近日，由科技日報社主辦、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)強磁場實驗裝置刷新世界紀錄”入選國內(nèi)十大科技新聞。
創(chuàng)造這一紀錄的，是中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心團隊（以下簡稱團隊）。2022年8月12日，由該團隊研制的國家穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置再攀“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錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學研究的最強穩(wěn)態(tài)磁場。
(資料圖片)
從零起步自主研制科學裝置
45.22萬高斯，該怎么理解這個對普通人來說有點陌生的數(shù)字？
打個比方，地球本身就是一個磁體，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確地指向南方。換句話說，45.22萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場相當于地球磁場強度的90多萬倍。
穩(wěn)態(tài)磁場原世界紀錄保持者是美國。1999年，美國國家強磁場實驗室中的混合磁體產(chǎn)生了45萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場，創(chuàng)造了當時的世界紀錄，該紀錄保持了23年。
穩(wěn)態(tài)強磁場是物質(zhì)科學研究需要的一種極端實驗條件，是推進重大科學研究的“利器”，世界科技強國一直都非常重視強磁場實驗室的建設。不過，在過去很長的一段時間里，我國穩(wěn)態(tài)強磁場領域幾乎一片空白，這成為制約科技進步的短板。
2008年，經(jīng)國家發(fā)改委立項批準，位于合肥科學島的穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置開工建設、2017年該裝置通過國家驗收，成為黨的十八大以來建成的國家大科學裝置之一。
“2016年，我們就自主研制出中心場強40萬高斯的混合磁體裝置。這次能打破世界紀錄，是我們多年來矢志不移堅持自主創(chuàng)新的結(jié)果。”團隊核心成員之一、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心學術(shù)主任匡光力說。
全力以赴提升混合磁體性能
雖然起步時間晚，但是團隊僅用8年，就研制出了繼美國之后世界第二個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，有一天團隊可以站在最高領獎臺上。”團隊核心成員之一、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員陳思躍說。
從2016年底開始，團隊開始向下一個目標進發(fā)。
“產(chǎn)生盡可能強的磁場，是團隊的首要任務。此后近6年的時間里，我們共經(jīng)歷過3次重大的失敗，小的挫敗更是不計其數(shù)。”匡光力回憶道。
團隊成員對記者說，磁場越強，對科學研究的好處越大。在實驗過程中，磁場能使物質(zhì)的特性發(fā)生改變，磁場越強，改變的力度越大。同時，在越強的磁場條件下，實驗研究可探索的范圍越大，科學家獲得新發(fā)現(xiàn)的可能就越大。
2017年底，團隊將磁場強度由40萬高斯提高到了42.9萬高斯。兩年后的2019年，這個數(shù)字提高到了43.9萬高斯，距離世界紀錄看似僅一步之遙。在此期間，團隊兩次挑戰(zhàn)美國創(chuàng)造的世界紀錄，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，在混合磁體強度達到40萬高斯后，相關數(shù)據(jù)便停滯不前，第三次沖擊世界紀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。”團隊核心成員之一、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心副研究員房震說，混合磁體由水冷磁體和外超導磁體組合而成，而混合磁體性能提升的關鍵在于水冷磁體。
為了提升混合磁體的性能，團隊成立了“混合磁體關鍵技術(shù)攻關小組”（以下簡稱攻關小組），由匡光力任組長。除此之外，一支由團隊多名青年骨干組成的“高場磁體技術(shù)青年創(chuàng)新突擊隊”（以下簡稱青年創(chuàng)新突擊隊）也同時成立，房震擔任隊長，而隊員的平均年齡只有35歲。
在詳細分析了以往沖擊世界紀錄失敗的原因后，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)進行根本性的革新，才能保證混合磁體邁過45萬高斯的大關。通過多輪集體研討，團隊提出了一套創(chuàng)新性的技術(shù)方案。
房震告訴記者，那段時間，攻關小組和青年創(chuàng)新突擊隊為了某一項技術(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，他們還要保障與磁體運行相關的電源、水冷、低溫和中控等支撐系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。他們不斷優(yōu)化流程，不放過任何一個小問題。
歷經(jīng)多次失敗終迎來曙光
時間轉(zhuǎn)眼就到了2022年夏。當年7月15日下午，團隊進行了一場具有決定性意義的實驗。
“外面驕陽似火，中控大廳里的熱度更高。”房震回憶道，當天團隊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)磁場都會上一個臺階，這時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)，說實話每當停頓時，都挺煎熬的。”在場的團隊核心成員之一、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學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。
最終，中控大廳的屏幕上出現(xiàn)了“混合磁體總場強：45.2特斯拉”的字樣，全場沸騰。這個情景讓在場的團隊成員每每提起，都心潮澎湃。
“突破的關鍵還是我們對水冷磁體結(jié)構(gòu)進行了比較深層次的改進，進而很好地平衡了電磁力。”陳思躍表示，這次成功沖擊世界紀錄，得益于團隊的10多項技術(shù)創(chuàng)新。
“大科學裝置具有鮮明的科學和工程雙重屬性，我們現(xiàn)在的混合磁體可以為很多學科領域的課題研究提供更好的實驗條件。”匡光力告訴記者，穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置自投入運行以來，為國內(nèi)外170多家單位提供了實驗條件。
面向未來，匡光力表示，團隊已經(jīng)有了新的奮斗目標——研制以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導磁體為代表的、著力解決國家重大需求的強光磁集成實驗裝置，繼續(xù)攀登新的科學高峰。
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