世界領先的強磁場 中國人這樣建
——走進國家脈衝強磁場科學中心系列報導之二
本報記者 高 博 劉志偉
2018年12月初，武漢國家脈衝強磁場科學中心，一次次電磁風暴的襲擊，讓物質被迫吐露不為人知的秘密。最先進的電源、磁體和控制系統，打造了這一世界頂尖水平的強磁場裝置。
「磁場與電流成正比，而磁體承受的力和熱，與磁場的平方成正比。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。」國家脈衝強磁場科學中心主任李亮說。
「美國從70T（特斯拉）到90T走了20年，德國用了15年，中國則是4年。」李亮說。
線圈使用壽命超出國際同行近1倍
1820年，丹麥人奧斯特無意間發現，導線通電，附近的小磁針會跳動。從此，人們一直在用通電線圈來製造磁場。瞬間強電流產生的幾毫秒時間的強磁場，叫做脈衝強磁場，它比穩態磁場更高。
國家脈衝強磁場科學中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細的導線，繞成線圈，接上2.5萬伏特的電壓，流過4萬安培的瞬間電流，就可以產生幾十T的脈衝磁場。
但通電線圈會被磁體內部應力拉長和壓扁。李亮說，他們的線圈承受的應力，是「蛟龍」號在7000米海底面臨壓強的50倍。而且磁體在放電過程中會產生巨大熱量，線圈泡於液氮以降溫；通電瞬間零下200攝氏度的液氮砰地蒸發掉。
幾個毫秒內通入磁體的能量如10公斤TNT的能量，線圈經常被炸碎。俄羅斯和日本科學家先後用極端辦法製造過上千T的磁場，那也是目前人類取得的最強磁場。但必須犧牲線圈，是一次性的，磁體線圈無法重複利用。
美國國家強磁場實驗室創紀錄的線圈用的是銅鈮合金，最結實——100T磁場紀錄的最大功臣。中國團隊則使用國內自主研發的銅鈮合金，強度僅為前者2/3。
中國人另闢蹊徑，從理論分析挖掘潛力，通過精確計算，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果，就像鐵環箍住炮筒。它比凱夫拉還結實，是世界上最強韌的纖維。纖維浸泡環氧樹脂，也充當線圈的絕緣層。
彭濤教授專職繞線。「如果浸泡樹脂不夠充分，反光是不同的。」彭濤說，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。
美國磁體線圈直徑一米，比中國的大很多，應力更低，不易壞，但美國線圈平均通電500次就會壞掉；彭濤做的線圈可使用800次。
中國電源便宜又強大
李亮曾在歐洲和美國工作多年，1992年以來世界上最強的磁體大多有他參與設計。
「我們是彎道超車。」李亮說，「我們從無到有，總結各家的經驗，所以設計的整體性、系統性更強。」
美國國家強磁場實驗室發電機電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲能，瞬間放電——本是核聚變實驗用的，100T紀錄的第二大功臣。
中國電源則分3部分：發電機電源（功率不到美國的1/10）；20幾個電容儲能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通過結構優化，僅使用幾個電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場脈衝峰值。美國實現100T需115兆焦耳能量，中國實現90T只用10兆焦。
專攻電源的丁洪發教授說：「幾十個模塊的開關時間差要限制在微秒級。元器件也要篩選，讓電路的延遲一致。」
2008年開工建設，大部分設備自研自造，國產化率85%。「人家是外包給專業公司，我們是自己動手。」李亮說。
每組電容儲能型電源100萬元。整個電源系統投入僅是美國人的一個零頭。液氦回收系統只有國外同類設備1/4的價格，回收的氦氣每年可節約500萬—600萬元實驗消耗。
脈衝平頂磁場十分重要，但美國人做平頂脈衝磁場，一年只能使用50—60次。中國人改進了電源和控制系統，則像開微波爐一樣簡單。
「國際專家說我們花了1.2億元，幹了1.2億美元的活兒。」李亮說。
測量需要極端精細
2013年10月，在全世界專家的見證下，中國裝置首秀成功。國際權威報告說：中國的磁體和電源技術世界頂級；控制系統國際領先。
雖然最高磁場紀錄不及美國，但中國裝置優勢明顯——一套中央控制系統實現3類電源和8個實驗站的靈活組合。這是中國磁場的一個殺手鐧，更有利實驗。控制系統負責人韓小濤教授說：「別人都是一個磁體發一種波形。我們的可以一個磁體產生多種波形。」
美國在2013年實現了100.75T，德國實現94T，中國也以90.6T成為90T俱樂部的一員。而目前有望刷新紀錄的只有美、中。
強磁場將考問出新的物質特性，催生下一代電子材料和晶片。朱增偉教授說：「半金屬比如鉍和銻，適合放在強磁場下研究極端情況。」
2018年11月，北京大學發現「對數量子震蕩」，實驗就在武漢做。在58T磁場下清晰觀測到5個振蕩，才得以發現對數規律。
強磁場的「風暴眼」只有20毫米長，在杏仁大小的空間裡布置所有的樣品和感應器，跟微雕差不多。
「渦流、熱效應、震動、電磁幹擾……測量永遠伴隨噪音。」左華坤工程師說。
想一次測出高質量信號難，因為幹擾因素太多。樣品杆浸泡在液氦裡，還跟外面隔著一層真空，但線圈一瞬間的高溫，仍然會造成樣品零點零幾度的熱擾動。傳感器的線路在脈衝磁場的作用下，也可能震動幾個微米產生噪聲。
還有很多不可測因素，比如地線「零」電壓的不穩定，溼度差異，都可能造成測量結果不同。
「如果不這樣難測，那些物理難題也就不會遺留到現在了。」左華坤說，論電磁測量精度武漢國家脈衝強磁場科學中心已不弱於任何同行。
「中心建成後，不僅國內科學家基本不再去國外做實驗了，還吸引了劍橋、斯坦福等眾多國外用戶。」李亮說。