“万磁王”的进化历程

作者: 左萍

来源: 中国科学院之声

发布日期: 2017-11-20 16:47:35

本文梳理了稳态强磁场技术的发展历程,分为四个阶段,从1960年前的5T磁场到2017年后的75T目标,详细介绍了各阶段的技术进步和创新,包括Bitter磁体技术、径向冷却线圈、多螺旋磁体结构等。

上个世纪初,人们发现在磁场作用下,物质内部能上演出不同寻常的新故事,而且磁场越强,故事越丰富多彩。于是,人们想方设法制作出更强的磁场,好像谁拥有最强的磁场,谁就掌握了领域内研究的先机。本文就梳理稳态强磁场发展的几个阶段,这里产生强磁场的磁体只涉及水冷磁体或水冷磁体叠加超导磁体组合而成的混合磁体,因为目前这两种磁体远比最强的超导磁体所产生的磁场要强得多。

磁体技术的发展可分为四个时期:第一阶段(1960年前)、第二阶段(1960-1990年)、第三阶段(1990-2017年)、第四未来阶段(2017年-本世纪末)。

第一阶段:1960年前,人们用巨型螺线管产生的磁场强度有5T;1936年,美国麻省理工学院的Francis Bitter教授用数学分析的方法和一系列的实验,研制出以其名字命名的Bitter线圈,创立了产生稳态强磁场的Bitter磁体技术基础。

第二阶段:1960-1990年,自60年代开始,为发展强磁场技术,1960年美国在麻省理工学院建成了世界上第一个国家高场磁体实验室(Francis Bitter National Magnet Laboratory, FBNML),并把Bitter磁体的磁场提高至20T。后来,德国、法国、日本等国家相继成立强磁场实验室,强磁场下的科学研究获得广泛开展。

第三阶段:1990-2017年,为进一步减小磁体的冷却线圈应力,上世纪90年代,美国国家强磁场实验室的高秉钧、Schneider-Muntau等人设计了一种新型Bitter磁体片,优化了磁体片冷却孔的形状和位置,极大地减小了应力,增大了冷却面积。这种改进的Bitter片被称作“Florida-Bitter”,已被美国国家强磁场实验室等广泛应用。

第四未来阶段:2017年-本世纪末,上个世纪,稳态磁场强度从5T升至45T,根据混合磁体研制情况,高秉钧总结出经验公式:Bh=Bin+Bout Bin=Bw-Bout/2。根据此公式,高秉钧推断本世纪稳态场强的发展可能会分为50T、60T和75T三个阶梯。

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