75T！「萬磁王」的進化歷程

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上個世紀初，人們-發現在磁場作用下，物質內部能上演出不同尋常的新故事，而且磁場越強，故事越豐富多彩。於是，人們想方設法製作出更強的磁場，好像誰擁有最強的磁場，誰就掌握了領域內研究的先機。本文就梳理穩態強磁場發展的幾個階段，這裡產生強磁場的磁體只涉及水冷磁體或水冷磁體疊加超導磁體組合而成的混合磁體，因為目前這兩種磁體遠比最強的超導磁體所產生的磁場要強得多。磁體技術的發展可分為四個時期：第一階段（1960年前）、第二階段（1960-1990年）、第三階段（1990-2017年）、第四未來階段（2017年-本世紀末）。

第一階段：1960年前

上世紀初，人們用巨型螺線管產生的磁場強度有5T；1936年，美國麻省理工學院（MIT）的FrancisBitter教授用數學分析的方法和一系列的實驗，研製出以其名字命名的Bitter線圈，創立了產生穩態強磁場的Bitter磁體技術基礎。如圖1為Bitter導體片和比特磁體結構。Bitter線圈由帶有冷卻孔的導體片和絕緣片疊加而成，高流速的水通過其中分布的小孔將磁體運行過程中產生的熱量帶走。實踐證明，這種結構能有效地利用電能, 冷卻效果也較好, 但是磁體內部電流密度和應力都較大。

從此，高功率水冷Bitter磁體成為各實驗室的強磁場實驗裝置的主體裝置，可產生10T的磁場。

但接下來，此種技術暫時地退出了歷史舞台。

圖1：Bitter導體片

比特磁體結構

第二階段：1960-1990年

自60年代開始，為發展強磁場技術，1960年美國在麻省理工學院建成了世界上第一個國家高場磁體實驗室(FrancisBitter National Magnet Laboratory, FBNML)，並把Bitter磁體的磁場提高至20T。後來，德國、法國、日本等國家相繼成立強磁場實驗室，強磁場下的科學研究獲得廣泛開展。在提高水冷磁體場強的過程中，人們意識到線圈應力對於提高場強的制約性，並不斷進行改進。

人們試圖產生20T以上的磁場，一種有效的方法是將更多的能耗放到近線圈的內徑處，但這帶來高功率密度和高洛倫茲力，從而產生高溫和高應力問題，為了解決上述問題，人們走了兩條路，一是徑向冷卻線圈，二是多螺旋線圈。80年代，美國的MIT利用徑向冷卻方法獲得了23.4T/10MW的磁場，德國馬普研究所和法國國家科研中心(MPI-CNRS)發展了多螺旋磁體技術(Polyhelix Magnet)，這種螺旋體結構由同軸的單層線圈組成(Helices)，每一薄線圈是一個單層繞組，線圈匝間用環氧樹脂粘結，起到絕緣作用，冷卻水通過相鄰線圈之間的通道，因此冷卻面大，傳熱效果好，可以承受較高的電流密度。這種結構較好地解決了高應力問題, 並方便設計者優化尺寸和電流分布，以及分別優選每個螺旋體材料。 MPI-CNRS利用多螺旋線圈技術獲得了25T/10MW的磁場。圖2為徑向冷卻線圈結構和多螺旋磁體結構。

圖2：徑向冷卻線圈結構

多螺旋磁體結構

1965年，M.F.Wood和D.C.Montgomary提出了混合磁體概念，因而於80年代初，將最高穩態磁場提高到31T/10MW。此種磁體由內部水冷磁體和外部超導磁體組合而成，其外部超導磁體和商用超導磁體的最大區別在於其口徑大。

好像有一根鞭子在不停地催促著全世界的強磁場技術人員，他們永不滿足琢磨琢磨再琢磨，想出各種新花樣來。時間就來到了上世紀90年代。

第三階段：1990-2017年

為進一步減小磁體的冷卻線圈應力，上世紀90年代，美國國家強磁場實驗室的高秉鈞、Schneider-Muntau等人設計了一種新型Bitter磁體片，優化了磁體片冷卻孔的形狀和位置，極大地減小了應力，增大了冷卻面積。這種改進的Bitter 片被稱作「Florida-Bitter」，見圖3，已被美國國家強磁場實驗室等廣泛應用，1996年2月利用它產生了當時水冷磁體最高的磁場33T；2000年1月其研製的混合磁體達到45T。

高秉鈞回國後，利用新型Bitter線圈先後研製出三台創紀錄水冷磁體，其中一台於2015年創水冷磁體最高場強38.5T，突破了水冷磁體研製工藝的極限。此紀錄僅保持不到兩年，美國國家強磁場實驗室再次創紀錄，獲得41.4T的水冷磁體穩態場強。