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强磁场科学中心近况介绍
2013-10-25| 作者: | 【 【打印】【关闭】
为什么要建设稳态强磁场实验装置?国际上强磁场条件下的科学研究成果已获得多项诺贝尔奖,其研究价值巨大;此前我国没有真正用于科学实验的强磁场装置,在强磁场下的科学研究几乎是空白;自然科学前沿发展和技术创新急需强磁场极端实验条件。
自从1820年丹麦物理学家奥斯特发现在通电的导体周围存在着磁场以来,人们开始了对磁场的研究。在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至电磁测量仪表、加速器、热核聚变装置等无不与磁现象有关。甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。
可以说,磁场处处存在,并对现代人类生活产生着影响,也不断吸引着科学家进行探索。强磁场有助于揭示物质的物理、化学、生物等许多现象的本质, 强磁场共振技术已经广泛用于生物、化学、材料、凝聚态物理和生命科学研究,国际上相关研究成果获得了十几项诺贝尔奖;强磁场在冶金、化学合成、高温超导、特殊材料、生物技术、医药等多种新技术研发方面都可能发挥关键作用、孕育新的发明,从而催生和带动相关高技术产业的发展。
一般来说,越高的磁场强度将导致越显著的磁场效应,更强磁场的实验装置在科学研究方面的价值更大。相当于自然界磁场百万倍的稳态强磁场目前只能靠人为产生。为了继续刷新人们对磁场作用的认识、促进科学技术前沿的发展,世界科技先进国家都在为研制更强磁场的装置而努力。
为此,国家发改委于2007年元月正式批准国家重大科技基础设施——“强磁场实验装置”的项目建议书,明确要求建设国际先进的强磁场实验设施,并在项目完成后依托建设单位成立国家强磁场科学中心。国家发改委于2008年初批准了设计方案、下达了任务书,确定稳态强磁场实验装置由中国科学院合肥物质科学研究院(简称合肥研究院)承担建设任务,中国科学技术大学参与共建。2008年5月项目开工建设,计划到2014年完全竣工。为了保证强磁场科学技术的持续发展,中国科学院于2008年5月批准成立中国科学院强磁场科学中心,依托合肥研究院管理。
稳态强磁场实验装置是一系列针对物理、材料、化学和生命科学等研究及多学科交叉研究所需的设施,包括九台稳态强磁场装置和六大类实验测量系统以及极低温和超高压等极端实验条件系统。它将为探索物质科学和生命科学的未知世界、发现其自然规律、实现功能材料和医疗等技术变革提供极限稳态磁场研究手段的大型复杂科学研究设施,是支撑物质科学和生命科学前沿发展、解决相关重大科技问题的实验平台。
 
成绩卓越 世界一流:稳态强磁场实验装置已经或即将创造多项世界记录。
产生尽可能高的磁场是建设稳态强磁场实验装置的根本追求,是对相关电磁技术和磁体材料性能的极限挑战。可以说,研制稳态强磁场磁体装置是一项追求卓越的事业,它本身就是一项极富挑战性的研究计划。目前,美国、德国、法国、荷兰、日本等国家经过数十年的发展,已建成了一系列的强磁场装置,有力地支持了这些科技发达国家的科学研究。
我国的稳态强磁场装置建设得晚,但起点高,紧盯国际最先进水平。目前已建成了磁场强度分别从20万高斯至39万高斯的八台不同用途的稳态强磁场实验装置,包括:五台高功率水冷磁体装置及其配套的实验测量系统;三台超导磁体装置及其配套的实验测量系统。设计最高稳态磁场强度达45万高斯/室温孔径32mm的混合磁体(由水冷磁体和超导磁体组合而成)计划于2014年建成。
在总工程师高秉钧研究员的指导下,强磁场中心培养锻炼了一支敢打硬仗的技术攻关队伍,紧盯国际最高磁体技术指标,设定追求目标。目前由高秉钧总工负责建成的五台水冷磁体装置都是国际最先进的,其中有三台已经或即将创造稳态磁场世界记录:单台水冷磁体在10兆瓦功率下获得了创世界纪录的稳态磁场强度(27.5万高斯);磁体孔径分别为32mm、50mm、200mm的三台水冷磁体装置都将创造世界最高稳态磁场纪录。
 
自主创新 独具特色:独立自主研制的磁体及相关实验、测量系统
需要强调的是,稳态强磁场实验装置主要装备(如水冷磁体和混合磁体等)全部是由我们独立自主研制的。在研制磁体的过程中,我们还自主创新、研发了相配套的供电系统、外围的测量系统等等。
为了保证磁体达到强磁场的运行要求,需要功率达到二千八百万瓦的高稳定度直流供电,而研制如此巨大功率的稳态直流电源,此前国内没有经验,也没有厂家拥有生产相关设备的经验。电源组的科研团队接受挑战,精心设计,并与国内专业公司的技术专家联合攻关,克服了许多技术难题,终于获得成功。
我们还在国际上率先研制成功了工作于强磁场条件下的由扫描隧道显微镜、原子力显微镜和磁力显微镜结合的组合显微镜系统,该系统能够针对样品特定位置同时观察原子核外电子组态、原子分布以及磁畴随着磁场的变化;建成了亚太唯一、国际先进的9.4万高斯/孔径400mm大型动物磁共振成像实验系统,并建成了配套的高洁净动物实验设施。
在强磁场装置研制的过程中我们还发展了关键技术能力,如建成了国内迄今唯一的大型铌锡超导磁体热处理系统;建成了微纳样品加工与表征平台等等。
在强磁场大口径超导磁体、大功率高纯冷却水系统、多种负载的大型液氦低温系统、强磁场装置的控制与保护系统等多个系统的研制过程中都体现了强磁场技术团队自主创新、攻坚克难的勇气和扎实本领。
 
平台共享:全国的优秀科学家和国际上相关科研人员都是潜在用户,稳态强磁场装置向他们开放共享。已有数百名外来专家利用稳态强磁场装置开展了研究工作,取得了一批重要的科研成果。
稳态强磁场实验装置是为多学科领域的科学研究提供支撑的国家重大科技基础设施,由政府投资建设并支持其运行。全国的优秀科学家和国际上相关科研专家都是它的潜在用户,只要他们提出明确的需求和建议并通过用户委员会的专家评审,都能免费利用稳态强磁场装置开展他们的研究。
为了满足用户的需求,稳态强磁场实验装置除了研制了数个先进的磁体装置外,根据强磁场下多学科研究的实际需要,还建成了多个先进的实验测量系统,如生物核磁共振谱仪、固体核磁共振谱仪、高分辨率生物质谱仪、电子顺磁共振谱仪、物理特性测量仪、变温X射线衍射仪、拉曼光谱仪、药物高通量筛选系统等等。
自2010年稳态强磁场实验装置的部分设备和仪器陆续建成并投入试运行以来,已经有数百名外来专家利用强磁场装置开展了研究工作,取得了一批重要的科研成果。迄今外来用户主要来自研究性大学(如:清华大学、北京大学、中国科技大学、中国人民大学、浙江大学、南京大学、复旦大学、上海交大、华中科大、哈工大、吉林大学、厦门大学、暨南大学、南航大、美国纽约州立大学、美国肯塔基大学等)和中科院的研究所(如:上海生科院、上海有机所、物理所、固体物理所、半导体所、生物物理所、等离子体所、技术生物所、青岛生物能源所、遗传所、上海硅酸盐所、广州生物医药所等)、以及高技术公司(如:西部超导公司、上海维亚生物公司、国家海洋局等)。
 
杰出人才 成果斐然:吸引和培养了一支在稳态强磁场条件下开展多学科前沿探索的精干团队。
建设国际一流的稳态强磁场实验装置是光荣而艰巨的使命,用好该设施、并在促进我国多学科前沿发展中充分发挥其应有的作用更是我们所追求的目标。因此,建设一支稳态强磁场条件下开展多学科前沿探索的精干团队十分必要。早在强磁场项目申请过程中,首席科学家张裕恒院士就在构思如何利用强磁场装置支持我国物理、材料、化学、生命科学等学科的前沿发展,并为此谋划建设一系列独特的实验系统,有力地引导了科研方向。
目前在强磁场科学中心固定岗位上工作的有32名研究员,其中有一名中科院院士、两名国家“千人”、15名中科院“百人”,研究员中的绝大多数都有在国外大学或学术机构留学或研究的经历。
由于强磁场装置需要多方面的技术、且适合于多学科研究的需要,这支团队的骨干们分别主攻不同的学科方向:
田明亮博士本是张裕恒院士的爱徒,在国外已经工作多年,成为凝聚态物理的知名学者,在张老师的召唤下毅然回国,来到强磁场中心开展强磁场下的拓扑绝缘纳米线的物性研究,短短一年多时间,已经接连在著名的《自然》(Nature)杂志集团刊物上发表了两篇论文。
在美国重点大学留学和工作了13年的陆轻铀博士致力于材料表面的显微研究,他在强磁场中心发明的能在强磁场下工作的组合显微镜系统,成为国际首创的强磁场下材料研究的锐利武器。
强磁场装置中包含的核磁共振、电子顺磁共振和磁共振成像等实验系统都是生命科学研究最先进的技术手段,将它们有机地组合利用,可以形成从生物分子、细胞、器官、小模式动物、直至更为接近人的大型模式动物的生命科学研究链条。接通这个链条,率先做出引领性的研究意义重大。三年前王俊峰博士偶然了解到这个计划,立即决定从哈佛大学医学院来强磁场科学中心工作。作为磁共振生命科学部主任,他不仅负责了有关实验系统的建设,还直接利用这些设备开展科学研究获得重大成果,去年他的课题组和其他专家合作获得的成果在国际顶级期刊Nature杂志上发表,产生了很大的国际影响。
为了建设国际先进的中国大型动物科学研究平台,多年在欧美留学和研究的磁共振动物成像研究知名专家钟凯博士,放弃在德国先进实验室的工作,毅然回国加盟强磁场科学中心,负责大口径磁共振成像(MRI)动物实验室建设。为了更好地发挥该平台的影响力,钟凯博士和他原先的德国同事共同组建了高场磁共振研究中德国际合作团队,有十几位德国相关专家参加。
生命科学和医药紧密相关,后者更直接关系人类健康。利用强磁场装置开展药学研究潜在的机遇很大,但国外同类机构做得不多,研制新药更是长期艰辛的科技攻关。在王俊峰的积极推荐下,三十刚出头的刘青松博士放弃其它专业机构的邀请,一年前从哈佛大学医学院癌症研究所来到强磁场中心,组建一支极富进取精神的攻关团队,获得了国家千人计划的支持。他的团队充分利用强磁场条件,很快做出重要成绩,在前列腺癌抑制剂研究中获得了新突破。
上述几位是强磁场科学中心优秀团队的代表,事实上,每位团队成员都有动人的故事,难以历数。
 
一流实验设施加上一流的人才,在国家及有关各方面的积极支持下,应该能够取得一流的丰硕研究成果。过去两三年在部分建成的装置试运行阶段已经有了骄人的表现,获得了许多高水平科研成果。随着先进的稳态强磁场实验装置的完全竣工和投入有效使用,相关的多学科研究完全可能不断地出现科学突破,对于我国物质科学和生命科学的发展乃至于新技术的发明将不断发挥其应有的积极作用。

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