[科普中国]-超强磁场

超强磁场是指采用超导技术产生的5T（Tesla）以上的磁场，同时也包括采用脉冲技术、或者混合磁体技术或者超高功率电磁铁技术产生的超高强磁场，也不排除探讨宇宙中黑洞产生的108 T的极限磁场。但从时效性和经济的角度考虑，能长时间经济地维持5T以上的磁场还只有依靠超导技术。

背景介绍

超导技术是人类二十世纪的一项伟大的成就，它带给人类无限的美好遐想，如风驰电掣的超导列车、高效的超导电机、无损耗的超导输电等等，将成为改善人类生活和生存环境的有力工具。而超导技术最成功和广泛的应用在于获得大空间的超强磁场（5T以上），国际上10 T磁场的超导磁体已经开始商业化。1

超导或者采用其他技术产生的强磁场是自然界没有的一种高能物理场，在这种能场中，将发生许多奇特的现象。例如，水的变形，非导磁的木材、水滴、塑料、虫子、草莓等物质在超强磁场（5T以上）中将悬浮起来；金属凝固过程中，晶粒将发生转动，进而融合，形成类似单晶的组织；此外，强磁场对凝固过程的成核过程也产生显著的影响，起到细化晶粒的作用。鉴于强磁场这些奇妙的效应，国外发达国家如日本、法国等对强磁场下材料制备给予了极大的关注，日本有关这一领域的五年研究计划已于2001年启动。国内国家自然科学基金委的重点项目指南中，将这一领域列入指南。1

研究意义超强磁场的作用可以直接达到原子尺度，因此，它对众多领域的影响是极为深远的。在纳米材料制备领域中，纳米材料形状和性能的控制是非常关键的问题。而利用超强磁场的磁力作用，有可能控制液相法制备纳米材料的成核过程，它可以控制纳米颗粒朝某一优先方向生长，从而获得高度各向异性的纳米材料。此外，在这种各向异性纳米材料成型时，超强磁场的作用可以使纳米粉体在烧结过程中仍能保持很高的各向异性，而这是采用其它方法难以达到的。此外，超强磁场的能量还可以引起纳米材料晶格的崎变，从而为制备高性能的纳米材料提供了一个非常好的条件。磁化学的研究一直是化学化工工作者致力研究的领域，然而自二十世纪六十年代以前的近四十年中，人们只能获得0.1—1 T左右的磁场，在这种强度的磁场下，磁场对化学反应的影响几乎可以忽略，由于磁场对物质体系能量的影响随着磁场强度的平方呈正比增加，因此，在10 T－20 T甚至100 T的超强磁场下，磁场对化学反应体系的影响已经到了非常显著的地步，甚至可以影响到化学反应的反应热、PH值、化学反应进行的方向、反应速率、活化能、熵等诸多方面。超导强磁体的口径达到直径100 mm，这已经相当于化学化工工业常见管道的直径，因此，开展这一领域的研究的应用前景是非常明显的。在光、磁、电等物理领域，研究过程离不开特殊材料，如磁光材料、光学晶体、光纤、多功能膜、磁性材料、导电材料等。而超强磁场可对这些材料的制备过程产生重要的影响。有关这一领域的研究远未深入。另外，超强磁场对高分子材料、电子材料的影响也是非常重要的领域。生物工程领域中，生物组织、基因的突变是一个重要的研究方向。1

已有研究表明，超强磁场对生物体的组织、生化反应、生长过程、基因、细菌的新陈代谢等均能产生显著的影响，开展超强磁场下生物工程的研究，对提升生物领域的研究水平和影响力，具有重要的意义。1

脉冲星与超强磁场磁场既然是普遍存在的，通过大量的天文观测和研究，认识到的最强磁场存在于脉冲星中。脉冲星又称中子星，是恒星演化到晚期的一类星体。根据天体演化过程，一般恒星演化到晚期时，由于原子核聚变产生高热能所需的核聚变物质已经用尽，热能剧减，恒星物质的引力便使星体收缩，体积变小，而恒星磁场便因恒星收缩和磁通密度变大而增强。这样，演化到晚期的恒星磁场便急剧大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁场剧增到约10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脉冲星(中子星）的磁场更剧增到约10^8~10^9特[斯拉]，分别比太阳磁场增加约千万到亿倍（10^7~10^8倍）和约万亿到10万亿倍（10^12~10^13倍）。例如图5便是在地球高空观测到的武仙星座X-1脉冲星（中子星）发射的X射线谱。进一步研究认识到这一发射的X射线谱是由于X-1脉冲星的电子流在磁场中的回旋运动产生的，而谱线的吸收峰便是电子流在磁场中的回旋共振峰。由回旋共振的位置（X射线的能量）便可计算出回旋共振的磁场的强度约5×10^8T。这样强的磁场是科学技术在地球上远远达不到的，科学技术在地球上所能得到的磁场的强度仅约10^2T，两者相差约百万倍（10^6倍）。2

根据对各处宇宙磁场的观测，各种星体的磁场都高于星体之间的星际空间的磁场。例如，在太阳系中各行星之间的行星际磁场约为1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即约为地球磁场的十万分之一（10^-5）。在各个恒星之间的恒星际空间的恒星际磁场，常简称星际磁场，比行星际磁场更低，大约为5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即约为行星际磁场十分之一（10^-1），也就是约为地球磁场的百万分之一（10^-6）。恒星际（空间）磁场主要是应用恒星光的偏振观测和恒星射电（无线电波）的塞曼效应（即无线电波在磁场中分裂而改变频率）观测及维持银河星系结构的稳定性理论计算等来测定或估算恒星际磁场。由现代多方面的天文观测知道，由大量的恒星形成星系，例如太阳便是银河星系中的一个恒星，而银河星系以外的宇宙空间中还有更多更多的星系。星系与星系之间的空间称为星系际空间，根据多方面的天文观测的间接推算和理论估计，星系际空间的磁场约为10^-13~10^-12特[斯拉](T），即约为行星际磁场的万分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恒星际磁场大约相当于人的心（脏）磁场（约百亿分之一T），而星系际磁场大约相当于人的脑（部）磁场（约万亿分之一T），甚至低于脑（部）磁场。2

从上面宇宙磁现象的介绍可以看出，宇宙磁现象是宇宙空间到处都存在的，而且许多宇宙磁现象还同科学研究和我们生活有着密切的关系，还有着远比我们在地球上接触到的磁场更强和更弱的磁场。2

强磁场的实际应用六十年代发现了实用超导材料，八十年代出现了性质优良的钕铁硼永磁材料，使人们可以不耗费很大的电功率获得大体积持续的强磁场，发展超导与永磁强磁场技术是20世纪下半叶电工新技术发展的一个重要方面。在各国高能物理、核物理、核聚变，磁流体发电等大型科技计划推动下，整个技术得到了良好的发展。低温铌钛合金及铌三锡复合超导线与钕铁硼永磁材料已形成产业，可进行批量生产。人们已研制成功了15特斯拉以下各种场强，各种磁场形态，大体积的可长期可靠运行的强磁场装置，积极推进着强磁场在各方面的应用。3

1998年3月投入运行的日本名古屋核融合科学研究所的核聚变研究用的大型螺旋装置（LHD）是当今超导磁体技术水平的典型代表。装置本体外径13．5m，高8.8m，总重约1600t，其中4.2K冷重约850t。它有两个主半径3．9m，平均小半径0．975m，绕环10圈的螺旋线圈，三对内径分别为3.2、5．4和10．8m的极向场螺管线圈，中心磁场前期为3特斯拉（4.2K），后期为4特斯拉（1．8K），磁场总储能将达16亿J。超导强磁场装置需在液氦温度下运行，从使用出发，努力减少漏热以降低液氦消耗和研制配备方便可靠的低温制冷系统有着重要的意义。经不断努力改进，一些零液氦消耗和无液氦的超导磁体系统已在可靠的使用，它们只需配有小型的制冷装置即可持续运行，不需专人维护，使应用范围大大扩大。3

中国在超导与永磁磁体技术方面也进行了长期持续的努力，奠立了良好基础，研制成多台实用磁体系统，有些已在使用，具备了按照需求设计建造所需强磁场装置的能力。中国科学院电工研究所研制成功的磁流体发电用鞍形二极超导磁体系统（中心磁场4特斯拉，室温孔径0．44m，磁场长1m，磁场储能8.8兆焦耳）和空间反物质探测谱仪用大型钕铁硼永久磁体（中心磁场0.13特斯拉，孔径1.lm，高0.8m）代表着中国当今的技术水平，无液氦磁体系统的研制工作也在积极进行中。3

随着超导与永磁强磁场技术的成熟，强磁场的多方面应用也得到了蓬勃发展，与各种科学仪器配套的小型强磁场装置已形成了一定规模的产品，做为磁场应用技术的核磁共振技术，磁分离技术与磁悬浮技术继续开拓着多方面的新型应用，形成了一些新型产品与样机，磁拉硅单晶生长炉也成为产品得到了实际应用。3

医疗用磁成像装置已真正成为一定规模的产业，全世界已有几千台超导与永磁磁成像装置在医院使用，中国也有永磁装置在小批量生产，研制成功了几台0．6—1．0特斯拉的超导装置。用于高岭土提纯的超导高梯度磁选机已有十余台在生产运行，磁拉硅单晶生长炉也已开始使用，但尚未形成规模，中国科学院电工研究所与低温工程中心曾在九十年代初研制成功超导磁分离工业样机，试制成功了两套单晶炉用超导磁体系统，为产品的形成奠定了基础。3

总起来说，超导与永磁磁体技术已经成熟到可以提供不同场强，形态的大体积强磁场装置，开始形成了相应的高技术产业，但大规模产业的形成与发展还有赖于积极地进一步开拓强磁场应用，特别是可能形成大规模市场产品的开拓，根据不完全的了解，主要进行的工作有：3

材料科学方面⑴热固性高分子液晶材料强磁场下的性能及应用。国际上在0～15特斯拉磁场范围内对高分子液晶材料的取向行为、热效应、磁响应特性、固化成型过程等方面进行了研究，并作其力学性能和磁场的关系的定量分析，应用前景十分看好。3

⑵功能高分子材料在强磁场作用下的研究。国际上高电导率的高分子材料、防静电及防电磁辐射高分子材料的研究和应用取得了很大进展，某些材料纤维的电导率经强磁场处理后，可达铜电导率的1/10，是极具潜力的二次电池材料。在防静电服和隐形技术方面电磁波吸收材料已用于军工领域。

⑶强磁场下金属凝固理论与技术研究。3

⑷NdFeB永磁材料的强磁场取向。在NdFeB永磁材料加压成型过程中，采用4～5特斯拉强磁场取向，可大大提高性能，国外已开始实际应用。3

生物工程与医疗应用方面⑴血液在强磁场下性能的改变及对生物体的影响。国际上研究了人体及动物的全血的强磁场下的取向行为及其作用的主体——血红细胞的作用机制；血液在强磁场下流变性能的变化；血纤维蛋白质在强磁场下的活性变化及对生物代谢作用的影响；人血在强磁场中所受磁力、磁悬浮特性和光吸收特性。

⑵蛋白质高分子在强磁场下的特性及其应用。国际上研究了磷脂中缩氨酸在强磁场下的取3向作用；肌肉细胞蛋白质在磁场中的磷代谢过程；神经肽胺酸在强磁场下的结构改变及蛋白质酰胺与氢的交换等。3

⑶医疗应用。除继续发展人体成像系统外，近年来国际上还研究了在4—8特斯拉强磁场下血纤维蛋白质的活性以及对血管中血栓溶解的影响；强磁场及磁场梯度对血纤维蛋白的溶解过程的影响；强磁场对动物血细胞的活性及其对心肌保护特性的影响；外加磁场对血小板流动性能的影响及其在医疗上的应用等。3

工业应用方面除继续积极进行强场磁分离技术、磁悬浮技术的发展与应用外，近年来，国际上还研究了磁场对石油滞粘性能的影响及对原油的脱蜡作用；研究了磁场对水的软化作用及改善水质的作用；研究了外加磁场对改善燃油燃烧性能及提高燃值的作用；通过在强磁场中的取向提高金属材料的强度和韧性；通过表面吸出排除杂质、提高金属质量等。3

农业应用方面国际上研究了外磁场对农作物种子的萌发与生长的影响及其作用机制；研究了磁场与农作物种子的萌发与生长的定量关系；研究了磁场与促进萌发与生长有密切关系的酶的活性与代谢作用；研究了生物酶在磁场下的合成作用以及对作物遗传变异的影响；研究了磁化水对促进作物生长的作用及磁性肥料的研究和应用。3

随着强磁场技术与装备的进一步完善，已有应用的进一步发展和积极开拓新应用，特别是具有大规模市场前景的产品的发展，可以期望，21世纪中强磁场应用将发展成为一个强有力的新兴产业。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学