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。

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2.5万伏特的电压，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，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。