中科院电工所成功研制世界最高磁场超导磁体

高磁场全超导磁体(位于液氦罐中)正在实验室进行测试(电工图纸)

高低温混合超导磁体测试曲线(电工提供图纸)

12月6日，中国科学院电气工程研究所宣布，该所研究员、王院士团队成功研制出一种中心磁场为32.35特斯拉(t)的全超导磁体。磁体采用自主研发的高温内插磁体技术，打破了美国国家高磁场实验室2017年12月创造的32.0特斯拉超导磁体的世界纪录，标志着中国的高磁场内插磁体技术已经达到世界领先水平。

电气工程研究所副研究员、研究团队成员刘建华在接受《中国科学日报》采访时表示，研究高磁场全超导磁体的初衷是为了打造一个具有极高磁场的世界级超导磁体，以满足国家重大科技基础设施项目对超强磁场的需求，如综合极端条件实验装置， 为中国破解材料、能源、信息等领域的重大科学问题提供最先进的公共实验装置，为重大创新研究提供持续、重要的支持。

据介绍，低温超导磁体产生的磁场强度上限约为23.0吨。为了提高超导磁体的中心磁场强度，获得更高的磁场，该团队采用高低温混合超导磁体的方式建造磁体，即将高温超导磁体插入低温超导磁体的同轴结构中， 利用高温超导带材的高抗拉强度和高磁场的高下载密度的优点，产生23.0T以上的中心磁场。

目前，稀土钡铜氧化物(REBCO)带广泛用于高温插值磁铁。然而，具有层状结构的REBCO带具有弱的层间结合力，并且在极高的磁场条件下容易被巨大的电磁应力拉脱，这严重限制了磁体操作的稳定性。如何在设计理论和关键技术上实现突破成为解决这一问题的关键。

刘建华介绍，该研究团队首次建立和完善了高场插入式磁体的电磁-机械设计理论和方法，通过采用多层线圈结构和改进线圈骨架结构实现了关键技术的突破，降低了线圈应力，创造性地解决了高场插入式超导磁体的应力集中问题，为实现32.35吨超导磁体奠定了基础。

据报道，多年来，该研究团队一直致力于高磁场和高温超导内插磁体技术的研究，先后研制出24.0吨、25.7吨和27.2吨全超导磁体，使中国成为世界上第二个能够制造27.0吨以上稳定运行的超导磁体的国家

研究团队设计并建造了全新的超导线圈和支撑结构，提高了线圈的整体工程电流密度和局部安全裕度，采用轴向弹性支撑结构和捆绑装置，提高了超导接头抵抗局部拉应力集中的能力。通过这些改进措施，插入极高磁场中的磁体的电磁安全裕度和应力安全裕度大大提高。

经过测试，本次建造的超高磁场超导磁体在液氦浸没条件下产生了32.35吨的中心磁场，实现了32.35吨全超导磁体的稳定运行。中国科学院周元院士、麻省理工学院岩崎纯教授等专家学者共同见证了现场试验。

32.35吨超高全超导磁场的实现，标志着我国高场磁体插入技术已达到世界领先水平，其关键技术参数均满足国家重大科技基金项目“综合极端条件实验装置”对超强磁场的技术要求。

据报道，强磁场磁体的应用场景主要包括强磁场物理性质测量、强磁场核磁共振技术、高能加速粒子、探测器、散射中子源、磁约束聚变等领域。刘建华说，该团队开发的高磁场超导磁体将主要用于合成极端条件的实验装置。此外，高磁场超导磁体还可用于物理、化学、材料、生命科学、特种设备、精密科学仪器等领域。(郑金吾)