太陽磁場望遠鏡（Solar Magnetic Field Telescope，SMFT）是一臺口徑為35cm的光學太陽望遠鏡，位于中國北京懷柔太陽觀測基地。該望遠鏡由中國科學家獨立發明和研制，主要用于研究太陽磁場、速度場及其相關的太陽物理現象。太陽磁場望遠鏡的工作原理是應用物理學中的塞曼效應獲得太陽的磁場，主要由35厘米真空折射望遠鏡、偏振分析器、雙折射濾光器及后端成像系統組成。自1985年安裝在北京天文臺的懷柔觀測站并投入使用以來，太陽磁場望遠鏡取得了多項重要的研究成果。1988年，該望遠鏡獲得中國國家科技進步一等獎。
研究背景
太陽磁場是太陽最基本屬性之一，其變化直接影響著太陽活動的發生和發展。太陽黑子的11年周期本質上是太陽大尺度磁場的周期性轉化。太陽耀斑和日冕物質拋射等劇烈的爆發現象通常由太陽磁場的演化所驅動。此外，與磁場相關的物理過程導致了太陽外層大氣——日冕的百萬度高溫，并產生充滿行星際空間的超聲速太陽風。太陽磁場的研究不僅有助于理解太陽活動的本質，還對地球產生了深遠的影響，如產生極光、干擾通信和導航系統，影響衛星及星載儀器的正常運行，甚至威脅宇航員的生命安全。1989年的一場太陽風暴就曾嚴重影響多顆衛星及星載儀器的正常運行，并造成加拿大魁北克省電力系統崩潰，北美地區數百萬人受到影響。因此，測量太陽磁場一直以來都是太陽物理學家最重要的使命之一。自17世紀初伽利略·伽利萊用望遠鏡觀測和研究太陽算起，太陽物理的科學研究已經持續了數百年。然而受限于觀測技術的水平，到20世紀初期，人類才開始利用原子物理領域的塞曼效應來測量太陽磁場。太陽磁場望遠鏡的發展始于1908年，美國海爾（Hale）等人建造的太陽磁場測量原理，能測點源和強磁場，是第一代。1953年美國巴布科克（Babcock）等人建造的光電磁象儀，后由蘇聯發展成光電向量磁象儀能測矢量場、點源和弱磁場，即第二代。第三代的磁象儀能測線源、弱磁場，于1972年出現在美國。1966年，由中國科學家艾國祥提出的太陽磁場望遠鏡是第四代，能測面源、磁場。美國在60年代末也開展了類似研究，并先于中國研制成第四代磁象儀，分別裝于加州理工學院和美國航空航天局（NASA）。
建造者簡介
艾國祥（1938年—），益陽市人，天體物理學家、中國科學院院士、發展中國家科學院院士院士、中美和中日太陽物理合作中方首席科學家，曾任國家天文臺臺長。他的研究領域是太陽物理，提出和主持建造了太陽磁場望遠鏡、通道濾光器和二維同時光譜儀并領導建造了太陽多通道望遠鏡，主持太陽物理觀測和太陽磁場與速度場研究。20世紀90年代后，主要從事航天高科技領域，主持一米空間太陽望遠鏡研發和第四代光學遙感衛星研發。艾國祥是中國天文學和空間科技領域的國家戰略性科學家，國際編號39860小行星被命名為“艾國祥星”。
儀器概況
太陽磁場望遠鏡，是中國科學家在世界上首先提出利用太陽光球和色球兩條譜線進行兩層次磁場和速度場視頻測量的太陽磁像儀系統，是進行太陽物理核心課題研究的關鍵儀器。太陽磁場望遠鏡主要由艾國祥院士提出和設計，由北京天文臺、南京天文儀器廠、長春物理研究所和福建物質結構研究所等單位共同研制，于1985年安裝在北京天文臺的懷柔觀測站。
儀器工作原理
太陽磁場通過光學觀測進行測定，原理是應用物理學中的塞曼效應獲得太陽磁場，即一條譜線在縱向磁場中會分裂為左右圓偏振的兩條，而在橫向磁場中則分列為3條，中間一條為線偏振，左右兩條為部分偏振；磁場強度與分裂的程度有關。理論上只要測出分裂的程度就可以得到磁場強度，但由于磁場強度較小并且有噪音干擾，實際上要獲得太陽磁場還是有難度的，處理的方法也是比較復雜的。
儀器主要組成
太陽磁場望遠鏡由35厘米真空折射望遠鏡、偏振分析器、雙折射濾光器及后端成像系統組成。35厘米真空折射望遠鏡安置在叉式赤道基架上。有效口徑為35厘米，焦距為10、20、40、60、80、100、200和300米等8種。物鏡通光孔徑為350mm，焦距2800mm。主焦點處有一傾斜光闌，通光矩孔為4'x6'，不用的太陽光被反射到鏡筒之外，從而最大化減小儀器內部的散射光來源。由主鏡匯聚的太陽光經準直鏡變成平行光。在準直鏡和物鏡之間，有一段包括太陽輻射高度集中的主焦點區在內的真空鏡筒，占全部光路長度的89%，目的是減小鏡筒內部由于太陽輻射熱引起的空氣湍動，提高成像質量。偏振分析器是用來測量太陽磁場的重要儀器，它主要由偏振片和KD*P晶體組成。太陽磁場望遠鏡共有98塊光軸方向的晶體和偏振片。偏振片的偏振度在兩個工作波長（5324?，4861?）上都大于99.9%，偏振透過率為0.84-0.85。雙折射濾光器是磁場望遠鏡的核心部分，其作用是在太陽光中選擇觀測所需要的特定波長的單色光通過，濾掉其余各種成分的光。雙折射濾光器有兩個透過帶：Fel 5324.19?和Hβ 4861.34?；半寬分別為0.15?和0.12?，它們分別應用于太陽光球磁場和色球的磁場測量；工作溫度為42℃。雙折射濾光器最重要的特點是它具有三組寬視場的KD*P電光調制器。其中一組是用作太陽向量磁場分析器，其余兩組為太陽視向速度場分析器。測量太陽縱向磁場的精度為±10Gs左右，測量太陽橫向磁場的精度約為±100Gs，測量太陽視場速度場的精度約為±30m/s。 后端成像系統由510x582像素的CCD相機、AST-386微機、151 SERIOUS IMAGE處理器和VAX-11/750計算機組成。在CCD相機上每個像素相應于0.7"x0.5"分辨率。全系統的信噪比為70:1，在以4x3像素采樣平均并以255幅采樣作疊加處理后信噪比為5600，分別相應于±2Gs的縱場、±15Gs橫場、±2m/s光球視向速度和±8m/s色球視向速度。用更多幅圖疊加的辦法，縱向場極限可測±1Gs。獲得磁圖或速度場圖的時間分辨率，在用512幅圖疊加時為1分鐘。
更新改造
為了適應新的觀測需求和技術進步，懷柔太陽觀測基地于2010年底啟動了太陽磁場望遠鏡的更新改造工作，并于2012年12月前全面完成，隨后投入科學觀測和應用。此次更新改造取得了顯著成效，包括研制高精度溫控系統，提升了DSO和其他后續科學工程的建設基礎；研發新一代高壓調制器，提高了輸出高壓波形和波紋精度；采用GPU技術，顯著提高了太陽磁場數據的空間分辨率和測量靈敏度；重新研制濾光器光、機系統，為未來兩維實時光譜儀等新一代儀器的研制提供了技術支持。
觀測成果
太陽磁場望遠鏡自1985年投入觀測以來，科研人員通過采用對太陽活動課題觀測和常規觀測資料長時間積累的兩種主要運行方式，發現了耀斑前兆紅移、黑子半影亮纖維比暗纖維磁場強300Gs、色球磁場反變和磁纖維、磁超米粒壽命由20小時改寫為70至90小時、網絡磁元特征、對消磁結構、耀斑向量場特性等一系列新現象。這些成果受到了國際同行的高度評價。基于太陽磁場望遠鏡的觀測，懷柔太陽觀測基地與美國、日本、法國、俄羅斯等國家的科學家建立了長期的觀測研究合作關系。從1987年起，與美國大熊湖天文臺開展的“日不落太陽磁場聯合觀測”和“太陽活動全球監測網”等合作項目，在太陽活動觀測研究中取得了重要的科研成果。太陽磁場望遠鏡的觀測資料也被國際物理學家廣泛使用，美國、日本、法國、德國、印度、俄羅斯、烏克蘭、韓國、朝鮮等國家的太陽物理學家均利用太陽磁場望遠鏡進行學術研究，發表了近百篇SCI期刊學術論文。研究內容主要包括：太陽磁場速度場形態演化、磁場非勢特征與太陽活動、太陽電流螺度與磁螺度觀測、小尺度磁場及內稟性質和基于向量磁場觀測的三維外推等方向。
臺址
國家天文臺懷柔太陽觀測基地，是中國科學院國家天文臺天文觀測與研究的重要基地之一，主要開展太陽磁場和速度場的觀測與研究。基地始建于1984年，位于北京市懷柔水庫北岸，距離北京市中心約60公里。基地裝備多臺先進的太陽觀測設備，主要有太陽磁場望遠鏡、三通道望遠鏡、全日面矢量磁場望遠鏡和色球望遠鏡。懷柔太陽觀測基地在中國最先實現了觀測資料完全開放、實時上網，長期為相關業務部門提供數據和咨詢服務。同時，鑒于磁場望遠鏡等設備的先進性和穩定性，懷柔太陽觀測基地是國際上多個太陽活動監測網絡中的重要成員。
與美國MSFC向量磁像儀對比
美國馬歇爾太空飛行中心（Marshall Space Flight Center，MSFC）的向量磁像儀是與中國太陽磁場望遠鏡性能相似的儀器，該儀器于1973年初次參與美國Skylab/Apollo計劃的觀測，后來進行重大修改，于1976年進行日面向量磁場測量，并逐日提供向量磁場數據。通過對比可看出，太陽磁場望遠鏡的優越性在于可測量視向速度場、可多觀測一個太陽大氣層次、有8種不同比例尺的太陽成像等方面。
相關事件
中國第二部太陽磁場望遠鏡落戶新疆溫泉
2013年11月6日，由中國科學家獨立發明和研制的太陽磁場望遠鏡，自9月初調試在新疆溫泉縣觀測出首張全日面太陽縱向磁圖后，于9月22日調試成功進入試運行階段。該太陽磁場望遠鏡位于觀測塔最頂部、天文圓頂內，每隔半小時對太陽磁場進行一次觀測，記錄太陽磁場的變化。觀測數據通過網絡形式傳給國家空間天氣預警中心，專家再對這些數據處理，為空間天氣的預警和航天等領域提供原始的基本數據。溫泉縣望遠鏡設備是中國繼北京懷柔太陽觀測基地之后的第二部太陽磁場望遠鏡，也是全球第四部地基太陽磁場望遠鏡。
參考資料 >
創新中國的60項科學成就:太陽磁場望遠鏡.中國教育和科研計算機網.2024-04-16
35厘米太陽磁場望遠鏡.cas.cn.2024-04-20
懷柔太陽觀測站簡介.bao.ac.cn.2024-04-17