《脉冲强磁场国家重大科技基础设施》

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项目属于重大工程领域,是国家“十一五”立项建设的重大科技基础设施。

强磁场是开展物理、材料、化学等领域前沿基础研究不可替代的手段,是探索物质微观世界的钥匙。近三十年来,与磁场有关的诺贝尔奖达到10项。科学研究的发展亟需性能优异的脉冲强磁场装置,而超高磁场的产生及物理量精密测量面临三个主要矛盾:磁体内部巨大磁应力(4000MPa)与导体材料性能极限(1200MPa)之间的矛盾;电源系统高功率(10000MW)非线性时变特性与输出电流精确调控(精度优于0.01%)之间的矛盾;强干扰(磁场变化率20000T/s)环境与微弱本征信号(μV-mV)精确测量的矛盾,解决上述矛盾是极具挑战性的世界难题。欧美发达国家经过半个多世纪的发展,仅有美国和德国建成90T以上脉冲强磁场装置。

2007年1月,国家批复在华中科技大学建设脉冲强磁场国家重大科技基础设施。项目组通过自主创新,克服国外技术封锁和材料禁运的困难,在高参数磁体技术、脉冲磁场波形调控技术、极端条件下精密测量技术等方面取得系统性创新和重大突破:

1、高参数磁体技术。建立脉冲磁体瞬态电磁过程分析方法,揭示了纤维材料力学各向异性对磁体应力分布影响的机理,提出非连续分层加固磁体结构及新型脉冲磁体快速冷却方案,开发了国际通用脉冲磁体设计软件及研制平台。研制出50-90.6T系列脉冲磁体,创造了75T纯铜导线磁体的磁场强度世界纪录;获得迄今最高单位能量的磁场强度,最高场强达到90.6T,亚洲第一,世界第三。

2、脉冲磁场波形调控技术。首次提出基于耦合补偿原理的脉冲强磁场电路拓扑,解决了长期困扰国际同行的多级线圈磁体系统中合成磁场峰值跌落难题;提出双电容型电源耦合供电和无源旁路调控蓄电池型电源供电的平顶磁场技术,分别实现52T/8ms无纹波平顶磁场和25T/100ms/200ppm高稳定度平顶磁场,开辟了高参数平顶磁场技术新方向;研制的脉冲电源和控制系统分别达到国际同类装置先进水平和领先水平。

3、极端条件下精密测量技术。提出降低机械振动噪声和复杂电磁环境下微弱信号测量的技术方案,开发基于感应法原理的高灵敏度测量和磁场标定系统,在国际上首次研制出脉冲场下基于GM制冷机的无液氦源低温系统,建成了电输运、磁特性、磁光特性、电子自旋共振等8个科学实验测试系统,测量精度达到国际同类装置最好水平,其中脉冲场下电阻的测量精度达到了世界领先水平。

2014年,装置建设完成。国家验收意见认为项目“使中国掌握了脉冲强磁场装置的核心技术,实现了技术的跨越式发展,该装置总体性能达到国际先进水平,部分指标实现了国际领先,成为国际上最好的脉冲强磁场装置之一”;国际评估意见认为“该脉冲强磁场设施已经跻身于世界上最好的脉冲强磁场实验装置之列。在电源设计和磁体技术方面取得的成就已经位列世界顶级。得益于技术上的创新,工程上取得的成就已经超越了国际同类水平”。

项目发明专利授权43项,软件著作权4项。截至2018年3月底,装置累计开放运行30722小时,已为北京大学、中科院物理所、美国斯坦福大学、英国剑桥大学、德国德累斯顿强磁场实验室等国内外62家单位开展科学研究754项,在Nature Physics、PRL、JACS等高水平杂志发表论文553篇,相关研究成果为国家自然科学一等奖(1项)提供重要支撑。

脉冲强磁场实验装置落户湖北,填补了该省重大科技基础设施的空白,为湖北省实现创新驱动发展、从科教大省到科教强省提供有力支撑。

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