今天是“红蓝融合”与您相伴的【第752期】
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？它又有何用？
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。
磁场的强弱是一个相对概念，医院里面的磁共振成像（简称“MRI”）常见的有1.5特斯拉（T）和3特斯拉（T）（注：1T=10000Gs）。相对于1.5T MRI，3T MRI就是强磁场了，磁场越强，MRI的分辨率越高。
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）采用特殊设计的结构通入高稳定度的大电流产生>20 T的磁场被认为是强磁场，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化脉冲强磁场超过100 T），但是持续时间短（毫秒量级）；稳态强磁场则可在长时间内保持恒定，原则上持续时间长短可以根据实际需要任意设定。
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、荷兰和日本拥有稳态强磁场实验条件，我国科学家难以借助外国实验条件，错失了科学发现机遇。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：由超导磁体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一种——水冷磁体（BITTER型）。这种磁体可以算做改良后的水冷磁体通电螺线管，但因为其结构和传统的螺线管完全不同，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4 电阻性磁体（左：通电螺线管线圈，右：Bitter线圈）
（图片来源：稳态强磁场实验装置宣传片）
创纪录的水冷磁体，关键技术研发的集大成者！
随着相关学科研究的不断深入、应用领域的不断拓展，稳态磁场强度不断创造新高。比如美国保持了19年的水冷磁体世界纪录，于2014、2015年先后被荷兰和中国打破。2017年，美国研制了41.4T的水冷磁体，再次领先。世界各国均在不断追逐更高的稳态强磁场，以满足更多的重大科技需求，如新型电子材料研发、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。为此，在合肥综合性国家科学中心的支持下，强磁场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者。
在前期装置水冷磁体研制的基础上，强磁场中心科研团队完成了从Bitter片到线圈再到磁体的全链条的技术攻关，包括构建多场耦合三维应力模型，创新Bitter片新构型，提升Bitter结构强度和载流能力；采取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中国科学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年混合磁体成功创下45.22万高斯的世界纪录之后，强磁场中心第二次打破世界纪录。
强磁场中心紧密围绕稳态强磁场大科学装置的规划、建设、运行而迅速发展，建成了磁体技术和综合性能国际领先的稳态强磁场实验装置（简称“SHMFF”）。在建设SHMFF装置过程中，强磁场中心凝聚和培养了一支专业结构合理、敢打硬仗、国内领先、国际一流的工程技术队伍（被全国总工会授予“全国工人先锋号”荣誉称号），致力于强磁场科学与技术的发展，尤其是稳态强磁场技术的发展，并开展稳态强磁场下材料、物理、化学、生命科学等多学科前沿研究。
未来，强磁场中心将依托稳态强磁场实验装置这一开放共享平台，聚焦国家重大需求和世界科技前沿的重大科学问题，充分发挥稳态强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征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。
（作者单位：中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心）
