它催生過眾多諾獎也早已影響了你生活的方方面面

最新 07-30

　　來源：科學大院

　　問：磁懸浮列車、醫院裡的磁共振成像MRI、高能粒子對撞機、「人造太陽」這些高大上的設備共同點是什麼？

　　答：超導磁體！

日本超導磁懸浮車

1.5T 醫用核磁共振

歐洲大型強子對撞機

中國聚變工程試驗堆（CFETR）

　　超導磁體不僅高大上，它還很傲嬌，對工作環境相當挑剔（需要一定溫度以下、一定電流以下、一定磁場以下等條件才願意工作。）

　　今天我們來說說它的故事。

　　超導磁體的發展史

　　超導磁體一般是指利用超導導線繞制的電磁體。（不了解超導的小夥伴，可以戳這裡：人類的超導發現史）

　　1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現了汞的超導電性，提出了利用超導線繞制電磁體的構想。但是由於超導材料和製造技術限制，第一個超導磁體直到1955年才由G.B。 Yntema利用鈮線繞制而成，在4.2K溫度下獲得0.7T磁場。

　　1961年，J.E.Kunzler等人利用Nb3Sn超導材料，繞成了能產生接近9T磁場的超導線圈，揭開了超導磁體實際應用的序幕。1986年，Georg Bednorz和Karl Müller發現的高溫超導電性徹底改變了科學界和工程界以及其他相關領域的研究者們對超導現象的認識，也為更高磁場強度的超導磁體建造打開了新的窗口。

　　2017年，美國強磁場宣布他們製造的全超導磁體磁場強度成功達到32T（其中低溫超導產生15T磁場，高溫超導產生17T磁場）。2019年，他們更進一步，在31.1T水冷磁體背景磁體中插入14.4T高溫超導內插線圈，在線圈的中心產生了45.5T的磁場強度，創造了穩態強磁場新的世界紀錄，展現了高溫超導磁體發展的美好前景。

　　利用強磁場有可能揭示物質的物理、化學、生物等許多現象的本質。據統計，國際上強磁場相關的研究成果先後獲得了19項諾貝爾獎，其中1項醫學獎、5項化學獎、13項物理學獎。所以越來越多的國家和科研機構都在制定設計製造能產生更高場強的磁體裝置的計劃。

超導磁體發展歷史

　　超導磁體牛在哪裡？

　　超導磁體與普通永磁體、常規導線電磁體相比，能夠產生更大的磁場。一般永磁體兩極附近的磁場在幾千高斯以內，要想再提高它的磁場強度非常困難。常規電磁鐵是用絕緣銅線或鋁線繞在鐵芯上製成的磁體，它在產生磁場時，因需要在線圈中通入很大的電流，而產生高溫，釋放巨大熱量，限制常規電磁鐵產生更大的磁場，其磁場強度一般不超過2T。而超導磁體內超導導線運行在超導狀態下，導線內部沒有電阻，相比普通導線，超導線內可以運行更大的電流，從而可以產生更強的磁場，目前超導磁體產生的最高磁場強度達到32T。

常規電磁鐵是用絕緣銅線或鋁線繞在鐵芯上製成的磁體

　　此外，超導磁體在很多方面比常規電磁體也具有優越性：

　　1、超導磁體穩定運行時本身沒有焦耳熱的損耗，對於需要在較大空間中獲得穩態磁場的磁體，這一點尤為突出，可以大量節約能源，且所需的電源功率很小，也不需要常規磁體那樣龐大的供水和凈化設備；

　　2、超導材料可以有很高的電流密度，因此超導磁體體積小，重量輕，而且可以較容易地滿足關於高均勻度或高磁場梯度等方面的特殊要求；

　　3、超導磁體工作在持續電流狀態下，可以得到極其穩定的磁場，且原理上可以不需要再追加電能，僅需要部分電能維持低溫系統即可。

超導磁體結構

　　如何保持超導低溫態？

　　低溫冷卻系統是超導磁體的必備條件，當處於其臨界溫度下才能運行超導磁體。

　　超導磁體冷卻方式分為浸泡冷卻和傳導冷卻兩種形式。

　　浸泡冷卻的方式一般將超導磁體置於低溫冷卻劑中，利用低溫冷卻劑將超導磁體冷卻至超導態，主要的低溫冷卻劑包括液氦（4.2K）、液氫（13.9K）和液氮（77K）等。由於採用液體冷卻的方式，這種超導磁體也被稱為濕式超導磁體；

　　傳導冷卻利用低溫制冷機中的冷頭通過傳導直接冷卻超導磁體，所採用的低溫制冷機主要包括G-M制冷機和脈管制冷機，這種磁體也被稱為乾式超導磁體；

　　零蒸發冷卻是浸泡冷卻的一種特殊形式，超導磁體浸泡在低溫冷卻劑中，磁體內部產生的熱量使液態的冷卻劑轉變為氣態，然後通過低溫制冷機將冷卻劑由氣態轉變為液態，以實現低溫冷卻劑的循環使用。

　　室溫超導說不定哪天就實現了呢！

　　自超導電性發現以來，超導體的臨界轉變溫度一直在不斷提高，目前常壓下超導材料的轉變溫度已經提高到135K。

　　發現室溫超導材料一直是科研人員永恆的夢想，因此追尋更高溫度的超導材料是科技界超熱問題之一，超導溫度每提升一點點都使相關科技人員興奮不已，目前德國馬普所的科學家在170GPa的高壓條件下將鑭氫材料的超導臨界溫度提高到了250K（零下23.15℃）。如果哪天在室溫下實現了超導並能普遍應用，那是多麼激動人心的歷史時刻，因為那意味著大量能源得以節約。

　　不過，實驗室里實現超導是一回事，但能用來實際應用又是另一回事。

　　目前繞制超導磁體採用的超導材料包括低溫超導材料NbTi和Nb3Sn，高溫超導材料Bi2212、Bi2223、YBCO和MgB2。由於受超導材料上臨界磁場的限制，NbTi一般應用於10T以下磁體中，Nb3Sn線應用於23T以下的磁體中，如果想進一步提高超導磁體磁場強度只能採用高溫超導材料進行繞制，理論上其形成的最高磁場可以達到90T以上。一般的超導磁體都是由多種材料構成的，例如美國高場實驗室研製的32T全超導磁體由15T低溫超導磁體（NbTi和Nb3Sn線圈）和17T高溫超導磁體（YBCO線圈）構成。

超導體轉變溫度不斷提高

美國高場實驗室32T全超導磁體

　　「失超」是怎麼回事？

　　超導磁體在運行中經常會提及一個詞「失超」，顧名思義即失去超導狀態。在超導磁體內部擾動源（交流損耗、導線運動和磁通跳躍等）的作用下，超導磁體會不可避免地出現失超。當超導磁體出現失超時，超導磁體中的傳輸電流分流到超導線中的穩定基體（銅）中流動，隨之產生大量焦耳熱，超導磁體儲存的能量瞬間以熱量的方式被釋放出來，因此在超導磁體失超過程中會啟動保護系統，大量的低溫冷卻劑會以氣體的方式大量噴發出來，形成非常壯觀的場面。

　　失超是超導磁體運行中很常見的一種現象，當超導磁體被製造好後，會經歷多次失超，以提高磁體性能，我們把這個過程叫做失超鍛煉效應。

超導磁體失超

　　未來，離不開超導磁體

　　回到開篇時的問題吧：電動懸浮的磁懸浮列車中採用的線圈都是由超導磁體構成；醫院中採用的核磁共振設備基本採用的都是超導磁體；發現上帝粒子的大型強子對撞機（LHC）是由1232個二極磁體和392個四極磁體構成，這些都是由NbTi線繞制的超導磁體；甚至尿不濕的發明都跟粒子對撞機脫不了干係（現代尿不濕，還有粒子加速器的功勞！）；我國參與的國際熱核聚變實驗堆（ITER）計劃將發展清潔無污染的核聚變能源，採用的最為關鍵部件即是大型的超導磁體。

大型強子對撞機