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我国脉冲强磁场技术创两项世界纪录

来源:经济日报    柳洁 王潇潇    发布时间:2019-02-01 10:52

国家脉冲强磁场科学中心工作人员正在进行相关实验。王潇潇摄 (中经视觉)

  华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心在脉冲平顶磁场强度和高场重复频率上创造了两项世界纪录,将为相关领域的科学研究提供独特的实验条件,并使我国脉冲强磁场技术走在了世界前列

  把一块材料放在相当于地球磁感应强度120万倍的强磁场下,持续10毫秒,或者以毫秒级的时间间隔反复施加强磁场,会发生什么?日前,国家重大科技基础设施、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心成功实现64特斯拉脉冲平顶磁场强度,创造了脉冲平顶磁场强度新的世界纪录。在物理学家看来,这无异于开辟了研究微观物质世界的新天地。

  中国电机工程学会鉴定认为,该项目在脉冲平顶磁场强度和高场重复频率上创造了两项世界纪录,结束了我国强磁场下科学研究长期依赖国外装置的历史。

  中国工程院院士潘垣介绍,脉冲平顶磁场兼具稳态和脉冲两种磁场的优点,能够实现更高的强度且在一段时间保持很高的稳定度。此次在测试64特斯拉脉冲平顶磁场的同时,国家脉冲强磁场科学中心成功开展了重费米子材料CeRhIn5的比热测量,这表明过去只能在稳态磁场下开展的核磁共振、比热、拉曼光谱等研究工作在更高场强下成为可能。

  “64特斯拉脉冲平顶磁场实验,磁体重量、电源能量不到国际同类型磁场系统的十分之一,磁场强度更是一举超过此前美国国家强磁场实验室创造的60特斯拉。”国家脉冲强磁场科学中心主任李亮介绍,脉冲强磁场需要具备磁场强度高、平顶稳定度高和重复频率高等特点,国际上其他脉冲强磁场实验室都是通过研制不同磁体分别实现这3类磁场,该中心基于强磁场核心技术的全面掌握,通过电源与磁体的协同控制,可以让同一个实验站的同一个磁体产生高强度、高稳定度和高重频的脉冲磁场,为相关领域的科学研究提供独特的实验条件。

  在测试过程中,科研人员面临两大难题:一是万安级电流需要实现千分之一的调控精度,二是磁体应力高达4000MPa(兆帕),超过蛟龙号7000米水深海水压力50倍。经过反复研究,科研团队提出双电容器耦合态调控新方案,首次实现了电容器驱动的脉冲强磁场波形调控,并成功实现64特斯拉、3‰稳定度的脉冲平顶磁场,使我国脉冲强磁场技术走在了世界前列。

  磁体犹如强磁场的心脏。上世纪80年代后期,高温超导成为热门研究领域,传统的稳态强磁场已经力不从心。欧美发达国家开始加大磁场强度更高的脉冲强磁场建设,而我国在脉冲强磁场建设方面基本是空白。潘垣敏锐地意识到,我国要想在凝聚态物理、材料、化学和生命等基础前沿科学方面的研究进入国际前列,就必须建设世界一流水平的脉冲强磁场装置。

  2008年,国家脉冲强磁场科学中心在华中科技大学开始建设,这也是首个由教育部高校承建并按时通过验收对外开放的国家重大科技基础设施项目。该中心大部分设备自研自造,国产化率达到85%。中心建成后,国内科学家基本不再去国外做实验,还吸引了来自剑桥、斯坦福等众多外国科学家。“美国从70T(特斯拉)到90T走了20年,德国用了15年,中国则是4年。”李亮告诉经济日报记者。

  “我们提出了脉冲磁体非连续性层间加固理论和工艺实现方法,解决了高参数脉冲磁体的力学稳定性问题,大大提高了磁体的性能和寿命,降低了成本。”李亮说,他们常规使用的65T脉冲磁体平均寿命超过800次,远超国际同行350次至500次的水平。而由中心开发的脉冲磁体设计专用平台PMDS,已被美国橡树岭、牛津大学、欧洲强磁场实验室等世界顶级实验室广泛采用。

  法国图卢兹国家强磁场实验室奥列克西·德拉琴科博士表示,PMDS是一款功能强大、使用方便的优秀软件,它可实现脉冲磁体许多参数的计算,还能非常简便地进行线圈几何结构、导线和加固材料层数等变量的设计。“这是将磁体设计水平推向新高度的重大成绩。”

  PMDS已被欧盟第六框架项目“下一代脉冲磁场用户设施的设计研究”(简称DeNUF)采纳为磁体设计工具,这个项目资助德国、法国、英国、荷兰等国家强磁场实验室共同开展下一代脉冲磁体研究。

  国家脉冲强磁场科学中心对外开放运行4年来,取得了包括近90年来首次发现的全新规律量子振荡现象等一大批创新成果,累计为60多家国内外高校和科研机构开展脉冲强磁场下的科学研究700余项,有力地支撑了我国凝聚态物理、材料、化学、生命等前沿基础学科的发展。

(责任编辑:张芦刚)
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