劍橋大學：利用超導塊材創建攜帶型高場強磁體系統

超導體是這樣一類材料，在溫度低至一定值時材料電阻變得很小甚至為零，通過大額電流不產生損耗，而且內部電流可產生磁場。塊狀的超導材料被磁化後形狀會變得類似於冰球，這種材料可作為超強永磁體，可產生若干特斯拉大小的磁場。

早在2014年，劍橋大學工程系的塊材超導性小組就打破了一項世界紀錄，在26K低溫下將17.6特斯拉大小的磁場俘獲在一堆兩個散裝高溫超導體中，超過了之前在29K低溫下俘獲17.24特斯拉磁場的紀錄，之前這一紀錄已保持了十多年。2016年，該小組的這一成就被吉尼斯世界紀錄所認可。

對於常規永磁體（PM），如釹磁體（Nd-Fe-B）的應用，這一成果比1.5 ~ 2特斯拉大小的磁場限值要高出一個數量級，使得這些材料對於許多依賴於高磁場的工程應用非常有吸引力，其中包括具有極大功率密度，應用於攜帶型磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)系統的節能電機或發電機。

此外，與電磁鐵（銅繞或超導）相比，超導塊材不需直接連接到電源，並且相對於其他方法提供相同磁場的磁鐵尺寸要小得多。下圖為對由常規永磁體、超導塊材和電磁體產生的磁場以及各磁場的產生機制進行了比較。

常規永磁體、超導塊材和電磁體的磁場產生機制的對比圖了，來源：劍橋大學

目前，科學家也可能利用高磁場去探索材料磁性，進而控制化學和物理過程。比如說，這對磁性分離和磁性藥物傳送系統(MDDS)的研究，就具有十分重要的意義。像這種應用依賴於與磁場B和磁場梯度成正比的磁場力dB/dr，磁場力在磁化後的超導塊材中自然會很大。

抗磁性材料構成了地球上的許多材料，但在高磁場強度下，與抗磁性材料有關的化學物理過程會受很大影響。這使研究人員對這些材料的摩西效應（水的自由表面被若干特斯拉大小的磁場影響，導致其發生變形），反磁性材料的磁性懸浮現象以及有機聚合物、凝膠以及碳納米管的磁性取向進行研究和觀察，這利於改善有機半導體和其他材料的晶體生長。

目前，該領域的研究人員面臨的一個重大挑戰是如何探索出一種簡單、可靠和攜帶型的充電技術來磁化超導體。這對於生產具有競爭力和緊湊設計的實用商業應用，是至關重要的。超導塊材的磁化過程，本質上涉及到一個較大磁場的施加和移除過程，它們能在自由流動的材料中誘發循環超電流並「俘獲」磁通量，也因此它們被稱為「被捕獲的磁場」。

這可以通過多種方式實現：

?1. 場冷卻磁化法(FCM)：在其超導轉變溫度Tc以上時將較大磁場施加到超導塊材上，將其冷卻到特定的低溫工作溫度Top，然後移除磁場；

?2. 零場冷卻磁化(ZFCM)：超導塊材首先冷卻至低溫工作溫度Top，無需添加任何背景磁場，既可施加和移除這樣的磁場；

?3. 脈衝場磁化（PFM）：與零場冷卻磁化類似，但磁場是通過毫秒量級的脈衝電流施加。

脈衝場磁化（PFM）技術被認為是目前在工程應用中磁化超導塊材最為實用的方法，因為場冷卻磁化法（FCM）和零場冷卻磁化（ZFCM）技術需要較長的磁化時間(通常是按小時計算)，設備體積較大而且昂貴(通常是一個大型的超導線圈)。

相比之下，PFM具有更為緊湊和更簡易的磁化夾具（通常所涉及的電容器組通過銅線圈釋放其存儲的能量）。然而，使用PFM的捕獲場遠小於FCM和ZFCM，特別是在較低工作溫度下。這是因為在脈衝期間，常伴隨著材料內磁通的快速動態移動的大的溫升ΔT 。

使用多脈衝逐步冷卻（MMPSC）技術改進後再用PFM技術，在29 K時世界紀錄僅為5.2特斯拉，遠低於前面指出的這些材料的真實能力。由於大量的PFM變數，包括脈衝幅度和持續時間、施加的脈衝數量、工作溫度、磁化線圈的類型和形狀，但在使用鐵磁材料來形成增強陷阱場之類的大部分研究領域，仍有待探索和優化以最終獲得最高的捕獲磁場。

領導塊材超導性小組建模和應用研究團隊的Mark Ainslie博士，接受來自英國工程和物理科學研究委員會（EPSRC）提供的為期五年、價值110萬英鎊的研究早期職業獎學金，已完成應用於實際超導塊材高磁場充電的研究。他將結合他最先進的數值模擬專業技術和他對PFM技術的豐富知識，來生產出便攜同時商業上可行的高場磁體系統。在接下來的進程中，Ainslie博士將與來自Adelwitz技術中心、Cryox有限公司、牛津儀器公司和西門子磁鐵科技公司的項目合作夥伴合作，加速該技術的發展。除此之外，合作夥伴還包括他在日本的密切學術合作者、來自岩手大學的Hiroyuki Fujishiro教授和PFM領域擁有最優磁場記錄的著名學者。

文章來自rdmag網站，原文題目Creating Portable, High-Field Magnet Systems Using Bulk Superconductors，由材料科技在線匯總整理。

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