脉冲式成像仪

2004年3月27日，由中科院电工研究所承担的“低场脉冲核磁共振分析测量仪”项目顺利通过了中国科学院组织的专家验收。该项目是我国自行研制、具有完整自主知识产权的仪器设备，填补了我国在这一领域的空白，达到了国际同类产品的先进水平，部分指标处于国际领先地位。该项目的顺利完成表明我国已经掌握了低场脉冲核磁共振核心技术。那么，我们国家为什么要发展低场脉冲核磁共振技术呢？这项技术具体可以应用在哪些领域呢？带着众多疑问，笔者（以下简称：instrument）近日专程走访了该项目的负责人，中科院电工所的张一鸣研究员（以下简称：张）。　　Instrument：张研究员，您好！首先能否请您介绍一下，我国为什么要发展低场脉冲核磁共振技术？这也是仪器信息网的广大网友最为关注的话题。　　张：好的。在回答你这个问题之前，我想先提出一个判据，也就是是否发展一项技术，首先应该看如下两个方面：第一、看应用，通俗一点说就是我们国家是否需要这项技术；第二、看条件，也就是发展这项技术所需要的硬件资源我们国家是否具备。如果这两个条件都满足，那么我认为发展这项技术就应该成为一个国家行为。　　有了这个判据，现在，我就可以回答你的第一个问题了。从应用层面上看，核磁共振技术向低场脉冲方向发展是继高场波谱技术、医用成像技术之后的又一发展趋势，由电磁、电子、控制等技术和近代物理、分析化学、地球物理等学科的交叉结合而成，是核磁共振技术从面向科学研究、高档医疗诊断等高端需求转变成为面向工农业生产和地下资源勘探的普遍需求的关键技术，以此技术为核心平台的应用可以拓展到石油、天然气的勘探(核磁共振测井仪)、地下水的查找(地面核磁共振找水仪)、矿产、考古等地下资源的调查(核磁共振磁力仪)等。特别是在石油勘探、水资源查找方面显得尤为重要，因为这些领域都涉及到了国家战略资源安全的大问题。　　除此之外，该技术也为食品、农产品、石化、医药、纺织、环保等行业的分析测试提供了一项快速、无损、无需制备样品和无毒无副作用的新方法。目前，国际标准化组织已经公布了五项采用低场脉冲核磁共振技术无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量的标准。因此研究和开发低场脉冲核磁共振技术的科学价值是，为我国工农业等应用行业能够买得起低场脉冲核磁共振分析测量仪器打下了坚实的产业基础；为我国突破国外技术封锁，自行研制勘探地下资源的核磁共振仪器奠定了厚实的技术积累；为核磁共振技术的创新应用提供了完整的技术平台。例如，应用低场脉冲核磁共振技术对油料种子的无损评估是完全可能的。通俗地讲，如果不考虑费用，采用核磁共振技术检查人体和挑选西瓜没有太大的本质区别；为大幅度降低医用磁共振成像仪(MRI)的造价，使更多的医院拥有MRI，更多的人能够接受磁共振检查提供了可能的技术途径。　　再从发展这项技术的硬件资源层面上看，发展这项技术所需的硬件资源主要有两大块：一块就是低场脉冲核磁共振技术的关键，也就是磁体材料---天然磁石（钕铁硼），它的作用是提供一个背景场强，营造一个电场环境，满足发生核磁共振发生的条件。而钕铁硼这种材料资源我国是最丰富的，据相关部门统计，目前我国钕铁硼的年产量已达9000多吨，占世界总产量的50%，而且今后还将进一步提高。那么该如何充分利用这些资源呢？只是单纯地出口原材料肯定是不行的，一定要通过提高永磁材料的科技含量来提升其附加值，这也是我们义不容辞的责任；另一块硬件资源就是电子元器件方面，虽然我们国家还不是一个电子元器件方面的设计大国，但经过二十多年的改革开放，我国已经成为了一个电子元器件的制造大国。　　了解了以上两点，再回到我一开始提出的那个判据，判据里的两个条件都满足了，那么发展低场脉冲核磁共振技术也就是顺理成章，水到渠成的事了。　　Instrument：目前国外在低场脉冲核磁共振技术方面的发展情况如何呢？是否已经有商品化的低场脉冲核磁共振仪器？　　张：是的。在分析测试领域，目前世界上有三家公司提供相应的商品化仪器，很巧的是这三家公司都已经参加了贵网举办的“网上仪器展览”，分别是布鲁克公司、牛津仪器公司和共振仪器公司。当然进口仪器的价格也非常贵，最便宜的大概也要5万美金左右。在用于地下石油勘探的核磁共振测井仪方面，目前只有两家美国公司在做：一家是斯仑贝谢公司（CMR型），但这家公司不向中国出售仪器，只提供勘探服务；另一家是哈里伯顿公司（MRIL型），该公司虽然可以向中国出售相关仪器，但要附加许多限制条件，譬如出售给中国用户的仪器不允许在中国大陆以外的地区使用，而这一点极大限制了中国石油企业走出国门，参与到全球化的竞争当中去。再加上一套核磁共振测井设备的价格高得惊人，一般在150万美金左右。因此为了突破国外对我们的技术封锁，我们也必须要发展具有自主知识产权的核磁共振测井仪器。　　Instrument：您刚才提到了低场脉冲核磁共振技术可以无损同步检测含油种子含油量和水分含量以及动植物中固体脂肪含量等，那么是否有其他的分析技术也可以完成同样的任务呢？如果有的话，这些技术与低场脉冲核磁共振技术相比，各自的优劣是什么？　　张：有的，那就是近红外技术。如果将近红外技术和低场脉冲核磁共振技术进行比较的话，应该说是各有优势，也各有缺陷。从仪器的价格上说，近红外仪器较之核磁共振仪器要便宜许多，因此也易于推广，尤其是像粮食收购部门这样的广大的基层应用单位。但是采用近红外技术首先需要通过化学方法建立模型，譬如测量种子的含油量，对于不同产地的种子，需要分别建立模型，工作量太大。而核磁共振就不存在这个问题了，检测过程非常简单。此外，低场脉冲核磁共振技术除了可以进行定量分析外，还可以进行被测物质的形态分析，譬如在对注水肉进行检测时，不仅能测定肉中的水含量，而且可以测定水究竟是以什么形态存在的，是附着在肉纤维上，还是存在于肉纤维之间。　　Instrument：您认为今后在推广这项技术的过程中，最迫切需要做的是什么？　　张：我想主要将集中在以下两个方面：第一、通过大力宣传以引起广大应用研究人员的关注，要让他们了解我们的这项技术能够帮助他们解决工作中的哪些问题，这也是目前我们课题组面临的最迫切的任务，也就是如何支持广大的应用研究人员。而要做到这一点光凭我们自己的力量是不够的，需要有外力的支持；第二、要进一步控制仪器的生产制造成本。因为从低场脉冲核磁共振技术的应用角度来看，它不同于高场核磁波谱技术，高场核磁波谱技术可能更多地是应用在科学研究方面，尤其是化学结构分析方面，对实验环境的要求非常苛刻，对操作人员的技术背景、使用经验等方面的要求也非常高，而这些问题对于低场脉冲核磁共振技术是不存在的。我们现在需要做的就是如何让广大基层用户能够买得起这种仪器，真正做到经济、节省。　　采访过程中，张研究员尤其向笔者强调，低场脉冲核磁共振技术将会越来越多地被国际组织、地区和国家接纳成为产业标准，应用的行业和领域也会越来越广，低场脉冲核磁共振仪器在工农业生产上作为一种分析测量手段也已在我国开始应用。随着我国加入WTO组织，标准化的过程直接影响到贸易中技术壁垒的形成和消除。因此我们希望借助贵刊一角，呼吁相关的政府部门和企业以及科研院所，未雨绸缪，行动起来，积极推动低场脉冲核磁共振事业在我国的兴起和发展。我们也欢迎国内有意向应用此项技术的单位与我们联系，共同开拓和推广我国具有自主知识产权的低场脉冲核磁共振技术。 　　联系电话：010-62629767　　E-mail：ymzhang@mail.iee.ac.cn　　单位地址：北京市海淀区中关村北二条六号（100080）

近日，上海光源线站工程取得关键进展。储存环内安装的国内首台无源超导三次谐波腔模组将束团长度拉伸约3倍，结合束团纯化系统，实现了混合束团填充模式下单束团流强高于20 mA（图1），支持快速X光成像线站在国内首次成功实现了基于同步辐射光源的单脉冲超快硬X射线成像，其成像时间分辨率达到60 ps，并被应用到气泡动力学的超快测量，清晰观测到在激光烧蚀后不同时刻水中气泡的形核、长大、破裂以及射流过程的超瞬态图像，尤其是清晰观测到传统光学诊断手段无法观测到的微射流过程（图2），为气泡动力学这一经典问题的深入研究带来了崭新的手段。 图1. 超导三次谐波腔的安装、就位和带束调试图2. 单脉冲X射线超快成像在激光加载后不同时刻（15 μs、20 μs、30 μs、40 μs、50 μs）获得的水中气泡的瞬态图像并观测到气泡中的射流现象上海光源储存环采用被动式的超导高次谐波腔，运行频率1500 MHz，自2006年进行理论与模型腔设计研究，后在上海光源线站工程加速器性能拓展中作为束团长度控制系统的工程任务，开展了超导腔、恒温器、调谐器和高次模吸收器等的国产化自主研制。2021年2月，完成4.2 K下模组的水平测试，结果表明Q0~ 4.0×108 @ Eacc = 7.5 MV/m和Q0 ~ 3.8×108 @ Eacc = 10.0 MV/m；2021年8月，完成隧道内安装就位、降温和信号调试；2021年11月9日以来的带束调试，在储存环均匀填充四个束团串共556个束团时，束团长度（半高宽）从55 ps拉长至122 ps；混合填充1个单束团和520个束团串时，束团长度（半高宽）拉长至165.7 ps，拉伸倍数约3倍，且单束团内的流强高于24 mA，皆优于系统设计指标，为快速X光成像线站的测试提供了良好的束流条件。快速X光成像线站是一条硬X射线能量段、实现从毫秒到亚百皮秒时间分辨和微米级空间分辨成像的光束线站，该线站配置有先进的材料动态响应实验平台、高速流体动力学实验平台、动态显微CT实验平台（图3），其液氮冷却低温波荡器、液氮冷却双晶单色器、单脉冲超快X射线成像探测器（最短成像曝光时间60 ps）、高速X射线成像探测器（成像帧频达到5 M fps）、快速X射线成像探测器（成像帧频达到100000 fps）、快门系统（控制通光时间 1 ms）、同步定时系统（定时精度达到5 ps）等光束线站关键设备均由上海光源自主研制。特别是，研制成功大数值孔径三镜头双路光学转换系统与两个ICCD相机组合成双幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4a）；与微通道板和高速CMOS相机组合成多幅单脉冲超快X射线成像探测器（图4b）；可一次拍摄双幅或多幅单脉冲成像图像，时间分辨率可达60 ps，空间分辨率可达1.3 μm，对于不可重复的超快过程可实现连续、高分辨、单脉冲超快X射线成像。如图5所示，为基于研制的双幅单脉冲超快X射线成像探测器拍摄得到激光加载后两个时刻上的水中气泡的瞬态图像，可以清晰观测到一次激光加载后，水中气泡在两个时刻上不同的结构变化，两幅图像之间最短时间间隔为1.44 μs（为电子绕储存环一周的时间）。图3. 快速X光成像线站实验站图4. 研制的单脉冲超快X射线成像探测器。（a）研制的大数值孔径三镜头双路光学转换系统，与两个ICCD相机组合成双幅单脉冲超快X射线成像探测器；（b）研制的大数值孔径三镜头双路光学转换系统，与微通道板和高速CMOS相机组合成多幅单脉冲超快X射线成像探测器图5. 基于研制的双幅单脉冲超快X射线成像探测器拍摄得到激光加载后两个时刻上的水中气泡的瞬态图像，两幅图像之间最短时间间隔为1.44 μs此外，实验站还配备了一级轻气炮、霍普金森杆、燃油喷雾室、高温样品室、力学加载试验机等原位装置和自动换样机械手。该线站的建成表明，上海光源自主建设高水平硬X射线光束线站的能力登上了新台阶，我国已成功突破了同步辐射X射线超快成像的关键技术并取得重要进展，这将为我国在材料冲击响应、结构动力学、高速流体动力学、软物质动力学等方向的基础和应用研究提供了有力支撑，特别是为航空航天复合材料、推进剂和轻质合金动态服役行为研究提供了超快显微观测能力，并对关键工程材料设计具有重要指导意义。

3月24日，长春市疾病预防控制中心公开招标，购买液PCR仪、荧光定量PCR仪、凝胶成像仪等多台设备，预算587.7万元。　　招标项目编号：JM-2021-02-13864/3787-214JCZX21028　　招标项目名称：长春市疾病预防控制中心新冠肺炎等重点传染病监测和能力建设设备购置项目　　招标产品列表(主要设备)：序号货物名称数量简要技术规格1A2型生物安全柜2详见招标文件技术规格要求2双人生物安全柜23台式高速离心机14台式高速冷冻离心机15梯度PCR仪16PCR仪27暗视野显微镜18细菌全基因组测序仪19实验室自动化工作站110全自动移液工作站111流式细胞仪112脉冲场凝胶电泳系统113凝胶成像仪14全自动微生物鉴定和药敏分析系统115全自动微生物过滤系统116均质器117荧光偏振仪118荧光定量PCR仪1　　开标时间：2021-04-15 13:30(北京时间)