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能源之光:国家脉冲强磁场科学中心——“要让中国拥有领跑世界的强磁场”

iNews 2022-05-12 10:59:00




武汉新能源研究院,已在创新奔跑中,步入第六个年头。


2016年,我们背靠华中科技大学电气学院、能源学院等多个优势学科,以成果转化为核心使命,市校共建了武汉新能源研究院。象征新能源之花的马蹄莲大楼,成为了光谷乃至湖北的创新地标。


过去六年,新能源研究院一直围绕两个大的方向性任务不懈探索:清洁能源的规模化利用和传统能源的清洁高效利用。一批重塑未来格局的源头创新,在这里发生;一批高质量的科技成果转化项目在这里崭露头角。


当前的武汉已全面吹响争创综合性国家科学中心、国家科技创新中心的号角,并启动建设光谷科技创新大走廊、东湖科技城,一批大科学装置规划,都与新能源密不可分。可以说,这是一场关于“新能源之都”的角逐,而如何用好新能源力量,共创低碳中国,更是未来城市角逐的主战场。


2022年,我们带着「INEW能见」专栏来了,在这里,每周和你分享我们的创新故事,能见=看见,能源未来。新能源创新发展之路,道阻且长,这是我们的使命,更是新的长征。




国家脉冲强磁场科学中心

“要让中国拥有领跑世界的强磁场”


从1982年的相变理论,到1985年的量子霍尔效应,从1987年的高温超导体,再到2007年的巨磁阻效应,近40年来,与强磁场相关的诺贝尔奖,达到10项。


美国国家强磁场实验室主任Greg Boebinger曾经预言:100T(T为磁感应强度单位特斯拉)以上的实验条件,有可能带来高温超导研究的重大突破,孕育出两个新的诺贝尔奖。


在华中科技大学,国家重大科技基础设施——脉冲强磁场实验装置,在过去20多年间,一步步从蓝图走向现实。从技术跟跑、并跑,到最终实现世界领跑,让我国该领域从受人掣肘,到一路迈向国际脉冲强磁场第一方阵。


2020年11月17日,先进电磁制造技术研究中心在武汉新能源研究院正式挂牌成立。电磁制造是通过对电(或磁、电磁)能的高效利用和精确调控,将大电流、强磁场、高能量密度、高功率密度等高参数强电磁技术应用到先进制造领域。


该中心由国家脉冲强磁场科学中心和武汉新能源研究院共建,主要依托脉冲强磁场国家重大科技基础设施,专注于研发多时空脉冲强磁场高速成形制造技术,解决异种金属连接、薄壁件成形、高密度压制等高端制造业的“卡脖子”问题。


在华中科技大学脉冲强磁场国家重大科技基础设施控制大厅,我们见到了这项大科学装置的领军人物——国家脉冲强磁场科学中心主任李亮教授。


破冰:李培根为他三赴美国



2011年11月8日凌晨,位于华中科技大学校园一角的国家脉冲强磁场科学中心仍然灯火辉煌,中心主任李亮率领他的科研团队,正在进行一次重要的实验。“83特斯拉!”大家一阵惊呼。5点28分,中心自行研制的国内首个双线圈脉冲磁体成功实现了83特斯拉的磁场强度——这不仅刷新了我国脉冲磁场强度纪录,也使我国非破坏性磁场强度水平一下跃居亚洲第一、世界第三。


——2012年初的《人民日报》上,一篇名为《用“中国速度”创造“中国强度”》的报道,引起了国内对脉冲强磁场的高度关注。


“为什么要建这个大装置?因为当科学家想观测到物质在常态下所观测不到,同时又能反映物质最本质特点的效应和现象,强磁场是一个不可或缺的极端实验环境,和极低温、静高压等一起构成研究物质微观世界的综合极端条件。”李亮说,通过这些研究,能真正认识物质的物理本质。“国家给我们的目标,就是做前沿基础科学研究。”


从上世纪六七十年代开始,欧洲、日本和美国等发达国家,先后开始建设强磁场实验室。因为没有自己的大装置,我国想要做相关实验,只能把材料和样品送往国外的实验室。


1998年,潘恒、程时杰两位院士,着手布局强电磁技术研究方向,并邀请当时身在美国的李亮参与策划。


彼时,李亮已是国际上举足轻重的强磁场科学家。在1993年到2000年间,美国国家强磁场实验室、德国脉冲强磁场实验室和澳大利亚脉冲强磁场实验室的脉冲磁体,基本都是李亮主导完成。


早在比利时留学期间,还是学生的李亮,就已研发出磁场强度达到74特斯拉的高性能脉冲强磁体,这是当时世界最高纪录。


1998年,他再次创造了当时脉冲磁场的世界最高场强79特斯拉。


2001年,潘恒院士与李亮联合向国家提出脉冲强磁场实验装置立项建议,并于2007年获国家发改委批准立项。这是教育部所属高校承建的第一个国家重大科技基础设施项目,计划建设周期5年,建成后将成为世界四大脉冲强磁场科学中心之一。


中国自主研发世界级的脉冲强磁场装置,已是箭在弦上。时任华中科技大学校长李培根院士,曾三次赴美,邀请李亮回国,牵头这一历史性的重大科技基础设施项目的建设。


那时候,李亮在美国通用电气(GE)公司全球研究中心任高级工程师,从事包括强磁场、整体充磁技术、磁共振成像和高温超导电机等方面的研究,研究成果处于国际领先水平。


2007年,为了将祖国的强磁场事业带入世界第一梯队,李亮毅然回国。


突围:一手弱牌打出“王炸”




脉冲强磁场装置是产生高强磁场的最有效手段。目前,45T以上的磁场,只能通过脉冲强磁场装置产生。


但有两个决定性因素,极大制约着磁场强度的提高:一是电磁应力,二是温升。


如果我们把电磁场想像成固体,电磁应力就相当于这个固体的张力极限。李亮说,极强磁场、极低温度和极高压力,是强磁场极端实验环境的最大特点,当通电产生磁场以后,磁体就像家里的高压锅,瞬间会产生很大的压力,想要往外爆。而我们一边要让这股压力无限逼近极限,一边又得把这个巨大的力给箍束住,不让它爆炸。


这个压力到底有多大?


他举例说,蛟龙号载人潜水器在水下7000米深处,承受的海水压强为70兆帕,相当于每平方厘米的压力为0.7吨。而对脉冲磁体而言,当磁场强度达到90T,磁体所承受的压强就会达到3600兆帕,即每平方厘米要顶住36吨的超级压力。其单位受力面积,超过蛟龙号的50倍。


另一个问题是温升。实验中,短短十几毫秒内,磁体温度便会从-200°C,骤升至200°C。不仅磁场和电流之间会相斥产生诺伦兹力,巨大的温升同样会造成材料爆炸和斥力。


在热力学效应中,斥力和温升,都会对磁体结构造成颠覆性和破坏性后果。


一个世界科技难题摆在了刚刚回国的李亮面前:发达国家的脉冲强磁场装置,往往是通过高强、高导线材,以及高功率、大能量脉冲电源,来突破电磁应力和温升两大因素的制约。但国际上,这些关键技术和装备,均对中国实施封锁。


身为国际知名的强磁场科学家,在美国从事强磁场研究时,曾经能轻松从全世界拿到任何科研材料和产品的李亮,如今一次次被拒绝。


“从那一刻起我就明白,我们只能靠自己。既然人家的高速公路不让走,那就自己修路架桥!”


峰值场强是衡量一个国家脉冲强磁场设施水平的四大指标之首。而决定峰值场强的最主要因素,是材料的抗拉强度。换言之,在激发磁场达到极限的同时,装置材料首先自身不能变形,得要扛得住,还要具备高强度和高导电性能。


制造强磁场电磁体的核心材料,一个是铜铌合金,一个是铜银合金。但是,国产导线强度只有国外的2/3,电源能量仅为美国的1/10、德国的1/3。


想用手上这副弱牌打出“王炸”,干出世界一流的脉冲强磁场,谈何容易?


材料和电源都处于下风,磁体的设计就变得尤为关键。反复推演后,李亮决定,在使用国产材料基础上,利用多学科设计的突破,来弥补其他方面的“先天不足”。为了把这条路走通,他需要面临横跨力学、热学、电学、材料学等一个个专业学科的无数问题。


在国家脉冲强磁场科学中心那一个个灯火通明的不眠之夜,背水一战的李亮,带领科研团队相继提出了脉冲磁体设计理论、磁场波形调控方法,并打造出了磁体设计软件平台。历时数年,终于实现磁场强度的重大突破。


因为他建立了完整的脉冲磁体电磁渗透理论,获得了准确的磁场波形和温度分布,提出了脉冲磁体快速冷却技术,令磁体冷却效率提高5倍,攻克了温升的难关。


因为他发现了脉冲磁体绕组间的应力传递关系,发明了非连续分布式层间加固技术,使磁体应力水平降低30%,极大解决了电磁应力的问题。


享有世界“脉冲强磁场之父”之称的Fritz Herlach教授曾在他的专著《高磁场:科学与技术》(High Magnetic Fields:Science and Technology)中评价:“李亮发表了包括磁阻和趋肤效应在内的完整理论”;“李亮确立了线圈塑性变形最终稳定的判定标准”。


进击:中国强磁场的世界奇迹



2011年,美国学术期刊《今日物理》(Physics Today)称中国脉冲强磁场为“正在快速赶上的脉冲强磁场实验装置”。


在这一赛道上,中国开始奋力跟跑。2013年,国家脉冲强磁场实验装置在华中科技大学建成。教育部邀请美、德、法、日、荷等国际顶尖脉冲强磁场实验室负责人,以及国内院士团等共计29位强磁场专家,对我国的这一重大科技装置,进行国际联合评估。


与稳态强磁场不同,脉冲强磁场的实验只在瞬间。从按下电钮到实验结束,往往1秒钟都不到。如果实验失败,当场就会爆炸,一切不可逆。


美国强磁场实验室运行负责人将李亮拉到一边提醒他:“你真要这么干吗?风险太大了,出一点事就完蛋!”


李亮明白这位老朋友的担忧。德国强磁场实验室曾在一次挑战世界最高强磁场记录中,将目标锁定100特斯拉,结果按下电钮的那一刻,场强刚到70多特斯拉就爆炸了。


“我不光要做,我还要做一系列实验,一共做9个!”李亮说。


他要向世界证明,国际同行能采集到的磁场信号,中国也能够达到。


美国专家叹了口气摇摇头:“如果你失败其中一个,都没人救得了你。”


尽管前期已经演练过很多次,但那天每个老师在不同实验中按下电钮的时候,手仍在抖。


每次实验前,他们都要当着这些全球最顶级的强磁场实验室,一一介绍即将要做什么实验,目标参数是多少,大家将在瞬间看到怎样的物理现象,以及要达到什么样的实验目的——而这些实验,都是此前其他实验室所做不了的。


1个、2个,3个……当9个实验全部做完,全场鸦雀无声。继而,是一片不可思议的掌声。


此次国际评估认为:“中国的脉冲强磁场,已跻身世界上最好的脉冲强磁场实验装置之列”。


中国强磁场,终与世界并跑。2014年,脉冲强磁场实验装置通过国家验收。


2018年,教育部组织第二次国际评估。中国的脉冲强磁场水平,再次惊艳世界。国际评估称,该装置已“成为国际领先的脉冲强磁场装置之一”。


从跟跑、并跑再到进入领跑行列,以李亮为代表的中国脉冲强磁场科学家团队,整整奋斗了十年。截至2020年底,美国脉冲强磁场峰值场强的最高记录为100.7特斯拉,德国为94特斯拉,我国为90.6特斯拉,紧随美德之后,位居全球第三。纯铜导线磁体实现75特斯拉,为同类导体材料的世界最高场强。


而衡量脉冲强磁场设施水平四大指标中的另外三个指标——平顶磁场场强、脉冲的重复频率、在强磁场下测量物质特性的精度,均居世界第一。


其中,65特斯拉脉冲磁体平均寿命超过800次,远超国际350~500次的使用寿命;实现峰值52特斯拉无纹波平顶脉冲磁场,世界首创;采用蓄电池电源实现稳定度达200ppm平顶脉冲磁,同样为世界首创。


未来:搭建科技与产业新“磁场”



“从2014年到现在,我们6年时间做了1000多项科学实验,其中至少有200多项是给国际上其他国家做的。”李亮说,就连美国斯坦福大学、哈佛大学、英国牛津大学、剑桥大学等世界顶级高校科研机构,也与我们的强磁场实验室建立了检测合作。


不同领域,需要研究的对象各不一样。比如凝聚态物理学,需要借助强磁场,研究电子不同轨道的自旋;从事生物学的,又需要了解大分子的磁共振。牛津大学的样本基本上每两三个月就会送来一次,做强磁场下的高温超导材料研究等,主要都是研究材料最本质的物理特性。


这表明,我国脉冲强磁场的实验条件和测量水平,已获得世界认可。


李亮介绍,脉冲强磁场中心的使命和运营模式有两个:


一是基础研究层面,要面向全球,打造开放的、公共的基础科学研究平台。所有用户都可以在网上提出实验申请,需要多强磁场、什么温度、多少个点位,样品是否需要旋转等等。


二是在应用层面寻求更多场景,与产业发展密切结合。在这方面,强磁场的相关成果转化,都可以依托武汉新能源研究院的平台来推进。


电磁技术的应用,除了军事上的电磁炮、电磁弹射等装备系统,在科学仪器、电磁制造、充磁机、医疗诊断设备等领域,都有着广阔的前景。


他说,英国的牛津仪器、美国的量子设计,都是全球数一数二的科学仪器制造商。牛津仪器几乎垄断了磁体市场,仅在高校的物理和化学研究所,用来测材料电阻的物质基本性质测量仪(PPMS),或测材料磁性的磁学测量系统(SQUID),就高达500多万元一台。


此外,李亮还在全国首次提出了“电磁制造”的概念,希望研发可移动的脉冲式电磁压力机,开辟基于脉冲场的电磁制造。这些压力机模块大小可调,可以到现场组装,解决大型装备的运输难题。


“还有给永磁装备的整体后充磁,充磁机也是一个新市场。”他说,无论是压力机还是充磁机,都可以既卖产品又卖服务。


医疗诊断设备市场主要是磁共振成像,它一般由稳态磁场、脉冲磁场和射频磁场三种磁场构成。


过去,医院的核磁共振多是使用的吸铁石、稀土永磁等磁体,利用的是物质本身的天然磁性来产生磁场,磁场强度仅有0.2至0.4特斯拉。超导出现后,磁场强度提升至1.5T。现在,医院用得最多的便是1.5T和3T的磁共振。目前,科研人员们已研发出了7T以上的磁共振。磁场越高,机器的灵敏度和分辨率,也会成倍提高。当磁场强度达到十几T,甚至能看到单分子层面,一个小分子是怎么反应的。


李亮透露,在强电磁技术的拓展应用上,该团队研发的电源、电磁及测量技术,已推广应用于国内外多个装置。


“从技术到市场,是新的挑战,也是新的征程。”