21世紀(jì)強(qiáng)磁場應(yīng)用的展望

1、21世紀(jì)強(qiáng)磁場應(yīng)用的展望 作者簡介嚴(yán)陸光，1935年生，浙江東陽人，畢業(yè)于莫斯科動力學(xué)院，中國科學(xué)院院士，烏克蘭科學(xué)院外藉院士，第三世界科學(xué)院院士，中國科學(xué)院電工研究所學(xué)術(shù)委員會主任，寧波大學(xué)校長。長期從事特種電工裝備研制和電工新技術(shù)研究發(fā)展工作，領(lǐng)導(dǎo)研制和建成了大能量電感儲能裝置，托卡馬克電磁系統(tǒng)，多臺實用超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。組織領(lǐng)導(dǎo)了磁流體發(fā)電與船舶推進(jìn)工作。積極推進(jìn)了我國高速磁懸浮列車，可再生能源發(fā)電與永久磁體等工作的開展。摘要20世紀(jì)下半葉超導(dǎo)與永磁強(qiáng)磁場技術(shù)已成熟到可提供滿足各種需求的強(qiáng)磁場裝置，開始形成了相應(yīng)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并在積極開拓著多方面應(yīng)用，本方介紹了有關(guān)進(jìn)展并期望21世紀(jì)將發(fā)展成一

2、個強(qiáng)有力的新興產(chǎn)業(yè)。關(guān)鍵詞強(qiáng)磁場技術(shù)與應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化六十年代發(fā)現(xiàn)了實用超導(dǎo)材料，八十年代出現(xiàn)了性質(zhì)優(yōu)良的釹鐵硼永磁材料，使人們可以不耗費(fèi)很大的電功率獲得大體積持續(xù)的強(qiáng)磁場，發(fā)展超導(dǎo)與永磁強(qiáng)磁場技術(shù)是20世紀(jì)下半葉電工新技術(shù)發(fā)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(fā)電等大型科技計劃推動下，整個技術(shù)得到了良好的發(fā)展。低溫鈮鈦合金及鈮三錫復(fù)合超導(dǎo)線與釹鐵硼永磁材料已形成產(chǎn)業(yè)，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。人們已研制成功了15特斯拉以下各種場強(qiáng)，各種磁場形態(tài)，大體積的可長期可靠運(yùn)行的強(qiáng)磁場裝置，積極推進(jìn)著強(qiáng)磁場在各方面的應(yīng)用。1998年3月投入運(yùn)行的日本名古屋核融合科學(xué)研究所的核聚變研究用的大型螺旋裝

3、置（lhd）是當(dāng)今超導(dǎo)磁體技術(shù)水平的典型代表。裝置本體外徑135m，高8.8m，總重約1600t，其中4.2k冷重約850t。它有兩個主半徑39m，平均小半徑0975m，繞環(huán)10圈的螺旋線圈，三對內(nèi)徑分別為3.2、54和108m的極向場螺管線圈，中心磁場前期為3特斯拉（4.2k），后期為4特斯拉（18k），磁場總儲能將達(dá)16億j。超導(dǎo)強(qiáng)磁場裝置需在液氦溫度下運(yùn)行，從使用出發(fā)，努力減少漏熱以降低液氦消耗和研制配備方便可靠的低溫制冷系統(tǒng)有著重要的意義。經(jīng)不斷努力改進(jìn)，一些零液氦消耗和無液氦的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)已在可靠的使用，它們只需配有小型的制冷裝置即可持續(xù)運(yùn)行，不需專人維護(hù)，使應(yīng)用范圍大大擴(kuò)大。我國在

4、超導(dǎo)與永磁磁體技術(shù)方面也進(jìn)行了長期持續(xù)的努力，奠立了良好基礎(chǔ)，研制成多臺實用磁體系統(tǒng)，有些已在使用，具備了按照需求設(shè)計建造所需強(qiáng)磁場裝置的能力。中國科學(xué)院電工研究所研制成功的磁流體發(fā)電用鞍形二極超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（中心磁場4特斯拉，室溫孔徑044m，磁場長1m，磁場儲能8.8兆焦耳）和空間反物質(zhì)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）代表著我國當(dāng)今的技術(shù)水平，無液氦磁體系統(tǒng)的研制工作也在積極進(jìn)行中。隨著超導(dǎo)與永磁強(qiáng)磁場技術(shù)的成熟，強(qiáng)磁場的多方面應(yīng)用也得到了蓬勃發(fā)展，與各種科學(xué)儀器配套的小型強(qiáng)磁場裝置已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)品，做為磁場應(yīng)用技術(shù)的核磁共振技術(shù)，磁分離

5、技術(shù)與磁懸浮技術(shù)繼續(xù)開拓著多方面的新型應(yīng)用，形成了一些新型產(chǎn)品與樣機(jī)，磁拉硅單晶生長爐也成為產(chǎn)品得到了實際應(yīng)用。醫(yī)療用磁成像裝置已真正成為一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，全世界已有幾千臺超導(dǎo)與永磁磁成像裝置在醫(yī)院使用，我國也有永磁裝置在小批量生產(chǎn)，研制成功了幾臺0610特斯拉的超導(dǎo)裝置。除繼續(xù)擴(kuò)大醫(yī)療應(yīng)用外，正在努力開拓應(yīng)用磁成像裝置于工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)測與食品選擇，最近，日本進(jìn)行了用于檢測西瓜糖含量與空穴及用于辨別salmon魚雌雄性的實驗，取得了有意義的結(jié)果。用于高嶺土提純的超導(dǎo)高梯度磁選機(jī)已有十余臺在生產(chǎn)運(yùn)行，磁拉硅單晶生長爐也已開始使用，但尚未形成規(guī)模，中國科學(xué)院電工研究所與低溫工程中心曾在九十年代初研制

6、成功超導(dǎo)磁分離工業(yè)樣機(jī)，試制成功了兩套單晶爐用超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，為產(chǎn)品的形成奠定了基礎(chǔ)?？偲饋碚f，超導(dǎo)與永磁磁體技術(shù)已經(jīng)成熟到可以提供不同場強(qiáng)，形態(tài)的大體積強(qiáng)磁場裝置，開始形成了相應(yīng)的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，但大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展還有賴于積極地進(jìn)一步開拓強(qiáng)磁場應(yīng)用，特別是可能形成大規(guī)模市場產(chǎn)品的開拓，根據(jù)不完全的了解，目前主要進(jìn)行的工作有：1 在材料科學(xué)方面（1）熱固性高分子液晶材料強(qiáng)磁場下的性能及應(yīng)用。國際上在015特斯拉磁場范圍內(nèi)對高分子液晶材料的取向行為、熱效應(yīng)、磁響應(yīng)特性、固化成型過程等方面進(jìn)行了研究，并作其力學(xué)性能和磁場的關(guān)系的定量分析，應(yīng)用前景十分看好。（2）功能高分子材料在強(qiáng)磁場作用下的研究。

7、國際上高電導(dǎo)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(yīng)用取得了很大進(jìn)展，某些材料纖維的電導(dǎo)率經(jīng)強(qiáng)磁場處理后，可達(dá)銅電導(dǎo)率的110，是極具潛力的二次電池材料。在防靜電服和隱形技術(shù)方面電磁波吸收材料已用于軍工領(lǐng)域。（3）強(qiáng)磁場下金屬凝固理論與技術(shù)研究。（4）ndfeb永磁材料的強(qiáng)磁場取向。在ndfeb永磁材料加壓成型過程中，采用45特斯拉強(qiáng)磁場取向，可大大提高性能，國外已開始實際應(yīng)用。2 在生物工程與醫(yī)療應(yīng)用方面（1）血液在強(qiáng)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(qiáng)磁場下的取向行為及其作用的主體血紅細(xì)胞的作用機(jī)制；血液在強(qiáng)磁場下流變性能的變化；血纖維蛋白質(zhì)在強(qiáng)

8、磁場下的活性變化及對生物代謝作用的影響；人血在強(qiáng)磁場中所受磁力、磁懸浮特性和光吸收特性。（2）蛋白質(zhì)高分子在強(qiáng)磁場下的特性及其應(yīng)用。國際上研究了磷脂中縮氨酸在強(qiáng)磁場下的取向作用；肌肉細(xì)胞蛋白質(zhì)在磁場中的磷代謝過程；神經(jīng)肽胺酸在強(qiáng)磁場下的結(jié)構(gòu)改變及蛋白質(zhì)酰胺與氫的交換等。（3）醫(yī)療應(yīng)用。除繼續(xù)發(fā)展人體成像系統(tǒng)外，近年來國際上還研究了在48特斯拉強(qiáng)磁場下血纖維蛋白質(zhì)的活性以及對血管中血栓溶解的影響；強(qiáng)磁場及磁場梯度對血纖維蛋白的溶解過程的影響；強(qiáng)磁場對動物血細(xì)胞的活性及其對心肌保護(hù)特性的影響；外加磁場對血小板流動性能的影響及其在醫(yī)療上的應(yīng)用等。3 在工業(yè)應(yīng)用方面除繼續(xù)積極進(jìn)行強(qiáng)場磁分離技術(shù)、磁懸浮技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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脫蠟作用；研究了磁場對水的軟化作用及改善水質(zhì)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(qiáng)磁場中的取向提高金屬材料的強(qiáng)度和韌性；通過表面吸出排除雜質(zhì)、提高金屬質(zhì)量等。4 在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面國際上研究了外磁場對農(nóng)作物種子的萌發(fā)與生長的影響及其作用機(jī)制；研究了磁場與農(nóng)作物種子的萌發(fā)與生長的定量關(guān)系；研究了磁場與促進(jìn)萌發(fā)與生長有密切關(guān)系的酶的活性與代謝作用；研究了生物酶在磁場