8月，美国国家科学院发布报告《美国强磁场科学技术的现状与未来方向》[1]，旨在确定现有和新兴的强磁场技术在未来十年及以后的新科学机遇。美国政府每十年会委托相关机构对强磁场领域的现状和未来前景进行回顾，2023年，应美国国家科学基金会（NSF）的请求，美国国家科学院成立了美国强磁场现状和未来方向委员会，开展了对强磁场领域的前瞻性研究，最终形成了该报告。

一、发展现状

1、基本认识。磁场的单位是特斯拉（T），地球的磁场约为50 μT。传统的铁棒磁体可以产生0.5T的磁场，稀土磁体可产生1~2 T的磁场，这些磁体广泛应用于电动机和发电机。要获得大于1~2T的磁场，需要通过超导金属线等来传递大电流，目前用于人体级临床磁共振成像（MRI）的磁体使用温度为4K的超导线来产生7T的磁场。目前可产生的最大稳定磁场达到45T。超过60T的磁场需要采用脉冲场方法，在短时间（毫秒）内产生强磁场。无损脉冲的现有上限为100T，使用破坏性方法（即使用非常大的电流，以至于它们会粉碎或蒸发线圈）最高可达1000T。

2、主要应用。强磁场是许多科学技术领域的重要工具，其主要应用包括3个方面。一是探测物质的物理和化学结构，例如作为无机和生物材料的重要探针，用于药物发现的核磁共振和用于医学诊断和研究的磁共振成像；二是引导和限制基本带电粒子，例如捕获电子为医学、材料科学和化学创造X射线源，用于非常高能加速器中研究宇宙中物质的基本性质和控制它们的力，可能使未来的核聚变能源成为可能等；三是改变物质的物理状态，可用于探索材料的新物理性质，帮助设计量子技术和新材料，用于先进的电子和光子元件、器件和新功能的集成系统。

3、国际发展现状

（1）美国国家强磁场实验室（NHMFL）。NHMFL也被称为MagLab，是美国主要的集中式强磁场实验室，分布在3个地点，即佛罗里达州塔拉哈西（直流）、佛罗里达大学盖恩斯维尔分校（直流）以及新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室（脉冲场）。NHMFL的脉冲场设施是世界上唯一在非破坏性100T磁场下获得科学结果的设施，其直流设施也多年来保持着直流电阻磁体的纪录，即场强达45.2T，位于合肥的中国强磁场实验室在2022年也达到了45.2T。

（2）欧洲强磁场实验室（EMFL）。EMFL有3个强磁场设施，分布在4个地点，包括德国德累斯顿强磁场实验室（脉冲场），位于法国格勒诺布尔（直流）和图卢兹（脉冲场）的国家强磁场实验室（LNCMI），以及荷兰奈梅亨强磁场实验室（直流）。德累斯顿强磁场实验室的85T和95T的脉冲磁体已投入使用。

（3）中国强磁场实验室。中国有两个强磁场科学中心，一是位于合肥的中国科学院强磁场科学中心，其稳态强磁场设施（直流）是国家重大科技基础设施之一。二是位于武汉的国家脉冲强磁场科学中心，其脉冲场强磁场设施的磁强范围为50~75T，曾成功实现90.6T的磁场。

（4）日本强磁场合作实验室。包括东京大学的国际MegaGauss科学实验室（IMGSL），大阪大学的先进强磁场科学中心（AHMF）以及东北大学的超导材料高场实验室（HFLSM）。这些实验室通过稳态磁场和脉冲磁场相结合，为1200T以内的各种磁场范围的实验提供机会。

二、挑战和机遇

1、核磁共振（NMR）。NMR光谱学是化学、工程、生物医学和材料科学领域研究人员最具影响力的工具之一。用于研究结构化学的其他方法，如低温电子显微镜、基于人工智能的结构预测等，与NMR具有协同作用，不应被视为竞争或替代。随着新的实验方法和数据分析方法的发展，以及对新科学问题的应用探索，NMR的能力不断扩大。NMR已经研究和商业化50多年，其面临的主要挑战一直是灵敏度和分辨率。更高的磁场将提供更高分辨率和更高灵敏度，并为包括玻璃、催化剂、金属有机框架（MOF）和能源相关系统在内的先进材料的研究开辟大量新机会。具有高场磁体的仪器，对NMR的一些重要应用非常有价值，特别是材料和生物分子固体中四极核的光谱应用。过去十年中，除美国外，高场NMR（高于1GHz或24T）的普及率在世界各地迅速增长。全球已安装或订购了至少14台1.2GHz的NMR仪器，欧洲有12台，但美国只有一台。联邦机构对NMR仪器的投资不足导致美国在基于NMR的研究中明显失去了领导地位。

2、磁共振成像（MRI）。有数以万计1.5T和3.0T场强的MRI系统被批准临床使用，越来越多的7T系统进入市场。在世界各地运行的11.7~16.4T范围内的商用临床前系统的经验表明，强磁场可以为从癌症诊断到神经退行性疾病的理解等众多学科带来巨大潜力。然而，要在11.7T场强或更高场强下对人体进行成像，不仅需要磁体技术的进步，还需要射频线圈和梯度线圈设计的进步。全球有8个具有人类能力的超高场（场强在8T以上）MRI系统正在运行或正在进行中，美国有两个，分别是明尼苏达大学（10.5T）和美国国立卫生研究院（11.7T），欧洲有4个，中国（中国科学技术大学，10.5T，开发中）和韩国各有一个。这些系统中，除了一个14T系统计划使用高温超导体材料外，其他11.7T以上的系统都依赖NbTi线材技术，而这些磁体都不是在美国设计或制造的。突破11.7T场强以上的超高场人类MRI系统或21T场强以上的临床前超高场动物MRI系统的障碍，需要线材技术和工程设计的进步。尽管Nb₃Sn线材技术有可能用于这些系统的磁体，但目前还没有计划。高温超导体线材技术正在迅速发展，计划在全身规模生产一个14T磁体。

3、核聚变。磁约束聚变使用磁场来约束等离子体以实现聚变，因此需要强大的磁场。而大规模产生这些聚变所需的磁场尤其具有挑战性，因为它们必须在靠近高能中子源和高温热源的恶劣环境中可靠运行，因此开发具有更高的磁场、工作温度和可靠性的磁体是理想选择。磁体是磁聚变装置的主要核心成本驱动因素，世界上现有超导聚变装置，如中国的EAST、韩国的K-STAR、德国的W-7X等，其磁体约占装置核心成本的三分之一。高场磁体的发展需要进一步开发线材和磁体技术，以及能够在13T以上大孔径下运行的集成磁体测试设施。下一代聚变装置需要大量的高温超导体导线，如美国的SPARC聚变装置如果要在2025年投入运行，就需要1万~2万千米长、4毫米宽的稀土钡铜氧化物（REBCO）带材。目前大多数高场磁体的线圈系统都依赖Nb₃Sn线材技术，而这些磁体都不在美国设计或制造。目前尚不可用的集成磁体测试设施对于推进多种聚变能概念至关重要，集成磁体测试设施应包括稳态和脉冲场中的大容量、中等磁场线圈测试，聚变相关中子通量和光谱中磁体材料的低温辐照，以及大规模低温氢冷却剂表征和示范流动回路。

4、凝聚态物理。凝聚态物理的进步是由新材料、新理论和新仪器的发展推动的，强磁场可以通过打破对称性、提升简并性、产生新的能量尺度和增强电子相关性，在材料中创造新的物质状态和序等方面发挥关键作用。强磁场与交替磁体的自旋和晶体学构型的相互作用有望产生有趣的新现象，这些现象还有待深入探索。强磁场也推动大量二维量子材料（包括二维范德华材料及其异质结构与莫尔超晶格）的研究活动和新发现，其中由磁场调制的电子相互作用导致了许多有趣的量子和拓扑状态，这些状态也有望用于自旋电子学和光电应用。强磁场下的凝聚态物理研究是在直流场或脉冲场环境中进行的。脉冲场在有限时间窗口内实现超高磁场的能力以及超高磁场扫描速率和梯度，有助于凝聚态物理学中新型量子相和瞬态的科学发现。目前，100T以上的脉冲场大多由单圈磁体提供。在科学上，需要开发最大磁场超过100T的长脉冲磁体。与脉冲场测量相比，直流场为需要较长测量时间的实验提供了长期的磁场强度稳定性，这对于超低温和高压测量等极端条件下的研究以及使用扫描探针显微镜进行空间分辨成像和光谱研究尤为重要。因此，大多数强磁场中的凝聚态物理研究都是在直流场中进行的。前沿凝聚态物理研究需要超过45T的最大直流场。此外，强磁场仪器的开发与增加最大可用磁场一样重要。

5、加速器磁体。在高能物理中，Nb-Ti超导磁体已成为对撞机的主力，例如大型强子对撞机（LHC）、质子-反质子对撞机（Tevatron）、强子电子环加速器（HERA）、相对论重离子对撞机（RHIC）等。然而，由于超导体的临界场限制，Nb-Ti加速器偶极子的最大磁场被限制在大约9T以下，脆性超导体被使用来克服这些限制，如低温超导体（LTS）、Nb₃Sn，以及REBCO或铜酸盐超导体BSCCO等高温超导体（HTS），但使用这些脆性超导体的磁体需要更复杂的设计和制造方法。这些磁体技术的发展是一个漫长的过程，从导体的早期开发到磁体在设施中的最终应用，可能需要几十年的时间。目前，8~16T的Nb₃Sn加速器磁体技术已经足够成熟，可以在需要数十个磁体的项目环境中实施，但在需要数百或数千个磁体的加速器中全面部署Nb₃Sn磁体还需要进一步的投资和开发。REBCO和BSCCO等高温超导体已经足够先进，可以引入加速器磁体研发，并且对于超过16T或在更高温度下运行的技术至关重要。此外，100TeV质子-质子对撞机、10TeV介子对撞机、未来环形对撞机（FCC-hh）等未来的对撞机需要超越最先进的磁体技术，其磁场和孔径比目前实现的要高。除了典型的高场偶极子和四极加速器磁体外，μ子对撞机还需要对高场大孔径螺线管、快脉冲磁体以及大孔径偶极子和四极子磁体进行大量投资。加速器磁体研发的主要工作是在美国、欧洲、日本和中国，这些研究都有一个共同的长期目标，即开发20T或更大的加速器磁体。美国磁体开发计划聚焦Nb₃Sn磁体、高温超导体磁体、技术开发以及导体的采购和研发，日本在开发抗辐射加速器磁体技术和大孔径磁体方面有具体的目标，中国非常重视开发用于未来加速器的铁基超导体，欧洲计划与美国长期研发活动计划的结构相似，但它还专注于开发大规模生产的磁体技术。

6、用于强磁场的超导材料。目前有几种超导材料用于设计和制造高场磁体，应用最广泛的低温超导体NbTi是所有类型高场磁体的主力材料。过去50年里，全球已经制造并成功部署了数以万计基于NbTi的磁体，这些磁体用于临床医学和科学技术研究的各个领域。NbTi线材性能改进的发展仍在继续，但主要与低场、高临界电流操作模式的增量增强有关。然而，如果向更强磁体和更高磁场的推动能够继续下去，那么NbTi线材在紧凑型聚变装置、下一代MRI或NMR等诸多领域的应用将有望实现。当需要更高（约1.5倍）的磁场时，低温超导体Nb₃Sn是NbTi的替代品，它是NMR磁体的首选材料，还被用于国际热核聚变实验堆（ITER）中产生环形场和作为中心螺线管线圈磁体。REBCO和BSCCO这两种高温超导体则比前两种材料在强磁场下能传输更高的电流密度，其中，聚变技术的进步是REBCO生产规模扩大的主要驱动力；Bi2212是一种很有前途的强磁场磁体技术，使用这种技术的主要挑战与形成超导体所需的高温高压热处理以及超导体的脆性有关,目前，Bi2212似乎没有很大的市场来推动其发展。此外，还有其他几种现有的高温超导体材料曾经或可能用于高场磁体的设计和构建，如中国的铁基超导体带材和线材以及日本和新西兰的Bi2223高温超导体带材，但目前用于此类目的的应用有限，并且其广泛使用的预测是不确定的。

7、氦气。氦气是磁场研究的关键要素。在化学、医学、粒子和核物理学、凝聚态物理学、磁聚变、材料科学和生物化学中，氦气是影响所有这些领域的无替代品材料。超导磁体在许多强磁场领域中占据主导地位，在这些领域中，超导性是通过液氦对材料进行低温冷却来实现的。重要的是，这种超导磁体必须要有连续不间断的液氦供应；在没有液氦的情况下，如果超导材料加热到临界温度以上，则磁体可能会永久损坏。美国是全球第二大氦气供应国，但在近20年的时间里，氦气的获取越来越不确定。由于氦气的获取问题，美国不少超导磁体已经退役，一些大学管理人员表示不愿意在需要氦气的领域雇用教职员工和研究人员。无法可靠地为超导磁体提供氦气，对强磁场领域的持续发展构成了威胁。

三、建议

1、资助开发新的磁体技术、材料和线材。敦促美国国家科学基金会（NSF）和能源部（DOE）在2~3年内加倍支持线材技术的发展，包括支持重建美国高温超导体线材行业，以及建立适合于在强磁场和高应力下表征高温超导体和电缆的美国测试设施。NSF、DOE和国立卫生研究院（NIH）应制定合作计划，加速高温超导体磁体技术的发展，以支持强磁场磁共振成像、核磁共振波谱、聚变磁体和加速器磁体的发展，如应资助采用高温超导体技术的大口径螺线管（900 mm以上）、强磁场（14T以上）磁体的示范，以开发在强磁场科学中具有潜在应用的基础设计方法和导线技术。

2、加强强磁场设施的访问和管理。包括5个方面：未来2~3年应实现多台磁场为1.0~1.2GHz的商用核磁共振仪器的安装，涵盖从物理和材料到制药和生物物理学再到微成像的所有应用，并为用户提供对这些仪器的访问权限；NSF、NIH和DOE应共同建立一个运营资金体系，集中管理分散设施的部分实验时间，作为回报，设施将获得用于运营、维护和进一步技术开发的资金；NSF、NIH、DOE、国防部等政府机构，应联合提供适当的资源，指定用于支持国家的人才和国家强磁场实验室的人才团队，以开发最先进的强磁场科学技术仪器和方法；必须在将强磁场研究与X射线自由激光（XFEL）、同步加速器和中子源相结合方面发挥主导作用，最好由NSF支持的科学技术中心来实现；致力于光源（从太赫兹到X射线）和中子源的强磁场研究的终端站应由NSF、NIH和DOE共同资助。

3、构建世界领先的新型磁体。包括4个方面：NSF应资助国家强磁场实验室建造其45T混合磁体的继任者，包括一个60T的直流磁体，以及与DOE一起建造一个120T的脉冲磁体；国家强磁场实验室应利用其36T串联式混合磁体和32T全超导磁体，构建基于MagLab的全超导40T系统，达到固态核磁共振光谱中新的但可实现的阈值；NIH和NSF应启动基于低温超导体/高温超导体插入物组合的大于28T的小动物MRI系统的开发；NSF、NIH、国防部等支持基础生物和医学研究的资助机构，应考虑建立联合资助途径，使美国能够在14T以上实施人体MRI。

4、加强人才培养。应建立强磁场磁体科学技术培训计划；可以将“美国粒子加速器学校”作为学校组织的典范；加强来自政府机构、实验室、大学和行业的监督和支持。

5、保障氦气供应。为了确保氦气用于研究，作为短期解决方案，美国政府（通过内政部或商务部）应立即为氦气建立特许权使用费“实物”计划，根据该计划，从联邦土地上提取氦气的供应商将被要求提炼氦气并将其出售给联邦资助的研究人员。   

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