强磁场实验装置(稳态)
作者
邱宁(中国科学院合肥物质科学研究院)
邵淑芳(中国科学院基础科学局)
彭子龙(中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)
邵淑芳(中国科学院基础科学局)
彭子龙(中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心)
中文关键词
大科学工程;中国;强磁场;实验装置
中文摘要
1强磁场的科学意义磁现象是物质的基本现象之一。科学研究早已证实,当物质处在磁场中,其内部结构可能发生改变,磁场因而一直是实验物理等诸多学科的一种非常有用的工具。物质结构和状态在强磁场环境下都可能发生变化,
1 强磁场的科学意义
磁现象是物质的基本现象之一。科学研究早已证实,当物质处在磁场中,其内部结构可能发生改变,磁场因而一直是实验物理等诸多学科的一种非常有用的工具。物质结构和状态在强磁场环境下都可能发生变化,呈现出多样的物理、化学现象和效应。强磁场与极低温、超高压一样,被列为现代科学实验最重要的极端条件之一,为物理、化学、材料和生物等学科研究提供了新途径,对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用。强磁场下的核磁共振又是生命科学、医学、脑科学研究的必要工具。例如,在与农业、人类健康密切相关的生物大分子研究中,相当多的样品其生物反应发生在液体状态,核磁共振是其最佳的研究手段。
强磁场科学研究涉及的学科十分广泛,具有众多原始创新的机遇,对科学和技术的发展具有非常重要的意义。
数十年来,世界各国学者在此领域的科学研究一直非常活跃,取得了大批原创性重大成果,并推动了相关新兴高技术产业的发展。自1913年以来,19项与强磁场有关的成果获得了诺贝尔奖,仅近20年就有8项,如量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、磁共振成像等。发达国家竞相将其作为重大科技基础设施建设的重点。我国若要在生命科学、医学、功能材料和器件研究方面赶上世界先进水平,迫切需要尽快建立世界水平的强磁场装置。
2 装置简介
强磁场可分为稳态强磁场和脉冲强磁场两大类,其对应的发生装置又分为稳态强磁场装置(SHMFF)和脉冲强磁场装置(PHMFF)。
国际上将20世纪的上半叶作为强磁场发展的初期。1960年美国在麻省理工学院建立了世界上第一个高场磁体实验室,作为强磁场发展的第一台阶;上世纪末美国和日本建立新的更高场的强磁场实验室、法国的格勒诺布尔强磁场实验室和荷兰奈密根强磁场实验室的电源功率的升级改造作为强磁场发展的第二台阶。
我国早在1964 年就计划在陕西汉中建立强磁场实验室,后因故未能实施。1992 年,中科院等离子体所建成了20 T稳态强磁场实验装置,使我国成为当时世界上为数不多的拥有20T稳态强磁场装置的国家。但之后未能抓住机遇进一步发展强磁场技术和实验条件,使得我们与国际先进水平差距越来越大。
2007年1月25日,国家发改委正式批复由中科院和教育部联合申报的国家重大科技基础设施——强磁场实验装置(HMFF)建设项目,同意将此项目列入国家高技术产业发展项目计划。HMFF建设周期为5年,目标是建成具有国际先进水平、可为众多学科领域的科学研究提供强磁场极端实验环境和实验手段的大型综合科学实验装置,届时,我国将与美、法、荷、日并列成为世界5大稳态强磁场科学中心之一,对于提升我国相关前沿学科的基础研究水平、带动相关新兴高技术产业的发展具有重要意义。
目前,国际稳态强磁场的发展趋势是:
(1)更高的磁场。美国目前正努力将水冷磁体的磁场由33T/32mm、28T/50mm提高到35T/32mm、32T/50mm,并计划将混合磁体的磁场由45T提高到48T。
(2)更高场的NMR技术。美国和日本目前正努力将超导的NMR磁场由21.1T/900MHz提高到25T/1.066GHz,美国还在努力将水冷的NMR磁场由25T/1.066GHz提高到27.5T/1.17GHz,并计划建造35T/1.49GHz的NMR。
(3)更大口径的磁体。法国正在建设14.8T/400mm混合磁体和23.5T/160mm/
1GHz的NMR。
(4)系列的磁体。目前世界4大稳态强磁场实验室都有系列磁体装置,其中有最高场强的标志性磁体,也有满足其它不同实验特别需要的不同场强或不同孔径的磁体系列。表1列出了目前国际上主要稳态强磁场实验室的最高技术参数。
我国正在建设的HMFF项目,包括SHMFF和PHMFF两部分,其中SHMFF建在合肥科学岛,由中科院合肥物质科学研究院承建、中国科学技术大学参与共建;PHMFF建在武汉,由华中科技大学承建,北京大学、南京大学、复旦大学和东北大学协作建设。
SHMFF的总体目标是:建成指标参数、装置规模及综合实验技术水平国际先进的稳态强磁场重大科学基础设施,为科学研究提供理想的稳态强磁场极端实验条件,最大程度地满足我国多学科前沿发展对于强磁场实验条件的需求。
SHMFF建设的4大内容,如图1。
(1)具有不同实验功能的20—40T多个稳态强磁场实验装置,包括:①不同室温孔径和磁场强度的高功率水冷磁体实验装置4台(26T/32mm/10MW、33T/32mm/20MW、
25T/50mm/20MW、20T/200mm/20MW);②40T级混合磁体实验装置1台,由内水冷磁体与外超导磁体组成。内水冷磁体2个(29T/32mm、26T/50mm),与外超导磁体(中心磁场贡献11T、室温孔径大于500 mm)组合产生最高稳态磁场(40T/32mm、37T/50mm);③用于材料加工与制备、磁共振与磁成像和SMA组合显微镜的超导磁体装置4台(8—10T/100mm、18.8T/54mm、9.4T/310mm、18—20T/54mm)。
(2)运行上述稳态强磁场实验装置所需的4大技术装备系统:①高稳定度电源系统;②去离子水冷却系统;③氦低温系统;④中央控制系统。
(3)建设满足多功能科学实验需求的实验测试系统:①包括输运测量、磁化测量、磁光测量、超导电性测量、磁场与极低温组合和磁场与超高压组合条件下的测量及SMA组合显微镜等实验测试系统;②磁共振特性与磁共振成像的实验测试系统。
(4)基建与公共工程。
3 我国拟开展的主要研究工作及其强
磁场需求概况
伴随着强磁场技术的发展,其在各个领域中也发挥着越来越重要的作用。我国科学家在强磁场下拟开展的主要研究工作集中在物理、化学、生命科学、材料科学和核磁共振技术等领域,拟开展的研究课题及对磁场的需求见表2。
4 发展与展望
根据国家重大战略需求和国际科学前沿发展的需求,争取早日建设完成强磁场实验装置并逐步完善,提升装置性能,逐步满足我国物理、化学、生物学等多学科发展的要求,促进学科发展和自主创新能力的提高,扩大和完善向国内外开放、资源共享的运行体制和公平竞争,积极开展国内外合作交流,吸引和引进国内外优秀人才,培训青年人才,使他们迅速成为强磁场装置建设和运行的骨干力量。
