“最强磁场”幕后：半个世纪、一群人、一件事

　　如果告诉你，人造磁场能达到地球磁场的70多万倍，你相信吗？北京怀柔科学城，一台全超导用户磁体产生的中心磁场达到35.6特斯拉?——约为地球磁场的71.2万倍。2026年年初，这项由中国科学院电工研究所、物理研究所联合攻关的成果，再次刷新世界纪录。

　　这个“超强人造磁场”的故事，要从距离怀柔科学城60多公里外的北京市重点实验室——中国科学院电工研究所应用超导实验室讲起。半个多世纪，科研人员始终围绕着一件事转：把超导材料做成更强、更稳、更好用的磁体，再把磁体装进科研、医疗和工业装备之中。

　　向最强磁场冲击

　　2026年1月，怀柔科学城综合极端条件实验装置内，一场实验进入最后冲刺。30、31、32……当屏幕上的数字最终定格在35.6，现场爆发出期待已久的欢呼声。

　　35.6特斯拉！磁场强度的新高峰！一项全新的世界纪录！

　　由中国科学院电工研究所、物理研究所联合攻关研制的全超导用户磁体，一举打破了美国国家强磁场实验室此前创造的32特斯拉纪录。

　　35.6特斯拉是什么概念？地球磁场强度约为0.00005特斯拉，这台磁体是它的71.2万倍；医院里高端核磁共振设备的磁场强度约为3特斯拉，这台磁体是它的近12倍。

　　“从32到35.6，这3.6特斯拉的提升，看似微小，实则是一场质的飞跃。”中国科学院电工研究所研究员刘建华感慨道。

　　时间回到1911年，荷兰科学家卡末林·昂内斯发现，汞在接近绝对零度时电阻会突然消失。这是人类首次发现超导现象，昂内斯也因此获得1913年诺贝尔物理学奖。此后百余年，科学家不断尝试制造更强磁场。

　　“磁场每向上一步，都可能打开新的科学观察窗口。”刘建华解释，磁场强度越高，分辨率就越高。普通的光学显微镜只能看到细胞级别的结构，而极强磁场如同一台探索微观世界的“超级显微镜”，能看到原子内部电子的运动状态和相互作用，让科学家们看清那些在普通条件下隐藏的物理规律。也因此，谁能造出更强、更稳定的超导磁体，谁就能为前沿研究提供更极端的实验条件。

　　十多年前，西方各国竞相向更高磁场发起冲击。“美国在做，欧洲也在做。我们不做，以后这种尖端设备人家不卖给你怎么办？”刘建华回忆，中国科学院院士、中国科学院电工研究所研究员王秋良带领团队向极高场超导磁体冲击。

　　一场“你追我赶”的竞赛由此开启——

　　2017年11月，王秋良团队将磁场推到27.2特斯拉；

　　仅十多天后，美国国家强磁场实验室便宣布研制出32特斯拉超导磁体；

　　2019年11月12日，磁场升至32.35特斯拉，中国团队刷新世界纪录；

　　今年，这个数字又被推到了35.6特斯拉。

　　“就像百米赛跑，世界纪录哪怕提高0.01秒，都是人类极限的迈进。磁场每提高一点，也是在挑战综合工程能力的极限。”刘建华说。

　　他解释，超导磁体的磁场强度与线圈匝数和电流成正比，随着磁场强度的增加，电磁力会呈指数级增长。当磁场达到35特斯拉时，每平方厘米的线圈要承受超过10吨的拉力，相当于在指甲盖上压一辆小型卡车。这种极端的力学环境，对磁体的材料、结构和工艺都提出了近乎苛刻的要求。

　　刘建华举了个例子：在磁体励磁（利用电流产生或增强磁场）过程中，监测系统有时会出现细微的电压波动。较低电场强度下，这种扰动未必造成严重后果；可到了极高磁场，同样的微扰却更容易诱发失超。

　　这是因为：磁场较低时，温度、电流、机械应力等因素之间的关系相对简单；随着磁场增强，电流密度上升，磁体内部应力急剧增加，热、电磁、力学等多个物理场相互耦合，关系变得异常复杂。

　　“有些问题，只有磁场真正做到那个强度以后，你才知道它的存在。”刘建华说，工程做到这里，科研人员不得不回到基础研究。他们研究极高场条件下热、力学、电磁之间的耦合机制，建立更加精准的模型。

　　其实，这种“从工程中发现问题，再回到基础研究寻找答案”的路径，实验室已经走了很多年。早在20世纪70年代，老一辈科研人员就从超导线材和小型磁体起步，自己摸索绕线、结构和制造工艺。几十年过去，磁体越来越大、磁场越来越强，但一边做装备、一边追问背后科学问题的方式始终延续。

　　“你解决了20特斯拉的问题，到了25特斯拉又会出现新的问题；解决了35.6特斯拉，也不能说40特斯拉、50特斯拉自然就能做出来。”在刘建华看来，新纪录也是新起点，把下一个未知推到了科研人员面前。

　　向技术空白挑战

　　把磁场强度做到极高，是一道难题；把强磁场装进足以容纳人体的空间，还要做到高度均匀、长期稳定，则是另一道难题。针对第二道难题，应用超导实验室也给出了解答——9.4特斯拉超高场人体全身磁共振成像超导磁体。

　　在实验室门口看到了一个陈旧的大槽子。为实测大尺寸线圈的低温冷缩参数特性，2011年，科研人员专门制作了长3米、重数吨的1:1尺寸模拟线圈，并造了槽子，把液氮倒进槽中，再整只线圈泡进液氮。如今，槽子早已完成使命，成了那段攻坚岁月的见证。

　　2010年，国内技术还停留在开发1.5特斯拉成像磁体阶段，9特斯拉以上系统全球只有英国一家公司能做出来。一上来就要做9.4特斯拉，一度存在争议。“总是花国家的钱去买，形不成自主技术，还是要走自己研发的路子。”王秋良回忆，团队商量后决定，干了再说！

　　这又是一场前所未有的挑战。从工艺研究到系统改造，新问题层出不穷。

　　中国科学院电工研究所副研究员王晖讲起一个细节。这台超导磁体由7个大型超导线圈、13万匝超导线绕制而成，组装时是竖直套装，工作时却要水平放置。

　　这就意味着，团队要将质量约35吨的“大家伙”整体翻转90度。“它既重又精密，经不起磕碰，好比一枚35吨重的大鸡蛋。”王晖类比道，为了让这枚“大鸡蛋”安全“翻身”，团队仅设计方案就用了半年。

　　2021年10月30日，超导磁体励磁超过9特斯拉。此时有人提醒，9特斯拉性能已接近国际最好水平，是否可以“见好就收”，否则一旦失超就会出现巨大损失。王秋良没有“叫停”，反而让团队坚定信心继续，最终稳定跨过9.4特斯拉。

　　从立项到成功，历经十二载，科研团队最终打破了国外对该技术的垄断，也使我国成为国际上少数掌握该项核心技术的国家之一。“下一步，我们准备将它集成到具体的成像系统之中，应用在大科学装置上，并向科学研究者开放。”王晖说。

　　让磁造福民生

　　突破之后，更迫切的问题是如何让“磁”真正用起来。“强磁场的‘强’在实验室，‘用’则在民生。”王秋良说。

　　医院里的磁共振（即百姓口中的“核磁共振”），就是离普通人最近的一种超导磁体。传统超导磁共振需要在4K（约-269℃）温区下工作，通常要依赖液氦冷却。可氦在地球上十分稀缺，一旦排入大气，回收利用困难，价格也非常昂贵。

　　早在2008年前后，应用超导实验室团队就在与企业合作研制磁共振时，把目光投向“少液氦”“无液氦”。他们尝试利用极低温制冷机，通过铜等材料进行固体导冷，并辅以少量氦气传热，让磁体摆脱对液氦浸泡的依赖。

　　2014年，团队研制出开放式磁共振超导磁体；2020年，又推出1.5特斯拉无液氦磁共振超导磁体。王晖说，这项技术不仅节约液氦资源，也能减少医院补充液氦带来的运行维护成本。对于液氦运输困难的偏远地区，磁共振设备的使用门槛也有望进一步降低。国产无液氦1.5特斯拉超导磁共振于2022年4月获批上市，截至目前，已先后在多家医院完成千余例检查，设备运行稳定。

　　磁，还能用来测量极微弱的变化。超导重力仪就是这一体现——它借助超导磁悬浮，感知极细微的重力变化。

　　2015年起，团队集中攻关超导重力仪关键技术，经过约5年迭代，实现自主研制。中国科学院电工研究所研究员胡新宁介绍，仪器核心是一颗乒乓球大小的超导球，为保证测量精度，科研人员用了20多道加工工艺，将其球度误差控制到几十纳米量级。

　　如今，相关设备已在中国地震局地球物理研究所的北京国家地球观象台长期运行，用于记录固体潮、地震等引起的微小重力变化，为地球动力学和地震监测研究提供支撑。

　　采访结束时问起王秋良下一步的方向。

　　“40特斯拉、50特斯拉，一定会继续走，但不能只盯着数字。”王秋良说，团队要“两条腿走路”，一方面继续冲击更强磁场，另一方面让更多科研团队真正用得上这些强磁场。