世界领先的强磁场 全球共享的大装置

2019-01-16 08:20 科技日报

  世界领先的强磁场 全球共享的大装置

  ——走进国家脉冲强磁场科学中心系列报道之三

  本报记者 赵汉斌 刘志伟

  塞巴斯蒂安教授团队最近一次来华访问交流,全留在了位于武汉华中科技大学的国家脉冲强磁场科学中心。利用这里的强磁场装置开展研究,得到的一组高质量实验数据让她喜出望外。

  “武汉的国家脉冲强磁场装置是世界一流的设施,几年来我屡屡造访武汉,用这里的设施开展新的研究。”这位来自英国剑桥大学卡文迪许实验室的女科学家说。

  国家脉冲强磁场实验装置是一个为国内外科学家提供超强磁场、极低温、超高压等极端实验条件,进行前沿基础科学研究的国家级科学研究中心,这也是国内唯一的大型脉冲强磁场科研基础条件平台。从2013年10月接受国际评估那天起,就已跻身世界四大脉冲强磁场科学中心行列。

  强磁场服务全球科学家

  王健,北京大学物理学院量子材料科学中心教授,博士生导师。

  5年来,他已经数不清自己第几次到武汉。“我回国后的许多研究成果,都离不开武汉国家脉冲强磁场科学中心。”王健告诉科技日报记者,强磁场是研究材料本质特性的“放大镜”,磁场越高,新现象、新物态出现的机率就越大,给自己的研究带来的机遇就越大。

  “强磁场在证明对数周期量子振荡的过程中起到了至关重要的作用。”王健说,一个月前,在国家脉冲强磁场科学中心58T(特斯拉)磁场强度下,他和谢心澄院士研究团队清晰观测到了5个振荡,获得了可靠的测量数据,被评价为近90年以来量子振荡领域最为重要的发现之一。

  与王健相似,塞巴斯蒂安也已离不开武汉的强磁场装置。“如果没有国家脉冲强磁场科学中心的设施和学识渊博的工作人员,我的研究小组将无法开展新的量子材料研究,而这些研究有望为未来提供再生能源。”她这样告诉科技日报记者,眼下她正在冲击一项期待已久的成果。卡文迪许实验室是近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室,催生了大量足以影响人类进步的重要科学成果,诞生过29位诺奖科学家。

  “这是开放的平台,世界共享。我们的装置已为69家科研单位提供了904项科学研究服务,装置开放运行及成果产出与世界最高水平实验室相当。”国家脉冲强磁场科学中心常务副主任韩小涛教授说,这些用户不仅遍含国内重点大学和科研院所,也囊括了哈佛、剑桥、斯坦福等全球顶级用户。利用这里的实验条件开展研究,截至目前,他们在《科学》《自然》等国际顶级刊物已发表论文672篇。

  为国际主流脉冲磁体设计提供支撑

  磁体犹如强磁场的心脏。

  时任华中科技大学校长的李培根院士当年“三顾茅庐”请回的李亮教授,是全球强磁场磁体设计的顶尖高手。李亮的归来,带动我国脉冲强磁场装置的理论分析和研制水平迅速跃居世界前列。

  “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·德拉琴科博士在接受科技日报记者采访时表示,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,还可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。计算包括电感、磁场、脉冲宽度、均匀度、应变应力分布、温度分布等电参数和机械参数,最后还能指导磁体研制所需材料的订购。“我认为PMDS可让一大批科学家和工程师参与脉冲磁体设计,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、荷兰等几个国家强磁场实验室共同开展下一代脉冲磁体研究。来自中国的脉冲磁体设计平台为他们提供了支撑。

  技术创新工程创新与制度创新并驾齐驱

  在国家脉冲强磁场科学中心不起眼的一角,一块直径1.38米的大型铝合金板件刚刚整体成形。“这是与相关部门合作,首次使用多时空脉冲强磁场成形制造的航天器无焊缝底壳部件。”韩小涛自豪地说,如此大面积的壳体电磁成形以及大直径铝管和钢管的电磁“焊接”,在国际上都是首次。

  针对国内外现有大型、复杂板管类零件的成形受限于工艺装备和材料性能的难题,国家脉冲强磁场科学中心一班人基于先进的脉冲磁体技术、脉冲电源及控制技术,提出了组装后整体充磁的创新型工艺方法。这项技术的成功,将打破美、德等国的技术封锁,将广泛应用于车用永磁同步电机、永磁风力发电机、永磁磁共振成像等大型永磁设备,市场前景广阔。

  这一项项创新,也是华中科技大学“双一流”建设进程中,加强优势学科建设的一个缩影。“多学科的交叉与融合,是创新的源泉,也是华科的优势!”国家脉冲强磁场装置建设的首倡者、中国工程院院士潘垣说,国家脉冲强磁场科学中心之所以诞生在华科,是“顺势而为”的结果,这也是全国第一个落地在高校的国家大科学装置,意在促进世界一流高校建设的同时聚合力量,在科学技术前沿取得重大突破、解决经济社会发展和国家安全中的战略性、基础性和前瞻性科技问题。

  “作为高校搞大科学装置的第一拨‘吃蟹人’,我们还要像搞科研一样,在装置运行的体制机制上不断创新,突破重重障碍,才能让强磁场装置持久、高质量地服务全球科学家。”李亮说,未来的路还很长。

责编:李文瑶
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