水冷磁體技術(shù)是現(xiàn)代高端科學(xué)研究、醫(yī)療診斷與治療、工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域的核心支撐技術(shù)。在科學(xué)研究中，強(qiáng)磁場環(huán)境對于探索物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)至關(guān)重要；在醫(yī)療領(lǐng)域，磁共振成像（MRI）設(shè)備依賴高性能磁體提供清晰準(zhǔn)確的圖像；在工業(yè)上，磁選、磁力攪拌等工藝也離不開磁體技術(shù)的支持。然而，長期以來，國際上少數(shù)發(fā)達(dá)國家在水冷磁體技術(shù)的高端層面占據(jù)主導(dǎo)地位，我國面臨著技術(shù)封鎖和設(shè)備進(jìn)口成本高昂的困境。為了突破這一局面，提升我國在該領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力，我國科研人員不懈努力，經(jīng)過多年攻關(guān)，成功創(chuàng)造了世界水冷磁體技術(shù)的新高峰。

▏什么是水冷磁體

水冷磁體，是一種通過水冷方式維持穩(wěn)定運(yùn)行，以產(chǎn)生特定磁場的裝置 ，在科研、工業(yè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從工作原理來看，其基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象。當(dāng)電流通過纏繞在特定結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場。為獲得強(qiáng)大磁場，往往需要通過較大電流。然而，大電流會(huì)使導(dǎo)體因電阻產(chǎn)生大量熱量，這對磁體性能和穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。水冷磁體通過巧妙設(shè)計(jì)，讓冷卻液（通常是水）在導(dǎo)體周圍循環(huán)流動(dòng)。水具有較高的比熱容，能夠高效吸收并帶走導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，使磁體維持在適宜工作溫度，確保長時(shí)間穩(wěn)定地產(chǎn)生高強(qiáng)度磁場。水冷磁體的結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜。核心部分是由高導(dǎo)電性材料（如銅合金）制成的導(dǎo)體繞組，這些繞組精心纏繞成特定形狀，以優(yōu)化磁場分布。圍繞繞組的是水冷系統(tǒng)，包括冷卻管道、水泵、散熱器等組件。冷卻管道緊密貼合繞組，水泵驅(qū)動(dòng)水在管道中循環(huán)，散熱器則將吸收熱量后的水冷卻，以便循環(huán)利用。在應(yīng)用上，水冷磁體在科研領(lǐng)域貢獻(xiàn)突出。在強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家借助水冷磁體產(chǎn)生的高強(qiáng)度磁場，研究物質(zhì)在極端條件下的特性，如探索新型超導(dǎo)材料、研究強(qiáng)磁場對生物分子的影響等。在工業(yè)方面，它用于磁選設(shè)備，從礦石等原料中分離出磁性物質(zhì)，提高選礦效率。在醫(yī)療領(lǐng)域，雖不如超導(dǎo)磁體在MRI中應(yīng)用廣泛，但在一些特定的磁療設(shè)備研發(fā)中，水冷磁體也展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值。

▏水冷磁體技術(shù)發(fā)展歷程

回顧水冷磁體技術(shù)的發(fā)展，它走過了漫長而曲折的道路。早期，受限于材料和技術(shù)水平，能夠產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度十分有限。但隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些具有良好導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性的材料，如銅合金等，這些材料成為了制造水冷磁體導(dǎo)體的理想選擇。同時(shí)，冷卻技術(shù)也在不斷革新，從最初簡單的水冷方式，逐漸發(fā)展到更加高效的循環(huán)冷卻系統(tǒng)，能夠更精準(zhǔn)地控制磁體的溫度。在這個(gè)過程中，各國科學(xué)家都在積極探索，不斷嘗試突破磁場強(qiáng)度的極限。每一次的進(jìn)步，都為后續(xù)的研究奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為超導(dǎo)磁體技術(shù)的整體發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。

▏技術(shù)研發(fā)背景

一、國際技術(shù)現(xiàn)狀國外在水冷磁體技術(shù)方面起步早，技術(shù)成熟度高。以美國、歐洲和日本為代表的國家和地區(qū)，在高場強(qiáng)磁體的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，擁有先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)工藝。例如，在大型粒子加速器項(xiàng)目中，其使用的水冷磁體能夠產(chǎn)生極高強(qiáng)度和穩(wěn)定性的磁場，為前沿科學(xué)研究提供了強(qiáng)大的支撐。

二、國內(nèi)技術(shù)需求隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的不斷提高，對高性能水冷磁體的需求日益增長。在科研領(lǐng)域，我國積極推進(jìn)大科學(xué)裝置建設(shè)，如強(qiáng)子對撞機(jī)、核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等，對磁體的性能和穩(wěn)定性提出了極高要求；在醫(yī)療領(lǐng)域，國產(chǎn)高端 MRI設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)需要自主可控的高性能磁體技術(shù)，以降低設(shè)備成本，提高醫(yī)療服務(wù)的可及性；在工業(yè)領(lǐng)域，新材料、新能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也依賴于先進(jìn)的磁體技術(shù)來提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

▏42.02萬高斯穩(wěn)態(tài)磁場的重大突破

一、突破的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新我國科學(xué)家在水冷磁體技術(shù)領(lǐng)域取得的產(chǎn)生42.02萬高斯穩(wěn)態(tài)磁場這一重大突破，背后蘊(yùn)含著一系列關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新。在材料方面，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和篩選，研發(fā)出了一種新型的導(dǎo)體材料，這種材料不僅具有極高的導(dǎo)電性，能夠在較小的電阻下通過大電流，而且在高溫環(huán)境下依然能夠保持良好的物理性能，大大減少了因電阻產(chǎn)生的熱量損耗。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，科學(xué)家們采用了全新的磁體繞組結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化導(dǎo)體的纏繞方式和布局，使得磁場分布更加均勻，有效地提高了磁場強(qiáng)度的利用率。同時(shí)，為了更好地解決散熱問題，他們還設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的水冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)磁體不同部位的溫度變化，精確地調(diào)節(jié)冷卻液的流量和流速，確保整個(gè)磁體在運(yùn)行過程中始終保持在適宜的溫度范圍內(nèi)。

二、打破世界紀(jì)錄的意義這一成就打破世界紀(jì)錄，其意義不僅僅局限于數(shù)字上的超越。首先，它標(biāo)志著我國在水冷磁體技術(shù)領(lǐng)域達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。長期以來，在高端磁體技術(shù)方面，我國曾面臨著諸多技術(shù)封鎖和挑戰(zhàn)。此次突破向世界展示了我國在該領(lǐng)域的強(qiáng)大科研實(shí)力和創(chuàng)新能力，為我國在國際科研舞臺(tái)上贏得了更高的聲譽(yù)和話語權(quán)。更為重要的是，42.02萬高斯的穩(wěn)態(tài)磁場為物質(zhì)科學(xué)前沿研究提供了前所未有的極端實(shí)驗(yàn)條件。在如此高強(qiáng)度的磁場環(huán)境下，物質(zhì)的許多特殊性質(zhì)和物理現(xiàn)象能夠被更清晰地觀察和研究。例如，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，科學(xué)家們可以研究電子在強(qiáng)磁場下的量子行為，探索新型超導(dǎo)材料的奧秘；在材料科學(xué)中，強(qiáng)磁場可以誘導(dǎo)材料產(chǎn)生獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能變化，為開發(fā)高性能材料提供新的途徑。

▏超導(dǎo)磁體技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

一、醫(yī)療領(lǐng)域的磁共振成像（MRI）超導(dǎo)磁體技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用最為人熟知的當(dāng)屬磁共振成像（MRI）。MRI設(shè)備利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)大而均勻的磁場，使人體組織中的氫原子核發(fā)生共振。通過檢測這些共振信號(hào)，醫(yī)生可以獲得人體內(nèi)部詳細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)圖像，從而準(zhǔn)確地診斷疾病。與傳統(tǒng)的X射線、CT等成像技術(shù)相比，MRI具有無輻射、對軟組織分辨力高等優(yōu)點(diǎn)。例如，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷中，MRI能夠清晰地顯示大腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，幫助醫(yī)生發(fā)現(xiàn)早期的腦部病變，如腫瘤、腦血管畸形等。在心血管疾病的診斷方面，MRI可以實(shí)時(shí)觀察心臟的運(yùn)動(dòng)和血流情況，為心臟病的診斷和治療提供重要依據(jù)。

二、高能物理實(shí)驗(yàn)中的粒子加速器在高能物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，粒子加速器是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要工具。而超導(dǎo)磁體則是粒子加速器的核心部件之一。超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以引導(dǎo)和加速帶電粒子，使其達(dá)到接近光速的速度。以大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）為例，它使用了大量的超導(dǎo)磁體來控制質(zhì)子束的運(yùn)行軌跡。在LHC的環(huán)形隧道中，超導(dǎo)磁體沿著軌道排列，通過精確調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度和方向，確保質(zhì)子束在高速運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定，并最終實(shí)現(xiàn)對撞。通過對撞產(chǎn)生的高能粒子碎片，科學(xué)家們可以研究物質(zhì)的基本組成和相互作用，驗(yàn)證和探索新的物理理論，如希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)就離不開超導(dǎo)磁體技術(shù)在粒子加速器中的應(yīng)用。

三、能源領(lǐng)域的磁約束核聚變能源問題是當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一，而磁約束核聚變被認(rèn)為是未來清潔能源的希望所在。在磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中，超導(dǎo)磁體起著至關(guān)重要的作用。它通過產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，將高溫等離子體約束在一定的空間范圍內(nèi)，使其達(dá)到核聚變所需的條件。例如，我國的“東方超環(huán)”（EAST）核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，就采用了先進(jìn)的超導(dǎo)磁體技術(shù)。在EAST裝置中，超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場能夠有效地約束高溫等離子體，使其溫度達(dá)到上億攝氏度，為實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)創(chuàng)造條件。如果磁約束核聚變技術(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，將為人類提供幾乎無限的清潔能源，徹底改變?nèi)虻哪茉锤窬帧?img src="https://pqnoss.kepuchina.cn/kepuyun/2025/02/26/09/1740444735631.png" alt="" />

▏超導(dǎo)磁體技術(shù)的未來展望

一、性能提升的方向在未來，超導(dǎo)磁體技術(shù)在性能提升方面有著明確的方向。一方面，進(jìn)一步提高磁場強(qiáng)度仍然是重要的目標(biāo)。隨著材料科學(xué)和工程技術(shù)的不斷發(fā)展，有望研發(fā)出臨界溫度更高、載流能力更強(qiáng)的超導(dǎo)材料，從而實(shí)現(xiàn)更高的磁場強(qiáng)度。例如，高溫超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展如果能夠取得重大突破，將有可能使超導(dǎo)磁體在更高的溫度下運(yùn)行，降低制冷成本，同時(shí)提高磁場強(qiáng)度。另一方面，提高磁場的均勻性和穩(wěn)定性也是關(guān)鍵。在許多應(yīng)用領(lǐng)域，如高精度的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和先進(jìn)的醫(yī)療成像設(shè)備，對磁場的均勻性和穩(wěn)定性要求極高。未來的研究將致力于優(yōu)化磁體的設(shè)計(jì)和制造工藝，采用更先進(jìn)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對磁場的精確調(diào)控，確保磁場在長時(shí)間運(yùn)行過程中保持高度的均勻和穩(wěn)定。

二、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的潛力超導(dǎo)磁體技術(shù)在拓展應(yīng)用領(lǐng)域方面也具有巨大的潛力。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，磁懸浮列車就是超導(dǎo)磁體技術(shù)的一個(gè)潛在應(yīng)用方向。超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以使列車懸浮在軌道上，減少摩擦力，從而實(shí)現(xiàn)高速、平穩(wěn)的運(yùn)行。與傳統(tǒng)的輪軌列車相比，磁懸浮列車具有速度快、噪音低、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來城市間快速交通的重要方式。在環(huán)保領(lǐng)域，超導(dǎo)磁體技術(shù)也可以發(fā)揮重要作用。例如，利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，可以對工業(yè)廢水和廢氣中的污染物進(jìn)行高效分離和處理。通過磁場的作用，使帶有磁性的污染物顆粒聚集在一起，便于后續(xù)的分離和回收，從而實(shí)現(xiàn)更高效的環(huán)保處理。超導(dǎo)磁體技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，在過去取得了令人矚目的成就，在未來更是蘊(yùn)含著無限的可能。從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用，它將繼續(xù)為人類社會(huì)的發(fā)展帶來深刻的變革。我國在水冷磁體技術(shù)領(lǐng)域取得的重大突破，不僅為超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，也為我國在相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相信在科學(xué)家們的不懈努力下，超導(dǎo)磁體技術(shù)將在更多領(lǐng)域綻放光彩，為人類的進(jìn)步和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

作者 | 幾維鳥畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書豪復(fù)審 | 魏星華
終審 | 韓永林