世界領先的強磁場 中國人這樣建
——走進國家脈沖強磁場科學中心系列報道之二
本報記者 高 博 劉志偉
2018年12月初，武漢國家脈沖強磁場科學中心，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。”國家脈沖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制造磁場。瞬間強電流產生的幾毫秒時間的強磁場，叫做脈沖強磁場，它比穩態磁場更高。
國家脈沖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的脈沖磁場。
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，線圈泡于液氮以降溫；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后用極端辦法制造過上千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，磁體線圈無法重復利用。
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。
中國人另辟蹊徑，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。
