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北京市科学技术奖技术发明奖申报项目公示 项 目 名 称 高温超导磁体多物理场设计方法、关键技术及其应用 提 名 者 清华大学 申 报 奖 种 北京市科学技术奖技术发明奖 完 成 单 位 清华大学、中国电力科学研究院有限公司、中国科学 院合肥物质科学研究院、中国科学院近代物理研究所、 上海超导科技股份有限公司、清华大学深圳国际研究 生院 完 成 人 瞿体明、郑金星、吴巍、诸嘉慧、刘华军、关明智、 朱佳敏、洪智勇、冯峰、宋彭 项目简介（限 500 字） 高温超导磁体技术在先进能源装备、大科学装置和高 端医疗设备等领域有着广阔的应用前景，对发展磁约束核 聚变技术、极高场核磁共振磁体、质子/重离子癌症治疗装 置等技术意义重大，符合国家“十四五”规划和 2035 年 远景目标纲要的战略需求。然而，高温超导磁体的非线性 多场设计理论、运行监测方法、低成本高性能的材料制备 工艺等瓶颈问题一度制约其发展和应用。为此，清华大学 联合多家优势企事业单位针对上述问题开展攻关，取得了 一系列创新发明成果，主要包括： （1）提出了考虑非线性电磁效应的高温超导缆线和磁 体多场结构设计新理论和新方法，包括发明了高性能集束 化高温超导复合缆线导体技术，提出并建立了屏蔽电流效 应对高温超导磁体应力分布影响的理论模型，建立了高温 超导磁体多场结构设计新方法，保障磁体在运行中的结构 安全性。 （2）发明了基于多场行为的高温超导磁体稳定运行检 测新技术，包括高温超导长带性能连续测量、高温超导磁 体交流损耗分析测试、以及基于埋入与分布式光纤的低温电磁多场环境下磁体运行性能测试等技术，实现了高温超 导磁体的多维度、全过程健康监测。 （3）发明了高温超导磁体技术所必需的材料制备新方 法和新工艺，包括采用低氟化学溶液沉积快速制备低成本 高温超导薄膜的新方法，本征缺陷与 BaHfO3 掺杂相结合 的强人工钉扎中心引入新方法，以及基于非接触式强制瞬 冷技术连续制备工业级超低阻内封接头和使用 REBCO 脱 层带材制备超导接头的新工艺。 本项目成果在加速器磁体、核磁共振磁体、超导电机 和限流器磁体等领域实现了示范应用，为国家重大科技基 础设施建设和国内外百余台超导磁体的设计制造提供了技 术支撑，近三年直接经济效益超 1.15 亿元。基于核心发 明点，项目团队共发表学术论文 49 篇，获得国家发明专利 授权 29 项。中国电工技术学会对本项目成果开展了科技 成果鉴定，认为项目整体处于国际领先水平。 本项目成果不仅能服务于国家战略发展，也同时促进 了北京市的经济社会发展。基于本项目设计和测试技术所 开发的磁偏置型超导限流器和超导储能磁等超导电力装置 有望提升电网质量，增强北京电网抗短路故障的能力，提 高首都供电可靠性和安全性；依托项目成果可发展超导质 子/重离子治癌装置等高端医疗装备，未来有望带动近千亿 元的全产业链经济效益。本项目的顺利实施对北京市科研 创新能力的增强、高技术人才储备的充实和国际科技竞争 力的提升起到了积极促进作用。 完成人对项目主要贡献 姓名 排名 职称 单位 1 副教授 清华大学 2 研究员 瞿体明 郑金星 主要贡献 在发明点 1 中，提出了考 虑非线性电磁效应的高温 超导磁体多场结构设计的 新方法，验证了屏蔽电流效 应对高场磁体应力分布的 影响；在发明点 2 中，发 展了交流损耗测量、长带连 续性能测量等关键测试技 术；在发明点 3 中，参与 开发了低氟化学溶液沉积 法制备高温超导薄膜的新 技术和二代带材的超导连 接技术。 中 国 科 学 在发明点 1 中，发明了基 院 合 肥 物 于 REBCO 超导带材的新型 质 科 学 研 集束化高温超导复合缆线 究院 导体，并在高温超导储能磁 体和其他大型超导磁体中 获得了应用；在发明点 2 中，开展了交流损耗和应变 测试技术在高温超导磁体 中的应用研究。 3 吴巍 4 诸嘉慧 5 刘华军 6 关明智 7 朱佳敏 研究员 中 国 科 学 在发明点 1 中，参与构建 院 近 代 物 了采用高杨氏模量材料缠 理研究所 绕加强以改善高场磁体应 力状态的方法，参与提出了 屏蔽电流效应对磁体应力 影响的理论模型；在发明点 2 中，发明了基于埋入与分 布式光纤的热应变及多场 测量技术，并将其应用于超 导磁体的实 际运行测试。 教 授 级高 中 国 电 力 在发明点 2 中，发明了复 工 科 学 研 究 合导体高温超导磁体线圈， 院 有 限 公 开发了高温超导单元的交 司 流损耗测量装置，最终实现 了磁偏置超导限流器 10 kV 并网测试和应用。并将上述 技术应用到相关高温超导 装置的运行测试中。 研究员 中 国 科 学 在发明点 1 中，发明了一 院 合 肥 物 种基于 REBCO 涂层导体的 质 科 学 研 高温超导导体，大幅度改善 究院 高温超导缆线导体的导热 性和力学性能，使其可以应 用于高场、大载流工况下的 高温超导磁体。并参与了极 高场内插磁体的研制。 研究员 中 国 科 学 在发明点 1 中，1）参与构 院 近 代 物 建了屏蔽场的高精度计算 理研究所 方法。与其他候选人合作提 出了考虑屏蔽效应对磁体 应力影响的理论模型，并提 出运用极低温应变测量技 术实验表征了屏蔽电流效 应对高温超导磁体局部应 变的重要影响。2）发展了基 于埋入与分布式光纤的低 温-电磁多场环境下运行性 能测试技术等，实现了高温 超导磁体多维度健康检测。 高 级工 程 上 海 超 导 在发明点 1 中，参与发明 师 科 技 股 份 了高效冷却的高温超导转 有限公司 子磁体结构；在发明点 3 中，发明了高速脉冲激光沉 8 研究员 上海超导 科技股份 有限公司 9 副教授 清华大学 深圳国际 研究生院 10 助 理研 究 清华大学 员 洪智勇 冯峰 宋彭 积制备带有混合人工钉扎 的 EuBCO 超导薄膜技术， 大幅度提升了超导带材低 温高场下的性能；将点焊、 钎焊和内封技术相结合，发 明了世界上目前唯一的 REBCO 高温超导带材超低 阻内封式接头。 在发明点 1 中，参与发明 了高效冷却的高温超导转 子磁体结构；在发明点 3 中，将点焊、钎焊和内封技 术相结合，参与发明了世界 上目前唯一的 REBCO 高温 超导带材超低阻内封式接 头。 在发明点 1 中，参与构建 了考虑非线性电磁效应的 高温超导磁体多场结构设 计方法；在发明点 3 中， 发明了低氟化学溶液沉积 快速制备二代高温超导薄 膜材料的新技术，并提出了 利用 REBCO 脱层带材制备 超导接头的技术方案。 在发明点 1 中，参与构建 了考虑非线性电磁特性的 高温超导磁体的多场结构 设计方法，并将其应用到高 温超导电机磁体中；在发明 点 2 中，参与发明了高温 超导复合导体线圈，并参与 磁偏置高温超导限流器装 置的开发。 代表性论文专著 序号 论文专著名称 刊名 年卷页码（xx 年 xx 卷 xx 页） 发表时间 全部作者 Screening current effect on the stress and strain distribu tion in 1 REBCO high-fie ld magnets: Supercon ductor Science and 2020, 33, 05LT02 2020-03 -18 Technolo 燕宇帆，辛灿 杰，关明智，刘 华军，谭运飞， 瞿体明 gy experime ntal verifica tion and numerical analysis 2 基于磁路 的高温超 导带材临 界电流连 续检测方 法 稀有金属 2015, 材料与工 44(2), 程 429-432 2014-03 -05 邹圣楠，顾晨， 瞿体明，韩征和 3 The sensitiv ity distribu ted temperat ure sensor system based on Raman scatteri ng under cooling down, loading and magnetic field 4 Experime ntal Measurem ents of the Sensitiv ity of Fiber-op tic Bragg Grating Sensors with a Soft Polymeri c Coating under Mechanic al Loading, Thermal and Magnetic under Cryogeni c of Cryogeni cs 2019 100 36-40 Chinese 2015， Physics 32(1)， Letters 017401 2019-04 -03 辛灿杰，关明智 关明智，王省 哲， 2021-03 -30 辛灿杰，周又 和， 马力祯 Conditio ns 5 Fabricat ion and Characte ristic Tests of a Novel Low-Resi stance Joint Structur e for YBCO Coated-C onductor s IEEE 缪玘奂，朱佳 敏， Transact ion on 2015, Applied 25(3), Supercon 660705 成敏，张中伟， 2014-10 -29 李柱永，王亚 伟， 盛杰，金之俭， ductivit 洪智勇 y 核心知识产权列表 序 号 知识产 权类别 知识产权具体名 称 国家 （地 区） 授权号 授权 日期 权利 人 发明人 专 利 有 效 状 态 瞿体明， 高温超导线圈和 1 发明专 利权 吴其红， ZL201610 高温超导线圈的 中国 878171.3 2018- 清华 06-22 大学 制作方法 吴明硕， 授 权 顾晨，冯 峰 适用于超导电机 2 发明专 利权 上海 ZL201510 转子线圈冷却的 中国 198733.5 旋转热筒结构及 2017超导 11-14 科技 孙仁君， 瞿体明， 宋彭，吴 授 权 使用方法 股份 其红，朱 有限 佳敏，洪 公 智勇 司， 清华 大学 中国 用于高均匀度磁 3 发明专 利权 体匀场线圈设计 ZL201210 中国 的自动化实现方 396948.4 法 科学 杜俊杰， 2015- 院近 04-08 代物 吴巍，袁 理研 平，马力 授 权 祯 究所 中国 科学 郑金星， 院合 程远，陆 一种适用于提高 4 发明专 利权 高温超导复合化 ZL201911 中国 导体力学性能的 113517.0 2020肥物 12-08 质科 坤，刘旭 授 权 峰，张正 热成型方法 学研 硕，黄卫 究院 中国 施毅，张 科学 新涛，刘 院合 华军，刘 一种基于 REBCO 5 发明专 利权 超导带材的准圆 ZL201810 中国 截面高温超导磁 465627.2 2020肥物 04-24 质科 方，马红 授 权 军，雷 体 低温背场磁体及 6 发明专 利权 ZL201910 高温超导单元交 中国 114900.1 流损耗测量装置 学研 雷，于 究院 敏，陈超 中国 诸嘉慧， 2021电力 07-27 科学 王海洋， 张宏杰， 授 权 研究 陈盼盼， 院有 张会明， 限公 赵勇青， 司 丘明，杨 艳芳 中国 电力 诸嘉慧， 科学 7 发明专 利权 一种复合超导体 ZL201810 中国 线圈 126350.0 2022研究 10-25 院有 宋彭，瞿 体明，陈 授 权 盼盼 限公 司 清华 吴蔚，冯 大 峰，黄荣 学， 厦，史 一种控制前驱物 8 发明专 利权 清华 ZL201310 氟钡比制备高温 中国 354477.5 超导膜的方法 2014大学 12-24 深圳 锴，瞿体 明，张燕 授 权 怡，肖绍 国际 铸，韩征 研究 和 生院 上海 适用于大规模生 9 发明专 利权 产的钉扎中心引 ZL202010 中国 入结构、方法及 507795.0 超导带材 超导 姜广宇， 2021- 科技 08-20 股份 赵跃，朱 有限 佳敏，高 授 权 中赫 公司 10 发明专 利权 一种用于稀土钡 ZL201510 中国 铜氧高温超导导 896584.X 2019- 清华 03-01 大学 冯峰，瞿 体明，朱 授 权 线的超导接头制 深圳 宇平，卢 作方法 国际 弘愿，张 研究 向松，符 生院 其树，韩 征和