水冷磁體技術是現代高端科學研究、醫療診斷與治療、工業生產等眾多領域的核心支撐技術。在科學研究中，強磁場環境對于探索物質的微觀結構和物理性質至關重要；在醫療領域，磁共振成像（MRI）設備依賴高性能磁體提供清晰準確的圖像；在工業上，磁選、磁力攪拌等工藝也離不開磁體技術的支持。然而，長期以來，國際上少數發達國家在水冷磁體技術的高端層面占據主導地位，我國面臨著技術封鎖和設備進口成本高昂的困境。為了突破這一局面，提升我國在該領域的自主創新能力和國際競爭力，我國科研人員不懈努力，經過多年攻關，成功創造了世界水冷磁體技術的新高峰。

▏什么是水冷磁體

水冷磁體，是一種通過水冷方式維持穩定運行，以產生特定磁場的裝置 ，在科研、工業等眾多領域發揮著關鍵作用。從工作原理來看，其基于電磁感應現象。當電流通過纏繞在特定結構上的導體時，會產生磁場。為獲得強大磁場，往往需要通過較大電流。然而，大電流會使導體因電阻產生大量熱量，這對磁體性能和穩定性構成威脅。水冷磁體通過巧妙設計，讓冷卻液（通常是水）在導體周圍循環流動。水具有較高的比熱容，能夠高效吸收并帶走導體產生的熱量，使磁體維持在適宜工作溫度，確保長時間穩定地產生高強度磁場。水冷磁體的結構組成較為復雜。核心部分是由高導電性材料（如銅合金）制成的導體繞組，這些繞組精心纏繞成特定形狀，以優化磁場分布。圍繞繞組的是水冷系統，包括冷卻管道、水泵、散熱器等組件。冷卻管道緊密貼合繞組，水泵驅動水在管道中循環，散熱器則將吸收熱量后的水冷卻，以便循環利用。在應用上，水冷磁體在科研領域貢獻突出。在強磁場實驗室中，科學家借助水冷磁體產生的高強度磁場，研究物質在極端條件下的特性，如探索新型超導材料、研究強磁場對生物分子的影響等。在工業方面，它用于磁選設備，從礦石等原料中分離出磁性物質，提高選礦效率。在醫療領域，雖不如超導磁體在MRI中應用廣泛，但在一些特定的磁療設備研發中，水冷磁體也展現出獨特價值。

▏水冷磁體技術發展歷程

回顧水冷磁體技術的發展，它走過了漫長而曲折的道路。早期，受限于材料和技術水平，能夠產生的磁場強度十分有限。但隨著材料科學的不斷進步，科學家們發現了一些具有良好導電性和熱穩定性的材料，如銅合金等，這些材料成為了制造水冷磁體導體的理想選擇。同時，冷卻技術也在不斷革新，從最初簡單的水冷方式，逐漸發展到更加高效的循環冷卻系統，能夠更精準地控制磁體的溫度。在這個過程中，各國科學家都在積極探索，不斷嘗試突破磁場強度的極限。每一次的進步，都為后續的研究奠定了更堅實的基礎，也為超導磁體技術的整體發展注入了強大的動力。

▏技術研發背景

一、國際技術現狀國外在水冷磁體技術方面起步早，技術成熟度高。以美國、歐洲和日本為代表的國家和地區，在高場強磁體的設計、制造和應用方面積累了豐富的經驗，擁有先進的生產設備和技術工藝。例如，在大型粒子加速器項目中，其使用的水冷磁體能夠產生極高強度和穩定性的磁場，為前沿科學研究提供了強大的支撐。

二、國內技術需求隨著我國經濟的快速發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。在科研領域，我國積極推進大科學裝置建設，如強子對撞機、核聚變實驗裝置等，對磁體的性能和穩定性提出了極高要求；在醫療領域，國產高端 MRI設備的研發和生產需要自主可控的高性能磁體技術，以降低設備成本，提高醫療服務的可及性；在工業領域，新材料、新能源等產業的發展也依賴于先進的磁體技術來提升生產效率和產品質量。

▏42.02萬高斯穩態磁場的重大突破

一、突破的關鍵技術與創新我國科學家在水冷磁體技術領域取得的產生42.02萬高斯穩態磁場這一重大突破，背后蘊含著一系列關鍵技術與創新。在材料方面，科研團隊經過大量的實驗和篩選，研發出了一種新型的導體材料，這種材料不僅具有極高的導電性，能夠在較小的電阻下通過大電流，而且在高溫環境下依然能夠保持良好的物理性能，大大減少了因電阻產生的熱量損耗。在結構設計上，科學家們采用了全新的磁體繞組結構。這種結構通過優化導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度的利用率。同時，為了更好地解決散熱問題，他們還設計了一套先進的水冷系統。該系統能夠根據磁體不同部位的溫度變化，精確地調節冷卻液的流量和流速，確保整個磁體在運行過程中始終保持在適宜的溫度范圍內。

二、打破世界紀錄的意義這一成就打破世界紀錄，其意義不僅僅局限于數字上的超越。首先，它標志著我國在水冷磁體技術領域達到了世界領先水平。長期以來，在高端磁體技術方面，我國曾面臨著諸多技術封鎖和挑戰。此次突破向世界展示了我國在該領域的強大科研實力和創新能力，為我國在國際科研舞臺上贏得了更高的聲譽和話語權。更為重要的是，42.02萬高斯的穩態磁場為物質科學前沿研究提供了前所未有的極端實驗條件。在如此高強度的磁場環境下，物質的許多特殊性質和物理現象能夠被更清晰地觀察和研究。例如，在凝聚態物理領域，科學家們可以研究電子在強磁場下的量子行為，探索新型超導材料的奧秘；在材料科學中，強磁場可以誘導材料產生獨特的結構和性能變化，為開發高性能材料提供新的途徑。

▏超導磁體技術的應用領域

一、醫療領域的磁共振成像（MRI）超導磁體技術在醫療領域的應用最為人熟知的當屬磁共振成像（MRI）。MRI設備利用超導磁體產生的強大而均勻的磁場，使人體組織中的氫原子核發生共振。通過檢測這些共振信號，醫生可以獲得人體內部詳細的解剖結構圖像，從而準確地診斷疾病。與傳統的X射線、CT等成像技術相比，MRI具有無輻射、對軟組織分辨力高等優點。例如，在神經系統疾病的診斷中，MRI能夠清晰地顯示大腦的細微結構，幫助醫生發現早期的腦部病變，如腫瘤、腦血管畸形等。在心血管疾病的診斷方面，MRI可以實時觀察心臟的運動和血流情況，為心臟病的診斷和治療提供重要依據。

二、高能物理實驗中的粒子加速器在高能物理實驗領域，粒子加速器是探索物質微觀結構的重要工具。而超導磁體則是粒子加速器的核心部件之一。超導磁體產生的強磁場可以引導和加速帶電粒子，使其達到接近光速的速度。以大型強子對撞機（LHC）為例，它使用了大量的超導磁體來控制質子束的運行軌跡。在LHC的環形隧道中，超導磁體沿著軌道排列，通過精確調節磁場強度和方向，確保質子束在高速運行過程中保持穩定，并最終實現對撞。通過對撞產生的高能粒子碎片，科學家們可以研究物質的基本組成和相互作用，驗證和探索新的物理理論，如希格斯玻色子的發現就離不開超導磁體技術在粒子加速器中的應用。

三、能源領域的磁約束核聚變能源問題是當今世界面臨的重大挑戰之一，而磁約束核聚變被認為是未來清潔能源的希望所在。在磁約束核聚變實驗裝置中，超導磁體起著至關重要的作用。它通過產生強大的磁場，將高溫等離子體約束在一定的空間范圍內，使其達到核聚變所需的條件。例如，我國的“東方超環”（EAST）核聚變實驗裝置，就采用了先進的超導磁體技術。在EAST裝置中，超導磁體產生的磁場能夠有效地約束高溫等離子體，使其溫度達到上億攝氏度，為實現核聚變反應創造條件。如果磁約束核聚變技術能夠成功實現商業化應用，將為人類提供幾乎無限的清潔能源，徹底改變全球的能源格局。

▏超導磁體技術的未來展望

一、性能提升的方向在未來，超導磁體技術在性能提升方面有著明確的方向。一方面，進一步提高磁場強度仍然是重要的目標。隨著材料科學和工程技術的不斷發展，有望研發出臨界溫度更高、載流能力更強的超導材料，從而實現更高的磁場強度。例如，高溫超導材料的研究進展如果能夠取得重大突破，將有可能使超導磁體在更高的溫度下運行，降低制冷成本，同時提高磁場強度。另一方面，提高磁場的均勻性和穩定性也是關鍵。在許多應用領域，如高精度的科學實驗和先進的醫療成像設備，對磁場的均勻性和穩定性要求極高。未來的研究將致力于優化磁體的設計和制造工藝，采用更先進的控制技術，實現對磁場的精確調控，確保磁場在長時間運行過程中保持高度的均勻和穩定。

二、拓展應用領域的潛力超導磁體技術在拓展應用領域方面也具有巨大的潛力。在交通運輸領域，磁懸浮列車就是超導磁體技術的一個潛在應用方向。超導磁體產生的強磁場可以使列車懸浮在軌道上，減少摩擦力，從而實現高速、平穩的運行。與傳統的輪軌列車相比，磁懸浮列車具有速度快、噪音低、能耗小等優點，有望成為未來城市間快速交通的重要方式。在環保領域，超導磁體技術也可以發揮重要作用。例如，利用超導磁體產生的強磁場，可以對工業廢水和廢氣中的污染物進行高效分離和處理。通過磁場的作用，使帶有磁性的污染物顆粒聚集在一起，便于后續的分離和回收，從而實現更高效的環保處理。超導磁體技術作為現代科學技術的重要組成部分，在過去取得了令人矚目的成就，在未來更是蘊含著無限的可能。從基礎研究到實際應用，它將繼續為人類社會的發展帶來深刻的變革。我國在水冷磁體技術領域取得的重大突破，不僅為超導磁體技術的發展注入了新的活力，也為我國在相關領域的進一步探索奠定了堅實的基礎。相信在科學家們的不懈努力下，超導磁體技術將在更多領域綻放光彩，為人類的進步和發展做出更大的貢獻。

（圖片源自網絡）

作者 | 幾維鳥畢業于新西蘭林肯大學。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發表過科普文章。關注事實，積極探索前沿科技。

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來源: 吉林科普微窗