中國(guó)再破紀(jì)錄：為什么穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)提升零點(diǎn)幾萬(wàn)高斯這么重要？

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

2024年9月22日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心宣布，其自主研制的水冷磁體產(chǎn)生了42.02萬(wàn)高斯（即42.02特斯拉）的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，打破了美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室水冷磁體在2017年的41.4萬(wàn)高斯的世界紀(jì)錄，成為國(guó)際強(qiáng)磁場(chǎng)水冷磁體技術(shù)發(fā)展的新里程碑。

那么，究竟為什么要建設(shè)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置？如此之高的磁場(chǎng)，究竟有什么科學(xué)用途？為什么要不斷突破強(qiáng)磁場(chǎng)的世界記錄呢？

磁場(chǎng)可能對(duì)大家來(lái)說(shuō)都非常熟悉。我們生活的地球，就是一個(gè)體積巨大的“磁體”。早在公元前600多年，古希臘的泰勒斯就記載了“磁石吸鐵”的物理現(xiàn)象。900多年前的北宋科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》里就詳細(xì)介紹了地磁場(chǎng)及其磁偏角的現(xiàn)象，400多年前的英國(guó)科學(xué)家吉爾伯特出版了著作《論磁石，磁體和地球大磁石》。但是，地球的磁場(chǎng)究竟有多大呢？大約是0.3~0.6 高斯。這里的高斯是一名數(shù)學(xué)家的名字，也是磁場(chǎng)強(qiáng)度H的基本單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為G。稍微解釋一下，我們常用的特斯拉T，是磁感應(yīng)強(qiáng)度B的基本單位，和磁場(chǎng)強(qiáng)度差了一個(gè)真空磁導(dǎo)率系數(shù)μ0，所以1 特斯拉（T）等10000高斯（G），0.5 高斯的地磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度僅僅是十萬(wàn)分之五特斯拉?？墒?，即便如此之弱的地磁場(chǎng)，卻足以讓地球上的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)并指向南北方向，也讓鳥(niǎo)類(lèi)和鯨魚(yú)等實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離“導(dǎo)航”。更重要的是，地磁場(chǎng)讓大多數(shù)來(lái)自太陽(yáng)和宇宙深處的帶電高能粒子繞行兩極，是地球上大氣、水資源和每一個(gè)生命體的重要“保護(hù)傘”。

除了天然的地磁場(chǎng)，毫無(wú)疑問(wèn)，如今人們的生活已經(jīng)離不開(kāi)人工磁場(chǎng)的使用。小到玩具、手機(jī)、電腦乃至各類(lèi)家用電器，大到火車(chē)、飛機(jī)、輪船，甚至是宇宙飛船和空間站，還有醫(yī)院的核磁共振、未來(lái)的可控核聚變，以及基礎(chǔ)科研實(shí)驗(yàn)用的各類(lèi)強(qiáng)磁體和粒子加速器，幾乎都需要用到磁場(chǎng)。因此，研究磁場(chǎng)的產(chǎn)生原理和材料對(duì)磁場(chǎng)的各種響應(yīng)，設(shè)計(jì)并建造出更強(qiáng)更好用的磁場(chǎng)環(huán)境，將各類(lèi)磁體指標(biāo)推向更高的極限，是科研人員一直以來(lái)的追求和挑戰(zhàn)。

產(chǎn)生磁場(chǎng)的方式有兩種：永磁鐵和電磁鐵。天然磁石（主要成分是Fe3O4）就是一種永磁鐵，磁場(chǎng)大約幾十到幾百高斯；釹鐵硼是目前人工合成的最強(qiáng)永磁材料，磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)幾千到上萬(wàn)高斯。但是，要想獲得更強(qiáng)、更均勻或更可控的磁場(chǎng)，就必須用到電磁鐵，我們可以簡(jiǎn)稱(chēng)其為“磁體”。最簡(jiǎn)單的磁體就是螺線(xiàn)管形狀的電磁鐵，而如粒子加速器則需要非常復(fù)雜的磁體，它們甚至有4個(gè)或6個(gè)極向分布。我們知道，對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的螺線(xiàn)管磁體來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)大小直接與電流大小成正比。但是，由于傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)線(xiàn)存在電阻，電流越大意味著發(fā)熱越厲害，嚴(yán)重到導(dǎo)線(xiàn)或其絕緣保護(hù)層被燒毀，這個(gè)磁體就徹底報(bào)廢了。因此，要進(jìn)一步提高電磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度，主要有三種方案：一是增大螺線(xiàn)管中導(dǎo)線(xiàn)的尺寸，金屬導(dǎo)線(xiàn)截面積越大，電阻就越小，加上水冷裝置及時(shí)帶走熱量，就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，這便是“水冷磁體”；二是將導(dǎo)線(xiàn)換成超導(dǎo)體，它們?cè)谧銐虻蜏丨h(huán)境下電阻為零，可以承載很大的電流且?guī)缀醪话l(fā)熱，在很小的空間里就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)，這就是“超導(dǎo)磁體”。但是，水冷磁體一般功率巨大且依舊存在散熱難題，超導(dǎo)磁體則必須依賴(lài)于低溫環(huán)境，兩者承載電流的能力都存在各自的上限難以逾越。因此有了第三種方案，就是把兩者結(jié)合起來(lái)，外部用體積較大的水冷磁體，內(nèi)部插入體積較小的超導(dǎo)磁體，兩個(gè)磁體齊心協(xié)力創(chuàng)造出更強(qiáng)的磁場(chǎng)，這就是“混合磁體”。

需要強(qiáng)調(diào)的是，以上說(shuō)的都屬于“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)”的方案。如果極大壓縮磁體的通電時(shí)間，就盡可能減小了線(xiàn)圈發(fā)熱的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了“脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)”，但脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的時(shí)間周期都在毫秒量級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中尚存在很多局限性。

2019年12月，中國(guó)科學(xué)院電工研究所成功研制出中心磁場(chǎng)高達(dá)32.35萬(wàn)高斯的內(nèi)插型全超導(dǎo)磁體，打破了2017年12月由美國(guó)科學(xué)家創(chuàng)造的32萬(wàn)高斯超導(dǎo)磁體的世界紀(jì)錄。

2022年8月12日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置”的混合磁體創(chuàng)造了場(chǎng)強(qiáng)45.22萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，打破了已保持了23年之久的45萬(wàn)高斯穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)世界紀(jì)錄。

2024年9月22日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的水冷磁體產(chǎn)生了42.02萬(wàn)高斯的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)，打破了2017年的41.4萬(wàn)高斯的世界紀(jì)錄。

至此，三類(lèi)穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的世界記錄，均由中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)所創(chuàng)下！

可能大家會(huì)感到困惑，相比此前的世界記錄，新的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)記錄只提高了零點(diǎn)幾萬(wàn)高斯，看起來(lái)“似乎不難”或者說(shuō)“意義不大”，但并非如此簡(jiǎn)單！就像博爾特創(chuàng)下的人類(lèi)百米短跑記錄，9秒58，15年過(guò)去了，哪怕再提升0.01秒都極度困難！抑或像伊辛巴耶娃那樣，把女子撐桿跳高世界記錄刷新了28次，每次提高0.01米，都是人類(lèi)的進(jìn)步！刷新穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的記錄亦如此，代表著科學(xué)家們不斷追求極致、突破極限、勇于挑戰(zhàn)的精神，這才是技術(shù)進(jìn)步的源動(dòng)力！事實(shí)上，超強(qiáng)水冷磁體采用了多孔結(jié)構(gòu)的金屬比特片作為“線(xiàn)圈”，借助高速流動(dòng)且不導(dǎo)電的超純水帶走熱量，已不是傳統(tǒng)的螺線(xiàn)管磁體，還需要在電源控制、磁體結(jié)構(gòu)、加工工藝多個(gè)方面精益求精，才能最終突破記錄。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)在基礎(chǔ)科研和前沿應(yīng)用均發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，有可能發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的新?tīng)顟B(tài)或材料的新物性，進(jìn)而帶了新理論或新應(yīng)用的啟示。對(duì)于一些材料的特殊性質(zhì)，例如超導(dǎo)材料的上臨界磁場(chǎng)、拓?fù)洳牧系牧孔诱袷?、關(guān)聯(lián)電子材料的量子相變等，都可以借助強(qiáng)磁場(chǎng)獲得準(zhǔn)確的信息。穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)也是電磁感應(yīng)加熱冶金、功能核磁共振成像、可控?zé)岷司圩儭⒏吣芰Ｗ蛹铀倨鞯葢?yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。可以說(shuō)，強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用覆蓋物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)、工程技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。盡管地球上的人類(lèi)目前能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)已經(jīng)超過(guò)了45萬(wàn)高斯，瞬態(tài)磁場(chǎng)甚至突破了1000萬(wàn)高斯，但跟宇宙中的極端環(huán)境相比還是相差甚遠(yuǎn)，例如強(qiáng)磁中子星就可能產(chǎn)生百萬(wàn)億甚至千萬(wàn)億高斯的磁場(chǎng)。

希望在未來(lái)，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的世界記錄，還能不斷被刷新！

作者： 羅會(huì)仟

審核： 姬揚(yáng) 浙江大學(xué)物理學(xué)院 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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