5月，美国能源部（DOE）发布报告《科学设施和工具的供应链风险缓解》^[1]，揭示了核物理和粒子物理领域科学设施和工具存在的供应链风险。这是2021年11月能源部科学办公室“科学设施和工具的供应链风险缓解”圆桌会议的总结报告。该圆桌会议汇集来自能源部国家实验室、行业、学术界和其他政府机构的技术、项目管理和采购专家，探讨了科学办公室特有或对其任务至关重要的关键技术领域面临的供应链挑战，以及加强关键技术国内供应链的机会、可能的伙伴关系和机制。报告从3个方面揭示科学设施关键技术的供应链风险：材料与加工、组件、系统。

一、材料与加工

1、铌。铌用于超导技术，包括射频加速结构、磁体中的超导导线和探测器。能源部科学办公室任务所需的高纯度铌在美国国内没有生产。Nb₃Sn和Nb-Ti合金用于超导粒子加速器以及科学设施的超导圆导线，美国国内制造商包括Bruker OST公司、Luvata公司和3家小型企业，但前两家公司分别是德国Bruker EAS公司和日本三菱综合材料株式会社的子公司。全球产能巨大的制造商包括：日本的JASTEC公司、日立公司、古河电气工业株式会社，中国西部超导材料科技股份有限公司，德国Bruker EAS公司，芬兰Luvata公司，俄罗斯TVEL燃料公司。

2、高温超导体材料。高温超导带材用于电力和一些磁体应用，特别是聚变以及20K或以上的应用，也适用于在4K低温下运行的超高场磁体。目前美国国内的高温超导带材供应能力有限，唯一一家生产商是SuperPower公司，但它是日本古河电气工业株式会社的子公司，而且没有能力为建造大型设施供应足够数量的高温超导带材。除了选定的大学、国家高磁场实验室和联邦聚变系统之外，国内也没有能力在高磁场条件下对高温超导带材进行测试，之前的高场测试必须在新西兰罗杰斯研究所进行。已知的合格供应商包括美国SuperPower公司、俄罗斯S-Innovations公司/SuperOx公司日本分公司、韩国SuNAM公司、中国上海超导科技股份有限公司。正在兴起的供应商包括日本藤仓公司，德国THEVA公司，美国AMPeers公司、美国超导公司。

3、稀土元素。适用于加速器的高性能、定制和永磁组件的永磁体和特种合金，是离子源、清洁磁体和波荡器的关键资源。十多年来，稀土元素的供应链一直是美国国家安全和经济安全的话题。在过去25年里，中国实现了供应主导地位。美国市场上的特种合金制造公司和高性能磁体公司都很有限，典型的供应商包括日本的日立金属新材料有限公司（前身为日本NEOMAX公司）、信越化学工业株式会社，芬兰尼欧联磁性材料公司和德国瓦克华公司。对于大多数定制的永磁结构，非美国公司处于市场领先地位，例如日立金属新材料有限公司、意大利Kyma公司、丹麦Danfysik公司、德国Bilfinger Noell公司。能源部已采取一系列行动来确保稀土元素的供应链，例如成立关键材料研究所、从煤炭和煤炭副产品中回收稀土元素的技术可行性研究等。

4、高耐辐射材料：XM-19。XM-19是一种高合金奥氏体不锈钢，其现有市场涉及热交换器、泵、核裂变燃料容器和其他类似设备，并可能被用作高温超导磁体的主要结构材料。在聚变装置等应用中，可能需要开发和生产特定的合金。XM-19有两个主要的美国供应商：AK钢铁控股公司和G.O.Carlson公司。全球的领先供应商是英国的安赛乐米塔尔公司（ArcelorMittal）。

5、高耐辐射材料：加速器靶和粒子束拦截材料。这些特种材料的当前供应链有3个已识别的漏洞：供应商或厂商单一或很少，某些材料没有国内来源，某些应用中可用材料的微结构和成分的一致性不足。具体为：细颗粒石墨，国内无厂商，微结构一致性不足；铍，一家供应商（美国Materialon公司），加工厂商稀缺，两用物项出口管制；钛合金，国内无重要供应商，炉次之间微结构一致性不足；钨，国内无重要供应商；铬镍铁合金，大流行导致供应链延迟；5000系列到6000系列铝合金，大流行导致供应链延迟。未来潜在的加速器靶标材料包括：耐辐射和耐热冲击耐材料、定制石墨、纳米晶钛合金、高熵合金、玻璃碳等。

6、特种半导体加工。探测器系统的电子设备需要采用商业制造厂生产的专用集成电路，但新冠肺炎疫情导致了其产能下降。美国国内虽有一些集成电路制造厂，但大多数制造厂，包括最先进的制造厂，都在美国境外。此外，半导体材料也是重要一环。美国、日本和俄罗斯是高极化砷化镓光电阴极的先驱，但美国直到21世纪初才开始将其商业化，随后开发出应变超晶格光电阴极，然而又由于需求不足，2005年以后，这些光电阴极停售，导致一直无法在市场上买到。由于缺乏工业应用，很难将企业吸引到这个没有盈利的市场。

7、中子设施和高功率靶系统的专用部件。中子设施、高能靶设施和放射性离子束设施上的许多项目需要为特定应用定制技术，因此依赖于一小部分专业公司。在以下4类情况下，美国国内供应商很少或根本不存在：特种材料、特种制造工艺、特种专业知识、精密或复杂制造。

（1）特种材料包括镉、铍、硼-10、硼铝合金。其中，镉被列为《回收和保护法案》（RCRA）八种有害金属之一，限制了其应用；铍组件的唯一国内供应商是Materialon公司，唯一已知的其他供应商是哈萨克斯坦的乌尔巴冶金厂（ULBA）；硼-10的唯一国内供应商是3M公司，但交付周期很长；硼铝合金没有已知的供应商。

（2）特种制造工艺包括镉热喷涂涂层、镉加工、电子束焊接、铍加工、用于薄壁精密结构的大直径车削能力、大组分化学镀镍、搅拌摩擦焊、1米以上大直径陶瓷隔离环的制造，其中，镉加工、用于薄壁精密结构的大直径车削能力、1米以上大直径陶瓷隔离环的制造没有国内供应商；镉热喷涂涂层、大组分化学镀镍只有一家国内供应商；其他几种工艺的国内供应商也比较有限，存在交付周期长等问题。

（3）精密或复杂制造包括水银靶和反射塞以及中子慢化剂，客户和供应商都需要大量的前期投资，从而造成成本高和交付周期长。

8、特殊材料和加工。需求可能来自大规模商业产品的应用导向型量身定制，且需求数量相对较少，从而形成了挑战。具体包括：

（1）铜。在不锈钢上镀铜，A.J.Tuck公司可提供适用于许多加速器应用的铜和电镀，但生产能力有限，SLAC国家加速器实验室已经能生产高纯度铜涂层；无氧高导电铜，不在美国生产。

（2）非蒸发吸气剂。这是一种小市场、高风险、低利润的应用，缺乏国内供应商，标准的非蒸发吸气剂涂层真空室可从德国FMB公司和意大利SAES Getters公司采购，特殊几何形状通常在国家实验室进行涂层，非蒸发吸气剂泵也是从SAES Getters公司采购。

（3）特殊传感器材料。在晶体和闪烁体上，晶体生长已转移到海外，国内厂商所剩无几，中子闪烁材料有一家高素质厂商，但该组件的主要生产也已转移到海外；在闪烁晶体或化合物半导体传感器等特殊传感器材料上，由于缺乏商业驱动力，支持和维持这些活动的机会有限。

（4）X射线衍射级金刚石晶体。用于X射线自由电子激光器和衍射极限存储环X射线源，其应用范围相对较窄，每年的市场价值为数百万美元，因此没有国内供应商，主要供应商是俄罗斯的两家公司，日本也有一家供应商，但产品质量较差。

（5）低背景材料。用于暗物质和无中微子双β衰变探索的探测器，很多都是放射性材料，使用的3种高度专业化材料包括电铸铜、低放射性铅和低放射性地下氩，由于环境和健康问题以及相关的监管环境，这些材料的美国供应链已经缩小或完全消失。

二、组件

1、铌腔。纯铌的空腔是超导加速器的核心组件，目前，美国的需求为每年约100个腔。已加工、清洁并适合安装到能源部加速器中的成品铌腔，可从德国的RI公司和意大利Zanon公司购买。先进能源系统公司是美国的高质量腔体供应商，但已不再营业。C.F. Roark公司有能力制造空腔，但其空腔需要在国家实验室进行最终加工和清洁。关键的单个空腔制造步骤可在美国工业和能源部实验室获得，如Sciaky公司和杰斐逊实验室的电子束焊接和Stuecklen公司的液压成形。

2、高性能超导磁体和组件。高性能超导磁体和导体一直是并将继续是大型加速器项目的关键部件，主要由国家实验室或大学实验室通过与合作伙伴实验室合作建造。美国的标准产品供应商有限，而欧洲的磁铁行业更为活跃。此外，许多其他不显眼的材料和系统可能会构成供应链挑战，包括低钴不锈钢、耐辐射树脂和复合材料、低硫低磷切削液、>10 kA的大电流引线、驱动磁铁的高稳定性磁铁电源、大电流高电压电源。

3、光学。光学领域虽然即时供应链风险适中，但重大中断或外国供应主导市场的影响可能至关重要。能源部供应链有两个主要需求领域：公司生产的标准组件；更困难的专业化光学、激光和计量系统，以支持新的和现有能源部设施。由于廉价劳动力的可用性，国内供应链的材料和制造业正在缓慢向其他国家转移，主要风险是正向中国等高风险国家转移。目前，光子学拥有良好的供应链，主要是缺乏熟练劳动力，这导致能源部项目所需的大多数组件的成本上升、交付周期延长。

4、X射线光学。该类别包括超抛光X射线镜、其他图形X射线镜、专用镜涂层、闪耀光栅、复合折射透镜、单色器晶体、波带片、X射线自适应光学、多层劳厄透镜和X射线金刚石屏幕。这些领域已经出现为科研服务的少数供应商，但其制造由于需要大量投资而受到限制。而且，有限的市场规模和尖端制造的极端挑战成为新公司进入市场的重大障碍。

5、专用激光系统和组件。专用激光组件的市场缺口来自有限的供应商，主要依赖外国供应商，从而导致长时间的采购延迟。目前为实验室激光系统采购专用激光部件存在一系列困难，例如：

（1）光参量啁啾脉冲放大器高平均功率激光器。这些尖端激光器基于全新的平台，因此只有为数不多的供应商，如德国Class 5公司、立陶宛Light Conversion公司、德国AMPHOS公司，美国一家都没有。

（2）高能超快激光器和泵浦激光器。主要由国外厂商提供，如法国Thales公司和Amplitude公司，并已知存在硬件完整性问题，美国国内曾有这类公司，但或者已停止前沿系统的研制，或者被海外公司并购。

（3）高性能可变形激光光学器件和脉冲整形器。只能由少数外国供应商提供，如法国的Fastlite、Imagine optics公司和Phasics公司。

（4）用于超快激光器的单模光纤放大器。这些激光器由美国Thorlabs公司和其他供应商提供，但要满足高能超短脉冲激光系统的需求，新型放大器目前须在国家实验室定制。

（5）大模面积光纤激光放大器模块。国外厂商丹麦NKT Photonics公司提供基于光子晶体光纤的低集成模块，国内供应商Optical Engines公司可以提供基于其他大模面积光纤的高集成模块，但单一供应商增加了产品性能和成本风险。

6、专用中子仪器。这些仪器非常专业化，因此厂商范围有限，而且主要在外国。例如：氦-3中子探测器，只有美国Reuter-Stokes公司这一家供应商；Heusler分析仪、单色仪和晶体阵列，有两个国外供应商，法国的CEA Saclay和利昂-布里渊实验室，没有国内供应商；中子斩波器、斩波器盘和速度选择器，有两个国外供应商，法国空中客车防务及航天公司和匈牙利Mirrotron公司，没有国内供应商。

7、成像传感器和电子设备。相当多的传感器企业已经离开了美国，包括光电探测器、晶体生长器、用于跟踪和成像的气体探测器以及硅基X射线探测器。科学办公室很多科学项目的关键组件来自海外供应商，尽管其中许多技术是在美国发明的。宇宙学研究依赖于高质量的成像传感器，全球只有一家供应商。几乎所有的真空光电探测器制造都转移到了海外。基于半导体的光电探测器的供应商大多数是国外的，只有在超导光电探测器领域，美国才能保持优势，因为国家标准与技术研究院（NIST）是这项技术的世界领先者。

8、高压部件。高压电缆、铸造插座和高压电源的国内供应商有限。Dielectric Sciences公司可提供电缆和插座，但由于需求量大且原材料供应不足，产品交货期很长。需要开发新的电缆和插座来推进>500 kV的下一代高压光电枪，但由于缺乏足够的熟练劳动力，供应商无法参与。Glassman公司制造高压电源并将开发新功能，但由于需要进行大量产品开发，交货时间较长。电子和离子源需要可靠且可重复的定制高压绝缘体，没有已知的美国供应商，法国SCT公司可定制，但交货时间很长。

9、低温部件。脉冲管低温冷却器已成为量子信息科学、量子传感等领域的毫开尔文制冷系统的标准冷却器，但只有一家美国厂商和一家外国厂商，交货时间很长。为量子传感和量子计算提供毫开尔文稀释制冷机的供应商数量有限，单一的海外厂商占据了大部分市场。大型氦制冷系统的关键部件，如涡轮膨胀机等，没有国内供应来源。

10、电子设备。科学办公室所需的重要电子设备可分为三大类：与工业应用和科学设施相关的商用现成品（COTS）电子设备；为大型科学设施（小市场）需求量身定制的科学仪器；主要由内部开发且使用的定制解决方案，如支持科学数据采集和计时系统。三类电子设备的挑战主要在于涉及一定数量的外国制造。由于生产运行有限和供应商利润率小，这些电子设备会面临订单交付周期过长、价格大幅提高等挑战。

11、软件。软件方面关注两类：商用现成品以及定制科学软件。在商用现成品中，主要问题是出现垄断的成本，如美国红帽公司的Linux系统已成为行业标准，当在现代科学设施中部署数千台计算机主机以满足控制和数据采集与分析系统的需要时，此类软件的许可费成为一个重大负担。在定制科学软件方面，运营复杂科学设施的国内外实验室与私营公司合作，共同开发运营控制和数据处理框架以及数据分析软件框架，如EPICS、BlueSky、PyDM和CS Studio。这些通常根据科学界和每个设施的需要，基于开源标准平台和图书馆量身定制，面临的主要挑战是缺乏持续资金来维护和扩展这些系统。

三、系统

1、低温组件。围绕高性能超导腔建造的完整低温组件安装在美国的国家实验室和大学。费米实验室和杰斐逊实验室拥有先进的低温组件组装生产能力，但美国没有生产完整低温组件的重要工业能力。

2、传导射频技术。该技术已成为医疗和工业辐射应用的驱动力。美国领先的医用直线加速器公司是西门子（前身为瓦里安公司），欧洲和亚洲也有许多其他具有类似能力的公司。虽然很多专业公司可以完成多数子流程，例如直线加速器设计和制造、射频结构制造以及铜结构的钎焊和组装，但行业中缺乏足够的全系统能力。

3、高功率激光器。高功率激光器是加速器注入器、冷却和先进加速器概念的重要驱动力，虽然美国保留了领先的实验室专业知识，但商业供应商很少，供应商主要位于欧洲和亚洲。高重复率（>1 kHz）、高功率激光器是从研究过渡到先进加速器技术和超快激光表面加工等其他应用的下一步，美国在高重复率系统中保持着重要的领导地位，但供应链并不发达。例如，在超快光纤激光器系统中，很少有供应商提供单模前置放大器或大模面积光纤放大器，其他先进激光技术中的掺铥氟化钇锂（Tm:YLF）晶体、掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）等高效材料以及用于这些材料的泵浦激光器，也面临同样的问题，欧洲和亚洲国家正在大力投资以开发和工业化这些技术，例如德国弗劳恩霍夫研究所。

4、主动反馈控制、加速器仪表、低电平射频系统。利用人工智能、机器学习和现场可编程门阵列的主动反馈控制、专用加速器仪器和低级射频系统，对改进加速器和激光控制以及扩展性能都很重要。这是一个新兴领域，集成系统的供应商很少，主要在欧洲。

5、电子显微镜。电子显微镜已成为每个研究实验室的主要设备，但供应商很少，美国Nion公司生产专用于超高真空下扫描透射电子显微镜的专用显微镜，大多数供应商在国外，如日本的日本电子株式会社和日立公司，荷兰FEI公司（现为美国赛默飞世尔科技公司一部分）。许多用户设施和实验室的显微镜通常从美国以外的供应商处购买。

6、支持量子计算的仪器和系统。量子技术的现有供应链严重依赖外国供应商和外国独家供应商，在某些情况下，没有国内供应商。

（1）稀释制冷机。其厂商数量非常有限，大多数在海外，世界上大约70%~80%的稀释制冷机来自芬兰的Bluefors公司。此外，量子计算需要稀释制冷机，目前尚未开发出工业产品，当前的解决方案无法满足行业需求。

（2）脉冲管低温冷却器。每个稀释制冷机都依赖于至少一个低温冷却器，较大的系统通常需要多个。目前只有一家美国供应商和一家外国供应商，但这家美国供应商缺乏显著的开发能力。此外，脉冲管低温冷却器所需的稀土材料钬铜2（HoCu₂）主要来自中国和俄罗斯。日本有一家主要供应商，但有人认为它也在中国加工。美国的一家供应商试图进行HoCu₂的加工，但尚未达到足够的质量。

（3）压缩机组件。每个低温冷却器都需要一个压缩机组件，目前只有一家日本供应商，美国的唯一供应商由于缺乏盈利能力而停止生产该产品。

（4）低温电子设备。低噪声低温放大器、量子限制放大器、高密度低温信号传输和低温无源元件等产品是正在重新发明的电子设备，需要面向低温通过新的设计进行小型化，美国现有供应链和对这些组件的投资有限，而外国正大量投资这些领域，欧洲有许多低温电子硬件初创公司，美国几乎没有。

7、高性能计算。能源部是高性能计算领域的国际领导者，高性能计算的供应链问题主要由供应商供应链问题驱动，导致交付时间过长。供应商将各种组件集成到高性能计算系统中，并增加了独特、高度复杂的技术价值，如定制高速、低延迟网络互连，定制系统管理软件，自定义网络管理软件，自定义用户环境、编程工具和软件库等，国内供应商很少有能力构建和支持能够维持美国在该领域领导地位所需规模的系统，并且还存在失去领导地位的风险。主要系统组件的供应商和竞争技术也有限，如高速网络主要有英特尔、Mellanox公司等，高性能文件系统主要有DDN公司、IBM公司、德国ThinkParQ公司等。此外，高性能计算还极易受微电子供应链问题的影响，包括材料、制造和交付问题。

最后，报告指出了降低供应链风险可能出现的机会。从整个供应链角度，应加强信息协调、支持战略研发、供应商培养以及劳动力发展。从实施层面，近期机会（2年内）包括能源部实验室采购、合作和培训，建立供应商数据库，与供应商发展伙伴关系，为国家实验室的基本软件开发提供充分支持；中期机会（2~5年）包括建立卓越中心、建立库存管理系统共享库存、通过弹性评分调整政府采购决策、开展竞争力分析、进行跨实验室供应链预测、为科学组件和系统支持和扩展美国小企业生态系统；长期机会（5~10年）包括关键组件研发的技术转让、能源部和行业合作共同开发、创建跨实验室采购协议、启动能源部实验室职业发展计划、与私人投资者合作开发新兴市场等。             （黄龙光）