強磁場磁體的演進：邁向全超導磁體新時代

磁性是人類文明發展中極具標志性的自然力利用典范，從古代的定向導航到現代的電子科技、航天醫療，其應用貫穿了人類文明進步的關鍵階段，不僅推動了生產生活、科學探索的突破，更重塑了人類認知自然、改造世界的方式。磁場在我們生活中無處不在，我們賴以生存的地球就帶有磁性，其大小約為0.5高斯，雖然看似很小，但是保護地球上人類免受太陽風的侵擾。此外，生活中經常看到的電動機、發電機、變壓器、磁盤等設備也都依賴磁場工作。

圖 1 地球上的磁場分布。

在實驗室內，主要通過螺線管或者亥姆霍茲線圈來產生磁場。根據畢奧 - 薩伐爾定律（Biot-Savart Law），恒定電流能激發磁場。給螺線管施加穩定電流后，在螺線管中心軸線方向能產生穩定的磁場。此種方式產生的磁場強度與線圈匝數和電流大小成正比，與螺線管內徑平方成反比。

根據制作螺線管的材料，磁場持續時間，可將磁體分為水冷磁體、脈沖場磁體和超導磁體。這三種方式各有特點，可用于不同的場景。水冷磁體升降場速度快，但能耗高，每天可運行時長受限于冷卻水的水量。脈沖場磁體磁場強度極高，可達100T，散熱也快，但磁場持續時間極短。超導磁體使用超導材料，使用液氦或者制冷機降溫至超導態，通電流后即可產生強磁場，幾乎無能量損耗，磁場持續時間長。

常規水冷磁體的主要材料為高電導率的無氧銅或者銅銀合金，高場下運行的水冷磁體核心部件為Bitter 片，材料為銅銀合金。位于歐洲強磁場實驗室的水冷磁體如圖2所示。通電流后，通過高壓去離子水帶走電流產生的熱量，避免線圈溫度過高。水冷磁體與超導磁體組裝在一起，可以構建混合磁體。美國的混合磁體位于塔拉哈西的國家強磁場實驗室，最高磁場為45T，超導外線圈產生 11.4T，水冷電阻內線圈產生 33.6T，水冷線圈運行功率約為30MW。2000年就已達到45T的目標，在長達20多年的時間內都是世界紀錄。我國的混合磁體位于合肥強磁場科學中心，其實物圖如圖3所示。2022年8月12日，該磁體在26.9 MW的電源功率下產生了45.22T的穩態強磁場，刷新了混合磁體的世界紀錄。去年，位于法國格勒諾布爾的法國國家科學研究中心強磁場實驗室，也實現了最高磁場達到43T的混合磁體，可以長期工作在42T。

圖 2 位于 歐洲強磁場實驗室內的水冷磁體。右圖為Bitter片制作的磁體圖。圖片來自歐洲強磁場實驗室官網。

圖3 位于合肥強磁場科學中心的水冷加超導混合磁體。圖片來自合肥強磁場科學中心官網。

脈沖場磁體通過發電機（功率GW量級）和電容組（儲能MJ量級）在極短時間內向特制線圈施加大電流脈沖，可產生萬安量級的電流，其持續時間為毫秒量級，目前是實驗室內獲得100T 以上極端強磁場的唯一方式。脈沖場磁體內部結構如圖4所示，磁體主體部分可分為內層線圈，中層線圈和外圈線圈，分別由三臺獨立的電容組驅動。高強度銅銀合金和高性能液晶聚合物纖維交替繞制，提高整個磁體的強度。為防止勵磁過程中，磁體溫度過高，整個磁體泡在液氮中。圖5展示了脈沖磁體的勵磁過程，三層線圈產生的磁場疊加，在8mm孔徑內可以達到100T磁場。

圖4 法國國家強磁場實驗室的脈沖場磁體。圖片來自Physics Reports 765-766 1-39 (2018)。

圖5 脈沖場磁體勵磁過程。圖中標注為樣品空間和線圈中存儲能量。圖片來自Physics Reports 765-766 1-39 (2018) 。

我國的脈沖強磁場實驗室位于武漢華中科技大學中，目前有多個磁體對外服務，最高磁場為94.8T。在脈沖場主磁體內部放置一個補償線圈，通過精準控制，還可以產生平頂磁場，持續時間達到10ms~100ms，在此時間段內可進行核磁共振，比熱，I-V曲線和磁光成像測量，拓展了脈沖場磁體的應用場景。

圖6 平頂脈沖場勵磁曲線。在50T磁場下，持續時間100ms。圖片來自武漢國家脈沖強磁場科學中心官網。

上面介紹的強磁場磁體主要是利用了普通的金屬材料制作，產生磁場的同時會產生熱量，而超導做為一類特殊的量子材料，具有零電阻的特點。在磁場下，根據是否形成磁通渦旋可將超導體分類為Type I和Type II類型。對于Type I超導體，磁場超過Hc時超導電性立即被破壞。對于Type II超導體，磁場超過下臨界磁場Hc1后，磁場會進入超導體內，形成磁通渦旋態，直到磁場超過上臨界磁場Hc2后，超導態才被完全破壞。圖7展示了常見超導體的分類，Pb，In和Sn四種金屬元素為Type I超導體，NbTi，Nb3Sn，MgB2和YBCO四類化合物材料為Type II超導體。由于Type II超導體上臨界磁場高，且混合態（Hc1＜H＜Hc2）下磁通釘扎能提高臨界電流密度，是超導磁體的首選材料。根據超導轉變溫度，還可以將超導體分為低溫超導體和高溫超導體，其分界線默認為40K。

圖7 常見超導體分類。前三種金屬元素超為Type I超導體。后四種多元化合物為Type II超導體。

超導磁體利用超導材料零電阻的特性，加電流后，超導電纜不會發熱，只在超導電纜接口和電流引線上存在發熱效應。只要保證充足的液氦供應或通過制冷機持續降溫，超導磁體可以長時間保持在穩恒的磁場。目前實驗室或者醫院用到的超導磁體絕大部分為低溫超導磁體，其構成如圖8所示，超導磁體放置在液氦杜瓦中，保持超導狀態。為了降低液氦消耗，杜瓦中還包含真空夾層，液氮池，防輻射屏和防輻射片。在磁體冷孔直徑里插入變溫插件，對被測樣品可進行多種手段的測試。低溫超導磁體材質為NbTi和Nb3Sn。這兩種材質特點為價格低廉，加工工藝成熟。NbTi是面心立方合金，具備優異的塑性和延展性，可直接進行冷拉、軋制、絞合等常規金屬加工工藝，能制成超細芯絲絞纜、薄帶材、漆包線，適配各種磁體線圈的繞制需求。NbTi超導轉變為9.2K，4.2K載流能力有限，主要用于10T以下的應用場景。Nb3Sn為A15 型金屬間化合物，晶體結構致密，硬而脆，塑性極差，無法直接冷加工成細導線或帶材，必須采用青銅法或內錫法這兩類先成型后固相反應的工藝。其超導轉變溫度為18.1K，雖然接近零溫下的臨界磁場可以達到30T，但是載流能力幾乎消失，所以應用時其最大的磁場一般不超過20T。

圖8 實驗室內常用的低溫超導磁體剖面圖

要產生更高的磁場，就需要用到高溫超導體。主流材料為YBa2Cu3O7-x（REBCO），Bi2Sr2Ca2Cu3Ox和Bi2Sr2CaCu2Ox。REBCO帶材的實物圖如圖9所示。二代 REBCO 帶材在液氮 77K下仍具備可觀的載流能力，且上臨界磁場（Hc2＞100T）遠超低溫超導，高場下的性能優勢是低溫超導無法比擬的。高溫超導材料本質上為陶瓷，硬而脆，無柔性無法直接作為超導帶材。REBCO 帶材為多層復合柔性結構，如圖10所示，通過“金屬基帶 + 緩沖織構層 + 超導層 + 穩定層” 的復合設計，實現可繞制、可工程化應用。其中超導層為薄膜，厚度為um量級，鍍膜工藝為金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）或者脈沖激光沉積（PLD），其中 MOCVD 是量產主流工藝，可實現百米級、千米級連續制備。高溫超導帶材4.2K/20T 下臨界電流密度Jc 仍大于1×10? A/cm2。

圖 9 REBCO超導帶材實物圖。

圖10 REBCO超導帶材結構圖。按功能可分為金屬基帶，緩沖層，超導層和穩定層。

目前市場上高溫超導帶材品質逐漸趨于穩定，利用高溫超導帶材制作超導磁體的實驗室逐年增多。高溫超導磁體在運行過程是一個電磁力熱多場耦合系統，制作時需要統籌考慮帶材的臨界磁場，載流能力，力學性能，低溫穩定性。高溫超導磁體內部結構如圖11所示。其制作流程大致為：使用繞線機，將高溫超導帶材繞制成餅狀，兩個餅合并變為一個雙餅線圈。將多個雙餅線圈精密安裝在支撐骨架上，餅與餅之間通過墊片隔開，再將雙餅之間的接口用低溫焊錫焊接在一起。在每個雙餅上，還會焊接電壓測試線，用來監測磁體電壓，磁體運行時能發現失超跡象，提前采取措施。與低溫超導磁體使用環氧樹脂作為絕緣材料不同，高溫超導磁體可使用金屬絕緣（metal-as-insulation）技術。該技術利用了高溫超導帶材中超導電流沿零電阻路徑傳導這一特性，即使局部存在缺陷，也能通過旁路分流，避免失超；而一旦超導態被破壞，電流會快速分散至整個常規導電線圈內，從而避免局部過熱。2019年的實驗結果證實，在31.1T背景場下，高溫超導磁體在液氦溫度下最高可以產生14.4T磁場，驗證了高溫超導磁體的性能，其實驗結果如圖12所示。

圖 11 高溫超導磁體圖。圖片來自Nature 570, 496 (2019)。

圖12 高溫超導帶材在4.2K可以承受45.5T的磁場。圖片來自Nature 570, 496 (2019)。

將高溫超導磁體和低溫超導磁體組合，可以構成全超導磁體，結構如圖13所示，能同時發揮高溫超導材料高臨界性能和低溫超導材料廉價且技術成熟的優勢。全超導磁體相比于混合磁體和脈沖場磁體，雖然磁場強度不夠高，但是在磁場穩定性、均勻性和能耗等特點上存在很大優勢。其運行時能耗極小，可連續工作，工作時長沒有限制。空間均勻性和時間穩定性也均優于混合磁體和脈沖場磁體。另外，全超導磁體及測控系統總占地面積也很小，極大的降低了使用限制。

圖13 全超導磁體結構示意圖。圖片來自美國強場實驗室。

目前，國內兩臺可以面向用戶開放使用的全超導磁體均位于懷柔科學城綜合極端條件實驗裝置內。一臺為高均勻度全超導磁體，如圖14所示，最高磁場為26T，主要用于核磁共振測試。低溫超導磁體材質為NbTi和Nb3Sn，可以產生15T背景場，內徑為250mm。高溫超導內插磁體的材質為Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，冷孔直徑為50mm，放入低溫超導磁體內部，在15T的背景磁場之下可以增加11T磁場。為了提高磁場穩定度，將磁體電源置于恒溫環境。另一臺全超導磁體主要用于量子振蕩實驗，如圖15所示，最高磁場為30T（2026年1月之前），由15T的低溫超導磁體和15T的高溫超導磁體(YBa2Cu3O7-x)組合而成。配合稀釋制冷機，最低溫度可到30mK，樣品空間直徑22mm。配合氦4變溫插件使用，最低溫度可到1.5K，樣品空間直徑24mm。截至2025年底，基于這兩個用戶全超導磁體，已為包括法國國家科學研究中心、英國劍橋大學、日本岡山大學、中國科學技術大學、中國人民大學、中國科學院電工研究所和浙江大學等20多家科研機構的用戶服務，完成了40多項用戶課題，服務機時超過3萬小時，與用戶合作取得了一系列重大成果，在新型磁性籠目超導材料、鎳基高溫超導和新型交錯磁性材料的研究中發揮關鍵作用，相關成果已經陸續發表在Nature, Nature Physics, Nature Electronics, Nature Communications, Phys. Rev. X, Phys. Rev. Lett. , J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊上。

圖14 綜合極端條件實驗裝置的26T高均勻度全超導磁體。左圖為組裝好的全超導磁體，中間為低溫超導磁體，右側為高溫超導磁體。

圖15 綜合極端條件實驗裝置的30T全超導磁體。左圖為組裝好的全超導磁體，中間為低溫超導磁體，右側為高溫超導磁體。

綜合極端條件實驗裝置的兩臺全超導磁體保持長期穩定運行，驗證了全超導磁體的能力。而科研人員對強磁場極限的追求是無止境的。為了實現更高的磁場，綜合極端條件實驗裝置對量子振蕩實驗站的全超導磁體進行了升級，中國科學院電工研究所設計和制作了新的高溫超導內插磁體，磁體冷孔直徑依舊保持35mm，保證先前的低溫插件和測量桿能夠復用。2026年1月，升級后的全超導磁體達到了35.6T的世界紀錄，其中低溫超導磁體提供15T磁場，高溫超導磁體提供20.6T磁場。能達到如此高的磁場，主要有這幾個方面的因素。首先，中國科學院電工研究所和物理研究所在前期為綜合極端條件實驗裝置聯合研制兩臺全超導磁體的過程中，積累了大量的磁體設計和運行經驗，為新的高溫超導磁體的設計優化提供了方向。新磁體創新性地在不同部位使用不同寬度的高溫超導帶材，充分發揮了不同帶材的優勢，將哈氏合金和超導帶材同步繞制，增加了高溫超導磁體的強度。其次，新的高溫超導磁體采取了一系列的措施，精進焊接工藝，降低接頭電阻，改進電流引線，降低液氦消耗。為了實現磁場的高空間均勻性，研究人員在組裝磁體時，將兩臺磁體磁場中心偏移誤差控制在1mm以內，這對于重量為1噸的背場磁體和重量超過150Kg的內插磁體是有難度的。最后是兩個研究所間緊密合作，加快了研究進展。雙方人員在內插磁體單獨測試，全超導磁體聯合測試等過程充分溝通，充分發揮各自優勢。

經過系統性升級，全超導磁體將在多個維度顯著提升我國的綜合科研能力。在物質科學領域，它可提供更強、更穩定的極端磁場環境，有望幫助發現新奇量子物態并揭示新的物理規律，推動超導材料、拓撲物態等前沿方向的深入研究。同時，該磁體系統也驗證了高溫超導帶材在高場下的工程適用性，為可控核聚變裝置、下一代粒子加速器、高速磁懸浮交通等重大戰略領域提供關鍵技術支撐。目前，美國、歐洲和日本均已布局40T級全超導磁體研制計劃，標志著該領域已成為國際科學競爭的焦點之一。特別值得關注的是，2025年10月，美國國家強磁場實驗室成功實現重大突破——其高溫超導磁體在31T水冷磁體背景場下產生了高達48.7T的中心磁場，創造了全球超導混合磁體新的里程碑。這一成果不僅為45T及以上超高場全超導磁體的工程實現奠定了堅實基礎，也充分驗證了高溫超導材料在極端條件下的工作潛力。隨著高溫超導帶材性能的持續提升與成本優化，有望在不久的將來，在實驗室內實現磁場強度超越現有混合磁體的全超導磁體系統，開啟強磁場科學的新紀元。

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