高场超导磁体研究进展及其应用

刘建华， 程军胜， 王秋良， 严陆光

(中国科学院电工研究所， 北京 100190)

高场超导磁体研究进展及其应用

刘建华， 程军胜， 王秋良， 严陆光

(中国科学院电工研究所， 北京 100190)

高磁场对科学技术的发展具有极其重要的作用，它孕育着许多重大的科学发现和新技术的产生。超高磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种装备、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义。目前世界上许多研究机构和实验室开展了基于高温超导带材绕制高场直流超导磁体的项目。本文以高场超导磁体领域几个主要的研究机构为对象，主要介绍其在全超导高场磁体方面进行的研究工作，包括设计方案、技术特点和最新的研究进展，并对高场超导磁体的主要应用进行简要介绍。

高场超导磁体； 高温超导； REBCO带材； Bi2223带材

1 引言

高磁场对科学技术的发展具有极其重要的作用，它孕育着许多重大的科学发现和新技术的产生。超高磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种装备、高精度的科学仪器以及农业应用都具有重要的意义[1-4]。

磁场尤其是高磁场所带来的诸多优点，使得人类对于物质世界认识不断加深，对于生命的起源以及从事疾病防治的研究都有特别重要的意义。当今世界最先进的电阻式强磁场最高可以达到45T，但是其需要庞大的电源和水冷系统，运行功耗超过40MW，系统维护困难，还有占地面积大等诸多问题。而低温超导材料所能产生的最高磁场限制在23T附近，且需要运行在超流氦条件，运行费用一样较高[5]。目前强磁场领域的发展趋势是采用高低温超导混合磁体方式产生20T以上的恒定磁场，这种方式可以极大降低系统的构建和运行成本。

目前可采用的绕制高场内插磁体的商用导线主要有Bi2223带材、REBCO带材和Bi2212圆线。目前采用Bi2212圆线制造内插磁体的工艺并不成熟，建造高温内插线圈主要还是采用Bi2223带材或REBCO带材。Bi2223带材由于其内部多丝结构，其屏蔽电流较小，适用绕制对磁场均匀度要求比较高的核磁共振谱仪(NMR)磁体；而REBCO带材由于在高场下具有更高的电流传输能力和更优异的机械性能，更适宜做高场内插磁体(≥25T)。目前，实用化的REBCO带材在低温下具有临界电流密度对磁场不敏感、交流损耗小和轴向抗拉应力高等优点[6]。

高场内插线圈根据绕制方式不同分为层绕式(layer-wound)和双饼式(double pancake)两种，又根据导线是否绝缘分为有绝缘(insulated)和无绝缘(no-insulation)两种。其中，有绝缘的线圈又分为两种绝缘方式：①给高温超导带材绝缘，比如采用Kapton薄膜半叠包绝缘或采用绝缘套管来对带材进行绝缘；②通过在绕制高温超导双饼线圈过程中并绕绝缘化处理的不锈钢带进行绝缘。经过绝缘化处理的高温超导双饼必须采用主动失超系统来进行保护。无绝缘的高温超导线圈一般采用双饼结构，由裸线直接绕制，少数采用并绕未经绝缘化处理的不锈钢带进行绕制。尽管无绝缘的双饼线圈其匝间由铜、黄铜或不锈钢等金属组成，但与处于超导态的超导层相比它们的电阻率均高出好几个量级，因此在线圈稳定载流时，电流将在超导层中流动。一旦高温超导带材局部出现失超电压上升，本来流经超导层的电流可以通过选择电阻更小的匝间金属导体来进行分流，避开处于非超导态的超导层，从而可以防止失超区的继续扩展。所以本质上无绝缘绕制的磁体是自稳定的，无需主动保护系统。此外，无绝缘绕制技术还提高了内插线圈的工程电流密度和机械强度，因此在高温超导磁体领域获得了广泛关注。

目前世界上许多研究机构和实验室开展了直流高温超导磁体项目。截止到目前，磁场最高的超导内插磁体，是由美国高场实验室Hahn团队采用无绝缘绕制工艺制作的REBCO层绕内插磁体，它在31T的阻性磁体中产生了9.2T的磁场，其中心磁场达到了40.2T，绕组的工程电流密度接近达到了破纪录的905A/mm2[7]。虽然这不是全超导磁体，但它却证明了REBCO涂层超导体在高场磁体中的应用潜力。截止到目前，世界各研究机构在全超导磁体高场方面的研究进展如表1所示。

表1 高场全超导磁体研究进展

2 国内外研究进展

2.1美国高场实验室

美国高场实验室(NHMFL)主要研发高场用户磁体(可供用户使用的磁体)并进行强磁场下的科学研究。目前其正在研制中心场为32T、冷孔直径为32mm的全超导磁体，该磁体系统有独立供电的低温超导(LTS)磁体和高温超导(HTS)磁体组成，如图1所示。LTS磁体从牛津公司采购，由NbTi线圈和Nb3Sn线圈组成，冷孔直径为250mm，为内插的REBCO磁体提供15T的背场。HTS内插磁体贡献17T的中心场，其冷孔直径为32mm[8-10]。

图1 32T全超导磁体结构示意图Fig.1 Schematic view of 32T all superconducting magnet

内插磁体由内外两层线圈组成，由SuperPower公司提供的REBCO带材绕制。其内插磁体的两个线圈设计参数如表2所示。

表2 内插线圈的设计参数

内插线圈采用模块(module)叠加组成，每个模块由两个干绕的单饼线圈构成。此外，在绕制无绝缘的REBCO带材时通过并绕经氧化铝溶胶绝缘处理的不锈钢带来实现导线的绝缘和加强。由于内插线圈进行了绝缘化处理，因此必须设计主动失超保护系统对内插磁体进行保护。为此，美国高场实验室设计了一种加热器置于模块之间，如图2所示。当检测线圈总端压达到1V时便进行主动保护，即切断磁体电源并对加热器进行加热。通过对模型线圈进行失超测试发现，主动失超保护系统能有效保护REBCO线圈。

图2 加热器安装位置及形状Fig.2 Locations and shapes of heaters

2015年6月5日，美国高场实验室测试了由6个外线圈模块和6个内线圈模块组成的模型线圈，其在15T背场液氦条件下产生了12T的中心磁场，磁体的中心磁场达到了27T[11]，并稳定维持了16min，如图3所示。

图3 中心磁体及线圈电流的测试曲线Fig.3 Central magnetic field and coil currents

2.2日本理化技术研究所

日本理化技术研究所(RIKEN)在研制1.3GHz NMR磁体过程中，为了获得高均匀度的磁场，尝试采用层绕的方法建造高温内插磁体[12-15]。其为了验证工艺的可行性，设计了一个由17T/φ130mm的 LTS磁体和11T HTS磁体组成的28T全超导磁体，其中HTS磁体由内REBCO线圈和外Bi2223线圈组成，具体参数如表3所示[16]。

无背场的情况下，在液氦中浸泡的HTS磁体成功产生了13T的中心磁场，但是在17T背场下当中心磁场达到25T时，REBCO导线在接头部位出现了分层(delamination)损坏，这是由于剥离应力导致。随后RIKEN又建造了一个REBCO内插磁体，并进行了两方面的改进：①线圈内部不再有接头，将需要焊接的接头放置在上法兰上；②为了防止导线移动，将线圈的最外层绑扎加厚。改进后再次测试内插磁体，其传输电流达到了285A，在17T的背场中产生了10.6T的中心场，其中Bi2223线圈产生了6.5T，REBCO线圈产生4.1T磁场，使中心磁场达到了27.6T，这是目前由全超导磁体产生的最高磁场[17]。经过测试也发现，尽管增加了绑扎层的厚度，REBCO线圈接头部位还是被烧毁，这说明REBCO线圈的应力集中问题并没有得到有效解决。REBCO带材在该部位还是出现了分层损坏现象，这也迫使日本理化技术研究所放弃REBCO内插线圈，而将1.3GHz NMR磁体的设计方案由之前的LTS+REBCO/Bi2223方案改为LTS+Bi2223方案，尽管磁体线圈外直径由610mm增加到783mm，重量由1.3t增加到了2.4t[16]。28T超导磁体结构图及内插线圈的测试曲线如图4所示。

表3 28T全超导磁体内插线圈参数Tab.3 Configuration of insert coils for 28T all superconducting magnet

图4 28T超导磁体结构图及内插线圈的测试曲线Fig.4 Configuration of 28T superconducting magnet and test curves of HTS coil

2.3麻省理工学院FBML实验室

麻省理工学院FBML实验室目前正在开展1.3GHz(30.5T)NMR超导磁体项目[18-21]。其最初设计的技术方案是先建造一个600MHz的HTS磁体，该HTS磁体由内层的REBCO线圈和外层的Bi2223线圈构成，然后通过与500MHz LTS磁体组合来实现1.1GHz NMR磁体。随后通过将500MHz LTS 磁体升级为700MHz LTS磁体，进而实现1.3GHz的NMR磁体。但是由于600MHz HTS磁体的意外被盗，使FBML实验室有机会重新考虑采用新的技术方案来实现1.3GHz NMR磁体。

随着无绝缘技术的提出以及REBCO高温超导带材性能的快速提升，FBML实验室已决定将最初的600MHz(14.1T)的HTS内插线圈升级为800MHz(18.8T)的全REBCO线圈，其中500MHz(11.7T)LTS磁体不再进行升级。1.3GHz核磁共振谱仪磁体如图5所示。

图5 麻省理工学院的1.3GHz核磁共振谱仪磁体Fig.5 1.3GHz NMR magnet system at MIT

1.3GHz磁体的总体结构如图5(a)所示。为了减小超导带材所受应力，最终将内插磁体分为三层，内层REBCO线圈在轴向用碟形弹簧和螺母进行加固，外部用不锈钢带绑扎以减少内部应力。绕制后的最内层超导线圈如图5(b)所示。三个内插超导磁体的相关参数如表4所示，所用的REBCO超导带材由SuperPower公司提供。目前最内层线圈已组装测试完毕，在液氦无背场测试条件下产生了8.78T的中心场，运行电流255A，达到了设计要求[22]。

表4 内插HTS线圈绕制参数Tab.4 Specification of insert coils

为开发高精度NMR HTS内插磁体，FBML成功地开发出了许多很有实用性的新技术，主要包括无绝缘(No-Insulation, NI)绕制技术和沟槽绕制技术。所谓无绝缘绕制技术，是指在外用无绝缘的裸超导线绕制线圈，导线匝间无绝缘或采用无绝缘的金属带进行加强。这种绕制技术有以下几个方面的优点：

(1)磁体可以自保护。由于HTS超导磁体失超传播速度比LTS磁体低1～2个数量级，采用传统的失超保护方式尚不能有效地对HTS超导磁体进行保护。而采用无绝缘绕制技术的磁体，在失超时流经超导带材的热点电流可以分流到临匝的导线上，大大降低了热点流过的电流强度，从而降低热点温升，即使发生失超也不损坏磁体。

(2)提高了工程电流密度。采用NI绕制技术后，带材厚度可以减小，大大提高其工程电流密度，从而使HTS内插磁体在狭小冷孔内更加紧凑。

(3)提高了磁体的机械强度。由于线圈没有机械强度相对较弱的绝缘材料，整个磁体的总体机械强度将得到提升，有利于磁体的稳定运行。

为了提高磁体的均匀度，一般可以将磁体做得很长，但这会导致导线消耗过多。为了降低导线消耗量，一般在磁体外侧布置关于xy平面对称的2～4个补偿线圈，提高中心磁场的均匀性。对于双饼绕制的工艺，线材的出入端都在双饼的外侧，因此为了便于焊接接头，可以在内插磁体的局部形成凹槽形式，即个别双饼的内径比其他双饼的大，但是所有双饼的外径保持一致。图5(c)显示了这一概念设计，该设计使得内插HTS磁体的长度缩短，减小了导线用量，并提高了磁场均匀度。

2.4韩国SuNAM公司

SuNAM公司是韩国著名的第二代高温超导线的生产企业，目前也在进行基于二代高温超导的磁体技术开发。由MIT Francis Bitter Magnet Laboratory 设计、SuNAM公司建造的二代高温超导磁体，在液氦条件产生了26.4T的中心磁场，这是目前单个高温超导磁体产生磁场的最高世界纪录[23,24]。该磁体由26个采用无绝缘干绕的双饼组成，磁体内直径35mm，外直径172mm，高327mm。磁体的具体设计参数如表5所示。

SuNAM的REBCO 磁体及测试曲线如图6所示。由于采用了无绝缘绕制技术，磁体结构紧凑，且无主动保护系统。值得一提的是，为了提高整个磁体的安全裕度，采用了不同宽度导线来绕制磁体，根据磁体中垂直场的大小分布，将最宽导线绕制的双饼置于垂直场最大的磁体端部，而将最窄导线绕制的双饼置于垂直场最小的中部，这种通过降低高垂直场区域电流密度来提高磁体安全裕度的做法极大地提高了导线的利用率，使得磁体内4.1mm宽导线绕制的双饼电流密度达到了404A/mm2。此外，由于没有背景场，双饼线圈外层导线的周向应力很小，而内层导线的周向应力大部分被匝间导线的摩擦力克服，所以普通内插磁体双饼线圈之间的接头部分的应力集中问题在这里并不突出，而整个REBCO磁体的最大周向应力仅有286MPa@26.4T。

表5 双饼线圈的参数配置

图6 SuNAM的REBCO 磁体及测试曲线Fig.6 REBCO magnet at SuNAM and its test curves

2.5日本东北大学HFLSM实验室

日本东北大学HFLSM实验室一直在进行相关高场传导冷却磁体的研究[25-28]。传导冷却超导磁体由于运行过程中不需要低温冷却液(如液氦和液氮)，具有操作简单、维护方便和便于长时间运行的优点。2013年，他们通过将传统Bi2223导线并绕不锈钢带进行加强的方法，成功研制出20T传导冷却的用户磁体。自2013年开始，HFLSM开始进行25T传导冷却磁体的研究。该磁体由14T的HTS 内插磁体和11T的LTS磁体组成，两个磁体独立供电。对于传导冷却磁体来说，降低制冷机冷头和线圈之间的温度梯度尤为重要，而对于高场超导磁体来说，这会变得很困难，因为高场下励磁过程中的交流损耗会很大。热负荷的增加使得高场传导冷却磁体的制冷系统设计显得十分重要。此外，考虑到强磁场对制冷机制冷功率的影响，制冷机和超导线圈之间还必须保持一定的距离。为解决这些问题，HFLSM 实验室采用两台4K-GM和两台GM-JT制冷机分别冷却HTS磁体和LTS磁体，还用两台单级GM制冷机用来单独冷却热辐射屏和HTS电流引线，如图7所示。

图7 25T传导冷却超导磁体示意图Fig.7 Schematic view of 25T cryogen-free superconducting magnet

为了进行方案比较，HFLSM同时制作了两个HTS内插线圈，其中一个为GdBCO线圈，另一个为Bi2223线圈。GdBCO线圈由56个单饼线圈组成，组装后浸渍环氧。匝间采用并绕包裹聚四氟乙烯的聚酰亚胺薄膜进行绝缘，饼线圈间安装高纯铝板用于导热。经测试，零场下该GdBCO线圈在运行电流为132.6A时产生了10.15T 中心场，如图8(a)所示，在14T背场条件下，GdBCO线圈在中心场为24T时失超。Bi2223线圈采用镍合金加强的Bi2223带材绕制，有38个双饼线圈组成。该线圈的详细参数如表6所示。经测试，该Bi2223线圈在自场条件下产生了11T的中心场，在14T的背场中运行电流为187.8A时产生了10.6T的磁场，使得中心场达到了24.57 T，如图8(b)所示。这是目前传导冷却全超导磁体产生的最高磁场。

图8 GdBCO和Bi2223线圈的测试Fig.8 Test of GdBCO and Bi2223 coils

2.6中国科学院电工研究所

中国科学院电工研究所自2012年开始开发大于等于25T高场超导磁体项目[29-33]。磁体采用外部低温超导磁体(15T)与内部高温超导磁体(10T)组合的方式。高温内插磁体用双饼线圈组装，并采用无绝缘方式干绕而成。最初设计的内插线圈由16个双饼组成，但是在液氮测试中发现，有一个双饼临界电流和n值偏低，推断是在绕制过程中出现了损伤，所以在组装时该双饼被剔除在外。经初步测试，由15个双饼组成的模型线圈在液氮自场条件下产生了1.62T的中心磁场，运行电流为32A；而在液氦条件下，该模型线圈在15T的背场环境下产生了9T的中心磁场，冷孔内的中心磁场达到了24T，其最高场为24.3T[34,35]。在测试过程中还发现，有3个双饼之间的接头出现了明显的阻值上升，并且有2个双饼线圈出现了不同程度的性能退化，如图9所示。

表6 HTS线圈设计参数Tab.6 Specification of HTS coils

图9 液氦测试后内插磁体性能检测Fig.9 Performance check of insert coil after test in liquid helium

经分析认为原因如下：①这是由于在双饼线圈组装过程中轴向压力发生了变化，导致接头之间的间隙变化从而损坏了接头，如5#、6#和13#线圈；②组装工艺还存在技术缺陷，造成内插线圈结构不够紧凑，出现的应力集中造成了部分超导带材的损伤，最终导致部分双饼线圈提前失超，如2#和14#；③端部过高的垂直场极大地降低了端部线圈的安全裕度，2#和14#线圈位于线圈的端部——垂直场最高的地方。

针对这些问题，重新绕制了10个双饼用以替换原内插线圈中性能欠佳的双饼线圈。新绕制的双饼线圈中有4个双饼为双绕方式，其作用是用以降低端部线圈的电流密度来提供该区域的运行安全裕度。新的内插磁体由20个双饼线圈构成，分别为C1～C4四种规格，如表7所示。原内插线圈拆除后对双饼线圈进行筛选，留下性能最优的10个双饼线圈，放置在新组装线圈的中间，将新的双绕双饼线圈放置在最外部，双饼线圈的排列方式如图10(a)所示。此外，针对REBCO高场内插磁体的应力集中问题，采用设计精巧的绑扎装置对磁体外层导线予以多层保护，尽可能降低外层导线间的相对移动，使得双饼接头部位的导线免于分层。经测试，在液氦浸泡条件下，内插磁体在15T的超导背场中能稳定产生10.0T以上的中心磁场，从而使中心磁场达到了25.0T以上。此后，在磁体磁场由25.0T向26.0T励磁过程中，中心磁场为25.7T时失超，运行电流为194.5A[36,37]， 测试曲线如图10(b)所示。

表7 不同双饼规格参数Tab.7 Specification of double pancakes

图10 25T全超导磁体的内插线圈及磁体的测试曲线Fig.10 Insert coil for 25T superconducting magnet and its test curves

25.7T高场全超导磁场的实现，标志着我国在研制高场内插磁体技术方面走到了世界前列，在≥25T全超导高场磁体的研制竞赛中占据一席之地。经过本项目我国在高场内插磁体设计、建造工艺以及测试分析等方面积累了丰富的经验并拥有了相当的技术储备，为后续研制30T高场科学装置和GHz级别的谱仪磁体奠定了基础。

3 高场超导磁体的主要应用

现代科学技术的发展要求产生强磁场等极端条件，从而实现特有的功能和发现新的物理现象，由此推动科学技术和工程应用的快速发展。列入《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030)》并在“十二五”期间重点建设的16个重大基础设施项目中，涉及到需要使用高磁场装置的项目达到9项[37]。高场超导磁体技术的快速发展推动了强磁场在高场核磁共振技术、高能加速粒子、探测器、散射中子源、磁约束聚变、基础物理研究等领域的广泛应用[1, 38]。

3.1高场核磁共振技术

核磁共振的应用主要包括核磁共振成像和核磁共振谱仪。超导磁体的主要作用是为成像区或样品区提供高均匀度的稳定磁场。

高场超导MRI作为重要的医学诊断手段和揭开人类生命之谜的重要工具正在越来越多地影响着人类的日常工作和生活，向更加人性化的方向发展，提高磁场对人类疾病的早期诊断正在起着越来越重要的作用。对于医用核磁共振成像的MRI磁体，要求在直径30～50cm的球形范围内产生1.5～3T的磁场，在均匀区域内磁场均匀度应该优于10-6。自1980年开始，人体核磁共振技术在医学诊断方面已取得了连续的进展。早期超导MRI磁体采用4～8个同半径的线圈组成，不能满足医学成像和介入治疗技术的开放性要求，因此，超导MRI磁体系统的发展趋势是超短腔、高磁场和完全开放式的磁体结构。目前最短的线圈长度为1.5m，超短线圈有利于减小液氦的消耗和减轻病人的幽闭症。随着科学研究的深入，探测生命的奥秘、认识思维的起源和发现新型的药物，需要更高场的超导磁体。目前一般场强1.5～3T MRI已经普及医学商用，7T MRI也已经允许投入人体医用，9.4T MRI目前国际上仅有美国、德国等少数几台在进行生物与人体的神经与代谢的医学研究，国际上最高场强11.75T MRI项目INUMAC目前计划于近期完工，建成后该磁体将用于人体脑神经科学研究[39,40]，其结构示意图如图11所示。

图11 INUMAC项目的11.75T MRI超导磁体Fig.11 11.75T MRI superconducting magnet for INUMAC program

自从1950年第一台核磁共振谱仪磁体系统(NMR)问世以来，NMR作为决定物质结构的有效工具在世界各大实验室广泛使用，成为当代生物医学、化学以及材料学的重要分析工具。目前普遍使用的NMR磁体具有标准孔径54～89mm，磁场为2.35～23.1T，对应频率为200～1000MHz。高磁场NMR磁体要求磁场稳定度达到10-8/h，0.2cm3的球形范围内磁场均匀度达到10-9。NMR高场超导磁体采用高性能的低温超导材料，如Nb3Sn和三元化合物(NbTa)3Sn。此外，新型实用化的高温超导材料，如YBCO、Bi2223和Bi2212为高场NMR磁体提供了坚实的基础。目前，超导磁体科学发展的最明显标志是950MHz～1GHz NMR达到了商业应用水平[41]，用于分析和确定蛋白质和其他大分子的结构，极大地提高了共振谱线的分辨率。目前，世界范围内正在开发1.3GHz NMR系统以发现新型药物和解开遗传变异之谜[42]。

在高场磁体设计与建造技术方面，对于中等规模的超导磁体，国内已有相当的技术储备。其中，具有代表性的是中国科学院所属的研究所，例如，中国科学院电工研究所先后研制成功各种用于不同科学仪器、医疗和特种装备的超导强磁系统，磁场强度5～16T和温孔φ80～330mm以及400～500MHz的核磁共振谱仪系统；目前，正在开展1.05GHz谱仪[43,44]和9.4T/φ800mm全身核磁共振成像超导磁体系统的研制[45,46]。中国科学院相关研究所针对凝聚态物理、材料科学、核废料处理和离子源等也相继开展了不同磁场强度的超导磁体研究。

3.2高能加速器和探测器

高能加速器磁体要求具有较高的磁场和磁场梯度以及极高的运行电流密度，关键技术包括磁体的电磁优化和多极异形磁体线圈结构技术，如二、四、六和八极线圈、蛇形线圈和Wiggler等异形结构超导线圈。由于铁心饱和效应，常规磁体限制了加速器高能粒子的能量水平。因此，现代高能加速器磁体普遍采用超导线圈作为磁源，通过合理的支持结构保证线圈的刚性，而铁磁材料屏蔽和低热漏的低温容器大大提高了加速器系统的能量，减小了运行造价。与常规磁体相比，采用超导磁体的高能加速器的系统能量可提高4～5倍。大型高能加速器中使用的超导磁体，其磁场在不断提高(10～15T)，从而极大地减小了电磁储能环半径和系统的运行费用。高能加速器磁体系统，如欧洲的LHC、美国的 RHIC以及德国的DESY、GSI等高磁场加速器磁体系统已相继建成和投入运行。

我国中国科学院高能物理研究所、兰州近代物理研究所、等离子体物理研究所、上海应用物理研究所围绕强流质子加速器驱动洁净核能系统(ADS)和高能探测器等开展了系列研究与开发[47,48]。中国科学院电工研究所会同国内公司为美国和英国研制大型的加速器铁磁屏蔽系统。中国科学院电工研究所、等离子体物理研究所和兰州近代物理研究所合作为德国建造加速器二极磁体。中国科学院高能物理研究所已经为北京正负电子对撞机的BESIII探测器建成了长3.52m、直径1.482m的1T探测器磁体系统[49]。此外，由中国科学院电工研究所参与设计建造的AMS02二极超导磁体系统，如图12所示，其外直径为2.7m，内直径1.1m，探测区磁场强度为0.87T[50,51]。

图12 AMS02超导磁体Fig.12 Superconducting magnet for AMS02

3.3散射中子源

在大科学工程研究平台中，散射中子源装置和超导强磁场装置的结合使散射中子源的使用能力进一步扩展。超导磁体提供的强磁场促成了凝聚态物理学的许多新发现，包括磁性材料、软物质和生物材料。美国Los Alamos国家实验室的散射中子源装置LANSCE，结合强磁场和散射中子源进行材料科学的研究，提出并建造了强磁场装置，其磁体系统提供的磁场强度为30T。目前日本的KENS/KEK项目，其磁场强度达到26T；在日本JRR3M中子源上，装备有高磁场的超导和水冷Bitter磁体。目前JRR3M正在计划发展50T的混合磁体系统，配置在现在的散射中子源中。德国Hahn-Meitner-Institut (HMI)研究所的散射中子源BENSC，目前装备有5～17.5T磁场的超导磁体系统。为了使散射中子源的使用范围进一步扩展，HMI已经建议在中子源实验站上发展40T直流稳态磁体系统，结合两个大规模的装置用来研究材料的磁和相关现象。

3.4磁约束聚变

实现惯性约束核聚变的装置主要是托卡马克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)、磁镜(Mirror machines)以及悬浮等离子体实验装置(LDX)。1950年Kurchatov俄罗斯原子能研究所首先提出了Tokamak系统，用于受控热核聚变。目前，世界上已经建成的超导Tokamak系统主要包括法国的Tore Supera、俄罗斯Kurchatov原子能研究所的T15和T7。1982年日本日立公司为九州大学建造了Triam-1M超导Tokamak，最大磁场11T。目前，已经建造成功的超导Tokamak包括韩国的KSTAR超导Tokamak，采用Nb3Sn超导线圈；中国的EAST超导Tokamak，采用NbTi超导线圈。印度正在建造SST-1超导Tokamak。美国的TPX超导Tokamak完成了系统的概念和工程设计后，最终停止执行，之后MIT发展了LDX受控热核聚变装置。

国际热核聚变实验堆(ITER)计划是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一。ITER计划倡议于1985年，并于1988年开始实验堆的研究设计工作，于2001年完成工程设计，2005年正式选址在法国的卡达拉舍(Cadarache)核技术研究中心并于2006启动实施ITER计划。ITER计划将历时35年，其中建造阶段10年，运行和开发利用阶段20年，去活化阶段5年。ITER Tokamak磁体总重上万吨，由低温超导线NbTi和Nb3Sn绕制，工作温度为4K，如图13所示。建设超导磁体仅Nb3Sn导线的用量就超过500t，长度超过10万km。磁体总储能为51GJ，最大设计磁场为13.5T，项目预计于2021年完成Tokamak组装工作[52]。另外一些为研究开发核聚变能源的装置也将相继建设，如中国的CFETR，韩国的K-DEMO等。

图13 ITER Tokamak中的超导线圈Fig.13 Superconducting coils for ITER Tokamak

2003年1月我国启动ITER计划谈判并于2006年5月与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了ITER计划协定。中国科学院等离子体物理研究所、理化技术研究所、电工研究所、核工业西南物理研究院、西北有色金属研究院和一些高等院校在国家ITER专项的支持下，开展了Nb3Al高磁场磁体系统的研究，围绕ITER的需求开展了不同程度的复杂构形的超导线圈与部件的研究和开发，为国内相关的装置、ITER整机系统提供了相关的超导磁体系统。未来的发展是将中心磁场提高到超过20T。

3.5基础物理研究

高场超导磁体主要用于提供极端强磁场条件以及科学设施，用于研究揭示基础物理特性，包括高温超导体的H-T相图、临界电流特性和非费米液体行为,德哈斯效应和费米面性质,电子的Wigner结晶及其动力学行为，磁场诱导的相变(如绝缘体-金超导转变)，多级磁有序，串级自旋密度波和大块材料中的量子霍尔效应等的实验研究[53]。

全超导磁体的中心磁场低于混合磁体和水冷磁体，但由于其体积紧凑、能量密度高、输入功率需求小、稳恒磁场等特点，因而更具有发展前景。随着近年来高温超导材料性能的不断提升，欧、美、中、日、韩等国家均通过高温超导内插磁体技术深化研究高场全超导磁体技术，使得磁体性能不断提升。2.1节中的美国高场实验室正在研制的32T/32mm高低温超导磁体系统，日本东北大学与住友电工合作以Bi2223为内插建成的24.57T传导冷却超导磁体均属于此种应用范围。此外，中国科学院电工研究所开展的25～30T全超导磁体系统项目，也是为发展极端电磁科学装置而设立的。经测试，该装置于2017年5月在液氦条件下产生了25.7T的中心磁场，实现了25T全超导磁体的研究目标[54]。

3.6其他应用

由于工业、科学研究以及国防科学研究的需求，复杂电磁结构的高场超导磁体技术近年来发展较快。在工业应用方面，磁选矿、工业污水处理、核废料处理、血液分离、特种电工装备以及新型的强磁装备应用日益广泛。国际上有关工业研究近年来主要集中在不同结构和功能的工业分离技术，美国Erize公司、杜邦公司、英国牛津公司已经发展成功磁场1～5T、口径300～500mm的高磁场系统。我国中国科学院等离子体物理研究所、电工研究所、强磁场中心和高能物理研究所等相继开发了不同用途的高场超导磁体系统并应用于工业，一些公司在国内研究所的支持下开展了产业化的研究。用于特种装备上的超导磁体目前在我国具有较好的工业基础。

4 结论

高场电磁环境对科学技术的发展具有极其重要的作用。虽然高场电磁环境已在工业和国防领域有了一些应用，但是目前其主要还是在物理、化学、材料、生命科学等领域发挥作用。特别是目前一些在建的大科学工程装置，都是为了获得高场电磁环境而开展的。经过近几年的快速发展，我国在开展高场全超导磁体研究方面取得了长足的进展。虽然我国在超导强磁场应用方面起步较晚，但是起点高、发展快，目前无论是磁场的强度还是强磁场应用的范围在世界范围内都属于先进水平。随着国家对稳态高场装置方面的持续投入，我国有望在高场超导磁体建造技术方面取得更大的进展，继而极大地推动凝聚态物理、化学、材料、生命科学等领域的科学研究。

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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

国家自然科学基金项目(51777205；51477167； 11545004)

刘建华(1981-)， 男， 河北籍， 副研究员， 博士， 研究方向为高场超导磁体、 介入式磁导航技术；程军胜(1976-)， 男， 河南籍， 副研究员， 博士， 研究方向为核磁共振磁体及超导接头技术。

10.12067/ATEEE1706024

1003-3076(2017)11-0001-13

TM26+5