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作者:郑金武 来源: 发布时间:2019/12/6 17:03:31
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中科院电工所成功研制世界最高磁场超导磁体

正在实验室测试的高磁场全超导磁体(位于液氮罐体中)(电工所供图)

正在实验室测试的高磁场全超导磁体(位于液氦罐体中)(电工所供图)

高低温混合超导磁体测试曲线(电工所供图)

高低温混合超导磁体测试曲线(电工所供图)

12月6日,中科院电工所对外发布消息,该所研究员、中科院院士王秋良团队成功研制出了中心磁场高达32.35特斯拉(T)的全超导磁体。该磁体采用了自主研发的高温内插磁体技术,打破了2017年12月由美国国家强磁场实验室创造的32.0特斯拉超导磁体的世界纪录,标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平。
研究团队成员、电工所副研究员刘建华告诉《中国科学报》,研究高磁场全超导磁体,初衷是建设世界一流的极高磁场的超导磁体,满足综合极端条件实验装置等国家重大科技基础设施项目对极端强磁场的需求,为我国在材料、能源、信息等领域破解关键科学问题提供最先进的公共实验装置,为重大创新研究提供持续、重要支撑。
据介绍,低温超导磁体产生的磁场强度上限为23.0T左右。为提高超导磁体的中心磁场强度,获得更高磁场,团队采用高低温混合超导磁体的方式建造磁体,即在低温超导磁体的同轴结构内部插入高温超导磁体,利用高温超导带材抗拉伸强度高、高磁场下载流密度大的优点,从而产生23.0T以上的中心磁场。
目前,高温内插磁体普遍采用稀土钡铜氧(REBCO)带材,但层状结构的REBCO带材存在层间结合力弱、在极高磁场条件下易被巨大的电磁应力拉扯分层的现象,严重制约磁体运行的稳定性。如何在设计理论和关键工艺上实现突破成为解决这一问题的关键。
刘建华介绍,研究团队首先建立完善了高场内插磁体电磁-机械设计理论与方法,并采用多层线圈结构和改进线圈骨架结构的方式实现了关键技术的突破,降低了线圈应力,创造性地解决了高磁场内插超导磁体应力集中的问题,为实现32.35T超导磁体奠定了基础。
据悉,多年来研究团队一直致力于高磁场高温超导内插磁体技术研究,先后研制成功24.0T、25.7T和27.2T全超导磁体,使我国成为世界上第二个能建造27.0T以上稳定运行超导磁体的国家。
此次研究团队设计并建造了全新的超导线圈和支撑结构,提高了线圈的整体工程电流密度和局部安全裕度,并采用轴向弹性支撑结构和绑扎装置,提高了超导接头抵抗局部拉应力集中的能力。通过这些改进措施,使得极高场内插磁体的电磁安全裕度和应力安全裕度都得以大幅提高。
经测试,此次建造的极高磁场超导磁体在液氦浸泡条件下产生了32.35T的中心磁场,并且实现了在32.35T全超导磁体的稳定运行。中国科学院周远院士、美国麻省理工学院Yukikazu Iwasa教授等专家学者共同见证了现场测试试验。
32.35T极高全超导磁场的实现,标志着我国高场内插磁体技术已经达到世界领先水平,其关键技术参数均已满足综合极端条件实验装置国家重大科技基础实施项目对极端强磁场的技术要求。
据悉,高磁场磁体的应用场景主要包括高场物性测量、高场核磁共振技术、高能加速粒子、探测器、散射中子源、磁约束聚变等领域。刘建华表示,团队研发的高磁场超导磁体将主要用于综合极端条件实验装置;此外,高磁场超导磁体还可用于物理、化学、材料、生命科学、特种装备、精密科学仪器等领域。(郑金武)
 
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