互动科普

建设创世界纪录的磁铁

Greg Boebinger，Al Passneyt，Joze Bevk

储积了相当于一根黄色炸药的能量的大功率电磁铁在全球的竞争，推动着我们对材料科学和物理学的认识。

1992年12月3日相当平常地开始了。几个月来，我们一直在研究强磁场怎样使超导性（在某些材料中完全无电阻）失效。11个月前设计和建造的我们的高强度电磁铁已产生了成千上万的磁场脉冲。每个磁场脉冲都形成比地球的磁场脉冲强一百万倍的磁场，而且集聚了爆发的能量，它与一根黄色炸药在拳头大体积内爆炸的能量不相上下。

我们的习惯是将电磁铁浸入液氮中以减少线圈的电阻。这种早期高温超导体之一的试验样品被固定在磁铁中心。我们关闭并锁住通向封人磁铁、它的能量供应源和所有收集数据设备的钢仓的门。一个准备和充电程序，使电源的电压达到7600伏，我们中的一人按“点火”按钮开关，程序骤然终止。

一种射击似的声音和爆出仓孔的超冷氮的冰流是磁铁突然失效的可靠信号。

一当我们恢复镇静，我们就进入钢仓以检查故障。考虑到所有的情况，觉得事情很槽糕。1988年，我们在测试我们的有电源的第一个脉冲磁铁设计和一位比利时同事很友好地使其可用的实验室时，结果以钢块猛掷到屋子各处的磁铁事故来报答了我们主人的好客。这时，磁铁周围的钢壳仍完好无损，虽然该磁场产生的机械力已折断了将磁铁固定在适当位置的八枚螺栓。然后，这些力将稍大于一加仑油漆罐体积的、60磅重的磁铁抬起和碰撞，破坏了附近的一些设备和弄弯了半英寸厚的铝地板。我们未曾找到我们正在研究的样品。

为什么我们和我们在全世界二十多个实验室的同事要自寻麻烦呢？制作强电磁铁的竞赛是一种有意义的挑战。它以同样的方式促进了新型材料、导体和绝缘体的开发，这又扩大了强度、延展性和电性能的范围。此外，制作这种磁铁实际上是许多实验室研究的手段而不是目的。产生极强磁场有许多目的，包括从开发更大功率的永久磁铁到研究电子在先进材料中的复杂行为。每个目的都是电磁学本身的一种新的表现形式。

永久磁铁是许多电动机和扬声器的关键构件，而且对这些磁铁的改进使这些产品有可能微型化和便于携带。电动机有许多类型，但它们都通过电流和磁场的相互作用而驱使机械运动。较强的永久磁铁可产生较小、较强和较轻的电动机，这对要求电池作动力和可携带性（如可移动的机器人和膝上式计算机磁盘驱动装置）的用途特别重要。永久磁铁和电磁铁之间控制的相互作用对扬声器也是很关键的；约10年前，用于小型个人立体声系统的小型、轻便和高保真耳机的突然出现是由于商业性开发功率更大的钐-钴磁铁的结果。

这种永久性磁铁被称作硬磁材料，用极强脉冲电磁铁对它们的新的或试验性样品进行了常规测试。将材料暴露于脉冲磁场的这种测试告诉研究人员新型材料可被磁化到多大的强度和多大的韧性。术语“硬”磁性材料不同于“软”磁性材料，后者容易改变它们的磁化强度，并已经在如磁带、计算机硬盘和软盘之类的产品中广泛应用。

大功率的磁铁还有更深奥的作用，如高速列车的悬浮和推动以及用脉冲磁场的火箭发射。在试验性核聚变反应堆中，强脉冲磁铁含有进行聚变的等离子体，因为盛在任何固体容器中的等离子体也是热的。脉冲电磁铁最有趣的一些应用包括在恶劣环境下进行灵敏的物理试验时将它们用作试验工具。但是，为了能恰当地描述它们，需要一点背景材料和历史的观点。

正像重力那样，磁力也是我们日常生活经历的一部分，如对于许多人来说磁力像他们的冰箱一样就在他们的近旁。以铁为基本成份的永久磁铁将照片、处方和儿童艺术品的小型收藏品固定在适当的地方。另一种常见的磁铁是指南针的指针，它受地球自身弱磁场的作用而总是排成一直线。

永久磁铁是伴随每个电子（它的自旋）的很小磁场的宏观表现。没有谁证实一个电子实际上是在自旋。如实的术语确认，如电子是负电荷的小球体，它将必然旋转以产生它的被观察到的磁场。虽然所有的材料每立方厘米都含有10-24个电子，但在大多数材料中，电子以随机的方向自旋，因而磁场相互抵消。另一方面，在永久磁铁中，在称作磁畴的小范围内电子旋转是排成直线的——一般1-10%的电子是如此。每个磁畴起作由许多单个电子场建立的一个微观永久磁铁的作用。正确选用材料，适当的处理加上一定的运气，这些磁畴的每个场能够使其排成直线，并抗改变，形成强烈的永久磁铁。获得较强永久磁铁的方法在于使尽可能多的电子自旋排成直线。

虽然关于磁力的认识可追溯到2000多年前的希腊人和罗马人，但电力和磁力是同一种力（电磁力）的两个组成这一认识却仅是约175以前才有的。1821年，法国物理学家Andre Marie Aupere确证，磁力是由运动的电荷引起的。他判明，带电流的线圈产生磁场，该磁场从线圈的一端发出，并进入另一端，正如永久磁铁的磁场一样。在这种电磁铁中，线圈中心的磁场最强。

截至1825年，Ampere和英国物理学家Michael Faraday已分别研究了带电流的导线在磁场中所受到的机械力。这种力被用于所有的电动机中，从机车中的巨型电动机到转动石英表的指针的微型电动机。这种机械力还在1992年12月3日破坏了我们的磁铁。

不仅是运动的电子可产生磁场，而且正如Ampere和Faraday首次发现的那样，磁场还将力作用于运动的电荷。在我们研究的大多数试样中，在金属中的电子自由地运动，而在绝缘材料中电子在集中于给定原子核的限制轨道上运行。磁场与这两类轨道的电子运动相互作用。此外，外磁场引起电子自旋排成一条直线。因此，磁场与电子的轨道运动和研究材料中电子的自旋相互作用。

这些原理使得强磁铁作为试验工具非常有用。例如，在相反方向列成直线的自旋电子对获得超导性。以一定的结合能结合在一起的这些电子对毫无阻力地通过超导体移动。足够高的磁场可注入足够的能以切断这种结含，破坏其超导性。这种现象对常常希望研究这些材料在无超导性时的低温特性的研究人员大有帮助。因为许多高温超导体即使是在非常强的磁场下仍保持其超导性，有极强磁场的脉冲磁铁对进行这类试验提供了唯一的机会。

所用磁场越强，它对电子行为的探测就更有力。一定的电子现象仅能由特别强的磁场引起。此外在这种强度下，对电行为的影响可能是惊人的——例如抑制超导性或将绝缘体转化成金属。一旦这种探针的能变成与被探测材料中的某些特定特性的能（例如超导体中的结合能）不相上下时，这种转换可能是十分突然的。

另一个例子发生在半导体物理学中。当元件的尺寸近0.1微米时，在其中的电子就变得如此受约束，以致它们不再带有任意数量的能。如象在一个原子中的电子一样，它们是被限制在离散的能量水平，可被磁场改变或分裂成多级水平。研究人员通过使用强磁场和观察它们对材料的某些特性（通常是电阻或光的吸收）的影响，测量了这些能量级之间的间隔。吸收的突然增加将表明，分开电子能级的变化的间隔和光学探针的能量之间已达到了共振。由于磁场试验的结果，已对小的半导体元件的特性有了更好的了解，以及有时还发现一种全新的磁场现象。

增大极限

强磁场到底有多强？磁场强度的单位是高斯，作为一个基准，地球的磁场强度约为二分之一高斯。铁基冰箱磁铁及其类似物为数百高斯。功率最大的永久磁铁，如钐-钻或钕-铁-硼磁铁，磁场为3000至4000高斯，其中有几种能轻而易举地抬起一台完整的冰箱。

虽然将来肯定会改进永久磁铁，但它的最终强度或许会被限制在约30,000高斯，就是因为能排成一条线自旋的电子的密度是有限的，制造更大体积的永久磁铁主要在于增大场的范围而不是提高它的强度。因此，电磁铁能产生最强的磁场，其磁力就是移动电荷的结果。

在我们的实验室中，我们已获得了730,000高斯的磁场。保守的估计，在中子星表面自然提供103高斯的磁场。在实验室产生这种强度的磁场需要在电磁铁中有电流脉冲，该电流脉冲超过（即使是瞬时的）流过15,000个100瓦灯泡的电流量。因为带电导线上的磁力与电流和磁场强度的乘积成正比，所以我们的导线受到超过每平方英寸200,000磅（每平方厘米14,400公斤）的爆发压力——比4000公尺水深的海底压力大35倍。尽管有这些问题，但磁铁一般残存有数千次脉冲，虽然偶然的爆炸事故是不无某些令人眼花缭乱的魅力。

在原理上，电磁铁所能产生的磁场是无限的：无限的电流将产生无限强的磁场。但实际上，自然并非如此提供的。当磁场超过50万高斯时，施加在带电导线上的力超过硬化铜的抗拉强度。导体强度一般限制可达到的磁场，生成的磁铁用来构建发育的温床和测试新的、高强度导体。

磁场产生的机械力也不是唯一的障碍。在导线中由于产生磁场所需的电流而引起巨大的热量。除超导体以外的所有材料都阻碍电流的流动。这种电阻将某些电能转换成热能，其中我们的一块磁铁可超过1千万瓦——足可在不到一秒钟的时间内熔化5公斤铜。

创世界纪录的电磁铁设计采用不同的方法来解决热和应力的问题。它们被分为两大类:：DC磁铁（由直流电或非振动电流驱动）和脉冲磁铁（以短电流脉冲供能）。脉冲磁铁可进一步分为破坏性和非破坏性的，它们力图将磁场脉冲的持续期限制在一秒钟以下，以避免过热的问题。破坏性脉冲磁铁也回避了应力的问题。它们也被设计为单脉冲，它们从未完整的保存下来。在以近声速移动的机械冲击波消除磁性之前，脉冲仅历时几微秒。

接近兆高斯

越来越高的脉冲磁场的产生的一些明显的问题，我们能产生多高的脉冲磁场？材料局限性是什么？是否有足够值得改进的余地以表明有理由获得进一步的发展？回答这些问题完全取决于材料科学——特别是在应力下材料如何变形并最终损坏，它们怎样才能作得更加结实以及机械特性和电特性之间如何相互作用。

看看铜线被拉断的情况吧。当应力超过一个原子键的强度与每单位面积原子键的数目之积时，铜线将断裂。根据计算，铜的理论弧度为350,000磅/平方英寸。我们还知道在更低的应力时铜会变形和断裂。实际上，纯的金属往往在其理论强度的百分之一以下就开始变形。

如此令人迷惑的行为说明了什么？总而言之，是位错。约60年前发现的位错是瑕疵的长行或列，其中原子不是在如晶格中的另外一处所看到的那样完美而有规则的排列，包括金属在内的所有结晶固体的塑性变形均与这些位错通过晶格的移动有关。注意到以下这一点是很重要的：并非在一个面上的所有原子键都需要同时断裂才能发生位错移动。因为位错，材料通过沿位错线断裂和重新形成单行的原子键而发生变形，这一过程类似于从地毯的一边传播一个波纹到另一边以移动大而笨重的地毯。这种变形比切断无位错所需的能量要小得多。

提高晶体材料机械强度的最成功的努力集中于在晶格中包埋不可移动的瑕疵以位错移动。我们可以不同的方法将这种瑕疵引入晶体中：与第二种元素混合形成合金、引入如小颗粒的氧化铝或氧化铍沉淀，或甚至生成位错这样的杂乱聚集物，以致它们干扰彼此的运动。一般当障碍物的密度增大时，强度的增大变得更加容易。

遗憾的是，对于我们的目的，增大这种障碍物的密度不仅干扰位错的运动，而且也干扰电子的运动，引起它们的散射、并使导电的效率降低。大密度的瑕疵也抑制延展性，这种延展性要求位错有实质上移动，因此，一般强度增加得越大，导电性和延展性也就损失得越大。

现在，有时研究人员已意识到，如环氧化物之类的弱性材料可通过包埋如玻璃纤维、石墨或硼等韧性细丝以形成复合材料而使其强化。这些老式的复合物因细丝而获得其强度。近年来，已出现一个新系列的高强度复合物，即“就地生成的”导电复合物。这些新材料以具有间距密得多的和更细的细丝为的特色。这些细微的带状物其厚度为百万分之一厘米以下(比人发薄5000倍以上)。因为有了这些细丝使位错的移动变得极为困难，所以这种材料开始接近它的理论上的最大强度。事实上，这些新的复合物甚至可变得比它们的增强细丝更强。此外，百分率相对较小的细丝，其强度可达到惊人程度的增加。例如，在超韧性铜-铌导体中，铌丝仅占有18%的体积，从而保持了铜理想的导电性能。

我们通过改变材料中细丝的大小和间距而获得这些复合物中强度、延展性和导电性的最佳结合。测试样品的强度已接近每平方英寸320,000磅——是我们的磁铁所用铜-铌导线强度的两倍。导线性能的这种改进表明，用非破坏性脉冲磁铁能够获得的最大磁场可接近一百万高斯。为了使它们保持冷却，以令人难忘的管道使去离子化、高压水通过磁铁循环。它们能运行许多小时，而且只是电费每小时就可能超过1000美元。近来在搭拉哈西的新国家高磁场实验室已获得300,000高斯，是传统（电阻）DC电磁铁的新记录。

超导电磁铁避免了产生热的何题。为了保持这种超导性，研究人员一般在绝对温度4.2度（摄氏-269度）下操作这些磁铁，这种温度是将磁铁浸没在液氦中而获得的。超导磁铁的主要缺陷是它们的磁场如果足够强，将干扰自己导线的超导性。由于这个原因，超导磁铁迄今已被限制在约200,000高斯。

但是，在几个实验室中，已将超导磁铁与电限DC磁铁相结合产生一种混合结构，在大的超导磁铁内部有电阻元件。在麻省理工学院的Francis Bitter国家磁铁实验室的混合磁铁保持了所有DC磁铁类型具有的385,000高斯记录。

脉冲磁铁能产生更高的磁场。借助高爆炸性物质，一个破坏性设计已达到近1千万高斯，它是对称性地将磁场压入试样周围极小的体积中（许多相同种类的爆炸形成了原子弹内的快速裂变反应）。用这种方法，整个装置和试样均被气化，不过最好在偏远地区进行。或许有两个专门研究这种设计的政府实验室是不足为奇的，它们是新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室及其竞争对手，俄罗斯阿尔扎马斯的实验室。

日本东京兆高斯实验室研制的一种替代性破坏性磁铁特别方便，因为当磁铁爆炸时试样几乎不受损坏。这种设计精致简单：线圈为单环铜，在它被爆开以前的数微秒之内产生150万高斯的磁场。保护设备的主要困难是抓住弹片，即交给仔细地定位层板的一项任务。

虽然在正常的操作情况下，它们不太引人注目，但非破坏性脉冲磁铁有很大的优点。它们可以进行种类更为广泛的科学试验，因为脉冲持续期提高到10,000次，达到10至100毫秒的程度。它们也能使脉冲形得到更好的控制，并使脉冲之间有少到20分钟的更短的间隔。所有这些特征使得它容易决定脉冲期间所获试验数据的完整性。最后，这种磁铁常使用更简单的实验室基础结构和较低的操作成本，两者均可以一个小的研究小组进行管理。为这些好处所付出的代价带来面对由自己的磁场施加于磁铁的极大的应力。

处理应力

有几种不同的方法可用来设计电磁铁以使得在振动脉冲后残存有脉冲。我们的方法依赖于在一个磁铁内精心地排列不同类型的导线。电磁铁中理想的导线应有较大的强度、延展性和足够的导电性。可惜，导体强度总是以损失导电性和延展性为代价而获得的。因此将具有不同特性的导线相混合和搭配以适合磁铁内部的条件。

在我们的设计中，导线绕成有14个同心层的线圈，每个同心层有约30圈导线。磁场的强度在磁铁的中心最大，并在通过14层时或多或少呈线性降低。另一方面，最大应力发生在从中心起的第四层，因为所产生的应力与局部磁场、导线中的电流密度和线圈层的半径之乘积成正比。

我们用三种不同的铜基导体建造我们的磁铁。对有最大应力的中间层，我们选用可得到的有最大强度的导线铜-铌复合导线。它能抵抗每平方英寸165,000磅的力——比钢的强度还大，而钢在任何情况下都太脆弱，而且对于这种用途导电性差得太远，麻省理工学院首次使用的这种导线其强度来自铜基质中包埋密集分布的微细铌丝。这些铌丝赋予导线如此显著的强度的方法，其来身是一个有趣的问题。

在第一层，绕线时小线圈的高度弯曲要求比铜铌更大得多的延展性材料；我们选择氧化铜、镍和被的混合物。直径最大、位于最外边的七层在绕线时和线圈发出脉冲时都承受最低的应力。这七层线控制着总电阻，就是因为它们需要的导线长得多。因此它们强度较弱的材料即氧化铜铝做成的线绕成，这种导线更导电，可大量获得而且其强度为普通铜的三倍。

如此的排列使线圈可抵抗相当大的压力。为了获得最大磁场，脉冲磁铁线圈必须有效地分配应力。当这些力超过某一点时，材料会产生永久性变形。如果受力很强的导体有足够延展性，它能“靠”在下一层上获得支撑，我们借助普林斯顿大学Phil Snyder研究的计算机模式将这种能力设计入我们的磁铁中。事实上，除材料科学的困难外，在设计、制模和构建世界记录的磁铁中的最困难的问题涉及有效地分配应力。

比利时勒芬的脉冲磁铁实验室的同行已在寻求一种替代的设计策略。他们在磁铁内只用一种类型的导线。每层导线均以强玻璃纤维的厚支撑层进行机械加固。这种设计多少分开了产生磁场的任务和抵抗极大应力的任务。近来这种磁铁达到了可与我们的磁场相比的最大磁场。

我们的磁铁也采用机械加固，但仅是最外边的导线层周围加固。整个线圈的绕线被刚性支撑在稳定的氧化锆小珠（直径为1毫米）的容器上。这些以有名的服装，珠宝钻石代用品的高强度同系物做成的小珠属于已知的绝缘材料中强度最大之列。这种在钢壳内加压的小珠可提供足够的刚性支撑，以有助于防止由小的、局部事故（例如线圈线的简单断裂）触发出更大灾难性的一连串事故。在许多情况下，为了准备发现在什么地方出了故障和怎样的故障而拆开磁铁是一件简单的事。实际上，我们的磁铁在1992年12月3日发生爆炸是属于最后一种情况。这些日子的磁铁事故一般是无声的，在磁铁中心的试验仪器未受损伤。

未发出脉冲

即使有所有这种加强作用，非破坏性脉冲磁铁的操作仍是种很复杂的程序。未发射脉冲前，磁铁浸没在液氮中以冷至绝对温度77度。这个关键的步骤可提高导线的抗拉强度约15%，而导线的电阻率降低至1/2至1/4。低电阻率意味着有较少的能量以热的形式损失掉。即使如此，磁铁的温度还是会在脉冲时增高绝对温度约200度，在约0.01秒达到室温（在室温的脉中磁铁几乎在一瞬间就能熔化整个线圈）。脉冲后，需要等待约20分钟，此是剧烈沸腾的液氮容器稳定下来，井冷却磁铁以进行下一次脉冲。

在以后十年的某个时候也许会获得百万高斯或更高的非破坏性磁场脉冲。当人们到达了这个里程碑时，他就会知道可能会观察到什么新的物理现象。过去磁场的提高导致了完全未预料到的发现。对磁性材料的试验可带来更强的永久磁铁的下一次革命。对超导性的试验可以验证振奋人心的和反直觉的理论预测：某些材料的超导性一旦被强磁场破坏，实际上能够以更强的磁场重新建立。

可达到兆高斯的强导线也会有一些它们自己的引人入胜的用途。它们能显著地改进等离子体聚变反应器的性能，因为磁场增强可大大促进能量的产生。更强的脉冲磁场也能增大以电磁手段点火的火箭的速度。新墨西哥州桑迪亚国立实验室开发的这项技术可能有一天会与火箭竞争将卫星送入太空。对于强磁场来说，似乎连天空也不是极限。

【刘义思/译  胡天其/校】