科学基金资助仪器类项目的情况与展望-2013国自然

汲培文数理科学部 2013年11月 北海,科学基金资助仪器类项目的情况与展望,国家自然科学基金委员会,科学基金资助仪器类项目的基本定位科学基金资助仪器类项目的类别与侧重思考与建议项目分析,报告内容,一、科学基金资助仪器类项目的基本定位,资助围绕科研活动的所需仪器的研制、提升与发展 研制：适应科研需求，研制特需（创新）仪器 提升：改善、拓展已有仪器性能，包括诊断设 备、后端设备的研制等 发展：新一代装置的预研、特别是概念性和关键技术的预研,项目系列: 重大项目、重点项目、重大国际合作项目、面上项目联合基金专项基金-仪器专项,二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重,重大项目： 着重体现技术方法的发展，对提升我国自主发展仪器设备有重要支撑意义； 学部咨询委员会讨论、推荐立项，强度2000万元左右，目前一年数理学部共资助3项左右，主要以科学研究为主要资助方向,二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重,重点项目：以学科发布指南为引导、强度300-400万元；由学科评审组审议重大国际合作项目：自由申请重大国际合作项目：指南引导（范围较宽），多为科学目标引导下的实验技术方法的改进、小型实验装置的研制；学部组织评审，强度300万元左右；协议框架内重大国际合作项目：由双边协议内容确定,二、科学基金资助仪器类项目的类别与侧重,面上项目,提出了新的技术方法、思路的尝试（为基金委仪器类项目和重大专项仪器项目的研制奠定基础，酝酿思想或框架）； 对某些原理的验证与实验； 测试、诊断技术方法的发展； 基于已有仪器设备性能的拓展与提升； 现有的技术应用到其他领域； 薄弱而亟待发展的技术和方法（譬如探测器、电子学等等）。,学部指南倾斜，学科评审会审议； 强度80-180万元, 联合基金,大科学装置联合基金天文联合基金,基于平台装置的研究工作，重点支持物质科学、信息科学、生命科学、材料科学、环境科学等领域的多学科和学科交叉前沿问题的研究，开拓新的研究方向；基于专用装置的研究工作，譬如北京谱仪的高能物理研究、兰州重离子加速器冷却储存环装置的核物理研究等；提升大科学装置研究能力的实验技术、方法及小型专用仪器发展研究和关键技术研究。,主要资助方向,大科学装置联合基金,面上项目主要资助：光束线的新原理、新技术和方法学研究；粒子加速器和粒子探测器的关键技术、方法和设备的研究。 重点项目主要资助：粒子加速器和探测器以及光束线站的技术、原理和方法学研究。,资助与仪器相关的内容,主要资助方向与内容,中国科学院天文台系统以外科研机构和高等院校的科研人员利用中国科学院天文台系统所属的光学、射电、红外等天文观测设备和数据资料开展的宇宙学、星系、恒星、太阳和太阳系以及基础天文等领域的观测和理论研究（中国科学院天文台系统研究人员不能作为申请人申请此方面内容，但可以作为主要参与者参与申请）； 空间天文探测技术研究，包括空间天文探测新技术新方法的研究和天文卫星关键技术的前期预先研究等； 与天文探测相关的高能、紫外、光学、红外和射电技术方法，包括微弱光电子信号探测、存储和传输技术，与天文望远镜相关的高能、光学、红外和无线电技术，自动控制技术和机械等；,天文联合基金,主要资助方向与内容,海量天文数据存储、计算、共享及虚拟天文台技术；基础天文学方法及其在满足国家战略需求应用中产生的关键科学问题；围绕在建或拟建大型天文观测设备的前沿科学问题而开展的分析研究，为设备的研制、测试和运行提供科学指导。具体包括：前沿科学问题和科学目标的选取和论证；观测模式和策略的选取、优化以及具体观测对象的遴选；观测数据的处理和信息提取，误差的分析和控制；观测实验模拟和理论模型的建立等, 专项基金,科学仪器基础研究专项 重大仪器专项：自由申请、部门推荐,1998年起科学仪器基础研究纳入科学基金资助范围，主要用以资助基础科学的前沿研究所急需的创新性科学仪器的研制或改进。 资助范围对前沿学科发展有重要推动作用的关键科学仪器和部件的研制。为验证新原理、新方法的科学仪器和部件的研制。量大面广，具有广泛应用背景的新颖科学仪器和部件的研制。,1.科学仪器基础研究专项,方式与特点,根据我国当前技术研究的基础和优势，结合学科的特点确定鼓励研究领域。重点支持已有前期工作基础的创新性科学仪器的研究。由科学部组织并推荐已有较好研究基础的研究队伍申请。计划局组织会评全委领域间的竞争资助强度300万元左右。,1998-2012经费投入情况,资助经费示意图,资助经费总额为59453万元,单位：万元,资助项目研究领域分布情况,2013年度科学仪器基础研究专款申请与资助情况（单位：万元）,定位,面向科研、推动原始创新体现科研需求的工具研制即科研需求导向的科研工具的研制,对于促进科学发展、开拓研究领域具有重要作用的原创性科研仪器设备的研制；通过关键核心技术突破或集成创新，用于发现新现象、揭示新规律、验证新原理、获取新数据的科研仪器设备的研制。,资助范围,2.重大仪器专项, 自由申请重大仪器项目 经费在1000万元左右,自由申请科学部组织通讯评审计划局组织会议评审委务会审批,项目程序,2012年重大仪器自由申请资助项目,2012年重大仪器自由申请资助项目,2013年度重大仪器自由申请项目申请与资助情况, 部门推荐重大仪器项目,部门限额推荐项目申请同行通讯评议学部咨询委员会评审（2/3）专家委员会评审（2/3） 现场考察（不涉及经费预算） 经费预算评审（以科技专家为主）专家委员会最终评审(2/3)委务会审批,评审程序,2011年度国家重大科研仪器设备研制专项资助项目,2012年度重大仪器专项资助项目情况,2013年度重大仪器专项资助项目情况,物理II领域的特点大科学：科学目标宏伟、意义重大，涉及人类对自然的基本认识问题，由众多科学家共同提出、酝酿、凝练；大装置：规模大、技术先进、结构发展、单元多，涉及到材料、机械、电子学、计算机等领域；大投入：经费投入多，一般为几亿元、几十亿元，甚至上百亿元人民币；大团队：需要大量的科学、技术专家和工程师参与,三、有关思考与建议,北京正负电子对撞机和北京谱仪，主要开展轻子和粲粒子物理的研究，在 轻子质量精确测量、R值测量、发现多个新共振态等做出了许多国际上有显示度的工作。,科学目标的确定： 科学目标要具体、特色鲜明、体现学术思想的创新仪器特色的提炼： 仪器要自成体系、规模适中、关键技术明确，难点、创新点突出；或属独创，或为现有设备的拓展、特色鲜明、指标先进研究基础的表述 有积累、有所需主要技术人才、储备了一定的关键技术、掌握了解决难点的方法,思考的问题,中等规模的大科学装置的科学目标、关键技术、前沿技术研究（300010000万元），高能物理、粒子物理、等离子体物理领域意义重大、探索性强、风险大、周期长、经费多的项目的培育与支持科学研究支撑中的基础性研究工作（技术的固化与数据的积累等）大规模物理实验研究中的硬软件及其更换重大的国际合作中的实验类（仪器设备）项目,思考的问题,四、项目分析-侧重学科领域外竞争的项目,科学目标的凝练：能用于研究、回答目前尚未认识的科学问题，问题明确、意义重要；或拟研究发展的技术方法属对该领域实验装置发展的支撑作用显著；或为我国科研急需发展和掌握的关键技术 仪器设备整体结构、性能的表述：仪器整体性能优越，或为独创，或为现有设备的拓展、但特色鲜明、指标先进 技术创新的描述：技术创新点突出，主要部分体现提升自主创新能力的提升,重大项目,1.中微子高性能探测器关键技术与方法研究 强度1000万元 大亚湾核电站具有独特的条件，是世界上进行此项实验的最佳地点。两个近点与一个远点探测器之间用隧道连接，共3000米由科技部、中科院、基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同支持。二期继续给予资助,四、项目分析-侧重学科领域外竞争的项目,项目特征：科学目标明确、仪器设计先进、需研究解决的技术、方法清晰,南极态势及中国南极天文台建站地点,Dome A,Dome C,欧洲(3202m),South Pole,美国(地理南极点)(3200m),Dome A,中国(4093m),南极天文台地理位置南纬： 80 25东经： 77 06海拔： 4087m,Dome F, 日本,Dome Vlastok, 俄罗斯,强度2000万元 实现衍射极限的大视场光学望远镜关键技术方法基于高临界温度超导器件的多频段太赫兹探测器特性研究特殊环境下光学红外与太赫兹望远镜关键组件的特性研究 项目特征： 需求明确 关键问题突出 特色鲜明 创新性强,2.南极天文观测关键技术与方法研究,实现衍射极限的大视场光学望远镜关键技术方法,【研究内容】衍射极限像质的大口径自适应光学技术及在南极实现衍射成像的方法；与南极极好视宁度条件匹配的大视场高分辨光学望远镜方案；大视场高分辨光学成像新概念的研究；南极超高分辨光干涉技术概念研究；,【创新点】全新的大视场高分辨光学望远镜系统；首次应用于南极光学红外望远镜的大口径自适应光学技术。,基于高临界温度超导器件的多频段太赫兹 探测器特性研究,【研究趋势】应用高临界温度超导隧道结实现更高频段、更宽瞬时带宽、更高灵敏度探测技术。【研究内容】具有高临界温度超导隧道结和热电子混频器在太赫兹波段的噪声机制以及各种噪声的温变特性；多频段太赫兹探测器系统中电磁波的分光、传输和耦合特性；太赫兹探测器系统关键部件的温度特性以及低温互联所致的电磁波反射、热耗散及噪声干扰等问题。【创新点】解明高临界温度超导隧道结噪声机制及温变特性；首次实现10K温区工作且接近量子极限灵敏度的太赫兹超导隧道结混频技术。,【研究内容】望远镜热分析与光学质量控制；望远镜关键构件低温特性及对高精度跟踪系统的影响；能源支撑系统的失效机理及解决方法。【创新点】首次建立极端环境下望远镜系统的热分析模型、南极环境下望远镜控制系统的分析模型；实现包含机、电、磁、热等多维参数的中国南极能源支撑系统的高可靠性优化设计。,特殊环境下光学红外与太赫兹望远镜关键组件的特性研究,重大国际合作项目,强度200-1000万元,羊八井中意合作项目 中意合作在我国西藏羊八井（海拔4300m）建造6500m2 RPC地毯式阵列，在亚甚高能区和更高能区，开展天文观测、“膝区物理”研究，寻找宇宙线源，监测太阳活动和地球空间环境变化等,特征：强强合作、以我为主、优势互补、目标明确,重点项目,重点项目 强度300-500万元,高纯锗探测器低温制冷方案研究,极低能量阈高纯锗阵列探测器直接探测暗物质实验中的物理和关键技术问题研究,600mSoudan美国,700mY2L韩国,800mCanfranc西班牙,1000mKamioka日本,1100mBoulby英国,1400mINO印度,1400mLNGS意大利,1600mBaksan俄罗斯,1500mDUSEL美国,2300m,2000mSNO加拿大,1700mModane法国,2500m中国CJPL,国际上重要地下实验室比较(单位:岩石厚度),隧道,矿井,Deep Underground Lab 极深地下实验室, 挑战：点面体 现有层析PIV系统存在的问题, 系统复杂，各部件之间的同步困难。 四个相机成像光路的调节困难。 数据处理效率较低。 商用软件功能有限。 价格高。,常见的层析PIV实验控制示意图,科学目标与科学意义：湍流是具有三维、非定常、非线性、宽频域、多尺度等特性的流动，而且在时间和空间上剧烈演化。 三维非定常流场测量技术是揭示湍流等复杂流动机理所必需的手段。,非定常三维复杂流动的单相机层析PIV测量系统研究,科学仪器基础研究专项,预期指标、关键科学问题及创新点,目标：研制结构简单的单相机层析PIV 系统系统指标（测量精度）,项目特征：目标明确，特色鲜明,自由申请重大仪器项目电磁驱动高能量密度动力学实验装置研制, 科学目标：研究强耦合场下材料及相关过程的物理机制或是降低聚变点火的条件；研究准等熵压缩下材料的动力学行为,击动力学、核武器物理和航天技术等学科的研究提供新的加载技术，大大提高学科的高水平综合实验研究能力。,装置设计的三维效果图,意义：该装置的研制成功将是我国高能量密度物理研究加载技术方面一次重要创新，为动高压物理、凝聚态物理、冲,电磁驱动高能量密度动力学实验装置研制,指标：放电峰值电流达到6MA以上、平面准等熵加载压力150GPa、驱动小尺寸固体套筒内爆速度大于10km/s 等，驱动宏观金属飞片速度达到15-20km/s；获得100km/s左右的稠密等离子体射流；300T脉冲强磁场，相关技术指标是目前国际上同类型装置水平最高的；其平面、柱面、与大型激光装置复合加载、与外加磁场联合使用等多功能是国内外现有同类型实验装置所不具备的。,特色：装置体积小，可拆卸、搬动，便于与我国大型科学装置耦合。,驱动丝阵或固体套筒等负载构件超高速度内爆运动形成高密度、高温等离子体；100km/s 等离子体喷流;10100eV 高温辐射的稠密等离子体,项目特征：有独特的想法，国内急需,部门推荐重大仪器项目,真实环境和模拟工作状态下材料电子结构的测量,综合高精度电子结构测量,辅助互补先进光源，全面提升电子结构测量能力,软x射线弯铁光源,真空紫外软x射线,该平台将建成一台多功能、高精度、高效率、高实用性的材料电子结构综合研究系统。, 基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台,平台构成,拟建平台的关键特色,国际上集成度最高 材料生长MBE、近常压光电子能谱(AP-PES)和近常压光进光出谱(AP-PIPOS)、角分辨光电子能谱(ARPES)、扫描隧道谱(STS)、互补性组合光源根据应用需求，选择高效组合 AP-PES+AP-PIPOS; MBE+AP-PES; MBE+STS; ARPES+STS; MBE+APRES+STS;模拟环境和工作状态下电子结构测量 真正实用的电子结构研究平台(电池、催化、水科学)突破7-70 eV低能段超高分辨 软x射线同步辐射EPU光源深紫外激光,拟建平台的创新点,集成创新功能最强、实用性最强、集成度最高 先进光源和多种电子结构测量手段集成：采用多种互补性先进光源和电子结构测量技术，实现能量、动量、空间、时域电子结构的综合测量和分析，获得低能电子、芯能级和未占据态等电子结构信息; 高精度材料制备集成：采用MBE/Laser MBE获得原子精度材料控制生长能力，国际上首次实现基于同步辐射光源和高精度材料指标手段的集成;单元技术创新模拟气氛和模拟工作状态(高效分析器、原位反应池、低活性腔体)；时间分辨测量(亚非秒超快脉冲激光)；光源 (发明叶形波荡器，降低热负载两个数量级，解决高能环上建低能线这一世界难题)。,平台建成后的意义及拟解决的科学问题,突破技术限制，依赖先进光源组合，突破传统超高真空光电电子能谱测量技术的局限，甄别表面和体电子效应、发展界面电子结构测量技术和超快过程电子能谱测量技术；同步辐射 + 深紫外激光 + 亚飞秒激光突破材料限制，利用原子层非热平衡样品制备技术，有机结合材料生长和原位测量发展各向异性和人工微结构材料的电子结构研究；MBE + ARPES + STM/S 突破状态限制，在近常压下研究处于工作状态的器件中以及弛豫状态下材料中电子结构，认识非平衡态电子结构的变化规律；AP-PES + AP-PIPOS,总体科学目标：项目拟建国际上首台多功能、高精度、高效率、高实用性的材料电子结构综合研究系统，可为新型能源环境材料研究提供高集成度的综合性实验条件，技术手段具有国际先进性。,项目特征：依托于大装置，有明确的科学目标、自己的创新技术，实现总体上的集成创新,冷中子非弹性散射谱仪的研制,该项目将基于房山中国先进研究堆(CARR堆），研制一套冷中子非弹性中子散射三轴极化和广谱谱仪系统；CARR堆：中子通量并列世界第二，2012年3月达到验收合格；需要建设冷中子非弹性散射谱仪，已预留好位置。,CARR堆及谱仪位置分布示意图,仪器构成,仪器拟解决的关键问题与创新点,设计图,设计图,三轴极化谱仪：两种中子分析模式的集成 把非极化与两种极化模式集成到一起，实现线性和全分量极化模式切换，可直接用来研究材料内自旋、轨道关联函数的（动力学）特性。,广谱谱仪：多通道能量分析系统针对非弹性中子测量速率低的缺点，采用多通道中子能量分析并行的方式，对不同散射方向一次性扫描，使数据采集率提高50倍以上。,两台谱仪：均采用超低背景噪声的双聚焦单色器，提升了分辨率采用新研制出的双聚焦单色器(聚焦能力强、束流路径无“杂物”)，极大地消除了传统单色器产生的大背底噪声，解决了电机受辐射易损伤的严重问题。,新型双聚焦单色器,传统聚焦单色器,谱仪技术功能与技术指标的综合比较,谱仪完成后的技术指标与国际先进谱仪的比较,谱仪完成后的技术功能与国际先进谱仪的比较,国际最先进三轴谱仪,仪器建成后的应用与拟解决的科学问题,应用领域 确定稀土-过渡金属化合物电子关联功能材料中的磁结构 确定各种复杂（多组分、元素质量差异大的）功能材料的晶体结构 测量稀土-过渡金属化合物功能材料的能谱和自旋关联函数的能量动量关系拟解决的科学问题 发现稀土-过渡金属化合物电子关联功能材料中的新奇量子效应，探索其温度、磁场和压强等外场下的调控行为 研究与电子自旋动力学密切相关的量子效应的微观机理：超导、磁性序等科学目标的特色 研制的冷中子非弹性散射谱仪将为非常规高温超导、低维及阻挫量子磁性、磁性材料等提供不可替代的研究平台，满足高能量分辨率的直接探测在能量-动量空间的磁激发谱的需求。,项目特征：依托于大装置，有独特的科学目标、有自己的技术特点和创新,微波电子枪,微波系统,（一）飞秒激光系统,飞秒同步,三倍频,仪器结构与总体技术路线,样品,(六)探测系统,物镜,投影镜,挡片,聚焦镜,锥镜,缩束磁透镜,（二）超快泵浦光源,53,(四)高温超导电磁透镜系统,(五)样品室,(三)兆伏特飞秒高亮度电子源,原子尺度超高时空分辨兆伏特电子衍射与成像系统,总体科学目标：原子尺度物质结构动力学,功能三：超快兆伏特电镜， 针对光合作用、量子涨落、分子库伦爆炸中的