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【創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)】

(資料圖)

◎本報(bào)記者 吳長(zhǎng)鋒

近日，由科技日?qǐng)?bào)社主辦、部分兩院院士和媒體人士共同評(píng)選出的2022年國(guó)內(nèi)十大科技新聞揭曉，“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置刷新世界紀(jì)錄”入選國(guó)內(nèi)十大科技新聞。

創(chuàng)造這一紀(jì)錄的，是中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)團(tuán)隊(duì)）。2022年8月12日，由該團(tuán)隊(duì)研制的國(guó)家穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置再攀“科技高峰”：其混合磁體產(chǎn)生了45.22萬(wàn)高斯（即45.22特斯拉）的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，刷新了同類(lèi)型磁體的世界紀(jì)錄，成為目前全球范圍內(nèi)可支持科學(xué)研究的最強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。

從零起步自主研制科學(xué)裝置

45.22萬(wàn)高斯，該怎么理解這個(gè)對(duì)普通人來(lái)說(shuō)有點(diǎn)陌生的數(shù)字？

打個(gè)比方，地球本身就是一個(gè)磁體，它表面的磁場(chǎng)約等于0.5高斯——這0.5高斯的磁場(chǎng)就可以讓指南針的指針準(zhǔn)確地指向南方。換句話說(shuō)，45.22萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)相當(dāng)于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的90多萬(wàn)倍。

穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)原世界紀(jì)錄保持者是美國(guó)。1999年，美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室中的混合磁體產(chǎn)生了45萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄，該紀(jì)錄保持了23年。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)是物質(zhì)科學(xué)研究需要的一種極端實(shí)驗(yàn)條件，是推進(jìn)重大科學(xué)研究的“利器”，世界科技強(qiáng)國(guó)一直都非常重視強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。不過(guò)，在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我國(guó)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)領(lǐng)域幾乎一片空白，這成為制約科技進(jìn)步的短板。

2008年，經(jīng)國(guó)家發(fā)改委立項(xiàng)批準(zhǔn)，位于合肥科學(xué)島的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)工建設(shè)、2017年該裝置通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，成為黨的十八大以來(lái)建成的國(guó)家大科學(xué)裝置之一。

“2016年，我們就自主研制出中心場(chǎng)強(qiáng)40萬(wàn)高斯的混合磁體裝置。這次能打破世界紀(jì)錄，是我們多年來(lái)矢志不移堅(jiān)持自主創(chuàng)新的結(jié)果?！眻F(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心學(xué)術(shù)主任匡光力說(shuō)。

全力以赴提升混合磁體性能

雖然起步時(shí)間晚，但是團(tuán)隊(duì)僅用8年，就研制出了繼美國(guó)之后世界第二個(gè)40特斯拉級(jí)的混合磁體，一舉躋身世界第二。

“‘老二’本來(lái)也很好了，但是我心中一直希望，有一天團(tuán)隊(duì)可以站在最高領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)上?！眻F(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員陳思躍說(shuō)。

從2016年底開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始向下一個(gè)目標(biāo)進(jìn)發(fā)。

“產(chǎn)生盡可能強(qiáng)的磁場(chǎng)，是團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)。此后近6年的時(shí)間里，我們共經(jīng)歷過(guò)3次重大的失敗，小的挫敗更是不計(jì)其數(shù)。”匡光力回憶道。

團(tuán)隊(duì)成員對(duì)記者說(shuō)，磁場(chǎng)越強(qiáng)，對(duì)科學(xué)研究的好處越大。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，磁場(chǎng)能使物質(zhì)的特性發(fā)生改變，磁場(chǎng)越強(qiáng)，改變的力度越大。同時(shí)，在越強(qiáng)的磁場(chǎng)條件下，實(shí)驗(yàn)研究可探索的范圍越大，科學(xué)家獲得新發(fā)現(xiàn)的可能就越大。

2017年底，團(tuán)隊(duì)將磁場(chǎng)強(qiáng)度由40萬(wàn)高斯提高到了42.9萬(wàn)高斯。兩年后的2019年，這個(gè)數(shù)字提高到了43.9萬(wàn)高斯，距離世界紀(jì)錄看似僅一步之遙。在此期間，團(tuán)隊(duì)兩次挑戰(zhàn)美國(guó)創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，但遺憾的是，均以失敗告終。

2021年4月，最讓人揪心的事情發(fā)生了，在混合磁體強(qiáng)度達(dá)到40萬(wàn)高斯后，相關(guān)數(shù)據(jù)便停滯不前，第三次沖擊世界紀(jì)錄就這樣以令人失望的結(jié)果收?qǐng)觥?/p>

“尤其是在第三次失敗后，對(duì)大家打擊很大?！眻F(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心副研究員房震說(shuō)，混合磁體由水冷磁體和外超導(dǎo)磁體組合而成，而混合磁體性能提升的關(guān)鍵在于水冷磁體。

為了提升混合磁體的性能，團(tuán)隊(duì)成立了“混合磁體關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)小組”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)攻關(guān)小組），由匡光力任組長(zhǎng)。除此之外，一支由團(tuán)隊(duì)多名青年骨干組成的“高場(chǎng)磁體技術(shù)青年創(chuàng)新突擊隊(duì)”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)青年創(chuàng)新突擊隊(duì)）也同時(shí)成立，房震擔(dān)任隊(duì)長(zhǎng)，而隊(duì)員的平均年齡只有35歲。

在詳細(xì)分析了以往沖擊世界紀(jì)錄失敗的原因后，針對(duì)混合磁體性能提升，大家得出了統(tǒng)一結(jié)論：必須對(duì)水冷磁體中高場(chǎng)線圈技術(shù)進(jìn)行根本性的革新，才能保證混合磁體邁過(guò)45萬(wàn)高斯的大關(guān)。通過(guò)多輪集體研討，團(tuán)隊(duì)提出了一套創(chuàng)新性的技術(shù)方案。

房震告訴記者，那段時(shí)間，攻關(guān)小組和青年創(chuàng)新突擊隊(duì)為了某一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新工作，熬到半夜是家常便飯。在改造高場(chǎng)磁體線圈的同時(shí)，他們還要保障與磁體運(yùn)行相關(guān)的電源、水冷、低溫和中控等支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。他們不斷優(yōu)化流程，不放過(guò)任何一個(gè)小問(wèn)題。

歷經(jīng)多次失敗終迎來(lái)曙光

時(shí)間轉(zhuǎn)眼就到了2022年夏。當(dāng)年7月15日下午，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一場(chǎng)具有決定性意義的實(shí)驗(yàn)。

“外面驕陽(yáng)似火，中控大廳里的熱度更高。”房震回憶道，當(dāng)天團(tuán)隊(duì)所有人都緊盯著屏幕上密密麻麻的數(shù)據(jù)：1萬(wàn)安培、2萬(wàn)安培……所有參數(shù)正常穩(wěn)定。電流每增加1萬(wàn)安培，穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)都會(huì)上一個(gè)臺(tái)階，這時(shí)候一般也會(huì)停頓十幾秒。

“停頓是為了看磁場(chǎng)狀態(tài)穩(wěn)不穩(wěn)，說(shuō)實(shí)話每當(dāng)停頓時(shí)，都挺煎熬的?！痹趫?chǎng)的團(tuán)隊(duì)核心成員之一、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心磁體部主任陳文革回憶道，直到電流上到3萬(wàn)安培，他的心情才稍微平穩(wěn)了一點(diǎn)。

最終，中控大廳的屏幕上出現(xiàn)了“混合磁體總場(chǎng)強(qiáng)：45.2特斯拉”的字樣，全場(chǎng)沸騰。這個(gè)情景讓在場(chǎng)的團(tuán)隊(duì)成員每每提起，都心潮澎湃。

“突破的關(guān)鍵還是我們對(duì)水冷磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較深層次的改進(jìn)，進(jìn)而很好地平衡了電磁力?！标愃架S表示，這次成功沖擊世界紀(jì)錄，得益于團(tuán)隊(duì)的10多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。

“大科學(xué)裝置具有鮮明的科學(xué)和工程雙重屬性，我們現(xiàn)在的混合磁體可以為很多學(xué)科領(lǐng)域的課題研究提供更好的實(shí)驗(yàn)條件。”匡光力告訴記者，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置自投入運(yùn)行以來(lái)，為國(guó)內(nèi)外170多家單位提供了實(shí)驗(yàn)條件。

面向未來(lái)，匡光力表示，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了新的奮斗目標(biāo)——研制以55特斯拉混合磁體、36特斯拉超導(dǎo)磁體為代表的、著力解決國(guó)家重大需求的強(qiáng)光磁集成實(shí)驗(yàn)裝置，繼續(xù)攀登新的科學(xué)高峰。

來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

作者：吳長(zhǎng)鋒

責(zé)任編輯：馮崢

標(biāo)簽： 世界紀(jì)錄 中國(guó)科學(xué)院 科學(xué)研究院