出品：中國(guó)科普博覽

作者：左萍 中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心

說(shuō)到“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)”,，很多人可能會(huì)感覺(jué)陌生,。不過(guò)其實(shí)可能早就接觸過(guò)它。例如,，磁共振成像（也就是核磁共振成像,，一聽(tīng)到“核”是不是很可怕，所以為了減少恐懼,，一般就把“核”省略了：MRI）就是穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的典型應(yīng)用之一。在進(jìn)行MRI掃描檢查時(shí),，你需要換上病號(hào)服,，摘掉首飾,、手表等金屬配飾，戴上耳塞,，接著進(jìn)入一個(gè)黑暗,、管狀的空間,，在這里呆上30分鐘到1小時(shí)。不過(guò)在強(qiáng)磁場(chǎng)中心里的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)比醫(yī)院里的磁體磁場(chǎng)強(qiáng)的多了,。下面跟隨我去看看吧……

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的用處：是科學(xué)家強(qiáng)有力的武器

“工欲善其事，必先利其器”,，強(qiáng)磁場(chǎng)就是科學(xué)家的研究利器,。提供強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體稱(chēng)為強(qiáng)磁體,，強(qiáng)磁體提供給科研人員非常規(guī)的、極端的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境,，在此極端環(huán)境下,，物質(zhì)內(nèi)部就展開(kāi)了一個(gè)個(gè)奇妙的未知故事,，科學(xué)家就可以探尋大自然隱藏至深的秘密故事了,。

中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心整天忙忙碌碌所謂何？就是建設(shè)能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)磁體,。這類(lèi)磁體分水冷磁體、超導(dǎo)磁體和混合磁體三大類(lèi),。在認(rèn)識(shí)這類(lèi)磁體之前,，首先來(lái)回顧一點(diǎn)基本知識(shí),。

不變的道理：電“生”磁

早在中學(xué)學(xué)習(xí)階段，老師就告訴了我們電生磁的科學(xué)道理,，通電的螺線(xiàn)管會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)：

在每一根通電線(xiàn)周?chē)写艌?chǎng)，這種電流的磁效應(yīng)由漢斯·克里斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Oersted)于1819年在一次講座實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn),。

家用通電導(dǎo)線(xiàn)和電器周?chē)拇艌?chǎng)非常弱,，例如距離吊扇一米處的磁場(chǎng)只有幾毫高斯。為了制作磁場(chǎng)更高的磁體,，我們需要進(jìn)一步升級(jí)此方法，那么如上圖把一根直導(dǎo)線(xiàn)繞成一個(gè)環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)結(jié)果會(huì)怎樣呢,？所有“小”的,、獨(dú)立的磁場(chǎng)相互“聯(lián)合”起來(lái)產(chǎn)生了一個(gè)大的多的磁場(chǎng)。再進(jìn)一步,，如果我們把一根導(dǎo)線(xiàn)繞成10匝平行線(xiàn)圈會(huì)怎樣呢,？產(chǎn)生的磁場(chǎng)是單個(gè)環(huán)形導(dǎo)線(xiàn)的10倍,。

順便提一下，這種方法繞成的導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)圈稱(chēng)為螺線(xiàn)管,，螺線(xiàn)管的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨導(dǎo)線(xiàn)匝數(shù)增加而增強(qiáng),。如果在螺線(xiàn)管中放置一鐵芯插件,，則可使磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)，增大電流也是增強(qiáng)磁場(chǎng)的一種方法,。

實(shí)際上,，在中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心強(qiáng)磁體的設(shè)計(jì)也是利用電生磁這一基本原理，只不過(guò)我們不是使用螺線(xiàn)管那樣簡(jiǎn)單的生磁裝置,。

用“水”冷卻的磁體：水冷磁體

比特片和水冷磁體線(xiàn)圈

接著上述,，你也可以使用特殊設(shè)計(jì)的“比特片”來(lái)改進(jìn)這種簡(jiǎn)單的線(xiàn)圈，比特片抵抗磁場(chǎng)作用于自身的能力和耐熱能力更加優(yōu)越,。這種導(dǎo)電片最早由弗朗西斯·比特于1936年研制,，20世紀(jì)90年代美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了最初的比特片設(shè)計(jì)，創(chuàng)立了佛羅里達(dá)比特片,。

現(xiàn)工作于中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的高秉鈞研究員是當(dāng)時(shí)參與設(shè)計(jì)制作的重要人員之一，他在上個(gè)世紀(jì)90年代在美工作期間通過(guò)計(jì)算分析創(chuàng)立了水冷磁體比特片設(shè)計(jì)的新概念,。大多大型電磁體的研制都要用到比特片,，這就是為什么有時(shí)候水冷磁體也叫比特磁體。

水冷磁體還有個(gè)名字叫“有阻磁體”,，形成電流的電子在旅程中會(huì)撞擊原子和其他電子，這些無(wú)效能量消耗使我們支出一大筆電費(fèi)帳單,。我們也需要利用大量特殊的水使之流過(guò)比特片的小孔來(lái)冷卻磁體,，所以可以看出此類(lèi)磁體吃大量的電，喝大量的水——這真是非常昂貴的兩個(gè)嗜好,。幸運(yùn)的是，還有另一種具有很多優(yōu)點(diǎn)的磁體——超導(dǎo)磁體,。

小知識(shí)：

去離子水：有阻磁體運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量必須由水帶走,，這樣才能保持磁體材料的特性不受影響。為了防止普通水中的離子導(dǎo)電以及水垢阻塞磁體內(nèi)的水冷通道,，需要使用去離子的水。去離子水也可稱(chēng)為超純水,，泛指電阻達(dá)到兆歐以上的水,。而我們的水冷磁體要求去離子水的電阻不得低于15兆歐。

有阻磁體的場(chǎng)強(qiáng)依賴(lài)流過(guò)它的電流強(qiáng)度,，我們的電源為有阻磁體提供最大40000安培的電流強(qiáng)度,。所以說(shuō)電費(fèi)是強(qiáng)磁場(chǎng)中心一份大賬單，一臺(tái)磁體開(kāi)機(jī)運(yùn)行1分鐘電費(fèi)就幾百元,，每年達(dá)到上千萬(wàn)元,。

一個(gè)美麗的夢(mèng)：超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)是一種非常有趣的物理現(xiàn)象,，在低溫條件的幫助下，處于超導(dǎo)態(tài)的導(dǎo)體電阻將消失,。你可以這樣想象：在超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)材料的原子被局限在電子旅途之外,，超導(dǎo)電子可以在寬闊舒適的大街上暢通無(wú)阻的前行,。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心擁有一系列不同磁場(chǎng)強(qiáng)度,、不同口徑、不同用途的超導(dǎo)磁體,，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為20T,。有亞太地區(qū)首個(gè)一體化的9.4T、400mm口徑的磁共振成像-動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室研究平臺(tái),，這臺(tái)磁體的強(qiáng)度比在文章開(kāi)頭提到你去醫(yī)院做磁共振檢查的磁場(chǎng)（~3T）大多了,。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里還養(yǎng)了一批小老鼠,、猴子等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物呢。

強(qiáng)磁場(chǎng)中心科研人員把實(shí)驗(yàn)動(dòng)物推入 9.4T,、400mm口徑的磁共振成像系統(tǒng)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集

超導(dǎo)磁體一旦到達(dá)超導(dǎo)狀態(tài),，除非有人斷開(kāi)電路，電流就永無(wú)止境地流啊流,，聽(tīng)起來(lái)似乎比水冷磁體強(qiáng)大多了，但這就是一個(gè)美麗的夢(mèng),，當(dāng)你節(jié)省了電費(fèi)的同時(shí),，建造超導(dǎo)磁體更加昂貴，而且要持續(xù)不斷地喂它低溫液體（液氦和液氮）以保持其低溫條件,。它的大部分結(jié)構(gòu)都是為保持低溫狀態(tài)而準(zhǔn)備的,。

超導(dǎo)態(tài)是非常之奇妙的現(xiàn)象,，科學(xué)家們剛剛開(kāi)始探索。醫(yī)生們把超導(dǎo)磁體用到磁共振成像儀中已有些年頭,。研究人員們還雄心勃勃地意欲將超導(dǎo)磁體用于研制磁懸浮列車(chē),。

回過(guò)來(lái)看看，目前超導(dǎo)磁體受材料限制所能產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)30T,、水冷磁體可提供的最強(qiáng)磁場(chǎng)不超過(guò)40T,，那么我們就固步不前了嗎！當(dāng)然不是,，你需要做的只是一道簡(jiǎn)單的算術(shù)題,。

小知識(shí)：廣泛應(yīng)用的超導(dǎo)材料有鈮鈦,、鈮三錫，由于鈮三錫具有高臨界場(chǎng),、高載流能力等優(yōu)點(diǎn),，它逐漸成為強(qiáng)磁體科學(xué)家們追求更高場(chǎng)強(qiáng)的首選。強(qiáng)磁場(chǎng)中心已研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)鈮三錫管內(nèi)電纜導(dǎo)體超導(dǎo)磁體,。

強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)低溫環(huán)境主要由液氦來(lái)維持,，低溫溫度為4K,。

為了更高磁場(chǎng)：混合磁體

不同于我們強(qiáng)磁場(chǎng)中心科研人員正在演算的數(shù)學(xué)題，這道用于建造更強(qiáng)穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)的方程非常簡(jiǎn)單,，題目是一臺(tái)可提供場(chǎng)強(qiáng)為11T的超導(dǎo)磁體,，一臺(tái)可提供34T的水冷磁體，兩者合一,，你得到什么呢,？得到一個(gè)“雜交”磁體（專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)為混合磁體）,，這樣組合就產(chǎn)生了國(guó)際上最強(qiáng)的可產(chǎn)生45T場(chǎng)強(qiáng)的混合磁體。此臺(tái)強(qiáng)磁體幾乎在所有（包括運(yùn)行和非運(yùn)行狀態(tài)）的時(shí)間里,，其溫度一直需保持在零下269攝氏度溫區(qū),。如果磁體處于室溫，那么至少需要一個(gè)多月的時(shí)間才能冷卻至運(yùn)行低溫狀態(tài),。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)：輕松觀察數(shù)據(jù)

配有極低溫系統(tǒng)的水冷磁體

科研人員在做實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)磁體是中空的圓柱體，強(qiáng)磁體就是在此空間提供一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境,。那么科學(xué)家如何把樣品放置于其中呢,？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)又怎么收集呢？別擔(dān)心,，一套設(shè)計(jì)精密的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題,。如圖,，科研人員從左側(cè)的臺(tái)階爬上磁體的上部平臺(tái),，把待測(cè)物質(zhì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)放置于磁體內(nèi)部之后就可以坐下來(lái)靠在椅背上觀察數(shù)據(jù)了。

磁體是如此之大,，磁場(chǎng)又如此之強(qiáng),，是因?yàn)榇朋w產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng)可以得到的數(shù)據(jù)越豐富。（就像顯微鏡放大100倍比放大10倍能告訴我們更多一樣,。）

更高磁場(chǎng)：為什么是人們孜孜不倦的追求

因?yàn)槲镔|(zhì)由原子組成，原子核外有電子軌道磁矩,、自旋磁矩,，核內(nèi)有核磁矩,，而強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)于原子核和核外電子有強(qiáng)烈作用，所以,，它能夠改變核自旋和電子結(jié)構(gòu),，進(jìn)而改變物質(zhì)特性！

強(qiáng)磁場(chǎng)作為一種極端條件在很多領(lǐng)域愈來(lái)愈顯露出它的重要作用,，主要表現(xiàn)在：（1）誘導(dǎo)新物態(tài)：強(qiáng)磁場(chǎng)可以有效地調(diào)控材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和電子、原子,、分子間的相互作用,，從而誘導(dǎo)出新的電荷,、自旋、軌道等有序態(tài),，使之出現(xiàn)全新的物質(zhì)狀態(tài),，從而呈現(xiàn)出豐富的新現(xiàn)象。例如整數(shù)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)就是通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)揭示出來(lái)的,，并分獲1985年和1998年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。再譬如在一些重費(fèi)米子和低維有機(jī)導(dǎo)體中強(qiáng)磁場(chǎng)誘導(dǎo)出的新超導(dǎo)序,、電荷密度波序以及關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)中的系列量子相變行為等（超導(dǎo)相變,、金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變、順磁-鐵磁相變以及鐵磁-反鐵磁相變等）,；（2）催生新的重大應(yīng)用技術(shù)：例如強(qiáng)磁場(chǎng)作用下的電磁冶金技術(shù),、化學(xué)反應(yīng)合成等,，特別是目前在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)解析和非侵入性成像——核磁共振技術(shù),，已經(jīng)先后獲得過(guò)1944,、1952、1991,、1992和2003年的諾貝爾獎(jiǎng),。

由于強(qiáng)磁場(chǎng)在物理、材料,、化學(xué)、生物學(xué)以及測(cè)量新技術(shù)等方面的綜合應(yīng)用,，強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件被國(guó)際上稱(chēng)之二十一世紀(jì)科學(xué),、工程和技術(shù)的交叉聯(lián)合體；又被稱(chēng)之為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃,。

強(qiáng)磁場(chǎng)極端條件是通向發(fā)現(xiàn)之旅的一種手段。如果你也為之著迷,，那么歡迎也來(lái)中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心開(kāi)啟你的發(fā)現(xiàn)之旅吧,！