它催生过众多诺奖也早已影响了你生活的方方面面

来源：互联网 2024-11-12 23:30:11 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

作者：蒋冬辉（中国科学院强磁场科学中心）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

问：磁悬浮列车、医院里的磁共振成像MRI、高能粒子对撞机、“人造太阳”这些高大上的设备共同点是什么？

答：超导磁体！

日本超导磁悬浮车

（图片来源：https://www.jrailpass.com/blog/wp-content/uploads/2017/02/maglev-train-test-track-e1487940220972-1200x767.jpg）

1.5T 医用核磁共振

（图片来源：http://www.alltechmed.com/）

欧洲大型强子对撞机

（图片来源：https://home.cern/）

中国聚变工程试验堆（CFETR）

（图片来源：https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa686a）

超导磁体不仅高大上，它还很傲娇，对工作环境相当挑剔（需要一定温度以下、一定电流以下、一定磁场以下等条件才愿意工作。）

今天我们来说说它的故事。

超导磁体的发展史

超导磁体一般是指利用超导导线绕制的电磁体。

1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现了汞的超导电性，提出了利用超导线绕制电磁体的构想。但是由于超导材料和制造技术限制，第一个超导磁体直到1955年才由G.B. Yntema利用铌线绕制而成，在4.2K温度下获得0.7T磁场。

1961年，J.E.Kunzler等人利用Nb3Sn超导材料，绕成了能产生接近9T磁场的超导线圈，揭开了超导磁体实际应用的序幕。1986年，Georg Bednorz和Karl Müller发现的高温超导电性彻底改变了科学界和工程界以及其他相关领域的研究者们对超导现象的认识，也为更高磁场强度的超导磁体建造打开了新的窗口。

2017年，美国强磁场宣布他们制造的全超导磁体磁场强度成功达到32T（其中低温超导产生15T磁场，高温超导产生17T磁场）。2019年，他们更进一步，在31.1T水冷磁体背景磁体中插入14.4T高温超导内插线圈，在线圈的中心产生了45.5T的磁场强度，创造了稳态强磁场新的世界纪录，展现了高温超导磁体发展的美好前景。

利用强磁场有可能揭示物质的物理、化学、生物等许多现象的本质。据统计, 国际上强磁场相关的研究成果先后获得了19项诺贝尔奖，其中1项医学奖、5项化学奖、13项物理学奖。所以越来越多的国家和科研机构都在制定设计制造能产生更高场强的磁体装置的计划。

超导磁体发展历史

（图片来源：www.oxford-instruments.cn）

超导磁体牛在哪里？

超导磁体与普通永磁体、常规导线电磁体相比，能够产生更大的磁场。一般永磁体两极附近的磁场在几千高斯以内，要想再提高它的磁场强度非常困难。常规电磁铁是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体，它在产生磁场时，因需要在线圈中通入很大的电流，而产生高温，释放巨大热量，限制常规电磁铁产生更大的磁场，其磁场强度一般不超过2T。而超导磁体内超导导线运行在超导状态下，导线内部没有电阻，相比普通导线，超导线内可以运行更大的电流，从而可以产生更强的磁场，目前超导磁体产生的最高磁场强度达到32T。

常规电磁铁是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体

（图片来源：www.magnet.fsu.edu）

此外，超导磁体在很多方面比常规电磁体也具有优越性：

1. 超导磁体稳定运行时本身没有焦耳热的损耗，对于需要在较大空间中获得稳态磁场的磁体，这一点尤为突出，可以大量节约能源，且所需的电源功率很小，也不需要常规磁体那样庞大的供水和净化设备；

2. 超导材料可以有很高的电流密度，因此超导磁体体积小，重量轻，而且可以较容易地满足关于高均匀度或高磁场梯度等方面的特殊要求；

3. 超导磁体工作在持续电流状态下，可以得到极其稳定的磁场，且原理上可以不需要再追加电能，仅需要部分电能维持低温系统即可。

超导磁体结构

（图片来源：www.oxford-instruments.cn）

如何保持超导低温态？

低温冷却系统是超导磁体的必备条件，当处于其临界温度下才能运行超导磁体。

超导磁体冷却方式分为浸泡冷却和传导冷却两种形式。

浸泡冷却的方式一般将超导磁体置于低温冷却剂中，利用低温冷却剂将超导磁体冷却至超导态，主要的低温冷却剂包括液氦（4.2K）、液氢（13.9K）和液氮（77K）等。由于采用液体冷却的方式，这种超导磁体也被称为湿式超导磁体；

传导冷却利用低温制冷机中的冷头通过传导直接冷却超导磁体，所采用的低温制冷机主要包括G-M制冷机和脉管制冷机，这种磁体也被称为干式超导磁体；

零蒸发冷却是浸泡冷却的一种特殊形式，超导磁体浸泡在低温冷却剂中，磁体内部产生的热量使液态的冷却剂转变为气态，然后通过低温制冷机将冷却剂由气态转变为液态，以实现低温冷却剂的循环使用。

室温超导说不定哪天就实现了呢！

自超导电性发现以来，超导体的临界转变温度一直在不断提高，目前常压下超导材料的转变温度已经提高到135K。

发现室温超导材料一直是科研人员永恒的梦想，因此追寻更高温度的超导材料是科技界超热问题之一，超导温度每提升一点点都使相关科技人员兴奋不已，目前德国马普所的科学家在170GPa的高压条件下将镧氢材料的超导临界温度提高到了250K（零下23.15℃）。如果哪天在室温下实现了超导并能普遍应用，那是多么激动人心的历史时刻，因为那意味着大量能源得以节约。

不过，实验室里实现超导是一回事，但能用来实际应用又是另一回事。

目前绕制超导磁体采用的超导材料包括低温超导材料NbTi和Nb3Sn，高温超导材料Bi2212、Bi2223、YBCO和MgB2。由于受超导材料上临界磁场的限制，NbTi一般应用于10T以下磁体中，Nb3Sn线应用于23T以下的磁体中，如果想进一步提高超导磁体磁场强度只能采用高温超导材料进行绕制，理论上其形成的最高磁场可以达到90T以上。一般的超导磁体都是由多种材料构成的，例如美国高场实验室研制的32T全超导磁体由15T低温超导磁体（NbTi和Nb3Sn线圈）和17T高温超导磁体（YBCO线圈）构成。

超导体转变温度不断提高

（图片来源：https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2016/1-unravelingth.png）

美国高场实验室32T全超导磁体

（图片来源：www.magnet.fsu.edu）

“失超”是怎么回事？

超导磁体在运行中经常会提及一个词“失超”，顾名思义即失去超导状态。在超导磁体内部扰动源（交流损耗、导线运动和磁通跳跃等）的作用下，超导磁体会不可避免地出现失超。当超导磁体出现失超时，超导磁体中的传输电流分流到超导线中的稳定基体（铜）中流动，随之产生大量焦耳热，超导磁体储存的能量瞬间以热量的方式被释放出来，因此在超导磁体失超过程中会启动保护系统，大量的低温冷却剂会以气体的方式大量喷发出来，形成非常壮观的场面。

失超是超导磁体运行中很常见的一种现象，当超导磁体被制造好后，会经历多次失超，以提高磁体性能，我们把这个过程叫做失超锻炼效应。

超导磁体失超

（图片来源：www.oxford-instruments.cn）

未来，离不开超导磁体

回到开篇时的问题吧：电动悬浮的磁悬浮列车中采用的线圈都是由超导磁体构成；医院中采用的核磁共振设备基本采用的都是超导磁体；发现上帝粒子的大型强子对撞机（LHC）是由1232个二极磁体和392个四极磁体构成，这些都是由NbTi线绕制的超导磁体；甚至尿不湿的发明都跟粒子对撞机脱不了干系（现代尿不湿，还有粒子加速器的功劳！）；我国参与的国际热核聚变实验堆（ITER）计划将发展清洁无污染的核聚变能源，采用的最为关键部件即是大型的超导磁体。