解析超导低温材料技术在国内外的成功应用案例

解析高均匀度低温超导磁体制造技术在国外的成功应用案例 简要综述：

高均匀度低温超导磁体研制成功，表明我所具有独立研制超导磁体的制造技术能力和装备基础，具备了研制高均匀度超导磁体的条件。

该超导磁体为水平温孔、冷铁被动屏蔽结构，线圈采用多组同轴螺线管以提高磁场均匀度，磁体杜瓦采用真空多层绝热结构。磁铁设计采用线性规划结合非线性优化算法，利用TOSCA 、ADINA 以及ANSYS 等优化软件对磁体的磁场分布、力学结构和热学性能进行了最优化设计。对低温超导磁体、超导电源、失超保护、数据采集以及氦气回收等系统的联合测试结果表明：杜瓦夹层真空度好于5×10-4Pa ；超导电源稳定度好于±2×10-5；外置失超保护系统响应时间小于1ms ；磁体中心场区磁场强度达到2.78T ；中心场区在±25mm区域内均匀度达到±8×10-5。同时，验证了磁铁线圈、低温系统、失超保护系统以及机械结构的设计，积累了超导线圈、低温杜瓦、失超保护和超导电源等系统的研发及制造工艺经验，为研制更高场强（大于7T ）、更高均匀度（±2×10-7）的Penning 离子阱超导磁体奠定了基础。

具体介绍

应用领域及前景：超导磁体应用范围很广泛，在电力、大科学工程、交通和工业、生物医学等领域都有广泛应用。如电力领域的超导电机、超导变压器、超导限流器、超导输电、超导储能等；交通和工业领域的超导磁悬浮列车、超导电磁推进船舶、超导磁分离装置、超导磁拉单晶生长炉等；生物医学领域的超导核磁成像装置、核磁共振谱仪等。

以生物医学领域为例，核磁共振成像装置目前已经形成商品并有广阔的市场。据统计，1997年全世界核磁共振成像装置的产值已达20亿美元。1997年在1600台核磁共振成像装置的总产量中，已有1100台采用超导磁体。到目前，我国共有约500台核磁共振成像装置在各地医院中使用，其中有约215台是我国生产的，除3台采用超导磁体外，其余均为永磁体。而进口的300台核磁共振成像装置全部为超导磁体。

对发电机来说，若同步发电机若采用超导励磁绕组，可以大大提高电枢绕组上的磁场强度，使电机的体积和重量成倍的减小，从而使制造更大单机容量的同步发电机成为可能。同时由于没有焦耳热损耗，电机效率进一步提高。因此，超导电机也将取代常规电机。

随着超导技术的发展，在各行业中的应用越来越广泛，超导产品以其优越的性能也被广大用户接受。超导产品会有越来越广的市场需求。超导技术作为一种节能型技术，该项目的

研究成果，能积极推动超导产品在国内的推广应用，大力发展节能型工业。在化石能源日益枯竭的今天，中国作为能源消费大国，积极发展节能型工业具有重要的战略意义。

技术指标：中心场区磁场强度达到了3T ，在30*30*30mm3区域内均匀度达到了5*10-5。积累超导磁体设计及加工经验，制定超导磁体制造工艺，为超导磁体上商品化奠定基础。 创新及技术成熟程度：超导磁体的关键技术主要包括：磁体绕制和固化技术，低温杜瓦设计与制造技术，超导电源技术。我所在磁体绕制工艺上经过几十年的积累，完全具备绕制超导磁体的技术条件，在固化方面，低温环氧技术已经成熟，而VPI 技术又能保证绕组固化质量，提高磁体性能；同时我所的真空技术也是在国内处于领先位置的，在低温方面也积累了一些经验，低温与真空的核心技术是相同的，所以我所具备了制造超导磁体杜瓦的技术基础；通过CSR 磁体的研制，在大功率高稳定度的电源设计制造上有着深厚的技术储备，并且随着大功率器件的飞速发展，超导磁体电源这类低电压，大电流的电源的研制难度也大幅降低。

低温超导材料（low temperature superconducting material）

具有低临界转变温度（Tc ＜30K ），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )，Tc 为9.3K 已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb 为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc 在 9K 以上。最早研究的是NbZr 合金，在此基础上又出现了 NbTi合金 。NbTi 合金的超导电性和加工性能均优于 NbZr 合金 ，其使用已占低温超导合金的95％ 左右 。NbTi 合金可用一般难熔金属的加工方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜（或铝）为基体的多芯复合超导线，最后用冶金方法使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相（α＋β）合金，以满足使用要求。化合物低温超导材料有NbN (Tc＝16K) 、Nb3Sn ( Tc＝18.1K) 和 V3Ga（Tc ＝16.8K ）。NbN 多以薄膜形式使用 ，由于其稳定性好 ，已制成实用的弱电元器件 。Nb3Sn 是脆性化合物 ，它和V3Ga 可以纯铜或青铜合金为基体材料，采用固态扩散法制备 。为了提高 Nb3Sn（V3Ga ）的超导性能和改善其工艺性能，有时加入一些合金元素，如Ti 、Mg 等。

图文解析低温超导材料在国内外的成功应用案例：

无液氦可变温 X 射线磁体系统

专门为 X 射线衍射测量设计的传导冷却磁体，即无液氦磁体。该磁体系统有以下优点： 与传统的液氦冷却系统相比，该磁体系统尺寸更加紧凑，允许用户将自己的测角器安装到系统中； 可将一个可变温插件 (一般是 2 K 到 300 K) 集成到样品腔中；

允许样品在磁场中旋转；

利用铍窗减少 X 射线的二次散射。

下图中右图为 5 T 无液氦 X 射线衍射射磁体；左图为该应用了该

磁体的系统图

无液氦可变温中子衍射

超导磁体系统

左图为中子衍射磁体。

中子衍射磁体系统的特

征：

在中子束的线路上除了样品外没有其他物质；

劈裂磁体中间的缝隙由一个高真空的孔径，磁场的方向可以是垂直的或者水平

，中子束的通道上无氦气；

可集成变温插件，温度范围通常是 2 K 到 300 K；

并允许样品在磁场中旋转；

中子束穿过的通道通常由用薄铝或者 Mylar 制成的窗口提供。

离子回旋共振超导磁体系统

适用于做离子回旋共振测量的超导磁体系统须有以下特

征：

较高的磁场，且在包围整个离子阱的区域内有一个合适的磁场

均

匀度；

很高的时间稳定性以及较低的边缘磁场；

低损耗的实验杜瓦（一个月仅需要加一次液氦）；

用离子回旋共振系统做离子捕获是 ICR 系统的高级应用，在这些实验中，测量可能会持续 30 天，这期间磁场必须保持恒定，因此要求离子回旋共振的磁体和杜瓦必须采用特殊的设计和制造技术，以保证实验所需要的时间高稳定性。右图为离子回旋共振磁体。

应用于 STM 的超导磁体系统

扫描隧道显微镜(STM)被广泛的应用于工业和基础研究

领域，以获得材料的原子尺度级别的表面形貌图像。它

能够提供三维的样品表面轮廓，可以用于定标表面粗糙

度，观察表面缺陷，确定表面分子或聚合体的尺寸及构

造。基于超导磁体上的STM 系统可应用于研究磁涡旋，

纳米尺度的非均匀性，以及理解磁性和超导之间的相互

作用。

链接部分的文献是发表在 Review of Scientific Instruments 上用 AMI 公司的 STM 磁体系统得到的研究成果以及与该系统相关的信息：3He Refrigerator based Very Low Temperature STM

绝热退磁制冷（ADR) 专用超导磁体系统

绝热退磁制冷循环利用了顺磁材料（通常是一种盐）的原子磁矩和

外部磁场之间的相互作用。

顺磁盐和热沉通过热开关联系在一起，增大磁场可以使得自旋平

行，系统的熵值就会相应减小。

磁场达到最大值时，顺磁盐到热沉的热传导被阻断；当磁场降低时，

温度也降低，因为自旋向其正常态弛豫。

在通常的绝热退磁系统中，4 K和 2 K 是基本温度，顺磁盐块能够

达到约 300 mK

。通常做绝热退磁应用的磁体都需要低电流设计，

磁屏蔽部分也是非常重要的。

核磁共振超导磁体系统

核磁共振系统使用的比较广泛，因此比其他超导磁体系统更加

完，其主要特征是：

非常高的磁场均匀度；

磁场强度的时间稳定性；

很长的低温保持时间，甚至它们被看做永久磁体。

NMR 系统的测量灵敏度随着磁场强度的增加而增加。在过去的30

多年里，NMR 系统的磁场强度从5T 增加到21.5T ，达到了目前超

导磁体能够达到的最高场

用于生长单晶的磁体

在生长高纯度以及高品质的半导体单晶方面，强磁场已经显

示出其优越性。在晶片还在高温的真空炉中时对其施加一个

磁场，通常磁场的强度为2T 。这样的系统经常用于改进贵重

材料的品质，如镓，砷和锗。磁场的操作参数也是可调节的。

磁流体动力学(MHD)和磁等离子体动力学系统

磁流体垂直磁场流过，产生的电磁力即垂直与磁场又垂

直与磁流体的流动方向。电磁力可以用来产生电能或者

转换成机械力。AMI 生产的各种磁体系统能适用各种根

据这个原理设计的实验。AMI 已经成功地向军方和民用MHD 研究提供了高性能的超导磁体。图中的劈裂磁体就专门用于MHD 推进力研究系统。

磁悬浮

对于反磁性材料的磁悬浮，需要较高的磁场以及磁场

梯度。反磁性材料在磁场中将受到排斥力。当这样的

磁力于重力平衡时，反磁性材料将悬浮于梯度磁场

中。通过这个技术产生的磁悬浮提供了一个理想的等

价于微重力的环境。这个技术在微重力条件生长蛋白

质单晶中也很有用处。图中显示的系统在1英寸的室

温孔径中可以达到16T /cm。对于稳定的悬浮最重要

的设计特征是在径向的磁场必须随着离中心轴线距离的增加而增大。超导磁体相对高场电磁铁更具优势，因为它具有更好的时间稳定性以及没有振动。 2

穆斯堡尔磁体系统

穆斯堡尔效应（核伽马射线共振）是基于这样一个原则：有时在一个固体矩阵中的一个原子核能够无反冲地发射或者吸收伽马射线，因为当它处于固体矩阵中时，它不再是孤立的，而是被固定在晶格中。在这种情况下，反冲能可能小于最低量子化晶格振动能。因此伴随着原子核的反冲伽马射线能在没有能量损失的情况下发射。由于原子核这样的自由反冲过程发生的概率依赖于核伽马射线的能量，穆斯堡尔效应被限制于一定的处于低激发态的同位素中。通常，对于低温下在晶格中受到强烈束缚的原子核，穆斯堡尔效

应被优化于低能伽马射线。

一个穆斯堡尔实验包括一个放射源，这个放射源需要通过速

度转换器（驱动马达）快速的前后移动。放射源发射的伽马

射线穿过样品到达检测器，这样就能收集到分光计的数据。

有时候需要把样品放置到高场中观察会发生什么效应。在穆

斯堡尔谱学中，把放射源和吸收器离得越近越好。放射源（通

常是同位素Fe57）在磁场中将激发较宽频带的信号，而在零

场中发射的信号很窄。因此AMI 公司设计的穆斯堡尔磁体都带一个补偿线圈，在样品之后的区域能迅速衰减磁场。这样就能够得到更灵敏的测量。

粒子加速器系统

在粒子加速器中，超导磁体用于对粒子束的容纳、转向以及聚焦。作为关键位置上的聚焦设备, 也经常使用在实验系统中隧道的目标端。跑道形偶极或者四极磁体通常用于对粒子束的导向，因为他们沿着粒子飞行的路径上产生了一个长的磁场均匀区。AMI 公司有能力生产高精度跑道形偶极或四极磁体（如图所示）。偶极磁体有两个拉伸了的线圈相对在一起。四极磁体有四个线圈，均匀分布在孔径的四周。四极磁体比偶极磁体提供了更高的磁场均匀度和磁场强度。在同样的尺寸下，这类磁体达到的磁场强度要低于同样材料绕制的螺线圈磁体。

粒子捕获磁体系统

用Maxwell pair作为轴向场的成分，结合超导螺线圈，就可以在磁场中捕获住粒子。用粒子捕获形成一个中心最小的磁场，两个垂直的跑道磁体对在Maxwell pair里面。磁场捕获磁体设计上的最大挑战是磁体内巨大的磁力。磁体框架通常需要用金属钛来制作。图中显示的是一个传导冷却(无液氦) 的粒子捕获磁体。