中船鵬力：低溫強磁技術突破尖端材料物性測量

摘要：中船重工鵬力（南京）超低溫技術有限公司（以下簡稱“中船鵬力”）針對物理、化學、材料科學等領域對微納器件和新材料電學、磁學、熱學等物性測量的需求，突破無液氦低溫恒溫控制、高穩定度超導強磁場、全自動多物性測量系統集成等關鍵技術，開發具有自主知識產權、質量穩定可靠、核心部件全部國產化的低溫強磁場綜合物性測量儀，以及相關軟件和數據庫，打破了國外壟斷，填補了國內空白，實現了對微納器件和材料電學、熱學、磁學物性的綜合測量分析，性能達到國際先進水平。

關鍵詞：低溫強磁場綜合物性測量儀 基礎科學 自主可控 國產化

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1.背景說明

低溫強磁場綜合物性測量儀是物理、化學、材料科學等領域對微納器件和新材料電學、磁學、熱學等物性測量不可或缺的關鍵儀器。

自1984年美國Quantum Design公司推出第一代磁物性測量設備以來，國外儀器公司相繼推出了多款低溫強磁場物性測量儀，經過30多年的發展，國外此類儀器理論基礎、技術研究和生產工藝已非常完善，產品系列豐富，對全球基礎物理探索、前沿器件研究和新材料研發等起到了重要推動作用。

近年來，國內相關單位對該儀器進行了方案設計、應用研究及樣機試制，但鑒于技術基礎、人才儲備、資金投入等方面的限制，研發進程緩慢，關鍵技術指標和產品成熟度等方面相比國外有較大差距，導致該儀器長期依賴進口，目前進口數量每年達數十套。

為了解決技術風險，改變原先儀器依賴進口的局面，2020年科技部重點研發計劃中設置了低溫強磁綜合物性測量儀專項，中船鵬力作為牽頭單位承擔該項目。中船鵬力在國內超低溫技術領域居于領先地位，但在國際的賽道上與作為行業標桿的Quantum Design仍存在一定差距，在技術與用戶體驗兩大層面上積極追趕。

2.創新描述

2.1 技術突破：基于GM制冷機的無液氦超低振動低溫制冷技術

目前國際上主流的無液氦低振動低溫強磁場綜合物性測量儀采用脈管制冷機作為冷源，而中船鵬力創新性地采用自主研發的GM制冷機（Gifford-Mcmahon制冷機，簡稱GM制冷機，是一種回熱式小型低溫制冷機）替代脈管制冷機作為冷源，其在成本、長期可靠性、維護便捷性上都比脈管制冷機具有優勢。同時針對低溫強磁場綜合物性測量儀的低振動要求，中船鵬力創新振動隔離設計，將超低振動低溫系統振動隔離技術應用于該低溫制冷技術中。

GM制冷機之前廣泛應用于兩大工業領域，一是用于醫院核磁共振，二是用于半導體領域低溫真空泵，兩個領域每年需求在1.5萬臺左右。1中船鵬力通過創新振動隔離設計，能夠對GM制冷機進行減振處理，使其在低振動方面達到與脈管制冷機相近的效果，同時又具備更好的可維護性，目前GM制冷機在科研領域得到了廣泛應用。

2.2 產品創新：系統測量多樣化、自由度高

不同樣品的最佳測量方法并不相同。目前，市場上國外產品提供的測量軟件是“黑匣子”狀態，在客戶給出樣品后輸出結果，只能提供一種測量與分析方法，能夠滿足普通用戶便捷服務需求，但對于高端科研用戶來說無法獲知相關測量細節，從而難以確保測量的準確性。而中船鵬力通過前期對樣品測試調研，算法分析研究總結，其系統能夠針對不同樣品選擇最優算法，在多種測量方法中為客戶提供最優選擇，滿足用戶不同需求。對于普通用戶對算法了解有限，中船鵬力的系統可以進行算法推薦，用戶直接使用默認算法；對于高端科研用戶精通算法，系統同時實現了一部分程序開源，便于高端客戶根據需求進行高自由度的測量與信號采集。

2.3 應用創新：物聯網化、人機高度互聯

相較于國外產品，中船鵬力基于物聯網技術，實現了高程度人機互聯。儀器與應用終端實現便捷通信，實現了遠程一鍵啟動和關閉功能，自動探測系統狀態，故障檢測與自動應急處理，實現最優的無人值守自動測量。在進行系統樣品多次重復性實驗時，可以通過實時監控及時了解實驗動態進程，無須不斷調動人員，節省了人力資源。系統出現運行問題時，數據能夠通過手機小程序及時反饋到移動終端，及時通知工作人員進行處理。

3.項目運行節奏

低溫強磁場綜合物性測量儀是微納器件和新材料電學、磁學、熱學等物性測量不可或缺的關鍵儀器，針對該儀器完全依賴進口的現狀，中船鵬力主導開發具有自主知識產權、質量穩定可靠、核心部件全部國產化的低溫強磁場綜合物性測量儀，打破國外技術壟斷，突破無液氦低溫恒溫控制、高穩定度超導強磁場、全自動多物性測量系統集成等關鍵技術，并開發相關軟件和數據庫。

低溫強磁場綜合物性測量儀在完成工程化開發之后，進入產業化推廣階段。預計到項目驗收時將具備年產20套儀器的批量生產能力，實現對微納器件和材料電學、熱學、磁學物性的綜合測量分析，為基礎材料領域的發展奠定堅實基礎。之后將依托現有國內、國際銷售渠道進一步開展全球銷售和市場推廣，并建立應用開發和培訓為一體的服務體系。

3.1 第一階段：完成低溫強磁綜合物性測量儀可靠性研究

建立無液氦低溫系統、超導磁體、測量模塊到整機的可靠性串聯模型，通過綜合因子評定法開展可靠性分配。在原理樣機設計階段、工程樣機階段均開展可靠性設計，以及驗證開展FMEA設計分析，從而明確儀器薄弱環節，并通過冗余設計、并聯設計等手段提升儀器可靠性；在生產環節開展FTA分析，了解系統失效原因，從而找到最好方式降低風險；在儀器應用過程中開展故障報告、分析及糾正措施系統（FRACAS）對故障歸零管理。

3.2 第二階段：完成低溫強磁綜合物性測量儀的產業化開發

前期研發人員的儀器開發過程和后期工程師的產業化過程，是兩項既相互關聯但又有很大區別的活動。儀器開發更多關注技術的創新，產業化則更關注產品性能、可靠性、應用環境和市場前景。進行國內外市場調研與分析，明確儀器產品定位，建立儀器開發測試平臺；整合相關開發資源，通過對該儀器原理樣機、工程樣機在結構、軟件和外觀等方面的工業設計，優化產品的綜合功能、性能指標，并開發相關領域的應用方法，以適應市場需求。

3.2.1 實現系列低溫強磁綜合物性測量儀的小批量生產

實現核心部件以及外圍附件的批量生產，實現系列低溫強磁綜合物性測量儀的小批量生產，在技術指標和質量指標上與國外同類產品在一定范圍內開展競爭；通過小批量生產，完善各工序的作業指導書和檢驗文件，并根據示范應用和客戶反饋進行必要的改進與優化，完成對上述系統制作工藝的進一步優化和整合。

3.2.2 完善國內國際銷售渠道，擴大低溫強磁綜合物性測量儀市場推廣

依托產業化單位已有的市場基礎，針對不同領域客戶的需求特點，制定系列低溫強磁綜合物性測量儀的銷售策略，完善國內、國際銷售渠道，擴大低溫強磁綜合物性測量儀市場推廣，建立合理的銷售管理機制。

3.2.3 建立并完善低溫強磁綜合物性測量儀應用開發、培訓和服務體系

開展并總結低溫強磁綜合物性測量儀在物理、材料、化學等領域的應用，建立健全的檢測方法，完善低溫強磁綜合物性測量儀的質量控制，形成對比報告；在產業化單位現有培訓和服務系統的基礎上，結合示范應用建立，并健全低溫強磁綜合物性測量儀的培訓和服務體系。

4.市場應用與未來展望

工程化和產業化研究是通過專項研究提升工程化能力的研發，包括原理樣機、改進樣機、工程樣機的研制，最后由工程樣機的開發研究來確定批量生產技術參數與加工工藝，以及持續改進等產業化技術條件。

可靠性開發則是貫穿于系統集成設計、工程化開發以及產業化開發過程中，開展故障模式、影響及危害性分析（FMECA）、故障樹分析（FTA）與改進、第三方實驗驗證、場內實驗驗證、應用客戶驗證、客戶滿意度調查等研究，通過提出問題—分析問題—解決問題—驗證方案—優化設計的邏輯逐漸提升儀器產品的可靠性。本項目根據儀器開發和應用開發過程中總結的參數標準和規劃，設計一套工程化標準，對儀器的批量化生產、改進、功能拓展、質量控制、產品系列、產品銷售和售后服務等環節實施標準化管理。

目前，市場主流的低溫強磁場綜合物性測量儀為美國Quantum Design公司生產的全干式無液氦綜合物性測量系統（PPMS DynaCool），其昂貴的儀器價格，導致眾多研究單位無法購置該儀器，阻礙了相關研究的正常開展。本項目的實施，使得更多的研究單位用得起該儀器，促進研究水平的提升。

中船鵬力具有低溫強磁場綜合物性測量系統技術積累，以及豐富的低溫儀器開發和產業化經驗；具有成熟的國內外銷售及服務網絡、與目標客戶群體已建立良好的合作關系；具有契合公司發展方向的儀器產業化規劃、標準化生產基地、穩定的生產能力。因此，該項目實現產業化之后，可在國內物理、化學、材料、納米等領域廣泛推廣應用，并依靠已建立的全球銷售網絡開拓國際市場，形成在國內市場及國際市場的全面推廣應用。在研制開發的工程樣機基礎上，通過產品的二次工藝設計，提升產品的綜合指標以更好地滿足市場需求；優化產品的制造工藝、測試流程以滿足產品的批量生產和售后服務需求；降低制造成本，滿足市場競爭需要；建立完善的質量控制、應用開發和服務體系。

預計到項目驗收時（2023年9月），將形成3種型號的低溫強磁場綜合物性測量儀，并具備年產20套該儀器的批量生產能力。

編委會點評

1.社會效益

低溫強磁場綜合物性測量儀是物理、化學、材料科學等領域對微納器件和新材料電學、磁學、熱學等物性測量不可或缺的關鍵儀器，對全球基礎物理探索、前沿器件研究和新材料研發等起到了重要的推動作用，然而目前國內該類儀器完全依賴進口，在日益復雜的國際形勢下，開發具有自主知識產權、質量穩定可靠、核心部件全部國產化的低溫強磁場綜合物性測量儀具體重要的意義。

在西方國家通過技術封鎖、儀器禁運等方式對我國進行科技打壓的國際形勢下，基礎設備的國產化越來越重要。中船鵬力在低溫強磁場綜合物性測量儀上的研發，具有自主知識產權、性能優異、質量可靠，支持了我國基礎科學、材料科學的研究，也可以應用在工業領域進一步產業化，具有重大的科學意義、社會意義和巨大的經濟應用前景。

2.創新價值

項目通過自主創新，攻克超高溫度穩定控制、單冷源雙冷卻對象冷量自動匹配、Nb3Sn線圈熱處理關鍵工藝、交流磁化率高精度快速測量、多種測量算法自由切換、標準化測量模塊開源設計、工程化體系建設等多項技術難題，突破無液氦制冷、低振動控制、高場強磁體制造、寬測量范圍、高測量精度、高穩定性等多項核心技術。

項目打破了低溫強磁場綜合物性測量儀的國外壟斷，填補國內空白，實現具有自主知識產權、功能健全、質量穩定可靠、核 心部件全部國產化的產品，其性能達到國際先進水平，實現在基礎物理的探索、前沿器件的原理性研究和新型材料研發等基礎及前沿科學問題上的應用。

1 本案例中行業數據及項目數據解釋權歸中船鵬力所有。