水冷磁体技术是现代高端科学研究、医疗诊断与治疗、工业生产等众多领域的核心支撑技术。在科学研究中，强磁场环境对于探索物质的微观结构和物理性质至关重要；在医疗领域，磁共振成像（MRI）设备依赖高性能磁体提供清晰准确的图像；在工业上，磁选、磁力搅拌等工艺也离不开磁体技术的支持。然而，长期以来，国际上少数发达国家在水冷磁体技术的高端层面占据主导地位，我国面临着技术封锁和设备进口成本高昂的困境。为了突破这一局面，提升我国在该领域的自主创新能力和国际竞争力，我国科研人员不懈努力，经过多年攻关，成功创造了世界水冷磁体技术的新高峰。

▏什么是水冷磁体

水冷磁体，是一种通过水冷方式维持稳定运行，以产生特定磁场的装置 ，在科研、工业等众多领域发挥着关键作用。从工作原理来看，其基于电磁感应现象。当电流通过缠绕在特定结构上的导体时，会产生磁场。为获得强大磁场，往往需要通过较大电流。然而，大电流会使导体因电阻产生大量热量，这对磁体性能和稳定性构成威胁。水冷磁体通过巧妙设计，让冷却液（通常是水）在导体周围循环流动。水具有较高的比热容，能够高效吸收并带走导体产生的热量，使磁体维持在适宜工作温度，确保长时间稳定地产生高强度磁场。水冷磁体的结构组成较为复杂。核心部分是由高导电性材料（如铜合金）制成的导体绕组，这些绕组精心缠绕成特定形状，以优化磁场分布。围绕绕组的是水冷系统，包括冷却管道、水泵、散热器等组件。冷却管道紧密贴合绕组，水泵驱动水在管道中循环，散热器则将吸收热量后的水冷却，以便循环利用。在应用上，水冷磁体在科研领域贡献突出。在强磁场实验室中，科学家借助水冷磁体产生的高强度磁场，研究物质在极端条件下的特性，如探索新型超导材料、研究强磁场对生物分子的影响等。在工业方面，它用于磁选设备，从矿石等原料中分离出磁性物质，提高选矿效率。在医疗领域，虽不如超导磁体在MRI中应用广泛，但在一些特定的磁疗设备研发中，水冷磁体也展现出独特价值。

▏水冷磁体技术发展历程

回顾水冷磁体技术的发展，它走过了漫长而曲折的道路。早期，受限于材料和技术水平，能够产生的磁场强度十分有限。但随着材料科学的不断进步，科学家们发现了一些具有良好导电性和热稳定性的材料，如铜合金等，这些材料成为了制造水冷磁体导体的理想选择。同时，冷却技术也在不断革新，从最初简单的水冷方式，逐渐发展到更加高效的循环冷却系统，能够更精准地控制磁体的温度。在这个过程中，各国科学家都在积极探索，不断尝试突破磁场强度的极限。每一次的进步，都为后续的研究奠定了更坚实的基础，也为超导磁体技术的整体发展注入了强大的动力。

▏技术研发背景

一、国际技术现状国外在水冷磁体技术方面起步早，技术成熟度高。以美国、欧洲和日本为代表的国家和地区，在高场强磁体的设计、制造和应用方面积累了丰富的经验，拥有先进的生产设备和技术工艺。例如，在大型粒子加速器项目中，其使用的水冷磁体能够产生极高强度和稳定性的磁场，为前沿科学研究提供了强大的支撑。

二、国内技术需求随着我国经济的快速发展和科技水平的不断提高，对高性能水冷磁体的需求日益增长。在科研领域，我国积极推进大科学装置建设，如强子对撞机、核聚变实验装置等，对磁体的性能和稳定性提出了极高要求；在医疗领域，国产高端 MRI设备的研发和生产需要自主可控的高性能磁体技术，以降低设备成本，提高医疗服务的可及性；在工业领域，新材料、新能源等产业的发展也依赖于先进的磁体技术来提升生产效率和产品质量。

▏42.02万高斯稳态磁场的重大突破

一、突破的关键技术与创新我国科学家在水冷磁体技术领域取得的产生42.02万高斯稳态磁场这一重大突破，背后蕴含着一系列关键技术与创新。在材料方面，科研团队经过大量的实验和筛选，研发出了一种新型的导体材料，这种材料不仅具有极高的导电性，能够在较小的电阻下通过大电流，而且在高温环境下依然能够保持良好的物理性能，大大减少了因电阻产生的热量损耗。在结构设计上，科学家们采用了全新的磁体绕组结构。这种结构通过优化导体的缠绕方式和布局，使得磁场分布更加均匀，有效地提高了磁场强度的利用率。同时，为了更好地解决散热问题，他们还设计了一套先进的水冷系统。该系统能够根据磁体不同部位的温度变化，精确地调节冷却液的流量和流速，确保整个磁体在运行过程中始终保持在适宜的温度范围内。

二、打破世界纪录的意义这一成就打破世界纪录，其意义不仅仅局限于数字上的超越。首先，它标志着我国在水冷磁体技术领域达到了世界领先水平。长期以来，在高端磁体技术方面，我国曾面临着诸多技术封锁和挑战。此次突破向世界展示了我国在该领域的强大科研实力和创新能力，为我国在国际科研舞台上赢得了更高的声誉和话语权。更为重要的是，42.02万高斯的稳态磁场为物质科学前沿研究提供了前所未有的极端实验条件。在如此高强度的磁场环境下，物质的许多特殊性质和物理现象能够被更清晰地观察和研究。例如，在凝聚态物理领域，科学家们可以研究电子在强磁场下的量子行为，探索新型超导材料的奥秘；在材料科学中，强磁场可以诱导材料产生独特的结构和性能变化，为开发高性能材料提供新的途径。

▏超导磁体技术的应用领域

一、医疗领域的磁共振成像（MRI）超导磁体技术在医疗领域的应用最为人熟知的当属磁共振成像（MRI）。MRI设备利用超导磁体产生的强大而均匀的磁场，使人体组织中的氢原子核发生共振。通过检测这些共振信号，医生可以获得人体内部详细的解剖结构图像，从而准确地诊断疾病。与传统的X射线、CT等成像技术相比，MRI具有无辐射、对软组织分辨力高等优点。例如，在神经系统疾病的诊断中，MRI能够清晰地显示大脑的细微结构，帮助医生发现早期的脑部病变，如肿瘤、脑血管畸形等。在心血管疾病的诊断方面，MRI可以实时观察心脏的运动和血流情况，为心脏病的诊断和治疗提供重要依据。

二、高能物理实验中的粒子加速器在高能物理实验领域，粒子加速器是探索物质微观结构的重要工具。而超导磁体则是粒子加速器的核心部件之一。超导磁体产生的强磁场可以引导和加速带电粒子，使其达到接近光速的速度。以大型强子对撞机（LHC）为例，它使用了大量的超导磁体来控制质子束的运行轨迹。在LHC的环形隧道中，超导磁体沿着轨道排列，通过精确调节磁场强度和方向，确保质子束在高速运行过程中保持稳定，并最终实现对撞。通过对撞产生的高能粒子碎片，科学家们可以研究物质的基本组成和相互作用，验证和探索新的物理理论，如希格斯玻色子的发现就离不开超导磁体技术在粒子加速器中的应用。

三、能源领域的磁约束核聚变能源问题是当今世界面临的重大挑战之一，而磁约束核聚变被认为是未来清洁能源的希望所在。在磁约束核聚变实验装置中，超导磁体起着至关重要的作用。它通过产生强大的磁场，将高温等离子体约束在一定的空间范围内，使其达到核聚变所需的条件。例如，我国的“东方超环”（EAST）核聚变实验装置，就采用了先进的超导磁体技术。在EAST装置中，超导磁体产生的磁场能够有效地约束高温等离子体，使其温度达到上亿摄氏度，为实现核聚变反应创造条件。如果磁约束核聚变技术能够成功实现商业化应用，将为人类提供几乎无限的清洁能源，彻底改变全球的能源格局。

▏超导磁体技术的未来展望

一、性能提升的方向在未来，超导磁体技术在性能提升方面有着明确的方向。一方面，进一步提高磁场强度仍然是重要的目标。随着材料科学和工程技术的不断发展，有望研发出临界温度更高、载流能力更强的超导材料，从而实现更高的磁场强度。例如，高温超导材料的研究进展如果能够取得重大突破，将有可能使超导磁体在更高的温度下运行，降低制冷成本，同时提高磁场强度。另一方面，提高磁场的均匀性和稳定性也是关键。在许多应用领域，如高精度的科学实验和先进的医疗成像设备，对磁场的均匀性和稳定性要求极高。未来的研究将致力于优化磁体的设计和制造工艺，采用更先进的控制技术，实现对磁场的精确调控，确保磁场在长时间运行过程中保持高度的均匀和稳定。

二、拓展应用领域的潜力超导磁体技术在拓展应用领域方面也具有巨大的潜力。在交通运输领域，磁悬浮列车就是超导磁体技术的一个潜在应用方向。超导磁体产生的强磁场可以使列车悬浮在轨道上，减少摩擦力，从而实现高速、平稳的运行。与传统的轮轨列车相比，磁悬浮列车具有速度快、噪音低、能耗小等优点，有望成为未来城市间快速交通的重要方式。在环保领域，超导磁体技术也可以发挥重要作用。例如，利用超导磁体产生的强磁场，可以对工业废水和废气中的污染物进行高效分离和处理。通过磁场的作用，使带有磁性的污染物颗粒聚集在一起，便于后续的分离和回收，从而实现更高效的环保处理。超导磁体技术作为现代科学技术的重要组成部分，在过去取得了令人瞩目的成就，在未来更是蕴含着无限的可能。从基础研究到实际应用，它将继续为人类社会的发展带来深刻的变革。我国在水冷磁体技术领域取得的重大突破，不仅为超导磁体技术的发展注入了新的活力，也为我国在相关领域的进一步探索奠定了坚实的基础。相信在科学家们的不懈努力下，超导磁体技术将在更多领域绽放光彩，为人类的进步和发展做出更大的贡献。

（图片源自网络）

作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林

来源: 吉林科普微窗