刷新世界紀(jì)錄的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場水冷磁體是什么？

出品：科普中國

作者：汪文強(qiáng)（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學(xué)家親自執(zhí)筆，分享科研歷程，打造科學(xué)世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰(zhàn)與驚喜的旅程。

2024年9月22日，筆者所在的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心自主研制的水冷磁體，成功產(chǎn)生了42.02萬高斯（即42.02特斯拉）的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場，超越了2017年美國國家強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室水冷磁體保持的41.4萬高斯的世界紀(jì)錄，刷新了國際穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場領(lǐng)域的世界紀(jì)錄。

那么，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場是什么？水冷磁體與其他磁體有何不同？它又有何用？

首先，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場是什么？

這是一個(gè)專業(yè)術(shù)語，是由“磁場”→“強(qiáng)磁場”→“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場”逐步引申而來的。

磁場雖然是看不見、摸不著的，但人類對于磁場并不陌生。地球本身就是一個(gè)巨大的磁體，產(chǎn)生0.5高斯（Gs）的地磁場，像一把巨大的隱形傘保護(hù)著地球上的生物，使其免遭來自太空宇宙射線的侵襲，而地球上的很多生物也會(huì)利用地磁場來辨別方向。

磁場的強(qiáng)弱是一個(gè)相對概念，醫(yī)院里面的磁共振成像（簡稱“MRI”）常見的有1.5特斯拉（T）和3特斯拉（T）（注：1T=10000Gs）。相對于1.5T MRI，3T MRI就是強(qiáng)磁場了，磁場越強(qiáng)，MRI的分辨率越高。

圖1 不同磁場強(qiáng)度的MRI成像

（圖片來源：Christakis C.Magnetic Resonance Imaging[M]. Taylar and Francis:2014）

但對于科技界，由特殊材料（如超導(dǎo)材料、銅銀合金等）采用特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)通入高穩(wěn)定度的大電流產(chǎn)生>20 T的磁場被認(rèn)為是強(qiáng)磁場，其原理就是我們所熟悉的電磁感應(yīng)，即電生磁。

圖2 電生磁

（圖片來源：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置宣傳片）

**強(qiáng)磁場存在的形式有兩種，分別為脈沖強(qiáng)磁場和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。**脈沖強(qiáng)磁場磁場強(qiáng)度高（目前人類創(chuàng)造的實(shí)用化脈沖強(qiáng)磁場超過100 T），但是持續(xù)時(shí)間短（毫秒量級）；穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場則可在長時(shí)間內(nèi)保持恒定，原則上持續(xù)時(shí)間長短可以根據(jù)實(shí)際需要任意設(shè)定。

類似于極低溫、超高壓等極端條件，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場也是一種極端條件，可直接調(diào)控物質(zhì)量子態(tài)，誘導(dǎo)出全新的物態(tài)和新奇的效應(yīng)，為發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新規(guī)律以及催生重大應(yīng)用技術(shù)提供重要機(jī)遇。

自1913年以來，10多項(xiàng)與強(qiáng)磁場有關(guān)的成果獲得諾貝爾獎(jiǎng)，如整數(shù)/分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、核磁共振波譜技術(shù)、高分辨率核磁共振成像等。在2007年之前，全球僅美國、法國、荷蘭和日本擁有穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)條件，我國科學(xué)家難以借助外國實(shí)驗(yàn)條件，錯(cuò)失了科學(xué)發(fā)現(xiàn)機(jī)遇。我國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置是國家“十一五”期間批準(zhǔn)立項(xiàng)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為國內(nèi)外197家用戶單位、3000多項(xiàng)課題提供了超過60萬小時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，已成為多學(xué)科研究取得原創(chuàng)性突破成果不可或缺的研究平臺。用戶依托該裝置取得的成果發(fā)表論文2500余篇，推動(dòng)了多學(xué)科前沿研究的發(fā)展，形成了系列具有世界影響力的前沿科學(xué)成果。

圖3 中國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置磁體裝置集群

（圖片來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心）

那么，水冷磁體又是什么？

目前，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場的產(chǎn)生方式主要有三種，分別是：

1. **水冷磁體：**由有阻材料采用特殊的結(jié)構(gòu)（如比特片結(jié)構(gòu)）繞制而成的電阻性磁體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場；

2. **超導(dǎo)磁體：**由超導(dǎo)材料繞制而成的磁體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場；

3. **混合磁體：**由超導(dǎo)磁體線圈和電阻性磁體線圈組合而成的混合磁體產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。

這次成果的主角是電阻性磁體的一種——水冷磁體（BITTER型）。這種磁體可以算做改良后的水冷磁體通電螺線管，但因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的螺線管完全不同，因此需要單獨(dú)介紹。

**簡單來說，制作BITTER型水冷磁體，先需要將銅片扎很多孔，再將成百上千的銅片疊加起來，組成一個(gè)完整的磁體。**這種磁體的優(yōu)勢在于，采用高壓去離子水從冷卻孔中快速流動(dòng)，很快能將磁體通電時(shí)產(chǎn)生的熱量帶走，因而冷卻效果很好。同時(shí)，由于磁體是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，因而具有很強(qiáng)的機(jī)械性能。這種原理是由美國一個(gè)叫Francis Bitter的科學(xué)家發(fā)明的，因此之后被命名為BITTER型水冷磁體。

圖4 電阻性磁體（上：通電螺線管線圈，下：Bitter線圈）

（圖片來源：穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置宣傳片）

創(chuàng)紀(jì)錄的水冷磁體，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的集大成者！

隨著相關(guān)學(xué)科研究的不斷深入、應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，穩(wěn)態(tài)磁場強(qiáng)度不斷創(chuàng)造新高。比如美國保持了19年的水冷磁體世界紀(jì)錄，于2014、2015年先后被荷蘭和中國打破。2017年，美國研制了41.4T的水冷磁體，再次領(lǐng)先。世界各國均在不斷追逐更高的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場，以滿足更多的重大科技需求，如新型電子材料研發(fā)、高溫超導(dǎo)機(jī)理研究與應(yīng)用、生命過程本質(zhì)探索、新藥創(chuàng)制以及特種功能材料制備等。為此，強(qiáng)磁場中心積極謀劃下一代穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)裝置的建設(shè)。

目前，雖然我國已經(jīng)建成了世界先進(jìn)的高場水冷磁體裝置群，但在水冷磁體運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了比特片破壞、線圈錯(cuò)位等問題。為此，在合肥綜合性國家科學(xué)中心的支持下，強(qiáng)磁場中心開展了下一代穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)裝置關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，其中，大于****40T的水冷磁體是關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的集大成者。

在前期裝置水冷磁體研制的基礎(chǔ)上，強(qiáng)磁場中心科研團(tuán)隊(duì)完成了從Bitter片到線圈再到磁體的全鏈條的技術(shù)攻關(guān)，包括構(gòu)建多場耦合三維應(yīng)力模型，創(chuàng)新Bitter片新構(gòu)型，提升Bitter結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和載流能力；采取系列創(chuàng)新措施優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)，降低線圈電磁力、提升線圈換熱能力；并創(chuàng)新磁體端部壓力措施提升磁體的高場穩(wěn)定性；自主研制了一臺全新的水冷磁體。結(jié)合升級后的高穩(wěn)定度直流電源系統(tǒng)和大流量去離子水系統(tǒng)，于2024年9月份穩(wěn)定地產(chǎn)生了42.02 T的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場（相當(dāng)于地球磁場的80多萬倍），打破當(dāng)前水冷磁體世界紀(jì)錄。

圖5 創(chuàng)紀(jì)錄的水冷磁體

（圖片來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心）

42.02 T水冷磁體的成功研制意味著我國穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場磁體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全面領(lǐng)先，完全攻克了高場水冷磁體研制的關(guān)鍵“攔路虎”——水冷磁體超高熱負(fù)載、超強(qiáng)電磁應(yīng)力下穩(wěn)定性問題。這為下一代穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)裝置的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)該磁體將顯著提升穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置開放共享水平，擁有2臺40+T的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場磁體，為滿足更多重大科學(xué)問題的研究需要，提供更便捷的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場極端實(shí)驗(yàn)條件。

未來，還將繼續(xù)攀登科技高峰

創(chuàng)下此次世界紀(jì)錄的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心（以下簡稱“強(qiáng)磁場中心”）坐落于安徽省合肥市風(fēng)景秀麗的科學(xué)島。這也是繼2022年混合磁體成功創(chuàng)下45.22萬高斯的世界紀(jì)錄之后，強(qiáng)磁場中心第二次打破世界紀(jì)錄。

強(qiáng)磁場中心緊密圍繞穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)裝置的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行而迅速發(fā)展，建成了磁體技術(shù)和綜合性能國際領(lǐng)先的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（簡稱“SHMFF”）。在建設(shè)SHMFF裝置過程中，強(qiáng)磁場中心凝聚和培養(yǎng)了一支專業(yè)結(jié)構(gòu)合理、敢打硬仗、國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的工程技術(shù)隊(duì)伍（被全國總工會(huì)授予“全國工人先鋒號”榮譽(yù)稱號），致力于強(qiáng)磁場科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，尤其是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場技術(shù)的發(fā)展，并開展穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場下材料、物理、化學(xué)、生命科學(xué)等多學(xué)科前沿研究。

未來，強(qiáng)磁場中心將依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置這一開放共享平臺，聚焦國家重大需求和世界科技前沿的重大科學(xué)問題，充分發(fā)揮穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場這一極端條件的獨(dú)特優(yōu)勢，開展建制化的科研攻關(guān)，助力更多的重大原創(chuàng)成果在祖國大地上盛開。

同時(shí)，強(qiáng)磁場中心還將繼續(xù)攀登科技高峰，建設(shè)更高磁場強(qiáng)度和更先進(jìn)表征技術(shù)的下一代穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場大科學(xué)裝置，搶占科技制高點(diǎn)，打造原始創(chuàng)新策源地和新質(zhì)生產(chǎn)力的源動(dòng)力，支撐我國高溫超導(dǎo)/半導(dǎo)體材料、靶向藥物、精密儀器和智能裝備等相關(guān)技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)變革。