2016年04月08日 星期五

开放重点实验室

北京离子探针中心

北京离子探针中心简介

2001-2014

前言

    2011年11月,北京离子探针中心(以下简称“中心”)通过科技部和财政部的联合认定,成为首批23个“国家科技基础条件平台”之一。中心成立十二年来,坚定不移地走大型仪器共建共享的道路,运行效率和科研成果产出率都进入了国际先进行列。中心坚持奉行“开放、共享、高效”的方针,其运行成效尤其令人印象深刻,与之合作者从世界各国纷至沓来。 

 

科技部财政部关于认定首批国家科技基础条件平台的通知文件

在成立不到五年的时间里,中心就跻身于世界最著名地质年代学实验室的行列,成为了世界级的同位素定年平台,帮助许多同行解决关键性的颇有争议的地质学问题,从而极大地促进了国内外地质科学的发展。

    中心还成功地研发出“离子探针远程共享控制系统(SHRIMP Remote Operation System, SROS)”,通过互联网远程控制来进行锆石铀-铅年龄测定工作,这是世界上首次通过互联网进行高分辨率离子探针定年的成功范例,“让二次离子探针资源共享”的理念已得到愈来愈多人的认同。2011年2月,中心荣获科技部颁发的“‘十一五’国家科技计划执行优秀团队奖”。

一、 基本情况

北京离子探针中心成立于2001年12月18日,其核心仪器是两台“高灵敏、高分辨二次离子探针质谱计(SHRIMPⅡ )”。中心主要从事地质年代学和宇宙年代学研究;发展定年新技术新方法;进行必要的矿物微区稀土地球化学研究;解决重大地球科学研究课题中的时序问题,特别是太阳系和地球的形成及早期历史研究;主要造山带的构造演化研究;地质年代表研究;大型和特殊矿床成矿时代研究并从事科学仪器研发。

 

      中心的两台核心仪器SHRIMP II和SHRIMP IIe-MC


 

                          扫描电子显微镜(附阴极发光探头)          中国第一台高压脉冲岩石破碎机                                                  

二、    开放高效平台

(一)高效运行是实验室的责任,高效率又为发展和创新提供了更多的机会

作为国家科技基础条件平台面向全社会高效共享的典范,中心自成立以来,克服重重困难,坚持每天24小时,每周七天不间断分析样品,保持了年平均有效机时260昼夜以上的高效运转纪录,达科技部有关大型仪器运行效率之规定的优秀标准(1600小时/年)四倍之多,被誉为世界上同类仪器中运行效率最高的实验室。

                             

北京离子探针中心SHRIMP仪器2002-2013机时统计

 

      高效运行为中心提供了向国内外开放的基本条件,为更快、更多和更好地获取科研成果提供了强有力的支持。十二年来,中心共分析了16000余件锆石定年样品,为全国乃至全世界地球科学界的重大科技计划、地质大调查和找矿工作提供了强有力的技术支撑。

2013年度北京离子探针中心服务支撑的科技计划(项目/课题)统计表

项目/课题类别

项目总数统计

973/863项目/课题

63

国家科技支撑计划项目/课题

50

国家重大科技专项/国家重大工程专项(课题)

47

国家自然科学基金(重大研究计划、重点项目、杰青及面上项目)

186

其他省部级及地方项目

128

其他项目(含企业横向)

142

合计

616

 

       截至2013年12月31日,国内外学者运用在中心获得的SHRIMP数据,在国内外学术期刊上共发表论文1330余篇,其中国际SCI 473篇(由于出版周期关系,数据为不完全统计结果)。据国外同行统计,自2007年起,中心单台SHRIMP仪器的年度科研成果产出量(国际期刊论文数)在同类仪器中已跃居世界第一。

 

 

(二)开放是大型仪器中心作为科技平台的基本性质,是双赢的措施,是走向世界的大门

坚决实行“开放”,不仅为国内外学者提供了测试技术服务,同时也是中心了解最新科技动态的窗口,其最大好处是吸引了大批国内外的优秀学者,形成了广泛的学术交流,促进了实验室科研和技术水平的迅速提高。中心自身占用的机时低于每年总有效机时的10%,加上中心依托单位中国地质科学院地质研究所占用的机时,总量大约为年有效机时的25%,中心核心仪器的开放程度保持在75%左右的高水平。

               

各部委、港台及国外用机时间比例(2002-2013平均值)

      共享机制带来了巨大的工作量和众多的访问者。十二年来,共有来自国土资源部相关单位、中科院、大专院校和港台地区的30多个单位的数百名科研工作者使用中心的SHRIMPⅡ对自己的样品进行了分析研究;另外,一批来自美国、英国、法国、意大利、德国、澳大利亚、韩国、巴西、蒙古国、加拿大、波兰、土耳其、西班牙和古巴等国的学者也来中心完成锆石定年工作和短期访问,其中不乏国际一流的地质学家。中心一步步融入了国际,实验室的开放就是打开了步入国际的大门。 

(三)大型科学仪器远程共享平台

    由中心牵头,与中国计量科学研究院和吉林大学合作开发的“离子探针远程共享控制系统(SROS)”被国际同行称为“中国人开创的一项新技术”,实现了在Internet公共网络环境下,实时远程控制离子探针质谱计,在线获取试验数据的功能,能够满足多个科学家异地实时进行协同实验、研究的需要,有效地提升了离子探针质谱计实验研究的水平,更好地实现了离子探针的开放、共享。

    2005年以来,中心先后在宜昌、巴西、加拿大、南京、意大利、台北、郑州和香港建立了SROS远程工作站,形成了国际共享网络。在澳大利亚科廷(Curtin)大学和澳大利亚ASI公司建立了SROS远程服务器系统,首次实现了我国科学家对澳大利亚科学仪器的远程共享,为我国科学家远程共享国外优质科技设备资源提供了成功示范。 line-height:120%">截至2013年12月31日,SROS先后完成实际远程锆石样品测试工作共计15742.50小时,其中国内用户通过SROS共享澳大利亚两台SHRIMP II仪器的机时合计14529.50小时。位于世界各地的SHRIMP远程工作站及服务器系统目前已进入常规运转阶段,获得了国内外用户一致好评,取得了显著的社会效益和经济效益。

SROS工作站运行机时统计表(2005-2012年)

宜昌矿产地质研究所

2005.8.11-8.12

48小时

2005.12.4-12.6

72小时

2006.3.14

10小时

巴西圣保罗大学

2005.9.16-2010.12.31

352小时

加拿大安大略省地质调查局

2007.4.16-4.17

20小时

2007.12.18-12.20

48小时

意大利米兰Bicocca大学

2007.10.10-2010.12.31

343小时

台北中研院地球科学研究所

2009.3.16-2010.12.31

176小时

香港大学

2011.1.28-2011.12.31

144小时

总机时:1213h,国外用机时间:763h,国内用机时间:450h

   

(四)地学研究国际平台

      中心把“开放”从简单的提供测试机时发展到吸引国内外一流专家进行学术交流与合作,在不到五年的时间里,成为一个知名的“世界级的地质年代学平台”和“世界上最优秀的同位素地质年代学实验室之一。”

      在为全世界提供高质量测试服务的同时,中心成员还承担了多项国家和部门的重大科研项目。2001年以来,以中心成员为第一负责人的已完成和在研项目共计41项,总科研经费数达到1.45亿元(详情请参考下表)。中心的研究工作取得了诸多重要的新进展,其中不乏国际一流的研究成果。例如:Apollo月岩及月球陨石SHRIMP锆石年代学研究、中亚造山带构造域蛇绿岩锆石年代学研究及构造演化研究、早前寒武孔兹岩系研究、鞍山早太古宙构造演化研究和鲁西太古宙绿岩带的发现及演化研究等。所获成果均为世界瞩目,形成了学科优势。以中心成员为第一作者发表的国际SCI论文已有82篇。

      2009年,由中心发起组建了“中国国际前寒武研究中心(IPRCC)”(以下简称“前寒武中心”),吸引了国际前寒武研究领域的一流学者,形成了以北京离子探针中心为核心的国际性研究平台,中心主任刘敦一担任前寒武中心主任。自成立以来,前寒武中心受到了广泛地支持,近四年来已成功组织了3次在华举办的国际会议、2次境外国际地质考察活动和4次国际学术讲座,得到了国际同行的高度评价。前寒武中心的成立进一步增强了中心作为国际研究平台的地位,扩大了我国在国际前寒武地学研究中的学术影响力。

2001-2013中心承担的科研项目统计表(仅列中心成员为第一负责人的项目)

 

项目来源

项目类别

项目数

总经费(万元)

科技部

国家重大仪器设备开发专项

1

7422

科技部

国家科技支撑计划

1

2040

科技部

973计划项目/课题

1

150

科技部

国家科技基础条件平台建设

1

1760

科技部

基础性工作专项

1

750

科技部

创新方法工作专项

2

271

基金委

重点项目

2

320

基金委

面上项目

10

377

基金委

青年基金

3

60

国土资源部

科技司

1

120

国土资源部

地质大调查

3

538

国土资源部

地调局科外部

2

195

 

其它

13

478

 

前寒武中心组织的南非野外地质考察活动

 

2010年,前寒武中心主办的“第五届SHRIMP国际工作会议暨高分辨二次离子质谱(HR-SIMS)及LA-ICP-MS地质年代学进展及其地质应用国际研讨会(包括‘锆石年代学讲座’)

 

2010年,前寒武中心主办的“第五届SHRIMP国际工作会议暨高分辨二次离子质谱(HR-SIMS)及LA-ICP-MS地质年代学进展及其地质应用国际研讨会(包括‘锆石年代学讲座’)

 

2012年,前寒武中心主办的“混合岩国际讲座”和“胶东半岛太古宙陆壳演化野外地质考察活动”

2013年,前寒武中心主办的“构造地质学国际讲座”和“前寒武纪及岩石圈演化国际研讨会”

(五)大型科学仪器研发平台

质谱仪器是目前中国分析仪器市场发展要想取得突破和增长的必然选择。因我国大型质谱仪器研制与生产相对落后,其需求全部依赖于进口。从这几年的市场情况来看,中国和世界的质谱仪市场都已经进入了一个飞速发展的时期,尤其是对于中国市场来说更是如此。随着中国经济的飞速增长和社会的日益发展,对质谱仪的需求与日俱增,而中国国家政策也越来越鲜明的传达出要发展中国自己的高端分析仪器。2006年年初,中心主任刘敦一研究员向科技部等有关部门上书建议自主研发离子探针质谱类大型科学仪器。刘敦一认为:科学仪器自主研发能力的重要性再明显不过。一个国家如果没有独立自主的科学仪器研发能力,其科学技术的发展不可能领先;其工业、农业创新体系不可能形成;独立自主的国防体系不可能建立。因而科学仪器自主研发能力涉及到国家安全和民族发展的大事。2006年12月,在科技部和财政部的支持下,该项建议已在“十一五”国家科技支撑计划重大项目《科学仪器设备研制与开发》中立项,其中《二次离子质谱仪器核心技术及关键部件的研究与开发》课题由北京离子探针中心牵头负责,参加单位包括:中国计量科学研究院、复旦大学、中国科学院大连化学物理研究所和北京普析通用仪器有限责任公司等。

通过课题组成员近四年的努力,课题形成了有关SIMS和TOF串联质谱的新技术、新产品、新装置和计算机软件等共19项成果,其中5项已在相关领域成功应用,冷阴极双等离子气体源工艺研究等具有创新性。申请国内发明专利24项、国际发明专利6项。发表论文29篇,其中国际刊物发表5篇。

通过该课题的实施,新建和完善了5个质谱仪器关键部件研发基地和10多个研究试验平台,培养了一批优秀的质谱仪器研发人员,凝聚和造就了一支研发队伍,为今后大型高端质谱仪器的自主研发奠定了基础。

    北京离子探针中心在课题中完成了任务书规定的大型质谱仪器研发综合平台、离子源研发试验平台和自动换样及三维微聚焦系统试验平台的搭建,一次气体离子源、自动换样系统和三维微聚焦系统以及相应的供电和自动控制系统的研发。中心主持了整个课题的实施,很好地协调了各参加单位的任务分工,圆满地完成了任务,受到了专家领导的一致好评。

中心研发的一次气体离子源和三维样品台

中心搭建的二次离子质谱仪器关键部件研发及测试平台

   

  自动换样系统及三维微聚焦实验平台             10KV高压电源

 

在执行“十一五”国家科技支撑计划课题所建立的仪器研发平台和人才团队的基础之上,由北京离子探针中心牵头(刘敦一研究员担任项目负责人),联合中国科学院大连化学物理研究所、吉林大学和中国地质科学院矿产资源研究所共同申请的国家重大科学仪器设备开发专项项目“同位素地质学专用TOF-SIMS科学仪器”于2011年10月通过科技部组织的专家评审并正式启动,获得7422万元的专项经费支持。

该项目的主要内容是:开发用于高精度同位素丰度分析的TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)新技术,研制两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器,为岩石成因学、矿床成因学、地球环境、气候变化、月球及行星演化等热点研究领域提供最先进的技术支撑。

 

  高精度测量稳定同位素的TOF-SIMS-SI       高分辨测量稀土元素的TOF-SIMS-REE

“TOF”是“Time of Flight”一词的英文缩写,是利用不同质量数的原子在飞行管道中高速飞行一定距离后到达接收器的时间差来实现同位素分离的。TOF有很多优越性,如:分析速度极快,样品消耗很小,体积比磁质谱更小。过去,由于离子接收器的性能限制(速度不够快),TOF这种技术不可能也没有应用到高精度同位素分析领域,如地球科学和核科学等领域。近年来,离子接收系统在技术上有了突破性的进展,已有高速的接收器产品问世,TOF技术用于高精度同位素分析仪器TOF-SIMS的研发已具备技术基础。

 

 

TOF-SIMS主腔体设计

 

  

自动进样系统设计图

    三维移动样品台机械图              样品图像系统测试平台

 

          直流事务放大图                     ±250V电源实物图

 

2014年3月TOF-SIMS-REE已完成一次离子源、质量分析器与主腔体的组装

   

三、    新实验研究基地建设

       2006年以来,在国土资源部的支持下,中国地质科学院在北京市昌平区北清路中关村生命科学园购置了15亩土地营建北京离子探针中心新实验研究基地(以下简称“中心新基地”)。新基地占地15亩,已建实验楼建筑面积3176平方米,固定资产投资总额超过8000万元。中心新基地实验楼于2012年底竣工并投入使用。2013年1月,中心的样品制备车间和扫描电镜及阴极发光实验室完成搬迁并在新基地开始对外服务;2013年2月-6月,中心的两台SHRIMP II仪器陆续完成搬迁和在新基地的安装调试;2013年6月12日,中心两台核心仪器在北清路新基地顺利通过安装验收,正式对外开放。 

 

 新基地外景                             新基地内景

 

中心第一台SHRIMP仪器顺利搬迁至新基地    中心第二台SHRIMP仪器成功在新基地安装

 
四、人才团队
       人才队伍是中心持续发展的有力保障。北京离子探针中心从自身工作性质和发展需要一贯强调科研技术人才并重,并不拘一格地吸纳优秀人才。中心组建后很快便形成了一支由国际知名同位素地质学家带领的,老中青结合的优秀的技术和研究人才队伍。目前,中心共有专职人员43人:包括研究员6人、外籍教授6人、教授级高工1人、副研究员2人、高级工程师3人、助研及工程师12人、其他技术人员12人、博士后:1人;流动中外客座专家94人:包括国内专家68人( 包括院士12人),外籍专家25人。

 

中心的人才队伍

“静、净、敬、竞”四字座右铭凝练了中心团队的作风和精神,是中心成立之初,主任刘敦一送给大家的。团队精神和奋斗精神是中心成功的保证。中心团队的优秀之处在于,能以饱满的热情,一贯的耐心细致兢兢业业,踏踏实实地完成日常的技术服务工作,同时又能以敏锐的洞察力掌握学科发展的趋势,以冲击科技最前沿的胆略为中心的发展战略全力以赴,优良、独特的工作作风在在中心已经形成。