“强磁战队”：打破国外垄断不是唯一目的
秋后的雨水和降温常常猝不及防。
想起两年前的这个时节，国科大2016级直博生刘洋打包行囊，从位于北京海淀区中关村的中科院电工研究所来到北京昌平区郊外的实验场地。
从2019年9月开始，刘洋开启了轮值夜班的科研日子，也开始了与9.4T（特斯拉）超高场人体全身磁共振成像超导磁体项目的结缘之旅。
2022年10月8日，刘洋所在的超导磁体及强磁场应用研究团队作为12支获奖团队之一，被授予中国科学院第三届“科苑名匠”团队荣誉称号。作为“强磁战队”的一份子，刘洋参与并协助安排所有学生的实验场地值班工作。
“‘用于人体全身成像的9.4T超高场磁共振成像超导磁体，需要在800毫米的大孔径内提供高均匀性和高稳定度的强磁场。’对于这一研制难度，我从最初的认知几乎为零，到深入体验和理解，到现在已经把这一目标作为科研航向和未来追求。”刘洋说。
励磁是场“持久战”
“目前励磁电源已经打开，磁场不断增强，需要做好磁体发生失超的准备。”刘洋在9.4T全身磁共振磁体励磁实验场观测控制室里，紧张地盯着电脑屏幕前的数据变化情况。励磁电源屏幕上的数字从零开始逐渐增加，桌上的高斯计也在跟着跳变，旁边的制冷机呼呼作响：……8.9T，9.1T……磁体场强逐渐升高，失超风险也随之增大。这样带着几分“战战兢兢，如履薄冰”的紧张场景，刘洋在轮值夜班中已习以为常。
与“喜怒无常”的电磁打交道，却是刘洋主动选择的。本科时，刘洋修读的是电气工程及其自动化专业，在学习电路以及电磁场基础的课程中，发现了一个多领域交叉的有趣“十字路口”——磁共振，这是一个需要电磁学、力学等知识的交叉学科。
跟随导师王秋良院士刚刚读研一年，实验装置便进入到24小时运行并记录数据的攻坚时期，刘洋很快加入到励磁值班工作中。
“励磁”通常被称为“给超导磁体充电”，其中最关键的一个工作环节是励磁电源的控制与监测。“这是一个细致活儿，也是场‘持久战’。”在零下270摄氏度左右的液氦温度下，磁体才呈现超导态，通过温度传感器，刘洋和团队值班人员在检测到磁体温度降至超导温度后，打开励磁电源。而“充电”的过程是漫长的。
“越是大型的磁体，其励磁时间就越长。为了尽量加快磁体励磁速度，团队经常昼夜连续、多次励磁，让磁体达到最终的工作状态。”
“初次体验如此大磁场下的涡流作用力，真实感受是深刻和难忘的。以前只是在理论推算时看到力的数值很大，但具体有‘多大’，其实没有概念。”磁体匀场工作（均匀化处理）是励磁过程的收尾环节，一次值班结束后刘洋留下来帮忙，和同伴们手扶着铝环，慢慢移动，第一次真切体会到真实的“洛伦兹力”，理解到“实践是检验真理的唯一标准”这句话的深意。
“励磁实验涉及很多细节问题，例如在添加液氦时，磁体上拉伸出的电流引线会暴露在空气中，很容易导致磁体失超；例如产生的洛伦兹力效应，导致局部发热，致整个磁体偏离工作温度……这要求我们必须时刻监测磁体以及制冷机的工作情况。”刘洋说。
为攻克超高场磁共振成像超导磁体研制技术难关，团队用两年的时间，突破了大尺寸超高场超导磁体极限电磁设计和制造等成套核心技术。经权威机构检测，该磁体的中心磁场强度达到9.4559T，室温孔径800.3毫米，磁场稳定度0.022ppm/小时，400毫米球形成像区域内磁场均匀性峰值3.05ppm，且实现了液氦零挥发的长期稳定运行。
哪里需要哪里搬
超强磁体装置有两层楼那么高，需四个制冷机同时工作。在夏天比较热的时候，制冷机采用循环冷水机冷却，夏天的高温常常使得冷水机罢工，只能再用风扇给冷水机降温。出于安全考虑，形成强磁场的励磁试验场地，需要尽量远离城镇、村庄等人员密集区域，与高压线要达到一公里或更远的距离。
从研究所到郊区的实验厂房，需要一个半小时的车程。团队师生“八仙过海”，利用各种方式，保证值班工作每天顺利交接和进行。
“记得一个前年夏天的暴雨夜，半夜两点多去厂房内检查设备，记录数据，那晚的雨，大到伞已经‘失灵’，雷声和闪电交织中弓着腰跑回到宿舍时，身体已半湿。”刘洋至今都记得那次印象深刻的值班经历。“迷迷糊糊到四点多，值班同伴反映一个数据有些异常，我俩一起到试验区反复查看，守到凌晨六点。那晚心情复杂又忐忑，像走在颠簸的山路上一样，一直担心暴雨可能会对实验装置产生不利影响。”
之后科研路上每一次或大或小的意外，刘洋总能想起那晚毫无征兆的大暴雨，总有前途未卜的电闪雷鸣，也会有化险为夷的雨过天晴。
值班中除了工作挑战，也有一些生活上的挑战。用铁皮板组装起来的厂房，冬冷夏热便是“标配”。由于场地偏僻，吃饭也成了问题，没有饭店，外卖更是稀少，“有一次等到深夜外卖才送过来，当时觉得菜特别香，难忘那个味道。”刘洋笑着说。
条件艰苦，热爱依然。刘洋时不时还会想起刚入学时导师问自己的第一个问题。“‘你喜欢磁共振吗？’我当时的回答可能只是出于最初的冲劲儿，但后来在一次次的组会探讨和实践工作中，这个问题一直萦绕于我的脑海，这份喜欢慢慢沉淀，内心的回答愈发坚定。”刘洋说。
探索永不止步
与常规临床应用的1.5T和3.0T超导磁共振成像设备相比，9.4T超高场磁共振成像具有显著优势。例如，能获得更高信噪比、更高分辨率的检测图像；成像速度更快；可对人体内的钠、磷、碳、氧等成分进行成像。
目前，国际上仅有英国特斯拉工程有限公司掌握这项技术，并已在全球装机5台。美欧的科研机构利用该磁体装配的磁共振成像设备，在生物医学研究领域取得了多项突破性进展。
“磁共振成像科学的大步发展，不仅大大拓宽了人体代谢、脑认知科学、神经科学等前沿科学领域的研究，也使得一些诸如癌症、老年痴呆症、糖尿病和心脏病等疾病的早期诊断成为可能，有助于后期治疗，进而产生良好的预后效果，极大地提升了人民生命健康水平。”团队表示，这项成果在我国超高场人体磁共振成像磁体技术领域具有里程碑意义，将使我国成为首个掌握这项核心技术的亚洲国家。
未来，团队以超导磁体技术为代表的尖端强电磁装备将在医疗、航天、材料、运输等领域占有极其重要的战略地位，广泛应用于物质科学探索、生命健康诊疗、未来能源交通、高端特种装备等众多领域。
