作者: 左萍 沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2017/3/6 9:18:27
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向世界第一稳态磁场挺进

 

■本报通讯员 左萍 记者 沈春蕾

今年2月,专家组在中国科学院强磁场科学中心完成对混合磁体工艺测试验收,这也意味着中心顺利完成国家“十一五”重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”混合磁体的各项建设任务。

从2008年5月40T稳态强磁场项目启动,到2011年7月试验磁体通电测试成功,国内首台采用铌三锡管内电缆导体的超导磁体研制完成;到2016年11月,混合磁体大口径外超导磁体研制成功,获得10特斯拉磁场,成为国际超导磁体技术发展的一个重要成功案例;再到外超导磁体和内水冷磁体成功合体,产生40特斯拉磁场强度,成为国际磁场强度第二高的稳态磁体装置——8年时间里,强磁场人完成了一个又一个跨越,但只有他们心里清楚自己经历了怎样的煎熬,收获了多少悲与喜,以后的路又在何方。

选择困难的混合磁体

混合磁体由内部水冷磁体和外部超导磁体组合而成。其中,水冷磁体必须解决材料和结构的优化选择、巨大电磁力和严峻的发热问题;超导磁体孔径巨大,导体的材料选择、结构选择和磁体生产工艺都是技术难题。

中国科学院合肥物质科学研究院院长、强磁场科学中心主任匡光力介绍道,此前,世界上没有如此大型的铌三锡超导磁体装置能够产生10特斯拉稳态磁场,也没有能产生10特斯拉稳态磁场的超导磁体装置能够达到如此大的口径。

不仅磁体本身是个挑战,与之配合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。

比如,低温阀箱是一个集真空环境、低温液氮容器(液氮槽工作温度77K)、低温液氦容器(过冷槽工作温度4.5K)、一对16KA高温超导电流引线和13个WEKA低温阀门于一身的十分特殊的非标压力容器。“其设计历时五年,绘制图纸1170余张,在约1.5立方的狭窄空间里累计使用各种规格管材累计总长2460米,阀箱总共焊缝数量5811条。”强磁场科学中心研究员、磁体科学与技术部副主任欧阳峥嵘告诉《中国科学报》记者。

此前,国际上已有多个大型高场超导磁体因技术问题而失败,而我国在高场超导磁体技术方面原有基础薄弱。“混合磁体又是国际上追求更高稳态极端场强的首选,选择了它就注定选择与困难结缘。”强磁场科学中心研究员陈文革说。

与强磁场同喜同忧

为了安全,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月份通电测试成功,它是国内首台采用铌三锡管内电缆导体的超导磁体。

研制人员首次获得莫大的喜悦与鼓励,坚信“国产”高场混合磁体必能成功。同时据相关人员回忆,当时的通电测试过程“无数次的测试与调整,让通电过程变得异常煎熬漫长”。

真正的混合磁体研制开始上马,股线绞缆、穿管成型、绕制、超导接头制作、热处理、绝缘处理、装配大工艺流程套着小工艺流程,任何一个环节差之毫厘、谬以千里,研制人员憋着气有条不紊地一步步往下走,在每一个大节点小节点处,结果都扣人心弦,他们像坐过山车,在喜与忧的道路上奔跑,不得停歇。

长期小心再小心的工作状态逐渐内化,陈文革的“胆子小”现在几乎是全中心尽人皆知了。

箭在弦上 不得不发

2016年底混合磁体首次调试达到工程验收指标——磁场强度达到40特斯拉,就在人们欢心鼓舞之时,却在一次上电励磁时磁体系统发生了故障。混合磁体验收在即,一层厚厚的阴霾顿时笼罩强磁场中心。那段时间人人脸上没有了笑容,紧张兮兮。

路上碰到匡光力的人感觉到他不像以前那样欢快了,事实是他怎么可能活泼高兴起来呢?他是整个工程的第一负责人,内外部的压力都向他袭来。事后用他自己的话说:“度过了一段不是人过的日子。”“莫斯科不相信眼泪”,研制人员和时间赛跑,经七十天夜以继日的追赶终使其得以恢复,顺利进入到降温阶段。

1月20日,眼见着春节到了,匡光力召集大家召开工程会议。现场气氛给人的感觉就是一次紧急军事会议。

内水冷磁体负责人高秉钧说:“组内已经开过会,春节期间三人值班。”超导电源负责人刘小宁说:“相关人员随时候命。”超导磁体组潘引年老师说:“过年是小孩子的事,老了过不过都一样。”中控组一群年轻人表示:“时刻准备,服从安排。”低温组欧阳峥嵘老师说:“箭在弦上,已经到了不得不发的状态。”

会议最后的决议是:各分系统分头做好扎实准备,多考虑相关联的系统,紧急情况下的预案要想周到,根据降温进程,大年三十上午8点准时通电测试,中午在文化走廊吃年饭。战斗的号角就这样吹响了。

大年三十因降温没有到位,混合磁体终于在大年初四通电励磁再次成功。强磁场中心微信群里一片欢腾,红包满天飞。

历经8年,混合磁体研制团队解决了诸多的结构设计和加工工艺难题以及配套的子系统研制问题。该混合磁体装置的建成将有力地支撑我国物理、材料、化学、生命科学等多学科在极端条件下的基础科学前沿探索,同时,研制混合磁体装置有效地带动了包括大型高场超导磁体技术在内的强磁场技术的发展。

人往往是这样,等成功的激动已过,欢乐渐渐减退,就开始感受到未来还有更加艰巨的任务等着。匡光力指出:“之前仅是阶段性地圆了强磁场科技人员的梦想,接下来强磁场中心将追求更高的稳态磁场,向世界第一稳态磁场挺进。”

《中国科学报》 (2017-03-06 第6版 院所)
 
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