2018年12月初，武漢國家脈衝(chong) 強磁場科學中心，一次次電磁風暴的襲擊，讓物質被迫吐露不為(wei) 人知的秘密。最先進的電源、磁體(ti) 和控製係統，打造了這一世界頂尖水平的強磁場裝置。

　　“磁場與(yu) 電流成正比，而磁體(ti) 承受的力和熱，與(yu) 磁場的平方成正比。所以越往上走越難。就好像百米跑從(cong) 9.9秒提高到9.8秒那樣難。”國家脈衝(chong) 強磁場科學中心主任李亮說。

　　“美國從(cong) 70T（特斯拉）到90T走了20年，德國用了15年，中國則是4年。”李亮說。

　　線圈使用壽命超出國際同行近1倍

　　1820年，丹麥人奧斯特無意間發現，導線通電，附近的小磁針會(hui) 跳動。從(cong) 此，人們(men) 一直在用通電線圈來製造磁場。瞬間強電流產(chan) 生的幾毫秒時間的強磁場，叫做脈衝(chong) 強磁場，它比穩態磁場更高。

　　國家脈衝(chong) 強磁場科學中心的研究人員告訴我們(men) ：他們(men) 用小指頭粗細的導線，繞成線圈，接上2.5萬(wan) 伏特的電壓，流過4萬(wan) 安培的瞬間電流，就可以產(chan) 生幾十T的脈衝(chong) 磁場。

　　但通電線圈會(hui) 被磁體(ti) 內(nei) 部應力拉長和壓扁。李亮說，他們(men) 的線圈承受的應力，是“蛟龍”號在7000米海底麵臨(lin) 壓強的50倍。而且磁體(ti) 在放電過程中會(hui) 產(chan) 生巨大熱量，線圈泡於(yu) 液氮以降溫；通電瞬間零下200攝氏度的液氮砰地蒸發掉。

　　幾個(ge) 毫秒內(nei) 通入磁體(ti) 的能量如10公斤TNT的能量，線圈經常被炸碎。俄羅斯和日本科學家先後用極端辦法製造過上千T的磁場，那也是目前人類取得的最強磁場。但必須犧牲線圈，是一次性的，磁體(ti) 線圈無法重複利用。

　　美國國家強磁場實驗室創紀錄的線圈用的是銅铌合金，最結實——100T磁場紀錄的最大功臣。中國團隊則使用國內(nei) 自主研發的銅铌合金，強度僅(jin) 為(wei) 前者2/3。

　　中國人另辟蹊徑，從(cong) 理論分析挖掘潛力，通過精確計算，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果，就像鐵環箍住炮筒。它比凱夫拉還結實，是世界上最強韌的纖維。纖維浸泡環氧樹脂，也充當線圈的絕緣層。

　　彭濤教授專(zhuan) 職繞線。“如果浸泡樹脂不夠充分，反光是不同的。”彭濤說，從(cong) 線圈的紋路和顏色，老手能看出瑕疵。瑕疵讓線圈更早崩潰。

　　美國磁體(ti) 線圈直徑一米，比中國的大很多，應力更低，不易壞，但美國線圈平均通電500次就會(hui) 壞掉；彭濤做的線圈可使用800次。

　　中國電源便宜又強大

　　李亮曾在歐洲和美國工作多年，1992年以來世界上最強的磁體(ti) 大多有他參與(yu) 設計。

　　“我們(men) 是彎道超車。”李亮說，“我們(men) 從(cong) 無到有，總結各家的經驗，所以設計的整體(ti) 性、係統性更強。”

　　美國國家強磁場實驗室發電機電源，兩(liang) 層樓高，巨大的飛輪儲(chu) 能，瞬間放電——本是核聚變實驗用的，100T紀錄的第二大功臣。

　　中國電源則分3部分：發電機電源（功率不到美國的1/10）；20幾個(ge) 電容儲(chu) 能型電源模塊；鉛酸蓄電池組。通過結構優(you) 化，僅(jin) 使用幾個(ge) 電容儲(chu) 能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場脈衝(chong) 峰值。美國實現100T需115兆焦耳能量，中國實現90T隻用10兆焦。

　　專(zhuan) 攻電源的丁洪發教授說：“幾十個(ge) 模塊的開關(guan) 時間差要限製在微秒級。元器件也要篩選，讓電路的延遲一致。”

　　2008年開工建設，大部分設備自研自造，國產(chan) 化率85%。“人家是外包給專(zhuan) 業(ye) 公司，我們(men) 是自己動手。”李亮說。

　　每組電容儲(chu) 能型電源100萬(wan) 元。整個(ge) 電源係統投入僅(jin) 是美國人的一個(ge) 零頭。液氦回收係統隻有國外同類設備1/4的價(jia) 格，回收的氦氣每年可節約500萬(wan) —600萬(wan) 元實驗消耗。

　　脈衝(chong) 平頂磁場十分重要，但美國人做平頂脈衝(chong) 磁場，一年隻能使用50—60次。中國人改進了電源和控製係統，則像開微波爐一樣簡單。

　　“國際專(zhuan) 家說我們(men) 花了1.2億(yi) 元，幹了1.2億(yi) 美元的活兒(er) 。”李亮說。

　　測量需要極端精細

　　2013年10月，在全世界專(zhuan) 家的見證下，中國裝置首秀成功。國際權威報告說：中國的磁體(ti) 和電源技術世界頂級；控製係統國際領先。

　　雖然最高磁場紀錄不及美國，但中國裝置優(you) 勢明顯——一套中央控製係統實現3類電源和8個(ge) 實驗站的靈活組合。這是中國磁場的一個(ge) 殺手鐧，更有利實驗。控製係統負責人韓小濤教授說：“別人都是一個(ge) 磁體(ti) 發一種波形。我們(men) 的可以一個(ge) 磁體(ti) 產(chan) 生多種波形。”

　　美國在2013年實現了100.75T，德國實現94T，中國也以90.6T成為(wei) 90T俱樂(le) 部的一員。而目前有望刷新紀錄的隻有美、中。

　　強磁場將考問出新的物質特性，催生下一代電子材料和芯片。朱增偉(wei) 教授說：“半金屬比如鉍和銻，適合放在強磁場下研究極端情況。”

　　2018年11月，北京大學發現“對數量子震蕩”，實驗就在武漢做。在58T磁場下清晰觀測到5個(ge) 振蕩，才得以發現對數規律。

　　強磁場的“風暴眼”隻有20毫米長，在杏仁大小的空間裏布置所有的樣品和感應器，跟微雕差不多。

　　“渦流、熱效應、震動、電磁幹擾……測量永遠伴隨噪音。”左華坤工程師說。

　　想一次測出高質量信號難，因為(wei) 幹擾因素太多。樣品杆浸泡在液氦裏，還跟外麵隔著一層真空，但線圈一瞬間的高溫，仍然會(hui) 造成樣品零點零幾度的熱擾動。傳(chuan) 感器的線路在脈衝(chong) 磁場的作用下，也可能震動幾個(ge) 微米產(chan) 生噪聲。

　　還有很多不可測因素，比如地線“零”電壓的不穩定，濕度差異，都可能造成測量結果不同。

　　“如果不這樣難測，那些物理難題也就不會(hui) 遺留到現在了。”左華坤說，論電磁測量精度武漢國家脈衝(chong) 強磁場科學中心已不弱於(yu) 任何同行。

　　“中心建成後，不僅(jin) 國內(nei) 科學家基本不再去國外做實驗了，還吸引了劍橋、斯坦福等眾(zhong) 多國外用戶。”李亮說。