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稳态强磁场——开启大自然秘密之门的一把钥匙

出品:中国科普博览  作者:左萍 中国科学院强磁场科学中心

  说到“稳态强磁场”,很多人可能会感觉陌生。不过其实可能早就接触过它。例如,磁共振成像(也就是核磁共振成像,一听到“核”是不是很可怕,所以为了减少恐惧,一般就把“核”省略了:MRI)就是稳态强磁场的典型应用之一。在进行MRI扫描检查时,你需要换上病号服,摘掉首饰、手表等金属配饰,戴上耳塞,接着进入一个黑暗、管状的空间,在这里呆上30分钟到1小时。不过在强磁场中心里的稳态强磁场比医院里的磁体磁场强的多了。下面跟随我去看看吧……

  稳态强磁场的用处:是科学家强有力的武器

  “工欲善其事,必先利其器”,强磁场就是科学家的研究利器。提供强磁场的磁体称为强磁体,强磁体提供给科研人员非常规的、极端的强磁场环境,在此极端环境下,物质内部就展开了一个个奇妙的未知故事,科学家就可以探寻大自然隐藏至深的秘密故事了。

  中科院强磁场中心整天忙忙碌碌所谓何?就是建设能产生稳态强磁场的强磁体。这类磁体分水冷磁体、超导磁体和混合磁体三大类。在认识这类磁体之前,首先来回顾一点基本知识。

  不变的道理:电“生”磁

  早在中学学习阶段,老师就告诉了我们电生磁的科学道理,通电的螺线管会产生磁场:

  在每一根通电线周围均有磁场,这种电流的磁效应由汉斯?克里斯蒂安?奥斯特(Hans Christian Oersted)于1819年在一次讲座实验中偶然发现。

  家用通电导线和电器周围的磁场非常弱,例如距离吊扇一米处的磁场只有几毫高斯。为了制作磁场更高的磁体,我们需要进一步升级此方法,那么如上图把一根直导线绕成一个环形导线结果会怎样呢?所有“小”的、独立的磁场相互“联合”起来产生了一个大的多的磁场。再进一步,如果我们把一根导线绕成10匝平行线圈会怎样呢?产生的磁场是单个环形导线的10倍。

  顺便提一下,这种方法绕成的导线线圈称为螺线管,螺线管的磁场强度随导线匝数增加而增强。如果在螺线管中放置一铁芯插件,则可使磁场进一步增强,增大电流也是增强磁场的一种方法。

  实际上,在中科院强磁场科学中心强磁体的设计也是利用电生磁这一基本原理,只不过我们不是使用螺线管那样简单的生磁装置。

  用“水”冷却的磁体:水冷磁体


比特片和水冷磁体线圈

  接着上述,你也可以使用特殊设计的“比特片”来改进这种简单的线圈,比特片抵抗磁场作用于自身的能力和耐热能力更加优越。这种导电片最早由弗朗西斯?比特于1936年研制,20世纪90年代美国国家强磁场实验室改进了最初的比特片设计,创立了佛罗里达比特片。

  现工作于中科院强磁场科学中心的高秉钧研究员是当时参与设计制作的重要人员之一,他在上个世纪90年代在美工作期间通过计算分析创立了水冷磁体比特片设计的新概念。大多大型电磁体的研制都要用到比特片,这就是为什么有时候水冷磁体也叫比特磁体。

  水冷磁体还有个名字叫“有阻磁体”,形成电流的电子在旅程中会撞击原子和其他电子,这些无效能量消耗使我们支出一大笔电费帐单。我们也需要利用大量特殊的水使之流过比特片的小孔来冷却磁体,所以可以看出此类磁体吃大量的电,喝大量的水——这真是非常昂贵的两个嗜好。幸运的是,还有另一种具有很多优点的磁体——超导磁体。

  小知识:

  去离子水:有阻磁体运行过程中产生的热量必须由水带走,这样才能保持磁体材料的特性不受影响。为了防止普通水中的离子导电以及水垢阻塞磁体内的水冷通道,需要使用去离子的水。去离子水也可称为超纯水,泛指电阻达到兆欧以上的水。而我们的水冷磁体要求去离子水的电阻不得低于15兆欧。

  有阻磁体的场强依赖流过它的电流强度,我们的电源为有阻磁体提供最大40000安培的电流强度。所以说电费是强磁场中心一份大账单,一台磁体开机运行1分钟电费就几百元,每年达到上千万元。

  一个美丽的梦:超导磁体

  超导是一种非常有趣的物理现象,在低温条件的帮助下,处于超导态的导体电阻将消失。你可以这样想象:在超导态,超导材料的原子被局限在电子旅途之外,超导电子可以在宽阔舒适的大街上畅通无阻的前行。

  强磁场中心拥有一系列不同磁场强度、不同口径、不同用途的超导磁体,最大磁场强度为20T。有亚太地区首个一体化的9.4T、400mm口径的磁共振成像-动物实验室研究平台,这台磁体的强度比在文章开头提到你去医院做磁共振检查的磁场(~3T)大多了。这个实验室里还养了一批小老鼠、猴子等实验动物呢。


强磁场中心科研人员把实验动物推入 9.4T、400mm口径的磁共振成像系统进行图像数据采集

  超导磁体一旦到达超导状态,除非有人断开电路,电流就永无止境地流啊流,听起来似乎比水冷磁体强大多了,但这就是一个美丽的梦,当你节省了电费的同时,建造超导磁体更加昂贵,而且要持续不断地喂它低温液体(液氦和液氮)以保持其低温条件。它的大部分结构都是为保持低温状态而准备的。

  超导态是非常之奇妙的现象,科学家们刚刚开始探索。医生们把超导磁体用到磁共振成像仪中已有些年头。研究人员们还雄心勃勃地意欲将超导磁体用于研制磁悬浮列车。

  回过来看看,目前超导磁体受材料限制所能产生的磁场强度不超过30T、水冷磁体可提供的最强磁场不超过40T,那么我们就固步不前了吗!当然不是,你需要做的只是一道简单的算术题。

  小知识:广泛应用的超导材料有铌钛、铌三锡,由于铌三锡具有高临界场、高载流能力等优点,它逐渐成为强磁体科学家们追求更高场强的首选。强磁场中心已研制出国内首台铌三锡管内电缆导体超导磁体。

  强磁场科学中心超导磁体的超导低温环境主要由液氦来维持,低温温度为4K。

  为了更高磁场:混合磁体

  不同于我们强磁场中心科研人员正在演算的数学题,这道用于建造更强稳态磁场的方程非常简单,题目是一台可提供场强为11T的超导磁体,一台可提供34T的水冷磁体,两者合一,你得到什么呢?得到一个“杂交”磁体(专业术语为混合磁体),这样组合就产生了国际上最强的可产生45T场强的混合磁体。此台强磁体几乎在所有(包括运行和非运行状态)的时间里,其温度一直需保持在零下269摄氏度温区。如果磁体处于室温,那么至少需要一个多月的时间才能冷却至运行低温状态。

  实验现场:轻松观察数据


配有极低温系统的水冷磁体


科研人员在做实验

  稳态磁体是中空的圆柱体,强磁体就是在此空间提供一个强磁场环境。那么科学家如何把样品放置于其中呢?实验数据又怎么收集呢?别担心,一套设计精密的实验测试系统可以同时解决这两个问题。如图,科研人员从左侧的台阶爬上磁体的上部平台,把待测物质通过实验测试系统放置于磁体内部之后就可以坐下来靠在椅背上观察数据了。

  磁体是如此之大,磁场又如此之强,是因为磁体产生的磁场越强可以得到的数据越丰富。(就像显微镜放大100倍比放大10倍能告诉我们更多一样。)

  更高磁场:为什么是人们孜孜不倦的追求

  因为物质由原子组成,原子核外有电子轨道磁矩、自旋磁矩,核内有核磁矩,而强磁场对于原子核和核外电子有强烈作用,所以,它能够改变核自旋和电子结构,进而改变物质特性!

  强磁场作为一种极端条件在很多领域愈来愈显露出它的重要作用,主要表现在:(1)诱导新物态:强磁场可以有效地调控材料的电子能带结构和电子、原子、分子间的相互作用,从而诱导出新的电荷、自旋、轨道等有序态,使之出现全新的物质状态,从而呈现出丰富的新现象。例如整数和分数量子霍尔效应的发现就是通过强磁场揭示出来的,并分获1985年和1998年的诺贝尔物理奖。再譬如在一些重费米子和低维有机导体中强磁场诱导出的新超导序、电荷密度波序以及关联电子系统中的系列量子相变行为等(超导相变、金属-绝缘体转变、顺磁-铁磁相变以及铁磁-反铁磁相变等);(2)催生新的重大应用技术:例如强磁场作用下的电磁冶金技术、化学反应合成等,特别是目前在化学和生物医学领域广泛应用的结构解析和非侵入性成像——核磁共振技术,已经先后获得过1944、1952、1991、1992和2003年的诺贝尔奖。

  由于强磁场在物理、材料、化学、生物学以及测量新技术等方面的综合应用,强磁场极端条件被国际上称之二十一世纪科学、工程和技术的交叉联合体;又被称之为诺贝尔奖的摇篮。

  强磁场极端条件是通向发现之旅的一种手段。如果你也为之着迷,那么欢迎也来中科院强磁场科学中心开启你的发现之旅吧!