儀器信息網(wǎng)訊 2011年，科技部、財政部啟動“國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項”;2016年4月，首個綜合驗收項目——《高精度四極質(zhì)量分析器的工程化研制與應(yīng)用》項目(以下簡稱《四極質(zhì)量分析器研制與應(yīng)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(xiàn)高精度四極質(zhì)量分析器工程化研制)。儀器信息網(wǎng)編輯在項目驗收評審會了解到，項目組為四極質(zhì)量分析器研制與應(yīng)用成功研發(fā)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(zhì)量與可靠性保障方案，已經(jīng)具備了批量化制造能力。2016年5月，儀器信息網(wǎng)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：中物院機械制造工藝研究所)，就四極質(zhì)量分析器的“批量化制造”一探究竟，中物院機械制造工藝研究所所長王寶瑞等接待了儀器信息網(wǎng)編輯一行。同時，儀器信息網(wǎng)帶回中物院承擔的其他二項“國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項”的最新進展——《高速小型復合分子泵的開發(fā)和應(yīng)用》、《高精度慣性儀表校準檢測裝置研制及應(yīng)用》。

中物院機械制造工藝研究所所長王寶瑞

　　中國50多年未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)“四極質(zhì)量分析器”

　　四極質(zhì)譜歷史可追溯到20世紀50年代，1953年P(guān)aul申請四極質(zhì)量分析器的德國專利，并在50年代完成四極質(zhì)量分析器的大部分奠基工作;1965年德國Varian MAT生產(chǎn)第一臺商業(yè)四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜計，60年代末過渡到商業(yè)生產(chǎn)階段。今天，四極質(zhì)量分析器已被用于多種科學儀器，如三重四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜儀、四極線性離子阱以及包含四極質(zhì)量分析器離子導引各種串聯(lián)質(zhì)譜儀等。這些儀器已被廣泛應(yīng)用于對化學和生物成分的質(zhì)量分析，環(huán)境保護，食品安全等領(lǐng)域。

　　我國曾經(jīng)是世界較早研制四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜計的國家之一，60年代初南京工學院曾研制四極質(zhì)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(zhì)量分析器質(zhì)譜計。在隨后的幾十年，我國質(zhì)譜人員一直致力于該儀器研發(fā);但是，直到今天，每年在中國市場出售的國產(chǎn)四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜儀遠低于100臺。

　　從公開文獻看到：“我國幾乎所有的傳統(tǒng)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(chǎn)單位分別試制了10余件陶瓷軸承，??試制的四極質(zhì)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(nèi)，??我們認為國內(nèi)現(xiàn)有條件下，要求機械加工能保證四極質(zhì)量分析器組件的精度不太現(xiàn)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(shù)的雙曲面四極質(zhì)量分析器加工方法”，金屬桿整體先固定在陶瓷環(huán)上，再進行慢走絲加工，試圖避開陶瓷環(huán)加工難題，但結(jié)果并不理想。我們也注意到，國產(chǎn)四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜儀在國內(nèi)已經(jīng)開始銷售多年，但是其核心部件——四極質(zhì)量分析器基本全賴于進口。這也是制約國內(nèi)國產(chǎn)四極質(zhì)譜儀發(fā)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(zhì)量分析器的工程化研制與應(yīng)用項目》列入“國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項”。

　　四極質(zhì)量分析器組件從純機械結(jié)構(gòu)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(qū)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(xiàn)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(yè)委托生產(chǎn)極桿的企業(yè)雖然可以滿足四極質(zhì)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(jié)合。據(jù)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(zhì)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(jīng)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(jù)某些人士自行測量，Sciex公司部分產(chǎn)品四極質(zhì)量分析器總體精度大約在0.6微米~1.5微米之間。四極質(zhì)量分析器質(zhì)譜計的質(zhì)量范圍和最大分辨率是最基本的兩個參數(shù)，這兩個參數(shù)與五個基本參數(shù)相關(guān)：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(zhì)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(xiàn)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(huán)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(xiàn)“四極質(zhì)量分析器”中國制造

　　走進中物院機械制造工藝研究所，看見了排列整齊、型號眾多的四極質(zhì)量分析器組件樣品：普通金屬、鉬金屬鍍金、陶瓷鍍金四極質(zhì)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(zhì)量分析器。讓人瞠目的，是按序排列的生產(chǎn)線、裝配線、測試線，特別是走近一臺臺自主研發(fā)的專用機床設(shè)備，其中包括超精密車磨一體復合金剛石機床，實現(xiàn)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(fā)靜壓主軸具有0.05微米的回轉(zhuǎn)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)。

　　超精密車磨一體復合金剛石機床

　　陶瓷環(huán)加工專用機床

　　項目組介紹了圍繞四極質(zhì)量分析器研發(fā)和制造取得的成果，其中包括研制的四極質(zhì)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(guān)鍵制造技術(shù)難題，成功研制出高精度陶瓷鍍金極桿;研發(fā)了金屬雙曲面極桿的制造工藝;以表面鍍金技術(shù)和工藝，提高了鉬極桿抗氧化污染能力。項目規(guī)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(chǎn)品通過比對測試和異地測試，各項性能優(yōu)異，得到用戶的好評和信賴。同時，中物院機械制造工藝研究所建立了完整的四極質(zhì)量分析器組件測試線。目前，已經(jīng)銷售了上百套四極質(zhì)量分析器分析器，并實現(xiàn)了出口。

　　部分四極質(zhì)量分析器加工、裝配、測量測試裝置

　　“8000小時MTBF摸底試驗”試問幾家有?

　　中物院機械制造工藝研究所同時也是“國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項”——《高速小型復合分子泵的開發(fā)和應(yīng)用》項目(以下簡稱：分子泵項目)的承擔單位，中物院機械制造工藝研究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(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(guān)可靠性指南的規(guī)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(shè)計研發(fā)、原材料選擇、制造加工等環(huán)節(jié)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(huán)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(guān)要求，用流水裝配線生產(chǎn)的產(chǎn)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(jīng)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(zhuǎn)速為72000轉(zhuǎn)/分鐘，最高轉(zhuǎn)速可達90000轉(zhuǎn)/分鐘。

　　分子泵可靠性測試現(xiàn)場圖

　　分子泵裝配線圖

　　強大系統(tǒng)工程能力打造世界最“穩(wěn)”的離心機之一

　　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(shè)備開發(fā)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(yīng)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(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)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(guān)鍵檢測校準設(shè)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(wěn)態(tài)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(shè)計開發(fā)項目包括：國內(nèi)容量最大的土工離心機、國內(nèi)指標最先進的振動復合例行試驗機、國內(nèi)精度最高的精密離心機以及國內(nèi)首臺自主研制的高性能載人離心機等。總體所生產(chǎn)的離心機為我國多個型號戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器及戰(zhàn)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(shè)提供工程設(shè)計驗證平臺。上世紀90年代，總體所已經(jīng)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(jīng)過長時間使用，用戶反饋非常滿意;到2016年5月，已經(jīng)有4臺類似設(shè)備交付用戶，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

　　高精度慣性儀表校準檢測裝置

　　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(zhuǎn)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(tǒng)就重達7噸。為了實現(xiàn)加速度相對標準不確定度10-6的指標，離心機運轉(zhuǎn)時，主軸回轉(zhuǎn)誤差必須控制在0.5微米以內(nèi)，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(tǒng)的研究分析，如，設(shè)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(shù)相互關(guān)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(wěn)定性大約在10-5g左右，運行的離心機必須比地面更穩(wěn)。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(tǒng)、微震動隔震系統(tǒng)以及工藝、材料、裝配方面取得了大量成果，并已經(jīng)產(chǎn)生1億多產(chǎn)值。項目組介紹到，經(jīng)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(shè)備檢測校準的科學儀器領(lǐng)域空白，已經(jīng)準備好了迎接年底的國家驗收。

　　三項國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)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(tǒng)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(zhì)量分析器研制與應(yīng)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(nèi)外質(zhì)譜儀器研制單位和生產(chǎn)企業(yè)緊密合作，不斷提高相關(guān)產(chǎn)品的核心競爭力。此外，也希望國內(nèi)研制和生產(chǎn)質(zhì)譜儀器的單位和企業(yè)，要有使命感和責任感，齊心協(xié)力，支持國內(nèi)質(zhì)譜部件生產(chǎn)商不斷完善和提高產(chǎn)品性能，共同為國產(chǎn)質(zhì)譜研制事業(yè)貢獻力量。為此，中物院正在籌備建立相關(guān)的產(chǎn)業(yè)化團隊，盡快實現(xiàn)項目成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。隨著四極桿中國制造的實現(xiàn)，相信一定有優(yōu)秀的國產(chǎn)質(zhì)譜企業(yè)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(xiàn)出企業(yè)優(yōu)異的系統(tǒng)集成能力，為用戶提供優(yōu)秀的國產(chǎn)四極桿質(zhì)譜儀。