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强磁场中心首个水冷磁体装置试验成功:获得最高26.9特斯拉磁场强度
2013-01-18| 作者:孙策 | 【 【打印】【关闭】

2013年1月16日下午四点,中科院强磁场科学中心一片欢呼声:该中心自主研制的第一台水冷磁体在输入10兆瓦的电源功率、2万安培高稳定度电流下,获得了预计的26.93特斯拉的磁场。这标志着“十一五”国家重大科技基础设施——稳态强磁场实验装置项目获得了重大进展,也标志着我国强磁场水冷磁体技术达到世界先进水平。

  自主设计、研制的水冷磁体和电源系统

稳态强磁场实验装置是“十一五”国家重大科学工程,其目标是要建设稳态强磁场极端实验条件,以便满足我国物理、化学、材料、生命科学等多学科前沿探索对于稳态强磁场等极端实验条件的需要,使我国的强磁场水平跻身于世界先进行列。

稳态强磁场实验装置项目包括了四台不同特性参数的水冷磁体和一台混合磁体,它们完全自主设计、研制。这些磁体共用一套高稳定度电源系统、大功率去离子水冷却系统、自动控制和保护系统以及氦低温系统。

本次试验的高功率水冷磁体正是强磁场中心的建设目标之一,值得一提的是,试验所用的电源系统也为强磁场中心自行设计、研制的。

  成功验证了水冷磁体及技术支撑系统

强磁场中心主任匡光力介绍说,水冷磁体的成功运行,有赖于四个要素:水冷磁体的设计及研制、大功率电源的稳定输出、去离子水冷却系统以及中央控制系统的正常运行。

强磁场中心研制的水冷磁体采用新型Bitter线圈设计。其研制及安装要求非常苛刻,涉及多种工艺和步骤,如Bitter片需进行尺寸检验和冷却孔的位形检验、去毛刺、抛光、镀银;线圈组装时要求环境洁静,数百至千片导体和绝缘Bitter片准确到位等等。

为了让磁体正常运行,获得高强度磁场,还需要电源系统持续供电。本次实验时,通电电流达到了2万安培,输出功率达10兆瓦,正是大功率稳定电源系统持续供电的结果。

与公众熟知的超导磁体不同,水冷磁体在通入高功率电流后,会产生巨大热量,如何解决这一问题?科研人员的解决办法是用去离子水穿过磁体,带走热量——即使用与电源功率相匹配的去离子水冷却系统来保障水冷磁体正常运行。

匡光力表示,调试成功达到预设指标,证明水冷磁体设计与研制技术是完全成功的,同时也检验了支撑强磁场磁体运行的技术装备系统的适应性和可靠性。而且水冷磁体的设计思路、制造工艺及关键材料的选择是相同的,只是为满足不同的科学实验需要,各磁体的结构尺寸、用电量大小及产生的磁场不同。因此,本次调试成功,为强磁场中心未来的其他三台水冷磁体提供了经验和保证。

 具有国际先进性

水冷磁体总负责人高秉钧说,中国是世界上除美国、日本、法国、荷兰之外,唯一拥有稳态强磁场水冷磁体装置的国家。

目前水冷磁体所能达到的磁场最高记录是由是美国国家强磁场实验室创造的,他们在用电输功率20兆瓦情况下,稳态水冷磁体产生的最高磁场已达36特斯拉。美国强磁场实验室用电13兆瓦的水冷磁体产生27特斯拉磁场,而法国强磁场实验室用电10兆瓦的水冷磁体产生25特斯拉磁场。

因此,如作性能比较,强磁场中心自主研制的第一台水冷磁体用电10兆瓦能产生26.93特斯拉磁场,具有国际先进性。

强磁场中心首个水冷磁体

科研人员在中央控制室开展调试

水冷磁体放置室内气氛紧张

查看磁场强度数据

获得最高26.9特斯拉磁场强度

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