劉建華， 程軍勝， 王秋良， 嚴(yán)陸光

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190)

高場(chǎng)超導(dǎo)磁體研究進(jìn)展及其應(yīng)用

劉建華， 程軍勝， 王秋良， 嚴(yán)陸光

(中國(guó)科學(xué)院電工研究所， 北京 100190)

高磁場(chǎng)對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用，它孕育著許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生。超高磁場(chǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用研究對(duì)極端條件科學(xué)設(shè)施、生物醫(yī)學(xué)工程、國(guó)防特種裝備、高精度的科學(xué)儀器以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都具有重要的意義。目前世界上許多研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室開展了基于高溫超導(dǎo)帶材繞制高場(chǎng)直流超導(dǎo)磁體的項(xiàng)目。本文以高場(chǎng)超導(dǎo)磁體領(lǐng)域幾個(gè)主要的研究機(jī)構(gòu)為對(duì)象，主要介紹其在全超導(dǎo)高場(chǎng)磁體方面進(jìn)行的研究工作，包括設(shè)計(jì)方案、技術(shù)特點(diǎn)和最新的研究進(jìn)展，并對(duì)高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的主要應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

高場(chǎng)超導(dǎo)磁體； 高溫超導(dǎo)； REBCO帶材； Bi2223帶材

1 引言

高磁場(chǎng)對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用，它孕育著許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生。超高磁場(chǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用研究對(duì)極端條件科學(xué)設(shè)施、生物醫(yī)學(xué)工程、國(guó)防特種裝備、高精度的科學(xué)儀器以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都具有重要的意義[1-4]。

磁場(chǎng)尤其是高磁場(chǎng)所帶來(lái)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得人類對(duì)于物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)不斷加深，對(duì)于生命的起源以及從事疾病防治的研究都有特別重要的意義。當(dāng)今世界最先進(jìn)的電阻式強(qiáng)磁場(chǎng)最高可以達(dá)到45T，但是其需要龐大的電源和水冷系統(tǒng)，運(yùn)行功耗超過(guò)40MW，系統(tǒng)維護(hù)困難，還有占地面積大等諸多問(wèn)題。而低溫超導(dǎo)材料所能產(chǎn)生的最高磁場(chǎng)限制在23T附近，且需要運(yùn)行在超流氦條件，運(yùn)行費(fèi)用一樣較高[5]。目前強(qiáng)磁場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是采用高低溫超導(dǎo)混合磁體方式產(chǎn)生20T以上的恒定磁場(chǎng)，這種方式可以極大降低系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)行成本。

目前可采用的繞制高場(chǎng)內(nèi)插磁體的商用導(dǎo)線主要有Bi2223帶材、REBCO帶材和Bi2212圓線。目前采用Bi2212圓線制造內(nèi)插磁體的工藝并不成熟，建造高溫內(nèi)插線圈主要還是采用Bi2223帶材或REBCO帶材。Bi2223帶材由于其內(nèi)部多絲結(jié)構(gòu)，其屏蔽電流較小，適用繞制對(duì)磁場(chǎng)均勻度要求比較高的核磁共振譜儀(NMR)磁體；而REBCO帶材由于在高場(chǎng)下具有更高的電流傳輸能力和更優(yōu)異的機(jī)械性能，更適宜做高場(chǎng)內(nèi)插磁體(≥25T)。目前，實(shí)用化的REBCO帶材在低溫下具有臨界電流密度對(duì)磁場(chǎng)不敏感、交流損耗小和軸向抗拉應(yīng)力高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

高場(chǎng)內(nèi)插線圈根據(jù)繞制方式不同分為層繞式(layer-wound)和雙餅式(double pancake)兩種，又根據(jù)導(dǎo)線是否絕緣分為有絕緣(insulated)和無(wú)絕緣(no-insulation)兩種。其中，有絕緣的線圈又分為兩種絕緣方式：①給高溫超導(dǎo)帶材絕緣，比如采用Kapton薄膜半疊包絕緣或采用絕緣套管來(lái)對(duì)帶材進(jìn)行絕緣；②通過(guò)在繞制高溫超導(dǎo)雙餅線圈過(guò)程中并繞絕緣化處理的不銹鋼帶進(jìn)行絕緣。經(jīng)過(guò)絕緣化處理的高溫超導(dǎo)雙餅必須采用主動(dòng)失超系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行保護(hù)。無(wú)絕緣的高溫超導(dǎo)線圈一般采用雙餅結(jié)構(gòu)，由裸線直接繞制，少數(shù)采用并繞未經(jīng)絕緣化處理的不銹鋼帶進(jìn)行繞制。盡管無(wú)絕緣的雙餅線圈其匝間由銅、黃銅或不銹鋼等金屬組成，但與處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)層相比它們的電阻率均高出好幾個(gè)量級(jí)，因此在線圈穩(wěn)定載流時(shí)，電流將在超導(dǎo)層中流動(dòng)。一旦高溫超導(dǎo)帶材局部出現(xiàn)失超電壓上升，本來(lái)流經(jīng)超導(dǎo)層的電流可以通過(guò)選擇電阻更小的匝間金屬導(dǎo)體來(lái)進(jìn)行分流，避開處于非超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)層，從而可以防止失超區(qū)的繼續(xù)擴(kuò)展。所以本質(zhì)上無(wú)絕緣繞制的磁體是自穩(wěn)定的，無(wú)需主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。此外，無(wú)絕緣繞制技術(shù)還提高了內(nèi)插線圈的工程電流密度和機(jī)械強(qiáng)度，因此在高溫超導(dǎo)磁體領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。

目前世界上許多研究機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室開展了直流高溫超導(dǎo)磁體項(xiàng)目。截止到目前，磁場(chǎng)最高的超導(dǎo)內(nèi)插磁體，是由美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室Hahn團(tuán)隊(duì)采用無(wú)絕緣繞制工藝制作的REBCO層繞內(nèi)插磁體，它在31T的阻性磁體中產(chǎn)生了9.2T的磁場(chǎng)，其中心磁場(chǎng)達(dá)到了40.2T，繞組的工程電流密度接近達(dá)到了破紀(jì)錄的905A/mm2[7]。雖然這不是全超導(dǎo)磁體，但它卻證明了REBCO涂層超導(dǎo)體在高場(chǎng)磁體中的應(yīng)用潛力。截止到目前，世界各研究機(jī)構(gòu)在全超導(dǎo)磁體高場(chǎng)方面的研究進(jìn)展如表1所示。

表1 高場(chǎng)全超導(dǎo)磁體研究進(jìn)展

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室

美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室(NHMFL)主要研發(fā)高場(chǎng)用戶磁體(可供用戶使用的磁體)并進(jìn)行強(qiáng)磁場(chǎng)下的科學(xué)研究。目前其正在研制中心場(chǎng)為32T、冷孔直徑為32mm的全超導(dǎo)磁體，該磁體系統(tǒng)有獨(dú)立供電的低溫超導(dǎo)(LTS)磁體和高溫超導(dǎo)(HTS)磁體組成，如圖1所示。LTS磁體從牛津公司采購(gòu)，由NbTi線圈和Nb3Sn線圈組成，冷孔直徑為250mm，為內(nèi)插的REBCO磁體提供15T的背場(chǎng)。HTS內(nèi)插磁體貢獻(xiàn)17T的中心場(chǎng)，其冷孔直徑為32mm[8-10]。

圖1 32T全超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of 32T all superconducting magnet

內(nèi)插磁體由內(nèi)外兩層線圈組成，由SuperPower公司提供的REBCO帶材繞制。其內(nèi)插磁體的兩個(gè)線圈設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 內(nèi)插線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)

內(nèi)插線圈采用模塊(module)疊加組成，每個(gè)模塊由兩個(gè)干繞的單餅線圈構(gòu)成。此外，在繞制無(wú)絕緣的REBCO帶材時(shí)通過(guò)并繞經(jīng)氧化鋁溶膠絕緣處理的不銹鋼帶來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線的絕緣和加強(qiáng)。由于內(nèi)插線圈進(jìn)行了絕緣化處理，因此必須設(shè)計(jì)主動(dòng)失超保護(hù)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)插磁體進(jìn)行保護(hù)。為此，美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種加熱器置于模塊之間，如圖2所示。當(dāng)檢測(cè)線圈總端壓達(dá)到1V時(shí)便進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)，即切斷磁體電源并對(duì)加熱器進(jìn)行加熱。通過(guò)對(duì)模型線圈進(jìn)行失超測(cè)試發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)失超保護(hù)系統(tǒng)能有效保護(hù)REBCO線圈。

圖2 加熱器安裝位置及形狀Fig.2 Locations and shapes of heaters

2015年6月5日，美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了由6個(gè)外線圈模塊和6個(gè)內(nèi)線圈模塊組成的模型線圈，其在15T背場(chǎng)液氦條件下產(chǎn)生了12T的中心磁場(chǎng)，磁體的中心磁場(chǎng)達(dá)到了27T[11]，并穩(wěn)定維持了16min，如圖3所示。

圖3 中心磁體及線圈電流的測(cè)試曲線Fig.3 Central magnetic field and coil currents

2.2日本理化技術(shù)研究所

日本理化技術(shù)研究所(RIKEN)在研制1.3GHz NMR磁體過(guò)程中，為了獲得高均勻度的磁場(chǎng)，嘗試采用層繞的方法建造高溫內(nèi)插磁體[12-15]。其為了驗(yàn)證工藝的可行性，設(shè)計(jì)了一個(gè)由17T/φ130mm的 LTS磁體和11T HTS磁體組成的28T全超導(dǎo)磁體，其中HTS磁體由內(nèi)REBCO線圈和外Bi2223線圈組成，具體參數(shù)如表3所示[16]。

無(wú)背場(chǎng)的情況下，在液氦中浸泡的HTS磁體成功產(chǎn)生了13T的中心磁場(chǎng)，但是在17T背場(chǎng)下當(dāng)中心磁場(chǎng)達(dá)到25T時(shí)，REBCO導(dǎo)線在接頭部位出現(xiàn)了分層(delamination)損壞，這是由于剝離應(yīng)力導(dǎo)致。隨后RIKEN又建造了一個(gè)REBCO內(nèi)插磁體，并進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)：①線圈內(nèi)部不再有接頭，將需要焊接的接頭放置在上法蘭上；②為了防止導(dǎo)線移動(dòng)，將線圈的最外層綁扎加厚。改進(jìn)后再次測(cè)試內(nèi)插磁體，其傳輸電流達(dá)到了285A，在17T的背場(chǎng)中產(chǎn)生了10.6T的中心場(chǎng)，其中Bi2223線圈產(chǎn)生了6.5T，REBCO線圈產(chǎn)生4.1T磁場(chǎng)，使中心磁場(chǎng)達(dá)到了27.6T，這是目前由全超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的最高磁場(chǎng)[17]。經(jīng)過(guò)測(cè)試也發(fā)現(xiàn)，盡管增加了綁扎層的厚度，REBCO線圈接頭部位還是被燒毀，這說(shuō)明REBCO線圈的應(yīng)力集中問(wèn)題并沒(méi)有得到有效解決。REBCO帶材在該部位還是出現(xiàn)了分層損壞現(xiàn)象，這也迫使日本理化技術(shù)研究所放棄REBCO內(nèi)插線圈，而將1.3GHz NMR磁體的設(shè)計(jì)方案由之前的LTS+REBCO/Bi2223方案改為L(zhǎng)TS+Bi2223方案，盡管磁體線圈外直徑由610mm增加到783mm，重量由1.3t增加到了2.4t[16]。28T超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)插線圈的測(cè)試曲線如圖4所示。

表3 28T全超導(dǎo)磁體內(nèi)插線圈參數(shù)Tab.3 Configuration of insert coils for 28T all superconducting magnet

圖4 28T超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖及內(nèi)插線圈的測(cè)試曲線Fig.4 Configuration of 28T superconducting magnet and test curves of HTS coil

2.3麻省理工學(xué)院FBML實(shí)驗(yàn)室

麻省理工學(xué)院FBML實(shí)驗(yàn)室目前正在開展1.3GHz(30.5T)NMR超導(dǎo)磁體項(xiàng)目[18-21]。其最初設(shè)計(jì)的技術(shù)方案是先建造一個(gè)600MHz的HTS磁體，該HTS磁體由內(nèi)層的REBCO線圈和外層的Bi2223線圈構(gòu)成，然后通過(guò)與500MHz LTS磁體組合來(lái)實(shí)現(xiàn)1.1GHz NMR磁體。隨后通過(guò)將500MHz LTS 磁體升級(jí)為700MHz LTS磁體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)1.3GHz的NMR磁體。但是由于600MHz HTS磁體的意外被盜，使FBML實(shí)驗(yàn)室有機(jī)會(huì)重新考慮采用新的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)1.3GHz NMR磁體。

隨著無(wú)絕緣技術(shù)的提出以及REBCO高溫超導(dǎo)帶材性能的快速提升，F(xiàn)BML實(shí)驗(yàn)室已決定將最初的600MHz(14.1T)的HTS內(nèi)插線圈升級(jí)為800MHz(18.8T)的全REBCO線圈，其中500MHz(11.7T)LTS磁體不再進(jìn)行升級(jí)。1.3GHz核磁共振譜儀磁體如圖5所示。

圖5 麻省理工學(xué)院的1.3GHz核磁共振譜儀磁體Fig.5 1.3GHz NMR magnet system at MIT

1.3GHz磁體的總體結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。為了減小超導(dǎo)帶材所受應(yīng)力，最終將內(nèi)插磁體分為三層，內(nèi)層REBCO線圈在軸向用碟形彈簧和螺母進(jìn)行加固，外部用不銹鋼帶綁扎以減少內(nèi)部應(yīng)力。繞制后的最內(nèi)層超導(dǎo)線圈如圖5(b)所示。三個(gè)內(nèi)插超導(dǎo)磁體的相關(guān)參數(shù)如表4所示，所用的REBCO超導(dǎo)帶材由SuperPower公司提供。目前最內(nèi)層線圈已組裝測(cè)試完畢，在液氦無(wú)背場(chǎng)測(cè)試條件下產(chǎn)生了8.78T的中心場(chǎng)，運(yùn)行電流255A，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求[22]。

表4 內(nèi)插HTS線圈繞制參數(shù)Tab.4 Specification of insert coils

為開發(fā)高精度NMR HTS內(nèi)插磁體，F(xiàn)BML成功地開發(fā)出了許多很有實(shí)用性的新技術(shù)，主要包括無(wú)絕緣(No-Insulation, NI)繞制技術(shù)和溝槽繞制技術(shù)。所謂無(wú)絕緣繞制技術(shù)，是指在外用無(wú)絕緣的裸超導(dǎo)線繞制線圈，導(dǎo)線匝間無(wú)絕緣或采用無(wú)絕緣的金屬帶進(jìn)行加強(qiáng)。這種繞制技術(shù)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1)磁體可以自保護(hù)。由于HTS超導(dǎo)磁體失超傳播速度比LTS磁體低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，采用傳統(tǒng)的失超保護(hù)方式尚不能有效地對(duì)HTS超導(dǎo)磁體進(jìn)行保護(hù)。而采用無(wú)絕緣繞制技術(shù)的磁體，在失超時(shí)流經(jīng)超導(dǎo)帶材的熱點(diǎn)電流可以分流到臨匝的導(dǎo)線上，大大降低了熱點(diǎn)流過(guò)的電流強(qiáng)度，從而降低熱點(diǎn)溫升，即使發(fā)生失超也不損壞磁體。

(2)提高了工程電流密度。采用NI繞制技術(shù)后，帶材厚度可以減小，大大提高其工程電流密度，從而使HTS內(nèi)插磁體在狹小冷孔內(nèi)更加緊湊。

(3)提高了磁體的機(jī)械強(qiáng)度。由于線圈沒(méi)有機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較弱的絕緣材料，整個(gè)磁體的總體機(jī)械強(qiáng)度將得到提升，有利于磁體的穩(wěn)定運(yùn)行。

為了提高磁體的均勻度，一般可以將磁體做得很長(zhǎng)，但這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線消耗過(guò)多。為了降低導(dǎo)線消耗量，一般在磁體外側(cè)布置關(guān)于xy平面對(duì)稱的2～4個(gè)補(bǔ)償線圈，提高中心磁場(chǎng)的均勻性。對(duì)于雙餅繞制的工藝，線材的出入端都在雙餅的外側(cè)，因此為了便于焊接接頭，可以在內(nèi)插磁體的局部形成凹槽形式，即個(gè)別雙餅的內(nèi)徑比其他雙餅的大，但是所有雙餅的外徑保持一致。圖5(c)顯示了這一概念設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使得內(nèi)插HTS磁體的長(zhǎng)度縮短，減小了導(dǎo)線用量，并提高了磁場(chǎng)均勻度。

2.4韓國(guó)SuNAM公司

SuNAM公司是韓國(guó)著名的第二代高溫超導(dǎo)線的生產(chǎn)企業(yè)，目前也在進(jìn)行基于二代高溫超導(dǎo)的磁體技術(shù)開發(fā)。由MIT Francis Bitter Magnet Laboratory 設(shè)計(jì)、SuNAM公司建造的二代高溫超導(dǎo)磁體，在液氦條件產(chǎn)生了26.4T的中心磁場(chǎng)，這是目前單個(gè)高溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)的最高世界紀(jì)錄[23,24]。該磁體由26個(gè)采用無(wú)絕緣干繞的雙餅組成，磁體內(nèi)直徑35mm，外直徑172mm，高327mm。磁體的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

SuNAM的REBCO 磁體及測(cè)試曲線如圖6所示。由于采用了無(wú)絕緣繞制技術(shù)，磁體結(jié)構(gòu)緊湊，且無(wú)主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。值得一提的是，為了提高整個(gè)磁體的安全裕度，采用了不同寬度導(dǎo)線來(lái)繞制磁體，根據(jù)磁體中垂直場(chǎng)的大小分布，將最寬導(dǎo)線繞制的雙餅置于垂直場(chǎng)最大的磁體端部，而將最窄導(dǎo)線繞制的雙餅置于垂直場(chǎng)最小的中部，這種通過(guò)降低高垂直場(chǎng)區(qū)域電流密度來(lái)提高磁體安全裕度的做法極大地提高了導(dǎo)線的利用率，使得磁體內(nèi)4.1mm寬導(dǎo)線繞制的雙餅電流密度達(dá)到了404A/mm2。此外，由于沒(méi)有背景場(chǎng)，雙餅線圈外層導(dǎo)線的周向應(yīng)力很小，而內(nèi)層導(dǎo)線的周向應(yīng)力大部分被匝間導(dǎo)線的摩擦力克服，所以普通內(nèi)插磁體雙餅線圈之間的接頭部分的應(yīng)力集中問(wèn)題在這里并不突出，而整個(gè)REBCO磁體的最大周向應(yīng)力僅有286MPa@26.4T。

表5 雙餅線圈的參數(shù)配置

圖6 SuNAM的REBCO 磁體及測(cè)試曲線Fig.6 REBCO magnet at SuNAM and its test curves

2.5日本東北大學(xué)HFLSM實(shí)驗(yàn)室

日本東北大學(xué)HFLSM實(shí)驗(yàn)室一直在進(jìn)行相關(guān)高場(chǎng)傳導(dǎo)冷卻磁體的研究[25-28]。傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體由于運(yùn)行過(guò)程中不需要低溫冷卻液(如液氦和液氮)，具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和便于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。2013年，他們通過(guò)將傳統(tǒng)Bi2223導(dǎo)線并繞不銹鋼帶進(jìn)行加強(qiáng)的方法，成功研制出20T傳導(dǎo)冷卻的用戶磁體。自2013年開始，HFLSM開始進(jìn)行25T傳導(dǎo)冷卻磁體的研究。該磁體由14T的HTS 內(nèi)插磁體和11T的LTS磁體組成，兩個(gè)磁體獨(dú)立供電。對(duì)于傳導(dǎo)冷卻磁體來(lái)說(shuō)，降低制冷機(jī)冷頭和線圈之間的溫度梯度尤為重要，而對(duì)于高場(chǎng)超導(dǎo)磁體來(lái)說(shuō)，這會(huì)變得很困難，因?yàn)楦邎?chǎng)下勵(lì)磁過(guò)程中的交流損耗會(huì)很大。熱負(fù)荷的增加使得高場(chǎng)傳導(dǎo)冷卻磁體的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得十分重要。此外，考慮到強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)制冷機(jī)制冷功率的影響，制冷機(jī)和超導(dǎo)線圈之間還必須保持一定的距離。為解決這些問(wèn)題，HFLSM 實(shí)驗(yàn)室采用兩臺(tái)4K-GM和兩臺(tái)GM-JT制冷機(jī)分別冷卻HTS磁體和LTS磁體，還用兩臺(tái)單級(jí)GM制冷機(jī)用來(lái)單獨(dú)冷卻熱輻射屏和HTS電流引線，如圖7所示。

圖7 25T傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體示意圖Fig.7 Schematic view of 25T cryogen-free superconducting magnet

為了進(jìn)行方案比較，HFLSM同時(shí)制作了兩個(gè)HTS內(nèi)插線圈，其中一個(gè)為GdBCO線圈，另一個(gè)為Bi2223線圈。GdBCO線圈由56個(gè)單餅線圈組成，組裝后浸漬環(huán)氧。匝間采用并繞包裹聚四氟乙烯的聚酰亞胺薄膜進(jìn)行絕緣，餅線圈間安裝高純鋁板用于導(dǎo)熱。經(jīng)測(cè)試，零場(chǎng)下該GdBCO線圈在運(yùn)行電流為132.6A時(shí)產(chǎn)生了10.15T 中心場(chǎng)，如圖8(a)所示，在14T背場(chǎng)條件下，GdBCO線圈在中心場(chǎng)為24T時(shí)失超。Bi2223線圈采用鎳合金加強(qiáng)的Bi2223帶材繞制，有38個(gè)雙餅線圈組成。該線圈的詳細(xì)參數(shù)如表6所示。經(jīng)測(cè)試，該Bi2223線圈在自場(chǎng)條件下產(chǎn)生了11T的中心場(chǎng)，在14T的背場(chǎng)中運(yùn)行電流為187.8A時(shí)產(chǎn)生了10.6T的磁場(chǎng)，使得中心場(chǎng)達(dá)到了24.57 T，如圖8(b)所示。這是目前傳導(dǎo)冷卻全超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的最高磁場(chǎng)。

圖8 GdBCO和Bi2223線圈的測(cè)試Fig.8 Test of GdBCO and Bi2223 coils

2.6中國(guó)科學(xué)院電工研究所

中國(guó)科學(xué)院電工研究所自2012年開始開發(fā)大于等于25T高場(chǎng)超導(dǎo)磁體項(xiàng)目[29-33]。磁體采用外部低溫超導(dǎo)磁體(15T)與內(nèi)部高溫超導(dǎo)磁體(10T)組合的方式。高溫內(nèi)插磁體用雙餅線圈組裝，并采用無(wú)絕緣方式干繞而成。最初設(shè)計(jì)的內(nèi)插線圈由16個(gè)雙餅組成，但是在液氮測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，有一個(gè)雙餅臨界電流和n值偏低，推斷是在繞制過(guò)程中出現(xiàn)了損傷，所以在組裝時(shí)該雙餅被剔除在外。經(jīng)初步測(cè)試，由15個(gè)雙餅組成的模型線圈在液氮自場(chǎng)條件下產(chǎn)生了1.62T的中心磁場(chǎng)，運(yùn)行電流為32A；而在液氦條件下，該模型線圈在15T的背場(chǎng)環(huán)境下產(chǎn)生了9T的中心磁場(chǎng)，冷孔內(nèi)的中心磁場(chǎng)達(dá)到了24T，其最高場(chǎng)為24.3T[34,35]。在測(cè)試過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，有3個(gè)雙餅之間的接頭出現(xiàn)了明顯的阻值上升，并且有2個(gè)雙餅線圈出現(xiàn)了不同程度的性能退化，如圖9所示。

表6 HTS線圈設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.6 Specification of HTS coils

圖9 液氦測(cè)試后內(nèi)插磁體性能檢測(cè)Fig.9 Performance check of insert coil after test in liquid helium

經(jīng)分析認(rèn)為原因如下：①這是由于在雙餅線圈組裝過(guò)程中軸向壓力發(fā)生了變化，導(dǎo)致接頭之間的間隙變化從而損壞了接頭，如5#、6#和13#線圈；②組裝工藝還存在技術(shù)缺陷，造成內(nèi)插線圈結(jié)構(gòu)不夠緊湊，出現(xiàn)的應(yīng)力集中造成了部分超導(dǎo)帶材的損傷，最終導(dǎo)致部分雙餅線圈提前失超，如2#和14#；③端部過(guò)高的垂直場(chǎng)極大地降低了端部線圈的安全裕度，2#和14#線圈位于線圈的端部——垂直場(chǎng)最高的地方。

針對(duì)這些問(wèn)題，重新繞制了10個(gè)雙餅用以替換原內(nèi)插線圈中性能欠佳的雙餅線圈。新繞制的雙餅線圈中有4個(gè)雙餅為雙繞方式，其作用是用以降低端部線圈的電流密度來(lái)提供該區(qū)域的運(yùn)行安全裕度。新的內(nèi)插磁體由20個(gè)雙餅線圈構(gòu)成，分別為C1～C4四種規(guī)格，如表7所示。原內(nèi)插線圈拆除后對(duì)雙餅線圈進(jìn)行篩選，留下性能最優(yōu)的10個(gè)雙餅線圈，放置在新組裝線圈的中間，將新的雙繞雙餅線圈放置在最外部，雙餅線圈的排列方式如圖10(a)所示。此外，針對(duì)REBCO高場(chǎng)內(nèi)插磁體的應(yīng)力集中問(wèn)題，采用設(shè)計(jì)精巧的綁扎裝置對(duì)磁體外層導(dǎo)線予以多層保護(hù)，盡可能降低外層導(dǎo)線間的相對(duì)移動(dòng)，使得雙餅接頭部位的導(dǎo)線免于分層。經(jīng)測(cè)試，在液氦浸泡條件下，內(nèi)插磁體在15T的超導(dǎo)背場(chǎng)中能穩(wěn)定產(chǎn)生10.0T以上的中心磁場(chǎng)，從而使中心磁場(chǎng)達(dá)到了25.0T以上。此后，在磁體磁場(chǎng)由25.0T向26.0T勵(lì)磁過(guò)程中，中心磁場(chǎng)為25.7T時(shí)失超，運(yùn)行電流為194.5A[36,37]， 測(cè)試曲線如圖10(b)所示。

表7 不同雙餅規(guī)格參數(shù)Tab.7 Specification of double pancakes

圖10 25T全超導(dǎo)磁體的內(nèi)插線圈及磁體的測(cè)試曲線Fig.10 Insert coil for 25T superconducting magnet and its test curves

25.7T高場(chǎng)全超導(dǎo)磁場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著我國(guó)在研制高場(chǎng)內(nèi)插磁體技術(shù)方面走到了世界前列，在≥25T全超導(dǎo)高場(chǎng)磁體的研制競(jìng)賽中占據(jù)一席之地。經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目我國(guó)在高場(chǎng)內(nèi)插磁體設(shè)計(jì)、建造工藝以及測(cè)試分析等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并擁有了相當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲(chǔ)備，為后續(xù)研制30T高場(chǎng)科學(xué)裝置和GHz級(jí)別的譜儀磁體奠定了基礎(chǔ)。

3 高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的主要應(yīng)用

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件，從而實(shí)現(xiàn)特有的功能和發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象，由此推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和工程應(yīng)用的快速發(fā)展。列入《國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃(2012-2030)》并在“十二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的16個(gè)重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中，涉及到需要使用高磁場(chǎng)裝置的項(xiàng)目達(dá)到9項(xiàng)[37]。高場(chǎng)超導(dǎo)磁體技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了強(qiáng)磁場(chǎng)在高場(chǎng)核磁共振技術(shù)、高能加速粒子、探測(cè)器、散射中子源、磁約束聚變、基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1, 38]。

3.1高場(chǎng)核磁共振技術(shù)

核磁共振的應(yīng)用主要包括核磁共振成像和核磁共振譜儀。超導(dǎo)磁體的主要作用是為成像區(qū)或樣品區(qū)提供高均勻度的穩(wěn)定磁場(chǎng)。

高場(chǎng)超導(dǎo)MRI作為重要的醫(yī)學(xué)診斷手段和揭開人類生命之謎的重要工具正在越來(lái)越多地影響著人類的日常工作和生活，向更加人性化的方向發(fā)展，提高磁場(chǎng)對(duì)人類疾病的早期診斷正在起著越來(lái)越重要的作用。對(duì)于醫(yī)用核磁共振成像的MRI磁體，要求在直徑30～50cm的球形范圍內(nèi)產(chǎn)生1.5～3T的磁場(chǎng)，在均勻區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)均勻度應(yīng)該優(yōu)于10-6。自1980年開始，人體核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷方面已取得了連續(xù)的進(jìn)展。早期超導(dǎo)MRI磁體采用4～8個(gè)同半徑的線圈組成，不能滿足醫(yī)學(xué)成像和介入治療技術(shù)的開放性要求，因此，超導(dǎo)MRI磁體系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是超短腔、高磁場(chǎng)和完全開放式的磁體結(jié)構(gòu)。目前最短的線圈長(zhǎng)度為1.5m，超短線圈有利于減小液氦的消耗和減輕病人的幽閉癥。隨著科學(xué)研究的深入，探測(cè)生命的奧秘、認(rèn)識(shí)思維的起源和發(fā)現(xiàn)新型的藥物，需要更高場(chǎng)的超導(dǎo)磁體。目前一般場(chǎng)強(qiáng)1.5～3T MRI已經(jīng)普及醫(yī)學(xué)商用，7T MRI也已經(jīng)允許投入人體醫(yī)用，9.4T MRI目前國(guó)際上僅有美國(guó)、德國(guó)等少數(shù)幾臺(tái)在進(jìn)行生物與人體的神經(jīng)與代謝的醫(yī)學(xué)研究，國(guó)際上最高場(chǎng)強(qiáng)11.75T MRI項(xiàng)目INUMAC目前計(jì)劃于近期完工，建成后該磁體將用于人體腦神經(jīng)科學(xué)研究[39,40]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 INUMAC項(xiàng)目的11.75T MRI超導(dǎo)磁體Fig.11 11.75T MRI superconducting magnet for INUMAC program

自從1950年第一臺(tái)核磁共振譜儀磁體系統(tǒng)(NMR)問(wèn)世以來(lái)，NMR作為決定物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效工具在世界各大實(shí)驗(yàn)室廣泛使用，成為當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)以及材料學(xué)的重要分析工具。目前普遍使用的NMR磁體具有標(biāo)準(zhǔn)孔徑54～89mm，磁場(chǎng)為2.35～23.1T，對(duì)應(yīng)頻率為200～1000MHz。高磁場(chǎng)NMR磁體要求磁場(chǎng)穩(wěn)定度達(dá)到10-8/h，0.2cm3的球形范圍內(nèi)磁場(chǎng)均勻度達(dá)到10-9。NMR高場(chǎng)超導(dǎo)磁體采用高性能的低溫超導(dǎo)材料，如Nb3Sn和三元化合物(NbTa)3Sn。此外，新型實(shí)用化的高溫超導(dǎo)材料，如YBCO、Bi2223和Bi2212為高場(chǎng)NMR磁體提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，超導(dǎo)磁體科學(xué)發(fā)展的最明顯標(biāo)志是950MHz～1GHz NMR達(dá)到了商業(yè)應(yīng)用水平[41]，用于分析和確定蛋白質(zhì)和其他大分子的結(jié)構(gòu)，極大地提高了共振譜線的分辨率。目前，世界范圍內(nèi)正在開發(fā)1.3GHz NMR系統(tǒng)以發(fā)現(xiàn)新型藥物和解開遺傳變異之謎[42]。

在高場(chǎng)磁體設(shè)計(jì)與建造技術(shù)方面，對(duì)于中等規(guī)模的超導(dǎo)磁體，國(guó)內(nèi)已有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲(chǔ)備。其中，具有代表性的是中國(guó)科學(xué)院所屬的研究所，例如，中國(guó)科學(xué)院電工研究所先后研制成功各種用于不同科學(xué)儀器、醫(yī)療和特種裝備的超導(dǎo)強(qiáng)磁系統(tǒng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度5～16T和溫孔φ80～330mm以及400～500MHz的核磁共振譜儀系統(tǒng)；目前，正在開展1.05GHz譜儀[43,44]和9.4T/φ800mm全身核磁共振成像超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的研制[45,46]。中國(guó)科學(xué)院相關(guān)研究所針對(duì)凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、核廢料處理和離子源等也相繼開展了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度的超導(dǎo)磁體研究。

3.2高能加速器和探測(cè)器

高能加速器磁體要求具有較高的磁場(chǎng)和磁場(chǎng)梯度以及極高的運(yùn)行電流密度，關(guān)鍵技術(shù)包括磁體的電磁優(yōu)化和多極異形磁體線圈結(jié)構(gòu)技術(shù)，如二、四、六和八極線圈、蛇形線圈和Wiggler等異形結(jié)構(gòu)超導(dǎo)線圈。由于鐵心飽和效應(yīng)，常規(guī)磁體限制了加速器高能粒子的能量水平。因此，現(xiàn)代高能加速器磁體普遍采用超導(dǎo)線圈作為磁源，通過(guò)合理的支持結(jié)構(gòu)保證線圈的剛性，而鐵磁材料屏蔽和低熱漏的低溫容器大大提高了加速器系統(tǒng)的能量，減小了運(yùn)行造價(jià)。與常規(guī)磁體相比，采用超導(dǎo)磁體的高能加速器的系統(tǒng)能量可提高4～5倍。大型高能加速器中使用的超導(dǎo)磁體，其磁場(chǎng)在不斷提高(10～15T)，從而極大地減小了電磁儲(chǔ)能環(huán)半徑和系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。高能加速器磁體系統(tǒng)，如歐洲的LHC、美國(guó)的 RHIC以及德國(guó)的DESY、GSI等高磁場(chǎng)加速器磁體系統(tǒng)已相繼建成和投入運(yùn)行。

我國(guó)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、蘭州近代物理研究所、等離子體物理研究所、上海應(yīng)用物理研究所圍繞強(qiáng)流質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)(ADS)和高能探測(cè)器等開展了系列研究與開發(fā)[47,48]。中國(guó)科學(xué)院電工研究所會(huì)同國(guó)內(nèi)公司為美國(guó)和英國(guó)研制大型的加速器鐵磁屏蔽系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院電工研究所、等離子體物理研究所和蘭州近代物理研究所合作為德國(guó)建造加速器二極磁體。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所已經(jīng)為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的BESIII探測(cè)器建成了長(zhǎng)3.52m、直徑1.482m的1T探測(cè)器磁體系統(tǒng)[49]。此外，由中國(guó)科學(xué)院電工研究所參與設(shè)計(jì)建造的AMS02二極超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，如圖12所示，其外直徑為2.7m，內(nèi)直徑1.1m，探測(cè)區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.87T[50,51]。

圖12 AMS02超導(dǎo)磁體Fig.12 Superconducting magnet for AMS02

3.3散射中子源

在大科學(xué)工程研究平臺(tái)中，散射中子源裝置和超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的結(jié)合使散射中子源的使用能力進(jìn)一步擴(kuò)展。超導(dǎo)磁體提供的強(qiáng)磁場(chǎng)促成了凝聚態(tài)物理學(xué)的許多新發(fā)現(xiàn)，包括磁性材料、軟物質(zhì)和生物材料。美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的散射中子源裝置LANSCE，結(jié)合強(qiáng)磁場(chǎng)和散射中子源進(jìn)行材料科學(xué)的研究，提出并建造了強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，其磁體系統(tǒng)提供的磁場(chǎng)強(qiáng)度為30T。目前日本的KENS/KEK項(xiàng)目，其磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到26T；在日本JRR3M中子源上，裝備有高磁場(chǎng)的超導(dǎo)和水冷Bitter磁體。目前JRR3M正在計(jì)劃發(fā)展50T的混合磁體系統(tǒng)，配置在現(xiàn)在的散射中子源中。德國(guó)Hahn-Meitner-Institut (HMI)研究所的散射中子源BENSC，目前裝備有5～17.5T磁場(chǎng)的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。為了使散射中子源的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，HMI已經(jīng)建議在中子源實(shí)驗(yàn)站上發(fā)展40T直流穩(wěn)態(tài)磁體系統(tǒng)，結(jié)合兩個(gè)大規(guī)模的裝置用來(lái)研究材料的磁和相關(guān)現(xiàn)象。

3.4磁約束聚變

實(shí)現(xiàn)慣性約束核聚變的裝置主要是托卡馬克(Tokamak)、仿星器(Stellarator)、磁鏡(Mirror machines)以及懸浮等離子體實(shí)驗(yàn)裝置(LDX)。1950年Kurchatov俄羅斯原子能研究所首先提出了Tokamak系統(tǒng)，用于受控?zé)岷司圩?。目前，世界上已?jīng)建成的超導(dǎo)Tokamak系統(tǒng)主要包括法國(guó)的Tore Supera、俄羅斯Kurchatov原子能研究所的T15和T7。1982年日本日立公司為九州大學(xué)建造了Triam-1M超導(dǎo)Tokamak，最大磁場(chǎng)11T。目前，已經(jīng)建造成功的超導(dǎo)Tokamak包括韓國(guó)的KSTAR超導(dǎo)Tokamak，采用Nb3Sn超導(dǎo)線圈；中國(guó)的EAST超導(dǎo)Tokamak，采用NbTi超導(dǎo)線圈。印度正在建造SST-1超導(dǎo)Tokamak。美國(guó)的TPX超導(dǎo)Tokamak完成了系統(tǒng)的概念和工程設(shè)計(jì)后，最終停止執(zhí)行，之后MIT發(fā)展了LDX受控?zé)岷司圩冄b置。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一。ITER計(jì)劃倡議于1985年，并于1988年開始實(shí)驗(yàn)堆的研究設(shè)計(jì)工作，于2001年完成工程設(shè)計(jì)，2005年正式選址在法國(guó)的卡達(dá)拉舍(Cadarache)核技術(shù)研究中心并于2006啟動(dòng)實(shí)施ITER計(jì)劃。ITER計(jì)劃將歷時(shí)35年，其中建造階段10年，運(yùn)行和開發(fā)利用階段20年，去活化階段5年。ITER Tokamak磁體總重上萬(wàn)噸，由低溫超導(dǎo)線NbTi和Nb3Sn繞制，工作溫度為4K，如圖13所示。建設(shè)超導(dǎo)磁體僅Nb3Sn導(dǎo)線的用量就超過(guò)500t，長(zhǎng)度超過(guò)10萬(wàn)km。磁體總儲(chǔ)能為51GJ，最大設(shè)計(jì)磁場(chǎng)為13.5T，項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2021年完成Tokamak組裝工作[52]。另外一些為研究開發(fā)核聚變能源的裝置也將相繼建設(shè)，如中國(guó)的CFETR，韓國(guó)的K-DEMO等。

圖13 ITER Tokamak中的超導(dǎo)線圈Fig.13 Superconducting coils for ITER Tokamak

2003年1月我國(guó)啟動(dòng)ITER計(jì)劃談判并于2006年5月與歐盟、印度、日本、韓國(guó)、俄羅斯和美國(guó)共同草簽了ITER計(jì)劃協(xié)定。中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所、理化技術(shù)研究所、電工研究所、核工業(yè)西南物理研究院、西北有色金屬研究院和一些高等院校在國(guó)家ITER專項(xiàng)的支持下，開展了Nb3Al高磁場(chǎng)磁體系統(tǒng)的研究，圍繞ITER的需求開展了不同程度的復(fù)雜構(gòu)形的超導(dǎo)線圈與部件的研究和開發(fā)，為國(guó)內(nèi)相關(guān)的裝置、ITER整機(jī)系統(tǒng)提供了相關(guān)的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。未來(lái)的發(fā)展是將中心磁場(chǎng)提高到超過(guò)20T。

3.5基礎(chǔ)物理研究

高場(chǎng)超導(dǎo)磁體主要用于提供極端強(qiáng)磁場(chǎng)條件以及科學(xué)設(shè)施，用于研究揭示基礎(chǔ)物理特性，包括高溫超導(dǎo)體的H-T相圖、臨界電流特性和非費(fèi)米液體行為,德哈斯效應(yīng)和費(fèi)米面性質(zhì),電子的Wigner結(jié)晶及其動(dòng)力學(xué)行為，磁場(chǎng)誘導(dǎo)的相變(如絕緣體-金超導(dǎo)轉(zhuǎn)變)，多級(jí)磁有序，串級(jí)自旋密度波和大塊材料中的量子霍爾效應(yīng)等的實(shí)驗(yàn)研究[53]。

全超導(dǎo)磁體的中心磁場(chǎng)低于混合磁體和水冷磁體，但由于其體積緊湊、能量密度高、輸入功率需求小、穩(wěn)恒磁場(chǎng)等特點(diǎn)，因而更具有發(fā)展前景。隨著近年來(lái)高溫超導(dǎo)材料性能的不斷提升，歐、美、中、日、韓等國(guó)家均通過(guò)高溫超導(dǎo)內(nèi)插磁體技術(shù)深化研究高場(chǎng)全超導(dǎo)磁體技術(shù)，使得磁體性能不斷提升。2.1節(jié)中的美國(guó)高場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室正在研制的32T/32mm高低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，日本東北大學(xué)與住友電工合作以Bi2223為內(nèi)插建成的24.57T傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體均屬于此種應(yīng)用范圍。此外，中國(guó)科學(xué)院電工研究所開展的25～30T全超導(dǎo)磁體系統(tǒng)項(xiàng)目，也是為發(fā)展極端電磁科學(xué)裝置而設(shè)立的。經(jīng)測(cè)試，該裝置于2017年5月在液氦條件下產(chǎn)生了25.7T的中心磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了25T全超導(dǎo)磁體的研究目標(biāo)[54]。

3.6其他應(yīng)用

由于工業(yè)、科學(xué)研究以及國(guó)防科學(xué)研究的需求，復(fù)雜電磁結(jié)構(gòu)的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快。在工業(yè)應(yīng)用方面，磁選礦、工業(yè)污水處理、核廢料處理、血液分離、特種電工裝備以及新型的強(qiáng)磁裝備應(yīng)用日益廣泛。國(guó)際上有關(guān)工業(yè)研究近年來(lái)主要集中在不同結(jié)構(gòu)和功能的工業(yè)分離技術(shù)，美國(guó)Erize公司、杜邦公司、英國(guó)牛津公司已經(jīng)發(fā)展成功磁場(chǎng)1～5T、口徑300～500mm的高磁場(chǎng)系統(tǒng)。我國(guó)中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所、電工研究所、強(qiáng)磁場(chǎng)中心和高能物理研究所等相繼開發(fā)了不同用途的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)并應(yīng)用于工業(yè)，一些公司在國(guó)內(nèi)研究所的支持下開展了產(chǎn)業(yè)化的研究。用于特種裝備上的超導(dǎo)磁體目前在我國(guó)具有較好的工業(yè)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

高場(chǎng)電磁環(huán)境對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有極其重要的作用。雖然高場(chǎng)電磁環(huán)境已在工業(yè)和國(guó)防領(lǐng)域有了一些應(yīng)用，但是目前其主要還是在物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。特別是目前一些在建的大科學(xué)工程裝置，都是為了獲得高場(chǎng)電磁環(huán)境而開展的。經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，我國(guó)在開展高場(chǎng)全超導(dǎo)磁體研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。雖然我國(guó)在超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用方面起步較晚，但是起點(diǎn)高、發(fā)展快，目前無(wú)論是磁場(chǎng)的強(qiáng)度還是強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用的范圍在世界范圍內(nèi)都屬于先進(jìn)水平。隨著國(guó)家對(duì)穩(wěn)態(tài)高場(chǎng)裝置方面的持續(xù)投入，我國(guó)有望在高場(chǎng)超導(dǎo)磁體建造技術(shù)方面取得更大的進(jìn)展，繼而極大地推動(dòng)凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)研究。

[ 1] 王秋良(Wang Qiuliang). 高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體科學(xué)(High magnetic field superconducting magnet science)[M]. 北京: 科學(xué)出版社(Beijing: Science Press), 2008.

[ 2] 匡光力，邵淑芳(Kuang Guangli, Shao Shufang). 穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)與科學(xué)研究(The technologies and scientific researches of steady high magnetic field)[J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)(Scientia Sinica Physica, Mechanica & Astronomica)，2014, 44(10)：1049-1062.

[ 3] 曹效文(Cao Xiaowen). 強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)進(jìn)展(Progress on high field technologies)[J]. 物理(Physics), 1996, 25(9): 552-555.

[ 4] Maeda H, Yanagisawa Y. Recent developments in high-temperature superconducting magnet technology (Review)[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4602412.

[ 5] Final report of NSF panel on large magnetic fields (1998)[R]. Washington, USA: National Science Foundation, 1988-07-01.

[ 6] Song H, Brownsey P, Zhang Y, et al. 2G HTS coil technology development at SuperPower[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 4600806.

[ 7] Hahn Seungyong, Dixon Iain, Kim Seokho, et al. A new record field of 40.2T generated by a superconducting insert magnet[EB/OL]. https://nationalmaglab.org/images/magnet_development/asc/searchable_docs/science_highlights/april2016_asc_40_2_t.pdf, 2016.

[ 8] Markiewicz W D, Larbalestier D C, Weijers H W, et al. Design of a superconducting 32T magnet with REBCO high field coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3):4300704.

[ 9] Weijers H W, Markiewicz W D, Voran A J, et al. Progress in the development of a superconducting 32T magnet with REBCO high field coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4301805.

[10] Weijers H W, Markiewicz W D, Gavrilin A V, et al. Progress in the development and construction of a 32-T superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4300807.

[11] Weijers Huub. MagLab claims record with novel superconducting magnet [EB/OL]. https://nationalmaglab.org/news-events/news/maglab-claims-record-with-novel-superconducting-magnet, 2015-06-10.

[12] Kiyoshi T, Choi S, Matsumoto S, et al. Bi-2223 innermost coil for 1.03 GHz NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 2110-2113.

[13] Matsumoto S, Kiyoshi T, Otsuka A, et al. Generation of 24 T at 4.2 K using a layer-wound GdBCO insert coil with Nb3Sn and Nb-Ti external magnetic field coils[J]. Superconductor Science & Technology, 2012, 25(2): 108-112.

[14] Yanagisawa Y, Piao R, Iguchi S, et al. Operation of a 400MHz NMR magnet using a (RE:Rare Earth) Ba2Cu3O7-xhigh-temperature superconducting coil: Towards an ultra-compact super-high field NMR spectrometer operated beyond 1GHz[J]. Journal of Magnetic Resonance, 2014, 249: 38-48.

[15] Yanagisawa Y, Xu Y, Iguchi S, et al. Combination of high hoop stress tolerance and a small screening current-induced field for an advanced Bi-2223 conductor coil at 4.2 K in an external field[J]. Superconductor Science & Technology, 2015, 28 (12):125005.

[16] Yanagisawa Y，Kajita K, Iguchi S, et al. Development of a 28 T ultr-high field superconducting magnet comprising a REBCO inner coil, a high strength Bi2223 middle coil and a LTS outer coil[A]. Applied Superconductivity Conference 2016 (ASC2016)[C]. Denver, USA, 2016.

[17] Yanagisawa Y, Kajita K. 27.6 T generation using Bi-2223/REBCO superconducting coils[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[18] Bascunan J, Hahn S, Dong K P, et al. On the 600 MHz HTS insert for a 1.3 GHz NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3): 4302104.

[20] Bascunan J, Hahn S, Kim Y, et al. 90-mm/18.8-T All-HTS insert magnet for 1.3 GHz LTS/HTS NMR application: Magnet design and double-pancake coil fabrication[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4300904.

[22] Qu T, Michael P C, Bascuán J, et al. Test of an 8.66-T REBCO insert coil with overbanding radial build for a 1.3-GHz LTS/HTS NMR magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4600605.

[23] Yoon S, Kim J, Cheon K, et al. 26-T 35-mm all-REBCO multi-width no-insulation superconducting magnet[J]. Superconductor Science & Technology, 2016, 29: 1-6.

[24] Lee S H. A 26.4 T one-body HTS magnet wound with no-insulation multi-width GdBCO tape[A]. 24th International Conference on Magnet Technology[C]. Seoul, Korea, 2015.

[25] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. Repairing and upgrading of the HTS insert in the 18T cryogen-free superconducting magnet[A]. Joint Conference of the Transactions of the Cryogenic Engineering[C]. 2014. 1573: 732-738.

[26] Awaji S, Watanabe K, Oguro H, et al. New 25 T cryogen-free superconducting magnet project at Tohoku University[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, 24(3): 4302005.

[27] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. 10 T generation by an epoxy impregnated GdBCO insert coil for the 25T-cryogen-free superconducting magnet[J]. Superconductor Science and Technology, 2016, 29(5): 055010.

[28] Awaji S, Oguro H, Watanabe K, et al. Achievement of 24.6 T by cryogen-free superconducting magnet at Sendai HFLSM[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[29] Wang Q, Dai Y, Ni Z, et al. High magnetic field superconducting magnet system up to 25 T for ExCES[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, 23(3): 4300905.

[30] Wang Q, Liu J, Song S, et al. High temperature superconducting YBCO insert for 25 T full superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 4603505.

[31] Liu J H, Song S S, Gou C C, et al. Development of YBCO insert for a 25 T all superconducting magnet[A]. 2015 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices (ASEMD) [C]. 2015. 433-434.

[32] Liu J, Song S, Wang Q, et al. Critical current analysis of an YBCO insert for ultrahigh-field all-superconducting magnet [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(3): 4303405.

[33] Liu J, Li Y. High-field insert with Bi- and Y-based tapes for 25-T all-superconducting magnet [J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(7): 4602705.

[34] Liu J, Dai Y, Li L. Progress in the development of a 25 T all superconducting NMR magnet [J]. Cryogenics, 2016, 79:79-84.

[35] Liu J, Wang Q, Dai Y, et al. Generation of 24 T with an all superconducting magnet[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2016.

[36] Liu Jianhua, Wang Qiuliang, Dai Yinming, et al. Generation of 25.7 T by LTS/ReBCO superconducting magnets[A]. IEEE/CSC & ESAS Superconductivity News Forum (global edition) [C]. 2017.

[37] 國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長(zhǎng)期規(guī)劃(2012-2030)》(Medium and long term planning of China’s major scientific and technological infrastructure construction (2012-2030))[Z]. 2013-02-23.

[38] 匡光力，皮靂(Kuang Guangli, Pi Li). 強(qiáng)磁場(chǎng)下的科學(xué)問(wèn)題(Scientific issues under high magnetic field)[J]. 科學(xué)通報(bào)(Chinese Science Bulletin), 2016, 61(17): 1940-1951.

[39] Vedrine P, Gilgrass G, Aubert G, et al. Iseult/INUMAC whole body 11.7 T MRI magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2015, 25(3): 4301404.

[40] Savage Neil. The world’s most powerful MRI takes shape [EB/OL]. http://spectrum.ieee.org/biomedical/imaging/the-worlds-most-powerful-mri-takes-shape，2013-10-23.

[41] Bruker Corporation. Advanced magnet technology [EB/OL]. http://www.bruker-biospin.com/nmr_magnets.html, 2012.

[43] 朱光， 劉建華，程軍勝，等(Zhu Guang, Liu Jianhua, Cheng Junsheng, et al.). 25T超導(dǎo)磁體優(yōu)化中線圈數(shù)量影響分析(Effects of different coil combinations on the optimal design of a 25 T superconducting magnet) [J]. 物理學(xué)報(bào)(Acta Physica Sinica), 2016, 65(5):058401.

[44] Liu J, Wang Q, Dai Y, et al. A 15-T ReBCO insert for a 30-T all superconducting magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4600705.

[45] Li L, Cheng J, Cui C, et al. Numerical analysis of mechanical behavior for a 9.4-T whole-body MRI magnet[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, 27(4): 4400505.

[46] Cheng J, Li L, Chang K, et al. Manufacture and cryogenic experiment of 9.4-T MRI full-size dummy coils[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(4): 4402905.

[47] Leibrock H, Floch E, Moritz G, et al. Prototype of the superferric dipoles for the super-FRS of the FAIR-project[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3): 188-191.

[48] Li L, Li Y J, Ni G L, et al. Rotating coil magnetic measurement system and measurement results of quadrupole prototype for BEPCII storage ring[A]. Proceedings of the Particle Accelerator Conference, [C]. 2005. 1844-1846.

[49] Ablikim M, An Z H, Bai J Z, et al. Design and construction of the BESIII detector [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, 614(3): 345-399.

[50] Wang Qiu-liang. High fleld superconducting magnet: Science, technology and applications [J]. 物 理 學(xué) 進(jìn) 展(Progress in Physics)，2013，33(1)：1-23.

[51] AMS02 Group. The superconducting magnet [EB/OL]. http://www.ams02.org/what-is-ams/tecnology/magnet/scmagnet.

[52] ITER Tokamak Group. Magnets [EB/OL]. http://www.iter.org/mach/magnets.

[53] 曹效文(Cao Xiaowen). 強(qiáng)磁場(chǎng)下的固體物理研究進(jìn)展(Progress of solid state physics in high magntic field)[J]. 物理(Physics)，2002，31(11)：696-701.

[54] 彭科峰, 徐小傑，劉建華(Peng Kefeng, Xu Xiaojie, Liu Jianhua). 國(guó)內(nèi)首個(gè)25T全超導(dǎo)磁體問(wèn)世(The first 25 T all superconducting magnet in China)[N]. 中國(guó)科學(xué)報(bào)(China Science Daily),2017-05-23(1).

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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51777205；51477167； 11545004)

劉建華(1981-)， 男， 河北籍， 副研究員， 博士， 研究方向?yàn)楦邎?chǎng)超導(dǎo)磁體、 介入式磁導(dǎo)航技術(shù)；程軍勝(1976-)， 男， 河南籍， 副研究員， 博士， 研究方向?yàn)楹舜殴舱翊朋w及超導(dǎo)接頭技術(shù)。

10.12067/ATEEE1706024

1003-3076(2017)11-0001-13

TM26+5