北(běi)極星智能電網在線訊:美(měi)國國家強磁場(chǎng)實驗室發電機電源，兩層樓高(gāo)，巨大(dà)的(de)飛(fēi)輪儲能，瞬間放電――本是核聚變實驗用(yòng)的(de)，100T紀錄的(de)第二大(dà)功臣。中國電源則分(fēn)3部分(fēn)：發電機電源（功率不到美(měi)國的(de)1/10）；20幾個(gè)電容儲能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通(tōng)過結構優化(huà)，僅使用(yòng)幾個(gè)電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的(de)磁場(chǎng)脈沖峰值。美(měi)國實現100T需115兆焦耳能量，中國實現90T隻用(yòng)10兆焦。
2018年12月(yuè)初，武漢國家脈沖強磁場(chǎng)科學中心，一次次電磁風暴的(de)襲擊，讓物(wù)質被迫吐露不爲人(rén)知的(de)秘密。最先進的(de)電源、磁體和(hé)控制系統，打造了(le)這(zhè)一世界頂尖水(shuǐ)平的(de)強磁場(chǎng)裝置。
“磁場(chǎng)與電流成正比，而磁體承受的(de)力和(hé)熱(rè)，與磁場(chǎng)的(de)平方成正比。所以越往上走越難。就好像百米跑從9.9秒提高(gāo)到9.8秒那樣難。”國家脈沖強磁場(chǎng)科學中心主任李亮說。
“美(měi)國從70T（特斯拉）到90T走了(le)20年，德國用(yòng)了(le)15年，中國則是4年。”李亮說。
中國電源便宜又強大(dà)
李亮曾在歐洲和(hé)美(měi)國工作多(duō)年，1992年以來(lái)世界上最強的(de)磁體大(dà)多(duō)有他(tā)參與設計。
“我們是彎道超車。”李亮說，“我們從無到有，總結各家的(de)經驗，所以設計的(de)整體性、系統性更強。”
美(měi)國國家強磁場(chǎng)實驗室發電機電源，兩層樓高(gāo)，巨大(dà)的(de)飛(fēi)輪儲能，瞬間放電――本是核聚變實驗用(yòng)的(de)，100T紀錄的(de)第二大(dà)功臣。
中國電源則分(fēn)3部分(fēn)：發電機電源（功率不到美(měi)國的(de)1/10）；20幾個(gè)電容儲能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通(tōng)過結構優化(huà)，僅使用(yòng)幾個(gè)電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的(de)磁場(chǎng)脈沖峰值。美(měi)國實現100T需115兆焦耳能量，中國實現90T隻用(yòng)10兆焦。
專攻電源的(de)丁洪發教授說：“幾十個(gè)模塊的(de)開關時(shí)間差要限制在微秒級。元器件也(yě)要篩選，讓電路的(de)延遲一緻。”
2008年開工建設，大(dà)部分(fēn)設備自研自造，國産化(huà)率85%。“人(rén)家是外包給專業公司，我們是自己動手。”李亮說。
每組電容儲能型電源100萬元。整個(gè)電源系統投入僅是美(měi)國人(rén)的(de)一個(gè)零頭。液氦回收系統隻有國外同類設備1/4的(de)價格，回收的(de)氦氣每年可(kě)節約500萬―600萬元實驗消耗。
脈沖平頂磁場(chǎng)十分(fēn)重要，但美(měi)國人(rén)做(zuò)平頂脈沖磁場(chǎng)，一年隻能使用(yòng)50―60次。中國人(rén)改進了(le)電源和(hé)控制系統，則像開微波爐一樣簡單。
“國際專家說我們花了(le)1.2億元，幹了(le)1.2億美(měi)元的(de)活兒(ér)。”李亮說。
測量需要極端精細
2013年10月(yuè)，在全世界專家的(de)見證下(xià)，中國裝置首秀成功。國際權威報告說：中國的(de)磁體和(hé)電源技術世界頂級；控制系統國際領先。
雖然最高(gāo)磁場(chǎng)紀錄不及美(měi)國，但中國裝置優勢明(míng)顯――一套中央控制系統實現3類電源和(hé)8個(gè)實驗站的(de)靈活組合。這(zhè)是中國磁場(chǎng)的(de)一個(gè)殺手锏，更有利實驗。控制系統負責人(rén)韓小濤教授說：“别人(rén)都是一個(gè)磁體發一種波形。我們的(de)可(kě)以一個(gè)磁體産生多(duō)種波形。”
美(měi)國在2013年實現了(le)100.75T，德國實現94T，中國也(yě)以90.6T成爲90T俱樂(yuè)部的(de)一員(yuán)。而目前有望刷新紀錄的(de)隻有美(měi)、中。
強磁場(chǎng)将考問出新的(de)物(wù)質特性，催生下(xià)一代電子材料和(hé)芯片。朱增偉教授說：“半金屬比如铋和(hé)銻，适合放在強磁場(chǎng)下(xià)研究極端情況。”
2018年11月(yuè)，北(běi)京大(dà)學發現“對(duì)數量子震蕩”，實驗就在武漢做(zuò)。在58T磁場(chǎng)下(xià)清晰觀測到5個(gè)振蕩，才得(de)以發現對(duì)數規律。
強磁場(chǎng)的(de)“風暴眼”隻有20毫米長(cháng)，在杏仁大(dà)小的(de)空間裏布置所有的(de)樣品和(hé)感應器，跟微雕差不多(duō)。
“渦流、熱(rè)效應、震動、電磁幹擾……測量永遠(yuǎn)伴随噪音(yīn)。”左華坤工程師說。
想一次測出高(gāo)質量信号難，因爲幹擾因素太多(duō)。樣品杆浸泡在液氦裏，還(hái)跟外面隔著(zhe)一層真空，但線圈一瞬間的(de)高(gāo)溫，仍然會造成樣品零點零幾度的(de)熱(rè)擾動。傳感器的(de)線路在脈沖磁場(chǎng)的(de)作用(yòng)下(xià)，也(yě)可(kě)能震動幾個(gè)微米産生噪聲。
還(hái)有很多(duō)不可(kě)測因素，比如地線“零”電壓的(de)不穩定，濕度差異，都可(kě)能造成測量結果不同。
“如果不這(zhè)樣難測，那些物(wù)理(lǐ)難題也(yě)就不會遺留到現在了(le)。”左華坤說，論電磁測量精度武漢國家脈沖強磁場(chǎng)科學中心已不弱于任何同行。
“中心建成後，不僅國内科學家基本不再去國外做(zuò)實驗了(le)，還(hái)吸引了(le)劍橋、斯坦福等衆多(duō)國外用(yòng)戶。”李亮說。
線圈使用(yòng)壽命超出國際同行近1倍
1820年，丹麥人(rén)奧斯特無意間發現，導線通(tōng)電，附近的(de)小磁針會跳動。從此，人(rén)們一直在用(yòng)通(tōng)電線圈來(lái)制造磁場(chǎng)。瞬間強電流産生的(de)幾毫秒時(shí)間的(de)強磁場(chǎng)，叫做(zuò)脈沖強磁場(chǎng)，它比穩态磁場(chǎng)更高(gāo)。
國家脈沖強磁場(chǎng)科學中心的(de)研究人(rén)員(yuán)告訴我們：他(tā)們用(yòng)小指頭粗細的(de)導線，繞成線圈，接上2.5萬伏特的(de)電壓，流過4萬安培的(de)瞬間電流，就可(kě)以産生幾十T的(de)脈沖磁場(chǎng)。
但通(tōng)電線圈會被磁體内部應力拉長(cháng)和(hé)壓扁。李亮說，他(tā)們的(de)線圈承受的(de)應力，是“蛟龍”号在7000米海底面臨壓強的(de)50倍。而且磁體在放電過程中會産生巨大(dà)熱(rè)量，線圈泡于液氮以降溫；通(tōng)電瞬間零下(xià)200攝氏度的(de)液氮砰地蒸發掉。
幾個(gè)毫秒内通(tōng)入磁體的(de)能量如10公斤TNT的(de)能量，線圈經常被炸碎。俄羅斯和(hé)日本科學家先後用(yòng)極端辦法制造過上千T的(de)磁場(chǎng)，那也(yě)是目前人(rén)類取得(de)的(de)最強磁場(chǎng)。但必須犧牲線圈，是一次性的(de)，磁體線圈無法重複利用(yòng)。
美(měi)國國家強磁場(chǎng)實驗室創紀錄的(de)線圈用(yòng)的(de)是銅铌合金，最結實――100T磁場(chǎng)紀錄的(de)最大(dà)功臣。中國團隊則使用(yòng)國内自主研發的(de)銅铌合金，強度僅爲前者2/3。
中國人(rén)另辟蹊徑，從理(lǐ)論分(fēn)析挖掘潛力，通(tōng)過精确計算(suàn)，大(dà)幅提升高(gāo)分(fēn)子纖維層層纏繞加固的(de)效果，就像鐵環箍住炮筒。它比凱夫拉還(hái)結實，是世界上最強韌的(de)纖維。纖維浸泡環氧樹脂，也(yě)充當線圈的(de)絕緣層。
彭濤教授專職繞線。“如果浸泡樹脂不夠充分(fēn)，反光(guāng)是不同的(de)。”彭濤說，從線圈的(de)紋路和(hé)顔色，老手能看出瑕疵。瑕疵讓線圈更早崩潰。
美(měi)國磁體線圈直徑一米，比中國的(de)大(dà)很多(duō)，應力更低，不易壞，但美(měi)國線圈平均通(tōng)電500次就會壞掉；彭濤做(zuò)的(de)線圈可(kě)使用(yòng)800次。
原标題:世界領先的(de)強磁場(chǎng) 中國人(rén)這(zhè)樣建
