湖北两个“大科学装置”迈向创新高地

  • 2019-2-19 10:36:49
  • 来源:湖北日报
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华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心创造64T脉冲平顶磁场强度世界纪录,结束了我国强磁场下科研长期依赖国外装置的历史。日前,该成果入选省科技厅公布的2018年湖北十大科技事件。

 

“这项重大成果的取得,得益于国家在我省实施的大科学装置建设。”2月15日,该中心主任李亮教授欣喜地告诉记者。

 

大科学装置,是指面向国际科技前沿、瞄准重要科技目标的重大科技基础设施,能为国家经济建设、国防建设和社会发展作出战略性、基础性和前瞻性贡献。我国最早的大科学装置为1988年建成的北京正负电子对撞机。迄今,全国已建成或在建的大科学装置不到50个,我省现有的2个均由华中科大承建。

 

2007年开建的华中科大脉冲强磁场实验装置,是经国家发改委批复立项、教育部直属高校承建的首个国家大科学装置,于2014年建成。如今,该装置脉冲磁场强度达到90.6T(T为单位“特斯拉”,1特斯拉相当于地球磁感应的2万倍),使我国成为继美国、德国后第三个突破90T大关的国家。该中心对外开放4年来,已为国内外69家科研单位提供了904项科学研究服务,被国际同行评价为“世界上最好的脉冲场之列”。利用该装置,北京大学研究团队发现了对数周期量子振荡现象,被誉为“近90年以来量子振荡领域最为重要的发现之一”。

 

华中科大承建的另一个大科学装置为精密重力测量研究设施,总投资9.05亿元,于去年6月底开工建设。项目建成后,将成为国际一流的精密重力测量研究设施,具备全球毫伽级、基准微伽级的重力数据获取、评估与应用能力,并将为解决固体地球演化、海洋与气候变化、水资源分布和地质灾害研究中的科学问题提供重要支撑,满足我国地质调查、资源勘探、重力导航等对重力数据和重力基准的战略需求。

 

4年走完美国20年历程

 

华中科大脉冲强磁场实验装置,是湖北省和教育部高校承担建设的第一个大科学装置。

 

“落户华中科大并如期建成,实属来之不易!”2月15日,华中科大科学发展研究院副院长万青云告诉湖北日报全媒记者。

 

上世纪80年代后期,高温超导成为热门研究领域,欧美发达国家纷纷转向建设磁场强度更高的脉冲强磁场,而我国在这方面几乎一片空白。

 

2007年,在美国GE公司担任技术骨干的李亮,为时任华中科大校长李培根院士的一再相邀所打动,毅然来到华中科大主持建设脉冲强磁场实验装置。面对科研经费捉襟见肘、导体材料强度差、电源功率小等一大堆难题,李亮及其团队成员绞尽了脑汁。

 

以铅笔粗细的导线绕制成磁体,接上2.5万伏特电压,流过4万安培的瞬间电流,就可产生数十特斯拉的脉冲磁场。然而,强磁场下,磁体会在电磁力作用下膨胀变形,甚至破坏失效。美国国家强磁场实验室采用超高力学强度的铜铌合金导线,绕制体积庞大磁体,实现电磁力的降低,创造了超过100T(特斯拉)的世界纪录,其代价是电源能量巨大、成本极高。

 

怎么办?硬件条件不足软件补!

 

——李亮团队独创电路磁场耦合态调控,实现多线圈磁体系统中外线圈磁场提高30%。

 

——团队改进了磁体力学分析模型,准确计算磁体应力分布,纤维材料加固效率大幅提升。

 

——团队提出非连续性层间加固、变高度轴向长度等工艺方法,实现磁体应力均匀分布、导线位移大幅降低,提升脉冲磁体的力学稳定性,磁体平均寿命达800次,几乎超过美国同类线圈的一倍!

 

“为提高装置运行效率,我们没有照搬国外经验,而采用了全局控制、多元调配、复用运行的设计模式。”华中科大国家脉冲强磁场科学中心常务副主任韩小涛教授介绍,整个装置由一套中央控制系统灵活控制三类电源和8个实验站的组合,这样同一实验站的同一磁体上就可产生多种磁场波形,以满足多样化的科研需求。

 

凭着一股子韧劲,李亮率领团队在自主创新的道路上不断前行:开工仅11个月,脉冲强磁场实验装置样机系统就已研制完成,其中核心部件、关键设备均实现自研或国产化。

 

磁场强度也节节攀升,短短4年就从2009年的75T升至90.6T。而美国、德国实现这一进程分别用了20年、15年。

“行业珠峰”应用前景广阔

 

在脉冲强磁场领域,高强度、高稳定度的脉冲平顶磁场,是强磁场工程人员追求的“珠穆朗玛峰”。

 

“我们创造性提出了双电容器耦合态调控新方案,首次实现了电容器驱动的脉冲强磁场波形调控。”中国工程院院士、华中科技大学脉冲功率技术专家潘垣介绍,2018年11月22日,该校国家脉冲强磁场实验装置成功创造了64T、稳定度3‰的脉冲平顶磁场,不仅刷新了世界纪录,而且磁体重量、电源能量不到国际同类型磁场系统的1/10。

 

对物理学家来说,这将为探索微观物质世界的奥秘打开了一扇新的窗口。

 

曾长期在美国开展强磁场实验的复旦大学教授修发贤认为,该成果在国际上“独一无二”,利用它可以测量热电信号,研究材料的自旋动力学,将对存储材料的改进提升有“极大帮助”。

 

“华中科大强磁场实验结果,在证明对数周期量子振荡过程中发挥了关键作用。”多次到武汉做实验的北大物理学院量子材料科学中心教授王健说,去年11月,他和谢心澄院士研究团队在脉冲强磁场下成功地观测到了5个振荡,取得了可靠的测量数据,从而发现了对数周期量子振荡新现象。

 

一些专家还认为,脉冲强磁场潜在应用价值巨大,比如可用于轻合金板管类零部件的电磁成形制造,永磁体、高速电机、风力发电机的整体充磁,还可用于高速列车的电磁制动,以及发挥磁场对磁热材料放热、吸热作用实现空调的制热与制冷等。

 

“大科学装置,不仅能为解决科学技术前沿和经济社会大需求提供长期、关键的科学技术支撑,而且可以凝聚全球顶尖人才。”省发改委副主任章新平表示,结合“一芯两带三区”战略,我省将着力建设重大科学装置、打造重大研发平台、谋划重大产业项目、加速创新改革试验,争创武汉综合性国家产业创新中心。

 

【小资料】

 

大科学装置

 

自 1939年人类首个大科学装置——回旋加速器在美国建成以来,大科学装置从满足单一学科、单一研究领域日益发展到适应多学科、多领域的研究需求。

 

大科学装置一般分为公共实验平台、专用研究装置、公益基础设施三类。公共实验平台是为多学科领域的基础研究、应用基础研究和应用研究服务的具有强大技术支持能力的大型公共实验平台,如同步辐射光源、散裂中子源和强磁场等。专用研究装置是为特定学科领域的重大科学技术目标建设的大型研究装置,如欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器、大型强子对撞机;美国布鲁克海文国家实验室的相对论重粒子对撞机等。公益基础设施是为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据的大型科学技术基础设施,如人类基因组计划、国际空间站计划等。

 

              

 

 

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