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摘要： 中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司（以下简称“中船鹏力”）针 对物理、化学、材料科学等领域对微纳器件和新材料电学、磁学、热学等物性测量的需求，突破无液氦低温恒温控制、高稳定度超导强磁场、全自动多物性测量系统集成等关键技术，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件全部国产化的低温强磁场综合物性测量仪，以及相关软件和数据库，打破了国外垄断，填补了国内空白，实现了对微纳器件和材料电学、热学、磁学物性的综合测量分析，性能达到国际先进水平。
关键词： 低温强磁场综合物性测量仪 基础科学 自主可控 国产化
低温强磁场综合物性测量仪是物理、化学、材料科学等领域对微纳器件和新材料电学、磁学、热学等物性测量不可或缺的关键仪器。
自1984年美国Quantum Design公司推出第一代磁物性测量设备以来，国外仪器公司相继推出了多款低温强磁场物性测量仪，经过30多年的发展，国外此类仪器理论基础、技术研究和生产工艺已非常完善，产品系列丰富，对全球基础物理探索、前沿器件研究和新材料研发等起到了重要推动作用。
近年来，国内相关单位对该仪器进行了方案设计、应用研究及样机试制，但鉴于技术基础、人才储备、资金投入等方面的限制，研发进程缓慢，关键技术指标和产品成熟度等方面相比国外有较大差距，导致该仪器长期依赖进口，目前进口数量每年达数十套。
为了解决技术风险，改变原先仪器依赖进口的局面，2020年科技部重点研发计划中设置了低温强磁综合物性测量仪专项，中船鹏力作为牵头单位承担该项目。中船鹏力在国内超低温技术领域居于领先地位，但在国际的赛道上与作为行业标杆的Quantum Design仍存在一定差距，在技术与用户体验两大层面上积极追赶。
2.1 技术突破：基于GM制冷机的无液氦超低振动低温制冷技术
目前国际上主流的无液氦低振动低温强磁场综合物性测量仪采用脉管制冷机作为冷源，而中船鹏力创新性地采用自主研发的GM制冷机（Gifford-Mcmahon制冷机，简称GM制冷机，是一种回热式小型低温制冷机）替代脉管制冷机作为冷源，其在成本、长期可靠性、维护便捷性上都比脉管制冷机具有优势。同时针对低温强磁场综合物性测量仪的低振动要求，中船鹏力创新振动隔离设计，将超低振动低温系统振动隔离技术应用于该低温制冷技术中。
GM制冷机之前广泛应用于两大工业领域，一是用于医院核磁共振，二是用于半导体领域低温真空泵，两个领域每年需求在1.5万台左右。
中船鹏力通过创新振动隔离设计，能够对GM制冷机进行减振处理，使其在低振动方面达到与脉管制冷机相近的效果，同时又具备更好的可维护性，目前GM制冷机在科研领域得到了广泛应用。
2.2 产品创新：系统测量多样化、自由度高
不同样品的最佳测量方法并不相同。目前，市场上国外产品提供的测量软件是“黑匣子”状态，在客户给出样品后输出结果，只能提供一种测量与分析方法，能够满足普通用户便捷服务需求，但对于高端科研用户来说无法获知相关测量细节，从而难以确保测量的准确性。而中船鹏力通过前期对样品测试调研，算法分析研究总结，其系统能够针对不同样品选择最优算法，在多种测量方法中为客户提供最优选择，满足用户不同需求。对于普通用户对算法了解有限，中船鹏力的系统可以进行算法推荐，用户直接使用默认算法；对于高端科研用户精通算法，系统同时实现了一部分程序开源，便于高端客户根据需求进行高自由度的测量与信号采集。
2.3 应用创新：物联网化、人机高度互联
相较于国外产品，中船鹏力基于物联网技术，实现了高程度人机互联。仪器与应用终端实现便捷通信，实现了远程一键启动和关闭功能，自动探测系统状态，故障检测与自动应急处理，实现最优的无人值守自动测量。在进行系统样品多次重复性实验时，可以通过实时监控及时了解实验动态进程，无须不断调动人员，节省了人力资源。系统出现运行问题时，数据能够通过手机小程序及时反馈到移动终端，及时通知工作人员进行处理。
低温强磁场综合物性测量仪是微纳器件和新材料电学、磁学、热学等物性测量不可或缺的关键仪器，针对该仪器完全依赖进口的现状，中船鹏力主导开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件全部国产化的低温强磁场综合物性测量仪，打破国外技术垄断，突破无液氦低温恒温控制、高稳定度超导强磁场、全自动多物性测量系统集成等关键技术，并开发相关软件和数据库。
低温强磁场综合物性测量仪在完成工程化开发之后，进入产业化推广阶段。预计到项目验收时将具备年产20套仪器的批量生产能力，实现对微纳器件和材料电学、热学、磁学物性的综合测量分析，为基础材料领域的发展奠定坚实基础。之后将依托现有国内、国际销售渠道进一步开展全球销售和市场推广，并建立应用开发和培训为一体的服务体系。
3.1 第一阶段：完成低温强磁综合物性测量仪可靠性研究
建立无液氦低温系统、超导磁体、测量模块到整机的可靠性串联模型，通过综合因子评定法开展可靠性分配。在原理样机设计阶段、工程样机阶段均开展可靠性设计，以及验证开展FMEA设计分析，从而明确仪器薄弱环节，并通过冗余设计、并联设计等手段提升仪器可靠性；在生产环节开展FTA分析，了解系统失效原因，从而找到最好方式降低风险；在仪器应用过程中开展故障报告、分析及纠正措施系统（FRACAS）对故障归零管理。
3.2 第二阶段：完成低温强磁综合物性测量仪的产业化开发
前期研发人员的仪器开发过程和后期工程师的产业化过程，是两项既相互关联但又有很大区别的活动。仪器开发更多关注技术的创新，产业化则更关注产品性能、可靠性、应用环境和市场前景。进行国内外市场调研与分析，明确仪器产品定位，建立仪器开发测试平台；整合相关开发资源，通过对该仪器原理样机、工程样机在结构、软件和外观等方面的工业设计，优化产品的综合功能、性能指标，并开发相关领域的应用方法，以适应市场需求。
3.2.1 实现系列低温强磁综合物性测量仪的小批量生产
实现核心部件以及外围附件的批量生产，实现系列低温强磁综合物性测量仪的小批量生产，在技术指标和质量指标上与国外同类产品在一定范围内开展竞争；通过小批量生产，完善各工序的作业指导书和检验文件，并根据示范应用和客户反馈进行必要的改进与优化，完成对上述系统制作工艺的进一步优化和整合。
3.2.2 完善国内国际销售渠道，扩大低温强磁综合物性测量仪市场推广
依托产业化单位已有的市场基础，针对不同领域客户的需求特点，制定系列低温强磁综合物性测量仪的销售策略，完善国内、国际销售渠道，扩大低温强磁综合物性测量仪市场推广，建立合理的销售管理机制。
3.2.3 建立并完善低温强磁综合物性测量仪应用开发、培训和服务体系
开展并总结低温强磁综合物性测量仪在物理、材料、化学等领域的应用，建立健全的检测方法，完善低温强磁综合物性测量仪的质量控制，形成对比报告；在产业化单位现有培训和服务系统的基础上，结合示范应用建立，并健全低温强磁综合物性测量仪的培训和服务体系。
工程化和产业化研究是通过专项研究提升工程化能力的研发，包括原理样机、改进样机、工程样机的研制，最后由工程样机的开发研究来确定批量生产技术参数与加工工艺，以及持续改进等产业化技术条件。
可靠性开发则是贯穿于系统集成设计、工程化开发以及产业化开发过程中，开展故障模式、影响及危害性分析（FMECA）、故障树分析（FTA）与改进、第三方实验验证、场内实验验证、应用客户验证、客户满意度调查等研究，通过提出问题—分析问题—解决问题—验证方案—优化设计的逻辑逐渐提升仪器产品的可靠性。本项目根据仪器开发和应用开发过程中总结的参数标准和规划，设计一套工程化标准，对仪器的批量化生产、改进、功能拓展、质量控制、产品系列、产品销售和售后服务等环节实施标准化管理。
目前，市场主流的低温强磁场综合物性测量仪为美国Quantum Design公司生产的全干式无液氦综合物性测量系统（PPMS DynaCool），其昂贵的仪器价格，导致众多研究单位无法购置该仪器，阻碍了相关研究的正常开展。本项目的实施，使得更多的研究单位用得起该仪器，促进研究水平的提升。
可靠性开发验证路线图
中船鹏力具有低温强磁场综合物性测量系统技术积累，以及丰富的低温仪器开发和产业化经验；具有成熟的国内外销售及服务网络、与目标客户群体已建立良好的合作关系；具有契合公司发展方向的仪器产业化规划、标准化生产基地、稳定的生产能力。因此，该项目实现产业化之后，可在国内物理、化学、材料、纳米等领域广泛推广应用，并依靠已建立的全球销售网络开拓国际市场，形成在国内市场及国际市场的全面推广应用。在研制开发的工程样机基础上，通过产品的二次工艺设计，提升产品的综合指标以更好地满足市场需求；优化产品的制造工艺、测试流程以满足产品的批量生产和售后服务需求；降低制造成本，满足市场竞争需要；建立完善的质量控制、应用开发和服务体系。
预计到项目验收时（2023年9月），将形成3种型号的低温强磁场综合物性测量仪，并具备年产20套该仪器的批量生产能力。
1.社会效益
低温强磁场综合物性测量仪是物理、化学、材料科学等领域对微纳器件和新材料电学、磁学、热学等物性测量不可或缺的关键仪器，对全球基础物理探索、前沿器件研究和新材料研发等起到了重要的推动作用，然而目前国内该类仪器完全依赖进口，在日益复杂的国际形势下，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件全部国产化的低温强磁场综合物性测量仪具体重要的意义。
在西方国家通过技术封锁、仪器禁运等方式对我国进行科技打压的国际形势下，基础设备的国产化越来越重要。中船鹏力在低温强磁场综合物性测量仪上的研发，具有自主知识产权、性能优异、质量可靠，支持了我国基础科学、材料科学的研究，也可以应用在工业领域进一步产业化，具有重大的科学意义、社会意义和巨大的经济应用前景。
2.创新价值
项目通过自主创新，攻克超高温度稳定控制、单冷源双冷却对象冷量自动匹配、Nb3Sn线圈热处理关键工艺、交流磁化率高精度快速测量、多种测量算法自由切换、标准化测量模块开源设计、工程化体系建设等多项技术难题，突破无液氦制冷、低振动控制、高场强磁体制造、宽测量范围、高测量精度、高稳定性等多项核心技术。
项目打破了低温强磁场综合物性测量仪的国外垄断，填补国内空白，实现具有自主知识产权、功能健全、质量稳定可靠、核 心部件全部国产化的产品，其性能达到国际先进水平，实现在基础物理的探索、前沿器件的原理性研究和新型材料研发等基础及前沿科学问题上的应用。