我国自主研发35.6特斯拉超导磁体问世 创全球稳态强磁场新纪录

问题——强磁场能力是前沿科学的重要“底座”,但长期受限于极限水平与供给不足。强磁场装置是探索物质微观结构与相互作用的重要工具。磁场越强、均匀性和稳定性越好,核磁共振、量子材料表征、强关联体系研究等实验的分辨率与可重复性就越高。过去较长一段时间,高端强磁场用户装置主要由少数国家实验室提供。国内对超高强磁场平台的需求增长与供给能力之间存缺口,影响了部分原创探索与交叉攻关的效率。 原因——35.6特斯拉“全超导”突破,来自材料、设计与系统集成的协同攻关。此次亮相的全超导用户磁体中心磁场达35.6特斯拉,约为地球磁场的70多万倍,也明显高于常见临床核磁共振设备的场强。与依赖高功耗的电阻式强磁体不同,全超导方案利用超导材料在低温下近零电阻的特性,实现大电流、低损耗运行,能以更可控的能耗获得稳定磁场,这是其能够作为“用户磁体”的关键条件。 但要把全超导磁体推到35特斯拉量级并实现科研可用,难点集中在高温超导材料在强磁场与低温环境下的性能波动、临界电流各向异性、屏蔽电流效应,以及多线圈耦合条件下的电磁与力学稳定等问题。研制团队通过优化电磁设计与线圈协同控制,提升系统在极端条件下的稳定性与可控性;同时在强磁场精密测量、低温运行保障与工程系统集成上形成关键方案,使装置不仅“达到指标”,也能“长期稳定运行并对外开放”。 影响——从“纪录”走向“能力”,对多学科原始创新形成带动。 其一,服务生命科学与医学成像技术储备。超高场强磁体目前主要用于科研,但可磁共振机理研究、成像序列与硬件方案验证等形成牵引,为更高场强、更高分辨率的科研级磁共振设备打基础,有望提升对微小血管、神经纤维束等精细结构的识别能力,为神经退行性疾病等早期机理研究与检测技术迭代提供支撑。 其二,推动物质科学研究在极端条件下取得新发现。强磁场下,量子材料、超导体系、低维结构与强关联电子体系可能呈现常规条件难以观测的新相态与新效应。作为高均匀、高稳定的用户平台,该装置可提高实验分辨率与统计效率,帮助解释材料微观机制,并促进新材料研发。 其三,拓展能源等领域的实验条件。强磁场研究对聚变等离子体约束机理、先进电工材料性能评估等特点是基础支撑意义。同时,全超导方案低能耗运行也契合绿色低碳的高端装备趋势,有助于推动强磁场平台从“高消耗、短时段”向“高效率、长时段”转变。 对策——以开放共享与持续攻关,形成“装置—团队—成果”的良性循环。强磁场装置的价值在于可用、好用、常用。有关团队在完成测试后推动装置进入用户运行阶段,并通过充放电可靠性验证、运行维护制度化、实验工位与数据流程优化等方式提升服务能力。据介绍,装置已在较短周期内完成多次充放电运行并服务多支科研团队,显示出面向开放共享的工程成熟度。下一步建议持续发力三上:一是强化关键材料与核心部件的国产化和稳定供给,形成可迭代的工程体系;二是完善用户实验规范与跨学科服务机制,提高装置利用效率与成果产出;三是加强与重大科学问题凝练的联动,让装置能力更精准对接国家战略需求与前沿方向。 前景——向40特斯拉迈进,体现我国极端条件技术体系加速成熟。研制团队已提出向40特斯拉目标发起冲击。需要看到,从26特斯拉到35.6特斯拉乃至更高水平,每一步提升都不是简单叠加,而是对材料性能、低温工程、结构强度、精密测量与系统控制能力的综合检验。随着运行经验积累、关键技术持续突破,以及开放共享平台对高水平研究的持续吸引,强磁场用户装置有望在更多原创发现与关键共性技术突破中发挥“放大器”作用,也将推动我国在高端科学装置领域加速从“跟跑”迈向“并跑”“领跑”。

强磁场看不见、摸不着,却能让人类对微观结构与基本规律的认识更清晰、更深入;35.6特斯拉全超导用户磁体的诞生,是基础研究与工程能力协同攻关的成果,也表明面向国家战略需求的长期投入正在产生实效。把“国之重器”建好、用好、管好,让开放共享带来更多原创发现,才能在未来科技竞争中赢得主动、积累优势。