超強磁場

超導技術是人類二十世紀的一項偉大的成就，它帶給人類無限的美好遐想，如風馳電掣的超導列車、高效的超導電機、無損耗的超導輸電等等，將成為改善人類生活和生存環境的有力工具。而超導技術最成功和廣泛的應用在於獲得大空間的超強磁場（5T以上），國際上10 T磁場的超導磁體已經開始商業化。 ^[1] 

超導或者採用其他技術產生的強磁場是自然界沒有的一種高能物理場，在這種能場中，將發生許多奇特的現象。例如，水的變形，非導磁的木材、水滴、塑料、蟲子、草莓等物質在超強磁場（5T以上）中將懸浮起來；金屬凝固過程中，晶粒將發生轉動，進而融合，形成類似單晶的組織；此外，強磁場對凝固過程的成核過程也產生顯著的影響，起到細化晶粒的作用。鑑於強磁場這些奇妙的效應，國外發達國家如日本、法國等對強磁場下材料製備給予了極大的關注，日本有關這一領域的五年研究計劃已於2001年啓動。國內國家自然科學基金委的重點項目指南中，將這一領域列入指南。 ^[1] 

磁場(6張)

超強磁場的作用可以直接達到原子尺度，因此，它對眾多領域的影響是極為深遠的。在納米材料製備領域中，納米材料形狀和性能的控制是非常關鍵的問題。而利用超強磁場的磁力作用，有可能控制液相法制備納米材料的成核過程，它可以控制納米顆粒朝某一優先方向生長，從而獲得高度各向異性的納米材料。此外，在這種各向異性納米材料成型時，超強磁場的作用可以使納米粉體在燒結過程中仍能保持很高的各向異性，而這是採用其它方法難以達到的。此外，超強磁場的能量還可以引起納米材料晶格的崎變，從而為製備高性能的納米材料提供了一個非常好的條件。磁化學的研究一直是化學化工工作者致力研究的領域，然而自二十世紀六十年代以前的近四十年中，人們只能獲得0.1—1 T左右的磁場，在這種強度的磁場下，磁場對化學反應的影響幾乎可以忽略，由於磁場對物質體系能量的影響隨着磁場強度的平方呈正比增加，因此，在10 T－20 T甚至100 T的超強磁場下，磁場對化學反應體系的影響已經到了非常顯著的地步，甚至可以影響到化學反應的反應熱、PH值、化學反應進行的方向、反應速率、活化能、熵等諸多方面。超導強磁體的口徑達到直徑100 mm，這已經相當於化學化工工業常見管道的直徑，因此，開展這一領域的研究的應用前景是非常明顯的。在光、磁、電等物理領域，研究過程離不開特殊材料，如磁光材料、光學晶體、光纖、多功能膜、磁性材料、導電材料等。而超強磁場可對這些材料的製備過程產生重要的影響。有關這一領域的研究遠未深入。另外，超強磁場對高分子材料、電子材料的影響也是非常重要的領域。生物工程領域中，生物組織、基因的突變是一個重要的研究方向。 ^[1] 

已有研究表明，超強磁場對生物體的組織、生化反應、生長過程、基因、細菌的新陳代謝等均能產生顯著的影響，開展超強磁場下生物工程的研究，對提升生物領域的研究水平和影響力，具有重要的意義。 ^[1] 

磁場既然是普遍存在的，通過大量的天文觀測和研究，認識到的最強磁場存在於脈衝星中。脈衝星又稱中子星，是恆星演化到晚期的一類星體。根據天體演化過程，一般恆星演化到晚期時，由於原子核聚變產生高熱能所需的核聚變物質已經用盡，熱能劇減，恆星物質的引力便使星體收縮，體積變小，而恆星磁場便因恆星收縮和磁通密度變大而增強。這樣，演化到晚期的恆星磁場便急劇大增。例如，演化到晚期的白矮星的磁場劇增到約10^3~10^4特[斯拉](T），而演化到晚期的脈衝星(中子星）的磁場更劇增到約10^8~10^9特[斯拉]，分別比太陽磁場增加約千萬到億倍（10^7~10^8倍）和約萬億到10萬億倍（10^12~10^13倍）。例如圖5便是在地球高空觀測到的武仙星座X-1脈衝星（中子星）發射的X射線譜。進一步研究認識到這一發射的X射線譜是由於X-1脈衝星的電子流在磁場中的迴旋運動產生的，而譜線的吸收峯便是電子流在磁場中的迴旋共振峯。由迴旋共振的位置（X射線的能量）便可計算出迴旋共振的磁場的強度約5×10^8T。這樣強的磁場是科學技術在地球上遠遠達不到的，科學技術在地球上所能得到的磁場的強度僅約10^2T，兩者相差約百萬倍（10^6倍）。 ^[2] 

根據對各處宇宙磁場的觀測，各種星體的磁場都高於星體之間的星際空間的磁場。例如，在太陽系中各行星之間的行星際磁場約為1×10^-9~5×10^-9特[斯拉](T），即約為地球磁場的十萬分之一（10^-5）。在各個恆星之間的恆星際空間的恆星際磁場，常簡稱星際磁場，比行星際磁場更低，大約為5×10^-10~10×10^-10特[斯拉](T），即約為行星際磁場十分之一（10^-1），也就是約為地球磁場的百萬分之一（10^-6）。恆星際（空間）磁場主要是應用恆星光的偏振觀測和恆星射電（無線電波）的塞曼效應（即無線電波在磁場中分裂而改變頻率）觀測及維持銀河星系結構的穩定性理論計算等來測定或估算恆星際磁場。由現代多方面的天文觀測知道，由大量的恆星形成星系，例如太陽便是銀河星系中的一個恆星，而銀河星系以外的宇宙空間中還有更多更多的星系。星系與星系之間的空間稱為星系際空間，根據多方面的天文觀測的間接推算和理論估計，星系際空間的磁場約為10^-13~10^-12特[斯拉]（T），即約為行星際磁場的萬分之一到千分之一（10^-3~10^-2）。恆星際磁場大約相當於人的心（髒）磁場（約百億分之一T），而星系際磁場大約相當於人的腦（部）磁場（約萬億分之一T），甚至低於腦（部）磁場。 ^[2] 

從上面宇宙磁現象的介紹可以看出，宇宙磁現象是宇宙空間到處都存在的，而且許多宇宙磁現象還同科學研究和我們生活有着密切的關係，還有着遠比我們在地球上接觸到的磁場更強和更弱的磁場。 ^[2] 

六十年代發現了實用超導材料，八十年代出現了性質優良的釹鐵硼永磁材料，使人們可以不耗費很大的電功率獲得大體積持續的強磁場，發展超導與永磁強磁場技術是20世紀下半葉電工新技術發展的一個重要方面。在各國高能物理、核物理、核聚變，磁流體發電等大型科技計劃推動下，整個技術得到了良好的發展。低温鈮鈦合金及鈮三錫複合超導線與釹鐵硼永磁材料已形成產業，可進行批量生產。人們已研製成功了15特斯拉以下各種場強，各種磁場形態，大體積的可長期可靠運行的強磁場裝置，積極推進着強磁場在各方面的應用。 ^[3] 

1998年3月投入運行的日本名古屋核融合科學研究所的核聚變研究用的大型螺旋裝置（LHD）是當今超導磁體技術水平的典型代表。裝置本體外徑13．5m，高8.8m，總重約1600t，其中4.2K冷重約850t。它有兩個主半徑3．9m，平均小半徑0．975m，繞環10圈的螺旋線圈，三對內徑分別為3.2、5．4和10．8m的極向場螺管線圈，中心磁場前期為3特斯拉（4.2K），後期為4特斯拉（1．8K），磁場總儲能將達16億J。超導強磁場裝置需在液氦温度下運行，從使用出發，努力減少漏熱以降低液氦消耗和研製配備方便可靠的低温製冷系統有着重要的意義。經不斷努力改進，一些零液氦消耗和無液氦的超導磁體系統已在可靠的使用，它們只需配有小型的製冷裝置即可持續運行，不需專人維護，使應用範圍大大擴大。 ^[3] 

中國在超導與永磁磁體技術方面也進行了長期持續的努力，奠立了良好基礎，研製成多台實用磁體系統，有些已在使用，具備了按照需求設計建造所需強磁場裝置的能力。中國科學院電工研究所研製成功的磁流體發電用鞍形二極超導磁體系統（中心磁場4特斯拉，室温孔徑0．44m，磁場長1m，磁場儲能8.8兆焦耳）和空間反物質探測譜儀用大型釹鐵硼永久磁體（中心磁場0.13特斯拉，孔徑1.lm，高0.8m）代表着中國當今的技術水平，無液氦磁體系統的研製工作也在積極進行中。 ^[3] 

隨着超導與永磁強磁場技術的成熟，強磁場的多方面應用也得到了蓬勃發展，與各種科學儀器配套的小型強磁場裝置已形成了一定規模的產品，做為磁場應用技術的核磁共振技術，磁分離技術與磁懸浮技術繼續開拓着多方面的新型應用，形成了一些新型產品與樣機，磁拉硅單晶生長爐也成為產品得到了實際應用。 ^[3] 

醫療用磁成像裝置已真正成為一定規模的產業，全世界已有幾千台超導與永磁磁成像裝置在醫院使用，中國也有永磁裝置在小批量生產，研製成功了幾台0．6—1．0特斯拉的超導裝置。用於高嶺土提純的超導高梯度磁選機已有十餘台在生產運行，磁拉硅單晶生長爐也已開始使用，但尚未形成規模，中國科學院電工研究所與低温工程中心曾在九十年代初研製成功超導磁分離工業樣機，試製成功了兩套單晶爐用超導磁體系統，為產品的形成奠定了基礎。 ^[3] 

總起來説，超導與永磁磁體技術已經成熟到可以提供不同場強，形態的大體積強磁場裝置，開始形成了相應的高技術產業，但大規模產業的形成與發展還有賴於積極地進一步開拓強磁場應用，特別是可能形成大規模市場產品的開拓，根據不完全的瞭解，主要進行的工作有： ^[3] 

⑴熱固性高分子液晶材料強磁場下的性能及應用。國際上在0～15特斯拉磁場範圍內對高分子液晶材料的取向行為、熱效應、磁響應特性、固化成型過程等方面進行了研究，並作其力學性能和磁場的關係的定量分析，應用前景十分看好。 ^[3] 

⑵功能高分子材料在強磁場作用下的研究。國際上高電導率的高分子材料、防靜電及防電磁輻射高分子材料的研究和應用取得了很大進展，某些材料纖維的電導率經強磁場處理後，可達銅電導率的1/10，是極具潛力的二次電池材料。在防靜電服和隱形技術方面電磁波吸收材料已用於軍工領域。

⑶強磁場下金屬凝固理論與技術研究。 ^[3] 

⑷NdFeB永磁材料的強磁場取向。在NdFeB永磁材料加壓成型過程中，採用4～5特斯拉強磁場取向，可大大提高性能，國外已開始實際應用。 ^[3] 

⑴血液在強磁場下性能的改變及對生物體的影響。國際上研究了人體及動物的全血的強磁場下的取向行為及其作用的主體——血紅細胞的作用機制；血液在強磁場下流變性能的變化；血纖維蛋白質在強磁場下的活性變化及對生物代謝作用的影響；人血在強磁場中所受磁力、磁懸浮特性和光吸收特性。

⑵蛋白質高分子在強磁場下的特性及其應用。國際上研究了磷脂中縮氨酸在強磁場下的取 ^[3]  向作用；肌肉細胞蛋白質在磁場中的磷代謝過程；神經肽胺酸在強磁場下的結構改變及蛋白質酰胺與氫的交換等。 ^[3] 

⑶醫療應用。除繼續發展人體成像系統外，近年來國際上還研究了在4—8特斯拉強磁場下血纖維蛋白質的活性以及對血管中血栓溶解的影響；強磁場及磁場梯度對血纖維蛋白的溶解過程的影響；強磁場對動物血細胞的活性及其對心肌保護特性的影響；外加磁場對血小板流動性能的影響及其在醫療上的應用等。 ^[3] 

除繼續積極進行強場磁分離技術、磁懸浮技術的發展與應用外，近年來，國際上還研究了磁場對石油滯粘性能的影響及對原油的脱蠟作用；研究了磁場對水的軟化作用及改善水質的作用；研究了外加磁場對改善燃油燃燒性能及提高燃值的作用；通過在強磁場中的取向提高金屬材料的強度和韌性；通過表面吸出排除雜質、提高金屬質量等。 ^[3] 

國際上研究了外磁場對農作物種子的萌發與生長的影響及其作用機制；研究了磁場與農作物種子的萌發與生長的定量關係；研究了磁場與促進萌發與生長有密切關係的酶的活性與代謝作用；研究了生物酶在磁場下的合成作用以及對作物遺傳變異的影響；研究了磁化水對促進作物生長的作用及磁性肥料的研究和應用。 ^[3] 

隨着強磁場技術與裝備的進一步完善，已有應用的進一步發展和積極開拓新應用，特別是具有大規模市場前景的產品的發展，可以期望，21世紀中強磁場應用將發展成為一個強有力的新興產業。 ^[3]