问题——稳态强磁场一直是基础研究和前沿技术中的“关键变量”。强磁场条件下,物质的电子结构、相变规律和量子行为会明显改变,许多新现象、新机制也只有在高磁场下才能被观测与验证。长期以来,30特斯拉以上的稳态强磁场资源十分有限,且多依赖少数国家的大型设施,科研团队常常面临排期长、成本高、实验条件受限等问题。随着新材料、新器件和量子信息等方向加速发展,科研界对“可持续、可重复、可开放”的稳态强磁场平台需求越来越迫切。 原因——把稳态磁场推得更高,必须在材料、工程实现和运行可靠性上同时突破。传统高场磁体如果依靠高功耗维持磁场,能耗与散热压力都很大,也难以满足长期稳定运行。全超导磁体利用超导材料近零电阻的特性,可在较低能耗下维持强磁场,更适合建设面向用户长期开放的平台。但要实现30特斯拉以上的稳态磁场,需要攻克高温超导线材性能一致性、线圈受力与应变控制、失超保护、充放电效率以及磁场均匀度等若干难题。此次在怀柔实现的35.6特斯拉全超导用户磁体,采用“低温超导背景磁体+高温超导插入磁体”的组合方案:外层背景磁体提供约15特斯拉稳定磁场,内层高温超导插入磁体叠加超过20特斯拉增量,将中心孔径内稳态磁场提升至35.6特斯拉。同时,插入磁体还能以独立模式运行,在液氦环境下实现27.5特斯拉稳态磁场,反映了装置运行的灵活性以及工程冗余设计。 影响——纪录提升,直接带来面向用户的科研能力提升。与国际同类装置相比,此次35.6特斯拉全超导用户磁体把全超导稳态强磁场能力推至新高度,并突出“可长期稳定运行、可面向全球开放”的用户定位。这不仅是指标突破,也意味着设施供给从“阶段性能力”走向“可持续能力”:一上,强磁场将为超导机理、新型量子材料、拓扑物态、低维体系等基础研究提供更清晰的实验窗口;另一方面,也将推动高性能磁性材料、先进传感、精密测量、极端条件下物性表征等应用研究。更重要的是,该装置关键材料、工艺路线和系统集成上实现自主可控,有助于带动超导带材、结构材料、低温工程与电磁仿真等对应的环节协同升级,增强持续创新能力与风险抵御能力。 对策——装置建成只是起点,关键于把平台能力转化为稳定产出。面向科研用户开放的大科学装置,需要在运行管理、用户服务、数据规范和跨学科协作上形成可执行的机制。建议重点推进三上工作:其一,完善开放申请与机时分配机制,围绕国家重大需求与前沿方向建立稳定支持通道,提高装置使用效率与成果产出;其二,强化安全与可靠性评估,针对高场运行中的失超保护、应力应变监测、低温系统稳定等关键环节,建立覆盖全生命周期的运维体系,确保长期稳定供给;其三,推动“装置—团队—项目”联合攻关,围绕关键科学问题开展跨单位协同,形成可复制的用户实验范式,促进成果从论文走向技术验证与工程转化。 前景——从“追指标”转向“建生态”,我国强磁场基础设施建设正进入新阶段。随着怀柔科学城等综合性国家科学中心建设推进,高端科研条件供给将更成体系。全超导稳态强磁场平台建成后,有望吸引更多国际高水平团队来华开展合作研究,推动我国在量子材料、超导与强关联体系、极端条件物理等方向产出更多原创成果。面向未来,随着高温超导材料性能提升、工程制造成熟度提高以及系统集成能力增强,稳态强磁场平台在更高磁场、更低运行成本、更高可用性各上仍有提升空间,并可能在能源电力、先进制造、精密医学成像与高端装备等领域带来新的应用增长点。
从刷新纪录到实现稳定开放运行,35.6特斯拉全超导用户磁体的建成,展现了我国关键材料、精密制造与复杂系统集成上的综合能力;面向未来,持续把重大科技基础设施的“硬能力”转化为原始创新的“强产出”,并以开放共享汇聚全球科研力量,将是我国在新一轮科技竞争中掌握主动的重要途径。