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世界顶尖强磁场中国建：线圈寿命超同行近1倍 储能电源便宜强大

美国国家强磁场实验室发电机电源，两层楼高，巨塑料行业的春天：木塑复合材料进入快速发展期大的飞轮储能，瞬间放电——本是核聚变实验用的，100T纪录的第二大功臣。中国电源则分3部分：发电机电源（功率不到美国的1/10）；20几个电容储能型电源模块；铅酸蓄电池组。通过结构优化，仅使用几个电容储能型电源模块，就叠加出90.6T的磁场脉冲峰值。美国实现100T需115兆焦耳能量，中国实现90T只用10兆焦。

2018年12月初，武汉国家脉冲强磁场科学中心，一次次电磁风暴的袭击，让物特别设计的软件功用扎口机更能使实验者定量控制实验资料利用进程中关键点的状态参数质被迫吐露不为人知的秘密。最先进的电源、磁体和控制系统，打造了这一世界顶尖水平的强磁场装置。

“磁场与电流成正比，而磁体承受的力和热，与磁场的平方成正比。所以越往上走越难。就好像百米跑从9.9秒提高到9.8秒那样难。”国家脉冲强磁场科学中心主任李亮说。

“美国从70T（特斯拉）到90T走了20年，德国用了15年，中国则是4年。”李亮说。

中国电源便宜又强大

李亮曾在欧洲和美国工作多年，1992年以来世界上最强的磁体大多有他参与设计。

“我们是弯道超车。”李亮说，“我们从无到有，总结各家的经验，所以设计的整体性、系统性更强。”

美国国家强磁场实验室发电机电源，两层楼高，巨大的飞轮储甲醛检测能，瞬间放电——本是核聚变实验用的，100T纪录的第二大功臣刨边机。

中国电源则分3部分：发电机电源（功率不到美国的1/10）；20几个电容储能型电源模块；铅酸蓄电池组。通过结构优化，仅使用几个电容储能型电源模块，就叠加出90.6T的磁场脉冲峰值。美国实现100T需115兆焦耳能量，中国实现90T只用10兆焦。

专攻电源的丁洪发教授说：“几十个模块的开关时间差要限制在微秒级。元器件也要筛选，让电路的延迟一致。”

2008年开工建设，大部分设备自研自造，国产化率85%。“人家是外包给专业公司，我们是自己动手。”李亮说。

每组电容储能型电源100万元。整个电源系统投入仅是美国人的一个零头。液氦回收系统只有国外同类设备1/4的价格，回收的氦气每年可节约500万—600万元实验消耗。

脉冲平顶磁场十分重要，但美国人做平顶脉冲磁场，一年只能使用50—60次。中国人改进了电源和控制系统，则像开微波炉一样简单。

“国际专家说我们花了1.2亿元，干了1.2亿美元的活儿。”李亮说。

测量需要极端精细

2013年10月，在全世界专家的见证下，中国装置首秀成功。国际权威报告说：中国的磁体和电源技术世界顶级；控制系统国际领先。

虽然最高磁场纪录不及美国，但中国装置优势明显——一套中央控制系统实现3类电源和8个实验站的灵活组合。这是中国磁场的一个杀手锏，更有利实验。控制系统负责人韩小涛教授说：“别人都是一个磁体发一种波形。我们的可以一个磁体产生多种波形。”

美国在2013年实现了100.75T，德国实现94T，中国也以90.6T成为90T俱乐部的一员。而目前有望刷新纪录的只有美、中。

强磁场将考问出新的物质特性，催生下一代电子材料和芯片。朱增伟教授说：“半金属比如铋和锑，适合放在强磁场下研究极端情况。”

2018年11月，北京大学发现“对数量子震荡”，实验就在武汉做。在58T磁场下清晰观测到5个振荡，才得以发现对数规律。

强磁场的“风暴眼”只有20毫米长，在杏仁大小的空间里布置所有的样品和感应器，跟微雕差不多。

“涡流、热效应、震动、电磁干扰……测量永远伴随噪音。”左华坤工程师说。

想一次测出高质量信号难，因为干扰因素太多。样品杆浸泡在液氦里，还跟外面隔着一层真空，但线圈一瞬间的高温，仍然会造成样品零点零几度的热扰动。传感器的线路在脉冲磁场的作用下，也可能震动几个微米产生噪声。

还有很多不可测因素，比如地线“零”电压的不稳定，湿度差异，都可能造成测量结果不同。

“如果不这样难测，那些物理难题也就不会遗留到现在了。”左华坤说，论电磁测量精度武汉国家脉冲强磁场科学中心已不弱于任何同行。

“中心建成后，不仅国内科学家基本不再去国外做实验了，还吸引了剑桥、斯坦福等众多国外用户。”李亮说。

线圈使用寿命超出国际同行近1倍

1820年，丹麦人奥斯特无意间发现，导线通电，附近的小磁针会跳动。从此，人们一直在用通电线圈来制造磁场。瞬间强电流产生的几毫秒时间的强磁场，叫做脉冲强磁场，它比稳态磁场更高。

国家脉冲强磁场科学中心的研究人员告诉我们：他们用小指头粗细的导线，绕成线圈，接上2输送机构.5万伏特的电压，流过4万安培的瞬间电流，就可以产生几十T的脉冲磁场。

但通电线圈会被磁体内部应力拉长和压扁。李亮说，他们的线圈承受的应力，是“蛟龙”号在7000米海底面临压强的50倍。而且磁体在放电过程中会产生巨大热量，线圈泡于液氮以降温；通电瞬间零下200摄氏度的液氮砰地蒸发掉。

几个毫秒内通入磁体的能量如10公斤TNT的能量，线圈经常被炸碎。俄罗斯和日本科学家先后用极端办法制造过上千T的磁场，那也是目前人类取得的最强磁场。但必须牺牲线圈，是一次性的，磁体线圈无法重复利用。

美国国家强磁场实验室创纪录的线圈用的是铜铌合金300余名专家、学者及企业家齐聚论坛，最结实——100T磁场纪录的最大功臣。中国团队则使用国内自主研发的铜铌合金，强度仅为前者2/3。

中国人另辟蹊径，从理论分析挖掘潜力，通过精确计算，大幅提升高分子纤维层层缠绕加固的效果，就像铁环箍住炮筒。它比凯夫拉还结实，是世界上最强韧的纤维。纤维浸泡环氧树脂，也充当线圈的绝缘层。

彭涛教授专职绕线。“如果浸泡树脂不够充分，反光是不同的。”彭涛说，从线圈的纹路和颜色，老手能看出瑕疵。瑕疵让线圈更早崩溃。

美国磁体线圈直径一米，比中国的大很多，应力更低，不易坏，但美国线圈平均通电500次就会坏掉；彭涛做的线圈可使用800次。