强磁科技新突破！科学研究的“强磁心脏”实现国产化科技前线

用户投稿 2025年12月02日 17:24:02 8 0

新突破！科学研究的“强磁心脏”实现国产化科技前线

超导磁体磁场强、能耗低，是强磁科学研究中不可或缺的利器，同时也是科学新发现的助推器。超高场超导磁体在诸多重要领域具有广泛应用。

中国科学院电工研究所（以下简称“电工所”）王秋良院士团队成功研制出大口径高场通用超导磁体。该磁体最高磁场强度14.0特斯拉（T）、内孔直径164毫米，标志着我国在大口径高场通用超导磁体设计与建造技术水平方面，迈上了新台阶。

▲大口径高场通用超导磁体

大口径超导磁体研制“绝非易事”

大口径超导磁体中心区域，不仅可以插入更高磁场强度的内插线圈，产生极高磁场，为探索新物质提供基础强磁场，还可以在较大孔径内，放入金属冶炼设备，用于强磁场下的新材料制备。

将超导材料制备成超导磁体，是超导材料的重要应用之一。超导磁体需要在低温环境中运行，会使超导材料承受复杂的应力状态。 例如，超导体从室温降到4.2K（−268.95摄氏度）过程中，会产生冷收缩力，不同材料组分之间由于膨胀系数不同，会产生界面力；并且通电过程中，大电流还会在导体上产生巨大的洛伦兹力。这些应力状态都会影响超导磁体的稳定运行，因此研制大口径高场超导磁体绝非易事。

造出“不怕冷”的超导磁体

为了克服上述困难，团队采用铌钛和铌三锡超导体组合。铌钛和铌三锡都是制备超导磁体最常用的低温超导材料。

铌钛超导体是一种超导合金材料，铌三锡超导体是一种具有陶瓷属性的脆性金属间化合物，用手轻轻一弯就会损坏。

更重要的是，它们具有不同的超导转变温度、临界磁场和临界电流。

因此，需要分别采用不同的处理方式保护两种超导体，尤其对脆弱的铌三锡超导体进行特殊的防护。

在研制过程中，科研团队先后解决了大口径高场磁体高应力调控设计、密绕高场磁体高精度制造、低电阻超导接头等关键技术问题，掌握了此类通用超导磁体的设计和制造等成套技术，并且具有完全自主知识产权。

▲超导磁体结构示意图

经测试，磁体达到预期技术目标，并且运行稳定。

超导磁体在高端科学仪器、先进医疗装备、可控聚变能源、新材料制备等领域具有广泛的应用前景。

大口径高场通用超导磁体技术的成功突破，将有助于我国重要领域制作技术水平提升，并为我国超导磁体产业化发展奠定坚实的技术基础。

来源： 中国科学院电工研究所

责任编辑：宋同舟

冲击地表最强、成为亚洲第一！“强磁”团队如何练成

文｜《中国科学报》记者张双虎

研制成功32.35T（特斯拉）极高磁场超导磁体，中心磁场超过地球磁场64万倍；制备出9.4T、800毫米口径人体全身成像磁共振磁体系统，一举成为亚洲第一；进军0.7T、1.5T、3T、7T等不同磁场强度无液氦磁共振成像系统领域，满足我国科研、医疗、国防等关键领域液氦供应需求……

因突破无液氦超导磁体成套关键技术、研发出多种适应苛刻环境的无液氦特种强电磁装备，中国科学院电工研究所（以下简称电工所）无液氦高场强磁装备研究团队荣获“2024年中国科学院年度团队”称号。

这个“磁力”超强、战力“爆表”的团队，正以“不畏挑战”“先干再说”的攻坚精神，冲向超导磁体科学领域的一座座高峰。

王秋良在装调9.4T超导磁体。

一路冲向新世界纪录

2012年，国家重大科技基础设施项目启动立项，电工所作为主要参建单位，无液氦高场强磁装备研究团队在中国科学院院士、电工所研究员王秋良的带领下，承接了研建磁场强度高达26T的超导磁体任务，以破解大科学装置的“强磁场”难题。

“综合极端条件实验装置”中的26T固态磁共振波谱仪系统。

那时，王秋良团队已在强电磁工程与技术领域探索多年，储备了扎实的基础知识和丰富的工程经验，也闯过了该技术的前期工艺摸索期。但建造26T超导磁体，技术难度仍然极大。此后几年，该团队艰苦摸索，持续进行工艺探索，直到实现24T超导磁体，建造26T超导磁体的技术路线才逐渐清晰。

习惯自我“加码”的王秋良给团队制定了27T的目标。“达到26T就满足立项要求，但我们自己的目标要高一点。”王秋良告诉《中国科学报》。

当时，世界最强磁场纪录是日本的27.6T。团队计划对原方案进行改造升级，“冲击”27T。

没想到就在这个节骨眼儿上，美国国家强磁场实验室宣布打破日本纪录，成功研制出磁感应强度为32T的超导磁体。

在刷新世界最强磁场纪录的“较量”中，王秋良团队选择再度“加码”，冲击32T。

虽然研制目标一路“走高”，但王秋良依然信心十足。“我们‘冲’30T级别的能力还是具备的。”他回忆说。

强磁磁体装配完成后，就是最让人兴奋和紧张的测试环节。测试过程中，随着磁场强度一点点提高，磁体各方面参数逼近极限，出现问题的概率不断飙升。

“当时已经实现了30T的目标，要不要往上‘冲’？能不能冲击成功？那时候我们心里是完全没底的。”团队成员、电工所研究员刘建华说，当时大家最担心的是磁体像日本磁体那样被烧毁。

据悉，因热管理和机械应力问题，美国、日本的超导磁体都在冲击峰值后掉了下来。日本的磁体更因“失超”（失去超导能力，温度快速升高）导致线圈烧毁无法工作。团队成员拿不定主意，来征求王秋良的意见。王秋良态度依然很坚定：冲！

磁体有3个重要参数——磁场强度、稳定性和均匀性。最终，王秋良团队研制的极高场超导磁体，在这三方面都实现了性能突破，创造了32.35T全超导磁体的新世界纪录，磁体没有失超并安全退磁。

“我们建造的两套极高场全超导用户磁体系统，目前已在怀柔综合极端条件大科学装置中稳定运行超过两年。”刘建华补充说。

无人相信，他们选择“干了再说”

2010年，9.4T超高场人体全身磁共振成像系统拟作为国家重大装备研制项目立项。

9.4T超高场人体全身成像磁体。

立项论证时，很多专家认为用超导磁体研制这么高场强的人体全身成像系统“难度极高、极具挑战性”，甚至有人提出质疑。

“也难怪有专家质疑。”团队成员、电工所研究员程军胜说，“当时国内技术还停留在开发1.5T成像磁体阶段，临床使用的核磁共振成像设备也以1.5T为主。9T以上系统全球只有英国特斯拉一家公司能做出来，我们忽然站出来说要干到9.4T，当然没人相信。”

在一片质疑声中，王秋良决定“干了再说”。

研制过程中，团队经历了前所未有的挑战。从工艺研究到系统改造，新问题、新状况层出不穷。例如，13万匝超导线的绕制，每一匝超导线由上百根头发丝般粗细的超导芯丝构成；长3米、直径2米、重数吨，多个大尺寸、高精度超导密绕线圈设计制造关键工艺技术的突破；50吨重磁体的精准装调……任何一处小小的误差都会影响这个巨大磁体的精度。

无论是零下10℃的严寒，还是45℃的酷暑，每个人都坚守在试验场。

然而，在磁体测试环节，始料未及的情况还是出现了—— 一台性能稳定的制冷机突然毫无征兆地“罢工”了。

“之前从未碰到这么高强度和大空间范围的杂散场，连厂商都不知道这种工况下制冷设备会无法工作。”团队成员、电工所副研究员王晖说，“制冷过程中，压缩机依靠活塞运动工作，但在强磁场条件下，活塞功能失效了。”

历经多年攻关，2019年底，团队终于研制出9.4T超高场人体全身磁共振成像用超导磁体，使我国成为亚洲第一个掌握此项关键技术的国家。该磁体配套形成的高场人体核磁共振成像系统，能够实现多核成像，获得更高信噪比、更高分辨率的图像，且成像速度更快。

“9.4T磁共振成像系统能实现人体内含量较低的钠、磷、碳、氧等原子核成像，可用于人体代谢、脑认知科学、神经科学等前沿研究，既能在帕金森病、阿尔茨海默病、恶性肿瘤等疾病早期诊断中发挥作用，也能在药物研制、评估，材料加工，芯片制造等领域广泛应用。”王秋良说。

“强磁”团队的凝聚力“密码”

目前，该团队有40多位核心成员，加上外围协作和流动科研人员，团队成员总数超过100人。强磁装备的研究具有学科交叉多、基础研究强、工程应用要求高等典型特征，团队成员由拥有超导、电磁场、低温、机械、测控等多学科背景的老、中、青三代科学家构成。

电工研究所无液氦高场强磁团队。受访团队供图

队伍庞大、构成复杂，但团队的凝聚力和研究的磁场一样强。他们已经习惯了“常伏下身子做事、偶尔跳起来看看”的工作状态。“伏下身子做事，才能把事情做实、做细。”王秋良说，“偶尔跳起来看看，要看大环境和方向……”

多年前，王秋良敏锐意识到我国氦资源稀缺，但很多领域又离不开液氦，因此果断率领团队向无液氦强磁装备方向挺进。

近年来，多次发生的国际液氦价格飙升和断供危机，让传统液氦浸泡强磁系统成为我国科研、医疗、国防等领域的短板。所幸，团队在该领域已埋头攻关多年，并研制出多种具有领先水平的无液氦强磁装备。目前，团队研发的无液氦低温超导产品已落地应用，其中0.7T、1.5T医用无液氦设备已实现技术成果转化，基本满足我国医疗领域的需求。

不畏挑战、持之以恒的攻关精神和“干了再说”的做事风格，让该团队有着超强的凝聚力。从稳态强磁场到适应苛刻应用环境的无液氦强磁系统；从学科前沿、大科学工程的强磁装置，到低成本、更精准的医疗检测成像设备；从核聚变、磁浮交通、新材料到尖端行业，他们一路走来，牢牢占据全球超导强磁未来科技发展的制高点。