超導(dǎo)磁體磁場強、能耗低，是強磁科學(xué)研究中不可或缺的利器，同時也是科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的助推器。超高場超導(dǎo)磁體在諸多重要領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱“電工所”）王秋良院士團隊成功研制出大口徑高場通用超導(dǎo)磁體。該磁體最高磁場強度14.0特斯拉（T）、內(nèi)孔直徑164毫米，標志著我國在大口徑高場通用超導(dǎo)磁體設(shè)計與建造技術(shù)水平方面，邁上了新臺階。

▲大口徑高場通用超導(dǎo)磁體

大口徑超導(dǎo)磁體研制“絕非易事”

大口徑超導(dǎo)磁體中心區(qū)域，不僅可以插入更高磁場強度的內(nèi)插線圈，產(chǎn)生極高磁場，為探索新物質(zhì)提供基礎(chǔ)強磁場，還可以在較大孔徑內(nèi)，放入金屬冶煉設(shè)備，用于強磁場下的新材料制備。

將超導(dǎo)材料制備成超導(dǎo)磁體，是超導(dǎo)材料的重要應(yīng)用之一。超導(dǎo)磁體需要在低溫環(huán)境中運行，會使超導(dǎo)材料承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。例如，超導(dǎo)體從室溫降到4.2K（?268.95攝氏度）過程中，會產(chǎn)生冷收縮力，不同材料組分之間由于膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生界面力；并且通電過程中，大電流還會在導(dǎo)體上產(chǎn)生巨大的洛倫茲力。這些應(yīng)力狀態(tài)都會影響超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運行，因此研制大口徑高場超導(dǎo)磁體絕非易事。

造出“不怕冷”的超導(dǎo)磁體

為了克服上述困難，團隊采用鈮鈦和鈮三錫超導(dǎo)體組合。鈮鈦和鈮三錫都是制備超導(dǎo)磁體最常用的低溫超導(dǎo)材料。

鈮鈦超導(dǎo)體是一種超導(dǎo)合金材料，鈮三錫超導(dǎo)體是一種具有陶瓷屬性的脆性金屬間化合物，用手輕輕一彎就會損壞。

更重要的是，它們具有不同的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度、臨界磁場和臨界電流。

因此，需要分別采用不同的處理方式保護兩種超導(dǎo)體，尤其對脆弱的鈮三錫超導(dǎo)體進行特殊的防護。

在研制過程中，科研團隊先后解決了大口徑高場磁體高應(yīng)力調(diào)控設(shè)計、密繞高場磁體高精度制造、低電阻超導(dǎo)接頭等關(guān)鍵技術(shù)問題，掌握了此類通用超導(dǎo)磁體的設(shè)計和制造等成套技術(shù)，并且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

▲超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)測試，磁體達到預(yù)期技術(shù)目標，并且運行穩(wěn)定。

超導(dǎo)磁體在高端科學(xué)儀器、先進醫(yī)療裝備、可控聚變能源、新材料制備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

大口徑高場通用超導(dǎo)磁體技術(shù)的成功突破，將有助于我國重要領(lǐng)域制作技術(shù)水平提升，并為我國超導(dǎo)磁體產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。