的大科学研究。

2.7.3 我国的大科学工程

1.上海光源（简称SSRF）工程

SSRF位于上海市张江高科技园区，总投资为12亿元，建设周期52个月，2009年投入使用。它是中国科学院和上海市人民政府联合申请的国家重大科学工程建设项目，由中国科学院上海应用物理研究所承建。该工程建设内容包括一台能量为150MeV的电子直线加速器，一台周长为180m、能量为3.5GeV的增强器，一台周长为432m、能量为3.5GeV的电子储存环，首批建设的7条同步辐射光束线和实验站，公用设施以及主体建筑和辅助建筑。

上海光源是世界上同能区正在建造或设计中性能指标最先进的第三代同步辐射光源之一，是综合性的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值。它具有建设60多条光束线的能力，可以同时向上百个实验站提供从红外光到硬X射线的各种同步辐射光，具有波长范围宽、高强度、高耀度、高准直性、高偏振与准相干性、可准确计算、高稳定性等一系列比其他人工光源更优异的特性，可用以从事生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等多学科的前沿基础研究，以及微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断和微加工等高技术的开发应用的实验研究。

2.大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜（简称LAMOST）工程

LAMOST是由中国科学院国家天文台承担的国家重大科学工程项目，于2001年9月正式开工，于2008年10月落成，总投资2.35亿元。LAMOST是我国自主设计和研制的大型光谱巡天望远镜，座落在中国科学院国家天文台兴隆观测站，作为国家设备向天文界开放。

LAMOST是一台横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。它由在北端的反射施密特改正板MA、在南端的球面主镜MB和在中间的焦面构成。球面主镜及焦面固定在地基上，反射施密特改正板作为定天镜跟踪天体的运动，望远镜在天体经过中天前后时进行观测。天体的光经MA反射到MB，再经MB反射后成像在焦面上。焦面上放置的光纤，将天体的光分别传输到光谱仪的狭缝上，通过光谱仪分光后由CCD探测器同时获得大量天体的光谱。

通过巧妙的构思和设计，解决了大视场的施密特望远镜透射改正板很难做大、大口径反射望远镜视场较小的问题，使LAMOST成为大口径兼大视场光学望远镜的世界之最。由于它的4m口径，在1.5h曝光时间内以1nm的光谱分辨率可以观测到20.5等的暗弱天体的光谱；由于它相应于5度视场的1.75m焦面上可以放置数千根光纤，连接到多台光谱仪上，同时获得4000个天体的光谱，成为世界上光谱获取率最高的望远镜。

光学光谱包含着遥远天体丰富的物理信息，大量天体光学光谱的获取是涉及天文和天体物理学诸多前沿问题的大视场、大样本天文学研究的关键。但是，迄今由成像巡天记录下来的数以百亿计的各类天体中，只有很小的一部分（约万分之一）进行过光谱观测。LAMOST作为天体光谱获取率最高的望远镜，将突破天文研究中光谱观测的这一“瓶颈”，成为最具威力的光谱巡天望远镜，是进行大视场、大样本天文学研究的有力工具。

LAMOST对上千万个星系、类星体等河外天体的光谱巡天，将在河外天体物理和宇宙学的研究上，诸如星系、类星体和宇宙大尺度结构等的研究上做出重大贡献。对大量恒星等河内天体的光谱巡天将在河内天体物理和银河系的研究上，诸如恒星、星族和银河系的结构、运动学及化学等的研究上做出重大贡献。结合红外、射电、X射线、γ射线巡天的大量天体的光谱观测将在各类天体多波段交叉证认上做出重大贡献。

3.北京正负电子对撞机重大改造工程（简称BEPCⅡ）

BEPCⅡ是在北京正负电子对撞机（简称BEPC，1988年建成）基础上进行的重大技术改造项目。BEPCⅡ总投资6.4亿元，历时5年，于2009年完成。

北京电子正负对撞机从工作原理上与欧洲大型强子对撞机（LHC）类似，但前者对撞的是正负电子，而后者用的是质子。目前，科学家们认为，构成物质世界的最基本单元是夸克和轻子。北京正负电子对撞机的主要研究对象就是夸克、轻子家族中的两个成员——c夸克和τ轻子。

改造工程最初计划采用单环方案，使用麻花轨道实现多束团对撞，亮度提高一个数量级左右。但是，国际上在该领域的竞争很激烈。中国科学家为了取得领先地位，提出了新的改造方案：采用最先进的双环交叉对撞技术改造对撞机，设计对撞亮度比原来的对撞机高30～100倍。另外科研人员还在参考国际先进的双环方案的基础上，根据“一机两用”的设计原则，巧妙利用外环提供同步辐射光，并将硬X光的强度提高了10倍，满足广大同步辐射用户的需求。

BEPC II挑战了加速器建设和调试的难度极限。BEPC隧道周长短、空间小、对撞区短，BEPC II建设难度极大。国际上成功的双环电子对撞机的周长一般在2千米以上，而BEPC储存环的周长短，只有240m。隧道原来是给单环设计的，空间狭小，现在要在隧道内给正负电子束流各做一个储存环，设备十分拥挤。国外成功的双环对撞机是在80m距离内实现正负电子对撞再分开，我们的对撞区非常短，必须在28m内实现。

BEPC II多项先进技术为首次应用。例如加速器建造中的横向反馈系统、超导高频系统、超导磁铁、全环轨道慢反馈、束团流强检测控制，探测器建造中的高分辨率晶体量能器、小单元氦基气体漂移室、大型螺线管超导磁体、无油阻性板室（RPC）等等。

BEPC II的调束达到国际先进水平。BEPC II创造性地采用“内外桥”联接两个正负电子外半环形成同步辐射环和大交叉角正负电子双环的“三环方案”，实现了“一机两用”，并保持原有光束线出口基本不变，最大限度地利用BEPC原有的设施。在1.89 GeV能量下，BEPC II的对撞亮度达到3.3×1032cm-2s-1，是改造前BEPC亮度的33倍，超过美国同类设施的4倍。探测器采用了一系列先进设计、技术和工艺，总体和各系统的性能全面达到设计要求，主要技术指标达到了同类装置的国际先进水平。BEPC II的调束达到国际先进水平，以国际一流的速度实现了同步辐射高质量开放运行和高能物理高亮度取数。BEPC II用40天的时间获取了1.12亿ψ（2S）事例，超过此前世界上数据量最大的CESRc的4倍。

BEPC II以十分有限的投资，按进度、按指标、按预算、高质量地完成了各项建设任务，成为国际同类装置建设的一个范例。

2.7.4 国际大科学工程

1.高能物理实验研究

高能物理是研究物质的最小组元构成及其相互作用规律的最前沿学科，并在宇宙的起源和进化、天体的形成和演化的研究中起着重要的作用。高能物理实验是国际上基础科学研究的最前沿和知识创新的热点。

（1）高能物理研究的国际合作

高能物理实验，包括基于加速器的物理实验和非基于加速器的物理实验。基于加速器的物理实验主要依托大型加速器和大型探测器。非基于加速器的物理实验主要以寻找稀有事例为研究目标，因此使用的探测器规模也非常巨大。因此，粒子物理实验装置是典型的大科学装置。粒子物理实验装置对资金，技术和人力的需求往往超过了世界上任何一个国家的能力，因此，国际合作是世界各国发展粒子物理实验研究的基本方式。

欧洲核子研究中心是体现这种国际合作的典型范例。欧洲核子研究中心（CERN）位于瑞士日内瓦，跨越法国和瑞士两国，目前有26个成员国，来自包括中国在内的世界80多个国家的6000多名物理学家曾在此工作过，目前世界上的高能物理实验约有一半是在CERN完成的。

目前CERN正在建造世界上能量最高的大型强子对撞机LHC。LHC利用最先进的超导磁铁和加速器技术，以获得高能量和高性能束流。该对撞机主要用于开展模拟宇宙大爆炸的实验。LHC上的四个对撞点分别装有探测器CMS、ATLAS、ALICE和LHCb。仅参加CMS合作的就有30个国家，144个研究组，1700多人；参加ATLAS合作的有33个国家，150个研究组，1700多人。

跟LHC一样，目前世界上正在计划建造的高能物理实验装置也都准备以国际合作的方式来进行，如正负电子直线对撞机、TeV的m子对撞机等。

（2）中国高能物理研究的国际合作

中国高能物理实验研究是在与国际高能物理界的密切合作中发展起来的。北京正负电子对撞机的建造得益于国际上许多优秀加速器和探测器专家的参与。近十年来，来自美国、日本、英国、韩国等国的科学家参加了北京谱仪的“τ粲物理研究”的合作研究，取得了许多重大成果，包括两项国家自然科学二等奖：τ质量精确测量和y衰变性质、2～5GeV强子R值精确测量等。

中国的科学技术人员也参加了LHC的国际合作。根据合作协议，以高能所为牵头单位的两个中方组正式参加CMS合作组和ATLAS合作组，分别承担了部分探测器的研制，并参加了LHC实验数据分析。

中国科学家还参与了建造阿尔法磁谱仪（AMS）的国际合作。AMS是丁肇中教授领导的大型国际合作科学实验的新型探测器，这是人类历史上第一台送入太空的磁谱仪，将在宇宙空间对带电粒子进行直接观测。其科学目标是寻找宇宙中的反物质和暗物质，并精确测量同位素的丰度和高能γ光子。1995年中国科学院电工研究所、高能物理研究所和中国运载火箭技术研究院承担此项目中大型永磁体系统的设计、研制、测试和空间环境模拟实验。1998年6月2日-12日，阿尔法磁谱仪搭载美国“发现号”航天飞机成功地进行了首次飞行，取得了许多重大物理成果。阿尔法磁谱仪二期工程中高能所参加了电磁量能器的研制，电工所参加了超导磁体的研制。改进后的阿尔法磁谱仪于2005年送到国际空间站运行。

世界屋脊上的西藏羊八井国际宇宙线观测站的建设是以我国为主的高层次的国际合作。西藏羊八井具有得天独厚的地理条件，是开展宇宙线观测的理想场所。1988年起高能物理所与日本东京大学宇宙线研究所等单位合作建造了广延大气簇射阵列，取得了许多重要成果。1999年中国与意大利国家核科学院进行大规模合作，开展羊八井-ARGO实验，中方投入3400万人民币，意方投入450万美元。该实验是在海拔4300m的西藏羊八井建造10000平米阻性板室（RPC）全覆盖式“地毯”阵列，以实现对宇宙线大气簇射的低阈能、高灵敏度和高精度观测，从而以全天候、宽视场的阵列技术统一覆盖10GeV～100TeV的宽广能区，开展多项宇宙线和天体粒子物理前沿课题研究。

2.天文学大科学装置

由于大型天文科学装置的日趋庞大，建造成本高到一个国家的科学团体乃至少数国家的投入都难以实现。因此，国际合作建造大型天文科学装置并且联合运行和共享这些装置成为二十世纪后期开始出现的国际趋势。例如，九十年代开始，我国天文口以上海和乌鲁木齐两个25m望远镜参加了国际甚长基线（VLBI），在测地应用基础研究和天体物理前沿研究方面做出了重要贡献。

进入二十一世纪，天文学重大装置的国际化更成为一种整体趋势。国际化的大观测设备，例如大射电望远镜（LT）、国际毫米波与亚毫米波阵（ALMA）等超级设备的建造被称为射电天文的“联合国”。这些设备技术要素之复杂，造价之昂贵需要国家间的联合。在昂贵的空间探测卫星的发射中，中国天文学家已经成为国际LT工作组的核心成员之一，提出了LT中国解决方案——五百米口径望远镜（FAST），完成了科技部下达的预研工作。在此过程中，发明了主动镜面技术，解决了项目可能遇到的关键技术难题。国际毫米波与亚毫米波阵（ALMA）包括45台10～12m口径的亚毫米波天线组成的干涉阵，将放置在海拔4500m的南美国际基地。国际主要天文研究国家均有意愿参加该装置的建设工程。项目建设在“十五”期间完成一期工程项目。2002年国家天文台与日本国立天文台签订协议，双方共同努力寻求加入该项目。

3.受控热核聚变装置

作为一种清洁、安全、无限的理想新能源，受控热核聚变被许多国家视为解决长期替代能源问题的上佳和现实的途径，托克马克装置是发展这一战略高技术必不可少的平台。托卡马克装置的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。由于托克马克装置的建造和受控热核聚变研究需要的投入特别巨大，各国在开展这一研究的过程中认识到这一技术的最终实现必须走国际合作的道路。

1985年，在美、苏首脑的倡议和国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）的赞同下，一项重大国际科技合作计划——“国际热核试验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）”得以确立，其目标是要建造一个可自持燃烧的托卡马克聚变实验堆。它是将受控热核聚变走向实用化和商业化的重大步骤。1988年开始实验堆的研究设计工作。经过十三年努力，耗资十五亿美元，在集成世界聚变研究主要成果基础上，ITER工程设计于2001年完成。此后经过五年谈判，ITER计划七方（欧盟、中国、韩国、俄罗斯、日本、印度和美国）2006年正式签署联合实施协定，启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。

作为聚变能实验堆，ITER要把上亿度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的“磁笼”中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。50万千瓦热功率已经相当于一个小型热电站的水平。这将是人类第一次在地球上获得持续的、有大量核聚变反应的高温等离子体，产生接近电站规模的受控聚变能。

ITER开展的研究工作将揭示这种带有氘氚核聚变反应的高温等离子体的特性，探索它的约束、加热和能量损失机制，等离子体边界的行为以及最佳的控制条件，从而为今后建设商用的核聚变反应堆奠定坚实的科学基础。对ITER装置工程整体及各部件在50万千瓦聚变功率长时间持续过程中产生的变化及可能出现问题的研究，不仅将验证受控热核聚变能的工程可行性，而且还将对今后如何设计和建造聚变反应堆提供必不可少的信息。

ITER的建设、运行和实验研究是人类发展聚变能的必要一步，有可能直接决定真正聚变示范电站的设计和建设，并进而促进商用聚变电站的更快实现。

ITER装置不仅反映了国际聚变能研究的最新成果，而且综合了当今世界各领域的一些顶尖技术，如：大型超导磁体技术，中能高流强加速器技术，连续、大功率毫米波技术，复杂的远程控制技术，等等。