中国「稳态强磁场实验装置」实现重大突破创造相当于地球磁场 90 多万倍的这有多厉害？

  中国「稳态强磁场实验装置」实现重大突破，创造相当于地球磁场 90 多万倍的磁场，这有多厉害？

  记者从中国科学院合肥物质科学研究院获悉，8月12日国家重大科学技术基础设施“稳态强磁场实验装置”实现重大突破，创造场强45.22万高斯的稳态强磁场，超越已…

  出场选手：稳态强磁场实验装置（Steady High Magnetic Field Facility，简称SHMFF）

  最佳成绩：45.22T（T是磁通密度单位特斯拉，1T=10000高斯）

  这次双方选手均为“混合磁体”，也就是说磁体的电磁线圈是由“超导”和“电阻”（电阻就是非超导线圈）两种线圈组合起来的，双方一同产生磁场。从上图可见，超导线T的磁场；水冷电阻线T。

  可见，双方从获得稳定强磁场的最高值来看，绝大多数都是势均力敌，也可以说中方小胜、美方惜败。不过，美国国家高磁场实验室实现的45T的记录，已经是23年前的1999年，中国其实就是有后发优势的，可以少走好多弯路。当我们在一些领域进入世界研究的前沿水平后，科学及技术的任何一小步前进，我们也必将付出更多的成本，依赖更为基础的基础研究成果，而这又是我们应该奋起直追的弱项。

  磁体有永磁体和电磁体两种，本质都是由电流产生，前者是原子内部自旋电流，后者是定向移动电荷形成的电流。

  永磁体的磁场，目前最厉害的稀土磁体，能做到1-2T。再高就不行了。不要小看1T，已经是一个很强的磁场了。

  电磁体的磁场，理论上可以做得很大，只要电流足够大，几十上千安培，甚至上万十万安培，不过电流大了，问题就多了。

  第一是，导线也有电阻，通过大电流会产生热量。假如一个电阻磁体中通入20000A的电流，电阻线欧姆，其功率就是P=I*I*R=20000*20000*0.01=4000000W=4000KW，相当于2000台空调。如果没有及时带走热量，线圈很快被自己产生的热量所融化。

  1936年，麻省理工学院的弗朗西斯·比特（Francis Bitter）设计了一种新型磁铁线圈，巧妙地解决了磁场应力和散热这两大问题，成为此后高磁场系统模块设计的事实标准，这种结构称为“佛罗里达-比特盘”。该线圈结构如下图所示：

  比特盘结构交替堆叠了导电圆盘（上图白色盘）和绝缘圆盘（上图阴影盘）。导电盘冲压出一条狭缝，绝缘盘是不完整的，缺少了一个扇区，这样做才能够让上下两层的导电盘形成电气连接。适当错位这些盘算的角度，就能让所有导电盘形成一个螺旋结构的线圈。导电盘和绝缘盘上均冲压了冷却孔，并确保组装后对齐，冷却水将从这些小孔形成的通道中流过，带走热量。

  经过几十年的改进，目前美国MAGLAB实验室的30T电阻磁铁技术中，使用了如下冲压形状的导电盘：

  材料采用了铜银合金。该盘片参数为：内径19毫米，外径74毫米，堆叠高度174毫米，通往电流35KA，消耗功率4.5MW，盘片内沿通过的电流密度为643A/平方毫米，应力承受746MPa、单环应力428MPa。

  电阻磁体动辄几兆瓦、几十兆瓦的耗电，让世界各大实验室的投资方心惊肉跳。是否有省电的替代方案呢？答案是肯定的，那就是“超导磁体”。超导体因没有电阻，再大的电流也不会产生热量，只要启动时通入电流，此后就可以让电流在超导线圈内部形成环路，电流奔驰不止，磁场源源不断，不需要再花费1分电费。

  问题一：超导体的工作时候的温度通常在十分接近绝对零度0K（开氏度），即-273.15（摄氏度），需要将线度的“液氦”中，整套冷却设施极其复杂也极其昂贵。不过，总体上，运行超导磁体的低温设施成本，还是抵得上电阻磁体的能量耗费。

  人们也在尝试使用高温超导体，所谓高温，是指77K的液氮温度，77K相当于-196.15度。液氮是很容易从空气中制备，成本比液氦要低得多。

  问题二：超导体达到一定的电流密度后，会失去超导性质。所以超导磁体的磁场做不到最大，目前maglab实验室里最高磁场的超导磁体是32T。

  问题三：超导的“失超”，就是失去超导效果。超导体转变为电阻体，原来存储在线圈中的超强能量将释放开来，导致出现电压、温度上升、热膨胀差和电磁力，制冷剂压力升高和排出。

  所以，为了混合磁体结合了超导线圈和电阻线圈，在巨大的电能耗费及设备的投入中取得一个经济性的平衡，人们设计了两种磁体合在一起的“混合磁体”。

  左边是磁体，磁体从中心到外围分成3个，最内层红色的是电阻磁体，其外是2层超导磁体，分别用铌钛线和铌锡线绕制而成。最中间的竖立的管道，是冷却水管道，及电阻磁体的引出端导线。

  右边是 低温供应设施。左右两部分用伺服管道相连，连接低温液氦，和超导线圈的引出线 混合磁体结构 maglab

  冷却水采用了内、外2个回路，内部回路的冷却水需要泵入磁体，所以必须是去离子后不导电的纯净水，它于6度的低温、3倍于消防水龙头的压力，泵入磁体装置，再于49度的高温流出，送到热交换器，在交换器里把热量交给外回路的4度的冷却水。外回路的水容量相当巨大，相当于6.5个标准游泳池的容量，美国人使用了一组大型空调制冷机组（相当于400台家用空调）来保证它们达到4度的低温。

  交流电源：56兆瓦的交流电源（12470伏，三相）来自附近的城市变电站到实验室的变电所，再其分配给实验室的各个电气负载。实验室共有10个磁体，但只能同时使用2-3个，确保总功率不超过56兆瓦。按2004年计算，实验室耗电占塔拉哈西市总配电的7%。

  变压器：8台28吨重的变压器将输入的交流电压从12470伏降至520伏或640伏。每个变压器有两个电压分接头，在520伏电压下为4441安培\8000KVA，540伏时为4511安培\10000KVA，可输出8至10兆瓦的交流电。

  直流电源和整流器：四个整流器将交流电源转换为直流电源，用于磁体线圈。整流器滤除噪音和电流波动，提供安静、稳定的功率。每一个都可以在700伏直流电压下提供14MW（20000安）。每个磁体的功率需求从17 MW到33 MW不等。

  换向开关和汇流条：穿过122米（400英尺）的实心铝汇流条，位于磁室上方的天花板上。电流单向流过一条汇流条，反向流过另一条。通过磁体的电流方向可以反转，允许用户改变磁体的极性。

  磁体：磁体由三到四个串联线圈组成。当高达兆瓦的电能转化为热能时，电流冲击通过由数百个比特盘组成的磁体线圈，磁体迅速升温。为了及时降温散热，低温去离子水（15 Mohm/cm）将直接泵入磁体的铜线磅/平方英寸）的压力下，水以每分钟约7500至15000升（2000至4000加仑）的速度流过盘管。

  磁力冷却泵：三级离心泵，每回路两台，泵由500马力变速电机驱动，额定压力为550PSIG时为2000 GPM。这些泵是推动水通过系统中长达762米（2500英尺）管道的数十台泵之一。

  水处理系统：从磁体冷却系统回路中连续抽出约300 GPM的水流，用60立方英尺的混合树脂去离子后，再返回系统。这是确保流经磁体的冷却水不存在导电离子。

  热交换器：第1回路的冷却水将热量通过热交换器传递到第2回路——冷冻水回路。第1回路的磁体冷却水在约49摄氏度进入热交换器，在6摄氏度流出，然后再次去冷却磁体。换热器可以带走56兆瓦的热量，这相当于进入整个实验室的所有电力的热量。

  制冷机：四台离心式制冷机提供了足够的制冷能力，不但可以冷却冷冻水系统中的水，还可以整个实验室的空调制冷。每台制冷机重16.5吨，使用约3625千克（8000磅）的R-22制冷剂。因此，来自冷冻水系统的热量传递到冷凝水系统，在大约30摄氏度的温度下离开冷却器。6摄氏度的冷水以2000加仑/分的速度被输送至冷冻水系统。

  冷冻水储水箱：两座40英尺高的水塔可容纳1630万升的水，水的温度保持在约6摄氏度不变，其目的是使冷水随时可用。温水从水箱顶部进入；冷水从底部分配出去。这些水箱一起提供56000吨小时的冷却功率。如果只使用一个较小的磁铁，这些水箱就足以保持系统冷却，但若使用多个或更大的磁铁，制冷机就会启动。

  冷却塔：来自冷却器的水流向一排四个冷却塔。9米（30英尺）高，沿着实验室的一侧延伸44米，这些塔楼总共可以容纳大约750000升的水。在每个塔楼顶部，通过直径为25英尺的风扇的帮助下，通过强制通风蒸发，排出热量。

  除了中美，还有法国、德国、荷兰、日本等国家都建有强磁实验室，拥有超导、电阻、混合、脉冲等各类强磁实验装置。

  这个是日本东京的破坏性脉冲强磁实验，实验产生了高达1200T的强磁，强大的能量充入磁体，磁体线圈产生强磁后被压缩后达到更高的磁通，然后磁场塌缩，能量释放，将线圈炸得火花四濺，实验室的超厚铁门也被炸飞。这种强磁是短时的、一次性的，据说可用于核聚变的点火。

  不过人类制造的几十、上千特斯拉的强磁场，跟宇宙中子星等天体存在的磁场相比，还是小巫见大巫，最极端的磁场可能高达10的14次方，也就是T。人类一下子就渺小了。

  人体的组成中65%是水，而水分子是磁性的。身体中的数十亿个水分子，是由2个氢原子与1个氧原子键合的，如上图所示。一小部分氢原子充当微小的磁体，对磁场相当敏感。磁共振扫描的第一步是在人体的周围产生一个强磁场，并让磁场呈现梯度分布，以隔离不需要检测的部位。通常，身份内的水分子是随机排列的，但当磁场旋转时，水分子将以磁场相同的节奏和频率运动，也有一些不跟着磁场运动的水分子，称为低能水分子。扫描仪利用的就是这些低能水分子。这时，无线电波线圈发送与磁场相同或共振的频率，让低能水分子吸收能量后也跟着磁场共振起来。

  然后停止发送无线电波，这些低能水分子通过发送电波的方式释放能量，重新再回到低能状态。扫描仪外部的传感线圈接收这些电波，送到计算机做多元化的分析成像。

  目前，MRI扫描仪的磁场强度在0.5-3T之间，7T的已经在大量测试，超过10T的也在研究及测试中。磁场越强，有2个好处，一是获得细节更多，二是速度更快，但设备价格也更高。

  样品放入强磁场中心区域，样品中原子核的微观磁矩相互对齐形成净宏观磁化，且与强磁场也对齐；

  探测线圈中产生强电流脉冲射频以形成次级振荡磁场，这导致样品中的原子核磁矩旋转到水平面或 xy 平面；

  净宏观磁化围绕初级静磁场进动并返回到 z 平面（垂直），探测线圈中由此感应出弱电流（衰减）；

  这种指数衰减经收集后，通过傅里叶变换 (FT) 及噪声处理，可从中辨别出用于阐明样品微观结构的波峰。

  上图是一个活青蛙悬浮在强磁场中。其实各种抗磁性材料包括我们人体，都可以悬浮在强磁场中。磁悬浮的另一个应用是建造磁悬浮轨道交通，上海的虹桥机场到浦东机场，就有一条商业运行的试验线，更经济、更可靠、更先进的磁悬浮技术，也在等待高温超导的强磁场技术的突破。

  高磁场还可用于组装和排列功能性、有机或无机、纳米和微结构，并探测它们的结构、性质和动力学，在药物输送、光学、传感器和纳米电子学方面具有潜在应用。

  这是法国的世界上最大的聚变反应堆国际热核实验反应堆(ITER)，其中的超导电磁体是 ITER 托卡马克装置的“跳动心脏”——一种产生受控热核聚变能量的磁约束装置。如果将 ITER 视为一个巨大的电力变压器，那么中央电磁阀是“初级”线 万安培电流进入环形托卡马克体，帮助塑造和稳定内部的等离子体。所说，中央螺线管磁体将产生的磁力，可以使一艘航空母舰升空六英尺。

  这次我国的45.22T高磁场记录，表明了我国成为了这样的领域的顶级玩家，虽然设备建造的相关基础理论和技术已存在。面对这个破记录的成绩，咱们不可以沾沾自喜，美国在23年前已经实现45T，相信美国人要打破我们的记录也不是什么难事，还有，欧洲、日本在强磁领域也处于世界领先的地位，我们该加强基础和应用领域的研究，充分用好强磁设备这类大国重器，取得进一步的成果，为人类文明作出应有的贡献。