作者:吴长锋 来源:科技日报 发布时间:2023/1/30 10:24:40
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三次挑战世界纪录,他们冲向最强磁场
——记中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心团队

 

近日,由科技日报社主办、部分两院院士和媒体人士共同评选出的2022年国内十大科技新闻揭晓,“稳态强磁场实验装置刷新世界纪录”入选国内十大科技新闻。

创造这一纪录的,是中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心团队(以下简称团队)。2022年8月12日,由该团队研制的国家稳态强磁场实验装置再攀“科技高峰”:其混合磁体产生了45.22万高斯(即45.22特斯拉)的稳态磁场,刷新了同类型磁体的世界纪录,成为目前全球范围内可支持科学研究的最强稳态磁场。

从零起步自主研制科学装置

45.22万高斯,该怎么理解这个对普通人来说有点陌生的数字?

打个比方,地球本身就是一个磁体,它表面的磁场约等于0.5高斯——这0.5高斯的磁场就可以让指南针的指针准确地指向南方。换句话说,45.22万高斯的稳态磁场相当于地球磁场强度的90多万倍。

稳态磁场原世界纪录保持者是美国。1999年,美国国家强磁场实验室中的混合磁体产生了45万高斯的稳态磁场,创造了当时的世界纪录,该纪录保持了23年。

稳态强磁场是物质科学研究需要的一种极端实验条件,是推进重大科学研究的“利器”,世界科技强国一直都非常重视强磁场实验室的建设。不过,在过去很长的一段时间里,我国稳态强磁场领域几乎一片空白,这成为制约科技进步的短板。

2008年,经国家发改委立项批准,位于合肥科学岛的稳态强磁场实验装置开工建设、2017年该装置通过国家验收,成为党的十八大以来建成的国家大科学装置之一。

“2016年,我们就自主研制出中心场强40万高斯的混合磁体装置。这次能打破世界纪录,是我们多年来矢志不移坚持自主创新的结果。”团队核心成员之一、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心学术主任匡光力说。

全力以赴提升混合磁体性能

虽然起步时间晚,但是团队仅用8年,就研制出了继美国之后世界第二个40特斯拉级的混合磁体,一举跻身世界第二。

“‘老二’本来也很好了,但是我心中一直希望,有一天团队可以站在最高领奖台上。”团队核心成员之一、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员陈思跃说。

从2016年底开始,团队开始向下一个目标进发。

“产生尽可能强的磁场,是团队的首要任务。此后近6年的时间里,我们共经历过3次重大的失败,小的挫败更是不计其数。”匡光力回忆道。

团队成员对记者说,磁场越强,对科学研究的好处越大。在实验过程中,磁场能使物质的特性发生改变,磁场越强,改变的力度越大。同时,在越强的磁场条件下,实验研究可探索的范围越大,科学家获得新发现的可能就越大。

2017年底,团队将磁场强度由40万高斯提高到了42.9万高斯。两年后的2019年,这个数字提高到了43.9万高斯,距离世界纪录看似仅一步之遥。在此期间,团队两次挑战美国创造的世界纪录,但遗憾的是,均以失败告终。

2021年4月,最让人揪心的事情发生了,在混合磁体强度达到40万高斯后,相关数据便停滞不前,第三次冲击世界纪录就这样以令人失望的结果收场。

“尤其是在第三次失败后,对大家打击很大。”团队核心成员之一、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心副研究员房震说,混合磁体由水冷磁体和外超导磁体组合而成,而混合磁体性能提升的关键在于水冷磁体。

为了提升混合磁体的性能,团队成立了“混合磁体关键技术攻关小组”(以下简称攻关小组),由匡光力任组长。除此之外,一支由团队多名青年骨干组成的“高场磁体技术青年创新突击队”(以下简称青年创新突击队)也同时成立,房震担任队长,而队员的平均年龄只有35岁。

在详细分析了以往冲击世界纪录失败的原因后,针对混合磁体性能提升,大家得出了统一结论:必须对水冷磁体中高场线圈技术进行根本性的革新,才能保证混合磁体迈过45万高斯的大关。通过多轮集体研讨,团队提出了一套创新性的技术方案。

房震告诉记者,那段时间,攻关小组和青年创新突击队为了某一项技术创新工作,熬到半夜是家常便饭。在改造高场磁体线圈的同时,他们还要保障与磁体运行相关的电源、水冷、低温和中控等支撑系统正常运转。他们不断优化流程,不放过任何一个小问题。

历经多次失败终迎来曙光

时间转眼就到了2022年夏。当年7月15日下午,团队进行了一场具有决定性意义的实验。

“外面骄阳似火,中控大厅里的热度更高。”房震回忆道,当天团队所有人都紧盯着屏幕上密密麻麻的数据:1万安培、2万安培……所有参数正常稳定。电流每增加1万安培,稳态磁场都会上一个台阶,这时候一般也会停顿十几秒。

“停顿是为了看磁场状态稳不稳,说实话每当停顿时,都挺煎熬的。”在场的团队核心成员之一、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心磁体部主任陈文革回忆道,直到电流上到3万安培,他的心情才稍微平稳了一点。

最终,中控大厅的屏幕上出现了“混合磁体总场强:45.2特斯拉”的字样,全场沸腾。这个情景让在场的团队成员每每提起,都心潮澎湃。

“突破的关键还是我们对水冷磁体结构进行了比较深层次的改进,进而很好地平衡了电磁力。”陈思跃表示,这次成功冲击世界纪录,得益于团队的10多项技术创新。

“大科学装置具有鲜明的科学和工程双重属性,我们现在的混合磁体可以为很多学科领域的课题研究提供更好的实验条件。”匡光力告诉记者,稳态强磁场实验装置自投入运行以来,为国内外170多家单位提供了实验条件。

面向未来,匡光力表示,团队已经有了新的奋斗目标——研制以55特斯拉混合磁体、36特斯拉超导磁体为代表的、着力解决国家重大需求的强光磁集成实验装置,继续攀登新的科学高峰。

 
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