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21世紀強磁場應用的展望
21世紀強磁場應用的展望 摘 要 20世紀下半葉超導與永磁強磁場技術已成熟到可提供滿足各種需求的強磁場裝置,開始形成了相應高技術產業(yè),并在積極開拓著多方面應用,本方介紹了有關進展并期望21世紀將發(fā)展成一個強有力的新興產業(yè)。
關鍵詞 強磁場 技術與應用 產業(yè)化
六十年代發(fā)現了實用超導材料,八十年代出現了性質優(yōu)良的釹鐵硼永磁材料,使人們可以不耗費很大的電功率獲得大體積持續(xù)的強磁場,發(fā)展超導與永磁強磁場技術是20世紀下半葉電工新技術發(fā)展的一個重要方面。在各國高能物理、核物理、核聚變,磁流體發(fā)電等大型科技計劃推動下,整個技術得到了良好的發(fā)展。低溫鈮鈦合金及鈮三錫復合超導線與釹鐵硼永磁材料已形成產業(yè),可進行批量生產。人們已研制成功了15特斯拉以下各種場強,各種磁場形態(tài),大體積的可長期可靠運行的強磁場裝置,積極推進著強磁場在各方面的應用。
1998年3月投入運行的日本名古屋核融合科學研究所的核聚變研究用的大型螺旋裝置(LHD)是當今超導磁體技術水平的典型代表。裝置本體外徑13.5m,高8.8m,總重約1600t,其中4.2K冷重約850t。它有兩個主半徑3.9m,平均小半徑0.975m,繞環(huán)10圈的螺旋線圈,三對內徑分別為3.2、5.4和10.8m的極向場螺管線圈,中心磁場前期為3特斯拉(4.2K),后期為4特斯拉(1.8K),磁場總儲能將達16億J。超導強磁場裝置需在液氦溫度下運行,從使用出發(fā),努力減少漏熱以降低液氦消耗和研制配備方便可靠的低溫制冷系統(tǒng)有著重要的意義。經不斷努力改進,一些零液氦消耗和無液氦的超導磁體系統(tǒng)已在可靠的使用,它們只需配有小型的制冷裝置即可持續(xù)運行,不需專人維護,使應用范圍大大擴大。
我國在超導與永磁磁體技術方面也進行了長期持續(xù)的努力,奠立了良好基礎,研制成多臺實用磁體系統(tǒng),有些已在使用,具備了按照需求設計建造所需強磁場裝置的能力。中國科學院電工研究所研制成功的磁流體發(fā)電用鞍形二極超導磁體系統(tǒng)(中心磁場4特斯拉,室溫孔徑0.44m,磁場長1m,磁場儲能8.8兆焦耳)和空間反物質探測譜儀用大型釹鐵硼永久磁體(中心磁場0.13特斯拉,孔徑1.lm,高0.8m)代表著我國當今的技術水平,無液氦磁體系統(tǒng)的研制工作也在積極進行中。
隨著超導與永磁強磁場技術的成熟,強磁場的多方面應用也得到了蓬勃發(fā)展,與各種科學儀器配套的小型強磁場裝置已形成了一定規(guī)模的產品,做為磁場應用技術的核磁共振技術,磁分離技術與磁懸浮技術繼續(xù)開拓著多方面的新型應用,形成了一些新型產品與樣機,磁拉硅單晶生長爐也成為產品得到了實際應用。
醫(yī)療用磁成像裝置已真正成為一定規(guī)模的產業(yè),全世界已有幾千臺超導與永磁磁成像裝置在醫(yī)院使用,我國也有永磁裝置在小批量生產,研制成功了幾臺0.6—1.0特斯拉的超導裝置。除繼續(xù)擴大醫(yī)療應用�，正哉敩力开唾懄用磁成像装置釉彜业生产过程监测訓V稱費≡�，最近，葰志进行翑\糜詡觳馕鞴咸嗆坑肟昭壩糜詒姹餝almon魚雌雄性的實驗,取得了有意義的結果。用于高嶺土提純的超導高梯度磁選機已有十余臺在生產運行,磁拉硅單晶生長爐也已開始使用,但尚未形成規(guī)模,中國科學院電工研究所與低溫工程中心曾在九十年代初研制成功超導磁分離工業(yè)樣機,試制成功了兩套單晶爐用超導磁體系統(tǒng),為產品的形成奠定了基礎。
總起來說,超導與永磁磁體技術已經成熟到可以提供不同場強,形態(tài)的大體積強磁場裝置,開始形成了相應的高技術產業(yè),但大規(guī)模產業(yè)的形成與發(fā)展還有賴于積極地進一步開拓強磁場應用,特別是可能形成大規(guī)模市場產品的開拓,根據不完全的了解,目前主要進行的工作有:
1 在材料科學方面
(1)熱固性高分子液晶材料強磁場下的性能及應用。國際上在0~15特斯拉磁場范圍內對高分子液晶材料的取向行為、熱效應、磁響應特性、固化成型過程等方面進行了研究,并作其力學性能和磁場的關系的定量分析,應用前景十分看好。
(2)功能高分子材料在強磁場作用下的研究。國際上高電導率的高分子材料、防靜電及防電磁輻射高分子材料的研究和應用取得了很大進展,某些材料纖維的電導率經強磁場處理后,可達銅電導率的1/10,是極具潛力的二次電池材料。在防靜電服和隱形技術方面電磁波吸收材料已用于軍工領域。
(3)強磁場下金屬凝固理論與技術研究。
(4)NdFeB永磁材料的強磁場取向。在NdFeB永磁材料加壓成型過程中,采用4~5特斯拉強磁場取向,可大大提高性能,國外已開始實際應用。
2 在生物工程與醫(yī)療應用方面
(1)血液在強磁場下性能的改變及對生物體的影響。國際上研究了人體及動物的全血的強磁場下的取向行為及其作用的主體——血紅細胞的作用機制;血液在強磁場下流變性能的變化;血纖維蛋白質在強磁場下的活性變化及對生物代謝作用的影響;人血在強磁場中所受磁力、磁懸浮特性和光吸收特性。
(2)蛋白質高分子在強磁場下的特性及其應用。國際上研究了磷脂中縮氨酸在強磁場下的取向作用;肌肉細胞蛋白質在磁場中的磷代謝過程;神經肽胺酸在強磁場下的結構改變及蛋白質酰胺與氫的交換等。
(3)醫(yī)療應用。除繼續(xù)發(fā)展人體成像系統(tǒng)外,近年來國際上還研究了在4—8特斯拉強磁場下血纖維蛋白質的活性以及對血管中血栓溶解的影響;強磁場及磁場梯度對血纖維蛋白的溶解過程的影響;強磁場對動物血細胞的活性及其對心肌保護特性的影響;外加磁場對血小板流動性能的影響及其在醫(yī)療上的應用等。
3 在工業(yè)應用方面
除繼續(xù)積極進行強場磁分離技術、磁懸浮技術的發(fā)展與應用外,近年來,國際上還研究了磁場對石油滯粘性能的影響及對原油的脫蠟作用;研究了磁場對水的軟化作用及改善水質的作用;研究了外加磁場對改善燃油燃燒性能及提高燃值的作用;通過在強磁場中的取向提高金屬材料的強度和韌性;通過表面吸出排除雜質、提高金屬質量等。
4 在農業(yè)應用方面
國際上研究了外磁場對農作物種子的萌發(fā)與生長的影響及其作用機制;研究了磁場與農作物種子的萌發(fā)與生長的定量關系;研究了磁場與促進萌發(fā)與生長有密切關系的酶的活性與代謝作用;研究了生物酶在磁場下的合成作用以及對作物遺傳變異的影響;研究了磁化水對促進作物生長的作用及磁性肥料的研究和應用。
隨著強磁場技術與裝備的進一步完善,已有應用的進一步發(fā)展和積極開拓新應用,特別是具有大規(guī)模市場前景的產品的發(fā)展,可以期望,21世紀中強磁場應用將發(fā)展成為一個強有力的新興產業(yè)。
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