为科学研究建最好的稳态强磁场极端条件

左萍

来源:旗帜网2019年01月08日13:23

2008年5月,稳态强磁场实验装置(SHMFF)项目启动,2017年9月,项目通过国家验收。九年多时间,团队始终坚持“做最好的稳态场,为国内科学研究提供优质的强磁场极端条件”的初心,攻坚克难,建设了一项复杂系统工程,技术挑战巨大的稳态强磁场实验装置。团队成员专家组验收意见:“高质量地完成了稳态强磁场实验装置建设任务,建成了磁体技术和综合性能国际领先的稳态强磁场实验装置,各项指标均达到或显著超过国家批复的性能指标。”

不懈努力,彩虹就在风雨后

九个春秋寒暑,多少日日夜夜、多少惊心动魄、多少喜悦担忧,许多工作场景定格在人们心中,值得永远铭记。匡光力审时度势、永不气馁,作为总指挥,他是大家值得信赖的主心骨。他在混合磁体一次上电励磁杜瓦冷屏发生故障时表现出的沉着冷静、指挥得当,彼时场景至今想来仍令人感慨万端。高秉钧踏踏实实、勇于创新,做国际第一的强磁体是他的工作追求,为了追回一号水冷磁体因材料厚度公差超标所丢失的一个多特斯拉,为此付出了两个多月的默默努力。张裕恒院士负责稳态强磁场实验装置实验测试系统搭建,他力争建设独具特色的测量系统,参数的制定、设备的采购都要仔细斟酌。在进行真空低温阀箱密密匝匝的管道中检漏工作时,大家表现出精益求精、不差分毫的精神。稳态强磁场实验装置研究团队认真负责的工作态度为最终的成功奠定了坚实基础。

不懈努力,永不言败,彩虹就在风雨后。2011年7月,混合磁体外超导试验磁体通电测试成功,国内首台采用铌三锡管内电缆导体的超导磁体研制完成。2013年1月至2015年6月间,三台水冷磁体单项指标接连创三项世界纪录。2016年11月,混合磁体大口径外超导磁体研制成功,获得10特斯拉磁场,成为国际超导磁体技术发展的一个重要成功案例。紧接着,外超导磁体和内水冷磁体成功合体,产生40特斯拉磁场强度,成为国际磁场强度第二高的稳态磁体装置。2017年2月,专家组最后完成对混合磁体工艺测试验收。

选择混合磁体,接受困难与失败的挑战

混合磁体是装置建设中的一块硬骨头,它由内部水冷磁体和外部超导磁体组合而成。其水冷磁体必须解决材料和结构的优化选择、巨大电磁力和严峻的发热问题;其超导磁体孔径巨大,导体的材料选择、结构选择和磁体生产工艺都是技术难题,此前世界上没有如此大型的铌三锡超导磁体装置能够产生10特斯拉稳态磁场,也没有能产生10特斯拉稳态磁场的超导磁体装置能够达到如此大的口径。

不言磁体本身,就是与之配合的数千万瓦级的稳态直流电源系统、低温冷却系统、去离子水冷却系统等均是一个个不容置疑的难关。如低温阀箱是一个集真空环境、低温液氮容器、低温液氦容器、一对16KA高温超导电流引线和13个WEKA低温阀门于一身的十分特殊的非标压力容器。其设计历时五年,绘制图纸1170余张,在约1.5立方的狭窄空间里使用各种规格管材累计总长2460米,阀箱总共焊缝数量5811条。

此前国际上已有多个大型高场超导磁体因技术问题而失败,而我国在高场超导磁体技术方面原有基础薄弱。混合磁体又是国际上追求更高稳态极端场强的首选,选择了它就注定选择了必然的困难与可能的失败。

持大国工匠精神,细节决定成败

为了安全,超导磁体组决定先研制一款磁场强度低、口径小但选材、加工工艺完全相同的试验磁体,试验磁体在2011年7月份通电测试成功,这是国内首台采用铌三锡管内电缆导体的超导磁体。初尝成功给研制人员带来莫大的喜悦与鼓励,坚信“国产”高场混合磁体必能成功。技术人员回首当时的通电测试过程,说:无数次的测试与调整,让通电过程变得异常煎熬漫长。

真正的混合磁体研制开始上马,股线绞缆、穿管成型、绕制、超导接头制作、热处理、绝缘处理、装配……大工艺流程套着小工艺流程,任何一个环节差之毫厘、结果就将谬之千里,研制人员鼓足勇气、有条不紊地一步步往下走,在每一个大节点小节点处,结果都扣人心弦。他们就像坐在过山车上,在喜与忧的道路上不得停歇地奔跑着。

“度过了一段不是人过的日子”

2016年底混合磁体首次调试达到工程验收指标-磁场强度达到40特斯拉,就在人们一片欢心之时,却在一次上电励磁时磁体系统发生了故障。混合磁体验收在即,厚重的阴霾顿时笼罩强磁场中心。那段时间人人脸上收起了笑容,神情紧张。有人问,路上碰到匡光力怎么不像以前那样热情欢快了?怎么可能高兴得起来呢,他是整个工程的第一负责人,内外部的压力一起向他袭来。事后用他自己的话说“度过了一段不是人过的日子”。“莫斯科不相信眼泪”,科学公关亦不同情弱者,研制人员鼓起勇气,与时间赛跑,经过七十个夜以继日地追赶,终使其恢复正常,顺利进入到降温阶段。

2017年1月20日,眼见着春节到了,匡光力召集大家召开工程会议。现场气氛给人的感觉就是一次紧急军事会议。内水冷磁体负责人高秉钧老师要求:“组内已经开过会,春节期间三人值班。”超导电源负责人刘小宁说:“相关人员都在。”超导磁体组潘引年老师表示:“过年是小孩子的事,人老了过不过都一样。”中控组一群年轻人表态:“时刻准备,服从安排!”低温组欧阳峥嵘老师发狠地说:“箭在弦,已经到了不得不发的状态。”会议最后的决议是:各分系统分头做好扎实准备,多考虑相关联的系统,紧急情况下的预案要想周全,根据降温进程,大年三十上午八点准时通电测试,中午在文化走廊吃年饭。就这样战斗的号角吹响了。

大年三十因降温没有到位;经过耐心等待,混合磁体终于在大年初四通电励磁成功。强磁场中心微信群里一片欢腾,红包满天飞,怎样的开心高兴能与当时相比呢?

往事成追忆,来者犹可追

所有的付出都得到了报偿。

该团队独立自主、自力更生,打破国际技术壁垒,取得稳态强磁场装置设计制造关键技术重大突破。

装置创造三项世界纪录,研制成世界第二强的混合磁体及系列国际先进而独特的科学实验手段。

稳态强磁场实验装置研究集体荣膺2017年度中科院杰出科技成就奖。

稳态强磁场实验装置自试运行及正式投入运行以来,在材料物理化学生命学科领域产出成果众多。据不完全统计,稳态强磁场实验装置已产出成果千余篇,其中Nature、Science、Cell期刊文章近十篇,其国际Top子刊Nature Physics、Nature Materials、Nature Communications、Nature Nanotechnology、Science Advances等发文数十篇。特别是自主研发的高场条件成果的国际影响日益突显,支持部分学科领域/方向得到迅速发展。如:新型拓扑磁结构“斯格明子”研究迅速发展,研究成果使得研究团队在小尺寸拓扑磁性材料研究方面处于国际前列;磁场生物学效应研究初步揭示癌症发病分子机制;材料黑金黑磷物性的研究取得重要进展;围绕药物学研究中的“新技术”、“ 新产品”和“新服务”取得了若干科学研究成绩……

现在稳态强磁场实验装置已成为合肥综合性国家科学中心建设的基石与国家创新体系的重要组成部分。稳态强磁场实验装置建设期所形成的“锲而不舍,和谐共进”大科学精神已成为强磁场中心创新文化的重要组成部分,潜移默化地影响着后续工作的方方面面。往事成追忆,来者犹可追。强磁场人将不忘初心,为中国的强磁场事业继续努力。

高秉钧(左)和匡光力(右)在讨论调试参数

高秉钧在优化一号水冷磁体装配方法

混合磁体调试成功之时

在狭窄的真空低温阀箱内焊接管路

张裕恒(中)在检测新进设备

(责编:王楠、陈 昂)