穩態強磁場

磁現象是物質的基本現象之一。科學研究早已證實，當物質處在磁場中，其內部結構可能發生改變，磁場因而一直是研究物理等諸多學科的一種非常有用的工具。物質結構和狀態在強磁場環境下都可能發生變化，呈現出多樣的物理、化學現象和效應。

數十年來，世界各國學者在此領域的科學研究一直非常活躍，取得了大批原創性重大成果，並推動了相關新興高技術產業的發展。自1913年以來，19項與強磁場有關的成果獲得了諾貝爾獎，僅近20年就有8項，如量子霍爾效應、分數量子霍爾效應、磁共振成像等。發達國家競相將其作為重大科技基礎設施建設的重點。我國要在生命科學、醫學、功能材料和器件研究方面趕上世界先進水平，迫切需要儘快建立世界水平的強磁場裝置。

2007年1月25日，國家發改委正式批複由中科院和教育部聯合申報的國家重大科技基礎設施――強磁場實驗裝置建設項目，同意將此項目列入國家高技術產業發展項目計劃。強磁場實驗裝置建設項目建設周期為5年。目標是建成具有國際先進水平、可為眾多學科領域的科學研究提供強磁場極端實驗環境和實驗手段的大型綜合科學實驗裝置，屆時，我國將與美、法、荷、日並列成為世界五大穩態強磁場科學中心之一，對於提升我國相關前沿學科的基礎研究水平、帶動相關新興高技術產業的發展具有重要意義。

強磁場實驗裝置建設項目分為穩態強磁場和脈衝強磁場兩個部分建設：

穩態強磁場部分——將建設20～40特斯拉穩態混合磁體、高功率水冷磁體和超導磁體等9台穩態磁體，及相關配套設施。建設地點為安徽省合肥科學島，由中科院合肥物質科學研究院與中國科學技術大學共同承建。

脈衝強磁場部分——將建設50～80特斯拉短脈衝磁體、長脈衝磁體和長短合成脈衝磁體等11台脈衝磁體及相關配套設施，建設地點為湖北省武漢市華中科技大學，由華中科技大學承建，北京大學、南京大學、復旦大學和東北大學協作建設。

穩態強磁場實驗裝置的研製涉及四項關鍵技術，即：

高功率強磁場水冷磁體的設計與研製；

高穩定度直流大功率電源的設計與研製；

大口徑超導磁體的設計與研製；

針對特定科學目標的用戶實驗系統。

中科院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所在前三項關鍵技術方面已經具備堅實的技術基礎和條件，聯合我國其他科研單位和企業的技術力量，完全有能力研製穩態強磁場實驗裝置；中國科學技術大學在特定科學研究的用戶實驗系統設計與研製方面具備了豐富的實踐經驗和創新能力。

等離子體物理研究所的強磁場實驗室成立於1980年，陸續研製成功國內首台3 MW/13 T Bitter水冷磁體、266 毫米室溫孔徑8 T絕熱超導磁體，1992年研製成功20T混合磁體裝置，並完成實驗系統的建設，使我國躋身於世界上擁有20 T以上磁場強度的實驗裝置並能夠開展強磁場下科學實驗研究的七個國家之一。在建設和運行國家大科學工程超導托卡馬克實驗裝置的過程中，等離子體所積累了大量研製穩態強磁場實驗裝置需要的技術和經驗（高功率電源、大口徑超導磁體、多參量自動控制、以及多種信號測量技術等）。

國際穩態強磁場的發展趨勢是：

（1）更高的磁場。美國目前正努力將水冷磁體的磁場由33T/32mm、28T/50mm提高到35T/32mm、32T/50mm，並計劃將混合磁體的磁場由45T提高到48T。

（2）更高場的NMR技術。美國和日本目前正努力將超導的NMR磁場由21.1T/900MHz提高到25T/1.066GHz，美國還在努力將水冷的NMR磁場由25T/1.066GHz提高到27.5T/1.17GHz，並計劃建造35T/1.49GHz的NMR。

（3）更大口徑的磁體。法國正在建設14.8T/400mm混合磁體和23.5T/160mm/1GHz的NMR。

（4）系列的磁體。世界4大穩態強磁場實驗室都有系列磁體裝置，其中有最高場強的標誌性磁體，也有滿足其它不同實驗特別需要的不同場強或不同孔徑的磁體系列。表1列出了目前國際上主要穩態強磁場實驗室的最高技術參數。

2016年11月，中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心自主研製的混合磁體裝置實現了任務目標——40萬高斯穩態磁場，正式成為磁場強度在世界排名第二高的穩態強磁場裝置。