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中國科學儀器制造典范——中物院三項重大科學儀器專項掠影

時間:2020-04-18     瀏覽:34

        2011年,科技部、財政部啟動“國家重大科學儀器設備開發專項”;2016年4月,首個綜合驗收項目——《高精度四極質量分析器的工程化研制與應用》項目(以下簡稱《四極質量分析器研制與應用》項目)在京驗收通過(詳細報道見:中國工程物理研究院實現高精度四極質量分析器工程化研制)。儀器信息網編輯在項目驗收評審會了解到,項目組為四極質量分析器研制與應用成功研發了零部件專用加工、裝配、測量、測試裝備與裝置,形成了工藝、工程化圖紙和質量與可靠性保障方案,已經具備了批量化制造能力。2016年5月,儀器信息網編輯特別走進中國工程物理研究院機械制造工藝研究所(簡稱:中物院六所),就四極質量分析器的“批量化制造”一探究竟,中物院六所所長王寶瑞等接待了儀器信息網編輯一行。同時,儀器信息網帶回中物院承擔的其他二項“國家重大科學儀器設備開發專項”的最新進展——《高速小型復合分子泵的開發和應用》、《高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應用》。
  四極質譜歷史可追溯到20世紀50年代,1953年Paul申請四極質量分析器的德國專利,并在50年代完成四極質量分析器的大部分奠基工作;1965年德國Varian MAT生產第一臺商業四極質量分析器質譜計,60年代末過渡到商業生產階段。今天,四極質量分析器已被用于多種科學儀器,如三重四極質量分析器質譜儀、四極線性離子阱以及包含四極質量分析器離子導引各種串聯質譜儀等。這些儀器已被廣泛應用于對化學和生物成分的質量分析,環境保護,食品安全等領域。

  我國曾經是世界較早研制四極質量分析器質譜計的國家之一,60年代初南京工學院曾研制四極質譜探漏儀,1965年北京分析儀器廠與清華大學合作研制出ZHL-01型四極質量分析器質譜計。在隨后的幾十年,我國質譜人員一直致力于該儀器研發;但是,直到今天,每年在中國市場出售的國產四極質量分析器質譜儀遠低于100臺。

  從公開文獻看到:“我國幾乎所有的傳統的金屬切削機床都無法把陶瓷件加工成超精密復雜形狀的零件,??我們分幾批次在不同的生產單位分別試制了10余件陶瓷軸承,??試制的四極質量分析器軸承件4個定位孔的形位公差也在0.20mm左右,而實際要求公差在0.003mm以內,??我們認為國內現有條件下,要求機械加工能保證四極質量分析器組件的精度不太現實,只能采用其它方法達到其精度要求?!?北京某儀器公司的研究人員也嘗試采用“基于慢走絲切割技術的雙曲面四極質量分析器加工方法”,金屬桿整體先固定在陶瓷環上,再進行慢走絲加工,試圖避開陶瓷環加工難題,但結果并不理想。我們也注意到,國產四極質量分析器質譜儀在國內已經開始銷售多年,但是其核心部件——四極質量分析器基本全賴于進口。這也是制約國內國產四極質譜儀發展的重要原因之一。為了解決該類儀器“空心化”問題,在2011年,《高精度四極質量分析器的工程化研制與應用項目》列入“國家重大科學儀器設備開發專項”。

  四極質量分析器組件從純機械結構上可以分為兩個部分,四根極桿、兩個陶瓷極座。極桿從形狀上可以區分為圓桿和雙曲面桿;從極桿材料上分為金屬、陶瓷。就圓桿而言,對于GCMS通常所需的5微米以下的加工精度,現有中國加工精度完全能滿足需求;對于LCMS所需2微米以下的精度要求,則是有點困難了。部分儀器企業委托生產極桿的企業雖然可以滿足四極質量分析器中的金屬圓桿加工精度要求,加工個把不是問題,但要批量達到這個要求,則需要人機的完美結合。據了解,雙曲面極桿最先被使用,但是存在加工費用高昂的問題,后來逐漸被圓桿取得了主流位置。對于類似LCMS使用的高性能四極質量分析器,通常需要采用陶瓷、石英等高硬度、低膨脹的材料,不銹鋼、鉬等高性能合金已經無法滿足要求。陶瓷、石英等高硬度材料的精密加工也是一個難題。據某些人士自行測量,Sciex公司部分產品四極質量分析器總體精度大約在0.6微米~1.5微米之間。四極質量分析器質譜計的質量范圍和最大分辨率是最基本的兩個參數,這兩個參數與五個基本參數相關:極桿長度、極桿上最大供給電壓、四極場半徑、射頻電壓的頻率和離子入射能量,四極質量分析器組件的精度可以說是在其中起決定性作用。雖然單根金屬極桿加工難度不高,但是其加工的成品率是個問題;陶瓷極桿的加工、陶瓷座的加工要實現相匹配的精度,也是個難題;再者將極桿、陶瓷座裝配到3微米的綜合精度,并且滿足不同用戶環境下的使用要求,這個更是個難題。

  突破陶瓷加工工藝、組件裝配工藝,實現“四極質量分析器”中國制造

  走進中物院六所,看見了排列整齊、型號眾多的四極質量分析器組件樣品:普通金屬、鉬金屬鍍金、陶瓷鍍金四極質量分析器組件(圓桿),當然也少不了當今熱門的金屬雙曲面四極質量分析器。讓人瞠目的,是按序排列的生產線、裝配線、測試線,特別是走近一臺臺自主研發的專用機床設備,其中包括超精密車磨一體復合金剛石機床,實現金屬桿磨削、陶瓷桿磨削、陶瓷鍍金桿鍍層車削等功能,該機床采用的自主研發靜壓主軸具有0.05微米的回轉精度,加工的極桿圓度可達0.2微米-0.4微米,圓柱度小于1微米(150mm長度)。

  項目組介紹了圍繞四極質量分析器研發和制造取得的成果,其中包括研制的四極質量分析器零件各類專用精密加工機床、測量測試等裝置;攻克了陶瓷鍍金極桿導電鍍復層的制備、超精密加工及精密電鍍金等關鍵制造技術難題,成功研制出高精度陶瓷鍍金極桿;研發了金屬雙曲面極桿的制造工藝;以表面鍍金技術和工藝,提高了鉬極桿抗氧化污染能力。項目規范定型了加工工藝,最終形成了高精度、系列化、批量化零件制造能力。產品通過比對測試和異地測試,各項性能優異,得到用戶的好評和信賴。同時,中物院六所建立了完整的四極質量分析器組件測試線。目前,已經銷售了上百套四極質量分析器分析器,并實現了出口。
  中物院六所同時也是“國家重大科學儀器設備開發專項”——《高速小型復合分子泵的開發和應用》項目(以下簡稱:分子泵項目)的承擔單位,中物院六所所長王寶瑞介紹到,分子泵項目預計將于今年完成驗收,目前正處于可靠性試驗期間。走進分子泵生產車間,在“復合分子泵可靠性摸底試驗”的大橫幅下,“一”字排開3個型號12臺正高速運轉的立式渦輪分子泵;當然也少不了看看各種高、大、上的機床等加工設備,以及整齊的流水裝配線。分子泵項目組介紹到,這是為了滿足“國家重大科學儀器專項”有關可靠性指南的規定,正在進行復合分子泵可靠性指標平均無故障間隔時間(MTBF)為8000小時的摸底試驗,排列的分子泵24小時不停機運行。王寶瑞介紹到,基于重儀專項可靠性指南的要求,項目組在設計研發、原材料選擇、制造加工等環節均引入“可靠性”概念,并分別進行了分子泵的大氣沖擊、振動、溫濕度、高海拔等環境可靠性試驗驗證。為了保證順利通過重儀專項可靠性指南相關要求,用流水裝配線生產的產品進行整機MTBF>8000小時的可靠性摸底試驗,三種分子泵樣機已經順利通過第三方性能測試,抽速、壓縮比、極限壓強等指標接近國外先進水平。分子泵額定轉速為72000轉/分鐘,最高轉速可達90000轉/分鐘。

  走訪中物院過程中,我們也了解到,中物院承擔了多項“國家重大科學儀器設備開發專項”,中物院總體工程研究所(以下簡稱中物院總體所)承擔的《高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應用》項目(以下簡稱:慣性校準項目)將于今年年底驗收。高精度慣性儀表校準裝置的名字比較晦澀,對非慣性儀器儀表領域的人來說;但如果說這是一臺高精度水平離心機,這就比較好理解了。高精度慣性導航在航空航天、國防科技、測繪導航等領域應用廣泛,高精度慣性儀表校準檢測裝置是高精度慣性導航儀表的關鍵檢測校準設備,慣性校準項目于2011年啟動。慣性校準項目核心指標為最大載荷10kg、相對標準不確定度10-6、穩態線加速度100g,這是一個比肩世界最高水平的精密離心機研制項目。

  作為我國科學試驗用離心機研制的龍頭單位, 中物院總體所同步于歐美于1960年代開始大型離心機研制工作,至今已研制交付各類離心機四十余臺;正在承擔的離心機設計開發項目包括:國內容量最大的土工離心機、國內指標最先進的振動復合例行試驗機、國內精度最高的精密離心機以及國內首臺自主研制的高性能載人離心機等??傮w所生產的離心機為我國多個型號戰略、戰術武器及戰機部組件檢測、定型提供了試驗平臺;為我國多個水利、交通工程建設提供工程設計驗證平臺。上世紀90年代,總體所已經研制多臺加速度相對不確定度為1×10-3的精密離心機。在慣性校準項目進行中,于2014年向重慶某用戶單位交付加速度相對不確定度為10-4量級的精密離心機,經過長時間使用,用戶反饋非常滿意;到2016年5月,已經有4臺類似設備交付用戶,產生了良好的經濟效益。


  站在離心機主機面前,就一個感覺“大”。為了提供100g的加速度,離心機轉盤直徑達2.2m,由雙向大承載高精度空氣軸承支撐,僅主機機械系統就重達7噸。為了實現加速度相對標準不確定度10-6的指標,離心機運轉時,主軸回轉誤差必須控制在0.5微米以內,每圈時間差僅為1納秒。站在離心機旁邊,聽著項目組成員詳細介紹如何把10-6這個指標分解為20多個影響因素進行了系統的研究分析,如,設備自身的制造、安裝、測量誤差,地球引力、地脈動,空氣溫度、濕度,甚至月球引力、天體運行等影響參數相互關系等。其實,筆者這時候正站在高精度慣性儀表校準檢測裝置上面——安裝離心機的、直徑16米、重達1800噸的基座上;而1800噸的基座由幾十組隔振器從橫向和縱向兩個方向進行支撐;這一切,只是因為無人行走地面的穩定性大約在10-5g左右,運行的離心機必須比地面更穩。項目組介紹,隨項目的不斷推進,在精密電機、軸承、精密測量系統、微震動隔震系統以及工藝、材料、裝配方面取得了大量成果,并已經產生1億多產值。項目組介紹到,經過近1年的安裝、測試,高精度慣性儀表校準檢測裝置各項指標均滿足項目要求,填補了我國大量程高精度慣性導航儀表設備檢測校準的科學儀器領域空白,已經準備好了迎接年底的國家驗收。

  三項國家重大科學儀器設備開發專項,綜合考驗中物院在超精密加工方面的硬實力,考察了其踏實認真的工作作風,復雜系統工程組織、實施的能力,期待盡早聽見分子泵項目和慣性校準項目通過科技部綜合驗收的消息??萍疾抠Y源配置與管理司吳學梯副司長在《四極質量分析器研制與應用》項目驗收評審會上表示:希望項目組作為科學儀器核心部件的研制方,要加強與國內外質譜儀器研制單位和生產企業緊密合作,不斷提高相關產品的核心競爭力。此外,也希望國內研制和生產質譜儀器的單位和企業,要有使命感和責任感,齊心協力,支持國內質譜部件生產商不斷完善和提高產品性能,共同為國產質譜研制事業貢獻力量。為此,中物院正在籌備建立相關的產業化團隊,盡快實現項目成果的產業轉化。隨著四極桿中國制造的實現,相信一定有優秀的國產質譜企業站出來,進一步解決四極桿高精度射頻電路等方面的難題,展現出企業優異的系統集成能力,為用戶提供優秀的國產四極桿質譜儀。

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