地球本身就是一个磁体，地理位置不同，磁场强度不同，其磁场平均强度约为0.5至0.6高斯。“人造”强磁场分两种：脉冲和稳态。其中，脉冲可在毫秒级时间范围内达到100特斯拉（1特斯拉=10000高斯）；稳态磁场只要配套系统允许，可以持续任意长时间，但强度目前最大不超过45特斯拉。本文重点讲述稳态强磁场。

稳态强磁场已经应用于生活，比如，若你的腰椎、颈椎不舒服，医生会开一个磁共振成像（MRI）检测单，MRI检测用到的磁共振成像仪核心部件就是磁体，其磁场一般是1.5特斯拉和3特斯拉。科学岛上中科院合肥研究院强磁场中心稳态强磁场，比医院里的磁体磁场则强得多，让我们前去一探究竟。

稳态强磁场的用处：

是科学家强有力的武器

“工欲善其事，必先利其器”，强磁场就是科学家的研究利器。稳态强磁场极端环境下（超高压、极低温、强激光等都是现代科学研究的常见极端条件），物质内部会展开一个个奇妙的未知故事，科学家可以从中探寻大自然隐藏至深的秘密故事。

强磁场中心整天都忙忙碌碌，究竟在忙什么呢？其中一大部分工作就是建设能产生稳态强磁场的强磁体并维护其运行，为国内外的科研人员提供服务。强磁体分水冷磁体、超导磁体和混合磁体三大类。在认识这类磁体之前，不妨先回顾一些基本物理知识。

不变的道理：

电“生”磁

早在中学学习阶段，老师就告诉我们电生磁的科学道理。通电的螺线管会产生磁场：在一根通电导线周围有磁场，这种电流的磁效应由汉斯·克里斯蒂安·奥斯特于1819年在一次讲座实验中偶然发现。

家用通电导线和电器周围的磁场非常弱，例如距离吊扇一米处的磁场只有几毫高斯。为了制作更强的磁体，我们需要进一步升级此方法：如果把一根直导线绕成一个环形导线，所有“小”的、独立的磁场便会相互“联合”起来，从而产生一个大的、多的磁场。再进一步，如果我们把一根导线绕成10匝平行线圈，产生的磁场则是单个环形导线的10倍。这种方法绕成的导线线圈称为螺线管，螺线管的磁场强度随导线匝数增加而增强。在螺线管中放置一铁芯插件，则可使磁场进一步增强，增大电流也是增强磁场的一种方法。

实际上，强磁场中心强磁体的设计也是利用电生磁这一基本原理，只不过我们不是使用螺线管那样简单的生磁装置。

用“水”冷却的磁体：

水冷磁体

接着上述，你也可以使用特殊设计的“比特片”来改进这种简单的线圈，把通电导线替换成特殊设计的导电片—比特片，比特片抵抗磁场作用于自身的能力和耐热能力就会更加优越。这种导电片最早由美国麻省理工大学的弗朗西斯·比特于1936年研制出来，20世纪90年代美国国家强磁场实验室改进了最初的比特片设计，创立了佛罗里达比特片。

强磁场中心首席专家高秉钧研究员是当时参与设计制作佛罗里达比特片的重要人员之一，他在上个世纪90年代在美工作期间通过计算分析创立了水冷磁体比特片设计的新概念。大多大型电磁体的研制都要用到比特片，这就是为什么有时候水冷磁体也叫比特磁体的原因。

水冷磁体还有个名字叫“有阻磁体”。形成电流的电子在旅程中会撞击原子核和其他电子，这些无效能量消耗即产生大量的热，需要利用大量特殊的水流过比特片的小孔来冷却磁体，这就是其为什么叫“水冷磁体”的原因。所以可以看出，此类磁体必须吃大量的电、喝大量的水，这真是非常昂贵的两个嗜好。幸运的是，还有另一种具有很多优点的磁体——超导磁体。

[小知识]

去离子水：有阻磁体运行过程中产生的热量必须由水带走，这样才能保持磁体材料的特性不受影响。为了防止普通水中的离子导电以及水垢阻塞磁体内的水流通道，需要使用去离子的水。去离子水也可称为超纯水，泛指电阻达到兆欧以上的水。而我们的水冷磁体要求去离子水的电阻不得低于15兆欧。

有阻磁体的场强依赖流过它的电流强度，我们的电源为有阻磁体提供最大40000安培的电流强度。所以说电费是强磁场中心一份大账单，一台磁体开机运行1分钟电费就有几百元，每年可达上千万元。

你可能会问，需要多强的磁场，就输入对应强度的电流，这样是不是不管多强的稳态磁场都可以得到？对，你想得完全正确，理论上确实如此。但大家都知道，通电磁体在磁场中会受到一个力，我们称之为电磁感应力。可以想像，如此大的磁场和如此强的电流，导致这个力也是巨大的，这对磁体本身的材料是一个巨大考验，否则一不小心磁体就会被撕裂。所以，在磁体研制过程中，材料是至关重要的一环。磁体研制人员像高空走钢丝的表演人员一样，要平衡电源、材料、工艺等各方面因素，从而最终达到最大的磁场输出。

一个美丽的梦：

超导磁体

超导是一种非常有趣的物理现象，在低温条件的帮助下，处于超导态的导体电阻将消失。你可以这样想象：在超导态，超导材料的原子被局限在电子旅途之外，超导电子可以在宽阔舒适的大街上畅通无阻地前行。

超导磁体的研制原理和水冷磁体是一样的，只是其导体在工作状态时电阻消失而已。强磁场中心拥有一系列不同磁场强度、不同口径、不同用途的超导磁体，最大磁场强度为20特斯拉。亚太地区首个一体化的9.4特斯拉/400毫米口径的磁共振成像-动物实验室研究平台，这台磁体的强度比医院做磁共振检查的磁场大很多。

超导磁体一旦到达超导状态，除非有人断开电路，否则电流就会永不停歇地流啊流。听起来它似乎比水冷磁体强大很多，但这其实仅仅是一个美丽的梦，因为当你节省了电费水费的同时，建造超导磁体却更加昂贵，而且要持续不断地喂它低温液体（液氦和液氮）以保持其低温条件。目前，超导磁体受材料限制所能产生的磁场强度不超过30特斯拉、水冷磁体可提供的最强磁场不超过40特斯拉，但这并不意味着可以就此固步不前，事实上，你需要做的只是一道简单的算术题。

[小知识]

广泛应用的超导磁体研制材料有铌钛、铌三锡，由于铌三锡具有高临界场、高载流能力等优点，它逐渐成为强磁体科学家们追求更高场强的首选。强磁场中心已研制出国内首台铌三锡超导磁体。

强磁场中心超导磁体的超导低温环境主要由液氦来维持，低温温度为零下269摄氏度。

为了更高磁场：

混合磁体

这道用于建造更强稳态磁场的数学题非常简单：一台可提供场强为11T的超导磁体，一台可提供34T的水冷磁体，两者合一，可以得到什么呢？答案是，得到一个“杂交”磁体（专业术语为混合磁体）。这样的组合，能产生国际上最强的可产生45特斯拉场强的混合磁体，该混合磁体目前存放于美国国家强磁场实验室。科学岛上的混合磁体亦同理，一台可提供场强为11T的超导磁体，一台可提供32.9T的水冷磁体，两者合一，得到了可产生43.9特斯拉的混合磁体。这两台混合磁体也是国际上仅有的两台。这两台磁体如果处于室温，那么至少需要接近一个月的时间才能冷却至运行低温状态。

实验现场：

轻松观察数据

稳态磁体是中空的圆柱体，其中空部分就是强磁场科研空间。科学家如何把样品放置于其中？实验数据又怎么收集呢？别担心，一套设计精密的实验测试系统可以同时解决这两个问题。科研人员从左侧的台阶爬上磁体的上部平台，把待测物质放置于实验测试系统的样品腔，再放置于磁体内部之后就可以坐下来靠在椅背上观察数据了。

就像显微镜放大100倍比放大10倍能告诉我们更多一样，磁场越强，物质内部展开的故事就越精彩。

更高磁场：

人们孜孜不倦的追求

因为物质由原子组成，原子由原子核、核外电子组成：电子有轨道磁矩、自旋磁矩，原子核有核磁矩，也就是说物质内部充斥着“微磁”。就如地磁场可以作用于指南针的小磁针一样，外界强磁场也可以作用于物质内部的“微磁”，所以，它能够改变核自旋和电子结构，进而宏观上改变物质特性。

强磁场在物理、材料、化学、生物学等领域广泛应用，作为一种极端条件愈来愈显露出它的重要作用。据统计，目前已有19项诺贝尔奖与磁场相关，因此磁场被称为21世纪诺贝尔奖的摇篮。目前，科学岛上的科学家们正雄心勃勃地筹划研制55特斯拉稳态强磁体。

要追逐更强的极端磁场，就像登山运动员一样，每前进一步增加1个特斯拉强度都是挑战。但更强的磁场是全世界该领域科技人员孜孜不倦的追求，因为强磁场下可以揭示的大自然秘密是如此多又如此迷人。如果你也为之着迷，那么欢迎来科学岛开启你的发现之旅吧！

（作者： 左萍 为中科院合肥物质科学研究院工作人员）