更新时间：2024-09-21 12:03
太阳磁场望远镜（Solar Magnetic Field Telescope，SMFT）是一台口径为35cm的光学太阳望远镜，位于中国北京怀柔太阳观测基地。该望远镜由中原地区科学家独立发明和研制，主要用于研究太阳磁场、速度场及其相关的太阳物理现象。太阳磁场望远镜的工作原理是应用物理学中的塞曼效应获得太阳的磁场，主要由35厘米真空折射望远镜、偏振分析器、双折射滤光器及后端成像系统组成。自1985年安装在北京天文台的怀柔观测站并投入使用以来，太阳磁场望远镜取得了多项重要的研究成果。1988年，该望远镜获得中国国家科技进步一等奖。
太阳磁场是太阳最基本属性之一，其变化直接影响着太阳活动的发生和发展。太阳黑子的11年周期本质上是太阳大尺度磁场的周期性转化。太阳耀斑和日冕物质抛射等剧烈的爆发现象通常由太阳磁场的演化所驱动。此外，与磁场相关的物理过程导致了太阳外层大气——日冕的百万度高温，并产生充满行星际空间的超声速太阳风。太阳磁场的研究不仅有助于理解太阳活动的本质，还对地球产生了深远的影响，如产生极光、干扰通信和导航系统，影响卫星及星载仪器的正常运行，甚至威胁宇航员的生命安全。1989年的一场太阳风暴就曾严重影响多颗卫星及星载仪器的正常运行，并造成加拿大魁北克省电力系统崩溃，北美地区数百万人受到影响。因此，测量太阳磁场一直以来都是太阳物理学家最重要的使命之一。自17世纪初伽利略·伽利莱用望远镜观测和研究太阳算起，太阳物理的科学研究已经持续了数百年。然而受限于观测技术的水平，到20世纪初期，人类才开始利用原子物理领域的塞曼效应来测量太阳磁场。太阳磁场望远镜的发展始于1908年，美国海尔（Hale）等人建造的太阳磁场测量原理，能测点源和强磁场，是第一代。1953年美国巴布科克（Babcock）等人建造的光电磁象仪，后由苏联发展成光电向量磁象仪能测矢量场、点源和弱磁场，即第二代。第三代的磁象仪能测线源、弱磁场，于1972年出现在美国。1966年，由中国科学家艾国祥提出的太阳磁场望远镜是第四代，能测面源、磁场。美国在60年代末也开展了类似研究，并先于中国研制成第四代磁象仪，分别装于加州理工学院和美国航空航天局（NASA）。
艾国祥（1938年—），益阳市人，天体物理学家、中国科学院院士、发展中国家科学院院士院士、中美和中日太阳物理合作中方首席科学家，曾任国家天文台台长。他的研究领域是太阳物理，提出和主持建造了太阳磁场望远镜、通道滤光器和二维同时光谱仪并领导建造了太阳多通道望远镜，主持太阳物理观测和太阳磁场与速度场研究。20世纪90年代后，主要从事航天高科技领域，主持一米空间太阳望远镜研发和第四代光学遥感卫星研发。艾国祥是中国天文学和空间科技领域的国家战略性科学家，国际编号39860小行星被命名为“艾国祥星”。
太阳磁场望远镜，是中国科学家在世界上首先提出利用太阳光球和色球两条谱线进行两层次磁场和速度场视频测量的太阳磁像仪系统，是进行太阳物理核心课题研究的关键仪器。太阳磁场望远镜主要由艾国祥院士提出和设计，由北京天文台、南京天文仪器厂、长春物理研究所和福建物质结构研究所等单位共同研制，于1985年安装在北京天文台的怀柔观测站。
太阳磁场通过光学观测进行测定，原理是应用物理学中的塞曼效应获得太阳磁场，即一条谱线在纵向磁场中会分裂为左右圆偏振的两条，而在横向磁场中则分列为3条，中间一条为线偏振，左右两条为部分偏振；磁场强度与分裂的程度有关。理论上只要测出分裂的程度就可以得到磁场强度，但由于磁场强度较小并且有噪音干扰，实际上要获得太阳磁场还是有难度的，处理的方法也是比较复杂的。
太阳磁场望远镜由35厘米真空折射望远镜、偏振分析器、双折射滤光器及后端成像系统组成。35厘米真空折射望远镜安置在叉式赤道基架上。有效口径为35厘米，焦距为10、20、40、60、80、100、200和300米等8种。物镜通光孔径为350mm，焦距2800mm。主焦点处有一倾斜光阑，通光矩孔为4'x6'，不用的太阳光被反射到镜筒之外，从而最大化减小仪器内部的散射光来源。由主镜汇聚的太阳光经准直镜变成平行光。在准直镜和物镜之间，有一段包括太阳辐射高度集中的主焦点区在内的真空镜筒，占全部光路长度的89%，目的是减小镜筒内部由于太阳辐射热引起的空气湍动，提高成像质量。偏振分析器是用来测量太阳磁场的重要仪器，它主要由偏振片和KD*P晶体组成。太阳磁场望远镜共有98块光轴方向的晶体和偏振片。偏振片的偏振度在两个工作波长（5324Å，4861Å）上都大于99.9%，偏振透过率为0.84-0.85。双折射滤光器是磁场望远镜的核心部分，其作用是在太阳光中选择观测所需要的特定波长的单色光通过，滤掉其余各种成分的光。双折射滤光器有两个透过带：Fel 5324.19Å和Hβ 4861.34Å；半宽分别为0.15Å和0.12Å，它们分别应用于太阳光球磁场和色球的磁场测量；工作温度为42℃。双折射滤光器最重要的特点是它具有三组宽视场的KD*P电光调制器。其中一组是用作太阳向量磁场分析器，其余两组为太阳视向速度场分析器。测量太阳纵向磁场的精度为±10Gs左右，测量太阳横向磁场的精度约为±100Gs，测量太阳视场速度场的精度约为±30m/s。 后端成像系统由510x582像素的CCD相机、AST-386微机、151 SERIOUS IMAGE处理器和VAX-11/750计算机组成。在CCD相机上每个像素相应于0.7"x0.5"分辨率。全系统的信噪比为70:1，在以4x3像素采样平均并以255幅采样作叠加处理后信噪比为5600，分别相应于±2Gs的纵场、±15Gs横场、±2m/s光球视向速度和±8m/s色球视向速度。用更多幅图叠加的办法，纵向场极限可测±1Gs。获得磁图或速度场图的时间分辨率，在用512幅图叠加时为1分钟。
为了适应新的观测需求和技术进步，怀柔太阳观测基地于2010年底启动了太阳磁场望远镜的更新改造工作，并于2012年12月前全面完成，随后投入科学观测和应用。此次更新改造取得了显著成效，包括研制高精度温控系统，提升了DSO和其他后续科学工程的建设基础；研发新一代高压调制器，提高了输出高压波形和波纹精度；采用GPU技术，显著提高了太阳磁场数据的空间分辨率和测量灵敏度；重新研制滤光器光、机系统，为未来两维实时光谱仪等新一代仪器的研制提供了技术支持。
太阳磁场望远镜自1985年投入观测以来，科研人员通过采用对太阳活动课题观测和常规观测资料长时间积累的两种主要运行方式，发现了耀斑前兆红移、黑子半影亮纤维比暗纤维磁场强300Gs、色球磁场反变和磁纤维、磁超米粒寿命由20小时改写为70至90小时、网络磁元特征、对消磁结构、耀斑向量场特性等一系列新现象。这些成果受到了国际同行的高度评价。基于太阳磁场望远镜的观测，怀柔太阳观测基地与美国、日本、法国、俄罗斯等国家的科学家建立了长期的观测研究合作关系。从1987年起，与美国大熊湖天文台开展的“日不落太阳磁场联合观测”和“太阳活动全球监测网”等合作项目，在太阳活动观测研究中取得了重要的科研成果。太阳磁场望远镜的观测资料也被国际物理学家广泛使用，美国、日本、法国、德国、印度、俄罗斯、乌克兰、韩国、朝鲜等国家的太阳物理学家均利用太阳磁场望远镜进行学术研究，发表了近百篇SCI期刊学术论文。研究内容主要包括：太阳磁场速度场形态演化、磁场非势特征与太阳活动、太阳电流螺度与磁螺度观测、小尺度磁场及内禀性质和基于向量磁场观测的三维外推等方向。
国家天文台怀柔太阳观测基地，是中国科学院国家天文台天文观测与研究的重要基地之一，主要开展太阳磁场和速度场的观测与研究。基地始建于1984年，位于北京市怀柔水库北岸，距离北京市中心约60公里。基地装备多台先进的太阳观测设备，主要有太阳磁场望远镜、三通道望远镜、全日面矢量磁场望远镜和色球望远镜。怀柔太阳观测基地在中国最先实现了观测资料完全开放、实时上网，长期为相关业务部门提供数据和咨询服务。同时，鉴于磁场望远镜等设备的先进性和稳定性，怀柔太阳观测基地是国际上多个太阳活动监测网络中的重要成员。
美国马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center，MSFC）的向量磁像仪是与中国太阳磁场望远镜性能相似的仪器，该仪器于1973年初次参与美国Skylab/Apollo计划的观测，后来进行重大修改，于1976年进行日面向量磁场测量，并逐日提供向量磁场数据。通过对比可看出，太阳磁场望远镜的优越性在于可测量视向速度场、可多观测一个太阳大气层次、有8种不同比例尺的太阳成像等方面。
2013年11月6日，由中国科学家独立发明和研制的太阳磁场望远镜，自9月初调试在新疆温泉县观测出首张全日面太阳纵向磁图后，于9月22日调试成功进入试运行阶段。该太阳磁场望远镜位于观测塔最顶部、天文圆顶内，每隔半小时对太阳磁场进行一次观测，记录太阳磁场的变化。观测数据通过网络形式传给国家空间天气预警中心，专家再对这些数据处理，为空间天气的预警和航天等领域提供原始的基本数据。温泉县望远镜设备是中国继北京怀柔太阳观测基地之后的第二部太阳磁场望远镜，也是全球第四部地基太阳磁场望远镜。
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