磁性是人类文明发展中极具标志性的自然力利用典范，从古代的定向导航到现代的电子科技、航天医疗，其应用贯穿了人类文明进步的关键阶段，不仅推动了生产生活、科学探索的突破，更重塑了人类认知自然、改造世界的方式。磁场在我们生活中无处不在，我们赖以生存的地球就带有磁性，其大小约为0.5高斯，虽然看似很小，但是保护地球上人类免受太阳风的侵扰。此外，生活中经常看到的电动机、发电机、变压器、磁盘等设备也都依赖磁场工作。
图 1 地球上的磁场分布。
在实验室内，主要通过螺线管或者亥姆霍兹线圈来产生磁场。根据毕奥 - 萨伐尔定律（Biot-Savart Law），恒定电流能激发磁场。给螺线管施加稳定电流后，在螺线管中心轴线方向能产生稳定的磁场。此种方式产生的磁场强度与线圈匝数和电流大小成正比，与螺线管内径平方成反比。
根据制作螺线管的材料，磁场持续时间，可将磁体分为水冷磁体、脉冲场磁体和超导磁体。这三种方式各有特点，可用于不同的场景。水冷磁体升降场速度快，但能耗高，每天可运行时长受限于冷却水的水量。脉冲场磁体磁场强度极高，可达100T，散热也快，但磁场持续时间极短。超导磁体使用超导材料，使用液氦或者制冷机降温至超导态，通电流后即可产生强磁场，几乎无能量损耗，磁场持续时间长。
常规水冷磁体的主要材料为高电导率的无氧铜或者铜银合金，高场下运行的水冷磁体核心部件为Bitter 片，材料为铜银合金。位于欧洲强磁场实验室的水冷磁体如图2所示。通电流后，通过高压去离子水带走电流产生的热量，避免线圈温度过高。水冷磁体与超导磁体组装在一起，可以构建混合磁体。美国的混合磁体位于塔拉哈西的国家强磁场实验室，最高磁场为45T，超导外线圈产生 11.4T，水冷电阻内线圈产生 33.6T，水冷线圈运行功率约为30MW。2000年就已达到45T的目标，在长达20多年的时间内都是世界纪录。我国的混合磁体位于合肥强磁场科学中心，其实物图如图3所示。2022年8月12日，该磁体在26.9 MW的电源功率下产生了45.22T的稳态强磁场，刷新了混合磁体的世界纪录。去年，位于法国格勒诺布尔的法国国家科学研究中心强磁场实验室，也实现了最高磁场达到43T的混合磁体，可以长期工作在42T。
图 2 位于 欧洲强磁场实验室内的水冷磁体。右图为Bitter片制作的磁体图。图片来自欧洲强磁场实验室官网。
图3 位于合肥强磁场科学中心的水冷加超导混合磁体。图片来自合肥强磁场科学中心官网。
脉冲场磁体通过发电机（功率GW量级）和电容组（储能MJ量级）在极短时间内向特制线圈施加大电流脉冲，可产生万安量级的电流，其持续时间为毫秒量级，目前是实验室内获得100T 以上极端强磁场的唯一方式。脉冲场磁体内部结构如图4所示，磁体主体部分可分为内层线圈，中层线圈和外圈线圈，分别由三台独立的电容组驱动。高强度铜银合金和高性能液晶聚合物纤维交替绕制，提高整个磁体的强度。为防止励磁过程中，磁体温度过高，整个磁体泡在液氮中。图5展示了脉冲磁体的励磁过程，三层线圈产生的磁场叠加，在8mm孔径内可以达到100T磁场。
图4 法国国家强磁场实验室的脉冲场磁体。图片来自Physics Reports 765-766 1-39 (2018)。
图5 脉冲场磁体励磁过程。图中标注为样品空间和线圈中存储能量。图片来自Physics Reports 765-766 1-39 (2018) 。
我国的脉冲强磁场实验室位于武汉华中科技大学中，目前有多个磁体对外服务，最高磁场为94.8T。在脉冲场主磁体内部放置一个补偿线圈，通过精准控制，还可以产生平顶磁场，持续时间达到10ms~100ms，在此时间段内可进行核磁共振，比热，I-V曲线和磁光成像测量，拓展了脉冲场磁体的应用场景。
图6 平顶脉冲场励磁曲线。在50T磁场下，持续时间100ms。图片来自武汉国家脉冲强磁场科学中心官网。
上面介绍的强磁场磁体主要是利用了普通的金属材料制作，产生磁场的同时会产生热量，而超导做为一类特殊的量子材料，具有零电阻的特点。在磁场下，根据是否形成磁通涡旋可将超导体分类为Type I和Type II类型。对于Type I超导体，磁场超过Hc时超导电性立即被破坏。对于Type II超导体，磁场超过下临界磁场Hc1后，磁场会进入超导体内，形成磁通涡旋态，直到磁场超过上临界磁场Hc2后，超导态才被完全破坏。图7展示了常见超导体的分类，Pb，In和Sn四种金属元素为Type I超导体，NbTi，Nb3Sn，MgB2和YBCO四类化合物材料为Type II超导体。由于Type II超导体上临界磁场高，且混合态（Hc1＜H＜Hc2）下磁通钉扎能提高临界电流密度，是超导磁体的首选材料。根据超导转变温度，还可以将超导体分为低温超导体和高温超导体，其分界线默认为40K。
图7 常见超导体分类。前三种金属元素超为Type I超导体。后四种多元化合物为Type II超导体。
超导磁体利用超导材料零电阻的特性，加电流后，超导电缆不会发热，只在超导电缆接口和电流引线上存在发热效应。只要保证充足的液氦供应或通过制冷机持续降温，超导磁体可以长时间保持在稳恒的磁场。目前实验室或者医院用到的超导磁体绝大部分为低温超导磁体，其构成如图8所示，超导磁体放置在液氦杜瓦中，保持超导状态。为了降低液氦消耗，杜瓦中还包含真空夹层，液氮池，防辐射屏和防辐射片。在磁体冷孔直径里插入变温插件，对被测样品可进行多种手段的测试。低温超导磁体材质为NbTi和Nb3Sn。这两种材质特点为价格低廉，加工工艺成熟。NbTi是面心立方合金，具备优异的塑性和延展性，可直接进行冷拉、轧制、绞合等常规金属加工工艺，能制成超细芯丝绞缆、薄带材、漆包线，适配各种磁体线圈的绕制需求。NbTi超导转变为9.2K，4.2K载流能力有限，主要用于10T以下的应用场景。Nb3Sn为A15 型金属间化合物，晶体结构致密，硬而脆，塑性极差，无法直接冷加工成细导线或带材，必须采用青铜法或内锡法这两类先成型后固相反应的工艺。其超导转变温度为18.1K，虽然接近零温下的临界磁场可以达到30T，但是载流能力几乎消失，所以应用时其最大的磁场一般不超过20T。
图8 实验室内常用的低温超导磁体剖面图
要产生更高的磁场，就需要用到高温超导体。主流材料为YBa2Cu3O7-x（REBCO），Bi2Sr2Ca2Cu3Ox和Bi2Sr2CaCu2Ox。REBCO带材的实物图如图9所示。二代 REBCO 带材在液氮 77K下仍具备可观的载流能力，且上临界磁场（Hc2＞100T）远超低温超导，高场下的性能优势是低温超导无法比拟的。高温超导材料本质上为陶瓷，硬而脆，无柔性无法直接作为超导带材。REBCO 带材为多层复合柔性结构，如图10所示，通过“金属基带 + 缓冲织构层 + 超导层 + 稳定层” 的复合设计，实现可绕制、可工程化应用。其中超导层为薄膜，厚度为um量级，镀膜工艺为金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者脉冲激光沉积（PLD），其中 MOCVD 是量产主流工艺，可实现百米级、千米级连续制备。高温超导带材4.2K/20T 下临界电流密度Jc 仍大于1×10⁶ A/cm²。
图 9 REBCO超导带材实物图。
图10 REBCO超导带材结构图。按功能可分为金属基带，缓冲层，超导层和稳定层。
目前市场上高温超导带材品质逐渐趋于稳定，利用高温超导带材制作超导磁体的实验室逐年增多。高温超导磁体在运行过程是一个电磁力热多场耦合系统，制作时需要统筹考虑带材的临界磁场，载流能力，力学性能，低温稳定性。高温超导磁体内部结构如图11所示。其制作流程大致为：使用绕线机，将高温超导带材绕制成饼状，两个饼合并变为一个双饼线圈。将多个双饼线圈精密安装在支撑骨架上，饼与饼之间通过垫片隔开，再将双饼之间的接口用低温焊锡焊接在一起。在每个双饼上，还会焊接电压测试线，用来监测磁体电压，磁体运行时能发现失超迹象，提前采取措施。与低温超导磁体使用环氧树脂作为绝缘材料不同，高温超导磁体可使用金属绝缘（metal-as-insulation）技术。该技术利用了高温超导带材中超导电流沿零电阻路径传导这一特性，即使局部存在缺陷，也能通过旁路分流，避免失超；而一旦超导态被破坏，电流会快速分散至整个常规导电线圈内，从而避免局部过热。2019年的实验结果证实，在31.1T背景场下，高温超导磁体在液氦温度下最高可以产生14.4T磁场，验证了高温超导磁体的性能，其实验结果如图12所示。
图 11 高温超导磁体图。图片来自Nature 570, 496 (2019)。
图12 高温超导带材在4.2K可以承受45.5T的磁场。图片来自Nature 570, 496 (2019)。
将高温超导磁体和低温超导磁体组合，可以构成全超导磁体，结构如图13所示，能同时发挥高温超导材料高临界性能和低温超导材料廉价且技术成熟的优势。全超导磁体相比于混合磁体和脉冲场磁体，虽然磁场强度不够高，但是在磁场稳定性、均匀性和能耗等特点上存在很大优势。其运行时能耗极小，可连续工作，工作时长没有限制。空间均匀性和时间稳定性也均优于混合磁体和脉冲场磁体。另外，全超导磁体及测控系统总占地面积也很小，极大的降低了使用限制。
图13 全超导磁体结构示意图。图片来自美国强场实验室。
目前，国内两台可以面向用户开放使用的全超导磁体均位于怀柔科学城综合极端条件实验装置内。一台为高均匀度全超导磁体，如图14所示，最高磁场为26T，主要用于核磁共振测试。低温超导磁体材质为NbTi和Nb3Sn，可以产生15T背景场，内径为250mm。高温超导内插磁体的材质为Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，冷孔直径为50mm，放入低温超导磁体内部，在15T的背景磁场之下可以增加11T磁场。为了提高磁场稳定度，将磁体电源置于恒温环境。另一台全超导磁体主要用于量子振荡实验，如图15所示，最高磁场为30T（2026年1月之前），由15T的低温超导磁体和15T的高温超导磁体(YBa2Cu3O7-x)组合而成。配合稀释制冷机，最低温度可到30mK，样品空间直径22mm。配合氦4变温插件使用，最低温度可到1.5K，样品空间直径24mm。截至2025年底，基于这两个用户全超导磁体，已为包括法国国家科学研究中心、英国剑桥大学、日本冈山大学、中国科学技术大学、中国人民大学、中国科学院电工研究所和浙江大学等20多家科研机构的用户服务，完成了40多项用户课题，服务机时超过3万小时，与用户合作取得了一系列重大成果，在新型磁性笼目超导材料、镍基高温超导和新型交错磁性材料的研究中发挥关键作用，相关成果已经陆续发表在Nature, Nature Physics, Nature Electronics, Nature Communications, Phys. Rev. X, Phys. Rev. Lett. , J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊上。
图14 综合极端条件实验装置的26T高均匀度全超导磁体。左图为组装好的全超导磁体，中间为低温超导磁体，右侧为高温超导磁体。
图15 综合极端条件实验装置的30T全超导磁体。左图为组装好的全超导磁体，中间为低温超导磁体，右侧为高温超导磁体。
综合极端条件实验装置的两台全超导磁体保持长期稳定运行，验证了全超导磁体的能力。而科研人员对强磁场极限的追求是无止境的。为了实现更高的磁场，综合极端条件实验装置对量子振荡实验站的全超导磁体进行了升级，中国科学院电工研究所设计和制作了新的高温超导内插磁体，磁体冷孔直径依旧保持35mm，保证先前的低温插件和测量杆能够复用。2026年1月，升级后的全超导磁体达到了35.6T的世界纪录，其中低温超导磁体提供15T磁场，高温超导磁体提供20.6T磁场。能达到如此高的磁场，主要有这几个方面的因素。首先，中国科学院电工研究所和物理研究所在前期为综合极端条件实验装置联合研制两台全超导磁体的过程中，积累了大量的磁体设计和运行经验，为新的高温超导磁体的设计优化提供了方向。新磁体创新性地在不同部位使用不同宽度的高温超导带材，充分发挥了不同带材的优势，将哈氏合金和超导带材同步绕制，增加了高温超导磁体的强度。其次，新的高温超导磁体采取了一系列的措施，精进焊接工艺，降低接头电阻，改进电流引线，降低液氦消耗。为了实现磁场的高空间均匀性，研究人员在组装磁体时，将两台磁体磁场中心偏移误差控制在1mm以内，这对于重量为1吨的背场磁体和重量超过150Kg的内插磁体是有难度的。最后是两个研究所间紧密合作，加快了研究进展。双方人员在内插磁体单独测试，全超导磁体联合测试等过程充分沟通，充分发挥各自优势。
经过系统性升级，全超导磁体将在多个维度显著提升我国的综合科研能力。在物质科学领域，它可提供更强、更稳定的极端磁场环境，有望帮助发现新奇量子物态并揭示新的物理规律，推动超导材料、拓扑物态等前沿方向的深入研究。同时，该磁体系统也验证了高温超导带材在高场下的工程适用性，为可控核聚变装置、下一代粒子加速器、高速磁悬浮交通等重大战略领域提供关键技术支撑。目前，美国、欧洲和日本均已布局40T级全超导磁体研制计划，标志着该领域已成为国际科学竞争的焦点之一。特别值得关注的是，2025年10月，美国国家强磁场实验室成功实现重大突破——其高温超导磁体在31T水冷磁体背景场下产生了高达48.7T的中心磁场，创造了全球超导混合磁体新的里程碑。这一成果不仅为45T及以上超高场全超导磁体的工程实现奠定了坚实基础，也充分验证了高温超导材料在极端条件下的工作潜力。随着高温超导带材性能的持续提升与成本优化，有望在不久的将来，在实验室内实现磁场强度超越现有混合磁体的全超导磁体系统，开启强磁场科学的新纪元。
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