图虫创意

喜欢金庸武侠小说的人估计都听说过段誉的“六脉神剑”——于无形之中爆发的一股具有杀伤力的剧烈能量脉冲。的确，在科学研究中也有股如此神奇的力量，在极短时间内爆发出一个电脉冲，产生极强的磁场，这就是“脉冲强磁场”。

什么是脉冲强磁场？它到底能有多强？这么强的磁场，又有什么用途呢？

大家好！我是中国科学院物理研究所的研究员——罗会仟。今天我们来聊聊脉冲强磁场和它的神奇力量。

近日，“十四五”国家重大科技基础设施项目——脉冲强磁场实验装置优化提升项目已获得批复。项目已经正式开工建设，总投资为20.9651亿元，建设期5年，将有望成为全球规模最大、具有重要国际影响力的脉冲强磁场科学中心。此前，位于武汉的国家脉冲强磁场中心已经创造了64 T平顶脉冲、45 T/50 Hz重频磁场和94.88 T双级磁体场强等多项世界纪录。此次的升级改造，将着重研制110 T脉冲强磁场、70 T平顶脉冲磁场和9.5 T超导脉冲复合磁场等系列磁体，以及升级或新建超强磁场环境下的电、磁、光、热等10类实验测试系统。

脉冲强磁场达到60 T甚至100 T是一个什么概念呢？我们生活在的地球磁场，大约是0.5 高斯（G），换算成特斯拉就是0.00005 T（特斯拉），100 T相当于地磁场的2,000,000倍！为什么需要如此之强的磁场呢？我们生活的宏观世界里，除了引力效应之外，人类能感受到的力、热、光、电、磁等现象，主要是微观粒子之间电磁相互作用造成的效果。毫无疑问，如果能够用“更快、更高、更强”的外部环境去调控微观粒子之间的相互作用，将更有可能寻找到常态下无法实现的新现象，让我们有望窥探物质世界的新机理，并帮助我们寻找有实用价值的新材料。强磁场不仅对基础科研十分重要，相关技术还可用于能源、交通、制造、冶金、环保、医疗、国防等多个方面，是名副其实的“神兵利器”之一。

一般来说，产生强磁场的方式有两种：利用稳恒强电流产生的稳态强磁场和利用瞬态脉冲电流产生的脉冲强磁场。目前，稳态强磁场的世界纪录保持在45.22 T，由中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的混合磁体所创造。稳态强磁场之所以很难突破记录的原因在于，如此强大的电流通过磁体时会产生大量的焦耳热，如果无法及时散热，对磁体会造成不可逆的损伤。为此，科学家们想到利用超导材料来制造磁体，因为超导体具有绝对零电阻，电流通过时完全不发热。遗憾的是，超导体能抵御的磁场仍然存在一个上限，尽管对于高温超导材料而言，其上临界磁场可以达到100 T以上，但利用超导线带材绕制复杂的磁体结构之后，其承载磁场的能力将大大降低，单一超导磁体的磁场上限大约为23 T。2019年，采用高温超导磁体和低温超导磁体组合的内插磁体方案，中国科学家实现了32.35 T的超导磁体强磁场新纪录。直到今天，稳态强磁场的最高记录，仍然没有突破50 T大关。

脉冲强磁场的方案是尽可能地减少焦耳热的产生，就是让电流通过的时间尽可能地短，短到大约零点几秒到千分之一秒量级（毫秒），并借助液氮等低温环境尽可能带走瞬间的热量。这相当于给磁体线圈发射了一个短脉冲，在它还来不及出现过热损伤之前就消失了，这就是磁场界的“一脉神剑”技术。可不要小看这短短的电脉冲产生的磁场，它蕴含着巨大的能量，隔山打牛啥的都不在话下。以国家脉冲强磁场中心为例，其电源是一组28 MJ的电容储能系统，需要22个1.2 MJ的模组同时放电。可以说，每发射一个电脉冲，都是10兆焦耳量级的能量！对于脉冲磁场装置而言，产生单个脉冲，其最高的平顶磁场大约在60 T左右。要产生更强的磁场，需要“二脉神剑”组合，就是在平顶磁场的瞬间范围里，再叠加一个毫秒级的脉冲，这样的磁场就可以冲到100 T以上。目前世界上主要的脉冲强磁场装置分布在：美国国家强磁场实验室（NHMFL）、德国德累斯顿脉冲强磁场实验室（HLO）、法国脉冲强磁场国家实验室（LNCMI）和武汉国家脉冲强磁场科学中心（WHMFC）。其中，美国在2012年创下了脉冲强磁场的世界纪录，为100.75 T。武汉国家脉冲强磁场中心的下一个目标之一就是电源扩容到167 MJ，并突破110 T脉冲磁场，十分令人值得期待。

脉冲强磁场和稳态强磁场是互为补充的两类强磁场研究平台。脉冲强磁场的主要优势在于50 T以上强磁场环境下的物质科学研究和需要瞬态高能脉冲的工程技术领域。在基础科研领域，脉冲强磁场可以帮助实验探测高温超导材料的上临界磁场，拓扑电子材料在强磁场下的量子振荡现象，多铁材料的极性翻转，自旋电子学器件的强磁响应等。在应用技术领域，脉冲强磁场可以轻松加工各种大型构件，在几毫秒的脉冲里就加工成型直径1.38米的航天用铝合金壳体件，在一瞬间就完成钢材和铝材等异质材料的高速冲击焊，还能更高效地完成永磁风力发电机转子的兆瓦级充磁。

当然，脉冲强磁场和稳态强磁场都属于“非破坏性强磁场”技术。如果采用“脉冲电磁炸弹”等破坏性强磁场技术，其瞬态磁场可达1000 T以上，不过那更多的是作为军事用途，科研和工业生产较少用到。

随着技术的不断向前发展，脉冲强磁场一定能在将来发掘更多的用途，为我们创下新的科学奇迹！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者： 罗会仟

审核： 姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

内容资源由项目单位提供