华中科技大学脉冲强磁场实验室
华中科技大学脉冲强磁场实验室位于华中科技大学东校区,是中国十一五期间计划建设的十二项国家重大科技基础设施之一,也是教育部所属高校承建的第一个国家重大科技基础设施项目。
申请批准在中国和比利时政府间科技合作协议框架下,“超强脉冲磁场开发研究”项目于2002年和2007年两度得到了双方政府的资助,该项目由华中科技大学与比利时鲁汶大学联合执行。以实施该项目为基础,华中科技大学建立了脉冲强磁场实验室。比利时鲁汶大学每年派专家来华工作,指导实验室建设,并接收华中科技大学选派的研究人员前往欧洲强磁场实验室学习,双方开展了大量的合作研究工作。
华中科技大学与鲁汶大学共同合作开发了脉冲磁体设计软件PMDS2.0,被欧洲“DeNUF”项目采纳为磁体设计工具。
2003年至2004年,华中科技大学脉冲强磁场实验室成为教育部重点实验室,研制出国内最高磁场强度的脉冲强磁场装置。之后,华中科技大学又以脉冲强磁场教育部重点实验室的建设为基础,在中比政府间科技合作的支持下,申报了脉冲强磁场国家重大科技基础设施,并获得了批准。
华中科技大学的脉冲强磁场实验室在建设之初,就瞄准世界先进水平,以国际科技合作为支撑,旨在建设高水平的脉冲强磁场装置。经过短短5年的时间,科研水平实现了跨越式发展,磁场强度提高了一倍,为建设世界一流脉冲强磁场装置奠定了坚实基础。同时,学校与世界主要的脉冲强磁场实验室建立了紧密的合作关系,得到世界脉冲强磁场学界的认可。在未来5年内,华中科技大学有望建设世界一流的脉冲强磁场实验室,研制出80特斯拉以上脉冲磁体,冲击世界脉冲磁场强度记录,使中国在脉冲强磁场领域达到世界先进水平[4]。
建造国家发改委于2007年初正式批准华中科技大学与中科院合肥物质科学研究院联合承担强磁场实验装置建设任务。该项目计划投资1.335亿元,首期投资1.2亿元,建设期五年。其建设内容为:建设11个50-80T短脉冲磁体、长脉冲磁体和长短合成脉冲磁体;建设12MJ电容储能型和100MVA/100MJ的脉冲发电机型两类脉冲电源;建设电输运、磁特性、磁光特性、压力效应、极低温等7套科学实验测试系统以及相应的配套设施[3]。
实验室在“985工程”和“211工程”的大力支持下,现拥有了一批具有国际先进水平的仪器设备,其中包括:由美国德克萨斯大学赠送的100MVA/100MJ脉冲发电机组,该设备的参数非常适合用作脉冲强磁场电源系统,能够提供与美国Los Alamos脉冲强磁场国家实验室相似的电源条件;与比利时鲁汶大学联合开发的脉冲磁体分析与设计软件;自主研制的70T/16mm/30ms脉冲磁体、1MJ/25kV/30kA脉冲电容器电源系统、电输运科学实验测试系统、磁特性科学实验测试系统和脉冲强磁场测量与控制系统等;建有具有完备防护功能的两个科学实验测试间和两套双杜瓦低温系统,最低温度分别可达4.2K和1.8K。
华中科大脉冲强磁场实验装置于2008年4月开工建设,该实验室完全由自主研发,预计4年后建成,对科学家免费开放。届时,将和美、德、法三国同类实验室一并成为世界四大脉冲强磁场实验室。
“脉冲强磁场之父”弗里茨·亨纳2009年3月31日,脉冲强磁实验装置样机系统的首次公开演示。
2009年4月10日,中国最大脉冲强磁场实验装置的样机系统组装、调试完成。
研究领域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,磁场因而一直是研究物理等诸多学科的一种非常有用的工具。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。它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和脉冲强磁场装置。
由于在极端磁场条件下,物质的结构会发生改变,利用这一技术,能为物理、材料、化学、生命与医学等领域的科研提供平台,比如医学上运用的核磁共振成像技术[2]。
脉冲强磁场重点实验室涉及的研究领域包括物理、材料、化学、力学、生物、医学等学科,是一个理工交叉的科学研究平台。目前已开展了现今国内最高脉冲场强下的超导材料、磁电阻材料和稀磁半导体性能等方面的研究(截至2009年4月)。
开展的主要研究方向:
半导体(半导体及自旋电子学研究、半导体低维结构的研究、半导体材料磁光研究、半导体材料输运研究等);
超导体(高温超导机理研究及新超导体探索研究);
巨磁电阻;
磁性材料;
纳米和低维材料(输运研究、纳米结构中的量子调控研究、低维分子磁体性能研究);
原子、分子磁光光谱研究;
化学(控制化学反应方向等)。
系统结构该样机系统包含1MJ/25kV脉冲电容器型电源、远程控制系统、4个短脉冲磁体、2个科学实验站和2套低温系统。经测试,100万焦耳的脉冲电源使磁体放电,25毫秒的瞬间,装置产生50万高斯的磁场强度,相当于地球磁场强度的100万倍。样机系统达到各项设计指标,测试精度超过世界领先的比利时鲁汶大学同类型实验室。
地位与意义脉冲强磁场实验装置是中国“十一五”期间计划建设的国家重大科技基础设施之一,也是教育部所属高校承建的第一个国家重大科技基础设施项目,将建成为世界四大脉冲强磁场科学中心之一。[1]
脉冲强磁场实验装置的建设,不仅对提升国家科学研究的自主创新能力和整体水平有着重大意义,还可与区域优势资源相结合,带动湖北特别是武汉光谷的光电器件、纳米级半导体器件与大型电磁装置等技术的发展,促进生命科学、医学、光电子信息及材料等领域的应用研究,促进相关学科领域人才的聚集,在光谷腹地形成一个人才高地,从而更好地服务于地方建设与发展。