磁性是东说念主类端淑发展中极具绚烂性的当然力应用典范，从古代的定向导航到当代的电子科技、航天医疗，其应用一语气了东说念主类端淑跳动的环节阶段，不仅推进了坐褥生活、科学探索的冲破，更重塑了东说念主类领路当然、蜕变全国的样式。磁场在咱们生活中无处不在，咱们赖以生活的地球就带有磁性，其大小约为0.5高斯，固然看似很小，然而保护地球上东说念主类免受太阳风的侵犯。此外，生活中宽泛看到的电动机、发电机、变压器、磁盘等诞生也王人依赖磁场使命。

图 1 地球上的磁场分散。

在实验室内，主要通过螺线管或者亥姆霍兹线圈来产生磁场。凭证毕奥 - 萨伐尔定律（Biot-Savart Law），恒定电流能引发磁场。给螺线管施加踏实电流后，在螺线管中心轴线场所能产生踏实的磁场。此种样式产生的磁场强度与线圈匝数和电流大小成正比，与螺线管内径平方成反比。

凭证制作螺线管的材料，磁场合手续时辰，可将磁体分为水冷磁体、脉冲场磁体和超导磁体。这三种样式各有特色，可用于不同的场景。水冷磁体升降场速率快，但能耗高，每天可驱动时长受限于冷却水的水量。脉冲场磁体磁场强度极高，可达100T，散热也快，但磁场合手续时辰极短。超导磁体使用超导材料，使用液氦或者制冷机降温至超导态，通电流后即可产生强磁场，险些窝囊量损耗，磁场合手续时辰长。

旧例水冷磁体的主要材料为高电导率的无氧铜或者铜银合金，高场下驱动的水冷磁体中枢部件为Bitter 片，材料为铜银合金。位于欧洲强磁场实验室的水冷磁体如图2所示。通电流后，通过高压去离子水带漏电流产生的热量，幸免线圈温渡过高。水冷磁体与超导磁体拼装在沿途，不错构建搀杂磁体。好意思国的搀杂磁体位于塔拉哈西的国度强磁场实验室，最高磁场为45T，超导外线圈产生 11.4T，水冷电阻内线圈产生 33.6T，水冷线圈驱动功率约为30MW。2000年就已达到45T的指标，在长达20多年的时辰内王人是全国记载。我国的搀杂磁体位于合肥强磁场科学中心，其什物图如图3所示。2022年8月12日，该磁体在26.9 MW的电源功率下产生了45.22T的稳态强磁场，刷新了搀杂磁体的全国记载。旧年，位于法国格勒诺布尔的法国国度科学连接中心强磁场实验室，也扫尾了最高磁场达到43T的搀杂磁体，不错长期使命在42T。

图 2 位于 欧洲强磁场实验室内的水冷磁体。右图为Bitter片制作的磁体图。图片来自欧洲强磁场实验室官网。

图3 位于合肥强磁场科学中心的水冷加超导搀杂磁体。图片来自合肥强磁场科学中心官网。

脉冲场磁体通过发电机（功率GW量级）和电容组（储能MJ量级）在极短时辰内向特制线圈施加大电流脉冲，可产生万安量级的电流，其合手续时辰为毫秒量级，现在是实验室内得回100T 以上极点强磁场的唯独样式。脉冲场磁体里面结构如图4所示，磁体主体部分可分为内层线圈，中层线圈和外圈线圈，鉴别由三台零丁的电容组驱动。高强度铜银合金和高性能液晶团员物纤维瓜代绕制，提高统共磁体的强度。为防患励磁过程中，磁体温渡过高，统共磁体泡在液氮中。图5展示了脉冲磁体的励磁过程，三层线圈产生的磁场类似，在8mm孔径内不错达到100T磁场。

图4 法国国度强磁场实验室的脉冲场磁体。图片来自Physics Reports 765-766 1-39 (2018)。

图5 脉冲场磁体励磁过程。图中标注为样品空间和线圈中存储能量。图片来自Physics Reports 765-766 1-39 (2018) 。

我国的脉冲强磁场实验室位于武汉华中科技大学中，现在有多个磁体对外做事，最高磁场为94.8T。在脉冲场主磁体里面甩掉一个赔偿线圈，通过精确限定，还不错产生平顶磁场，合手续时辰达到10ms~100ms，在此时辰段内可进行核磁共振，比热，I-V弧线和磁光成像测量，拓展了脉冲场磁体的应用场景。

图6 平顶脉冲场励磁弧线。在50T磁场下，合手续时辰100ms。图片来自武汉国度脉冲强磁场科学中心官网。

上头先容的强磁场磁体主如果应用了普通的金属材料制作，产生磁场的同期会产生热量，而超导作念为一类颠倒的量子材料，具有零电阻的特色。在磁场下，凭证是否变成磁通涡旋可将超导体分类为Type I和Type II类型。关于Type I超导体，磁场高出Hc时超导电性立即被碎裂。关于Type II超导体，磁场高出下临界磁场Hc1后，磁场会投入超导体内，变成磁通涡旋态，直到磁场高出上临界磁场Hc2后，超导态才被统统碎裂。图7展示了常见超导体的分类，Pb，In和Sn四种金属元素为Type I超导体，NbTi，Nb3Sn，MgB2和YBCO四类化合物材料为Type II超导体。由于Type II超导体上临界磁场高，且搀杂态（Hc1＜H＜Hc2）下磁通钉扎能提高临界电流密度，是超导磁体的首选材料。凭证超导转动温度，还不错将超导体分为低温超导体和高温超导体，其分界线默许为40K。

图7 常见超导体分类。前三种金属元素超为Type I超导体。后四种多元化合物为Type II超导体。

超导磁体应用超导材料零电阻的性情，加电流后，超导电缆不会发烧，只在超导电缆接口和电流引线上存在发烧效应。惟有保证填塞的液氦供应或通过制冷机合手续降温，超导磁体不错万古辰保合手在稳恒的磁场。现在实验室或者病院用到的超导磁体绝大部分为低温超导磁体，其组成如图8所示，超导磁体甩掉在液氦杜瓦中，保合手超导情景。为了裁汰液氦虚耗，杜瓦中还包含真空夹层，液氮池，防放射屏和防放射片。在磁体冷孔直径里插入变温插件，对被测样品可进行多种技能的测试。低温超导磁体材质为NbTi和Nb3Sn。这两种材质特色为价钱便宜，加工工艺熟悉。NbTi是面心立方合金，具备优异的塑性和延展性，可径直进行冷拉、轧制、绞合等旧例金属加工工艺，能制成超细芯丝绞缆、薄带材、漆包线，适配多样磁体线圈的绕制需求。NbTi超导转动为9.2K，4.2K载流才智有限，主要用于10T以下的应用场景。Nb3Sn为A15 型金属间化合物，晶体结构精致，硬而脆，塑性极差，无法径直冷加工成细导线或带材，必须弃取青铜法或内锡法这两类先成型后固相背应的工艺。其超导转动温度为18.1K，固然接近零温下的临界磁场不错达到30T，然而载流才智险些隐藏，是以应用时其最大的磁场一般不高出20T。

图8 实验室内常用的低温超导磁体剖面图

要产生更高的磁场，就需要用到高温超导体。主流材料为YBa2Cu3O7-x（REBCO），Bi2Sr2Ca2Cu3Ox和Bi2Sr2CaCu2Ox。REBCO带材的什物图如图9所示。二代 REBCO 带材在液氮 77K下仍具备可不雅的载流才智，且上临界磁场（Hc2＞100T）远超低温超导，高场下的性能上风是低温超导无法比较的。高温超导材料实践上为陶瓷，硬而脆，无柔性无法径直算作超导带材。REBCO 带材为多层复合柔性结构，开云体育如图10所示，通过“金属基带 + 缓冲织构层 + 超导层 + 踏实层” 的复合策划，扫尾可绕制、可工程化应用。其中超导层为薄膜，厚度为um量级，镀膜工艺为金属有机化学气相千里积（MOCVD）或者脉冲激光千里积（PLD），其中 MOCVD 是量产主流工艺，可扫尾百米级、千米级一语气制备。高温超导带材4.2K/20T 下临界电流密度Jc 仍大于1×10⁶ A/cm²。

图 9 REBCO超导带材什物图。

图10 REBCO超导带材结构图。按功能可分为金属基带，缓冲层，超导层和踏实层。

现在市集上高温超导带材品性迟缓趋于踏实，应用高温超导带材制作超导磁体的实验室逐年增多。高温超导磁体在驱动过程是一个电磁力热多场耦合系统，制作时需要统筹探究带材的临界磁场，载流才智，力学性能，低温踏实性。高温超导磁体里面结构如图11所示。其制作经过梗概为：使用绕线机，将高温超导带材绕制成饼状，两个饼兼并变为一个双饼线圈。将多个双饼线圈精密安装在复旧骨架上，饼与饼之间通过垫片离隔，再将双饼之间的接口用低温焊锡焊合在沿途。在每个双饼上，还会焊合电压测试线，用来监测磁体电压，磁体驱动时能发现失超迹象，提前弃取顺序。与低温超导磁体使用环氧树脂算作绝缘材料不同，高温超导磁体可使用金属绝缘（metal-as-insulation）工夫。该工夫应用了高温超导带材中超导电流沿零电阻旅途传导这一性情，即使局部存在弱势，也能通过旁路分流，幸免失超；而一朝超导态被碎裂，电流会快速分散至统共旧例导电线圈内，从而幸免局部过热。2019年的实验遣散说明，在31.1T配景场下，高温超导磁体在液氦温度下最高不错产生14.4T磁场，考证了高温超导磁体的性能，其实验遣散如图12所示。

图 11 高温超导磁体图。图片来自Nature 570， 496 (2019)。

图12 高温超导带材在4.2K不错承受45.5T的磁场。图片来自Nature 570， 496 (2019)。

将高温超导磁体和低温超导磁体组合，不错构周全超导磁体，结构如图13所示，能同期施展高温超导材料高临界性能和低温超导材料低价且工夫熟悉的上风。全超导磁体相比于搀杂磁体和脉冲场磁体，固然磁场强度不够高，然而在磁场踏实性、均匀性和能耗等特色上存在很大上风。其驱动时能耗极小，可一语气使命，使命时长莫得限定。空间均匀性和时辰踏实性也均优于搀杂磁体和脉冲场磁体。另外，全超导磁体及测控系统总占大地积也很小，极大的裁汰了使用限定。

图13 全超导磁体结构暗意图。图片来自好意思国强场实验室。

现在，国内两台不错面向用户洞开使用的全超导磁体均位于怀柔科学城详细极点条目实验装配内。一台为高均匀度全超导磁体，如图14所示，最高磁场为26T，主要用于核磁共振测试。低温超导磁体材质为NbTi和Nb3Sn，不错产生15T配景场，内径为250mm。高温超导内插磁体的材质为Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，冷孔直径为50mm，放入低温超导磁体里面，在15T的配景磁场之下不错增多11T磁场。为了提高磁场踏实度，将磁体电源置于恒温环境。另一台全超导磁体主要用于量子漂流实验，如图15所示，最高磁场为30T（2026年1月之前），由15T的低温超导磁体和15T的高温超导磁体(YBa2Cu3O7-x)组合而成。配合稀释制冷机，最低温度可到30mK，样品空间直径22mm。配合氦4变温插件使用，最低温度可到1.5K，样品空间直径24mm。限定2025年底，基于这两个用户全超导磁体，已为包括法国国度科学连接中心、英国剑桥大学、日本冈山大学、中国科学工夫大学、中国东说念主民大学、中国科学院电工连接所和浙江大学等20多家科研机构的用户做事，完成了40多项用户课题，做事机时高出3万小时，与用户诱导取得了一系列要紧遣散，在新式磁性笼目超导材料、镍基高温超导和新式交错磁性材料的连接中施展环节作用，关捆绑果还是无间发表在Nature， Nature Physics， Nature Electronics， Nature Communications， Phys. Rev. X， Phys. Rev. Lett. ， J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊上。

图14 详细极点条目实验装配的26T高均匀度全超导磁体。左图为拼装好的全超导磁体，中间为低温超导磁体，右侧为高温超导磁体。

图15 详细极点条目实验装配的30T全超导磁体。左图为拼装好的全超导磁体，中间为低温超导磁体，右侧为高温超导磁体。

详细极点条目实验装配的两台全超导磁体保合手长期踏实驱动，考证了全超导磁体的才智。而科研东说念主员对强磁场极限的追求是无终点的。为了扫尾更高的磁场，详细极点条目实验装配对量子漂流实验站的全超导磁体进行了升级，中国科学院电工连接所策划和制作了新的高温超导内插磁体，磁体冷孔直径依旧保合手35mm，保证先前的低温插件和测量杆疏漏复用。2026年1月，升级后的全超导磁体达到了35.6T的全国记载，其中低温超导磁体提供15T磁场，高温超导磁体提供20.6T磁场。能达到如斯高的磁场，主要有这几个方面的身分。领先，中国科学院电工连接所和物理连接所在前期为详细极点条目实验装配集会研制两台全超导磁体的过程中，聚积了大批的磁体策划和驱动教师，为新的高温超导磁体的策划优化提供了场所。新磁体翻新性地在不同部位使用不同宽度的高温超导带材，充分施展了不同带材的上风，将哈氏合金和超导带材同步绕制，增多了高温超导磁体的强度。其次，新的高温超导磁体弃取了一系列的顺序，精进焊合工艺，裁汰商量电阻，改进电流引线，裁汰液氦虚耗。为了扫尾磁场的高空间均匀性，连接东说念主员在拼装磁体时，将两台磁体磁场中心偏移罪戾限定在1mm以内，这关于分量为1吨的背场磁体和分量高出150Kg的内插磁体是有难度的。终末是两个连接所间紧密诱导，加速了连接进展。两边东说念主员在内插磁体单独测试，全超导磁体集会测试等过程充分调换，充分施展各自上风。

经过系统性升级，全超导磁体将在多个维度显耀进步我国的详细科研才智。在物资科学范围，它可提供更强、更踏实的极点磁场环境，有望匡助发现新奇量子物态并揭示新的物理律例，推进超导材料、拓扑物态等前沿场所的长远连接。同期，该磁体系统也考证了高温超导带材在高场下的工程适用性，为可控核聚扮装配、下一代粒子加速器、高速磁悬浮交通等要紧计谋范围提供环节工夫复旧。现在，好意思国、欧洲和日本均已布局40T级全超导磁体研制权略，绚烂着该范围已成为国外科学竞争的焦点之一。相称值得暖和的是，2025年10月，好意思国国度强磁场实验室成效扫尾要紧冲破——其高温超导磁体在31T水冷磁体配景场下产生了高达48.7T的中心磁场，创造了大家超导搀杂磁体新的里程碑。这一遣散不仅为45T及以上超高场全超导磁体的工程扫尾奠定了坚实基础，也充分考证了高温超导材料在极点条目下的使命后劲。跟着高温超导带材性能的合手续进步与本钱优化，有望在不久的曩昔，在实验室内扫尾磁场强度超越现存搀杂磁体的全超导磁体系统，开启强磁场科学的新纪元。

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