大型儀器設(shè)備安全使用與科學(xué)規(guī)范化管理

畢四軍，周保范，李喜玲

（蘭州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

大型儀器設(shè)備是高校進(jìn)行教學(xué)、科研的重要物質(zhì)條件［1］，是進(jìn)行科技創(chuàng)新和發(fā)揮科技人員潛力的一個重要支撐，更是培養(yǎng)人才的重要基地［2］。蘭州大學(xué)磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（磁學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）現(xiàn)擁有37臺總價值4 600多萬元的大型儀器設(shè)備，包括穆斯堡爾譜儀、FEI Tecnai F30透射電鏡、場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、MPMS XL、振蕩樣品磁強(qiáng)計、M－H Loop、半導(dǎo)體超凈室、XPS、分子束外延低維功能材料制備系統(tǒng)、綜合熱分析儀、計算機(jī)群等。安全使用，科學(xué)規(guī)范地管理好這些大型儀器設(shè)備，確保每一臺大型儀器設(shè)備長期良好的工作狀態(tài)，就可以為學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、社會服務(wù)提供良好的平臺。

1 大型儀器設(shè)備的安裝

大型儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)含量高，它融合了光學(xué)、機(jī)械、電子、物理、化學(xué)和計算機(jī)等方面的高精尖技術(shù)［3］。安裝是確保大型儀器設(shè)備長期安全使用的重要環(huán)節(jié)，涉及多方面的技術(shù)和條件。規(guī)范、良好的安裝，是大型儀器設(shè)備安全運(yùn)行的重要保證和良好開端。

1.1 大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)室的選擇與環(huán)境要求

現(xiàn)在很少有高校專門為某臺或幾臺大型儀器設(shè)備建造一棟實(shí)驗(yàn)樓的，大多數(shù)情況是在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)用房條件下進(jìn)行調(diào)整。現(xiàn)在許多大型儀器設(shè)備都是“重量級”的，設(shè)備的安裝要考慮房屋地面的承重能力，特別注意每平方米所能承受的重力（普通建筑物的承重能力不大于4kPa，大部分為2.5～3kPa），還要考慮設(shè)備安裝的搬動情況以及大型儀器設(shè)備的配套設(shè)備（冷水機(jī)、空調(diào)、室外機(jī)組）。室外機(jī)組都需要放在通風(fēng)開闊處，室內(nèi)和室外的連線要盡可能短，因此，大型儀器設(shè)備最好安裝在地面一層。

大型儀器設(shè)備對房屋和周圍環(huán)境有較高要求，它需要一個安全、防震、防潮、防塵、防電磁干擾的環(huán)境，因此往往需要對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行改造。對防震要求高的大型儀器設(shè)備（如透射電鏡）需要采用混凝土減震臺，在底部和周圍鋪設(shè)彈性軟墊層，以減少儀器的震動。對于TG／DTA、DSC等大型儀器設(shè)備放置的混凝土臺面，要求牢固、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)，在實(shí)驗(yàn)臺上鋪橡膠墊，儀器放在上面穩(wěn)定、震動小，能很好地起到防震的作用。

溫度、濕度與大型儀器設(shè)備的正常工作密切相關(guān)。由于溫度的變化，不同材料組成的部件會因?yàn)榕蛎浵禂?shù)不同而發(fā)生變形，與原基準(zhǔn)產(chǎn)生偏差；濕度太大會使大型儀器設(shè)備的金屬部件銹蝕［4］，影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性，甚至損壞儀器。選擇空調(diào)除要考慮實(shí)驗(yàn)室的面積和教師學(xué)生人數(shù)外，還要根據(jù)大型儀器設(shè)備工作的散熱情況，選擇比實(shí)際面積適用空調(diào)功率大1kW左右的空調(diào)，空調(diào)應(yīng)放在離大型儀器設(shè)備較遠(yuǎn)的位置。

磁場、噪音也會對大型儀器設(shè)備的測量和實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。電梯、汽車等鐵磁性物體在儀器附近移動會產(chǎn)生磁場變化，而磁場的變化對儀器輸出的圖像產(chǎn)生影響。儀器周圍有馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、變壓器、永久磁鐵、電力線、電磁爐也會影響圖像的質(zhì)量，造成測試數(shù)據(jù)點(diǎn)的跳動。由于噪音作用到鏡筒或樣品室上會轉(zhuǎn)化為震動，干擾電鏡的正常工作，必要時可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)加裝吸音材料（如吸音氈、微孔板等）。儀器設(shè)備的安裝房屋要遠(yuǎn)離電梯、道路、電力線和變壓器等。

1.2 大型儀器設(shè)備安全用電的技術(shù)措施

大型儀器設(shè)備能否正常使用，人員與儀器設(shè)備是否安全，都與大型儀器設(shè)備電源接法、儀器的接地保護(hù)、電線的容量有關(guān)。

大型儀器設(shè)備的接地保護(hù)，目的是保護(hù)設(shè)備和人身安全，既可以避免雷電造成的危害，又為設(shè)備漏電或電路出現(xiàn)故障而產(chǎn)生的大電流提供放電通路。接地保護(hù)還可以防止設(shè)備靜電積累，提高電子電路的穩(wěn)定性［5］。大型儀器設(shè)備接地電阻一般不能大于4Ω，以實(shí)現(xiàn)良好的接地保護(hù)。

大型儀器設(shè)備穩(wěn)壓電源的功率應(yīng)是儀器總功率的1.5倍以上，而電纜線的粗細(xì)要根據(jù)大型儀器設(shè)備的總負(fù)荷大小選擇，最好比要求的粗一些。大型儀器設(shè)備三端（三孔）電源插頭的接地線不能開路，如果是二孔插頭，不能甩掉接地線，否則易造成儀器設(shè)備損壞和人身傷害事故，最好更換為三端插頭［6］。

2 科學(xué)管理，安全使用，精心維護(hù)保養(yǎng)

為保障大型儀器設(shè)備能長時間安全使用，需要有科學(xué)化、規(guī)范化的管理和健全的規(guī)章制度。

2.1 科學(xué)化、規(guī)范化的管理

大型儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)先進(jìn)、多組合、多功能、更換功能選件頻繁、操作規(guī)程嚴(yán)格復(fù)雜，因此對大型儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)化、規(guī)范化的管理非常必要。為此，磁學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和全社會服務(wù)的需要，將實(shí)驗(yàn)室的大型儀器設(shè)備劃分為3種類型并規(guī)定了額定機(jī)時，其中公用型為1 200 h／a，專用型為400h／a，其他型為800h／a，提高了儀器設(shè)備的使用效率。

大型儀器設(shè)備的安全使用，首先要從管理入手，建立健全管理制度并嚴(yán)格監(jiān)督檢查［7］。這些制度包括：

（1）大型儀器管理制度；

（2）大型儀器設(shè)備年度評價考核辦法；

（3）大型儀器年終評價、獎勵制度；

（4）大型儀器測試、收費(fèi)管理制度；

（5）大型儀器操作培訓(xùn)、考核、準(zhǔn)入制度；

（6）大型儀器保養(yǎng)、維護(hù)、維修申請執(zhí)行辦法；

（7）儀器主管、主管儀器工程師、儀器操作人員職責(zé)；

（8）大型儀器的崗位要求；

（9）大型儀器的操作規(guī)程、注意事項(xiàng)。

這些規(guī)章制度為大型儀器設(shè)備的工作人員設(shè)定了準(zhǔn)入門檻，明確了崗位職責(zé)，使大型儀器設(shè)備的操作、維護(hù)和管理人員知道自己的責(zé)任，設(shè)備的管理、維護(hù)、操作、使用都有章可循，為教學(xué)、科研提供了良好的環(huán)境和保障。

磁學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的每一臺大型儀器設(shè)備都有3類人員共同負(fù)責(zé)管理。

一是儀器設(shè)備主管，由教師擔(dān)任。他們熟悉當(dāng)今學(xué)科研究的方向和進(jìn)展情況，熟悉該儀器在科學(xué)研究中的作用，從學(xué)科研究方向查閱文獻(xiàn)，拓展、開發(fā)儀器測試功能，提高測試的準(zhǔn)確性和精度，并能對測量結(jié)果進(jìn)行很好的分析。

二是主管儀器設(shè)備工程師。他們精于技術(shù)、注重服務(wù)，負(fù)責(zé)儀器設(shè)備的日常保養(yǎng)和定期維護(hù)，每周有固定時間做測試工作。他們能及時發(fā)現(xiàn)儀器出現(xiàn)的問題，摸索測試操作的技巧和方法，取得最佳的測試效果，并能夠協(xié)助儀器主管完成儀器功能開發(fā)和特定的測試工作。

三是測試操作人員。他們的主要工作是嚴(yán)格按照操作規(guī)程操作儀器，認(rèn)真測試和記錄實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)儀器運(yùn)行中遇到的問題并報告儀器主管或主管儀器設(shè)備工程師，以保證儀器設(shè)備安全正常運(yùn)行。

為保證儀器設(shè)備的安全使用，為儀器設(shè)備的維護(hù)、維修提供技術(shù)支持，每臺大型儀器設(shè)備都要建立儀器設(shè)備檔案，其內(nèi)容包括：

（1）技術(shù)資料，其中含購置論證報告、購買合同、技術(shù)協(xié)議、驗(yàn)收報告、與廠家或供應(yīng)商的聯(lián)系記錄、用戶使用手冊、電子資料、模擬運(yùn)行軟件等；

（2）測試運(yùn)行資料，包括預(yù)約記錄、測試運(yùn)行記錄、日常保養(yǎng)維護(hù)記錄、異常故障現(xiàn)象維修記錄、測試參考文獻(xiàn)等。這些資料檔案為大型儀器設(shè)備長期安全使用、科學(xué)管理提供良好的保障。

2.2 大型儀器設(shè)備的安全使用

大型儀器設(shè)備安全使用，就是保證儀器設(shè)備本身的安全和操作人員的安全。每臺大型儀器設(shè)備的3類工作人員都具有很強(qiáng)的責(zé)任心和敬業(yè)精神，熟悉大型儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能、原理和操作技術(shù)，熟悉儀器上的每個按鈕、開關(guān)，以保證操作儀器不失誤。

大型儀器設(shè)備的安全使用，一定要嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行開機(jī)前準(zhǔn)備，觀察實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、冷卻循環(huán)水位、電源插座等，確認(rèn)滿足開機(jī)條件后再啟動儀器，并保證預(yù)熱、電池充電的時間符合規(guī)范。

在使用大型儀器設(shè)備測試前，一定要準(zhǔn)備、處理、安裝好樣品，特別是粉末、液體、加熱易沸騰的樣品，防止污染大型儀器設(shè)備的樣品平臺或樣品腔，否則將影響儀器的安全使用和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

大型儀器設(shè)備都有電腦控制，常用外置刻錄機(jī)來輸出數(shù)據(jù)，也可以將儀器控制電腦與另一臺電腦（作為導(dǎo)出數(shù)據(jù)的站點(diǎn)）相連實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，但要防止病毒侵襲控制電腦，保證儀器的安全使用。

對于需要更換選件來完成不同功能的儀器，選件的更換一定要嚴(yán)格按照操作規(guī)程，做到認(rèn)真、細(xì)致、精確、快速（開機(jī)狀態(tài)），更換完成后應(yīng)進(jìn)行儀器校準(zhǔn)與檢驗(yàn)，以達(dá)到最佳測試效果。

2.3 定期校驗(yàn)、保養(yǎng)和維護(hù)

為保證大型儀器測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，除了采用正確的分析方法外，大型儀器設(shè)備的精度符合要求也是必要的前提［8］。因此，大型儀器設(shè)備要按照技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定。通常，儀器設(shè)備長時間放置、移動、更換選件和部件、進(jìn)行維修以后，都要進(jìn)行校驗(yàn)和標(biāo)定，使儀器的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。

良好的保養(yǎng)與維護(hù)對大型儀器設(shè)備的安全、長期使用，減少故障的發(fā)生至關(guān)重要。大型儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要定期對光路系統(tǒng)等進(jìn)行除塵、防霉處理，對于電路、光電監(jiān)測進(jìn)行除塵除污；對于機(jī)械、機(jī)械傳動進(jìn)行防銹、潤滑保養(yǎng)［9］；對氣路、水路進(jìn)行清潔、疏通；對于真空部件要檢查油泵油面的高度，干泵要定期更換密封件；對于儀器的外部機(jī)要進(jìn)行清洗，保證大型儀器設(shè)備處于良好工作狀態(tài)。

進(jìn)入大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)室，要經(jīng)常聽、聞、看——聽儀器內(nèi)部有無異常聲音，聞有無異常的氣味（臭味、焦味等），看儀器控制電腦有無警告或異常信息、有無冒煙和打火等異?，F(xiàn)象。如有異常應(yīng)及時檢查和處理，防止儀器受到更大的損壞。

現(xiàn)代大型儀器設(shè)備都采用微機(jī)控制，儀器自控自檢功能很強(qiáng)，能自動顯示儀器運(yùn)行過程中出現(xiàn)的異常狀況，為及時、有效地做好故障早期監(jiān)測、排除提供了便利［10］。對于24小時工作的儀器，24小時都要運(yùn)行跟蹤監(jiān)測儀器狀態(tài)的軟件，形成運(yùn)行環(huán)境文件，以便查找、分析故障原因。如果對儀器故障的判斷不清，應(yīng)及時與廠家或供應(yīng)商聯(lián)系，有條件時也可以進(jìn)行故障的遠(yuǎn)程診斷。

3 保護(hù)大型儀器設(shè)備安全使用的應(yīng)急措施

大型儀器設(shè)備的安全與電源、環(huán)境的溫濕度等有密切的關(guān)系。溫度、濕度超范圍，突然的停電和不確定的來電，都不利于儀器設(shè)備的正常運(yùn)行，例如可使如MPMS、核磁共振波譜儀的制冷液氦揮發(fā)，造成儀器的損壞。因此，需要有大型儀器設(shè)備防護(hù)的應(yīng)急措施。

3.1 溫度、濕度、斷電自動報警

當(dāng)溫度、濕度超出儀器預(yù)先設(shè)定的范圍時，立即向預(yù)先設(shè)置的管理人員手機(jī)呼叫報警或發(fā)短信報警，通過指定的命令可實(shí)時查詢實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前的溫濕度值。

當(dāng)發(fā)生斷電時，儀器立即通過通信系統(tǒng)自動向預(yù)先設(shè)定的管理人員語音報警或發(fā)短信報警。由于設(shè)備中內(nèi)置備用電源，即使在斷電時仍可報警。

3.2 不間斷電源

不間斷電源（UPS）具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、防干擾等功能。當(dāng)市電供電中斷時，UPS能快速切換，將蓄電池提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡?1］，延長一段供電時間供應(yīng)急處理，以記錄、保存數(shù)據(jù)和正常關(guān)機(jī)。

自動報警和UPS結(jié)合起來使用有很好的安全效果。實(shí)驗(yàn)室管理人員可以在任何地方和任何時候通過報警器指定的命令，實(shí)時查詢實(shí)驗(yàn)室的溫濕度值，了解大型儀器設(shè)備工作的環(huán)境情況并在供電突然中斷時立刻收到語音或短信報警，及時檢查、記錄設(shè)備情況，保存數(shù)據(jù)并正常關(guān)機(jī)。

對于24小時不間斷工作的儀器，斷電或制冷系統(tǒng)發(fā)生故障后若不及時處理，將會使液氦大量丟失，嚴(yán)重時將會造成失超［12］，損壞儀器。因此，斷電后的來電通知很重要。報警裝置有來電通知功能，來電后自動電話或短信通知管理人員，使他們及時到實(shí)驗(yàn)室檢查儀器設(shè)備并重新開機(jī)，減少液氦的揮發(fā)，保證大型儀器設(shè)備的安全使用。

4 結(jié)束語

大型儀器設(shè)備的長期安全使用，離不開科學(xué)化、規(guī)范化的管理；大型儀器設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，離不開管理人員認(rèn)真、細(xì)致的工作。安全使用和科學(xué)化、規(guī)范化管理，將最大限度地降低大型儀器設(shè)備的故障率，保障大型儀器設(shè)備能提供準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究、人才培養(yǎng)發(fā)揮最大的作用。

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