美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)電源，兩層樓高,，巨大的儲(chǔ)能" target="_blank">飛輪儲(chǔ)能,，瞬間放電——本是核聚變實(shí)驗(yàn)用的，100T紀(jì)錄的第二大功臣,。中國(guó)電源則分3部分：發(fā)電機(jī)電源（功率不到美國(guó)的1/10）,；20幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊；鉛酸蓄電池組,。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，僅使用幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場(chǎng)脈沖峰值,。美國(guó)實(shí)現(xiàn)100T需115兆焦耳能量,，中國(guó)實(shí)現(xiàn)90T只用10兆焦。

　　2018年12月初,，武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,，一次次電磁風(fēng)暴的襲擊，讓物質(zhì)被迫吐露不為人知的秘密,。最先進(jìn)的電源,、磁體和控制系統(tǒng)，打造了這一世界頂尖水平的強(qiáng)磁場(chǎng)裝置,。

　　“磁場(chǎng)與電流成正比,，而磁體承受的力和熱，與磁場(chǎng)的平方成正比,。所以越往上走越難,。就好像百米跑從9.9秒提高到9.8秒那樣難?！眹?guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心主任李亮說(shuō),。

　　“美國(guó)從70T（特斯拉）到90T走了20年，德國(guó)用了15年,，中國(guó)則是4年,。”李亮說(shuō),。

　　中國(guó)電源便宜又強(qiáng)大

　　李亮曾在歐洲和美國(guó)工作多年,，1992年以來(lái)世界上最強(qiáng)的磁體大多有他參與設(shè)計(jì)。

　　“我們是彎道超車,?！崩盍琳f(shuō)，“我們從無(wú)到有,，總結(jié)各家的經(jīng)驗(yàn),，所以設(shè)計(jì)的整體性,、系統(tǒng)性更強(qiáng)?！?/p>

　　美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)電源,，兩層樓高，巨大的飛輪儲(chǔ)能,，瞬間放電——本是核聚變實(shí)驗(yàn)用的,，100T紀(jì)錄的第二大功臣。

　　中國(guó)電源則分3部分：發(fā)電機(jī)電源（功率不到美國(guó)的1/10）,；20幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊,；鉛酸蓄電池組,。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，僅使用幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場(chǎng)脈沖峰值,。美國(guó)實(shí)現(xiàn)100T需115兆焦耳能量,，中國(guó)實(shí)現(xiàn)90T只用10兆焦。

　　專攻電源的丁洪發(fā)教授說(shuō)：“幾十個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)間差要限制在微秒級(jí),。元器件也要篩選,，讓電路的延遲一致?！?/p>

　　2008年開(kāi)工建設(shè),，大部分設(shè)備自研自造，國(guó)產(chǎn)化率85%,?！叭思沂峭獍o專業(yè)公司，我們是自己動(dòng)手,?！崩盍琳f(shuō)。

　　每組電容儲(chǔ)能型電源100萬(wàn)元,。整個(gè)電源系統(tǒng)投入僅是美國(guó)人的一個(gè)零頭,。液氦回收系統(tǒng)只有國(guó)外同類設(shè)備1/4的價(jià)格，回收的氦氣每年可節(jié)約500萬(wàn)—600萬(wàn)元實(shí)驗(yàn)消耗,。

　　脈沖平頂磁場(chǎng)十分重要,，但美國(guó)人做平頂脈沖磁場(chǎng)，一年只能使用50—60次,。中國(guó)人改進(jìn)了電源和控制系統(tǒng),，則像開(kāi)微波爐一樣簡(jiǎn)單。

　　“國(guó)際專家說(shuō)我們花了1.2億元,，干了1.2億美元的活兒,?！崩盍琳f(shuō)。

　　測(cè)量需要極端精細(xì)

　　2013年10月,，在全世界專家的見(jiàn)證下,，中國(guó)裝置首秀成功。國(guó)際權(quán)威報(bào)告說(shuō)：中國(guó)的磁體和電源技術(shù)世界頂級(jí),；控制系統(tǒng)國(guó)際領(lǐng)先,。

　　雖然最高磁場(chǎng)紀(jì)錄不及美國(guó)，但中國(guó)裝置優(yōu)勢(shì)明顯——一套中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3類電源和8個(gè)實(shí)驗(yàn)站的靈活組合,。這是中國(guó)磁場(chǎng)的一個(gè)殺手锏,，更有利實(shí)驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)人韓小濤教授說(shuō)：“別人都是一個(gè)磁體發(fā)一種波形,。我們的可以一個(gè)磁體產(chǎn)生多種波形?！?/p>

　　美國(guó)在2013年實(shí)現(xiàn)了100.75T,，德國(guó)實(shí)現(xiàn)94T，中國(guó)也以90.6T成為90T俱樂(lè)部的一員,。而目前有望刷新紀(jì)錄的只有美,、中。

　　強(qiáng)磁場(chǎng)將考問(wèn)出新的物質(zhì)特性,，催生下一代電子材料和芯片,。朱增偉教授說(shuō)：“半金屬比如鉍和銻，適合放在強(qiáng)磁場(chǎng)下研究極端情況,?！?/p>

　　2018年11月，北京大學(xué)發(fā)現(xiàn)“對(duì)數(shù)量子震蕩”,，實(shí)驗(yàn)就在武漢做,。在58T磁場(chǎng)下清晰觀測(cè)到5個(gè)振蕩，才得以發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)規(guī)律,。

　　強(qiáng)磁場(chǎng)的“風(fēng)暴眼”只有20毫米長(zhǎng),，在杏仁大小的空間里布置所有的樣品和感應(yīng)器，跟微雕差不多,。

　　“渦流,、熱效應(yīng)、震動(dòng),、電磁干擾……測(cè)量永遠(yuǎn)伴隨噪音,。”左華坤工程師說(shuō),。

　　想一次測(cè)出高質(zhì)量信號(hào)難,，因?yàn)楦蓴_因素太多,。樣品桿浸泡在液氦里，還跟外面隔著一層真空,，但線圈一瞬間的高溫,，仍然會(huì)造成樣品零點(diǎn)零幾度的熱擾動(dòng)。傳感器的線路在脈沖磁場(chǎng)的作用下,，也可能震動(dòng)幾個(gè)微米產(chǎn)生噪聲,。

　　還有很多不可測(cè)因素，比如地線“零”電壓的不穩(wěn)定,，濕度差異,，都可能造成測(cè)量結(jié)果不同。

　　“如果不這樣難測(cè),，那些物理難題也就不會(huì)遺留到現(xiàn)在了,。”左華坤說(shuō),，論電磁測(cè)量精度武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心已不弱于任何同行,。

　　“中心建成后,，不僅國(guó)內(nèi)科學(xué)家基本不再去國(guó)外做實(shí)驗(yàn)了,，還吸引了劍橋、斯坦福等眾多國(guó)外用戶,?！崩盍琳f(shuō)。

　　線圈使用壽命超出國(guó)際同行近1倍

　　1820年，丹麥人奧斯特?zé)o意間發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通電,，附近的小磁針會(huì)跳動(dòng),。從此，人們一直在用通電線圈來(lái)制造磁場(chǎng),。瞬間強(qiáng)電流產(chǎn)生的幾毫秒時(shí)間的強(qiáng)磁場(chǎng)，叫做脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，它比穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)更高,。

　　國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細(xì)的導(dǎo)線，繞成線圈,，接上2.5萬(wàn)伏特的電壓,，流過(guò)4萬(wàn)安培的瞬間電流，就可以產(chǎn)生幾十T的脈沖磁場(chǎng),。

　　但通電線圈會(huì)被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長(zhǎng)和壓扁,。李亮說(shuō)，他們的線圈承受的應(yīng)力,，是“蛟龍”號(hào)在7000米海底面臨壓強(qiáng)的50倍,。而且磁體在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生巨大熱量,，線圈泡于液氮以降溫；通電瞬間零下200攝氏度的液氮砰地蒸發(fā)掉,。

　　幾個(gè)毫秒內(nèi)通入磁體的能量如10公斤TNT的能量,，線圈經(jīng)常被炸碎。俄羅斯和日本科學(xué)家先后用極端辦法制造過(guò)上千T的磁場(chǎng),，那也是目前人類取得的最強(qiáng)磁場(chǎng),。但必須犧牲線圈，是一次性的,，磁體線圈無(wú)法重復(fù)利用,。

　　美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)紀(jì)錄的線圈用的是銅鈮合金，最結(jié)實(shí)——100T磁場(chǎng)紀(jì)錄的最大功臣,。中國(guó)團(tuán)隊(duì)則使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的銅鈮合金,，強(qiáng)度僅為前者2/3。

　　中國(guó)人另辟蹊徑,，從理論分析挖掘潛力,，通過(guò)精確計(jì)算，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果,，就像鐵環(huán)箍住炮筒,。它比凱夫拉還結(jié)實(shí)，是世界上最強(qiáng)韌的纖維,。纖維浸泡環(huán)氧樹(shù)脂,，也充當(dāng)線圈的絕緣層。

　　彭濤教授專職繞線,?！叭绻輼?shù)脂不夠充分，反光是不同的,?！迸頋f(shuō)，從線圈的紋路和顏色,，老手能看出瑕疵,。瑕疵讓線圈更早崩潰。

　　美國(guó)磁體線圈直徑一米,，比中國(guó)的大很多,，應(yīng)力更低，不易壞,，但美國(guó)線圈平均通電500次就會(huì)壞掉,；彭濤做的線圈可使用800次。