從32.35T（特斯拉）極高場超導(dǎo)磁體，到9.4T超高場人體全身磁共振成像超導(dǎo)磁體，再到多種無液氦超導(dǎo)磁體系統(tǒng)……在中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱“中國科學(xué)院電工所”）的一隅，一個滿載榮譽的照片柜訴說著由中國科學(xué)院院士王秋良帶領(lǐng)的無液氦高場強磁裝備團(tuán)隊取得的成就。
這支團(tuán)隊的歷史可追溯到20世紀(jì)70年代由中國科學(xué)院院士嚴(yán)陸光組建的超導(dǎo)技術(shù)研究團(tuán)隊。他們在國內(nèi)率先叩開超導(dǎo)磁體科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用研究的大門。2002年，王秋良接過接力棒，帶領(lǐng)團(tuán)隊在超導(dǎo)強磁科技及裝備領(lǐng)域持續(xù)深耕，屢攀高峰。日前，這支團(tuán)隊獲得“2024年中國科學(xué)院年度團(tuán)隊”稱號。
“我們團(tuán)隊的核心使命，就是追求更高、更穩(wěn)定、更均勻的強磁場，推動中國強磁技術(shù)發(fā)展。”王秋良望著照片柜自豪地說。
鉚著勁不斷追趕
一間簡陋的小屋，幾臺機器嗡嗡作響，6個人忙前忙后。這便是王秋良所在團(tuán)隊研究超導(dǎo)強磁的最初狀態(tài)。
“超導(dǎo)強磁技術(shù)被譽為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，是我國搶占科技制高點的重要技術(shù)方向。盡管研究之初面臨資金匱乏、人才短缺、設(shè)備簡陋的困境，但我們也不能讓關(guān)鍵技術(shù)受制于人。”王秋良回憶道。
團(tuán)隊長期深耕超導(dǎo)強磁領(lǐng)域，2008年，更是將目標(biāo)鎖定在研發(fā)世界一流的高場超導(dǎo)磁體。“打造世界一流的高場超導(dǎo)磁體，是為了滿足國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目對極端強磁場的需求，為材料、能源、信息等領(lǐng)域破解關(guān)鍵科學(xué)問題提供先進(jìn)的公共實驗裝置。”王秋良說。
為攻克高場超導(dǎo)磁體的技術(shù)難題，王秋良帶領(lǐng)團(tuán)隊幾乎從零開始，踏上了漫長而艱辛的技術(shù)攻關(guān)之路。從2008年至2015年，團(tuán)隊不斷探索新工藝，為后續(xù)研制設(shè)備奠定了堅實基礎(chǔ)。
“磁場強度以T為單位。一般而言，低溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場強度上限為23.0T。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所研究員劉建華介紹，為突破這一上限，團(tuán)隊采用高低溫混合超導(dǎo)磁體的方式研制磁體，即在低溫超導(dǎo)磁體的同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部插入高溫超導(dǎo)磁體，利用高溫超導(dǎo)材料抗拉伸強度高、高磁場下載流密度大的優(yōu)點，產(chǎn)生23.0T以上的中心磁場。
19.4T、24.0T、25.7T、27.2T……從2015年到2017年，團(tuán)隊一直在突破上限，攀登磁場強度的新高峰。每次突破都讓團(tuán)隊倍感振奮，但攀登之路卻不平坦。
2017年11月，團(tuán)隊歷經(jīng)艱辛，終于將磁場強度提升至27.2T。然而，僅僅過了十多天，2017年12月美國國家強磁場實驗室創(chuàng)造了32.0T超導(dǎo)磁體的世界紀(jì)錄。
“當(dāng)時，我們壓力很大，每提升0.01T的磁場強度都非常困難。美國已經(jīng)達(dá)到了32.0T，我們想著無論如何也要突破 32.0T。”劉建華回憶。
此后兩年，團(tuán)隊根據(jù)綜合極端條件大科學(xué)裝置對磁場強度的要求，不斷改進(jìn)技術(shù)，設(shè)計并建造了全新的超導(dǎo)線圈和支撐結(jié)構(gòu)，為沖擊更高磁場強度做足準(zhǔn)備。
然而，就在測試即將成功的關(guān)鍵時刻，新的挑戰(zhàn)悄然而至。
“2019年11月，在測試過程中，低溫系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警。”劉建華說，若磁體所處的低溫環(huán)境無法維持，磁體可能隨時失超甚至損壞。
此時，團(tuán)隊上下陷入迷茫。大科學(xué)裝置所需的強磁場指標(biāo)已達(dá)到，是否有必要沖擊更高磁場強度？
關(guān)鍵時刻，王秋良拍板說：“都干到這個程度了，必須繼續(xù)往上沖！”
經(jīng)過不懈努力，團(tuán)隊解決了低溫問題，使磁場強度突破32.0T，追平了美國的紀(jì)錄。但追平紀(jì)錄并非終點，團(tuán)隊成員鉚足了勁，繼續(xù)沖刺。在2019年11月12日，磁場強度上升至32.35T，磁體運行穩(wěn)定且未失超，一舉打破美國創(chuàng)造的世界紀(jì)錄。
摸著石頭過河
在研制32.35T超導(dǎo)磁體的同時，團(tuán)隊還承擔(dān)了研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的任務(wù)。這種磁體需要在800毫米的孔徑內(nèi)提供高均勻性和高穩(wěn)定度的強磁場，研制難度極高。
“如果說研制32.35T超導(dǎo)磁體的難度在于磁場強度高，那么研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的難度就在于如何在大空間內(nèi)使磁場既強又均勻。”王秋良說。
“研制初期，我們面臨諸多質(zhì)疑。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所研究員程軍勝回憶道，“這可以說是一個全新賽道，無經(jīng)驗可循，只能摸著石頭過河，一點點探索。”
9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體由13萬匝超導(dǎo)線繞制而成，每一匝超導(dǎo)線又由上百根僅幾十微米粗細(xì)的超導(dǎo)芯絲構(gòu)成。程軍勝說：“任何細(xì)微的偏差都可能影響整個磁體的精度。”
團(tuán)隊花費十余年時間攻克了大尺寸高均勻度超高場超導(dǎo)磁體的極限電磁設(shè)計和制造等關(guān)鍵技術(shù)。2022年5月，團(tuán)隊成功研制出滿足人體全身成像的9.4T超高場超導(dǎo)磁體，使我國成為亞洲第一個掌握該項關(guān)鍵技術(shù)的國家。
“與常規(guī)臨床應(yīng)用的1.5T和3.0T超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備相比，9.4T成像設(shè)備能獲得更高信噪比、更高分辨率的檢測圖像，且成像速度更快。”王秋良介紹，該設(shè)備不僅可用于開展人體代謝、腦認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域的研究，還可助力帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病以及惡性腫瘤的早期診斷。
在高場強磁裝備領(lǐng)域深耕多年，王秋良所在團(tuán)隊近年又邁上了無液氦超導(dǎo)磁體賽道。在王秋良看來，傳統(tǒng)的液氦浸泡強超導(dǎo)磁體裝備已經(jīng)難以滿足解決液氦供應(yīng)“卡脖子”難題的迫切要求。因此，研發(fā)無液氦強磁裝備，成為推動強磁裝備行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。
“氦氣屬于稀缺資源。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所副研究員王暉說，近年來液氦多次出現(xiàn)供應(yīng)中斷和價格飆升的情況。
“超導(dǎo)磁體需要在極低溫環(huán)境中運行以保持磁體的超導(dǎo)態(tài)，傳統(tǒng)技術(shù)采用零下269攝氏度的液氦浸泡維持磁體正常運行。如果不用液氦，如何保障超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運行便成為了首要難題。”王暉解釋，在磁體充放電過程中，無液氦超導(dǎo)磁體的溫度會出現(xiàn)波動，而傳統(tǒng)液氦浸泡磁體的溫度很穩(wěn)定。
2015年起，王秋良開始帶領(lǐng)團(tuán)隊研究無液氦超導(dǎo)磁體成套關(guān)鍵技術(shù)，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于0.7T、1.5T、3T、7T等無液氦磁共振成像系統(tǒng)領(lǐng)域，同時研發(fā)出多種適用于苛刻應(yīng)用場景的無液氦特種強電磁裝備。
“隨著產(chǎn)量增加，無液氦超導(dǎo)磁體制造成本將逐漸降低。”王秋良說，無液氦超導(dǎo)磁體雖然制造過程較為復(fù)雜，但運行成本較低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
以項目培養(yǎng)人才
“超導(dǎo)強磁研究屬于跨學(xué)科領(lǐng)域。開展相關(guān)研究需集結(jié)具備多學(xué)科背景的科研人員，組建研發(fā)團(tuán)隊，通過緊密協(xié)作推動工作取得進(jìn)展。”王秋良說。
目前，無液氦高場強磁裝備團(tuán)隊的研究人員總數(shù)超過百人。他們來自超導(dǎo)、電磁場、低溫、機械、材料、熱工和測控等學(xué)科領(lǐng)域，形成了一支跨越老中青三代、學(xué)科交叉融合的團(tuán)隊。隨著科研任務(wù)增加，團(tuán)隊不斷壯大，吸引眾多年輕人加入。
“我們培養(yǎng)年輕人，主要是通過以老帶新、以項目促成長的方式，讓他們在實戰(zhàn)中成長。”王秋良介紹，團(tuán)隊成員根據(jù)個人專業(yè)方向和科研任務(wù)需求，分別負(fù)責(zé)各自擅長領(lǐng)域的工作，每個項目都有年輕人參與。
為確保每個項目都能順利推進(jìn)，團(tuán)隊采取了項目負(fù)責(zé)制，即每位核心成員負(fù)責(zé)一個主要項目，并至少協(xié)調(diào)5個項目相關(guān)人員參與其中。
“這種項目管理模式不僅促進(jìn)了團(tuán)隊成員之間的緊密合作，還實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，讓成員們能夠在多個項目中交叉融合，為年輕人的快速成長提供了廣闊舞臺。”王秋良說。
談及未來發(fā)展，王秋良說，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊年輕人聚焦于以下幾個主要方向：一是追求更高的穩(wěn)態(tài)強磁場、更大的磁場使用空間和更高的磁場質(zhì)量，二是研發(fā)適應(yīng)苛刻應(yīng)用環(huán)境的特種強磁裝備，三是發(fā)展超導(dǎo)磁共振成像和譜儀技術(shù)。
從32.35T（特斯拉）極高場超導(dǎo)磁體，到9.4T超高場人體全身磁共振成像超導(dǎo)磁體，再到多種無液氦超導(dǎo)磁體系統(tǒng)……在中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱“中國科學(xué)院電工所”）的一隅，一個滿載榮譽的照片柜訴說著由中國科學(xué)院院士王秋良帶領(lǐng)的無液氦高場強磁裝備團(tuán)隊取得的成就。
這支團(tuán)隊的歷史可追溯到20世紀(jì)70年代由中國科學(xué)院院士嚴(yán)陸光組建的超導(dǎo)技術(shù)研究團(tuán)隊。他們在國內(nèi)率先叩開超導(dǎo)磁體科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用研究的大門。2002年，王秋良接過接力棒，帶領(lǐng)團(tuán)隊在超導(dǎo)強磁科技及裝備領(lǐng)域持續(xù)深耕，屢攀高峰。日前，這支團(tuán)隊獲得“2024年中國科學(xué)院年度團(tuán)隊”稱號。
“我們團(tuán)隊的核心使命，就是追求更高、更穩(wěn)定、更均勻的強磁場，推動中國強磁技術(shù)發(fā)展。”王秋良望著照片柜自豪地說。
鉚著勁不斷追趕
一間簡陋的小屋，幾臺機器嗡嗡作響，6個人忙前忙后。這便是王秋良所在團(tuán)隊研究超導(dǎo)強磁的最初狀態(tài)。
“超導(dǎo)強磁技術(shù)被譽為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，是我國搶占科技制高點的重要技術(shù)方向。盡管研究之初面臨資金匱乏、人才短缺、設(shè)備簡陋的困境，但我們也不能讓關(guān)鍵技術(shù)受制于人。”王秋良回憶道。
團(tuán)隊長期深耕超導(dǎo)強磁領(lǐng)域，2008年，更是將目標(biāo)鎖定在研發(fā)世界一流的高場超導(dǎo)磁體。“打造世界一流的高場超導(dǎo)磁體，是為了滿足國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目對極端強磁場的需求，為材料、能源、信息等領(lǐng)域破解關(guān)鍵科學(xué)問題提供先進(jìn)的公共實驗裝置。”王秋良說。
為攻克高場超導(dǎo)磁體的技術(shù)難題，王秋良帶領(lǐng)團(tuán)隊幾乎從零開始，踏上了漫長而艱辛的技術(shù)攻關(guān)之路。從2008年至2015年，團(tuán)隊不斷探索新工藝，為后續(xù)研制設(shè)備奠定了堅實基礎(chǔ)。
“磁場強度以T為單位。一般而言，低溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場強度上限為23.0T。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所研究員劉建華介紹，為突破這一上限，團(tuán)隊采用高低溫混合超導(dǎo)磁體的方式研制磁體，即在低溫超導(dǎo)磁體的同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部插入高溫超導(dǎo)磁體，利用高溫超導(dǎo)材料抗拉伸強度高、高磁場下載流密度大的優(yōu)點，產(chǎn)生23.0T以上的中心磁場。
19.4T、24.0T、25.7T、27.2T……從2015年到2017年，團(tuán)隊一直在突破上限，攀登磁場強度的新高峰。每次突破都讓團(tuán)隊倍感振奮，但攀登之路卻不平坦。
2017年11月，團(tuán)隊歷經(jīng)艱辛，終于將磁場強度提升至27.2T。然而，僅僅過了十多天，2017年12月美國國家強磁場實驗室創(chuàng)造了32.0T超導(dǎo)磁體的世界紀(jì)錄。
“當(dāng)時，我們壓力很大，每提升0.01T的磁場強度都非常困難。美國已經(jīng)達(dá)到了32.0T，我們想著無論如何也要突破 32.0T。”劉建華回憶。
此后兩年，團(tuán)隊根據(jù)綜合極端條件大科學(xué)裝置對磁場強度的要求，不斷改進(jìn)技術(shù)，設(shè)計并建造了全新的超導(dǎo)線圈和支撐結(jié)構(gòu)，為沖擊更高磁場強度做足準(zhǔn)備。
然而，就在測試即將成功的關(guān)鍵時刻，新的挑戰(zhàn)悄然而至。
“2019年11月，在測試過程中，低溫系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警。”劉建華說，若磁體所處的低溫環(huán)境無法維持，磁體可能隨時失超甚至損壞。
此時，團(tuán)隊上下陷入迷茫。大科學(xué)裝置所需的強磁場指標(biāo)已達(dá)到，是否有必要沖擊更高磁場強度？
關(guān)鍵時刻，王秋良拍板說：“都干到這個程度了，必須繼續(xù)往上沖！”
經(jīng)過不懈努力，團(tuán)隊解決了低溫問題，使磁場強度突破32.0T，追平了美國的紀(jì)錄。但追平紀(jì)錄并非終點，團(tuán)隊成員鉚足了勁，繼續(xù)沖刺。在2019年11月12日，磁場強度上升至32.35T，磁體運行穩(wěn)定且未失超，一舉打破美國創(chuàng)造的世界紀(jì)錄。
摸著石頭過河
在研制32.35T超導(dǎo)磁體的同時，團(tuán)隊還承擔(dān)了研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的任務(wù)。這種磁體需要在800毫米的孔徑內(nèi)提供高均勻性和高穩(wěn)定度的強磁場，研制難度極高。
“如果說研制32.35T超導(dǎo)磁體的難度在于磁場強度高，那么研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的難度就在于如何在大空間內(nèi)使磁場既強又均勻。”王秋良說。
“研制初期，我們面臨諸多質(zhì)疑。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所研究員程軍勝回憶道，“這可以說是一個全新賽道，無經(jīng)驗可循，只能摸著石頭過河，一點點探索。”
9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體由13萬匝超導(dǎo)線繞制而成，每一匝超導(dǎo)線又由上百根僅幾十微米粗細(xì)的超導(dǎo)芯絲構(gòu)成。程軍勝說：“任何細(xì)微的偏差都可能影響整個磁體的精度。”
團(tuán)隊花費十余年時間攻克了大尺寸高均勻度超高場超導(dǎo)磁體的極限電磁設(shè)計和制造等關(guān)鍵技術(shù)。2022年5月，團(tuán)隊成功研制出滿足人體全身成像的9.4T超高場超導(dǎo)磁體，使我國成為亞洲第一個掌握該項關(guān)鍵技術(shù)的國家。
“與常規(guī)臨床應(yīng)用的1.5T和3.0T超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備相比，9.4T成像設(shè)備能獲得更高信噪比、更高分辨率的檢測圖像，且成像速度更快。”王秋良介紹，該設(shè)備不僅可用于開展人體代謝、腦認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域的研究，還可助力帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病以及惡性腫瘤的早期診斷。
在高場強磁裝備領(lǐng)域深耕多年，王秋良所在團(tuán)隊近年又邁上了無液氦超導(dǎo)磁體賽道。在王秋良看來，傳統(tǒng)的液氦浸泡強超導(dǎo)磁體裝備已經(jīng)難以滿足解決液氦供應(yīng)“卡脖子”難題的迫切要求。因此，研發(fā)無液氦強磁裝備，成為推動強磁裝備行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。
“氦氣屬于稀缺資源。”團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院電工所副研究員王暉說，近年來液氦多次出現(xiàn)供應(yīng)中斷和價格飆升的情況。
“超導(dǎo)磁體需要在極低溫環(huán)境中運行以保持磁體的超導(dǎo)態(tài)，傳統(tǒng)技術(shù)采用零下269攝氏度的液氦浸泡維持磁體正常運行。如果不用液氦，如何保障超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運行便成為了首要難題。”王暉解釋，在磁體充放電過程中，無液氦超導(dǎo)磁體的溫度會出現(xiàn)波動，而傳統(tǒng)液氦浸泡磁體的溫度很穩(wěn)定。
2015年起，王秋良開始帶領(lǐng)團(tuán)隊研究無液氦超導(dǎo)磁體成套關(guān)鍵技術(shù)，并將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于0.7T、1.5T、3T、7T等無液氦磁共振成像系統(tǒng)領(lǐng)域，同時研發(fā)出多種適用于苛刻應(yīng)用場景的無液氦特種強電磁裝備。
“隨著產(chǎn)量增加，無液氦超導(dǎo)磁體制造成本將逐漸降低。”王秋良說，無液氦超導(dǎo)磁體雖然制造過程較為復(fù)雜，但運行成本較低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
以項目培養(yǎng)人才
“超導(dǎo)強磁研究屬于跨學(xué)科領(lǐng)域。開展相關(guān)研究需集結(jié)具備多學(xué)科背景的科研人員，組建研發(fā)團(tuán)隊，通過緊密協(xié)作推動工作取得進(jìn)展。”王秋良說。
目前，無液氦高場強磁裝備團(tuán)隊的研究人員總數(shù)超過百人。他們來自超導(dǎo)、電磁場、低溫、機械、材料、熱工和測控等學(xué)科領(lǐng)域，形成了一支跨越老中青三代、學(xué)科交叉融合的團(tuán)隊。隨著科研任務(wù)增加，團(tuán)隊不斷壯大，吸引眾多年輕人加入。
“我們培養(yǎng)年輕人，主要是通過以老帶新、以項目促成長的方式，讓他們在實戰(zhàn)中成長。”王秋良介紹，團(tuán)隊成員根據(jù)個人專業(yè)方向和科研任務(wù)需求，分別負(fù)責(zé)各自擅長領(lǐng)域的工作，每個項目都有年輕人參與。
為確保每個項目都能順利推進(jìn)，團(tuán)隊采取了項目負(fù)責(zé)制，即每位核心成員負(fù)責(zé)一個主要項目，并至少協(xié)調(diào)5個項目相關(guān)人員參與其中。
“這種項目管理模式不僅促進(jìn)了團(tuán)隊成員之間的緊密合作，還實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，讓成員們能夠在多個項目中交叉融合，為年輕人的快速成長提供了廣闊舞臺。”王秋良說。
談及未來發(fā)展，王秋良說，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊年輕人聚焦于以下幾個主要方向：一是追求更高的穩(wěn)態(tài)強磁場、更大的磁場使用空間和更高的磁場質(zhì)量，二是研發(fā)適應(yīng)苛刻應(yīng)用環(huán)境的特種強磁裝備，三是發(fā)展超導(dǎo)磁共振成像和譜儀技術(shù)。
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-2-1731-0.html勇攀超導(dǎo)強磁科研高峰——記中國科學(xué)院電工所無液氦高場強磁裝備團(tuán)隊
聲明：本網(wǎng)頁內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會到餡餅，請大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問題請及時與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時間刪除處理。
點擊右上角
微信好友
朋友圈
點擊瀏覽器下方“
”分享微信好友Safari瀏覽器請點擊“
”按鈕
點擊右上角
QQ
點擊瀏覽器下方“”分享QQ好友Safari瀏覽器請點擊“”按鈕
