手术刀片

记者3日从安徽省量子计算工程研究中心获悉，中国首个专用于量子芯片生产的激光退火仪研制成功，该设备可解决量子芯片位数增加时的工艺不稳定因素，像“手术刀”一样精准剔除量子芯片中的“瑕疵”，增强量子芯片向多比特扩展时的性能，提升量子芯片的良品率。据安徽省量子计算工程研究中心副主任贾志龙介绍，该激光退火仪由合肥本源量子计算科技有限责任公司研发，设备可达到百纳米级超高定位精度，可对量子芯片中单个量子比特进行局域激光退火。激光退火仪拥有正向和负向两种激光退火方式，可定向控制修饰量子比特的频率参数，解决多比特扩展中比特频率拥挤的问题，助力量子芯片向多位数扩展，该设备目前已投入使用。量子比特位数是代表量子计算机能力水平的重要参数之一，量子比特位数越高，其计算能力越强。“量子芯片生产过程中，科研人员通过无损探针仪发现量子芯片的优劣，对于其中的‘坏品’‘次品’，再用激光退火仪改善其中‘不良’的部分，从而提高量子芯片的品质。”贾志龙说。贾志龙表示，量子芯片无损探针仪和量子芯片激光退火仪都属于量子芯片工业母机，前者是发现问题，后者是解决问题，通过两台机器相互配合，才能够生产出更高质量的量子芯片。本源量子团队技术起源于中科院量子信息重点实验室，该团队一直致力于超导与硅基半导体两条产线工艺的量子计算芯片的研发，先后研发出中国首个超导量子计算机本源悟源、中国首款量子计算机操作系统本源司南、中国首条量子芯片生产线等。

低场核磁技术：油气专家手中的“听诊器”与“手术刀”[导读] 如何唤醒更多的油气资源?如何做好油气储层的增产改造与保护评价?核磁共振作为一种先进的分析手段，在其中能发挥哪些作用?有研究显示，人的一生中仅衣食住行就要消耗8469千克石油。石油天然气作为重要的战略性矿产资源，不仅关系着人们的日常生活，对经济发展同样具有非凡意义。经过长达百年的开采，油气资源的开发难度不断加大，勘探对象也逐渐从常规转向非常规、从陆地转向海洋、从浅层浅水转向深层深水，对相关技术及装备提出越来越高的要求。如何唤醒更多的油气资源？如何做好油气储层的增产改造与保护评价？核磁共振作为一种先进的分析手段，在其中能发挥哪些作用？带着疑问，仪器信息网近日采访了西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室唐洪明教授，以及西南石油大学副校长郭建春教授团队的赖杰博士。基于低场核磁，对油气储层“望闻问切” 油气藏，地壳上油气聚集的基本单元。我们认知的石油天然气通常从这类圈闭中采集得出，因此油气藏又被称为储存油气的天然“仓库”。地壳中的油气藏可分为常规和非常规两大类型，近年来随着非常规油气的不断发现和研究探索的不断深入，建立在常规油气藏研究基础上的传统石油地质学理论和方法越来越难以适应油气勘探开发新形势的需要，众多学者将兴趣点放到致密油气、页岩油气等非常规油气储层的研究中，而这也是唐洪明教授的研究方向之一。西南石油大学唐洪明教授唐洪明，西南石油大学教授，油气藏地质及开发工程国家重点实验室兼职研究员，四川省学术与技术带头人后备人选，主要从事油气储层损害机理与保护技术、非常规油气储层评价、开发地质学等领域的研究。2000年以来唐洪明教授先后主持、主研国家自然基金等5项，国家油气重大专项3项、国家高科技研究发展计划(863计划)1项。其中《川南海相页岩气开发气藏工程理论、方法与应用》等获省部级一等奖1项，《海上油田含聚污水回注技术研究与应用》等获省部级二等奖4项 授权发明专利10项 公开发表学术论文150余篇，其中SCI近20篇。省部级科技进步一等奖油气层保护技术是唐洪明教授主攻研究方向之一，该技术是个系统工程，从油气藏钻开到开发枯竭的各个环节需要实施储层保护。核心是利用各种技术，保持或者提高储层孔隙的渗流能力，实现油气藏高效持续、科学开发，降低成本，延长油气田开发寿命，提高油气采收率。据唐洪明教授介绍，原西南石油学院张绍槐院长、中国工程院罗平亚院士等专家是该技术的奠基人、开创者，经过一批专家学者的辛勤耕耘和传承，油气层保护已成为西南石油大学的传统优势学科，在国内外处于领xian水平。受老一辈专家鼓舞和以及对研究方向的好奇，1989年西南石油学院本科毕业的他毅然选择了加入油气保护技术的研究大团队，从此开启了整整30年的研究生涯。30年来，唐洪明教授在钻井、注水、修井过程中储层保护技术方面形成了自己的研究特色。组建的研究团队能够将油气地质与石油工程有机结合，将储层地质学、矿物岩石学、储层地质学等知识高度融合，解决石油工程中的技术难题，建立的储层保护与评价方法在中海油渤海、中石油新疆油田和塔里木油田等矿场得到了应用与推广，取得良好的社会与经济效益。唐洪明教授参观四川威远的中国页岩气第一井唐洪明教授的另一研究重点即开篇提到的非常规储层地质学研究，例如针对页岩气、致密油等，开展非常规优质储层控制因素研究，包括沉积、建模、成岩作用、非均质性、孔隙结构、可动流体饱和度等研究。随着研究探索的不断深入，这一部分就需要引入核磁共振设备。唐洪明教授团队基于核磁共振的成果(节选)唐洪明教授回忆说：“早年读研究生时我就对核磁共振设备有所耳闻，但当时设备以进口为主，价格昂贵，我对核磁的印象也一直停留在记忆中。后来随着非常规油气逐渐成为油气行业主角，低场核磁技术在油气勘探与开发中的文献越来越多，拥有一台核磁共振仪器也成了我和团队的梦想。”大口径核磁共振成像分析仪 MacroMR12-150H-I“十二五”期间中央财政资助地方高校进行配套设备采购，唐洪明教授通过多方了解，接触到了纽迈的低场核磁设备。经过多方论证，团队zui终购入纽迈的MacroMR12-150H-I的大口径核磁共振成像分析仪，利用T2谱分析测试储层可动流体饱和度、孔隙度、孔喉分布等参数，同时利用成像技术表征微观驱油、长期水驱孔隙结构、裂缝闭合规律等研究。相比其他分析方法，唐洪明教授认为低场核磁技术有其不可替代的优势：“它能够原位、定量表征储层驱替过程中的流体分布、孔隙结构等参数变化，同时对岩心没有破坏性，很多岩心可以重复使用，对研究成果的重现性奠定了基础。”与纽迈合作的过程中，公司经常在线指导、定期指派工程师上门维护也给唐洪明教授留下了深刻的印象。“能够保证设备长期有效运行，我认为这是一个公司做大、做强的担当与责任”。唐洪明教授补充说：“从国内外文献报道看，核磁共振已经成为研究非常规油气储层，非常重要、必不可少的手段。未来几年，在致密油、页岩气等非常储层地质特征研究、渗流机理、外流体与对岩石矿物反应机理、自吸与返排机理等方面有所突破，期待低场核磁技术在这些领域也能给我们提供强有力的技术支撑。”随着研发能力的不断进步，纽迈也开发了许多具有新功能的核磁共振设备，未来在经费和场地允许的情况下，唐洪明教授团队还有计划对设备进行升级改造。基于低场核磁，为油气储层“活血通脉” 另一位受访者赖杰博士师从教育部长江学者、国家杰出青年基金获得者郭建春教授。郭建春教授带领的课题组主要从事油气储层增产改造技术研究，重点围绕岩石、工作液、支撑剂三者之间的物理化学作用开展试验研究和理论分析，在深层非均质碳酸盐岩转向酸压技术、深层超高温储层压裂技术、水平井压裂缝网渗流与精细分段技术、支撑剂对流沉降规律与高效铺置技术等方面取得突出成果。作为课题组的一员，赖杰博士主要关注碳酸盐岩储层酸化工作液体系和工艺技术的研究。赖杰博士解释说：“碳酸盐岩主要成分是碳酸钙和碳酸钙镁，所谓‘酸化’可以理解成是把空白盐酸、胶凝酸、转向酸等不同酸液体系注入到岩石内部孔隙空间，酸液溶蚀掉部分岩石，扩大孔隙空间，从而增强石油、天然气从地底流出的能力，提高油气开采效率的过程。”酸化是油气储层增产增注的重要措施之一，碳酸盐岩中碳酸钙和碳酸钙镁的总含量通常超过90%，换句话说，大部分岩石组分都能被注入的酸液溶蚀，然而这并非研究者想要达到的zui佳状态。“我们希望酸液既能溶蚀部分岩石，扩大孔隙空间，足以让油气流到地面，又不至于产生过度溶蚀，导致岩石过于疏松而被压碎、垮塌，丧失流动通道。”酸岩反应前(左图)、后(右图)岩样端面图既要保证有序流动，又要维持岩石自身孔隙结构的完整性，就需要对酸岩反应前后岩石孔隙结构的变化规律进行研究。要揭示岩石在微观尺度上的孔隙结构特征，除了高压压汞、气体吸附、场发射电镜、CT扫描等传统方法，还有现在常用的低场核磁共振技术，因储层岩样的孔隙较小、孔隙空间分布非均质性很强，相比之下核磁共振技术具有无损检测、在线实时观测、测试效率高等特点，更能直观、准确地把握岩样整体的孔隙结构特征。“高压压汞、场发射电镜等方法会对测试岩样造成破坏，而开展了核磁共振测试的岩样还可以重复利用，这就保证了不同实验结果间较高的对比度。随着加温加压等配套设备的补齐，核磁共振仪器能还原地下高温高压环境，便于研究人员依据室内实验结果指导现场作业。”　目前，国内外采用核磁共振技术系统开展酸化研究的团队屈指可数，借助于西南石油大学石油与天然气工程学院引进的MacroMR12-150HTHP-I高温高压渗流可视化分析与成像系统，郭建春教授课题组正在这方面开展一系列创新性研究工作。但由于现有研究和应用相对较少，研究过程中也会遇到许多意料之外的问题，对仪器也提出了更高的要求。赖杰博士举例说：“酸液与碳酸盐岩发生化学反应后，产生的钙离子、镁离子导电产生新磁场，会对原有磁场形成干扰。酸液对金属容器、管线等也会造成腐蚀，因此要求仪器整体必须具备耐酸腐蚀性能。”针对这些新问题，石油与天然气工程学院正和纽迈分析仪器公司保持积极沟通，商讨解决方案，开启了高校与企业产学研合作的一种新模式。西南石油大学石油与天然气工程学院MacroMR12-150HTHP-I高温高压渗流可视化分析与成像系统[来源：仪器信息网]

2020年3月，某新能源汽车公司一则动力电池“针刺试验”视频将锂电池的安全问题推向了风口浪尖。视频中对比了三种动力电池——三元锂电池、磷酸铁锂块状电池与刀片电池，在针刺之后，电池发生短路，三元锂电池出现明火燃烧，磷酸铁锂块状电池虽无明火，但有出现冒烟，刀片电池则无火无烟。日常生活中，锂电池在不规范使用过程中仍有可能发生短路现象，比如高功率快速充电引起自燃。 锂离子电池在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌，如果充电功率过高锂离子快速脱出并“游向”负极，锂离子可能会在表面析出形成锂枝晶，如果锂枝晶不断生长，就会从负极刺穿到隔膜，造成电池短路自燃。岛津通过最新的Axis Supra+光电子能谱仪分析了造成短路的“罪魁祸首”锂枝晶的内部成分及形貌像，我们一起来看一下！图1. Axis Supra+光电子能谱仪图2. 锂离子电池结构图 X射线光电子能谱（XPS）技术现在已经成为科研分析中的日常表征手段，通过XPS结合岛津Minibeam 6型团簇离子枪可以给出材料表面元素、价态及其随深度的变化情况，离子枪加速电压可以达到20kV，相比于10kV的加速电压，离子溅射速率提升了约20倍，使其不仅可对较软的有机材料进行刻蚀，也可对无机材料进行刻蚀，如图3是Minibeam 6型团簇枪的结构图。Axis Supra+配备了独有的“半球型分析器(HSA) +球镜型分析器(SMA)”双层分析器设置，通过独立的球镜型分析器（见图4）可以对材料表面元素进行快速的化学态成像，两种技术强强联手，对锂离子电池的电极进行了表征。图3. Minibeam 6型团簇离子枪图4. 镜像分析器原理 首先通过XPS全谱分析了电极表面的主要元素，主要存在Mg、Li、Cu、O、C及少量的F、Na、Cl、S，全谱图如图5所示，之后对材料表面进行团簇刻蚀分析。刻蚀电压选择为20kV，Ar团簇数为500，此模式下刻蚀能量大，团簇数小，可以对无机材料进行快速的刻蚀，团簇刻蚀均分到每个Ar原子的能量只有40eV，因此对材料的化学态影响较小。图6是团簇刻蚀得到的元素深度分布曲线，从图中可看出，在刻蚀到2500s时，Cu元素为主要存在元素，说明已基本刻蚀到电极表面。Li、O、Cl元素靠近样品表面，Mg元素在表面与体相的分布则比较均衡。 图5. 电极表面XPS全谱图6. 电极表面的深度剖析图 深度剖析给出了材料元素的纵向分布情况，XPS成像则可以给出表面元素的横向分布情况。如图7是材料表面元素的叠加XPS成像，红色为Cl元素，蓝色为Mg元素，可以看出表面呈枝晶状分布的Cl元素，充电时Li元素与其共同沉积在电极表面形成了枝晶，Mg则属于电极表面的元素。为了对枝晶的物种成分进行分析，对枝晶区域采集了小面积的XPS精细谱，如图8所示，高氯酸盐的存在形式表明枝晶物种成分主要为高氯酸锂。 图7. 电极表面XPS成像(红色为Cl，蓝色为Mg)图8. Cl元素的XPS精细谱结 论安全无小事，跟人们生活密切相关的电池安全更是如此，随着锂电池研究的深入，锂电池部件表界面的状态扮演着越来越重要的角色，比如锂的嵌入与脱出、SEI膜的形成机理与作用、隔膜的表面修饰等等，XPS作为表面分析中重要的研究手段，正在成为锂离子电池研究开发的利器！本例中通过Axis Supra+型光电子能谱仪对锂离子电池电极进行了分析，结合团簇剖析与XPS成像分别给出了材料表面元素纵向与横向的分布情况，对电极表面及枝晶的“化学形貌像”进行了生动的呈现！ 撰稿人：王文昌