孫蘭香：激光誘導擊穿光譜技術的起步
01
一項艱巨的任務
2006年末，我在所里讀博士將滿一年，這期間導師于海斌給的任務是論證電機節能的空間和可行的方案。但令我沒想到的是，他突然跟我講：要給你安排更艱巨的任務。
2007年初，導師拿了一份美國能源部2005年的一個項目研究報告，中文題目是「鋁、玻璃、鋼工業熔融化學成分的在線、實時測量」，他說這可能是一項對我國工業發展非常有用的技術，讓我好好研究一下。報告中採用的技術叫Laser-induced breakdown spectroscopy，簡稱LIBS，中文翻譯叫激光誘導擊穿光譜技術。LIBS技術涉及的基礎理論更多的是原子光譜物理和分析化學相關的知識，對一個自動化專業出身的學生來說，真有些望而生畏。幾天後，導師找到了劍橋大學剛剛出版的一本介紹LIBS的合集，專門組織了一個研究小組每周討論學習這本書，並由他親自帶隊，小組成員包括楊志家副主任、郭前進師兄、叢智博和我，每周會安排一個人講解其中一章的內容。經過大概兩個月的集中學習後，我們都對LIBS技術有了初步認識，就進入了大家各自獨立悟道的階段了。LIBS被國際上著名的分析化學家譽為是實時探測元素組成的一項新技術，比傳統的方法具有更廣泛的應用領域，是在線分析的理想選擇。
我們滿懷著期待，開展基礎研究，建立實驗平台，做試驗，分析數據，總結試驗現象。隨著研究的深入，我們也逐漸認識到，LIBS技術並不像表面上那麼簡單。工業環境下面臨著很多不確定條件，這使得LIBS高精度在線分析面臨巨大的挑戰，包括信號分析處理和工程實施的諸多方面。
02
挑戰鋼水成分在線分析
很幸運，我們在2008年底成功申請到國家「863」計劃項目的支持，項目目標是基於LIBS技術開發面向冶金生產過程的在線分析裝置，由楊志家主任擔任項目負責人，我擔任技術負責人。
那時以至今日，我國為全球第一大粗鋼生產國，然而與這一成績並存的卻是我國鋼鐵工業的高能耗。實現鍊鋼過程鋼水成分在線檢測被鋼鐵企業譽為是一項改變鍊鋼生產模式的革命性技術。在這樣的背景下，LIBS在線分析技術和裝備開發就從鋼水成分在線分析開始了，我們挑了冶金行業中大概是最難實現的一個過程，但這是國家的需求，是國民經濟發展的需要，再難我們也應該去做。
當時項目的核心成員只有三名，叢智博、辛勇和我，都是剛剛畢業的學生，沒有什麼經驗，只能依靠查閱文獻慢慢摸索。第一版樣機出來後，面對的大困難是鋼水熔煉試驗，一個30千克的電感爐我們沒人會操作，由於我們不懂熔煉工藝，實際操作中表面看起來沒有熔化，但實際已經發生了結殼，導致內部溫度過高爐底燒穿，1600度以上的高溫鋼水從爐底流了出來，整個D樓全是煙塵，還好我們提前把防護措施準備得很到位，最終並沒有造成任何損失。後來在東北大學冶金學院聘請了一位有經驗的老師傅，為我們完成熔煉任務。
實驗室完成可行性驗證後，2010年底開始工廠試驗。工廠的合作夥伴是撫順新鋼鐵公司，鍊鋼廠的李勇廠長非常關注我們這項技術，對工廠試驗給予了很大的支持。為了儘可能多地獲得數據，我們連續幾天都工作得很晚。鋼廠的環境很惡劣，而且我們的設備就安裝在轉爐爐後，1600度以上的鋼水就離我們幾米的距離，剛開始看到時需要克服心理上的恐懼。一天下來，即便戴著口罩，面部和鼻孔也都是黑色的。鋼廠一線沒有女職工，因此也沒有女廁所，試驗過程中如果有需要我就得去辦公樓那邊，所以要盡量少喝水。
在工廠的大力配合下，我們的試驗很順利，成功獲得了液態鋼水的分析數據，驗證了裝備和技術的可行性。值得欣慰的是，經過短短4年時間，我們從零開始，做到了工廠的應用驗證，這也是國內LIBS技術首次在工廠生產中獲得了液態鋼水的分析數據，我們的「863」項目也順利通過了驗收。
03
研製鋼水成分在線分析儀
2012年我們又獲得了第二個「863」項目的滾動支持，繼續完成鋼水成分在線分析儀的研製。與此同時，我們也獲得了多個項目的支持，我們的研發團隊也在逐漸壯大。這一期的項目目標是研製一套真正無需取樣的在線分析裝備，我們要解決等離子體遠距離激發、信號遠距離傳輸、厚厚爐渣層阻礙、1600度以上高溫防護等問題，技術難度非常大。這一次，我們採用了雙脈衝激發與望遠鏡相結合的技術，實現5米以上距離的探測。
項目組在試驗現場（2015.1.1）
樣機通過實驗室測試後，2014年開展了第二次工廠試驗。但是，這次的工廠試驗沒有那麼順利，前端探頭雖然通過了實驗室小感應爐的測試，但實際生產過程中鋼水上面厚厚的爐渣層使得探頭很容易碎裂。經過幾個月，嘗試了將近10種類型的探頭，終於在一家耐火材料廠定製了一批合適的探頭。探頭成功以後，我們開始了真正的在線測量試驗。轉爐鋼水轉到鋼包裡面後，要在鋼包裡面調合金並吹氬氣攪拌，攪拌均勻後取樣化驗分析，分析過程鋼包要靜等結果出來，等待時間通常是3~5分鐘。我們的設備就在這個等待過程開始測量，1分鐘之內給出結果，再跟他們的分析結果比對。連續幾天比對之後，數據的一致性不僅令我們很滿意，也使工廠的工人很驚訝。
2015年1月1日元旦那天，我們圓滿完成了工廠試驗任務。這不僅實現了我國鋼水成分在線檢測零的突破，也在國際上首次實現了40噸級鋼包的鋼水成分在線檢測。李廠長也很興奮，他說「沒想到你們幾個小孩竟然把這事做成了，尤其是你這個看起來很斯文的女同志帶隊！」這一天，我們一起留下了一張非常有紀念意義的合影。
這個階段性成果獲得了所里的認可，也贏得了「863」項目驗收專家的好評。但是我很清楚，裝備如果要滿足工業大生產長期可靠運行的需求，還有很多工作需要繼續完善。從那以後，我們一直致力於將這項技術實用化，並向其他應用領域推廣。我們開展了小型化、可靠性、環境適應性等多方面的研究和試驗，並向著鋁合金、銅合金、選礦等行業應用拓展。令人頭疼的是，工況千差萬別，每一個領域都有特殊的問題需要解決，應用推廣的道路非常不平坦。這些年走過來，我深刻體會到一項技術從可行性驗證到實用化應用，是一段漫長而曲折的道路。儘管曾經有值得慶賀的成績，但更多的是道路上默默的行進！
04
學術界的認可
這些年憑藉我們不懈的努力和所獲的成績，已經在學術界獲得了高度的認可。基於LIBS的冶金在線分析方面，我們在國內具有絕對的領先地位，在國際上也具有一定的知名度。「厲害」、「了不起的工作」是我們時常收到的同行評價。2016年，在新成立的中國光學工程學會LIBS專業委員會中，我兼任第一屆常務委員，也是其中最年輕的常委。2017年，我入選為國際LIBS科學委員會成員，其中亞洲僅入選8人。
更讓我信心滿滿的是，我們擁有一支吃苦耐勞、能擔重任的研發團隊！從當初剛走出校園的幾個學生，相關知識薄弱，沒有工作經驗，然後一步一步摸索走來，慢慢打造成有著豐富專門知識的、齊心合力的十幾個人的團隊。有了這樣一支團隊，更大的成功將指日可待！
05
研究所的支持
一個新方向能夠成長，離不開所領導的遠見和所里寬容的科研環境。
我的導師于海斌在我猶豫不決的時候鼓勵我說，「如果你認為這件事情有一半以上的把握，那麼你就應該按照100%可能去做，這樣你最終也就真的會做成，既然你現在做得已經很好了，為什麼還那麼沒有自信呢？」
研究室主任曾鵬在我需要擴充團隊的時候毫不猶豫地支持我，在我遇到困難使得任務計劃不斷延後的時候，他跟我說，「這都是正常的，技術成果的轉化哪有那麼容易！」
在我們經費不足的時候，科技處、財務處等管理部門的領導都會給我們提供幫助。給我們提供幫助的人，還有許多許多……
自己很慶幸來到瀋陽自動化所，寬容的科研環境、單純友善的人際關係，讓我們能夠專心於科研，讓這個方向能夠堅持走過十多年，並且包容我們繼續前行。十餘個春秋，我們的LIBS方向僅僅是起步，我有決心也有信心讓這項技術在未來開花結果，能夠為國家、為國民經濟貢獻力量，為我們研究所的輝煌，譜寫她新的篇章！
（原文有刪減）
作者簡介：
孫蘭香，女，1980年8月出生。2006年3月至今在瀋陽自動化研究所學習和工作，研究員。
