本報記者 高 博  劉志偉

    2018年12月初，武漢國家脈沖強磁場科學中心,，一次次電磁風暴的襲擊，讓物質(zhì)被迫吐露不為人知的秘密,。最先進的電源,、磁體和控制系統(tǒng),，打造了這一世界頂尖水平的強磁場裝置。

    “磁場與電流成正比,，而磁體承受的力和熱,，與磁場的平方成正比。所以越往上走越難,。就好像百米跑從9.9秒提高到9.8秒那樣難,。”國家脈沖強磁場科學中心主任李亮說,。

    “美國從70T（特斯拉）到90T走了20年,，德國用了15年，中國則是4年,?！崩盍琳f。

    線圈使用壽命超出國際同行近1倍

    1820年,，丹麥人奧斯特無意間發(fā)現(xiàn),，導線通電，附近的小磁針會跳動,。從此,，人們一直在用通電線圈來制造磁場。瞬間強電流產(chǎn)生的幾毫秒時間的強磁場,，叫做脈沖強磁場,，它比穩(wěn)態(tài)磁場更高。

    國家脈沖強磁場科學中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細的導線,，繞成線圈,，接上2.5萬伏特的電壓，流過4萬安培的瞬間電流,，就可以產(chǎn)生幾十T的脈沖磁場,。

    但通電線圈會被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長和壓扁。李亮說,，他們的線圈承受的應(yīng)力,，是“蛟龍”號在7000米海底面臨壓強的50倍。而且磁體在放電過程中會產(chǎn)生巨大熱量,，線圈泡于液氮以降溫,；通電瞬間零下200攝氏度的液氮砰地蒸發(fā)掉。

    幾個毫秒內(nèi)通入磁體的能量如10公斤TNT的能量,，線圈經(jīng)常被炸碎,。俄羅斯和日本科學家先后用極端辦法制造過上千T的磁場，那也是目前人類取得的最強磁場。但必須犧牲線圈,，是一次性的,，磁體線圈無法重復利用。

    美國國家強磁場實驗室創(chuàng)紀錄的線圈用的是銅鈮合金,，最結(jié)實——100T磁場紀錄的最大功臣,。中國團隊則使用國內(nèi)自主研發(fā)的銅鈮合金，強度僅為前者2/3,。

    中國人另辟蹊徑,，從理論分析挖掘潛力，通過精確計算,，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果,，就像鐵環(huán)箍住炮筒。它比凱夫拉還結(jié)實,，是世界上最強韌的纖維,。纖維浸泡環(huán)氧樹脂，也充當線圈的絕緣層,。

    彭濤教授專職繞線,。“如果浸泡樹脂不夠充分,，反光是不同的,。”彭濤說,，從線圈的紋路和顏色,，老手能看出瑕疵。瑕疵讓線圈更早崩潰,。

    美國磁體線圈直徑一米,，比中國的大很多，應(yīng)力更低,，不易壞,，但美國線圈平均通電500次就會壞掉；彭濤做的線圈可使用800次,。

    中國電源便宜又強大

    李亮曾在歐洲和美國工作多年,，1992年以來世界上最強的磁體大多有他參與設(shè)計。

    “我們是彎道超車,?！崩盍琳f，“我們從無到有,，總結(jié)各家的經(jīng)驗,，所以設(shè)計的整體性,、系統(tǒng)性更強?！?/p>

    美國國家強磁場實驗室發(fā)電機電源,，兩層樓高，巨大的飛輪儲能,，瞬間放電——本是核聚變實驗用的，100T紀錄的第二大功臣,。

    中國電源則分3部分：發(fā)電機電源（功率不到美國的1/10）,；20幾個電容儲能型電源模塊；鉛酸蓄電池組,。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，僅使用幾個電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場脈沖峰值,。美國實現(xiàn)100T需115兆焦耳能量,，中國實現(xiàn)90T只用10兆焦。  

    專攻電源的丁洪發(fā)教授說：“幾十個模塊的開關(guān)時間差要限制在微秒級,。元器件也要篩選,，讓電路的延遲一致?！?/p>

    2008年開工建設(shè),，大部分設(shè)備自研自造，國產(chǎn)化率85%,?！叭思沂峭獍o專業(yè)公司，我們是自己動手,?！崩盍琳f。

    每組電容儲能型電源100萬元,。整個電源系統(tǒng)投入僅是美國人的一個零頭,。液氦回收系統(tǒng)只有國外同類設(shè)備1/4的價格，回收的氦氣每年可節(jié)約500萬—600萬元實驗消耗,。

    脈沖平頂磁場十分重要,，但美國人做平頂脈沖磁場，一年只能使用50—60次,。中國人改進了電源和控制系統(tǒng),，則像開微波爐一樣簡單。

    “國際專家說我們花了1.2億元,，干了1.2億美元的活兒,?！崩盍琳f。

    測量需要極端精細

    2013年10月,，在全世界專家的見證下,，中國裝置首秀成功。國際權(quán)威報告說：中國的磁體和電源技術(shù)世界頂級,；控制系統(tǒng)國際領(lǐng)先,。

    雖然最高磁場紀錄不及美國，但中國裝置優(yōu)勢明顯——一套中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)3類電源和8個實驗站的靈活組合,。這是中國磁場的一個殺手锏,，更有利實驗?？刂葡到y(tǒng)負責人韓小濤教授說：“別人都是一個磁體發(fā)一種波形,。我們的可以一個磁體產(chǎn)生多種波形?！?/p>

    美國在2013年實現(xiàn)了100.75T,，德國實現(xiàn)94T，中國也以90.6T成為90T俱樂部的一員,。而目前有望刷新紀錄的只有美,、中。

    強磁場將考問出新的物質(zhì)特性,，催生下一代電子材料和芯片,。朱增偉教授說：“半金屬比如鉍和銻，適合放在強磁場下研究極端情況,?！?/p>

    2018年11月，北京大學發(fā)現(xiàn)“對數(shù)量子震蕩”,，實驗就在武漢做,。在58T磁場下清晰觀測到5個振蕩，才得以發(fā)現(xiàn)對數(shù)規(guī)律,。

    強磁場的“風暴眼”只有20毫米長,，在杏仁大小的空間里布置所有的樣品和感應(yīng)器，跟微雕差不多,。

    “渦流,、熱效應(yīng)、震動,、電磁干擾……測量永遠伴隨噪音,。”左華坤工程師說,。

    想一次測出高質(zhì)量信號難,，因為干擾因素太多,。樣品桿浸泡在液氦里，還跟外面隔著一層真空,，但線圈一瞬間的高溫，仍然會造成樣品零點零幾度的熱擾動,。傳感器的線路在脈沖磁場的作用下,，也可能震動幾個微米產(chǎn)生噪聲。

    還有很多不可測因素,，比如地線“零”電壓的不穩(wěn)定,，濕度差異，都可能造成測量結(jié)果不同,。

    “如果不這樣難測，那些物理難題也就不會遺留到現(xiàn)在了,?！弊笕A坤說，論電磁測量精度武漢國家脈沖強磁場科學中心已不弱于任何同行,。

    “中心建成后,，不僅國內(nèi)科學家基本不再去國外做實驗了，還吸引了劍橋,、斯坦福等眾多國外用戶,。”李亮說,。