湖北日報(bào)訊（記者李劍軍）華中科技大學(xué)國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心創(chuàng)造64T脈沖平頂磁場強(qiáng)度世界紀(jì)錄，結(jié)束了我國強(qiáng)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(xiàng)重大成果的取得，得益于國家在我省實(shí)施的大科學(xué)裝置建設(shè)?！?月15日，該中心主任李亮教授欣喜地告訴記者。

大科學(xué)裝置，是指面向國際科技前沿、瞄準(zhǔn)重要科技目標(biāo)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，能為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會發(fā)展作出戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性貢獻(xiàn)。我國最早的大科學(xué)裝置為1988年建成的北京正負(fù)電子對撞機(jī)。迄今，全國已建成或在建的大科學(xué)裝置不到50個(gè)，我省現(xiàn)有的2個(gè)均由華中科大承建。

2007年開建的華中科大脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置，是經(jīng)國家發(fā)改委批復(fù)立項(xiàng)、教育部直屬高校承建的首個(gè)國家大科學(xué)裝置，于2014年建成。如今，該裝置脈沖磁場強(qiáng)度達(dá)到90.6T（T為單位“特斯拉”，1特斯拉相當(dāng)于地球磁感應(yīng)的2萬倍），使我國成為繼美國、德國后第三個(gè)突破90T大關(guān)的國家。該中心對外開放4年來，已為國內(nèi)外69家科研單位提供了904項(xiàng)科學(xué)研究服務(wù)，被國際同行評價(jià)為“世界上最好的脈沖場之列”。利用該裝置，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了對數(shù)周期量子振蕩現(xiàn)象，被譽(yù)為“近90年以來量子振蕩領(lǐng)域最為重要的發(fā)現(xiàn)之一”。

華中科大承建的另一個(gè)大科學(xué)裝置為精密重力測量研究設(shè)施，總投資9.05億元，于去年6月底開工建設(shè)。項(xiàng)目建成后，將成為國際一流的精密重力測量研究設(shè)施，具備全球毫伽級、基準(zhǔn)微伽級的重力數(shù)據(jù)獲取、評估與應(yīng)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(zhì)災(zāi)害研究中的科學(xué)問題提供重要支撐，滿足我國地質(zhì)調(diào)查、資源勘探、重力導(dǎo)航等對重力數(shù)據(jù)和重力基準(zhǔn)的戰(zhàn)略需求。

大科學(xué)裝置，給力創(chuàng)新湖北

湖北日報(bào)全媒記者李劍軍

2007年以來，華中科技大學(xué)搶抓機(jī)遇，先后上馬兩個(gè)國家大科學(xué)裝置建設(shè)項(xiàng)目——脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置和精密重力測量研究設(shè)施，為我省大科學(xué)裝置建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4年走完美國20年歷程

華中科大脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置，是湖北省和教育部高校承擔(dān)建設(shè)的第一個(gè)大科學(xué)裝置。

“落戶華中科大并如期建成，實(shí)屬來之不易！”2月15日，華中科大科學(xué)發(fā)展研究院副院長萬青云告訴湖北日報(bào)全媒記者。

上世紀(jì)80年代后期，高溫超導(dǎo)成為熱門研究領(lǐng)域，歐美發(fā)達(dá)國家紛紛轉(zhuǎn)向建設(shè)磁場強(qiáng)度更高的脈沖強(qiáng)磁場，而我國在這方面幾乎一片空白。

2007年，在美國GE公司擔(dān)任技術(shù)骨干的李亮，為時(shí)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(shè)脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置。面對科研經(jīng)費(fèi)捉襟見肘、導(dǎo)體材料強(qiáng)度差、電源功率小等一大堆難題，李亮及其團(tuán)隊(duì)成員絞盡了腦汁。

以鉛筆粗細(xì)的導(dǎo)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(chǎn)生數(shù)十特斯拉的脈沖磁場。然而，強(qiáng)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室采用超高力學(xué)強(qiáng)度的銅鈮合金導(dǎo)線，繞制體積龐大磁體，實(shí)現(xiàn)電磁力的降低，創(chuàng)造了超過100T（特斯拉）的世界紀(jì)錄，其代價(jià)是電源能量巨大、成本極高。

怎么辦？硬件條件不足軟件補(bǔ)！

——李亮團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)電路磁場耦合態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)多線圈磁體系統(tǒng)中外線圈磁場提高30%。

——團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了磁體力學(xué)分析模型，準(zhǔn)確計(jì)算磁體應(yīng)力分布，纖維材料加固效率大幅提升。

——團(tuán)隊(duì)提出非連續(xù)性層間加固、變高度軸向長度等工藝方法，實(shí)現(xiàn)磁體應(yīng)力均勻分布、導(dǎo)線位移大幅降低，提升脈沖磁體的力學(xué)穩(wěn)定性，磁體平均壽命達(dá)800次，幾乎超過美國同類線圈的一倍！

“為提高裝置運(yùn)行效率，我們沒有照搬國外經(jīng)驗(yàn)，而采用了全局控制、多元調(diào)配、復(fù)用運(yùn)行的設(shè)計(jì)模式?！比A中科大國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心常務(wù)副主任韓小濤教授介紹，整個(gè)裝置由一套中央控制系統(tǒng)靈活控制三類電源和8個(gè)實(shí)驗(yàn)站的組合，這樣同一實(shí)驗(yàn)站的同一磁體上就可產(chǎn)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)在自主創(chuàng)新的道路上不斷前行：開工僅11個(gè)月，脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)系統(tǒng)就已研制完成，其中核心部件、關(guān)鍵設(shè)備均實(shí)現(xiàn)自研或國產(chǎn)化。

磁場強(qiáng)度也節(jié)節(jié)攀升，短短4年就從2009年的75T升至90.6T。而美國、德國實(shí)現(xiàn)這一進(jìn)程分別用了20年、15年。

“行業(yè)珠峰”應(yīng)用前景廣闊

在脈沖強(qiáng)磁場領(lǐng)域，高強(qiáng)度、高穩(wěn)定度的脈沖平頂磁場，是強(qiáng)磁場工程人員追求的“珠穆朗瑪峰”。

“我們創(chuàng)造性提出了雙電容器耦合態(tài)調(diào)控新方案，首次實(shí)現(xiàn)了電容器驅(qū)動的脈沖強(qiáng)磁場波形調(diào)控?！敝袊こ淘涸菏?、華中科技大學(xué)脈沖功率技術(shù)專家潘垣介紹，2018年11月22日，該校國家脈沖強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置成功創(chuàng)造了64T、穩(wěn)定度3‰的脈沖平頂磁場，不僅刷新了世界紀(jì)錄，而且磁體重量、電源能量不到國際同類型磁場系統(tǒng)的1/10。

對物理學(xué)家來說，這將為探索微觀物質(zhì)世界的奧秘打開了一扇新的窗口。

曾長期在美國開展強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)的復(fù)旦大學(xué)教授修發(fā)賢認(rèn)為，該成果在國際上“獨(dú)一無二”，利用它可以測量熱電信號，研究材料的自旋動力學(xué)，將對存儲材料的改進(jìn)提升有“極大幫助”。

“華中科大強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在證明對數(shù)周期量子振蕩過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用?！倍啻蔚轿錆h做實(shí)驗(yàn)的北大物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授王健說，去年11月，他和謝心澄院士研究團(tuán)隊(duì)在脈沖強(qiáng)磁場下成功地觀測到了5個(gè)振蕩，取得了可靠的測量數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)了對數(shù)周期量子振蕩新現(xiàn)象。

一些專家還認(rèn)為，脈沖強(qiáng)磁場潛在應(yīng)用價(jià)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(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體充磁，還可用于高速列車的電磁制動，以及發(fā)揮磁場對磁熱材料放熱、吸熱作用實(shí)現(xiàn)空調(diào)的制熱與制冷等。

“大科學(xué)裝置，不僅能為解決科學(xué)技術(shù)前沿和經(jīng)濟(jì)社會大需求提供長期、關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)支撐，而且可以凝聚全球頂尖人才?！笔“l(fā)改委副主任章新平表示，結(jié)合“一芯兩帶三區(qū)”戰(zhàn)略，我省將著力建設(shè)重大科學(xué)裝置、打造重大研發(fā)平臺、謀劃重大產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目、加速創(chuàng)新改革試驗(yàn)，爭創(chuàng)武漢綜合性國家產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心。

【小資料】

大科學(xué)裝置

自1939年人類首個(gè)大科學(xué)裝置——回旋加速器在美國建成以來，大科學(xué)裝置從滿足單一學(xué)科、單一研究領(lǐng)域日益發(fā)展到適應(yīng)多學(xué)科、多領(lǐng)域的研究需求。

大科學(xué)裝置一般分為公共實(shí)驗(yàn)平臺、專用研究裝置、公益基礎(chǔ)設(shè)施三類。公共實(shí)驗(yàn)平臺是為多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究服務(wù)的具有強(qiáng)大技術(shù)支持能力的大型公共實(shí)驗(yàn)平臺，如同步輻射光源、散裂中子源和強(qiáng)磁場等。專用研究裝置是為特定學(xué)科領(lǐng)域的重大科學(xué)技術(shù)目標(biāo)建設(shè)的大型研究裝置，如歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器、大型強(qiáng)子對撞機(jī)；美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重粒子對撞機(jī)等。公益基礎(chǔ)設(shè)施是為國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全和社會發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的大型科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，如人類基因組計(jì)劃、國際空間站計(jì)劃等。