近日，由科技日報(bào)社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評選出的2022年國內(nèi)十大科技新聞揭曉，“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置刷新世界紀(jì)錄”入選國內(nèi)十大科技新聞。
創(chuàng)造這一紀(jì)錄的，是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)（以下簡稱團(tuán)隊(duì)）。2022年8月12日，由該團(tuán)隊(duì)研制的國家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置再攀“科技高峰”：其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬高斯（即45.22特斯拉）的穩(wěn)態(tài)磁場，刷新了同類型磁體的世界紀(jì)錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學(xué)研究的最強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場。
(資料圖片)
從零起步自主研制科學(xué)裝置
45.22萬高斯，該怎么理解這個(gè)對普通人來說有點(diǎn)陌生的數(shù)字？
打個(gè)比方，地球本身就是一個(gè)磁體，它表面的磁場約等于0.5高斯——這0.5高斯的磁場就可以讓指南針的指針準(zhǔn)確地指向南方。換句話說，45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場相當(dāng)于地球磁場強(qiáng)度的90多萬倍。
穩(wěn)態(tài)磁場原世界紀(jì)錄保持者是美國。1999年，美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室中的混合磁體產(chǎn)生了45萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄，該紀(jì)錄保持了23年。
穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場是物質(zhì)科學(xué)研究需要的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，是推進(jìn)重大科學(xué)研究的“利器”，世界科技強(qiáng)國一直都非常重視強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。不過，在過去很長的一段時(shí)間里，我國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場領(lǐng)域幾乎一片空白，這成為制約科技進(jìn)步的短板。
2008年，經(jīng)國家發(fā)改委立項(xiàng)批準(zhǔn)，位于合肥科學(xué)島的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置開工建設(shè)、2017年該裝置通過國家驗(yàn)收，成為黨的十八大以來建成的國家大科學(xué)裝置之一。
“2016年，我們就自主研制出中心場強(qiáng)40萬高斯的混合磁體裝置。這次能打破世界紀(jì)錄，是我們多年來矢志不移堅(jiān)持自主創(chuàng)新的結(jié)果。”團(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力說。
全力以赴提升混合磁體性能
雖然起步時(shí)間晚，但是團(tuán)隊(duì)僅用8年，就研制出了繼美國之后世界第二個(gè)40特斯拉級的混合磁體，一舉躋身世界第二。
“‘老二’本來也很好了，但是我心中一直希望，有一天團(tuán)隊(duì)可以站在最高領(lǐng)獎臺上。”團(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心研究員陳思躍說。
從2016年底開始，團(tuán)隊(duì)開始向下一個(gè)目標(biāo)進(jìn)發(fā)。
“產(chǎn)生盡可能強(qiáng)的磁場，是團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)。此后近6年的時(shí)間里，我們共經(jīng)歷過3次重大的失敗，小的挫敗更是不計(jì)其數(shù)。”匡光力回憶道。
團(tuán)隊(duì)成員對記者說，磁場越強(qiáng)，對科學(xué)研究的好處越大。在實(shí)驗(yàn)過程中，磁場能使物質(zhì)的特性發(fā)生改變，磁場越強(qiáng)，改變的力度越大。同時(shí)，在越強(qiáng)的磁場條件下，實(shí)驗(yàn)研究可探索的范圍越大，科學(xué)家獲得新發(fā)現(xiàn)的可能就越大。
2017年底，團(tuán)隊(duì)將磁場強(qiáng)度由40萬高斯提高到了42.9萬高斯。兩年后的2019年，這個(gè)數(shù)字提高到了43.9萬高斯，距離世界紀(jì)錄看似僅一步之遙。在此期間，團(tuán)隊(duì)兩次挑戰(zhàn)美國創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，但遺憾的是，均以失敗告終。
2021年4月，最讓人揪心的事情發(fā)生了，在混合磁體強(qiáng)度達(dá)到40萬高斯后，相關(guān)數(shù)據(jù)便停滯不前，第三次沖擊世界紀(jì)錄就這樣以令人失望的結(jié)果收場。
“尤其是在第三次失敗后，對大家打擊很大。”團(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心副研究員房震說，混合磁體由水冷磁體和外超導(dǎo)磁體組合而成，而混合磁體性能提升的關(guān)鍵在于水冷磁體。
為了提升混合磁體的性能，團(tuán)隊(duì)成立了“混合磁體關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)小組”（以下簡稱攻關(guān)小組），由匡光力任組長。除此之外，一支由團(tuán)隊(duì)多名青年骨干組成的“高場磁體技術(shù)青年創(chuàng)新突擊隊(duì)”（以下簡稱青年創(chuàng)新突擊隊(duì)）也同時(shí)成立，房震擔(dān)任隊(duì)長，而隊(duì)員的平均年齡只有35歲。
在詳細(xì)分析了以往沖擊世界紀(jì)錄失敗的原因后，針對混合磁體性能提升，大家得出了統(tǒng)一結(jié)論：必須對水冷磁體中高場線圈技術(shù)進(jìn)行根本性的革新，才能保證混合磁體邁過45萬高斯的大關(guān)。通過多輪集體研討，團(tuán)隊(duì)提出了一套創(chuàng)新性的技術(shù)方案。
房震告訴記者，那段時(shí)間，攻關(guān)小組和青年創(chuàng)新突擊隊(duì)為了某一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新工作，熬到半夜是家常便飯。在改造高場磁體線圈的同時(shí)，他們還要保障與磁體運(yùn)行相關(guān)的電源、水冷、低溫和中控等支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。他們不斷優(yōu)化流程，不放過任何一個(gè)小問題。
歷經(jīng)多次失敗終迎來曙光
時(shí)間轉(zhuǎn)眼就到了2022年夏。當(dāng)年7月15日下午，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一場具有決定性意義的實(shí)驗(yàn)。
“外面驕陽似火，中控大廳里的熱度更高。”房震回憶道，當(dāng)天團(tuán)隊(duì)所有人都緊盯著屏幕上密密麻麻的數(shù)據(jù)：1萬安培、2萬安培……所有參數(shù)正常穩(wěn)定。電流每增加1萬安培，穩(wěn)態(tài)磁場都會上一個(gè)臺階，這時(shí)候一般也會停頓十幾秒。
“停頓是為了看磁場狀態(tài)穩(wěn)不穩(wěn)，說實(shí)話每當(dāng)停頓時(shí)，都挺煎熬的。”在場的團(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心磁體部主任陳文革回憶道，直到電流上到3萬安培，他的心情才稍微平穩(wěn)了一點(diǎn)。
最終，中控大廳的屏幕上出現(xiàn)了“混合磁體總場強(qiáng)：45.2特斯拉”的字樣，全場沸騰。這個(gè)情景讓在場的團(tuán)隊(duì)成員每每提起，都心潮澎湃。
“突破的關(guān)鍵還是我們對水冷磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較深層次的改進(jìn)，進(jìn)而很好地平衡了電磁力。”陳思躍表示，這次成功沖擊世界紀(jì)錄，得益于團(tuán)隊(duì)的10多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。
“大科學(xué)裝置具有鮮明的科學(xué)和工程雙重屬性，我們現(xiàn)在的混合磁體可以為很多學(xué)科領(lǐng)域的課題研究提供更好的實(shí)驗(yàn)條件。”匡光力告訴記者，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置自投入運(yùn)行以來，為國內(nèi)外170多家單位提供了實(shí)驗(yàn)條件。
面向未來，匡光力表示，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了新的奮斗目標(biāo)——研制以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導(dǎo)磁體為代表的、著力解決國家重大需求的強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)裝置，繼續(xù)攀登新的科學(xué)高峰。
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