作者:高雅丽 来源:中国科学报 发布时间:2017/10/23 9:21:53
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稳态强磁场实验装置:探索科学宝藏的“国之重器”

 

■本报见习记者 高雅丽

2008年5月,由中科院合肥物质院强磁场科学中心承担的稳态强磁场实验装置项目启动;2011年7月,试验磁体通电测试成功;2016年11月,混合磁体大口径外超导磁体研制成功;2017年2月,专家组对混合磁体工艺测试完成验收;2017年9月27日,“稳态强磁场实验装置”通过国家验收,验收专家组给予了很高评价,认为项目全面完成了建设目标,各项关键参数达到或超过设计指标,“技术和性能达到国际领先水平”。

九年时间里,强磁场的科研人员完成了一个又一个跨越,使我国成为国际五大稳态强磁场研究机构之一,中国的强磁场科学技术事业迈上了一个新台阶。

 


 

①2016年底混合磁体首次调试成功。

 

②安装在水冷磁体上的扫描隧道显微镜。

 


 

③混合磁体。

“极端条件就是把不可能变成可能”

高秉钧是中科院强磁场科学中心首席科学家,也是“稳态强磁场实验装置”项目总工程师。他对《中国科学报》记者说:“物质在强磁场情况下会改变它本身的电子态,从而产生新的现象。强磁场是一个极端条件,我们在设计和研制稳态强磁场实验装置过程中,常会遇到许多难以克服的困难,甚至是无路可走。我们必须坚持不懈,实现超越,把不可能变成可能。”

强磁场是调控物质量子态的重要参量,在发现新现象、揭示新规律、探索新材料、催生新技术等方面具有不可替代的作用。自1913年以来,已有多项与磁场相关成果获诺贝尔奖,因此,强磁场极端条件已成为科技界公认的探索科学宝藏的“国之重器”。我国因缺乏相应的强磁场条件,屡次错失在物质科学等诸多领域开展前沿探索的机遇。

据了解,“稳态强磁场实验装置”是一个针对多学科实验研究需要的强磁场极端实验条件设施,包括十台强磁场磁体装置和六大类实验测量系统。

混合磁体由内部水冷磁体和外部超导磁体组合而成,是追求更高稳态极端场强的首选,但此前国际上已有多个失败案例,而我国在高场超导磁体技术方面的基础较为薄弱,项目所有科研人员都面临着巨大挑战。

对水冷磁体而言,必须解决材料和结构的优化选择、巨大电磁力和发热问题,与之配套的数千万瓦级的稳态直流电源系统、低温冷却系统、去离子水冷却系统等均是一个个不容置疑的难关。

谨慎起见,超导磁体组决定先研制一款磁场强度低、口径小,但选材、加工工艺完全相同的试验磁体,试验磁体在2011年7月通电测试成功。混合磁体研制真正开始之后,所有科研人员都秉持着一种谨慎严肃的工作状态,为了达到验收要求而不断努力着。

国际领先水平的科学实验系统

水冷磁体WM1原设计是超世界纪录的38.5T,但在磁体组装后的预测试中,科研人员却发现磁场强度比预期的要低得多,且已是板上钉钉,超纪录无望了。水冷磁体总设计高秉钧带领工作人员排查原因,最终发现绝大部分bitter片厚度不是原设计的0.27毫米,而是0.29~0.30毫米。

高秉钧说:“面对几千片bitter片,我们就用天平称重量、算体积,来实测每片的实际厚度。将实测厚度的bitter片优化配置,重新组合,使组装的磁体达到原设计的目标。”这样,WM1最终实现了38.5T的磁场强度,打破水冷磁体场强世界纪录。

2016年底混合磁体首次调试,磁场强度达到40特斯拉,符合工程验收指标。就在科研人员欢欣鼓舞之时,磁体系统却发生了故障。春节将至,项目组的人却集中在场地,不断调试设备排除故障。

大年三十上午八点,装置准时通电测试,所有人在文化走廊吃了一顿简单而又难忘的“年夜饭”。但是那天因为降温没到位,再一次失败了。项目组的科研人员在春节假期继续加班,大年初四,混合磁体终于通电励磁,再次成功。

经过多年自主创新,强磁场研制团队打破国际技术壁垒,成功克服关键材料国际限制、关键技术国内空白等重大难题,建成继美国之后世界第二台40T级混合磁体,建立了国际领先水平的科学实验系统,实现了我国稳态强磁场极端条件的重大突破。

“稳态强磁场实验装置”国家验收意见中写道:“项目提出了一种水冷磁体设计创新方案,发展了一套全程可量化检测的高精度装配工艺。建成的水冷磁体中有三台磁体的性能指标创世界纪录,其中两台保持至今;突破了800毫米室温孔径、磁场强度达10特斯拉的铌三锡超导磁体研制的技术难关,建成了40特斯拉稳态混合磁体装置,磁场强度世界第二;建成了国际首创水冷磁体扫描隧道显微镜系统、扫描隧道—磁力—原子力组合显微镜系统,以及强磁场下低温、超高压实验系统,使得我国稳态强磁场相关实验条件达到国际领先水平。”

“边建设边开放”的管理新模式

强磁场下的应用研究对于高技术产业具有很强的催生和带动作用,“强磁场效应”其实就在我们身边。

高秉钧介绍道:“大家都比较熟悉的医院的核磁共振成像、磁悬浮列车等就运用了强磁场技术。此外,强磁场在化学合成、特殊材料、生物技术、医药健康等多种新技术研发方面都有可能发挥关键作用,孕育新的发明。”

据了解,强磁场有助于促进多学科交叉研究,尤其是生命科学、物理学、材料与化学、新技术之间的交叉研究。2014年,合肥物质院技术生物所吴跃进研究组和强磁场科学中心钟凯研究组合作,研究了造影剂对水稻生长的潜在影响,并用磁共振成像技术获得了造影剂在根系中的动态信息。这也是世界上首次利用造影剂研究磁共振成像技术在水稻根系无损检测中的应用,为植物根系研究提供了一种新的研究方法。

在中科院“十二五”验收中,“强磁场科学与技术”重大突破入选院“双百”优秀。2017年3月,中共中央政治局委员、国务院副总理刘延东视察装置,对团队取得的成绩给予了充分肯定。

同时,项目提出并实践了国家大科学装置“边建设边开放”管理新模式。从2010年试运行以来装置已经为包括北大、复旦、中科大、浙大、南大、中科院物理所、中科院固体物理所、上海生科院、福建物构所等在内的百余家用户单位提供了实验条件,有力支撑了强磁场下前沿研究,产出了一大批具有国际影响力的科研成果。

随着稳态强磁场装置工程建设的推进,一支能打硬仗的强磁场技术攻关队伍在锻炼中成长。稳态强磁场实验装置将成为科学研究、科技发展的创新源头,将为合肥综合性国家科学中心的建设贡献更多的科技力量。

《中国科学报》 (2017-10-23 第5版 创新周刊)
 
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