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世界领先的强磁场 中国人这样建

2019-01-15 09:01来源:科技日报

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  2018年12月初,武汉国家脉冲强磁场科学中心,一次次电磁风暴的袭击,让物质被迫吐露不为人知的秘密。最先进的电源、磁体和控制系统,打造了这一世界顶尖水平的强磁场装置。

  “磁场与电流成正比,而磁体承受的力和热,与磁场的平方成正比。所以越往上走越难。就好像百米跑从9.9秒提高到9.8秒那样难。”国家脉冲强磁场科学中心主任李亮说。

  “美国从70T(特斯拉)到90T走了20年,德国用了15年,中国则是4年。”李亮说。

  线圈使用寿命超出国际同行近1倍

  1820年,丹麦人奥斯特无意间发现,导线通电,附近的小磁针会跳动。从此,人们一直在用通电线圈来制造磁场。瞬间强电流产生的几毫秒时间的强磁场,叫做脉冲强磁场,它比稳态磁场更高。

  国家脉冲强磁场科学中心的研究人员告诉我们:他们用小指头粗细的导线,绕成线圈,接上2.5万伏特的电压,流过4万安培的瞬间电流,就可以产生几十T的脉冲磁场。

  但通电线圈会被磁体内部应力拉长和压扁。李亮说,他们的线圈承受的应力,是“蛟龙”号在7000米海底面临压强的50倍。而且磁体在放电过程中会产生巨大热量,线圈泡于液氮以降温;通电瞬间零下200摄氏度的液氮砰地蒸发掉。

  几个毫秒内通入磁体的能量如10公斤TNT的能量,线圈经常被炸碎。俄罗斯和日本科学家先后用极端办法制造过上千T的磁场,那也是目前人类取得的最强磁场。但必须牺牲线圈,是一次性的,磁体线圈无法重复利用。

  美国国家强磁场实验室创纪录的线圈用的是铜铌合金,最结实——100T磁场纪录的最大功臣。中国团队则使用国内自主研发的铜铌合金,强度仅为前者2/3。

  中国人另辟蹊径,从理论分析挖掘潜力,通过精确计算,大幅提升高分子纤维层层缠绕加固的效果,就像铁环箍住炮筒。它比凯夫拉还结实,是世界上最强韧的纤维。纤维浸泡环氧树脂,也充当线圈的绝缘层。

  彭涛教授专职绕线。“如果浸泡树脂不够充分,反光是不同的。”彭涛说,从线圈的纹路和颜色,老手能看出瑕疵。瑕疵让线圈更早崩溃。

  美国磁体线圈直径一米,比中国的大很多,应力更低,不易坏,但美国线圈平均通电500次就会坏掉;彭涛做的线圈可使用800次。

  中国电源便宜又强大

  李亮曾在欧洲和美国工作多年,1992年以来世界上最强的磁体大多有他参与设计。

  “我们是弯道超车。”李亮说,“我们从无到有,总结各家的经验,所以设计的整体性、系统性更强。”

  美国国家强磁场实验室发电机电源,两层楼高,巨大的飞轮储能,瞬间放电——本是核聚变实验用的,100T纪录的第二大功臣。

  中国电源则分3部分:发电机电源(功率不到美国的1/10);20几个电容储能型电源模块;铅酸蓄电池组。通过结构优化,仅使用几个电容储能型电源模块,就叠加出90.6T的磁场脉冲峰值。美国实现100T需115兆焦耳能量,中国实现90T只用10兆焦。

  专攻电源的丁洪发教授说:“几十个模块的开关时间差要限制在微秒级。元器件也要筛选,让电路的延迟一致。”

  2008年开工建设,大部分设备自研自造,国产化率85%。“人家是外包给专业公司,我们是自己动手。”李亮说。

  每组电容储能型电源100万元。整个电源系统投入仅是美国人的一个零头。液氦回收系统只有国外同类设备1/4的价格,回收的氦气每年可节约500万—600万元实验消耗。

  脉冲平顶磁场十分重要,但美国人做平顶脉冲磁场,一年只能使用50—60次。中国人改进了电源和控制系统,则像开微波炉一样简单。

  “国际专家说我们花了1.2亿元,干了1.2亿美元的活儿。”李亮说。

  测量需要极端精细

  2013年10月,在全世界专家的见证下,中国装置首秀成功。国际权威报告说:中国的磁体和电源技术世界顶级;控制系统国际领先。

  虽然最高磁场纪录不及美国,但中国装置优势明显——一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这是中国磁场的一个杀手锏,更有利实验。控制系统负责人韩小涛教授说:“别人都是一个磁体发一种波形。我们的可以一个磁体产生多种波形。”

  美国在2013年实现了100.75T,德国实现94T,中国也以90.6T成为90T俱乐部的一员。而目前有望刷新纪录的只有美、中。

  强磁场将考问出新的物质特性,催生下一代电子材料和芯片。朱增伟教授说:“半金属比如铋和锑,适合放在强磁场下研究极端情况。”

  2018年11月,北京大学发现“对数量子震荡”,实验就在武汉做。在58T磁场下清晰观测到5个振荡,才得以发现对数规律。

  强磁场的“风暴眼”只有20毫米长,在杏仁大小的空间里布置所有的样品和感应器,跟微雕差不多。

  “涡流、热效应、震动、电磁干扰……测量永远伴随噪音。”左华坤工程师说。

  想一次测出高质量信号难,因为干扰因素太多。样品杆浸泡在液氦里,还跟外面隔着一层真空,但线圈一瞬间的高温,仍然会造成样品零点零几度的热扰动。传感器的线路在脉冲磁场的作用下,也可能震动几个微米产生噪声。

  还有很多不可测因素,比如地线“零”电压的不稳定,湿度差异,都可能造成测量结果不同。

  “如果不这样难测,那些物理难题也就不会遗留到现在了。”左华坤说,论电磁测量精度武汉国家脉冲强磁场科学中心已不弱于任何同行。

  “中心建成后,不仅国内科学家基本不再去国外做实验了,还吸引了剑桥、斯坦福等众多国外用户。”李亮说。(记者 高博 刘志伟)

[责编:武玥彤]

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