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编者按：精密的磁探测技术是研究外太空中存在的各种带电粒子，尤其是空间反物质和相关的高能粒子的物理特性的重要工具。随着科学技术的发展，空间探测技术和空间特殊实验环境中应用的高磁场超导磁体研究是未来超导磁体科学和技术的重要发展趋势。空间探测器和其它精密仪器中使用的磁体研究为超导磁体科学技术带来新的发展机遇，也对磁体科学技术提出了新的挑战。王秋良研究员是应用超导重点实验室副主任，中国科学院“百人计划”获得者，2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。多年来一直从事电工电能新技术研究，包括极高磁场应用超导磁体科学和技术、特种超导电工装备、低温工程、空间磁体科学、加速器磁体技术等方面的研究，其专着《高磁场超导磁体科学》被科学出版社出版列为当代杰出青年文库序列丛书之一。本文简要介绍了几种高磁场超导磁体在空间磁探测器、空间推进等方面应用，并介绍了磁体技术的发展。
正文：
随着世界科学和技术的发展，以美国为代表的发达国家不断发展航空航天技术以推动空间科学研究和技术的发展。六十年代以来外空间的研究和控制已经成为许多国家争夺的焦点。研究空间探测不仅有利于发展空间科学，也具有重要的科学和国防意义。我国在航空和航天领域取得了突飞猛进的进展，神州五号载人飞船的成功发射和回收已将我国的航空和航天事业推向新的高度，航空和航天事业方新未艾，并将带动我国空间科学研究和应用的发展，为我国科学技术的进步起到了积极的推动作用。
空间高磁场磁体是指基于超导材料或永磁材料研制的、能够产生极高磁场并应用于空间环境的磁体装置，为了满足空间科学研究和实验的特殊需要，它的具有研究和实验造价高并具有极其苛刻的使用条件，包括对于电磁兼容性、磁体的重量和体积、磁体的二极磁矩等等都有极其严格的限制，所有这些极大限制了磁体科学的研究。我国空间磁体技术的发展和世界发达国家之间有一定的差距，美国等发达国家正在开展极高磁场的永磁和超导磁技术用于探测空间的全新科学领域，具有重大的科学意义。
以下简要介绍一下目前正在开展的空间磁体科学在磁探测技术，包括多国政府参加的AMS、日本研究的临近轨道运行的BESS发物质和高能粒子探测器，以及美国NASA研究的 ASTROMAG空间基本粒子探测器和其它方面的研究和发展。
一、空间反物质探测用的磁体技术的发展
在未来宇宙的探测和研究中，磁谱仪和各种各样的磁体是重要的和必不可少的设备。航空航天技术的发展需要对将来新型的空间探测用可长期运行的高场磁体系统进行研究。阿尔法磁谱仪（AMS）是空间站上唯一的一个物理实验，是丁肇中教授领导的大型国际合作科学实验项目，有美国、中国、俄罗斯等10多个国家和地区多个科研机构参加。AMS的科学使命是寻找宇宙中的反物质和暗物质，并对宇宙中各种同位素的相对丰度和高能γ光子进行精确的测量。磁谱仪测量带电粒子在磁场中的偏转得到带电粒子的电荷和能谱，是粒子物理、核物理研究的关键设备。AMS是人类历史上第一台送入太空的磁谱仪，它能对宇宙带电粒子进行直接观测，以开创一个全新的科学领域，带来粒子物理学的新突破。AMS最关键的部件——永磁体和超导磁体系统分别是由中国、英国、美国和瑞士的科学家联合研制，其中AMS01中的磁体系统完全由中科院电工研究所研制。目前，阿尔法磁谱仪经历了两个型号的发展过程，即永磁磁体AMS01和铝稳定化的低温超导磁体AMS02。
AMS01永磁体采用新型高磁能积钕铁硼（NdFeB）材料，内径1.1m, 外径1.4m, 长0.8m, 磁钢净重约1.9吨，按圆周分成64条扇形磁条，磁化方向各异的磁体条组成如图1（a）。这64种磁化方向的磁块，每种磁化方向角度依次相差11.250，磁体设计采用魔环结构，其磁化方向是均匀变化的，使磁场集中于磁体内部，具有重量轻、磁场强、漏磁小、二极磁矩小的特点。这些性能对于空间实验至关重要。图1示出了AMS01磁体结构。
(a)
(b)
图1 AMS01大型永磁体系统的结构
AMS01在1998年由航天飞机带入太空运行了10天。进行了空间反物质的实验研究。获得了重要的实验结果，包括：发现了反常质子谱，实验所获得全新数据证明了反常质子的质量是前所未有的；发现在靠近赤道的地区，正电子的数量为电子的4倍；发现了在赤道附近的太空中氦四和氦三是完全分开的；证明了AMS01在外太空的实验具有重大发现。所有实验结果不是现有理论所能预测的。但由于AMS01磁体是基于永磁体技术发展的探测器，其中心磁场较低（磁场为0.15T），因此发现反物质事例不能足以证明反物质的存在。
继AMS01之后，又进行了AMS02超导磁体系统的研制，重点是寻找反宇宙、暗物质，并计划在2008年在美国NASA发射升空进行空间反物质探测实验。AMS02空间用磁体系统，沿用了无铁磁性材料、较小的漏磁和极低二极矩磁矩的设计原则，这些设计原则已在AMS01永久磁体中得到实现并证实了其优越性。超导磁体采用这种结构在国际上属于首次，有着重大的意义。从超导磁体系统的发展看，AMS02磁体系统也是当前国际上正在发展的先进系统。
中国科学院电工研究所从上个20世纪90年代开始空间超导磁体科学的研究，承担了阿尔法磁谱仪(AMS)磁体系统的部分研究工作。在外太空，它被安装在国际空间站上，通过航天飞机运送和接回。阿尔法磁谱仪集成了提供二极磁场的磁体系统和一系列精密探测器组合，用来探测从外空进入二极磁场中的高能粒子的电荷、动量、能量和质量等参数。与AMS01不同的是，AMS02采用了超导磁体，提供的磁场更强，达到0.87T，这可以使探测器达到更高的灵敏度。目前它处于研发中，有来自世界各地的大约31个研究机构的200多名科学家和工程师参加了该工程的建设。AMS02在国际空间站上预计运行三年。磁体的空间布置是在提供满足要求的磁场的前提下，尽量减小磁体的漏磁场和剩余磁矩。
AMS02超导磁体共采用了14块超导磁体，其中两块较大的跑道磁体构成AMS02超导磁体的二极磁场，二极线圈构成AMS02超导磁体的主体，它将在中心区域为磁谱仪提供横向磁场，用于偏转进入该区域中的高能粒子；两组跑道线圈的作用分别用于抵消二极线圈的漏磁场和剩余磁矩。其余12块小跑道磁体分成两组，每组六块，分布于二极磁体的两端，呈圆形排列，用于抵消二极磁体的发散场和剩余磁矩，如图2 所示。AMS02超导磁体系统的外观尺寸是直径2.7m, 高1.55m，中心孔径1.1m，中心磁场0.87T，弯转磁距0.78T·m2。采用闭环运行，运行电流459A，储能5.15MJ。AMS02超导磁体采用超流氦间接冷却，为运行三年准备了2500升超流氦。由于该超导磁体系统需要搭乘往返于航天中心和国际空间站之间的航天飞机，因而，对磁体的轻量化和安全可靠性提出了极高的要求。
图2 运行在超流氦温度下的AMS02超导磁体系统包括跑道形的超导线圈。
未来的空间探测器磁体系统的发展趋势应该是采用无液氦的、制冷机传导冷却的高磁场超导磁体系统。随着超导磁体技术和低温制冷技术的发展，将极大地促进空间和运动超导磁体系统的研制和实用化。由目前我国载人飞船总体研究计划部署的需要看，需要为将来空间高精度科学仪器使用的可长期运行的高场磁体系统进行预先研究，并进行适当的技术储备。
二、宇宙射线探测器磁谱仪的研究
日本为探测空间宇宙射线而建造的BESS-Polar 用于南极洲上的飞行气球实验。日本高能加速器研究中心（KEK）为了发展在临近空间中高能带电粒子的探测，发展了使用气球运载的大型超导磁体系统。图3示出了研制的超导磁体结构。图4（a）是安装各种探测元件在超导磁体系统的内部，图4（b）是探测元件和超导磁体组合形成磁探测器。超导磁体采用超流氦传导冷却技术。磁体的低温系统使用一个低温容器储存液氦，在使用大型的高纯铝作为导冷结构，使磁体具有均匀的导热。当磁体失超时不会产生液氦的大量挥发。探测器的核心部件超导线圈使用高纯铝作为稳定基体，这种超导线在降低线圈的重量的同时，电流密度并未因为铝基的增加而降低。正因为如此，才使得这种导体在空间探测磁体中得到了广泛应用。超纯铝在低温下的热导率要比常温下高很多倍，甚至比铜也要高几倍，而且铝的密度仅是铜的三分之一，正因如此，使得铝稳定化的超导体在空间探测磁体上的应用具有优越性。图5示出了超导磁体探测器系统和气球连接在临近空间中运行。超导磁体使用的是如图6所示的超导探测器系统的运行路线。
图3 空间探测器磁体系统
图4超导磁体和探测元件组合形成磁探测器
图5探测器和气球飞行器相连接。
图6 BESS的气球飞行路线
ASTROMAG空间探测研究计划是安装在美国国际空间站上的粒子探测试验装置。该装置使用大型的超导磁体系统，超导线圈具有两个直径在1.3和1.7m的超导线圈组成，它们具有为零的二极磁矩。整体探测器在地球的低轨道上运行。该磁体系统采用传导冷却技术，其低温冷却系统是使用超流氦冷却，为了获得较好的环流，采用低温泵和加压方式冷却磁体系统，使用sterling制冷机冷却 90 K冷屏。超导磁体的结构示于图7中，整体系统的总重量为2t。
图7 ASTROMAG空间探测器磁体系统。
三、超导磁体系统空间的其他应用和空间磁体技术的发展趋势
美国正在研究超导磁体系统作为空间磁流体推进方面的应用，目前已经研制成功原理样机的研究，空间推进的超导磁体使用磁场和等离子之间的相互作用产生推力，其中高温等离子通道的研制和低温系统的维持有一定的技术难度。NASA也计划发展空间高能粒子防护磁屏蔽磁体系统作为空间应用等等。
从目前的国外发展趋势来看，各国正在开拓空间磁体科学的特种应用研究。发展轻量化、高磁场、具有较好电磁兼容性的空间磁体技术是发展为了高能探测和各种特殊应用是空间磁体技术发展的重要趋势。
我国空间磁探测技术的研究处于起步阶段，我国高能物理的研究正在启动空间基本粒子探测技术的研究，这必将带动我国磁体科学以及低温技术的发展。积极参与国际交流和重大国际合作，对培养和锻炼一批高素质的科研人才，进一步提高我国空间磁体科学在国际上的知名度具有重要的意义。
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