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湖北兩個“大科學裝置”邁向創新高地

  • 2019-2-20 0:36:49
  • 來源:湖北日報
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華中科技大學國家脈沖強磁場科學中心創造64T脈沖平頂磁場強度世界紀錄,結束了我國強磁場下科研長期依賴國外裝置的歷史。日前,該成果入選省科技廳公布的2018年湖北十大科技事件。

 

“這項重大成果的取得,得益于國家在我省實施的大科學裝置建設。”2月15日,該中心主任李亮教授欣喜地告訴記者。

 

大科學裝置,是指面向國際科技前沿、瞄準重要科技目標的重大科技基礎設施,能為國家經濟建設、國防建設和社會發展作出戰略性、基礎性和前瞻性貢獻。我國最早的大科學裝置為1988年建成的北京正負電子對撞機。迄今,全國已建成或在建的大科學裝置不到50個,我省現有的2個均由華中科大承建。

 

2007年開建的華中科大脈沖強磁場實驗裝置,是經國家發改委批復立項、教育部直屬高校承建的首個國家大科學裝置,于2014年建成。如今,該裝置脈沖磁場強度達到90.6T(T為單位“特斯拉”,1特斯拉相當于地球磁感應的2萬倍),使我國成為繼美國、德國后第三個突破90T大關的國家。該中心對外開放4年來,已為國內外69家科研單位提供了904項科學研究服務,被國際同行評價為“世界上最好的脈沖場之列”。利用該裝置,北京大學研究團隊發現了對數周期量子振蕩現象,被譽為“近90年以來量子振蕩領域最為重要的發現之一”。

 

華中科大承建的另一個大科學裝置為精密重力測量研究設施,總投資9.05億元,于去年6月底開工建設。項目建成后,將成為國際一流的精密重力測量研究設施,具備全球毫伽級、基準微伽級的重力數據獲取、評估與應用能力,并將為解決固體地球演化、海洋與氣候變化、水資源分布和地質災害研究中的科學問題提供重要支撐,滿足我國地質調查、資源勘探、重力導航等對重力數據和重力基準的戰略需求。

 

4年走完美國20年歷程

 

華中科大脈沖強磁場實驗裝置,是湖北省和教育部高校承擔建設的第一個大科學裝置。

 

“落戶華中科大并如期建成,實屬來之不易!”2月15日,華中科大科學發展研究院副院長萬青云告訴湖北日報全媒記者。

 

上世紀80年代后期,高溫超導成為熱門研究領域,歐美發達國家紛紛轉向建設磁場強度更高的脈沖強磁場,而我國在這方面幾乎一片空白。

 

2007年,在美國GE公司擔任技術骨干的李亮,為時任華中科大校長李培根院士的一再相邀所打動,毅然來到華中科大主持建設脈沖強磁場實驗裝置。面對科研經費捉襟見肘、導體材料強度差、電源功率小等一大堆難題,李亮及其團隊成員絞盡了腦汁。

 

以鉛筆粗細的導線繞制成磁體,接上2.5萬伏特電壓,流過4萬安培的瞬間電流,就可產生數十特斯拉的脈沖磁場。然而,強磁場下,磁體會在電磁力作用下膨脹變形,甚至破壞失效。美國國家強磁場實驗室采用超高力學強度的銅鈮合金導線,繞制體積龐大磁體,實現電磁力的降低,創造了超過100T(特斯拉)的世界紀錄,其代價是電源能量巨大、成本極高。

 

怎么辦?硬件條件不足軟件補!

 

——李亮團隊獨創電路磁場耦合態調控,實現多線圈磁體系統中外線圈磁場提高30%。

 

——團隊改進了磁體力學分析模型,準確計算磁體應力分布,纖維材料加固效率大幅提升。

 

——團隊提出非連續性層間加固、變高度軸向長度等工藝方法,實現磁體應力均勻分布、導線位移大幅降低,提升脈沖磁體的力學穩定性,磁體平均壽命達800次,幾乎超過美國同類線圈的一倍!

 

“為提高裝置運行效率,我們沒有照搬國外經驗,而采用了全局控制、多元調配、復用運行的設計模式。”華中科大國家脈沖強磁場科學中心常務副主任韓小濤教授介紹,整個裝置由一套中央控制系統靈活控制三類電源和8個實驗站的組合,這樣同一實驗站的同一磁體上就可產生多種磁場波形,以滿足多樣化的科研需求。

 

憑著一股子韌勁,李亮率領團隊在自主創新的道路上不斷前行:開工僅11個月,脈沖強磁場實驗裝置樣機系統就已研制完成,其中核心部件、關鍵設備均實現自研或國產化。

 

磁場強度也節節攀升,短短4年就從2009年的75T升至90.6T。而美國、德國實現這一進程分別用了20年、15年。

“行業珠峰”應用前景廣闊

 

在脈沖強磁場領域,高強度、高穩定度的脈沖平頂磁場,是強磁場工程人員追求的“珠穆朗瑪峰”。

 

“我們創造性提出了雙電容器耦合態調控新方案,首次實現了電容器驅動的脈沖強磁場波形調控。”中國工程院院士、華中科技大學脈沖功率技術專家潘垣介紹,2018年11月22日,該校國家脈沖強磁場實驗裝置成功創造了64T、穩定度3‰的脈沖平頂磁場,不僅刷新了世界紀錄,而且磁體重量、電源能量不到國際同類型磁場系統的1/10。

 

對物理學家來說,這將為探索微觀物質世界的奧秘打開了一扇新的窗口。

 

曾長期在美國開展強磁場實驗的復旦大學教授修發賢認為,該成果在國際上“獨一無二”,利用它可以測量熱電信號,研究材料的自旋動力學,將對存儲材料的改進提升有“極大幫助”。

 

“華中科大強磁場實驗結果,在證明對數周期量子振蕩過程中發揮了關鍵作用。”多次到武漢做實驗的北大物理學院量子材料科學中心教授王健說,去年11月,他和謝心澄院士研究團隊在脈沖強磁場下成功地觀測到了5個振蕩,取得了可靠的測量數據,從而發現了對數周期量子振蕩新現象。

 

一些專家還認為,脈沖強磁場潛在應用價值巨大,比如可用于輕合金板管類零部件的電磁成形制造,永磁體、高速電機、風力發電機的整體充磁,還可用于高速列車的電磁制動,以及發揮磁場對磁熱材料放熱、吸熱作用實現空調的制熱與制冷等。

 

“大科學裝置,不僅能為解決科學技術前沿和經濟社會大需求提供長期、關鍵的科學技術支撐,而且可以凝聚全球頂尖人才。”省發改委副主任章新平表示,結合“一芯兩帶三區”戰略,我省將著力建設重大科學裝置、打造重大研發平臺、謀劃重大產業項目、加速創新改革試驗,爭創武漢綜合性國家產業創新中心。

 

【小資料】

 

大科學裝置

 

自 1939年人類首個大科學裝置——回旋加速器在美國建成以來,大科學裝置從滿足單一學科、單一研究領域日益發展到適應多學科、多領域的研究需求。

 

大科學裝置一般分為公共實驗平臺、專用研究裝置、公益基礎設施三類。公共實驗平臺是為多學科領域的基礎研究、應用基礎研究和應用研究服務的具有強大技術支持能力的大型公共實驗平臺,如同步輻射光源、散裂中子源和強磁場等。專用研究裝置是為特定學科領域的重大科學技術目標建設的大型研究裝置,如歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器、大型強子對撞機;美國布魯克海文國家實驗室的相對論重粒子對撞機等。公益基礎設施是為國家經濟建設、國家安全和社會發展提供基礎數據的大型科學技術基礎設施,如人類基因組計劃、國際空間站計劃等。