要在在导体线圈中产生强磁场必须通入足够强度的电流,不可避免的会产生大量的热量,就必须足够的冷却机构,所以导致电磁铁强磁体的体积庞大、结构复杂、能耗大[4]。尽管由于水冷却技术的应用,强磁体技术得到了巨大的进展,但是磁体发热问题仍然很严重,使得磁感应强度的提高受到了遇到了瓶颈,随后Wood和Montgomery在上世纪60年代提出了混合磁体的想法,即在利用水冷却磁体的同时在磁体的外围添加一层超导磁体,1974年,实验室首次通过这种方法产生得到了磁感应强度为20T的磁场。随后,世界上其他地方也建立起了相似的强磁体实验室,如今为止世界上能够得到30T以上磁感应强度的实验室共有4个,其中尤以美国国家强磁场实验室产生的45T混合磁场为最[5]。在此期间,超导磁体也得到了发展,日本驻波大学的建设的超导磁体能够产生磁感应强度超过23T的强磁场;在商用方面,超导磁体也已经达到20T的磁感应强度[6]。
随着材料科技的发展进步,超导磁体在近几十年也获得了巨大的成绩。但是无论是水冷却技术的应用还是混合磁体技术的快速发展,但是由于其稳态磁体的局限性,就会有两个无法避免的大问题,那就是庞大的功耗和线圈发热问题,从而严重限制了强磁体的进步;同时,由于强磁场磁感应强度的巨大,超导线圈会在这种情况下失去其超导性,所以也严重限制了强磁体的磁感应强度的提高。在这个问题制约下,脉冲强磁体这一设想应运而生。其实,早在螺线管技术刚刚发展的几年后,俄国人P。Kapitza就在首先这一方面做出成绩,他成功在极小的孔径中产生了超出前文提到的几种磁场磁感应强度的强磁场,其磁感应强度高达50T。之后,受他实验的启发,多个以电容器组为电源驱动的脉冲强磁场实验室相继在世界各地成立。随后,脉冲强磁场屡次刷新强磁场的记录:首先,在1927年,瓦尔利用电容器对线圈施加激励最终得到45T的强磁场;在磁感应强度提高到一定强度时,应力问题成为限制脉冲强磁体发展的主要问题,材料技术的应用,为更高强度的强磁体的出现提供了可能,1986年福纳利用合金材料Cu-Nb合金,创造性的得到了70T的脉冲强磁场。1990年,美国的Los-Alamos强磁场实验室成功利用可控制电压的硅电源作为激励电压得到了40-60T的磁场。在21世纪之前,美、日、欧洲的一些国家的国家强磁场实验室已经可以产生70-80T的磁场。在不久之后美国、德国成功实现了超过90T的磁场[7]。
除了上述的几种强磁体外,还有一种破坏性的强磁体,它是一种百特斯拉级的、以破坏性为代价的强磁场,通过在极短的时间内对磁体内的磁通进行压缩而得到超强磁场。1960年左右,科学家发明了单匝线圈法以及爆炸磁通压缩法两种方法形成破坏性脉冲强磁体,之后又出现了电磁压缩法。如今通过两种方法均可以得到几百特斯拉级数的强磁场;以化学爆炸为能源的磁通压缩如今最高已经可以得到1600T的超强强磁场。由于此种方法需要特殊的装置,所以为在世界范围内广泛展开[8]。
1。2 脉冲强磁体方面的发展动态
自P。 Kapitza 成功得到脉冲强磁场之后,脉冲强磁场技术就吸引了科学界的众多的学者和研究机构的目光,使得更多的实验室和科学界开始了对此的研究,使脉冲强磁场得到飞速发展,同时对强磁场的使用范围也越来越大。1955年之后,科学家将脉冲强磁场技术用于各种物理效应的科学研究领域中[9],继美国在麻省理工学院建立了脉冲强磁场实验室之后,欧洲的荷兰UvA、比利时KUL、荷兰Leiden实验室、法国Toulouse大学,日本的仙台和大阪相继建立了自己的强磁场实验室。随着脉冲强磁场技术在更多的领域得到应用,80年代开始,众多的脉冲强磁场也陆续成立,包括英国的牛津大学 Clarendon实验室、澳大利亚的国家强磁场实验室、美国Los-Alamos国家强磁场实验室等等。已经有很多的实验室可以成功实现60T的脉冲强磁场,而一些实验室也已开始了70T级别的脉冲强磁场的设计。目前世界上领先地位的脉冲强磁场实验室主要在欧美、日本等国家,并且有些国家建立了多个实验室。在欧洲,不但大多数国家建立了独立的脉冲强磁场实验室,而且取得了国家之间的相互联系,以求得共同发展。联合组织的出现极大地提高了国家假设脉冲强磁场实验室的热情,首先出现的是欧洲的欧洲强磁场实验室(ELMF)项目,ELMF计划从上世纪90年代初开始,在欧洲科学基金会的主持下于8年之后正式成立;日本,东京大学和大阪大学共同从事100特斯拉的脉冲强磁场的研究;美国,以美国Los-Alamos国家实验室为基础实施Los-Alamos联合计划,其总目标是实现100T/ms级脉冲强磁场。2002年,欧洲科学基金会又发起了ARMS计划以实现80T 的脉冲磁体为目标[10-12],另外,全球许多其他国家也陆续拟定了 80-100T 的脉冲强磁场实施规划。