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近日，武漢中科牛津波譜技術(shù)有限公司在高端科研儀器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，攻克了14萬高斯穩(wěn)態(tài)高場超導(dǎo)磁體這一核心關(guān)鍵技術(shù)，成功研發(fā)出我國首臺600兆超導(dǎo)核磁共振波譜儀（以下簡稱“核磁共振波譜儀”）。至此，我國成為繼德國、日本之后，僅有的三個實現(xiàn)核磁共振波譜儀整機制造且核心部件完全自主研發(fā)的國家之一。

1、開展前沿科學(xué)研究必不可少的“利器”

依托中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（以下簡稱“中國科學(xué)院精測院”）成立的中科牛津，是國內(nèi)唯一從事超導(dǎo)核磁共振波譜儀研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)的企業(yè)。走進公司一樓大廳，一臺儀器模型裝置映入眼簾，旁邊整齊擺放著各種應(yīng)用場景展板。

“核磁共振波譜儀是一種基于量子精密測量的高端科研儀器，是開展前沿科學(xué)研究必不可少的分析工具。”中國科學(xué)院無線電物理博士、公司總經(jīng)理宋侃科普道。在強磁場中，科研人員能夠觀察到日常條件下看不到的物理現(xiàn)象，對有機和無機物的成分、結(jié)構(gòu)進行定性分析。

國內(nèi)985、211高校，科研院所的相關(guān)學(xué)科以及部分制藥企業(yè)都配備了這臺儀器。據(jù)中科牛津的市場調(diào)研報告，截至目前，核磁共振波譜儀的市場保有量在3000臺左右，每年的需求大約在100到200臺之間，主要依賴進口。一旦出現(xiàn)故障，維修部件往往要寄回國外處理，需要等待幾個月甚至半年時間，嚴(yán)重制約了科研進展。

“提到穩(wěn)態(tài)強磁場，大家可能感覺很陌生，但實際上它早已進入我們的生活。”宋侃表示，人體磁共振成像儀就是穩(wěn)態(tài)強磁場的典型應(yīng)用之一。

生產(chǎn)車間內(nèi)，磁體工程師正在對一臺波譜儀進行磁體組裝及最終測試。3根鋼柱支撐起一個直徑約1米、高約1.8米的圓罐，整體形態(tài)和桶裝水有點像。

“這就是我國首臺自主研發(fā)的600兆超導(dǎo)核磁共振波譜儀，罐體里面就是磁場強度14萬高斯的超導(dǎo)磁體，是地球磁場的20多萬倍。”宋侃介紹，地球磁場約是0.5高斯，這0.5高斯的強度足以撬動指南針。在14萬高斯的場強下，原子核會沿著磁場方向排列，通過額外施加電磁場，使原子核產(chǎn)生可檢測的信號，這些信號經(jīng)過處理后，可以反映出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

2018年，中科牛津?qū)崿F(xiàn)了400兆核磁共振波譜儀的產(chǎn)業(yè)化，并開始國內(nèi)銷售。“400兆對應(yīng)的場強是9.4萬高斯。600兆和400兆相比，就像顯微鏡放大30倍比放大10倍看得更清楚。”宋侃說，磁場越強，越有助于科研人員探明物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為人類探索自然規(guī)律、研究新型技術(shù)提供更好的條件。

2，摸著石頭過河，搭建國內(nèi)生產(chǎn)線

宋侃介紹，磁場產(chǎn)生的原理很簡單，通電的螺線管就會產(chǎn)生磁場，電流密度越大，磁場越強。相比常規(guī)導(dǎo)體需要通電才能產(chǎn)生電流，超導(dǎo)體由于幾乎沒有電阻，不需要電源即可閉環(huán)形成強大的電流，從而可以長時間保持穩(wěn)定、均勻的強磁場。

從9.4萬高斯到14萬高斯，看起來似乎微不足道，但突破的背后，不僅包括材料、技術(shù)、工藝等改進，還需要研究和設(shè)計思路上的創(chuàng)新。“就好比100米自由泳，潘展樂在巴黎奧運會4×100米混合泳接力中，游進了46秒，這是不是他的極限我不知道，但在此基礎(chǔ)上縮短哪怕0.5秒，難度都極大。”愛看體育比賽的宋侃打了一個比方。

“全球范圍能提供商用600兆超導(dǎo)磁體的國家只有英國、德國和日本。如果不攻克這個技術(shù)，我們的整機制造就會受制于人。”宋侃表示，2016年，中科牛津與英國牛津儀器公司達成合作，進行超導(dǎo)磁體的技術(shù)轉(zhuǎn)移。同年，公司組織技術(shù)團隊到英國牛津?qū)W習(xí)磁體技術(shù)和制造工藝。

學(xué)成回來后，宋侃發(fā)現(xiàn)，萬里長征才走完第一步。由于核磁共振波譜儀的全球市場規(guī)模僅為醫(yī)用人體磁共振成像儀的十分之一，技術(shù)難度又大，因此上游廠家很少，需要自己構(gòu)建起供應(yīng)鏈。比如所需的超導(dǎo)線材，極為稀缺。為獲取這種材料，科研人員要找線材廠家共同攻關(guān)技術(shù)難點。

宋侃回憶道，那時候光谷七路連路燈都沒有，晚上出了園區(qū)伸手不見五指。“我們十幾個年輕人就住在廠房，憑著對事業(yè)的熱愛和激情，一天工作10多個小時，累了就去歇會兒，起來接著干。周末，從光谷坐3個小時車到市區(qū)補充點物資，天黑前再坐車返回廠房。”

這樣的生活持續(xù)了好幾年，直到國內(nèi)生產(chǎn)線搭建成功。“完全是摸著石頭過河。”宋侃說，生產(chǎn)用的設(shè)備定制化程度太高，市場需求又不大，國內(nèi)好多設(shè)備廠家既沒見過也沒興趣做。研發(fā)團隊必須自己傾注心血進行設(shè)計、研制、驗證再投入生產(chǎn)使用，產(chǎn)線的搭建花費了大量的時間和精力。

3、幾代人的技術(shù)積累才有今天的成功

“核磁共振波譜儀是科技部支持國產(chǎn)大型科學(xué)儀器開發(fā)項目里，國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化都做得比較好的項目。”原軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院研究員，“十一五”“十二五”國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)項目專家組專家顏賢忠教授說：“幾代人的技術(shù)積累，才有今天的成功。”

以中國科學(xué)院精測院葉朝輝院士為代表的一代探索者，在20世紀(jì)70年代就開始進行核磁共振波譜儀的理論探索。2009年，葉院士接受科學(xué)時報采訪時曾表示，新儀器和新技術(shù)是創(chuàng)新的重要源泉。如果放棄儀器的自主研制，往往拿不到原創(chuàng)性的東西。

“對于研制核磁共振波譜儀這個項目，國家一直很重視，也很支持。”顏賢忠教授說，2006年、2011年，中國科學(xué)院精測院葉朝輝院士、劉買利院士親自牽頭負(fù)責(zé)“十一五”“十二五”科技部重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)重點專項的項目實施。

葉朝輝院士的博士、宋侃的博士生導(dǎo)師劉朝陽研究員是這兩個項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人，在葉朝輝院士、劉買利院士的支持下，劉朝陽帶領(lǐng)團隊實現(xiàn)了核磁共振波譜儀的研發(fā)及工程化，攻克了波譜儀控制臺、寬帶高精度頻率源、自動勻場、復(fù)雜譜信號處理等諸多波譜儀關(guān)鍵技術(shù)，研制出完整的原型樣機。

“原型樣機是產(chǎn)品開發(fā)過程中試制階段的樣品，用來驗證產(chǎn)品的技術(shù)可行性和工藝可行性。”宋侃說，這一步非常關(guān)鍵。當(dāng)時他跟著導(dǎo)師劉朝陽參與項目，為了達到和進口儀器同樣的指標(biāo)水平，他們把同一套標(biāo)準(zhǔn)樣品和測試流程在進口儀器和原型樣機上進行反復(fù)測試對比，一點一點校準(zhǔn)、優(yōu)化儀器的性能參數(shù)。

精益求精的鉆研精神，從一個指標(biāo)可見一斑。比如分辨率，為了和進口設(shè)備的精度誤差控制在十億分之一以內(nèi)，團隊要反復(fù)調(diào)試幾個月甚至半年。“高端科研儀器是一點一滴鉆研出來的。只有每個指標(biāo)都近乎完美，儀器才穩(wěn)定可靠。”宋侃說。

2014年，劉朝陽團隊完成了核磁共振波譜儀“從0到1”的技術(shù)突破，研究成果獲得了湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎。宋侃說，正是在這個過程中，團隊積累了很多系統(tǒng)集成和整機技術(shù)的寶貴經(jīng)驗，才有能力讓技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，成為實實在在的生產(chǎn)力。

4、已接到十多所院校的訂單，中國科學(xué)院海西研究院正在裝機

8月8日，中國科學(xué)院海西研究院開始安裝中科牛津的核磁共振波譜儀。裝機成功后，海西研究院將用來研究太陽能電池器件中的有機功能材料以及熱電器件中有機材料的結(jié)構(gòu)、純度等。

“這是公司安裝的第200臺，也是600兆超導(dǎo)磁體全部國產(chǎn)化的第一單，目前已接到十多所院校的訂單。”宋侃介紹道，200臺包括此前已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化的400兆核磁共振波譜儀，通過這幾年的市場反饋，公司的產(chǎn)品認(rèn)可度越來越高。除中國科學(xué)院下屬院所以外，儀器在清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、武漢大學(xué)等高校已投入使用，并出口十多個國家和地區(qū)，預(yù)計可支撐上千項課題的研究。

去年，由中科牛津牽頭承擔(dān)的“十四五”科技部重點研發(fā)專項正式立項并啟動，標(biāo)志著國產(chǎn)核磁共振波譜儀向著更高性能和健全的產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁入新的階段。

“核磁共振波譜儀的研制，承載了中國科學(xué)院精測院幾代人的辛苦探索和心愿，我們年輕一輩要繼續(xù)奮斗。”對未來，今年38歲的宋侃充滿信心，他將帶著這支平均年齡不到40歲的團隊全力以赴，繼續(xù)攻關(guān)，生產(chǎn)穩(wěn)定、可靠、好用、耐用的核磁共振波譜儀，以奮勇爭先的姿態(tài)，為加快實現(xiàn)高水平科技自立自強積極貢獻力量。