相当于地磁的90万倍！我国稳态强磁场实验装置如何产生世界最强磁场？

大家好，我是张警蕾，现任中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员、稳态强磁场实验装置运行部主任。我的工作主要围绕这一“国之重器”发展测试技术，并在此基础上开展凝聚态物理方面的研究，探索物质科学的奥秘。

图：稳态强磁场实验装置——混合磁体（实物图）。

稳态强磁场实验装置坐落于安徽合肥科学岛，是我国为探索科学前沿而建设的大科学装置。作为一个公共实验平台，它的核心使命是为物理、材料、生命科学等多学科研究提供极端强磁场环境与先进的物性测量手段。

还记得中学物理课上的通电螺线管吗？它所产生的磁场，正是当今绝大多数磁体设计的基本原理。目前，装置主要通过三类磁体产生稳态强磁场，它们分别是：超导磁体，水冷磁体，混合磁体。接下来，我将为大家一一揭开它们的奥秘，看看这些“磁场引擎”是如何制造出强大而稳定的磁场的。

超导磁体：可产生相当于地磁场18万倍的磁场

物理学中一个神奇的现象：当某些特殊材料被冷却到极低温度时，其电阻会完全消失。科学家们利用这一特性，-使用铌钛合金、铌三锡等超导材料绕制成线圈，并将其浸入液氦等超低温环境中。一旦温度降至“临界点”以下，线圈便进入超导态。此时，只需通过外部电源在线圈中建立起电流，由于电阻为零，这个电流就能永不衰减地持续流动，从而产生出强大且极其稳定的磁场。

在稳态强磁场实验装置中，就配备了四台这样功能各异的超导磁体。其中，一个平台格外引人注目——它是亚太地区首个一体化设计的9.4特斯拉（相当于地磁场的18万倍）、400毫米口径的磁共振成像动物研究平台。这个磁体与我们在医院常见的1.5T或3T磁共振设备相比，它的磁场强度高出数倍，能够为生命科学研究提供前所未有的高分辨率数据。

不过，即便超导体拥有“零电阻”这张王牌，在极端的强电流和高磁场环境下，它也可能“失灵”，失去超导特性。因此，要想冲击更强的磁场，科学家们还必须借助其他技术路径，不断突破极限。

水冷磁体：可产生相当于地磁场80万倍的磁场

根据螺线管的基本原理，电流强度越大，所产生的磁场也越强。然而，这一规律也带来了一个现实难题——大电流往往引发剧烈发热，成为制约磁场进一步提升的关键瓶颈。在此背景下，水冷磁体应运而生。大家可以把水冷磁体理解为一台追求极致性能的“磁场引擎”，其核心原理是利用高压流动的纯净水进行强制冷却，从而抵御因通入超大电流（50000安培）而产生的惊人热量，最终激发出强度极高的磁场。

这套系统中最为关键的部件，是一种名为“比特片”的金属圆盘，它由导电性极佳的铜银合金制成，表面密布着精密设计的冷却微孔。我们通过将成千上万片“比特片”与绝缘薄片交替叠压，组合成一个坚固的整体，就构成了水冷磁体的心脏。

这种叠层设计蕴含两大精妙之处：一是高压去离子水在孔中高速穿行，能迅速带走强大电流产生的热量，实现高效冷却；二是整体结构紧密如一，具备极强的机械稳定性，足以承受磁场产生的巨大应力。

位于强磁科学中心的WM，正是这一技术的巅峰之作。2024年9月，它成功产生了高达42.02 T的稳态磁场——相当于地球磁场的80多万倍，一举刷新了水冷磁体领域的世界纪录，彰显了中国在强磁场技术上的重大突破。

图：比特片以及稳态强磁场实验装置——水冷磁体（WM）

混合磁体：可产生相当于地磁场90万倍的磁场

在追求更强磁场的科学征途上，无论是依赖强力散热的水冷磁体，还是凭借零电阻优势的超导磁体，都逐渐触及了各自的性能“天花板”。那么，有没有办法突破这些限制，将稳态磁场强度推向新的高峰呢？答案是肯定的。

多年来，科学家们一直在探索一种能将两者优势融为一体的解决方案——“混合磁体”便应运而生。从结构上看，混合磁体可以理解为一个“双核”系统：在一个能够产生强大背景磁场的大口径超导磁体内部，精巧地嵌套一个能贡献额外高强度磁场的水冷磁体。

然而，它绝非两者的简单“1+1”组合。由于需要同时协调超导的低温环境与水冷的高压流体这两套截然不同的运行机制，混合磁体在电磁设计、力学结构和工艺流程上都面临着极为苛刻的挑战，堪称极限技术领域的精密艺术品。正因如此高的技术壁垒，尽管全球多个强磁场实验室长期致力于此，至今也只有中国和美国成功研制出能够稳定产生极高磁场的混合磁体。

图：稳态强磁场实验装置——混合磁体。

2022年8月12日，由我国自主研制的混合磁体成功产生了高达45.22万高斯的稳态磁场，这相当于地球磁场的90多万倍。这一突破，不仅刷新了尘封23年之久的稳态磁场世界纪录，更标志着中国在代表国家科技实力的稳态强磁场研究领域，已巍然屹立于全球科学高峰。

强磁场的用途说不完

强磁场是现代科学研究中一种至关重要的极端实验条件。它像一把能打开物质内部世界的“钥匙”，通过直接与材料中的电子相互作用，揭示出常规条件下无法观测到的新现象和新规律。

在凝聚态物理的前沿探索中，强磁场就像一位高明的“指挥家”。当二维电子气置身于强磁场中，其中的电子便会遵循特定的量子规律翩翩起舞形成精妙的量子霍尔效应。而中国科学家依托稳态强磁场实验装置，将这一前沿研究推向了新的维度。在高温超导研究中，强磁场就像一把能够精准关闭“超导电性”的开关。科学家们利用这一点，通过施加强磁场来抑制材料的超导状态，从而让背后隐藏的真正主角——各种奇异的量子效应——显露真容。例如，我国科学家在铁基超导体中的研究发现，当磁场“关掉”了超导电性后，一种名为“奇异金属”的奇特状态便清晰呈现出来。

在材料合成领域，强磁场还具备一项令人惊叹的能力——它能模拟出类似太空的“近微重力”环境，从而帮助科学家在地面实现单晶材料的高速、高质量生长。我国科学家依托稳态强磁场实验装置开展研究，发现在强磁场环境下，铜单晶的生长速率可提升近40倍，同时晶体内部的缺陷（位错）密度也显著降低至原来的约三分之一。

在生命健康领域，研究发现稳态强磁场具有高穿透性和良好的生物安全性，不仅在磁共振成像（MRI）上可以大大提升分辨率，磁场本身还可以对多种疾病产生良好的干预效果，为神经系统和代谢系统疾病开辟了一条无创物理治疗新途径。

在药物研发方面，基于稳态强磁场的磁共振波谱（NMR）技术就像一把“分子显微镜”，可以在接近生理状态的溶液环境下精准解析生物分子的动态构像，筛选及观测它们与药物分子间的相互作用，从而帮助人们进行针对重大疾病的创新药物研发，其中一些已经进入临床试验。

21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。

本文转载自《腾讯太空》微信公众号

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