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穩態強磁場實驗裝置:探索科學寶藏的“國之重器”

發布時間:2017-12-19 人氣:951

2008年5月,由中科院合肥物質院強磁場科學中心承擔的穩態強磁場實驗裝置項目啟動;2011年7月,試驗磁體通電測試成功;2016年11月,混合磁體大口徑外超導磁體研制成功;2017年2月,專家組對混合磁體工藝測試完成驗收;2017年9月27日,“穩態強磁場實驗裝置”通過國家驗收,驗收專家組給予了很高評價,認為項目全面完成了建設目標,各項關鍵參數達到或超過設計指標,“技術和性能達到國際領先水平”。


九年時間里,強磁場的科研人員完成了一個又一個跨越,使我國成為國際五大穩態強磁場研究機構之一,中國的強磁場科學技術事業邁上了一個新臺階。



①2016年底混合磁體首次調試成功。


②安裝在水冷磁體上的掃描隧道顯微鏡。


③混合磁體。


“極端條件就是把不可能變成可能”


高秉鈞是中科院強磁場科學中心首席科學家,也是“穩態強磁場實驗裝置”項目總工程師。他對《中國科學報》記者說:“物質在強磁場情況下會改變它本身的電子態,從而產生新的現象。強磁場是一個極端條件,我們在設計和研制穩態強磁場實驗裝置過程中,常會遇到許多難以克服的困難,甚至是無路可走。我們必須堅持不懈,實現超越,把不可能變成可能。”


強磁場是調控物質量子態的重要參量,在發現新現象、揭示新規律、探索新材料、催生新技術等方面具有不可替代的作用。自1913年以來,已有多項與磁場相關成果獲諾貝爾獎,因此,強磁場極端條件已成為科技界公認的探索科學寶藏的“國之重器”。我國因缺乏相應的強磁場條件,屢次錯失在物質科學等諸多領域開展前沿探索的機遇。


據了解,“穩態強磁場實驗裝置”是一個針對多學科實驗研究需要的強磁場極端實驗條件設施,包括十臺強磁場磁體裝置和六大類實驗測量系統。


混合磁體由內部水冷磁體和外部超導磁體組合而成,是追求更高穩態極端場強的首選,但此前國際上已有多個失敗案例,而我國在高場超導磁體技術方面的基礎較為薄弱,項目所有科研人員都面臨著巨大挑戰。


對水冷磁體而言,必須解決材料和結構的優化選擇、巨大電磁力和發熱問題,與之配套的數千萬瓦級的穩態直流電源系統、低溫冷卻系統、去離子水冷卻系統等均是一個個不容置疑的難關。


謹慎起見,超導磁體組決定先研制一款磁場強度低、口徑小,但選材、加工工藝完全相同的試驗磁體,試驗磁體在2011年7月通電測試成功。混合磁體研制真正開始之后,所有科研人員都秉持著一種謹慎嚴肅的工作狀態,為了達到驗收要求而不斷努力著。


國際領先水平的科學實驗系統


水冷磁體WM1原設計是超世界紀錄的38.5T,但在磁體組裝后的預測試中,科研人員卻發現磁場強度比預期的要低得多,且已是板上釘釘,超紀錄無望了。水冷磁體總設計高秉鈞帶領工作人員排查原因,最終發現絕大部分bitter片厚度不是原設計的0.27毫米,而是0.29~0.30毫米。


高秉鈞說:“面對幾千片bitter片,我們就用天平稱重量、算體積,來實測每片的實際厚度。將實測厚度的bitter片優化配置,重新組合,使組裝的磁體達到原設計的目標。”這樣,WM1最終實現了38.5T的磁場強度,打破水冷磁體場強世界紀錄。


2016年底混合磁體首次調試,磁場強度達到40特斯拉,符合工程驗收指標。就在科研人員歡欣鼓舞之時,磁體系統卻發生了故障。春節將至,項目組的人卻集中在場地,不斷調試設備排除故障。


大年三十上午八點,裝置準時通電測試,所有人在文化走廊吃了一頓簡單而又難忘的“年夜飯”。但是那天因為降溫沒到位,再一次失敗了。項目組的科研人員在春節假期繼續加班,大年初四,混合磁體終于通電勵磁,再次成功。

經過多年自主創新,強磁場研制團隊打破國際技術壁壘,成功克服關鍵材料國際限制、關鍵技術國內空白等重大難題,建成繼美國之后世界第二臺40T級混合磁體,建立了國際領先水平的科學實驗系統,實現了我國穩態強磁場極端條件的重大突破。


“穩態強磁場實驗裝置”國家驗收意見中寫道:“項目提出了一種水冷磁體設計創新方案,發展了一套全程可量化檢測的高精度裝配工藝。建成的水冷磁體中有三臺磁體的性能指標創世界紀錄,其中兩臺保持至今;突破了800毫米室溫孔徑、磁場強度達10特斯拉的鈮三錫超導磁體研制的技術難關,建成了40特斯拉穩態混合磁體裝置,磁場強度世界第二;建成了國際首創水冷磁體掃描隧道顯微鏡系統、掃描隧道—磁力—原子力組合顯微鏡系統,以及強磁場下低溫、超高壓實驗系統,使得我國穩態強磁場相關實驗條件達到國際領先水平。”


“邊建設邊開放”的管理新模式


強磁場下的應用研究對于高技術產業具有很強的催生和帶動作用,“強磁場效應”其實就在我們身邊。


高秉鈞介紹道:“大家都比較熟悉的醫院的核磁共振成像、磁懸浮列車等就運用了強磁場技術。此外,強磁場在化學合成、特殊材料、生物技術、醫藥健康等多種新技術研發方面都有可能發揮關鍵作用,孕育新的發明。”


據了解,強磁場有助于促進多學科交叉研究,尤其是生命科學、物理學、材料與化學、新技術之間的交叉研究。2014年,合肥物質院技術生物所吳躍進研究組和強磁場科學中心鐘凱研究組合作,研究了造影劑對水稻生長的潛在影響,并用磁共振成像技術獲得了造影劑在根系中的動態信息。這也是世界上首次利用造影劑研究磁共振成像技術在水稻根系無損檢測中的應用,為植物根系研究提供了一種新的研究方法。


在中科院“十二五”驗收中,“強磁場科學與技術”重大突破入選院“雙百”優秀。2017年3月,中共中央政治局委員、國務院副總理劉延東視察裝置,對團隊取得的成績給予了充分肯定。


同時,項目提出并實踐了國家大科學裝置“邊建設邊開放”管理新模式。從2010年試運行以來裝置已經為包括北大、復旦、中科大、浙大、南大、中科院物理所、中科院固體物理所、上海生科院、福建物構所等在內的百余家用戶單位提供了實驗條件,有力支撐了強磁場下前沿研究,產出了一大批具有國際影響力的科研成果。


隨著穩態強磁場裝置工程建設的推進,一支能打硬仗的強磁場技術攻關隊伍在鍛煉中成長。穩態強磁場實驗裝置將成為科學研究、科技發展的創新源頭,將為合肥綜合性國家科學中心的建設貢獻更多的科技力量。


摘自:《中國科學報》 (2017-10-23 第5版 創新周刊)


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