劉建華， 程軍勝， 王秋良， 嚴陸光

(中國科學院電工研究所， 北京 100190)

高場超導磁體研究進展及其應(yīng)用

劉建華， 程軍勝， 王秋良， 嚴陸光

(中國科學院電工研究所， 北京 100190)

高磁場對科學技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用，它孕育著許多重大的科學發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生。超高磁場的產(chǎn)生和應(yīng)用研究對極端條件科學設(shè)施、生物醫(yī)學工程、國防特種裝備、高精度的科學儀器以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都具有重要的意義。目前世界上許多研究機構(gòu)和實驗室開展了基于高溫超導帶材繞制高場直流超導磁體的項目。本文以高場超導磁體領(lǐng)域幾個主要的研究機構(gòu)為對象，主要介紹其在全超導高場磁體方面進行的研究工作，包括設(shè)計方案、技術(shù)特點和最新的研究進展，并對高場超導磁體的主要應(yīng)用進行簡要介紹。

高場超導磁體； 高溫超導； REBCO帶材； Bi2223帶材

1 引言

高磁場對科學技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用，它孕育著許多重大的科學發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生。超高磁場的產(chǎn)生和應(yīng)用研究對極端條件科學設(shè)施、生物醫(yī)學工程、國防特種裝備、高精度的科學儀器以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都具有重要的意義[1-4]。

磁場尤其是高磁場所帶來的諸多優(yōu)點，使得人類對于物質(zhì)世界認識不斷加深，對于生命的起源以及從事疾病防治的研究都有特別重要的意義。當今世界最先進的電阻式強磁場最高可以達到45T，但是其需要龐大的電源和水冷系統(tǒng)，運行功耗超過40MW，系統(tǒng)維護困難，還有占地面積大等諸多問題。而低溫超導材料所能產(chǎn)生的最高磁場限制在23T附近，且需要運行在超流氦條件，運行費用一樣較高[5]。目前強磁場領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是采用高低溫超導混合磁體方式產(chǎn)生20T以上的恒定磁場，這種方式可以極大降低系統(tǒng)的構(gòu)建和運行成本。

目前可采用的繞制高場內(nèi)插磁體的商用導線主要有Bi2223帶材、REBCO帶材和Bi2212圓線。目前采用Bi2212圓線制造內(nèi)插磁體的工藝并不成熟，建造高溫內(nèi)插線圈主要還是采用Bi2223帶材或REBCO帶材。Bi2223帶材由于其內(nèi)部多絲結(jié)構(gòu)，其屏蔽電流較小，適用繞制對磁場均勻度要求比較高的核磁共振譜儀(NMR)磁體；而REBCO帶材由于在高場下具有更高的電流傳輸能力和更優(yōu)異的機械性能，更適宜做高場內(nèi)插磁體(≥25T)。目前，實用化的REBCO帶材在低溫下具有臨界電流密度對磁場不敏感、交流損耗小和軸向抗拉應(yīng)力高等優(yōu)點[6]。

高場內(nèi)插線圈根據(jù)繞制方式不同分為層繞式(layer-wound)和雙餅式(double pancake)兩種，又根據(jù)導線是否絕緣分為有絕緣(insulated)和無絕緣(no-insulation)兩種。其中，有絕緣的線圈又分為兩種絕緣方式：①給高溫超導帶材絕緣，比如采用Kapton薄膜半疊包絕緣或采用絕緣套管來對帶材進行絕緣；②通過在繞制高溫超導雙餅線圈過程中并繞絕緣化處理的不銹鋼帶進行絕緣。經(jīng)過絕緣化處理的高溫超導雙餅必須采用主動失超系統(tǒng)來進行保護。無絕緣的高溫超導線圈一般采用雙餅結(jié)構(gòu)，由裸線直接繞制，少數(shù)采用并繞未經(jīng)絕緣化處理的不銹鋼帶進行繞制。盡管無絕緣的雙餅線圈其匝間由銅、黃銅或不銹鋼等金屬組成，但與處于超導態(tài)的超導層相比它們的電阻率均高出好幾個量級，因此在線圈穩(wěn)定載流時，電流將在超導層中流動。一旦高溫超導帶材局部出現(xiàn)失超電壓上升，本來流經(jīng)超導層的電流可以通過選擇電阻更小的匝間金屬導體來進行分流，避開處于非超導態(tài)的超導層，從而可以防止失超區(qū)的繼續(xù)擴展。所以本質(zhì)上無絕緣繞制的磁體是自穩(wěn)定的，無需主動保護系統(tǒng)。此外，無絕緣繞制技術(shù)還提高了內(nèi)插線圈的工程電流密度和機械強度，因此在高溫超導磁體領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。

目前世界上許多研究機構(gòu)和實驗室開展了直流高溫超導磁體項目。截止到目前，磁場最高的超導內(nèi)插磁體，是由美國高場實驗室Hahn團隊采用無絕緣繞制工藝制作的REBCO層繞內(nèi)插磁體，它在31T的阻性磁體中產(chǎn)生了9.2T的磁場，其中心磁場達到了40.2T，繞組的工程電流密度接近達到了破紀錄的905A/mm2[7]。雖然這不是全超導磁體，但它卻證明了REBCO涂層超導體在高場磁體中的應(yīng)用潛力。截止到目前，世界各研究機構(gòu)在全超導磁體高場方面的研究進展如表1所示。

表1 高場全超導磁體研究進展

2 國內(nèi)外研究進展

2.1美國高場實驗室

美國高場實驗室(NHMFL)主要研發(fā)高場用戶磁體(可供用戶使用的磁體)并進行強磁場下的科學研究。目前其正在研制中心場為32T、冷孔直徑為32mm的全超導磁體，該磁體系統(tǒng)有獨立供電的低溫超導(LTS)磁體和高溫超導(HTS)磁體組成，如圖1所示。LTS磁體從牛津公司采購，由NbTi線圈和Nb3Sn線圈組成，冷孔直徑為250mm，為內(nèi)插的REBCO磁體提供15T的背場。HTS內(nèi)插磁體貢獻17T的中心場，其冷孔直徑為32mm[8-10]。

圖1 32T全超導磁體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of 32T all superconducting magnet

內(nèi)插磁體由內(nèi)外兩層線圈組成，由SuperPower公司提供的REBCO帶材繞制。其內(nèi)插磁體的兩個線圈設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)插線圈的設(shè)計參數(shù)

內(nèi)插線圈采用模塊(module)疊加組成，每個模塊由兩個干繞的單餅線圈構(gòu)成。此外，在繞制無絕緣的REBCO帶材時通過并繞經(jīng)氧化鋁溶膠絕緣處理的不銹鋼帶來實現(xiàn)導線的絕緣和加強。由于內(nèi)插線圈進行了絕緣化處理，因此必須設(shè)計主動失超保護系統(tǒng)對內(nèi)插磁體進行保護。為此，美國高場實驗室設(shè)計了一種加熱器置于模塊之間，如圖2所示。當檢測線圈總端壓達到1V時便進行主動保護，即切斷磁體電源并對加熱器進行加熱。通過對模型線圈進行失超測試發(fā)現(xiàn)，主動失超保護系統(tǒng)能有效保護REBCO線圈。

圖2 加熱器安裝位置及形狀Fig.2 Locations and shapes of heaters

2015年6月5日，美國高場實驗室測試了由6個外線圈模塊和6個內(nèi)線圈模塊組成的模型線圈，其在15T背場液氦條件下產(chǎn)生了12T的中心磁場，磁體的中心磁場達到了27T[11]，并穩(wěn)定維持了16min，如圖3所示。

圖3 中心磁體及線圈電流的測試曲線Fig.3 Central magnetic field and coil currents

2.2日本理化技術(shù)研究所

日本理化技術(shù)研究所(RIKEN)在研制1.3GHz NMR磁體過程中，為了獲得高均勻度的磁場，嘗試采用層繞的方法建造高溫內(nèi)插磁體[12-15]。其為了驗證工藝的可行性，設(shè)計了一個由17T/φ130mm的 LTS磁體和11T HTS磁體組成的28T全超導磁體，其中HTS磁體由內(nèi)REBCO線圈和外Bi2223線圈組成，具體參數(shù)如表3所示[16]。

無背場的情況下，在液氦中浸泡的HTS磁體成功產(chǎn)生了13T的中心磁場，但是在17T背場下當中心磁場達到25T時，REBCO導線在接頭部位出現(xiàn)了分層(delamination)損壞，這是由于剝離應(yīng)力導致。隨后RIKEN又建造了一個REBCO內(nèi)插磁體，并進行了兩方面的改進：①線圈內(nèi)部不再有接頭，將需要焊接的接頭放置在上法蘭上；②為了防止導線移動，將線圈的最外層綁扎加厚。改進后再次測試內(nèi)插磁體，其傳輸電流達到了285A，在17T的背場中產(chǎn)生了10.6T的中心場，其中Bi2223線圈產(chǎn)生了6.5T，REBCO線圈產(chǎn)生4.1T磁場，使中心磁場達到了27.6T，這是目前由全超導磁體產(chǎn)生的最高磁場[17]。經(jīng)過測試也發(fā)現(xiàn)，盡管增加了綁扎層的厚度，REBCO線圈接頭部位還是被燒毀，這說明REBCO線圈的應(yīng)力集中問題并沒有得到有效解決。REBCO帶材在該部位還是出現(xiàn)了分層損壞現(xiàn)象，這也迫使日本理化技術(shù)研究所放棄REBCO內(nèi)插線圈，而將1.3GHz NMR磁體的設(shè)計方案由之前的LTS+REBCO/Bi2223方案改為LTS+Bi2223方案，盡管磁體線圈外直徑由610mm增加到783mm，重量由1.3t增加到了2.4t[16]。28T超導磁體結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)插線圈的測試曲線如圖4所示。

表3 28T全超導磁體內(nèi)插線圈參數(shù)Tab.3 Configuration of insert coils for 28T all superconducting magnet

圖4 28T超導磁體結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)插線圈的測試曲線Fig.4 Configuration of 28T superconducting magnet and test curves of HTS coil

2.3麻省理工學院FBML實驗室

麻省理工學院FBML實驗室目前正在開展1.3GHz(30.5T)NMR超導磁體項目[18-21]。其最初設(shè)計的技術(shù)方案是先建造一個600MHz的HTS磁體，該HTS磁體由內(nèi)層的REBCO線圈和外層的Bi2223線圈構(gòu)成，然后通過與500MHz LTS磁體組合來實現(xiàn)1.1GHz NMR磁體。隨后通過將500MHz LTS 磁體升級為700MHz LTS磁體，進而實現(xiàn)1.3GHz的NMR磁體。但是由于600MHz HTS磁體的意外被盜，使FBML實驗室有機會重新考慮采用新的技術(shù)方案來實現(xiàn)1.3GHz NMR磁體。

隨著無絕緣技術(shù)的提出以及REBCO高溫超導帶材性能的快速提升，F(xiàn)BML實驗室已決定將最初的600MHz(14.1T)的HTS內(nèi)插線圈升級為800MHz(18.8T)的全REBCO線圈，其中500MHz(11.7T)LTS磁體不再進行升級。1.3GHz核磁共振譜儀磁體如圖5所示。

圖5 麻省理工學院的1.3GHz核磁共振譜儀磁體Fig.5 1.3GHz NMR magnet system at MIT

1.3GHz磁體的總體結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。為了減小超導帶材所受應(yīng)力，最終將內(nèi)插磁體分為三層，內(nèi)層REBCO線圈在軸向用碟形彈簧和螺母進行加固，外部用不銹鋼帶綁扎以減少內(nèi)部應(yīng)力。繞制后的最內(nèi)層超導線圈如圖5(b)所示。三個內(nèi)插超導磁體的相關(guān)參數(shù)如表4所示，所用的REBCO超導帶材由SuperPower公司提供。目前最內(nèi)層線圈已組裝測試完畢，在液氦無背場測試條件下產(chǎn)生了8.78T的中心場，運行電流255A，達到了設(shè)計要求[22]。

表4 內(nèi)插HTS線圈繞制參數(shù)Tab.4 Specification of insert coils

為開發(fā)高精度NMR HTS內(nèi)插磁體，F(xiàn)BML成功地開發(fā)出了許多很有實用性的新技術(shù)，主要包括無絕緣(No-Insulation, NI)繞制技術(shù)和溝槽繞制技術(shù)。所謂無絕緣繞制技術(shù)，是指在外用無絕緣的裸超導線繞制線圈，導線匝間無絕緣或采用無絕緣的金屬帶進行加強。這種繞制技術(shù)有以下幾個方面的優(yōu)點：

(1)磁體可以自保護。由于HTS超導磁體失超傳播速度比LTS磁體低1～2個數(shù)量級，采用傳統(tǒng)的失超保護方式尚不能有效地對HTS超導磁體進行保護。而采用無絕緣繞制技術(shù)的磁體，在失超時流經(jīng)超導帶材的熱點電流可以分流到臨匝的導線上，大大降低了熱點流過的電流強度，從而降低熱點溫升，即使發(fā)生失超也不損壞磁體。

(2)提高了工程電流密度。采用NI繞制技術(shù)后，帶材厚度可以減小，大大提高其工程電流密度，從而使HTS內(nèi)插磁體在狹小冷孔內(nèi)更加緊湊。

(3)提高了磁體的機械強度。由于線圈沒有機械強度相對較弱的絕緣材料，整個磁體的總體機械強度將得到提升，有利于磁體的穩(wěn)定運行。

為了提高磁體的均勻度，一般可以將磁體做得很長，但這會導致導線消耗過多。為了降低導線消耗量，一般在磁體外側(cè)布置關(guān)于xy平面對稱的2～4個補償線圈，提高中心磁場的均勻性。對于雙餅繞制的工藝，線材的出入端都在雙餅的外側(cè)，因此為了便于焊接接頭，可以在內(nèi)插磁體的局部形成凹槽形式，即個別雙餅的內(nèi)徑比其他雙餅的大，但是所有雙餅的外徑保持一致。圖5(c)顯示了這一概念設(shè)計，該設(shè)計使得內(nèi)插HTS磁體的長度縮短，減小了導線用量，并提高了磁場均勻度。

2.4韓國SuNAM公司

SuNAM公司是韓國著名的第二代高溫超導線的生產(chǎn)企業(yè)，目前也在進行基于二代高溫超導的磁體技術(shù)開發(fā)。由MIT Francis Bitter Magnet Laboratory 設(shè)計、SuNAM公司建造的二代高溫超導磁體，在液氦條件產(chǎn)生了26.4T的中心磁場，這是目前單個高溫超導磁體產(chǎn)生磁場的最高世界紀錄[23,24]。該磁體由26個采用無絕緣干繞的雙餅組成，磁體內(nèi)直徑35mm，外直徑172mm，高327mm。磁體的具體設(shè)計參數(shù)如表5所示。

SuNAM的REBCO 磁體及測試曲線如圖6所示。由于采用了無絕緣繞制技術(shù)，磁體結(jié)構(gòu)緊湊，且無主動保護系統(tǒng)。值得一提的是，為了提高整個磁體的安全裕度，采用了不同寬度導線來繞制磁體，根據(jù)磁體中垂直場的大小分布，將最寬導線繞制的雙餅置于垂直場最大的磁體端部，而將最窄導線繞制的雙餅置于垂直場最小的中部，這種通過降低高垂直場區(qū)域電流密度來提高磁體安全裕度的做法極大地提高了導線的利用率，使得磁體內(nèi)4.1mm寬導線繞制的雙餅電流密度達到了404A/mm2。此外，由于沒有背景場，雙餅線圈外層導線的周向應(yīng)力很小，而內(nèi)層導線的周向應(yīng)力大部分被匝間導線的摩擦力克服，所以普通內(nèi)插磁體雙餅線圈之間的接頭部分的應(yīng)力集中問題在這里并不突出，而整個REBCO磁體的最大周向應(yīng)力僅有286MPa@26.4T。

表5 雙餅線圈的參數(shù)配置

圖6 SuNAM的REBCO 磁體及測試曲線Fig.6 REBCO magnet at SuNAM and its test curves

2.5日本東北大學HFLSM實驗室

日本東北大學HFLSM實驗室一直在進行相關(guān)高場傳導冷卻磁體的研究[25-28]。傳導冷卻超導磁體由于運行過程中不需要低溫冷卻液(如液氦和液氮)，具有操作簡單、維護方便和便于長時間運行的優(yōu)點。2013年，他們通過將傳統(tǒng)Bi2223導線并繞不銹鋼帶進行加強的方法，成功研制出20T傳導冷卻的用戶磁體。自2013年開始，HFLSM開始進行25T傳導冷卻磁體的研究。該磁體由14T的HTS 內(nèi)插磁體和11T的LTS磁體組成，兩個磁體獨立供電。對于傳導冷卻磁體來說，降低制冷機冷頭和線圈之間的溫度梯度尤為重要，而對于高場超導磁體來說，這會變得很困難，因為高場下勵磁過程中的交流損耗會很大。熱負荷的增加使得高場傳導冷卻磁體的制冷系統(tǒng)設(shè)計顯得十分重要。此外，考慮到強磁場對制冷機制冷功率的影響，制冷機和超導線圈之間還必須保持一定的距離。為解決這些問題，HFLSM 實驗室采用兩臺4K-GM和兩臺GM-JT制冷機分別冷卻HTS磁體和LTS磁體，還用兩臺單級GM制冷機用來單獨冷卻熱輻射屏和HTS電流引線，如圖7所示。

圖7 25T傳導冷卻超導磁體示意圖Fig.7 Schematic view of 25T cryogen-free superconducting magnet

為了進行方案比較，HFLSM同時制作了兩個HTS內(nèi)插線圈，其中一個為GdBCO線圈，另一個為Bi2223線圈。GdBCO線圈由56個單餅線圈組成，組裝后浸漬環(huán)氧。匝間采用并繞包裹聚四氟乙烯的聚酰亞胺薄膜進行絕緣，餅線圈間安裝高純鋁板用于導熱。經(jīng)測試，零場下該GdBCO線圈在運行電流為132.6A時產(chǎn)生了10.15T 中心場，如圖8(a)所示，在14T背場條件下，GdBCO線圈在中心場為24T時失超。Bi2223線圈采用鎳合金加強的Bi2223帶材繞制，有38個雙餅線圈組成。該線圈的詳細參數(shù)如表6所示。經(jīng)測試，該Bi2223線圈在自場條件下產(chǎn)生了11T的中心場，在14T的背場中運行電流為187.8A時產(chǎn)生了10.6T的磁場，使得中心場達到了24.57 T，如圖8(b)所示。這是目前傳導冷卻全超導磁體產(chǎn)生的最高磁場。

圖8 GdBCO和Bi2223線圈的測試Fig.8 Test of GdBCO and Bi2223 coils

2.6中國科學院電工研究所

中國科學院電工研究所自2012年開始開發(fā)大于等于25T高場超導磁體項目[29-33]。磁體采用外部低溫超導磁體(15T)與內(nèi)部高溫超導磁體(10T)組合的方式。高溫內(nèi)插磁體用雙餅線圈組裝，并采用無絕緣方式干繞而成。最初設(shè)計的內(nèi)插線圈由16個雙餅組成，但是在液氮測試中發(fā)現(xiàn)，有一個雙餅臨界電流和n值偏低，推斷是在繞制過程中出現(xiàn)了損傷，所以在組裝時該雙餅被剔除在外。經(jīng)初步測試，由15個雙餅組成的模型線圈在液氮自場條件下產(chǎn)生了1.62T的中心磁場，運行電流為32A；而在液氦條件下，該模型線圈在15T的背場環(huán)境下產(chǎn)生了9T的中心磁場，冷孔內(nèi)的中心磁場達到了24T，其最高場為24.3T[34,35]。在測試過程中還發(fā)現(xiàn)，有3個雙餅之間的接頭出現(xiàn)了明顯的阻值上升，并且有2個雙餅線圈出現(xiàn)了不同程度的性能退化，如圖9所示。

表6 HTS線圈設(shè)計參數(shù)Tab.6 Specification of HTS coils

圖9 液氦測試后內(nèi)插磁體性能檢測Fig.9 Performance check of insert coil after test in liquid helium

經(jīng)分析認為原因如下：①這是由于在雙餅線圈組裝過程中軸向壓力發(fā)生了變化，導致接頭之間的間隙變化從而損壞了接頭，如5#、6#和13#線圈；②組裝工藝還存在技術(shù)缺陷，造成內(nèi)插線圈結(jié)構(gòu)不夠緊湊，出現(xiàn)的應(yīng)力集中造成了部分超導帶材的損傷，最終導致部分雙餅線圈提前失超，如2#和14#；③端部過高的垂直場極大地降低了端部線圈的安全裕度，2#和14#線圈位于線圈的端部——垂直場最高的地方。

針對這些問題，重新繞制了10個雙餅用以替換原內(nèi)插線圈中性能欠佳的雙餅線圈。新繞制的雙餅線圈中有4個雙餅為雙繞方式，其作用是用以降低端部線圈的電流密度來提供該區(qū)域的運行安全裕度。新的內(nèi)插磁體由20個雙餅線圈構(gòu)成，分別為C1～C4四種規(guī)格，如表7所示。原內(nèi)插線圈拆除后對雙餅線圈進行篩選，留下性能最優(yōu)的10個雙餅線圈，放置在新組裝線圈的中間，將新的雙繞雙餅線圈放置在最外部，雙餅線圈的排列方式如圖10(a)所示。此外，針對REBCO高場內(nèi)插磁體的應(yīng)力集中問題，采用設(shè)計精巧的綁扎裝置對磁體外層導線予以多層保護，盡可能降低外層導線間的相對移動，使得雙餅接頭部位的導線免于分層。經(jīng)測試，在液氦浸泡條件下，內(nèi)插磁體在15T的超導背場中能穩(wěn)定產(chǎn)生10.0T以上的中心磁場，從而使中心磁場達到了25.0T以上。此后，在磁體磁場由25.0T向26.0T勵磁過程中，中心磁場為25.7T時失超，運行電流為194.5A[36,37]， 測試曲線如圖10(b)所示。

表7 不同雙餅規(guī)格參數(shù)Tab.7 Specification of double pancakes

圖10 25T全超導磁體的內(nèi)插線圈及磁體的測試曲線Fig.10 Insert coil for 25T superconducting magnet and its test curves

25.7T高場全超導磁場的實現(xiàn)，標志著我國在研制高場內(nèi)插磁體技術(shù)方面走到了世界前列，在≥25T全超導高場磁體的研制競賽中占據(jù)一席之地。經(jīng)過本項目我國在高場內(nèi)插磁體設(shè)計、建造工藝以及測試分析等方面積累了豐富的經(jīng)驗并擁有了相當?shù)募夹g(shù)儲備，為后續(xù)研制30T高場科學裝置和GHz級別的譜儀磁體奠定了基礎(chǔ)。

3 高場超導磁體的主要應(yīng)用

現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展要求產(chǎn)生強磁場等極端條件，從而實現(xiàn)特有的功能和發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，由此推動科學技術(shù)和工程應(yīng)用的快速發(fā)展。列入《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012-2030)》并在“十二五”期間重點建設(shè)的16個重大基礎(chǔ)設(shè)施項目中，涉及到需要使用高磁場裝置的項目達到9項[37]。高場超導磁體技術(shù)的快速發(fā)展推動了強磁場在高場核磁共振技術(shù)、高能加速粒子、探測器、散射中子源、磁約束聚變、基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1, 38]。

3.1高場核磁共振技術(shù)

核磁共振的應(yīng)用主要包括核磁共振成像和核磁共振譜儀。超導磁體的主要作用是為成像區(qū)或樣品區(qū)提供高均勻度的穩(wěn)定磁場。

高場超導MRI作為重要的醫(yī)學診斷手段和揭開人類生命之謎的重要工具正在越來越多地影響著人類的日常工作和生活，向更加人性化的方向發(fā)展，提高磁場對人類疾病的早期診斷正在起著越來越重要的作用。對于醫(yī)用核磁共振成像的MRI磁體，要求在直徑30～50cm的球形范圍內(nèi)產(chǎn)生1.5～3T的磁場，在均勻區(qū)域內(nèi)磁場均勻度應(yīng)該優(yōu)于10-6。自1980年開始，人體核磁共振技術(shù)在醫(yī)學診斷方面已取得了連續(xù)的進展。早期超導MRI磁體采用4～8個同半徑的線圈組成，不能滿足醫(yī)學成像和介入治療技術(shù)的開放性要求，因此，超導MRI磁體系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是超短腔、高磁場和完全開放式的磁體結(jié)構(gòu)。目前最短的線圈長度為1.5m，超短線圈有利于減小液氦的消耗和減輕病人的幽閉癥。隨著科學研究的深入，探測生命的奧秘、認識思維的起源和發(fā)現(xiàn)新型的藥物，需要更高場的超導磁體。目前一般場強1.5～3T MRI已經(jīng)普及醫(yī)學商用，7T MRI也已經(jīng)允許投入人體醫(yī)用，9.4T MRI目前國際上僅有美國、德國等少數(shù)幾臺在進行生物與人體的神經(jīng)與代謝的醫(yī)學研究，國際上最高場強11.75T MRI項目INUMAC目前計劃于近期完工，建成后該磁體將用于人體腦神經(jīng)科學研究[39,40]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 INUMAC項目的11.75T MRI超導磁體Fig.11 11.75T MRI superconducting magnet for INUMAC program

自從1950年第一臺核磁共振譜儀磁體系統(tǒng)(NMR)問世以來，NMR作為決定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效工具在世界各大實驗室廣泛使用，成為當代生物醫(yī)學、化學以及材料學的重要分析工具。目前普遍使用的NMR磁體具有標準孔徑54～89mm，磁場為2.35～23.1T，對應(yīng)頻率為200～1000MHz。高磁場NMR磁體要求磁場穩(wěn)定度達到10-8/h，0.2cm3的球形范圍內(nèi)磁場均勻度達到10-9。NMR高場超導磁體采用高性能的低溫超導材料，如Nb3Sn和三元化合物(NbTa)3Sn。此外，新型實用化的高溫超導材料，如YBCO、Bi2223和Bi2212為高場NMR磁體提供了堅實的基礎(chǔ)。目前，超導磁體科學發(fā)展的最明顯標志是950MHz～1GHz NMR達到了商業(yè)應(yīng)用水平[41]，用于分析和確定蛋白質(zhì)和其他大分子的結(jié)構(gòu)，極大地提高了共振譜線的分辨率。目前，世界范圍內(nèi)正在開發(fā)1.3GHz NMR系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)新型藥物和解開遺傳變異之謎[42]。

在高場磁體設(shè)計與建造技術(shù)方面，對于中等規(guī)模的超導磁體，國內(nèi)已有相當?shù)募夹g(shù)儲備。其中，具有代表性的是中國科學院所屬的研究所，例如，中國科學院電工研究所先后研制成功各種用于不同科學儀器、醫(yī)療和特種裝備的超導強磁系統(tǒng)，磁場強度5～16T和溫孔φ80～330mm以及400～500MHz的核磁共振譜儀系統(tǒng)；目前，正在開展1.05GHz譜儀[43,44]和9.4T/φ800mm全身核磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的研制[45,46]。中國科學院相關(guān)研究所針對凝聚態(tài)物理、材料科學、核廢料處理和離子源等也相繼開展了不同磁場強度的超導磁體研究。

3.2高能加速器和探測器

高能加速器磁體要求具有較高的磁場和磁場梯度以及極高的運行電流密度，關(guān)鍵技術(shù)包括磁體的電磁優(yōu)化和多極異形磁體線圈結(jié)構(gòu)技術(shù)，如二、四、六和八極線圈、蛇形線圈和Wiggler等異形結(jié)構(gòu)超導線圈。由于鐵心飽和效應(yīng)，常規(guī)磁體限制了加速器高能粒子的能量水平。因此，現(xiàn)代高能加速器磁體普遍采用超導線圈作為磁源，通過合理的支持結(jié)構(gòu)保證線圈的剛性，而鐵磁材料屏蔽和低熱漏的低溫容器大大提高了加速器系統(tǒng)的能量，減小了運行造價。與常規(guī)磁體相比，采用超導磁體的高能加速器的系統(tǒng)能量可提高4～5倍。大型高能加速器中使用的超導磁體，其磁場在不斷提高(10～15T)，從而極大地減小了電磁儲能環(huán)半徑和系統(tǒng)的運行費用。高能加速器磁體系統(tǒng)，如歐洲的LHC、美國的 RHIC以及德國的DESY、GSI等高磁場加速器磁體系統(tǒng)已相繼建成和投入運行。

我國中國科學院高能物理研究所、蘭州近代物理研究所、等離子體物理研究所、上海應(yīng)用物理研究所圍繞強流質(zhì)子加速器驅(qū)動潔凈核能系統(tǒng)(ADS)和高能探測器等開展了系列研究與開發(fā)[47,48]。中國科學院電工研究所會同國內(nèi)公司為美國和英國研制大型的加速器鐵磁屏蔽系統(tǒng)。中國科學院電工研究所、等離子體物理研究所和蘭州近代物理研究所合作為德國建造加速器二極磁體。中國科學院高能物理研究所已經(jīng)為北京正負電子對撞機的BESIII探測器建成了長3.52m、直徑1.482m的1T探測器磁體系統(tǒng)[49]。此外，由中國科學院電工研究所參與設(shè)計建造的AMS02二極超導磁體系統(tǒng)，如圖12所示，其外直徑為2.7m，內(nèi)直徑1.1m，探測區(qū)磁場強度為0.87T[50,51]。

圖12 AMS02超導磁體Fig.12 Superconducting magnet for AMS02

3.3散射中子源

在大科學工程研究平臺中，散射中子源裝置和超導強磁場裝置的結(jié)合使散射中子源的使用能力進一步擴展。超導磁體提供的強磁場促成了凝聚態(tài)物理學的許多新發(fā)現(xiàn)，包括磁性材料、軟物質(zhì)和生物材料。美國Los Alamos國家實驗室的散射中子源裝置LANSCE，結(jié)合強磁場和散射中子源進行材料科學的研究，提出并建造了強磁場裝置，其磁體系統(tǒng)提供的磁場強度為30T。目前日本的KENS/KEK項目，其磁場強度達到26T；在日本JRR3M中子源上，裝備有高磁場的超導和水冷Bitter磁體。目前JRR3M正在計劃發(fā)展50T的混合磁體系統(tǒng)，配置在現(xiàn)在的散射中子源中。德國Hahn-Meitner-Institut (HMI)研究所的散射中子源BENSC，目前裝備有5～17.5T磁場的超導磁體系統(tǒng)。為了使散射中子源的使用范圍進一步擴展，HMI已經(jīng)建議在中子源實驗站上發(fā)展40T直流穩(wěn)態(tài)磁體系統(tǒng)，結(jié)合兩個大規(guī)模的裝置用來研究材料的磁和相關(guān)現(xiàn)象。

3.4磁約束聚變

實現(xiàn)慣性約束核聚變的裝置主要是托卡馬克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)、磁鏡(Mirror machines)以及懸浮等離子體實驗裝置(LDX)。1950年Kurchatov俄羅斯原子能研究所首先提出了Tokamak系統(tǒng)，用于受控熱核聚變。目前，世界上已經(jīng)建成的超導Tokamak系統(tǒng)主要包括法國的Tore Supera、俄羅斯Kurchatov原子能研究所的T15和T7。1982年日本日立公司為九州大學建造了Triam-1M超導Tokamak，最大磁場11T。目前，已經(jīng)建造成功的超導Tokamak包括韓國的KSTAR超導Tokamak，采用Nb3Sn超導線圈；中國的EAST超導Tokamak，采用NbTi超導線圈。印度正在建造SST-1超導Tokamak。美國的TPX超導Tokamak完成了系統(tǒng)的概念和工程設(shè)計后，最終停止執(zhí)行，之后MIT發(fā)展了LDX受控熱核聚變裝置。

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一。ITER計劃倡議于1985年，并于1988年開始實驗堆的研究設(shè)計工作，于2001年完成工程設(shè)計，2005年正式選址在法國的卡達拉舍(Cadarache)核技術(shù)研究中心并于2006啟動實施ITER計劃。ITER計劃將歷時35年，其中建造階段10年，運行和開發(fā)利用階段20年，去活化階段5年。ITER Tokamak磁體總重上萬噸，由低溫超導線NbTi和Nb3Sn繞制，工作溫度為4K，如圖13所示。建設(shè)超導磁體僅Nb3Sn導線的用量就超過500t，長度超過10萬km。磁體總儲能為51GJ，最大設(shè)計磁場為13.5T，項目預(yù)計于2021年完成Tokamak組裝工作[52]。另外一些為研究開發(fā)核聚變能源的裝置也將相繼建設(shè)，如中國的CFETR，韓國的K-DEMO等。

圖13 ITER Tokamak中的超導線圈Fig.13 Superconducting coils for ITER Tokamak

2003年1月我國啟動ITER計劃談判并于2006年5月與歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國共同草簽了ITER計劃協(xié)定。中國科學院等離子體物理研究所、理化技術(shù)研究所、電工研究所、核工業(yè)西南物理研究院、西北有色金屬研究院和一些高等院校在國家ITER專項的支持下，開展了Nb3Al高磁場磁體系統(tǒng)的研究，圍繞ITER的需求開展了不同程度的復雜構(gòu)形的超導線圈與部件的研究和開發(fā)，為國內(nèi)相關(guān)的裝置、ITER整機系統(tǒng)提供了相關(guān)的超導磁體系統(tǒng)。未來的發(fā)展是將中心磁場提高到超過20T。

3.5基礎(chǔ)物理研究

高場超導磁體主要用于提供極端強磁場條件以及科學設(shè)施，用于研究揭示基礎(chǔ)物理特性，包括高溫超導體的H-T相圖、臨界電流特性和非費米液體行為,德哈斯效應(yīng)和費米面性質(zhì),電子的Wigner結(jié)晶及其動力學行為，磁場誘導的相變(如絕緣體-金超導轉(zhuǎn)變)，多級磁有序，串級自旋密度波和大塊材料中的量子霍爾效應(yīng)等的實驗研究[53]。

全超導磁體的中心磁場低于混合磁體和水冷磁體，但由于其體積緊湊、能量密度高、輸入功率需求小、穩(wěn)恒磁場等特點，因而更具有發(fā)展前景。隨著近年來高溫超導材料性能的不斷提升，歐、美、中、日、韓等國家均通過高溫超導內(nèi)插磁體技術(shù)深化研究高場全超導磁體技術(shù)，使得磁體性能不斷提升。2.1節(jié)中的美國高場實驗室正在研制的32T/32mm高低溫超導磁體系統(tǒng)，日本東北大學與住友電工合作以Bi2223為內(nèi)插建成的24.57T傳導冷卻超導磁體均屬于此種應(yīng)用范圍。此外，中國科學院電工研究所開展的25～30T全超導磁體系統(tǒng)項目，也是為發(fā)展極端電磁科學裝置而設(shè)立的。經(jīng)測試，該裝置于2017年5月在液氦條件下產(chǎn)生了25.7T的中心磁場，實現(xiàn)了25T全超導磁體的研究目標[54]。

3.6其他應(yīng)用

由于工業(yè)、科學研究以及國防科學研究的需求，復雜電磁結(jié)構(gòu)的高場超導磁體技術(shù)近年來發(fā)展較快。在工業(yè)應(yīng)用方面，磁選礦、工業(yè)污水處理、核廢料處理、血液分離、特種電工裝備以及新型的強磁裝備應(yīng)用日益廣泛。國際上有關(guān)工業(yè)研究近年來主要集中在不同結(jié)構(gòu)和功能的工業(yè)分離技術(shù)，美國Erize公司、杜邦公司、英國牛津公司已經(jīng)發(fā)展成功磁場1～5T、口徑300～500mm的高磁場系統(tǒng)。我國中國科學院等離子體物理研究所、電工研究所、強磁場中心和高能物理研究所等相繼開發(fā)了不同用途的高場超導磁體系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)，一些公司在國內(nèi)研究所的支持下開展了產(chǎn)業(yè)化的研究。用于特種裝備上的超導磁體目前在我國具有較好的工業(yè)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

高場電磁環(huán)境對科學技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用。雖然高場電磁環(huán)境已在工業(yè)和國防領(lǐng)域有了一些應(yīng)用，但是目前其主要還是在物理、化學、材料、生命科學等領(lǐng)域發(fā)揮作用。特別是目前一些在建的大科學工程裝置，都是為了獲得高場電磁環(huán)境而開展的。經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，我國在開展高場全超導磁體研究方面取得了長足的進展。雖然我國在超導強磁場應(yīng)用方面起步較晚，但是起點高、發(fā)展快，目前無論是磁場的強度還是強磁場應(yīng)用的范圍在世界范圍內(nèi)都屬于先進水平。隨著國家對穩(wěn)態(tài)高場裝置方面的持續(xù)投入，我國有望在高場超導磁體建造技術(shù)方面取得更大的進展，繼而極大地推動凝聚態(tài)物理、化學、材料、生命科學等領(lǐng)域的科學研究。

[ 1] 王秋良(Wang Qiuliang). 高磁場超導磁體科學(High magnetic field superconducting magnet science)[M]. 北京: 科學出版社(Beijing: Science Press), 2008.

[ 2] 匡光力，邵淑芳(Kuang Guangli, Shao Shufang). 穩(wěn)態(tài)強磁場技術(shù)與科學研究(The technologies and scientific researches of steady high magnetic field)[J].中國科學：物理學 力學 天文學(Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica)，2014, 44(10)：1049-1062.

[ 3] 曹效文(Cao Xiaowen). 強磁場技術(shù)進展(Progress on high field technologies)[J]. 物理(Physics), 1996, 25(9): 552-555.

[ 4] Maeda H, Yanagisawa Y. Recent developments in high-temperature superconducting magnet technology (Review)[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4602412.

[ 5] Final report of NSF panel on large magnetic fields (1998)[R]. Washington, USA: National Science Foundation, 1988-07-01.

[ 6] Song H, Brownsey P, Zhang Y, et al. 2G HTS coil technology development at SuperPower[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 4600806.

[ 7] Hahn Seungyong, Dixon Iain, Kim Seokho, et al. A new record field of 40.2T generated by a superconducting insert magnet[EB/OL]. https://nationalmaglab.org/images/magnet_development/asc/searchable_docs/science_highlights/april2016_asc_40_2_t.pdf, 2016.

[ 8] Markiewicz W D, Larbalestier D C, Weijers H W, et al. Design of a superconducting 32T magnet with REBCO high field coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3):4300704.

[ 9] Weijers H W, Markiewicz W D, Voran A J, et al. Progress in the development of a superconducting 32T magnet with REBCO high field coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4301805.

[10] Weijers H W, Markiewicz W D, Gavrilin A V, et al. Progress in the development and construction of a 32-T superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4300807.

[11] Weijers Huub. MagLab claims record with novel superconducting magnet [EB/OL]. https://nationalmaglab.org/news-events/news/maglab-claims-record-with-novel-superconducting-magnet, 2015-06-10.

[12] Kiyoshi T, Choi S, Matsumoto S, et al. Bi-2223 innermost coil for 1.03 GHz NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 2110-2113.

[13] Matsumoto S, Kiyoshi T, Otsuka A, et al. Generation of 24 T at 4.2 K using a layer-wound GdBCO insert coil with Nb3Sn and Nb-Ti external magnetic field coils[J]. Superconductor Science & Technology, 2012, 25(2): 108-112.

[14] Yanagisawa Y, Piao R, Iguchi S, et al. Operation of a 400MHz NMR magnet using a (RE:Rare Earth) Ba2Cu3O7-xhigh-temperature superconducting coil: Towards an ultra-compact super-high field NMR spectrometer operated beyond 1GHz[J]. Journal of Magnetic Resonance, 2014, 249: 38-48.

[15] Yanagisawa Y, Xu Y, Iguchi S, et al. Combination of high hoop stress tolerance and a small screening current-induced field for an advanced Bi-2223 conductor coil at 4.2 K in an external field[J]. Superconductor Science & Technology, 2015, 28 (12):125005.

[16] Yanagisawa Y，Kajita K, Iguchi S, et al. Development of a 28 T ultr-high field superconducting magnet comprising a REBCO inner coil, a high strength Bi2223 middle coil and a LTS outer coil[A]. Applied Superconductivity Conference 2016 (ASC2016)[C]. Denver, USA, 2016.

[17] Yanagisawa Y, Kajita K. 27.6 T generation using Bi-2223/REBCO superconducting coils[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[18] Bascunan J, Hahn S, Dong K P, et al. On the 600 MHz HTS insert for a 1.3 GHz NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3): 4302104.

[20] Bascunan J, Hahn S, Kim Y, et al. 90-mm/18.8-T All-HTS insert magnet for 1.3 GHz LTS/HTS NMR application: Magnet design and double-pancake coil fabrication[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4300904.

[22] Qu T, Michael P C, Bascuán J, et al. Test of an 8.66-T REBCO insert coil with overbanding radial build for a 1.3-GHz LTS/HTS NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4600605.

[23] Yoon S, Kim J, Cheon K, et al. 26-T 35-mm all-REBCO multi-width no-insulation superconducting magnet[J]. Superconductor Science & Technology, 2016, 29: 1-6.

[24] Lee S H. A 26.4 T one-body HTS magnet wound with no-insulation multi-width GdBCO tape[A]. 24th International Conference on Magnet Technology[C]. Seoul, Korea, 2015.

[25] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. Repairing and upgrading of the HTS insert in the 18T cryogen-free superconducting magnet[A]. Joint Conference of the Transactions of the Cryogenic Engineering[C]. 2014. 1573: 732-738.

[26] Awaji S, Watanabe K, Oguro H, et al. New 25 T cryogen-free superconducting magnet project at Tohoku University[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4302005.

[27] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. 10 T generation by an epoxy impregnated GdBCO insert coil for the 25T-cryogen-free superconducting magnet[J]. Superconductor Science and Technology, 2016, 29(5): 055010.

[28] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. Achievement of 24.6 T by cryogen-free superconducting magnet at Sendai HFLSM[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[29] Wang Q, Dai Y, Ni Z, et al. High magnetic field superconducting magnet system up to 25 T for ExCES[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 4300905.

[30] Wang Q, Liu J, Song S, et al. High temperature superconducting YBCO insert for 25 T full superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 4603505.

[31] Liu J H, Song S S, Gou C C, et al. Development of YBCO insert for a 25 T all superconducting magnet[A]. 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD) [C]. 2015. 433-434.

[32] Liu J, Song S, Wang Q, et al. Critical current analysis of an YBCO insert for ultrahigh-field all-superconducting magnet [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(3): 4303405.

[33] Liu J, Li Y. High-field insert with Bi- and Y-based tapes for 25-T all-superconducting magnet [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(7): 4602705.

[34] Liu J, Dai Y, Li L. Progress in the development of a 25 T all superconducting NMR magnet [J]. Cryogenics, 2016, 79:79-84.

[35] Liu J, Wang Q, Dai Y, et al. Generation of 24 T with an all superconducting magnet[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[36] Liu Jianhua, Wang Qiuliang, Dai Yinming, et al. Generation of 25.7 T by LTS/ReBCO superconducting magnets[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2017.

[37] 國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃(2012-2030)》(Medium and long term planning of China’s major scientific and technological infrastructure construction (2012-2030))[Z]. 2013-02-23.

[38] 匡光力，皮靂(Kuang Guangli, Pi Li). 強磁場下的科學問題(Scientific issues under high magnetic field)[J]. 科學通報(Chinese Science Bulletin), 2016, 61(17): 1940-1951.

[39] Vedrine P, Gilgrass G, Aubert G, et al. Iseult/INUMAC whole body 11.7 T MRI magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 4301404.

[40] Savage Neil. The world’s most powerful MRI takes shape [EB/OL]. http://spectrum.ieee.org/biomedical/imaging/the-worlds-most-powerful-mri-takes-shape，2013-10-23.

[41] Bruker Corporation. Advanced magnet technology [EB/OL]. http://www.bruker-biospin.com/nmr_magnets.html, 2012.

[43] 朱光， 劉建華，程軍勝，等(Zhu Guang, Liu Jianhua, Cheng Junsheng, et al.). 25T超導磁體優(yōu)化中線圈數(shù)量影響分析(Effects of different coil combinations on the optimal design of a 25 T superconducting magnet) [J]. 物理學報(Acta Physica Sinica), 2016, 65(5):058401.

[44] Liu J, Wang Q, Dai Y, et al. A 15-T ReBCO insert for a 30-T all superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4600705.

[45] Li L, Cheng J, Cui C, et al. Numerical analysis of mechanical behavior for a 9.4-T whole-body MRI magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4400505.

[46] Cheng J, Li L, Chang K, et al. Manufacture and cryogenic experiment of 9.4-T MRI full-size dummy coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4402905.

[47] Leibrock H, Floch E, Moritz G, et al. Prototype of the superferric dipoles for the super-FRS of the FAIR-project[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3): 188-191.

[48] Li L, Li Y J, Ni G L, et al. Rotating coil magnetic measurement system and measurement results of quadrupole prototype for BEPCII storage ring[A]. Proceedings of the Particle Accelerator Conference, [C]. 2005. 1844-1846.

[49] Ablikim M, An Z H, Bai J Z, et al. Design and construction of the BESIII detector [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, 614(3): 345-399.

[50] Wang Qiu-liang. High fleld superconducting magnet: Science, technology and applications [J]. 物 理 學 進 展(Progress in Physics)，2013，33(1)：1-23.

[51] AMS02 Group. The superconducting magnet [EB/OL]. http://www.ams02.org/what-is-ams/tecnology/magnet/scmagnet.

[52] ITER Tokamak Group. Magnets [EB/OL]. http://www.iter.org/mach/magnets.

[53] 曹效文(Cao Xiaowen). 強磁場下的固體物理研究進展(Progress of solid state physics in high magntic field)[J]. 物理(Physics)，2002，31(11)：696-701.

[54] 彭科峰, 徐小傑，劉建華(Peng Kefeng, Xu Xiaojie, Liu Jianhua). 國內(nèi)首個25T全超導磁體問世(The first 25 T all superconducting magnet in China)[N]. 中國科學報(China Science Daily),2017-05-23(1).

Researchprogressandapplicationofhigh-fieldsuperconductingmagnets

LIU Jian-hua, CHENG Jun-sheng, WANG Qiu-liang, YAN Lu-guang

(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

High magnetic field plays an extremely important role in developing science and technology, gestates many significant scientific discoveries and emergences of new technologies. The generation and application of extremely high magnetic field are of great significance to extreme condition scientific facilities, biomedical engineering, and special equipment for national defense, high-precision scientific instruments and agricultural applications. Currently, many research institutes and laboratories carry out high-field superconducting magnets based on high temperature superconductors. Focusing on several research institutes and laboratories in the field of high-field superconducting magnet, this paper mainly presents their researches on high-field superconducting magnet technologies, including design schemes, technical features and latest research progress, and briefly introduces the main applications of high-field superconducting magnets.

high-field superconducting magnet; high temperature superconductor; REBCO tape; Bi2223 tape

2017-06-09

國家自然科學基金項目(51777205；51477167； 11545004)

劉建華(1981-)， 男， 河北籍， 副研究員， 博士， 研究方向為高場超導磁體、 介入式磁導航技術(shù)；程軍勝(1976-)， 男， 河南籍， 副研究員， 博士， 研究方向為核磁共振磁體及超導接頭技術(shù)。

10.12067/ATEEE1706024

1003-3076(2017)11-0001-13

TM26+5