超導材料的應用,首先是在研究領域展開的。小體積強磁場的超導磁體,很早就直接用於實驗研究。超導體在固體物理學、化學和生物學領域利用高磁場進行研究和開發正在不斷深化。它要求有一個很高的磁場條件。
我們知道,電磁鐵由於鐵磁芯飽和磁場強度不會超過2.5特斯拉。若除去鐵芯飽和的限制,只用銅線圈,磁場可以是無限的,這只是理論上的,實際上由於線圈的熱阻效應,使它不能承受過大的電流,它的磁場也不會很高,而且線圈的效率也不高。如用銅線圈產生10特斯拉磁場,要消耗1600千瓦的功率, 而為冷卻線圈還要消耗4.5噸/小時冷卻水。目前用低溫超導材料Nb3Sn和GaV3研製的組合磁體,中心最大磁場已接近20特斯拉.若用高溫超導材料研製超導磁體只要用液氮使之維持超導狀態,可能產生近30特斯拉的磁場。至今,傳統超導磁體已有高商品出售,其磁場強度在10-15特斯拉。高溫超導磁體人們在完善其實用化成材工藝,也已面世並得到普遍使用。
超導加速器:生命科學、宇宙的形成和物質起源是人類多年要探索的三大千古之謎。超導加速器可以幫助人們認識微觀世界的規律,揭開物質起源的奧秘。讓我們回顧一下人類對物質結構的認識過程。
十九世紀人們普遍認為原子是組成物質最小的不可分的微粒子。
十九世紀末,發現了電子,它的質量很輕,而具有一定負電荷。
1920年,把氫核作為基本粒子,是正負電荷,命名為質子。
1932年,發現了不帶電的,質量與質子相近的中子。
這時候,提出了原子核模型是物質結構的重要裡碑。質子和中子組成了原子核,電子在核外運動。是否質子、中子和電子就是組成物質的最基本粒子呢?隨著科學發展,迴轉加速器的發現,又不斷發現大量的基本粒子。
1932年發現了正電子。
1937年發現了μ介子(μ子)。
1947年發現了K介子和π介子。
……
目前發現眾多的基本粒子,它也有自己的內部結構。所以基本粒子不基本,還有更小的粒子存在。
1963年關於粒子結構提出了夸克模型。夸克是組成粒子的最基本粒子嗎?要解決這個問題,要求助於大型加速器,把粒子加速到接近光速,用以轟擊靶子或相互碰撞,從粒子的碎片中可能尋找出微觀世界的秘密。加速器越大,它的半徑也越來越大,而要求磁場強度也越來越高,所以超導加速器在這研究領域大有用武之地。
在上世紀80年代,投資2.4億人民幣建造了中國第一臺「北京正負電子對撞機(BEPC)」,幫助中國躋身於世界八大高能物理研究中心,帶動了中國相關高技術產業的發展。
所以有人提出要建造世界最大對撞機。做世界上最領先的加速器,那些相關的超導高頻腔微波功率源、低溫製冷、超導磁體等等都會獲得發展。科學項目其實跟創業項目一樣,你至少要說出個子醜寅卯,說服投資人出錢。但它不能瞞過行家裡手。為什麼楊振寧先生要反對建造大型強子對撞機?他在2016年阻止中國為耗資相當於三峽大壩的超大對撞機買單。當年發改委十三五項目審批,CEPC只差一票未能通過。
楊振寧先生認為這個錢花得絲毫不值,根本不能對民生和老百姓帶來實質的好處。楊振寧依舊堅持自己的觀點,他知道這樣做會招致罵聲,但為國為民,他都不以為然。我們很難去評判這個項目,但老一輩科學家用科學造福人民的那份心,始終值得我們所有人尊敬。我們為他點讚。