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2008年5月，由中科院合肥物質(zhì)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心承擔(dān)的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置項(xiàng)目啟動；2011年7月，試驗(yàn)磁體通電測試成功；2016年11月，混合磁體大口徑外超導(dǎo)磁體研制成功；2017年2月，專家組對混合磁體工藝測試完成驗(yàn)收；2017年9月27日，“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置”通過國家驗(yàn)收，驗(yàn)收專家組給予了很高評價，認(rèn)為項(xiàng)目全面完成了建設(shè)目標(biāo)，各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)，“技術(shù)和性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平”。
九年時間里，強(qiáng)磁場的科研人員完成了一個又一個跨越，使我國成為國際五大穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場研究機(jī)構(gòu)之一，中國的強(qiáng)磁場科學(xué)技術(shù)事業(yè)邁上了一個新臺階。
①2016年底混合磁體首次調(diào)試成功。
②安裝在水冷磁體上的掃描隧道顯微鏡。
③混合磁體。
“極端條件就是把不可能變成可能”
高秉鈞是中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心首席科學(xué)家，也是“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置”項(xiàng)目總工程師。他對《中國科學(xué)報》記者說：“物質(zhì)在強(qiáng)磁場情況下會改變它本身的電子態(tài)，從而產(chǎn)生新的現(xiàn)象。強(qiáng)磁場是一個極端條件,我們在設(shè)計和研制穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置過程中，常會遇到許多難以克服的困難，甚至是無路可走。我們必須堅持不懈，實(shí)現(xiàn)超越，把不可能變成可能?！?
強(qiáng)磁場是調(diào)控物質(zhì)量子態(tài)的重要參量，在發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、揭示新規(guī)律、探索新材料、催生新技術(shù)等方面具有不可替代的作用。自1913年以來，已有多項(xiàng)與磁場相關(guān)成果獲諾貝爾獎，因此，強(qiáng)磁場極端條件已成為科技界公認(rèn)的探索科學(xué)寶藏的“國之重器”。我國因缺乏相應(yīng)的強(qiáng)磁場條件，屢次錯失在物質(zhì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域開展前沿探索的機(jī)遇。
據(jù)了解，“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置”是一個針對多學(xué)科實(shí)驗(yàn)研究需要的強(qiáng)磁場極端實(shí)驗(yàn)條件設(shè)施，包括十臺強(qiáng)磁場磁體裝置和六大類實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)。
混合磁體由內(nèi)部水冷磁體和外部超導(dǎo)磁體組合而成，是追求更高穩(wěn)態(tài)極端場強(qiáng)的首選，但此前國際上已有多個失敗案例，而我國在高場超導(dǎo)磁體技術(shù)方面的基礎(chǔ)較為薄弱，項(xiàng)目所有科研人員都面臨著巨大挑戰(zhàn)。
對水冷磁體而言，必須解決材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇、巨大電磁力和發(fā)熱問題，與之配套的數(shù)千萬瓦級的穩(wěn)態(tài)直流電源系統(tǒng)、低溫冷卻系統(tǒng)、去離子水冷卻系統(tǒng)等均是一個個不容置疑的難關(guān)。
謹(jǐn)慎起見，超導(dǎo)磁體組決定先研制一款磁場強(qiáng)度低、口徑小，但選材、加工工藝完全相同的試驗(yàn)磁體，試驗(yàn)磁體在2011年7月通電測試成功。混合磁體研制真正開始之后，所有科研人員都秉持著一種謹(jǐn)慎嚴(yán)肅的工作狀態(tài)，為了達(dá)到驗(yàn)收要求而不斷努力著。
國際領(lǐng)先水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
水冷磁體WM1原設(shè)計是超世界紀(jì)錄的38.5T,但在磁體組裝后的預(yù)測試中，科研人員卻發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度比預(yù)期的要低得多，且已是板上釘釘，超紀(jì)錄無望了。水冷磁體總設(shè)計高秉鈞帶領(lǐng)工作人員排查原因，最終發(fā)現(xiàn)絕大部分bitter片厚度不是原設(shè)計的0.27毫米，而是0.29~0.30毫米。
高秉鈞說：“面對幾千片bitter片，我們就用天平稱重量、算體積，來實(shí)測每片的實(shí)際厚度。將實(shí)測厚度的bitter片優(yōu)化配置，重新組合，使組裝的磁體達(dá)到原設(shè)計的目標(biāo)?！边@樣，WM1最終實(shí)現(xiàn)了38.5T的磁場強(qiáng)度，打破水冷磁體場強(qiáng)世界紀(jì)錄。
2016年底混合磁體首次調(diào)試，磁場強(qiáng)度達(dá)到40特斯拉，符合工程驗(yàn)收指標(biāo)。就在科研人員歡欣鼓舞之時，磁體系統(tǒng)卻發(fā)生了故障。春節(jié)將至，項(xiàng)目組的人卻集中在場地，不斷調(diào)試設(shè)備排除故障。
大年三十上午八點(diǎn)，裝置準(zhǔn)時通電測試，所有人在文化走廊吃了一頓簡單而又難忘的“年夜飯”。但是那天因?yàn)榻禍貨]到位，再一次失敗了。項(xiàng)目組的科研人員在春節(jié)假期繼續(xù)加班，大年初四，混合磁體終于通電勵磁，再次成功。
經(jīng)過多年自主創(chuàng)新，強(qiáng)磁場研制團(tuán)隊打破國際技術(shù)壁壘，成功克服關(guān)鍵材料國際限制、關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)空白等重大難題，建成繼美國之后世界第二臺40T級混合磁體，建立了國際領(lǐng)先水平的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了我國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場極端條件的重大突破。
“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置”國家驗(yàn)收意見中寫道：“項(xiàng)目提出了一種水冷磁體設(shè)計創(chuàng)新方案，發(fā)展了一套全程可量化檢測的高精度裝配工藝。建成的水冷磁體中有三臺磁體的性能指標(biāo)創(chuàng)世界紀(jì)錄，其中兩臺保持至今；突破了800毫米室溫孔徑、磁場強(qiáng)度達(dá)10特斯拉的鈮三錫超導(dǎo)磁體研制的技術(shù)難關(guān)，建成了40特斯拉穩(wěn)態(tài)混合磁體裝置，磁場強(qiáng)度世界第二；建成了國際首創(chuàng)水冷磁體掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)、掃描隧道—磁力—原子力組合顯微鏡系統(tǒng)，以及強(qiáng)磁場下低溫、超高壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得我國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件達(dá)到國際領(lǐng)先水平?！?
“邊建設(shè)邊開放”的管理新模式
強(qiáng)磁場下的應(yīng)用研究對于高技術(shù)產(chǎn)業(yè)具有很強(qiáng)的催生和帶動作用，“強(qiáng)磁場效應(yīng)”其實(shí)就在我們身邊。
高秉鈞介紹道：“大家都比較熟悉的醫(yī)院的核磁共振成像、磁懸浮列車等就運(yùn)用了強(qiáng)磁場技術(shù)。此外，強(qiáng)磁場在化學(xué)合成、特殊材料、生物技術(shù)、醫(yī)藥健康等多種新技術(shù)研發(fā)方面都有可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，孕育新的發(fā)明?！?
據(jù)了解，強(qiáng)磁場有助于促進(jìn)多學(xué)科交叉研究，尤其是生命科學(xué)、物理學(xué)、材料與化學(xué)、新技術(shù)之間的交叉研究。2014年，合肥物質(zhì)院技術(shù)生物所吳躍進(jìn)研究組和強(qiáng)磁場科學(xué)中心鐘凱研究組合作，研究了造影劑對水稻生長的潛在影響，并用磁共振成像技術(shù)獲得了造影劑在根系中的動態(tài)信息。這也是世界上首次利用造影劑研究磁共振成像技術(shù)在水稻根系無損檢測中的應(yīng)用，為植物根系研究提供了一種新的研究方法。
在中科院“十二五”驗(yàn)收中，“強(qiáng)磁場科學(xué)與技術(shù)”重大突破入選院“雙百”優(yōu)秀。2017年3月，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理劉延?xùn)|視察裝置，對團(tuán)隊取得的成績給予了充分肯定。
同時，項(xiàng)目提出并實(shí)踐了國家大科學(xué)裝置“邊建設(shè)邊開放”管理新模式。從2010年試運(yùn)行以來裝置已經(jīng)為包括北大、復(fù)旦、中科大、浙大、南大、中科院物理所、中科院固體物理所、上海生科院、福建物構(gòu)所等在內(nèi)的百余家用戶單位提供了實(shí)驗(yàn)條件，有力支撐了強(qiáng)磁場下前沿研究，產(chǎn)出了一大批具有國際影響力的科研成果。
隨著穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置工程建設(shè)的推進(jìn)，一支能打硬仗的強(qiáng)磁場技術(shù)攻關(guān)隊伍在鍛煉中成長。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置將成為科學(xué)研究、科技發(fā)展的創(chuàng)新源頭，將為合肥綜合性國家科學(xué)中心的建設(shè)貢獻(xiàn)更多的科技力量。
摘自：《中國科學(xué)報》 (2017-10-23 第5版 創(chuàng)新周刊)
