稳态强磁场实验装置：探索科学宝藏的“国之重器”

■高雅丽，本报见习记者

2008年5月，中国科学院合肥材料研究所强磁场科学中心承担的稳态强磁场实验装置项目启动。2011年7月，测试磁铁成功通电。2016年11月，成功研制出大直径外超导磁体的混合磁体。2017年2月，专家组完成了混合磁体工艺测试的验收。2017年9月27日，“稳态强磁场实验装置”通过国家验收，验收专家组给予了很高的评价，认为该项目已完全完成建设目标，各项关键参数均达到或超过设计目标，“技术和性能达到国际领先水平”。

九年来，强磁场研究人员取得了一个又一个飞跃，使中国成为国际五大稳定强磁场研究机构之一。中国的强磁场科学技术达到了一个新的水平。

①2016年底首次成功调试混合磁体。

②安装在水冷磁体上的扫描隧道显微镜。

③混合磁体。

"极端的情况是使不可能成为可能."

高炳军是中国科学院高磁场科学中心的首席科学家和“稳态高磁场实验设备”项目的总工程师。他告诉《中国科学报》记者:“在强磁场条件下，物质会改变自身的电子状态，从而创造新的现象。强磁场是一种极端情况。在设计和研制稳态强磁场实验装置的过程中，我们经常会遇到许多难以克服的困难，甚至没有出路。我们必须坚持不懈，实现超越，让不可能成为可能。”

强磁场是调节物质量子态的重要参数。它在发现新现象、揭示新规律、探索新材料和推广新技术方面发挥着不可替代的作用。自1913年以来，许多与磁场有关的成就获得了诺贝尔奖。因此，强磁场的极端条件已成为科技界公认的探索科学宝藏的“国家砝码”。由于缺乏相应的强磁场条件，中国一再错失在材料科学等许多领域进行前沿探索的机会。

据了解，“稳态高磁场实验装置”是多学科实验研究所需的极高磁场实验条件的设施，包括10个高磁场磁体装置和6种实验测量系统。

混合磁体由内部水冷磁体和外部超导磁体组成。它是追求更高稳态极限场强的首选。然而，以前世界上有很多失败的例子。然而，我国在高磁场超导磁体技术方面的基础相对薄弱，所有参与该项目的研究人员都面临着巨大的挑战。

对于水冷磁体，需要解决材料和结构优化、巨大电磁力和发热等问题。匹配几千万瓦的稳态DC电源系统、低温冷却系统和去离子水冷却系统都是无可争议的难题。

为了安全起见，超导磁体组决定开发一种低磁场强度和小口径的试验磁体，但采用相同的材料选择和加工技术。测试磁铁于2011年7月成功通电。在混合磁体的开发真正开始后，所有的科研人员都坚持谨慎而认真的工作状态，并不断努力满足验收要求。

国际领先的科学实验系统

水冷磁体WM1的原始设计比世界纪录高38.5吨。然而，在磁体组装后的预测试中，研究人员发现磁场强度比预期的要低得多，而且已经固定在板上，超出记录是没有希望的。水冷磁体的总设计高炳军带领工作人员调查原因，最终发现大多数苦片的厚度不是原来设计的0.27毫米，而是0.29~0.30毫米

高炳军说:“面对成千上万片苦味药片，我们用天平称重并计算体积来测量每片药片的实际厚度。苦味芯片的测量厚度将被优化配置和重新组合，以使组装的磁体达到原始设计目标。”这样，WM1最终达到了38.5吨的磁场强度，打破了水冷磁场强度的世界纪录。

混合磁体于2016年底首次调试，其磁场强度达到40特斯拉，符合工程验收标准。就在研究人员兴高采烈的时候，磁体系统失灵了。随着春节的临近，项目组正集中精力进行现场调试设备和故障排除。

今年30日上午8点，该设备被准时测试，每个人都在文化走廊里吃了一顿简单而难忘的“除夕大餐”。但是那天，因为冷却不到位，它又失败了。项目组的科研人员在春节假期继续加班。新年的第四天，混合磁铁终于通电，并再次成功。

经过多年的自主创新，强磁场研究团队突破了国际技术壁垒，成功克服了关键材料的国际限制和国内关键技术的差距等重大困难，建成了仅次于美国的世界第二个40T混合磁体，建立了国际领先的科学实验体系，在中国稳定强磁场的极端条件下取得了重大突破。

国家验收意见中的“稳态强磁场实验设备”写道:“该项目提出了水冷磁体的创新设计方案，开发了一套全范围可量化检测的高精度组装工艺。完成的水冷磁体中有三个在性能指标方面创下了世界纪录，其中两个至今仍保持着。突破了研制室温孔径800毫米、磁场强度高达10特斯拉的铌锡超导磁体的技术难点。一个40特斯拉的稳态混合磁体装置已经建成，拥有世界第二高的磁场强度。建成了国际首个水冷磁体扫描隧道显微镜系统、扫描隧道-磁力-原子力组合显微镜系统、强磁场下低温超高压实验系统，使中国稳态强磁场相关实验条件达到国际领先水平。”

“边建设边开放”的新型管理模式

强磁场下的应用研究对高科技产业有很强的催化和带动作用，“强磁场效应”实际上就在我们身边。

高炳军说:“人们熟悉医院的磁共振成像、磁悬浮列车和强磁场技术的其他应用。此外，强磁场有可能在许多新技术的研究和开发中发挥关键作用，如化学合成、特殊材料、生物技术、医药和保健，并孕育新发明。”

据了解，强磁场有助于促进跨学科研究，特别是生命科学、物理、材料、化学和新技术之间的交叉研究。2014年，合肥工业与生物研究所吴跃进课题组与高磁场科学中心钟凯课题组合作研究了造影剂对水稻生长的潜在影响，并通过磁共振成像技术获得了造影剂在根系中的动态信息。这也是世界上首次利用对比介质研究磁共振成像技术在水稻根系无损检测中的应用，为植物根系的研究提供了一种新的研究方法。

在中科院“十二五”验收中，“强磁场科技”的重大突破被评为“双百”优秀。2017年3月，**政治局委员、国务院副总理刘延东视察装置，充分肯定了该团队取得的成绩。

同时，该项目提出并实施了一种新的科学仪器“边建设边开放”的管理模式。自2010年试运行以来，该装置已为北京大学、复旦大学、中国科技大学、浙江大学、南大大学、中国科学院物理研究所、中国科学院固体物理研究所、上海科学院、福建物理研究所等100多个用户单位提供了实验条件。它大力支持强磁场下的前沿研究，产生了大量具有国际影响的科研成果。

随着稳态强磁场装置工程建设的推进，一个能够拼搏的强磁场技术研究团队正在演练中成长。稳态强磁场实验装置将成为科研开发的创新源泉，为合肥综合国家科学中心的建设贡献更多的科技力量。

《中国科学报》(第五版《创新周刊》，2017年10月23日)