太阳分析仪

材料是社会进步的重要物质条件，半导体产业近年来已成为材料产业中备受瞩目的焦点。从沙子到晶片直至元器件的制造和创新，都需要应用不同的表征与检测方法去了解其特殊的物理化学性能，从而为生产工艺的改进提供科学依据。仪器信息网策划了“半导体检测”专题，特别邀请到布鲁克光谱中国区总经理赵跃就此专题发表看法。布鲁克光谱中国区总经理 赵跃赵跃先生拥有超过20年科学分析仪器领域丰富的从业经历，先后服务于四家跨国企业，对于科学分析仪器以及材料研发行业具有深刻理解，促进了快速引进国外先进技术服务于中国的科研创新和产业升级。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上，明确提出中国力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”的目标。“双碳”目标的直接指向是改变能源结构，即从主要依靠化石能源的能源体系，向零碳的风力、光伏和水电转换。加快能源结构调整，大力发展光伏等新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。目前，光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业，也是推动我国能源变革的重要引擎。太阳能光伏是通过光生伏特效应直接利用太阳能的绿色能源技术。2021年，全球晶硅光伏电池产能达到423.5GW，同比增长69.8%；总产量达到223.9GW，同比增长37%。中国大陆电池产能继续领跑全球，达到360.6GW，占全球产能的85.1%；总产量达到197.9GW，占全球总产量的88.4%。截止到2021年底，我国光伏装机量为3.1亿千瓦时。据全球能源互联网发展合作组织预测，到2030、2050、2060年我国光伏装机量将分别达到10、32.7、35.51亿千瓦时，到2060年光伏的装机量将是今天的10倍以上。从发电量来看，虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分，不过，从2004年开始，接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长，是当前发展速度最快的能源。2021年我国光伏发电量3259亿千瓦时，同比增长25.1％，全年光伏发电量占总发电量比重达4％。预计到2030年，我国火力发电将从目前的49%下降至28%，光伏发电将上升至27%。预计2030年之后，光伏将超越火电成为所有能源发电中最重要的能源，光伏新能源作为一种可持续能源替代方式，经过几十年发展已经形成相对成熟且有竞争力的产业链。在整个光伏产业链中，上游以晶体硅原料的采集和硅棒、硅锭、硅片的加工制作为主；产业链中游是光伏电池和光伏组件的制作，包括电池片、封装EVA胶膜、玻璃、背板、接线盒、逆变器、太阳能边框及其组合而成的太阳能电池组件、安装系统支架；产业链下游则是光伏电站系统的集成和运营。硅料是光伏行业中最上游的产业，是光伏电池组件所使用硅片的原材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长一段时期也依然是光伏电池的主流材料。在2011年以前，多晶硅料制备技术一直掌握在美、德、日、韩等国外厂商手中，国内企业主要依赖进口。近几年随着国内多晶硅料厂商在技术及工艺上取得突破，国外厂商对多晶硅料的垄断局面被打破。我国多晶硅料生产能力不断提高，综合能耗不断下降，生产管理和成本控制已达全球领先水平。2021年，全球多晶硅总产量64.2万吨，其中中国多晶硅产量50.5万吨，约占全球总产品的79%。全球前十硅料生产企业中中国有7家，世界多晶硅料生产中心已移至中国，我国多晶硅料自给率大幅提升。与此同时，在多晶硅直接下游硅片生产中，因单晶硅片纯度更高，转化效率更高， 消费占比也不断走高，至 2020 年，单晶硅片占比已达 90%的水平。用于光伏生产的太阳能级多晶硅料一般纯度在6N～9N之间。无论对于上游的硅料生产，还是单晶硅片、多晶硅片生产，硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量测量是硅材料界非常重要的课题，直接影响硅片电学性能。故准确测试上游硅料、单晶硅片中相应杂质元素含量显得尤为必要、重要。在过去的十几年中，ASTM International（前身为美国材料与试验协会）已经对上述杂质元素的定量分析方法提出了国际普遍通行的标准，其中，分子振动光谱学方法因其相对低廉的设备成本、快速、无损、高灵敏度的测试过程，以及较低的检测下限，倍受业内从事品质控制的机构和组织的青睐。值得一提的是，我国也在近几年陆续制定和出台了多个以分子振动光谱学为品控方法的相关行业标准 （见附录）。这标志着我国硅料生产与品控规范进入了更成熟、更完善、更科学、更自主的新阶段。德国布鲁克集团，作为分子振动光谱仪器领域的领军企业，几十年来坚持为工业生产和科学研究提供先进方法学的助力。由布鲁克光谱（Bruker Optics）研发制造的CryoSAS全自动、高灵敏度低温硅分析系统，基于傅立叶变换红外光谱技术，专为工业环境使用而设计。顺应ASTM及我国相关标准中的测试要求，此系统可以室温和低温下（＜15K）工作，通过测试中/远红外波段（1250-250cm-1）硅单晶红外吸收光谱（此波段红外吸光光谱涵盖了硅晶体中间隙氧，代位碳，III-V族施主、受主元素以及氮氧复合体吸收谱带。），可以直接或间接计算出相应杂质元素含量值。检测下限可低至ppta(施主，受主杂质)和ppba量级(代位碳，间隙氧)，很好地满足了上游硅料品控的要求，为中游光伏电池和光伏组件的制作打下了扎实的原料品质基础。随着硅晶原料产能的逐年提高，布鲁克公司的 CryoSAS仪器作为光伏产业链上游的重要品控工具之一，已在全球硅料制造业中达到了极高的保有量。随着需求的提升，电子级硅的生产需求也在持续增加。布鲁克公司红外光谱技术也有成熟的方案和设备，目前国内已有多个用户采用并取得了良好的效果。低温下(~12 K)，硅中碳测试结果（上图），硅中硼、磷测试结果（下图）附录：产品国家标准：《GB/T 25074 太阳能级多晶硅》《GB/T 25076 太阳能电池用硅单晶》测试方法国家标准：《GB/T 1557 硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》《GB/T 35306 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》《GB/T 24581 硅单晶中III、V族杂质含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》（布鲁克光谱 供稿）

水质分析是确定饮水安全的主要途径，目前市场上有多种水质分析仪器助力监管人员确保饮水安全。随着环保领域市场的发酵，各类环境监测仪器迎来了爆发式增长，水质分析仪器也不例外，目前市场上有多家仪器公司在水质分析仪器生产上有其独到之处，竞争激烈。　　为了让大家更好地对比目前国内外水质分析仪器的发展状况，今天我们来对比一下美国哈希和我国聚光科技最新的水质分析仪器，了解一下目前国内外在水质分析仪器生产上存在什么差距，国产仪器要崛起应该怎样弥补这些差距?　　哈希多参数水质分析仪　　哈希作为专业提供水质分析仪器的公司，其专业性和口碑不需赘言，悠久的历史、完善的产品链、专业的解决方案让哈希无愧于“世界水质守护者”的使命。　　哈希全新的SL1000便携式多参数分析仪(PPA)采用ChemkeysTM专利技术，最多能同时测量六个参数且耗时仅为传统方式的1/4，让用户在短时间内就能够得到高精确度的测量结果，并能有效地避免误差的产生。　　它利用创新专利Chemkey测量卡，大大减少废液产生 集比色及电化学功能于一体，免去携带多台设备的困扰 全中文菜单，符合中国用户使用习惯，因此在2016中国科学仪器发展年会(ACCSI 2016)之“仪器风云榜颁奖盛典”上获“2015科学仪器行业优秀新产品”奖。　　当然，纵观以往产品，我们可以看到哈希的多参数水质分析仪可检测参数总数多，监测参数包括溶解氧、pH、ORP(氧化还原电位)、电导率(盐度、总溶解固体、电阻)、温度、深度、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、若丹明WT、铵/氨离子、硝酸根离子、氯离子、环境光、总溶解气等等，并且紧跟用户需求，哈希也推出了手持终端，这为现场水质的测量提供了更多的便利。　　哈希的多参数水质分析设备多参数水质监测仪是专为现场水质测量的可靠性和耐用性而设计的仪器，可同时实现多个参数数据的实时读取、存储和分析。与数据采集装置、计算机和通讯传输设备相连可实现数据的长期在线监测和远程传输，是环境监测、检察、科研、自动监测系统、地面和地下水资源水体监测的理想帮手。　　聚光科技水质自动监测系统　　聚光科技作为国产仪器商的代表，在环境监测领域有其独到之处，近年来其水质分析仪器在多项政府项目中大展身手，吸引了业内不少注意。　　聚光科技的Buoy-3000型浮标式水质自动监测系统综合先进监测传感器、自动化控制、无线通讯传输、智能信息化等技术，对现场水域水环境进行实时在线监测，真实、系统地反映水域水质、气象等状况及其变化趋势，对水域水体污染情况进行准确、及时预警，为湖泊、水库和河口等水体环境保护和污染应急处置提供科学依据。　　Buoy-3000型浮标式水质自动监测系统采用太阳能供电，集成探头式化学法氨氮、总磷、总氮分析仪，电化学法多参数水质分析仪，光学法COD分析仪，以及气象多参数监测仪，监测指标涵盖氨氮、总磷、总氮、COD(UV)、pH、溶解氧、浊度、温度、叶绿素A、蓝绿藻、水中油等参数，并可根据现场应用灵活配置。　　该系统结合聚光科技的多种先进技术，在灵敏度、稳定性和测量结果等方面都有了大幅度的提高，而且太阳能电池的设计更符合环保要求。　　我国水质分析仪器应朝多功能化和便携化方向发展　　两相比较，我们不难看出，哈希的水质分析仪器在分析速度上有了很大层次的提升，而我国的产品在这方面还需要继续努力 在测量结果上的准确性上，双方难分高下 在实用性耐用性方面，双方平分秋色 而在仪器的便携性和多功能化方面，显然哈希的水质分析仪器更胜一筹。　　目前，便携化、智能化、快捷化、多功能化的仪器才是市场发展的主流，虽然在某些场合对大型仪器的使用非常有必要，但在绝大多数的检测活动中，轻巧便携、操作简单、功能多样化的产品显然更受欢迎，所以我国的水质分析仪器制造水平要追平国际，就需要在这些方面下苦功夫，避免出现产品结构单一、功能单一、缺乏创新等状况。仪器生产商要积极进行市场调研，根据市场需求积极创新，发展出更满足客户需要的产品。　　当下我国的环保形势良好，国家对环境监测仪器的需求大，在政策上也多有扶持，所以行业内要及时抓住机遇，依托政策，积极引进先进技术，聚集优秀人才，研发属于我们自己的国之重器，让国产仪器真正走出国门。　　当然，我国的仪器行业还存在一个状况，就是两极分化严重，一大批企业徘徊在中低端产品线上，而能与世界水平比肩的却寥寥无几，如果不能解决这个问题，长此以往，对我国的仪器行业发展并没有任何好处，水质分析仪器也如是，可见国产仪器商们要走的路还很长。

近日，天问一号火星能量粒子分析仪获得了首个科学成果，研究讨论了基于该载荷在地火转移轨道中观测到的一个太阳高能粒子事件。相关结果于7月26日发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上，并被美国天文学会（AAS）选为亮点工作，并进行了专题报道。这项研究由澳门科技大学、中国地质大学（北京）、中科院近代物理研究所、兰州空间技术物理研究所、中国科学技术大学、美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校和中科院国家空间科学中心组成的团队合作完成。火星能量粒子分析仪是我国首个用于研究行星际和近火星空间辐射环境的载荷，由中科院近代物理所和兰州空间技术物理研究所联合研制，于2020年7月搭载在天问一号火星探测器上发射升空，正式开启了探测任务。2020年11月29日，火星能量粒子分析仪在地火转移轨道距太阳1.39个天文单位（AU）处，观测到第25个太阳活动周期的首个大范围太阳高能粒子事件。事件发生时，天问一号与地球近似处于同一磁力线上，这使得天问一号和地球附近航天器能够在相隔数千万公里的地方观测到来自相同源区的太阳高能粒子，为研究太阳高能粒子沿磁力线在行星际空间的传播提供了一个宝贵的机会。而理解太阳高能粒子的加速与传播机制一直是空间物理和空间天气研究的重要课题之一。据了解，一旦离开近地环境进入太空、失去地球磁场的保护，宇航员及航天器就必然暴露在强烈的高能粒子辐射之中。与通量长期稳定的银河宇宙线不同，太阳高能粒子事件的发生具有偶发性和不可预测性。该类事件爆发时产生的能量粒子通常起源于太阳耀斑爆发和日冕物质抛射驱动的激波加速过程，其通量可高于背景宇宙线达几个数量级，不仅会对行星际和近地空间辐射环境带来巨大影响，也对载人航天和深空探测等空间任务构成巨大威胁。通过对比分析2020年11月29日事件期间，火星能量粒子分析仪和地球附近航天器的质子通量观测数据，研究团队发现，天问一号和地球附近航天器关联的磁力线并没有连接到太阳表面的爆发源区和行星际激波，这意味着，高能粒子必须跨越磁力线才能到达天问一号和地球附近航天器。研究团队还发现，两个位置处观测到的质子能谱形状非常相似，均表现为双幂律谱，且它们的质子强度时间曲线在太阳高能粒子事件衰减阶段也有着相似的演化趋势，呈现出典型的蓄水池现象。研究团队认为，双幂律能谱很可能是在激波加速源区产生，而传播过程中的垂直扩散效应是解释该事件中蓄水池现象的关键因素。同时，这项研究还讨论了太阳高能粒子事件峰值强度的径向相关性和磁力线长度相关性等。据了解，此次太阳高能粒子事件中，火星能量粒子分析仪与近地航天器的观测数据具有非常好的一致性，这表明火星能量粒子分析仪仪器功能与性能均符合设计预期，仪器测得的数据质量可靠，为后续环火星探测数据的研究奠定了良好基础，有望帮助人们更好地了解火星辐射环境以及规划深空探测任务。事件爆发时天问一号（灰色点）、火星（红点）、地球（蓝点）以及其它卫星的相对位置。（图源/《天体物理学杂志快报》）