從32.35T（特斯拉）極高場超導磁體，到9.4T超高場人體全身磁共振成像超導磁體，再到多種無液氦超導磁體系統……在中國科學院電工研究所（以下簡稱“中國科學院電工所”）的一隅，一個滿載榮譽的照片柜訴說著由中國科學院院士王秋良帶領的無液氦高場強磁裝備團隊取得的成就。
這支團隊的歷史可追溯到20世紀70年代由中國科學院院士嚴陸光組建的超導技術研究團隊。他們在國內率先叩開超導磁體科學技術及應用研究的大門。2002年，王秋良接過接力棒，帶領團隊在超導強磁科技及裝備領域持續深耕，屢攀高峰。日前，這支團隊獲得“2024年中國科學院年度團隊”稱號。
“我們團隊的核心使命，就是追求更高、更穩定、更均勻的強磁場，推動中國強磁技術發展。”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隊研究超導強磁的最初狀態。
“超導強磁技術被譽為21世紀的關鍵技術，是我國搶占科技制高點的重要技術方向。盡管研究之初面臨資金匱乏、人才短缺、設備簡陋的困境，但我們也不能讓關鍵技術受制于人。”王秋良回憶道。
團隊長期深耕超導強磁領域，2008年，更是將目標鎖定在研發世界一流的高場超導磁體。“打造世界一流的高場超導磁體，是為了滿足國家重大科技基礎設施項目對極端強磁場的需求，為材料、能源、信息等領域破解關鍵科學問題提供先進的公共實驗裝置。”王秋良說。
為攻克高場超導磁體的技術難題，王秋良帶領團隊幾乎從零開始，踏上了漫長而艱辛的技術攻關之路。從2008年至2015年，團隊不斷探索新工藝，為后續研制設備奠定了堅實基礎。
“磁場強度以T為單位。一般而言，低溫超導磁體產生的磁場強度上限為23.0T。”團隊成員、中國科學院電工所研究員劉建華介紹，為突破這一上限，團隊采用高低溫混合超導磁體的方式研制磁體，即在低溫超導磁體的同軸結構內部插入高溫超導磁體，利用高溫超導材料抗拉伸強度高、高磁場下載流密度大的優點，產生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。每次突破都讓團隊倍感振奮，但攀登之路卻不平坦。
2017年11月，團隊歷經艱辛，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造了32.0T超導磁體的世界紀錄。
“當時，我們壓力很大，每提升0.01T的磁場強度都非常困難。美國已經達到了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，團隊根據綜合極端條件大科學裝置對磁場強度的要求，不斷改進技術，設計并建造了全新的超導線圈和支撐結構，為沖擊更高磁場強度做足準備。
然而，就在測試即將成功的關鍵時刻，新的挑戰悄然而至。
“2019年11月，在測試過程中，低溫系統出現預警。”劉建華說，若磁體所處的低溫環境無法維持，磁體可能隨時失超甚至損壞。
此時，團隊上下陷入迷茫。大科學裝置所需的強磁場指標已達到，是否有必要沖擊更高磁場強度？
關鍵時刻，王秋良拍板說：“都干到這個程度了，必須繼續往上沖！”
經過不懈努力，團隊解決了低溫問題，使磁場強度突破32.0T，追平了美國的紀錄。但追平紀錄并非終點，團隊成員鉚足了勁，繼續沖刺。在2019年11月12日，磁場強度上升至32.35T，磁體運行穩定且未失超，一舉打破美國創造的世界紀錄。
摸著石頭過河
在研制32.35T超導磁體的同時，團隊還承擔了研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的任務。這種磁體需要在800毫米的孔徑內提供高均勻性和高穩定度的強磁場，研制難度極高。
“如果說研制32.35T超導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使磁場既強又均勻。”王秋良說。
“研制初期，我們面臨諸多質疑。”團隊成員、中國科學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13萬匝超導線繞制而成，每一匝超導線又由上百根僅幾十微米粗細的超導芯絲構成。程軍勝說：“任何細微的偏差都可能影響整個磁體的精度。”
團隊花費十余年時間攻克了大尺寸高均勻度超高場超導磁體的極限電磁設計和制造等關鍵技術。2022年5月，團隊成功研制出滿足人體全身成像的9.4T超高場超導磁體，使我國成為亞洲第一個掌握該項關鍵技術的國家。
“與常規臨床應用的1.5T和3.0T超導磁共振成像設備相比，9.4T成像設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，該設備不僅可用于開展人體代謝、腦認知科學、神經科學等前沿科學領域的研究，還可助力帕金森病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病以及惡性腫瘤的早期診斷。
在高場強磁裝備領域深耕多年，王秋良所在團隊近年又邁上了無液氦超導磁體賽道。在王秋良看來，傳統的液氦浸泡強超導磁體裝備已經難以滿足解決液氦供應“卡脖子”難題的迫切要求。因此，研發無液氦強磁裝備，成為推動強磁裝備行業進一步發展的關鍵。
“氦氣屬于稀缺資源。”團隊成員、中國科學院電工所副研究員王暉說，近年來液氦多次出現供應中斷和價格飆升的情況。
“超導磁體需要在極低溫環境中運行以保持磁體的超導態，傳統技術采用零下269攝氏度的液氦浸泡維持磁體正常運行。如果不用液氦，如何保障超導磁體穩定運行便成為了首要難題。”王暉解釋，在磁體充放電過程中，無液氦超導磁體的溫度會出現波動，而傳統液氦浸泡磁體的溫度很穩定。
2015年起，王秋良開始帶領團隊研究無液氦超導磁體成套關鍵技術，并將相關技術應用于0.7T、1.5T、3T、7T等無液氦磁共振成像系統領域，同時研發出多種適用于苛刻應用場景的無液氦特種強電磁裝備。
“隨著產量增加，無液氦超導磁體制造成本將逐漸降低。”王秋良說，無液氦超導磁體雖然制造過程較為復雜，但運行成本較低，具有廣闊的應用前景。
以項目培養人才
“超導強磁研究屬于跨學科領域。開展相關研究需集結具備多學科背景的科研人員，組建研發團隊，通過緊密協作推動工作取得進展。”王秋良說。
目前，無液氦高場強磁裝備團隊的研究人員總數超過百人。他們來自超導、電磁場、低溫、機械、材料、熱工和測控等學科領域，形成了一支跨越老中青三代、學科交叉融合的團隊。隨著科研任務增加，團隊不斷壯大，吸引眾多年輕人加入。
“我們培養年輕人，主要是通過以老帶新、以項目促成長的方式，讓他們在實戰中成長。”王秋良介紹，團隊成員根據個人專業方向和科研任務需求，分別負責各自擅長領域的工作，每個項目都有年輕人參與。
為確保每個項目都能順利推進，團隊采取了項目負責制，即每位核心成員負責一個主要項目，并至少協調5個項目相關人員參與其中。
“這種項目管理模式不僅促進了團隊成員之間的緊密合作，還實現了優勢互補，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。
談及未來發展，王秋良說，他將帶領團隊年輕人聚焦于以下幾個主要方向：一是追求更高的穩態強磁場、更大的磁場使用空間和更高的磁場質量，二是研發適應苛刻應用環境的特種強磁裝備，三是發展超導磁共振成像和譜儀技術。
從32.35T（特斯拉）極高場超導磁體，到9.4T超高場人體全身磁共振成像超導磁體，再到多種無液氦超導磁體系統……在中國科學院電工研究所（以下簡稱“中國科學院電工所”）的一隅，一個滿載榮譽的照片柜訴說著由中國科學院院士王秋良帶領的無液氦高場強磁裝備團隊取得的成就。
這支團隊的歷史可追溯到20世紀70年代由中國科學院院士嚴陸光組建的超導技術研究團隊。他們在國內率先叩開超導磁體科學技術及應用研究的大門。2002年，王秋良接過接力棒，帶領團隊在超導強磁科技及裝備領域持續深耕，屢攀高峰。日前，這支團隊獲得“2024年中國科學院年度團隊”稱號。
“我們團隊的核心使命，就是追求更高、更穩定、更均勻的強磁場，推動中國強磁技術發展。”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隊研究超導強磁的最初狀態。
“超導強磁技術被譽為21世紀的關鍵技術，是我國搶占科技制高點的重要技術方向。盡管研究之初面臨資金匱乏、人才短缺、設備簡陋的困境，但我們也不能讓關鍵技術受制于人。”王秋良回憶道。
團隊長期深耕超導強磁領域，2008年，更是將目標鎖定在研發世界一流的高場超導磁體。“打造世界一流的高場超導磁體，是為了滿足國家重大科技基礎設施項目對極端強磁場的需求，為材料、能源、信息等領域破解關鍵科學問題提供先進的公共實驗裝置。”王秋良說。
為攻克高場超導磁體的技術難題，王秋良帶領團隊幾乎從零開始，踏上了漫長而艱辛的技術攻關之路。從2008年至2015年，團隊不斷探索新工藝，為后續研制設備奠定了堅實基礎。
“磁場強度以T為單位。一般而言，低溫超導磁體產生的磁場強度上限為23.0T。”團隊成員、中國科學院電工所研究員劉建華介紹，為突破這一上限，團隊采用高低溫混合超導磁體的方式研制磁體，即在低溫超導磁體的同軸結構內部插入高溫超導磁體，利用高溫超導材料抗拉伸強度高、高磁場下載流密度大的優點，產生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。每次突破都讓團隊倍感振奮，但攀登之路卻不平坦。
2017年11月，團隊歷經艱辛，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造了32.0T超導磁體的世界紀錄。
“當時，我們壓力很大，每提升0.01T的磁場強度都非常困難。美國已經達到了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，團隊根據綜合極端條件大科學裝置對磁場強度的要求，不斷改進技術，設計并建造了全新的超導線圈和支撐結構，為沖擊更高磁場強度做足準備。
然而，就在測試即將成功的關鍵時刻，新的挑戰悄然而至。
“2019年11月，在測試過程中，低溫系統出現預警。”劉建華說，若磁體所處的低溫環境無法維持，磁體可能隨時失超甚至損壞。
此時，團隊上下陷入迷茫。大科學裝置所需的強磁場指標已達到，是否有必要沖擊更高磁場強度？
關鍵時刻，王秋良拍板說：“都干到這個程度了，必須繼續往上沖！”
經過不懈努力，團隊解決了低溫問題，使磁場強度突破32.0T，追平了美國的紀錄。但追平紀錄并非終點，團隊成員鉚足了勁，繼續沖刺。在2019年11月12日，磁場強度上升至32.35T，磁體運行穩定且未失超，一舉打破美國創造的世界紀錄。
摸著石頭過河
在研制32.35T超導磁體的同時，團隊還承擔了研制9.4T超高場人體全身磁共振成像磁體的任務。這種磁體需要在800毫米的孔徑內提供高均勻性和高穩定度的強磁場，研制難度極高。
“如果說研制32.35T超導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使磁場既強又均勻。”王秋良說。
“研制初期，我們面臨諸多質疑。”團隊成員、中國科學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13萬匝超導線繞制而成，每一匝超導線又由上百根僅幾十微米粗細的超導芯絲構成。程軍勝說：“任何細微的偏差都可能影響整個磁體的精度。”
團隊花費十余年時間攻克了大尺寸高均勻度超高場超導磁體的極限電磁設計和制造等關鍵技術。2022年5月，團隊成功研制出滿足人體全身成像的9.4T超高場超導磁體，使我國成為亞洲第一個掌握該項關鍵技術的國家。
“與常規臨床應用的1.5T和3.0T超導磁共振成像設備相比，9.4T成像設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，該設備不僅可用于開展人體代謝、腦認知科學、神經科學等前沿科學領域的研究，還可助力帕金森病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病以及惡性腫瘤的早期診斷。
在高場強磁裝備領域深耕多年，王秋良所在團隊近年又邁上了無液氦超導磁體賽道。在王秋良看來，傳統的液氦浸泡強超導磁體裝備已經難以滿足解決液氦供應“卡脖子”難題的迫切要求。因此，研發無液氦強磁裝備，成為推動強磁裝備行業進一步發展的關鍵。
“氦氣屬于稀缺資源。”團隊成員、中國科學院電工所副研究員王暉說，近年來液氦多次出現供應中斷和價格飆升的情況。
“超導磁體需要在極低溫環境中運行以保持磁體的超導態，傳統技術采用零下269攝氏度的液氦浸泡維持磁體正常運行。如果不用液氦，如何保障超導磁體穩定運行便成為了首要難題。”王暉解釋，在磁體充放電過程中，無液氦超導磁體的溫度會出現波動，而傳統液氦浸泡磁體的溫度很穩定。
2015年起，王秋良開始帶領團隊研究無液氦超導磁體成套關鍵技術，并將相關技術應用于0.7T、1.5T、3T、7T等無液氦磁共振成像系統領域，同時研發出多種適用于苛刻應用場景的無液氦特種強電磁裝備。
“隨著產量增加，無液氦超導磁體制造成本將逐漸降低。”王秋良說，無液氦超導磁體雖然制造過程較為復雜，但運行成本較低，具有廣闊的應用前景。
以項目培養人才
“超導強磁研究屬于跨學科領域。開展相關研究需集結具備多學科背景的科研人員，組建研發團隊，通過緊密協作推動工作取得進展。”王秋良說。
目前，無液氦高場強磁裝備團隊的研究人員總數超過百人。他們來自超導、電磁場、低溫、機械、材料、熱工和測控等學科領域，形成了一支跨越老中青三代、學科交叉融合的團隊。隨著科研任務增加，團隊不斷壯大，吸引眾多年輕人加入。
“我們培養年輕人，主要是通過以老帶新、以項目促成長的方式，讓他們在實戰中成長。”王秋良介紹，團隊成員根據個人專業方向和科研任務需求，分別負責各自擅長領域的工作，每個項目都有年輕人參與。
為確保每個項目都能順利推進，團隊采取了項目負責制，即每位核心成員負責一個主要項目，并至少協調5個項目相關人員參與其中。
“這種項目管理模式不僅促進了團隊成員之間的緊密合作，還實現了優勢互補，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。
談及未來發展，王秋良說，他將帶領團隊年輕人聚焦于以下幾個主要方向：一是追求更高的穩態強磁場、更大的磁場使用空間和更高的磁場質量，二是研發適應苛刻應用環境的特種強磁裝備，三是發展超導磁共振成像和譜儀技術。
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