超导磁体磁场强、能耗低，是强磁科学研究中不可或缺的利器，同时也是科学新发现的助推器。超高场超导磁体在诸多重要领域具有广泛应用。
中国科学院电工研究所（以下简称“电工所”）王秋良院士团队成功研制出大口径高场通用超导磁体。该磁体最高磁场强度14.0特斯拉（T）、内孔直径164毫米，标志着我国在大口径高场通用超导磁体设计与建造技术水平方面，迈上了新台阶。
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▲大口径高场通用超导磁体
01
大口径超导磁体研制“绝非易事”
大口径超导磁体中心区域，不仅可以插入更高磁场强度的内插线圈，产生极高磁场，为探索新物质提供基础强磁场，还可以在较大孔径内，放入金属冶炼设备，用于强磁场下的新材料制备。
将超导材料制备成超导磁体，是超导材料的重要应用之一。超导磁体需要在低温环境中运行，会使超导材料承受复杂的应力状态。例如，超导体从室温降到4.2K（−268.95摄氏度）过程中，会产生冷收缩力，不同材料组分之间由于膨胀系数不同，会产生界面力；并且通电过程中，大电流还会在导体上产生巨大的洛伦兹力。这些应力状态都会影响超导磁体的稳定运行，因此研制大口径高场超导磁体绝非易事。
02
造出“不怕冷”的超导磁体
为了克服上述困难，团队采用铌钛和铌三锡超导体组合。铌钛和铌三锡都是制备超导磁体最常用的低温超导材料。
铌钛超导体是一种超导合金材料，铌三锡超导体是一种具有陶瓷属性的脆性金属间化合物，用手轻轻一弯就会损坏。
更重要的是，它们具有不同的超导转变温度、临界磁场和临界电流。
因此，需要分别采用不同的处理方式保护两种超导体，尤其对脆弱的铌三锡超导体进行特殊的防护。
在研制过程中，科研团队先后解决了大口径高场磁体高应力调控设计、密绕高场磁体高精度制造、低电阻超导接头等关键技术问题，掌握了此类通用超导磁体的设计和制造等成套技术，并且具有完全自主知识产权。
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▲超导磁体结构示意图
经测试，磁体达到预期技术目标，并且运行稳定。
超导磁体在高端科学仪器、先进医疗装备、可控聚变能源、新材料制备等领域具有广泛的应用前景。
大口径高场通用超导磁体技术的成功突破，将有助于我国重要领域制作技术水平提升，并为我国超导磁体产业化发展奠定坚实的技术基础。
来源：中国科学院电工研究所
责任编辑：宋同舟