花儿“香”自苦寒来——强磁场中心一朵金属花的故事

作者: 左萍

来源: 中科院之声

发布日期: 2017-03-24 16:25:59

本文介绍了中科院强磁场科学中心在超导强磁场研究中,如何通过制作特殊的CICC导体,即管内电缆导体,来实现强磁场的产生。这些导体由铜线和超导线材绞制而成,经过复杂的工艺制成线圈,最终组装成超导磁体。文章详细描述了这些过程,以及超导磁体在极低温环境下的工作原理和重要性。

“科学与艺术是同一个世界的不同方面。在攀登科学高峰的路途中,会遇到无数美丽的事物;而人们对科学的执着让它们更加美好。

”图1细节放大图不禁让人想到花,只是这里是朵散发无限魅力的金属花儿,人们对此的迷恋使其不断得到改良发展,使其“盛开”地更加美丽——它就是一代代超导人在追逐更高超导强磁场的路上,为之绞尽脑汁的一种特殊“导线”的截面图,只是这种导线与我们中学时期为了得到磁场,给一根导线通电的普通“导线”不同,专业上称为CICC(Cable-in-conduit conductor)导体(也即管内电缆导体)。

图1就是美国国家强磁场实验室早期制作超导磁体的CICC导体截面,图2是今天中科院强磁场科学中心发展研制的CICC截面图。这些金属花怎么做成的呢?这些金属花是由铜线材和超导线材(中科院强磁场科学中心采用铌三锡线材)绞制而成,最后这一朵朵花被挤挤挨挨地压制在一起并在外层穿上一件铠甲成为一根特制“导线”,中间保留大约30-35%的空隙率。图3从此种CICC截面可以清晰地看出中间的空隙。

接着这些“导线”被绕制成超导线圈,线圈再组装为超导磁体,超导磁体产生强磁场供科研人员开展物理化学材料等等多领域的科学研究。这就是中科院强磁场科学中心超导磁体人的最终目的,为科研人员做一件“嫁衣”,提供一个不同于常规环境的强磁场的科研环境。

中科院强磁场科学中心混合磁体外超导磁体由七个线圈组成,分别由线圈A,B,C和D串联组成。其中D由D1、D2、D3、D4叠加组装为一个整体,AB线圈叠加组装为一个整体。因此最终是AB、C、D三个大线圈套在一起组成整个磁体线圈,全部线圈采用串联连接方式。

超导磁体有着娇小姐脾气,总是有很多的工作条件,即所能容忍的工作环境比较苛刻,如临界磁场、临界电流密度、临界温度等,非具备一定条件不愿意工作。临界温度决定了这些花儿有个“贪凉”的不良爱好,喜欢到什么程度呢,可不仅仅是夏天大家喜欢的冰激凌的冰爽程度,也不是零摄氏度,而是零下几百摄氏度,大约比月球夜晚温度还要冷两倍,比地球记录的最低温度还要冷3.5倍。

中科院强磁场科学中心建设的目前产生10T磁场的超导磁体采用4.5K(零下268.65摄氏度)超临界氦进行冷却。工作时,超临界氦在5巴压力(不到五个大气压)下流过CICC中的空隙,使其达到工作低温环境(这种冷却方式称之为迫流冷却方式),电流通过零电阻的超导股线而产生磁场。一旦失超,电流立即转移到铜材中流通。可以看出线圈中的铜不仅起到机械定型作用,而且更重要的是起到失超保护的作用。

有人不禁要问:为什么只需要5巴这样的压力就能使超临界氦流过导体中狭窄的空隙呢?那是因为超临界氦的粘性很小,几乎可以不受阻力地流过空隙。此台磁体几乎在所有(包括运行和非运行状态)的时间里,温度一直需保持在零下269摄氏度温区。如果磁体处于室温,那么至少需要6周的时间才能冷却至运行低温状态。

花儿“香”自苦寒来,这些金属花只有耐得如此极寒,才能为目前国际上最强稳态磁场贡献一份力量。

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