刷新世界纪录的稳态强磁场水冷磁体是什么？
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作者：汪文强（中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲(qīn)自(zì)执(zhí)笔(bǐ)，分(fēn)享(xiǎng)科(kē)研(yán)历(lì)程(chéng)，打(dǎ)造(zào)科(kē)学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
2024年9月22日，笔者所在的中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心自主研制的水冷磁体，成功产生了42.02万高斯（即42.02特斯拉）的稳态强磁场，超越了2017年美国国家强磁场实验室水冷磁体保持的41.4万高斯的世界纪录，刷新了国际稳态强磁场领域的世界纪录。
那么，稳态强磁场是什么？水冷磁体与其他磁体有何不同？它又有何(hé)用(yòng)？
首先，稳态强磁场是什么？
这是一个专业术语，是由“磁场”→“强磁场”→“稳态强磁场”逐步引申而来的。
磁场虽然是看不见、摸不着的，但人类对于磁场并不陌生。地球本身就是一个巨大的磁体，产生0.5高斯（Gs）的地磁场，像一把巨大的隐形伞保护着地球上的生物，使其免遭来自太空宇宙射线的侵袭，而地球上的很多生物也会利用地磁场来辨别方向。
磁场(chǎng)的(de)强(qiáng)弱(ruò)是(shì)一(yī)个(gè)相(xiāng)对(duì)概(gài)念(niàn)，医(yī)院(yuàn)里(lǐ)(lǐ)面(miàn)(miàn)的(de)(de)磁(cí)(cí)共(gòng)(gòng)振(zhèn)(zhèn)成(chéng)(chéng)像(xiàng)(xiàng)（简(jiǎn)(jiǎn)称(chēng)(chēng)“MRI”）常(cháng)(cháng)见(jiàn)(jiàn)的(de)(de)有(yǒu)(yǒu)1.5特(tè)(tè)斯(sī)(sī)拉(lā)(lā)（T）和(hé)(hé)3特(tè)(tè)斯(sī)(sī)拉(lā)(lā)（T）（注(zhù)：1T=10000Gs）。相(xiāng)对于1.5T MRI，3T MRI就是强磁场了(le)，磁(cí)场(chǎng)越(yuè)强(qiáng)，MRI的(de)分辨率越高。
图1 不同磁场强度的MRI成像
（图片来源：Christakis C.Magnetic Resonance Imaging[M]. Taylar and Francis:2014）
但对于科技界，由特殊材料（如超导材料、铜银合金等(děng)）采用(yòng)特(tè)殊(shū)设(shè)计(jì)的结构通入高稳定度的大电流产生>20 T的磁场被认(rèn)为是强磁场，其原理就是我们所熟悉的电磁感应，即电生磁。
图2 电生磁
（图片来源：稳态强磁场实验装置宣传片）
强磁场存在的形式有两种，分别为脉冲强磁场和稳态强磁场。脉冲强磁场磁场强度高（目前人类创造的实用(yòng)化(huà)脉(mài)冲(chōng)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)超(chāo)过(guò)100 T），但(dàn)是(shì)持(chí)续(xù)时(shí)间(jiān)短(duǎn)（毫(háo)秒(miǎo)量(liàng)级(jí)）；稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)则(zé)可(kě)在(zài)长(zhǎng)时(shí)间(jiān)内(nèi)保(bǎo)持(chí)恒(héng)定(dìng)，原(yuán)则(zé)上(shàng)持(chí)续(xù)时(shí)间(jiān)长(zhǎng)短(duǎn)可(kě)以(yǐ)根(gēn)据(jù)实(shí)际需要任意设定。
类似于极低温、超高压等极端条件，稳态强磁场也是一种极端条件，可直接调控物质量子态，诱导出全新的物态和新奇的效应，为发现新现象、探索新规律以及催生重大应用技术提供重要机遇。
自1913年以来，10多项与强磁场有关的成果获得诺贝尔奖，如整数/分数量子霍尔效应、核磁共振波谱技术、高分辨率核磁共振成像等。在2007年之前，全球仅美国、法国、荷(hé)兰(lán)和(hé)日(rì)本(běn)拥有稳态强磁场实验条件，我国科学家难以借助外国实(shí)验(yàn)条(tiáo)件(jiàn)，错(cuò)失(shī)了科学发现机遇。我国稳态强磁场实验装置是国家“十一五”期间批准立项的国家重大科技基础设施，为国内外197家用户单位、3000多项课题提供了超过60万小时的实验条件，已成为多学科研究取得原创性突破成果不可或缺的研究平台。用户依托该装置取得的成果发表论文2500余篇，推动了多学科前沿研究的发展，形成了系列具有世界影响力的前沿科学成果。
图3 中国稳态强磁场实验装置磁体装置集群
（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）
那么，水冷磁体又是什么？
目前，稳态强磁场的产生方式主要有三种，分别是：
1. 水冷磁体：由有阻材料采用特殊的结构（如比特片结构）绕制而成的电阻性磁体产生稳态强磁场；
2. 超导磁体：由超导材料绕制而成的磁体产生稳态强磁场；
3. 混合磁体：由超导磁(cí)体(tǐ)线圈和电阻性磁体线圈组合而成的混合磁体产生稳态强磁场。
这次成果的主角是电阻性磁体的(de)一(yī)种(zhǒng)——水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)（BITTER型(xíng)）。这(zhè)种(zhǒng)磁(cí)体(tǐ)可(kě)以(yǐ)算(suàn)做(zuò)改(gǎi)良(liáng)后(hòu)的(de)水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)通(tōng)电(diàn)螺(luó)线(xiàn)管(guǎn)，但(dàn)因(yīn)为(wèi)其(qí)结(jié)构(gòu)和(hé)传统的(de)螺(luó)线管完全不同，因此需要单独介绍。
简单来说，制作BITTER型水冷磁体，先需要将铜片扎很多孔，再将成百上千的铜片叠加起来，组成一个完整的磁体。这种磁体的优势在于，采用高压去离子水从冷却孔中快速流动，很快能将磁体通电时产生的热量带走，因而冷却效果很好。同时，由于磁体是一个整体结构，因而具有很强的机械性能。这种原理是由美国一个叫Francis Bitter的科学家发明的，因此之后被命名为BITTER型水冷磁体。
图(tú)4 电(diàn)阻(zǔ)性(xìng)磁(cí)体(tǐ)（上(shàng)：通(tōng)电(diàn)螺(luó)线(xiàn)管(guǎn)线(xiàn)圈(quān)，下(xià)：Bitter线(xiàn)圈(quān)）
（图(tú)片(piàn)来源：稳态强磁场实验装置宣传片）
创纪(jì)录(lù)的(de)水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)，关键技(jì)术(shù)研(yán)发(fā)的(de)集大(dà)成(chéng)者(zhě)！
随(suí)着(zhe)相(xiāng)(xiāng)关学(xué)科(kē)研(yán)究(jiū)的(de)不(bù)断(duàn)深(shēn)入(rù)、应(yīng)用(yòng)领(lǐng)域的(de)不(bù)断(duàn)拓(tà)展(zhǎn)，稳(wěn)态(tài)磁(cí)场(chǎng)强(qiáng)度(dù)不(bù)断(duàn)创(chuàng)造(zào)新(xīn)高(gāo)。比(bǐ)如(rú)美(měi)国(guó)保(bǎo)持(chí)了(le)19年(nián)的(de)水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)世(shì)界(jiè)纪(jì)录(lù)，于(yú)2014、2015年(nián)先(xiān)后(hòu)被(bèi)荷(hé)兰(lán)和(hé)中(zhōng)国(guó)打(dǎ)破(pò)。2017年(nián)，美(měi)国(guó)研(yán)制(zhì)了(le)41.4T的(de)水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)，再(zài)次(cì)领(lǐng)先(xiān)。世(shì)界(jiè)各(gè)国(guó)均(jūn)在(zài)不(bù)断(duàn)追(zhuī)逐(zhú)更(gèng)高(gāo)的(de)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)，以(yǐ)满(mǎn)足(zú)更(gèng)多(duō)的(de)重(zhòng)大(dà)科(kē)技(jì)需(xū)求(qiú)，如(rú)新(xīn)型(xíng)电(diàn)子(zi)材(cái)料研发、高温超导机理研究与应用、生命过程本质探索、新药创制以及特种功能材料制备等。为此，强磁场中心积极谋划下一代稳态强磁场大科学装置的建设。
目前，虽然我国已经建成了世界先进的高场水冷磁体装置群，但在水冷磁体运行的过程中出现了比特片破坏、线圈错位等问题。为(wèi)此(cǐ)，在(zài)合(hé)肥(féi)综(zōng)合(hé)性(xìng)国(guó)家(jiā)科(kē)学(xué)中(zhōng)心(xīn)的(de)支(zhī)持(chí)下(xià)，强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)中心开展了下一代稳态强磁场大科学装置关键技术研发，其中，大于40T的水冷磁体是关键技术研发的集大成(chéng)者(zhě)。
在(zài)前(qián)期(qī)装(zhuāng)置(zhì)水(shuǐ)冷(lěng)磁(cí)体(tǐ)研(yán)制(zhì)的(de)基(jī)础(chǔ)上(shàng)，强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)中(zhōng)心(xīn)科(kē)研(yán)团(tuán)队(duì)完(wán)成(chéng)了(le)从(cóng)Bitter片(piàn)到(dào)线(xiàn)圈(quān)再(zài)到磁体的全链(liàn)条(tiáo)的(de)技(jì)术(shù)攻(gōng)关，包(bāo)括(kuò)构(gòu)建(jiàn)多(duō)场(chǎng)耦(ǒu)合(hé)三(sān)维(wéi)应(yīng)力(lì)模(mó)型(xíng)，创(chuàng)新(xīn)Bitter片(piàn)新(xīn)构(gòu)型(xíng)，提(tí)升(shēng)Bitter结(jié)构(gòu)强(qiáng)度(dù)和(hé)载(zài)流(liú)能(néng)力(lì)；采取(qǔ)系列创新措施优化线圈结构，降低线圈电磁力、提升线圈换热能力；并创新磁体端部压力措施提升磁体的高场稳定性；自主研制了一台全新的水冷磁体。结合升级后的高稳定度直流电源系统和大流量去离子水系统，于2024年9月份稳定地产生了42.02 T的稳态强磁场（相当于地球磁场的80多万倍），打破当前水冷磁体世界纪录。
图5 创纪录的水冷磁体
（图片来源：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）
42.02 T水冷磁体的成功研制意味着我国稳态强磁场磁体技术实现了全面领先，完全攻克了高场水冷磁体研制的关键“拦路虎”——水冷磁体超高热负载、超强电磁应力下稳定性问题。这为下一代稳态强磁场大科学装置的建设奠定了坚实的基础，同时该磁体将显著提(tí)升稳态强磁场装置开放共享水平，拥有2台40+T的稳态强磁场磁体，为满足更多重大科学问题的研究需要，提供更便捷的稳态强磁场极端实验条件。
未来，还将继续攀登科技高峰
创下此次世界纪录的(de)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院合肥物质科学研究院强磁场科学中心（以下简称“强磁场中心”）坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛。这也是继2022年混合磁体成功创(chuàng)下(xià)45.22万(wàn)高(gāo)斯(sī)的(de)世(shì)界(jiè)纪(jì)录(lù)之后，强磁场中心(xīn)第(dì)二(èr)次(cì)打(dǎ)破(pò)世(shì)界(jiè)纪(jì)录(lù)。
强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)中(zhōng)心(xīn)紧(jǐn)密(mì)围(wéi)绕(rào)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)大(dà)科(kē)学(xué)装(zhuāng)置(zhì)的(de)规(guī)划(huà)、建(jiàn)设(shè)、运(yùn)行(xíng)而(ér)迅(xùn)速(sù)发(fā)展(zhǎn)，建(jiàn)成(chéng)了(le)磁(cí)体(tǐ)技(jì)术(shù)和(hé)综(zōng)合(hé)性(xìng)能(néng)国(guó)际(jì)领(lǐng)先(xiān)的(de)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)实(shí)验(yàn)装(zhuāng)置(zhì)（简(jiǎn)称(chēng)“SHMFF”）。在(zài)建(jiàn)设(shè)SHMFF装(zhuāng)置(zhì)过(guò)程(chéng)中(zhōng)，强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)中(zhōng)心(xīn)凝(níng)聚(jù)和(hé)培(péi)养(yǎng)了(le)一(yī)支(zhī)专(zhuān)业(yè)结(jié)构(gòu)合(hé)理(lǐ)、敢(gǎn)打(dǎ)硬(yìng)仗(zhàng)、国(guó)内(nèi)领(lǐng)先(xiān)、国(guó)际(jì)一(yī)流(liú)的(de)工(gōng)程(chéng)技(jì)术(shù)队(duì)伍(wu)（被(bèi)全国(guó)总(zǒng)工(gōng)会(huì)授(shòu)予(yǔ)“全国(guó)工(gōng)人(rén)先(xiān)锋(fēng)号(hào)”荣(róng)誉(yù)称(chēng)号(hào)），致(zhì)力(lì)于(yú)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)科(kē)学(xué)与(yǔ)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)，尤(yóu)其(qí)是(shì)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)，并(bìng)开(kāi)展(zhǎn)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)下(xià)材(cái)料(liào)、物(wù)理(lǐ)、化(huà)学(xué)、生(shēng)命(mìng)科(kē)学(xué)等(děng)多(duō)学(xué)科(kē)前(qián)沿(yán)研(yán)究(jiū)。
未(wèi)来(lái)，强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)中(zhōng)心(xīn)将(jiāng)依(yī)托(tuō)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁(cí)场(chǎng)实(shí)验(yàn)装(zhuāng)置(zhì)这(zhè)一(yī)开(kāi)放(fàng)共(gòng)享(xiǎng)平(píng)台(tái)，聚(jù)焦(jiāo)国(guó)家(jiā)重(zhòng)大(dà)需(xū)求(qiú)和(hé)世(shì)界(jiè)科(kē)技(jì)前(qián)沿(yán)的(de)重(zhòng)大(dà)科(kē)学(xué)问(wèn)题(tí)，充(chōng)分(fēn)发(fā)挥(huī)稳(wěn)态(tài)强(qiáng)磁场这一极端条件的独特优势，开展建制化的科研攻关，助力更多的重大原创成果在祖国大地上盛开。
同时，强磁场中心还将继续攀登科技高峰，建设更高磁场强度和更先进表(biǎo)征(zhēng)技术的下一代稳态强磁场大科学装置，抢占科技制高点，打造原始创新策源地和新质生产力的源动力，支撑我国高温超导/半导体材料、靶向药物、精密仪器和智能装备等相关技术突破和产业变革。
