日前，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心自主研制的水冷磁体（磁体口径32mm），成功产生42.02特斯拉（T）的稳态磁场，打破了此前的41.4T世界纪录，将人类探索未知的边界推向了新的高度（回顾：《42.02万高斯！我国成功刷新水冷磁体世界纪录》）。稳态强磁场实验装置屡创纪录背后，是团队不懈的努力和技术的不断创新。

▲我国稳态强磁场刷新水冷磁体世界纪录

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“单打”与“混双”双冠军

稳态强磁场主要由3种类型的稳态强磁场磁体产生，分别是水冷磁体、超导磁体以及由水冷磁体和超导磁体组合而成的混合磁体。我国研制的稳态强磁场实验装置（SHMFF）混合磁体已经在2022年刷新过同类型磁体世界纪录，达到45.22T。那么，为什么还要研制42.02T的水冷磁体呢？强磁场科学中心学术主任、研究员匡光力在回答这个问题时打了个比方：“水冷磁体、超导磁体都是‘单打高手’，混合磁体是‘混双组合’。”

▲稳态强磁场实验装置混合磁体

在竞技比赛中，单打、混双都重要，对于科学研究来说亦然，3类磁体都发挥着重要作用。不过，超导磁体受到超导材料临界磁场和拉伸强度的限制，目前能够实现的最高场强是30T级。相较于此，水冷磁体具有励磁速度快、磁场调控灵活快捷、磁场强度高的优势；混合磁体则可以使用更低的电能消耗产生“性价比”更高的磁场。在科学研究中，科学家可以利用磁场，研究物质的磁性变化规律，进而探索其内在的相互作用。磁场越强，这些研究测量的灵敏度和分辨率就越高。一方面，强磁场可以诱导新物态，有效调控材料状态，有利于科学家发现物质新现象，探索物质新规律；另一方面，强磁场可以催生新的重大应用技术，比如核磁共振技术。在强磁场放大作用下，物质内部的微妙现象和规律无所遁形，为基础科学研究提供了前所未有的极端实验环境。稳态强磁场以其持续稳定的磁场环境，成为推动重大科学发现的“利器”。几十年来，全球科学家在稳态强磁场条件下取得了众多重大科研成果，先后有十多项科研成果获得诺贝尔奖。这些成就不仅推动了科学技术的进步，更为人类认识自然、改造自然提供了强有力的支撑。因此，强磁场技术发展成为国际科技竞争的重要领域。

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攻坚克难瞄准新纪录

此次42.02T水冷磁体的背后，是中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心技术研究团队近4年的不懈努力。

▲比特片和比特线圈

团队在比特片、磁体线圈、磁体结构三个层面进行了系统性技术创新，发展了多场耦合高精度应力分析模型，设计了全新电流密度分级线圈，应用了动态液压紧固和流量精确匹配等磁体新结构，很好地解决了水冷磁体在极高场下面临的大电磁应力破坏和高功率密度冷却等难题。为确保水冷磁体拥有强大稳定的动力源，团队提高了电源输出功率和电流稳定性，还大幅降低了电流纹波。为了应对更高磁场强度带来的巨大热量，团队采用了多种先进的水处理技术，有效去除了水中的离子和杂质，达到了超纯水标准，并确保磁体入口水温稳定在10℃以下，为磁体提供了理想的运行环境。团队进一步提高了中央控制系统的控制保护能力，为整个磁体运行提供了强大的安全保障。在团队共同努力下，最终水冷磁体在32.3兆瓦的电源功率下成功产生了42.02T的稳态磁场。

▲42.02T水冷磁体第三次调试成功实验现场

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稳态强磁场的新起点

42.02T水冷磁体是SHMFF性能全面提升后的又一个全新的起点。它的成功研制，不仅进一步实践检验了高场水冷磁体技术，而且为凝聚态物理、材料科学等领域，如拓扑绝缘体、非常规超导、新型功能材料、量子调控等研究提供了强大稳定的实验条件。它将更好地满足科研用户对快捷调控的稳态强磁场的实际需求，为科学家们探索新现象、揭示新规律提供强大的工具。此外，这项成果还为下一代稳态强磁场大科学装置的建设奠定了一项关键技术基础。未来，这些努力将直接助力解决新型电子材料研发、高温超导机理探索与应用、重大疾病病理及药物研发、高性能半导体材料制备等关乎国家命运与未来发展的重大科技问题。

来源：中国科学院合肥物质科学研究院

责任编辑：宋同舟