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世界領(lǐng)先的強(qiáng)磁場(chǎng) 中國(guó)人這樣建
——走進(jìn)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心系列報(bào)道之二
本報(bào)記者 高 博 劉志偉
2018年12月初，武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，一次次電磁風(fēng)暴的襲擊，讓物質(zhì)被迫吐露不為人知的秘密。最先進(jìn)的電源、磁體和控制系統(tǒng)，打造了這一世界頂尖水平的強(qiáng)磁場(chǎng)裝置。
“磁場(chǎng)與電流成正比，而磁體承受的力和熱，與磁場(chǎng)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(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心主任李亮說(shuō)。
“美國(guó)從70T（特斯拉）到90T走了20年，德國(guó)用了15年，中國(guó)則是4年。”李亮說(shuō)。
線圈使用壽命超出國(guó)際同行近1倍
1820年，丹麥人奧斯特?zé)o意間發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通電，附近的小磁針會(huì)跳動(dòng)。從此，人們一直在用通電線圈來(lái)制造磁場(chǎng)。瞬間強(qiáng)電流產(chǎn)生的幾毫秒時(shí)間的強(qiáng)磁場(chǎng)，叫做脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，它比穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)更高。
國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細(xì)的導(dǎo)線，繞成線圈，接上2.5萬(wàn)伏特的電壓，流過(guò)4萬(wàn)安培的瞬間電流，就可以產(chǎn)生幾十T的脈沖磁場(chǎng)。
但通電線圈會(huì)被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長(zhǎng)和壓扁。李亮說(shuō)，他們的線圈承受的應(yīng)力，是“蛟龍”號(hào)在7000米海底面臨壓強(qiáng)的50倍。而且磁體在放電過(guò)程中會(huì)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(gè)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(xué)家先后用極端辦法制造過(guò)上千T的磁場(chǎng)，那也是目前人類取得的最強(qiáng)磁場(chǎng)。但必須犧牲線圈，是一次性的，磁體線圈無(wú)法重復(fù)利用。
美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)紀(jì)錄的線圈用的是銅鈮合金，最結(jié)實(shí)——100T磁場(chǎng)紀(jì)錄的最大功臣。中國(guó)團(tuán)隊(duì)則使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的銅鈮合金，強(qiáng)度僅為前者2/3。
中國(guó)人另辟蹊徑，從理論分析挖掘潛力，通過(guò)精確計(jì)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(shí)，是世界上最強(qiáng)韌的纖維。纖維浸泡環(huán)氧樹脂，也充當(dāng)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(shuō)，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(guó)磁體線圈直徑一米，比中國(guó)的大很多，應(yīng)力更低，不易壞，但美國(guó)線圈平均通電500次就會(huì)壞掉；彭濤做的線圈可使用800次。
中國(guó)電源便宜又強(qiáng)大
李亮曾在歐洲和美國(guó)工作多年，1992年以來(lái)世界上最強(qiáng)的磁體大多有他參與設(shè)計(jì)。
“我們是彎道超車。”李亮說(shuō)，“我們從無(wú)到有，總結(jié)各家的經(jīng)驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)的整體性、系統(tǒng)性更強(qiáng)。”
美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲(chǔ)能，瞬間放電——本是核聚變實(shí)驗(yàn)用的，100T紀(jì)錄的第二大功臣。
