美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲(chǔ)能，瞬間放電——本是核聚變實(shí)驗(yàn)用的，100T紀(jì)錄的第二大功臣。中國(guó)電源則分3部分：發(fā)電機(jī)電源（功率不到美國(guó)的1/10）；20幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅使用幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場(chǎng)脈沖峰值。美國(guó)實(shí)現(xiàn)100T需115兆焦耳能量，中國(guó)實(shí)現(xiàn)90T只用10兆焦。

2018年12月初，武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，一次次電磁風(fēng)暴的襲擊，讓物質(zhì)被迫吐露不為人知的秘密。最先進(jìn)的電源、磁體和控制系統(tǒng)，打造了這一世界頂尖水平的強(qiáng)磁場(chǎng)裝置。

“磁場(chǎng)與電流成正比，而磁體承受的力和熱，與磁場(chǎng)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(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心主任李亮說(shuō)。

“美國(guó)從70T（特斯拉）到90T走了20年，德國(guó)用了15年，中國(guó)則是4年。”李亮說(shuō)。

中國(guó)電源便宜又強(qiáng)大

李亮曾在歐洲和美國(guó)工作多年，1992年以來(lái)世界上最強(qiáng)的磁體大多有他參與設(shè)計(jì)。

“我們是彎道超車。”李亮說(shuō)，“我們從無(wú)到有，總結(jié)各家的經(jīng)驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)的整體性、系統(tǒng)性更強(qiáng)。”

美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室發(fā)電機(jī)電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲(chǔ)能，瞬間放電——本是核聚變實(shí)驗(yàn)用的，100T紀(jì)錄的第二大功臣。

中國(guó)電源則分3部分：發(fā)電機(jī)電源（功率不到美國(guó)的1/10）；20幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅使用幾個(gè)電容儲(chǔ)能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場(chǎng)脈沖峰值。美國(guó)實(shí)現(xiàn)100T需115兆焦耳能量，中國(guó)實(shí)現(xiàn)90T只用10兆焦。

專攻電源的丁洪發(fā)教授說(shuō)：“幾十個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)間差要限制在微秒級(jí)。元器件也要篩選，讓電路的延遲一致。”

2008年開(kāi)工建設(shè)，大部分設(shè)備自研自造，國(guó)產(chǎn)化率85%。“人家是外包給專業(yè)公司，我們是自己動(dòng)手。”李亮說(shuō)。

每組電容儲(chǔ)能型電源100萬(wàn)元。整個(gè)電源系統(tǒng)投入僅是美國(guó)人的一個(gè)零頭。液氦回收系統(tǒng)只有國(guó)外同類設(shè)備1/4的價(jià)格，回收的氦氣每年可節(jié)約500萬(wàn)—600萬(wàn)元實(shí)驗(yàn)消耗。

脈沖平頂磁場(chǎng)十分重要，但美國(guó)人做平頂脈沖磁場(chǎng)，一年只能使用50—60次。中國(guó)人改進(jìn)了電源和控制系統(tǒng)，則像開(kāi)微波爐一樣簡(jiǎn)單。

“國(guó)際專家說(shuō)我們花了1.2億元，干了1.2億美元的活兒。”李亮說(shuō)。

測(cè)量需要極端精細(xì)

2013年10月，在全世界專家的見(jiàn)證下，中國(guó)裝置首秀成功。國(guó)際權(quán)威報(bào)告說(shuō)：中國(guó)的磁體和電源技術(shù)世界頂級(jí)；控制系統(tǒng)國(guó)際領(lǐng)先。

雖然最高磁場(chǎng)紀(jì)錄不及美國(guó)，但中國(guó)裝置優(yōu)勢(shì)明顯——一套中央控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3類電源和8個(gè)實(shí)驗(yàn)站的靈活組合。這是中國(guó)磁場(chǎng)的一個(gè)殺手锏，更有利實(shí)驗(yàn)。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)人韓小濤教授說(shuō)：“別人都是一個(gè)磁體發(fā)一種波形。我們的可以一個(gè)磁體產(chǎn)生多種波形。”

美國(guó)在2013年實(shí)現(xiàn)了100.75T，德國(guó)實(shí)現(xiàn)94T，中國(guó)也以90.6T成為90T俱樂(lè)部的一員。而目前有望刷新紀(jì)錄的只有美、中。

強(qiáng)磁場(chǎng)將考問(wèn)出新的物質(zhì)特性，催生下一代電子材料和芯片。朱增偉教授說(shuō)：“半金屬比如鉍和銻，適合放在強(qiáng)磁場(chǎng)下研究極端情況。”

2018年11月，北京大學(xué)發(fā)現(xiàn)“對(duì)數(shù)量子震蕩”，實(shí)驗(yàn)就在武漢做。在58T磁場(chǎng)下清晰觀測(cè)到5個(gè)振蕩，才得以發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)規(guī)律。

強(qiáng)磁場(chǎng)的“風(fēng)暴眼”只有20毫米長(zhǎng)，在杏仁大小的空間里布置所有的樣品和感應(yīng)器，跟微雕差不多。

“渦流、熱效應(yīng)、震動(dòng)、電磁干擾……測(cè)量永遠(yuǎn)伴隨噪音。”左華坤工程師說(shuō)。

想一次測(cè)出高質(zhì)量信號(hào)難，因?yàn)楦蓴_因素太多。樣品桿浸泡在液氦里，還跟外面隔著一層真空，但線圈一瞬間的高溫，仍然會(huì)造成樣品零點(diǎn)零幾度的熱擾動(dòng)。傳感器的線路在脈沖磁場(chǎng)的作用下，也可能震動(dòng)幾個(gè)微米產(chǎn)生噪聲。

還有很多不可測(cè)因素，比如地線“零”電壓的不穩(wěn)定，濕度差異，都可能造成測(cè)量結(jié)果不同。

“如果不這樣難測(cè)，那些物理難題也就不會(huì)遺留到現(xiàn)在了。”左華坤說(shuō)，論電磁測(cè)量精度武漢國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心已不弱于任何同行。

“中心建成后，不僅國(guó)內(nèi)科學(xué)家基本不再去國(guó)外做實(shí)驗(yàn)了，還吸引了劍橋、斯坦福等眾多國(guó)外用戶。”李亮說(shuō)。

線圈使用壽命超出國(guó)際同行近1倍

1820年，丹麥人奧斯特?zé)o意間發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通電，附近的小磁針會(huì)跳動(dòng)。從此，人們一直在用通電線圈來(lái)制造磁場(chǎng)。瞬間強(qiáng)電流產(chǎn)生的幾毫秒時(shí)間的強(qiáng)磁場(chǎng)，叫做脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，它比穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)更高。

國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細(xì)的導(dǎo)線，繞成線圈，接上2.5萬(wàn)伏特的電壓，流過(guò)4萬(wàn)安培的瞬間電流，就可以產(chǎn)生幾十T的脈沖磁場(chǎng)。

但通電線圈會(huì)被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長(zhǎng)和壓扁。李亮說(shuō)，他們的線圈承受的應(yīng)力，是“蛟龍”號(hào)在7000米海底面臨壓強(qiáng)的50倍。而且磁體在放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)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(fā)掉。

幾個(gè)毫秒內(nèi)通入磁體的能量如10公斤TNT的能量，線圈經(jīng)常被炸碎。俄羅斯和日本科學(xué)家先后用極端辦法制造過(guò)上千T的磁場(chǎng)，那也是目前人類取得的最強(qiáng)磁場(chǎng)。但必須犧牲線圈，是一次性的，磁體線圈無(wú)法重復(fù)利用。

美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)紀(jì)錄的線圈用的是銅鈮合金，最結(jié)實(shí)——100T磁場(chǎng)紀(jì)錄的最大功臣。中國(guó)團(tuán)隊(duì)則使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的銅鈮合金，強(qiáng)度僅為前者2/3。

中國(guó)人另辟蹊徑，從理論分析挖掘潛力，通過(guò)精確計(jì)算，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果，就像鐵環(huán)箍住炮筒。它比凱夫拉還結(jié)實(shí)，是世界上最強(qiáng)韌的纖維。纖維浸泡環(huán)氧樹(shù)脂，也充當(dāng)線圈的絕緣層。

彭濤教授專職繞線。“如果浸泡樹(shù)脂不夠充分，反光是不同的。”彭濤說(shuō)，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(guó)磁體線圈直徑一米，比中國(guó)的大很多，應(yīng)力更低，不易壞，但美國(guó)線圈平均通電500次就會(huì)壞掉；彭濤做的線圈可使用800次。