問：磁懸浮列車、醫(yī)院里的磁共振成像MRI、高能粒子對撞機、“人造太陽”這些高大上的設(shè)備共同點是什么？

答：超導(dǎo)磁體！

日本超導(dǎo)磁懸浮車

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1.5T 醫(yī)用核磁共振

（圖片來源：http://www./）

歐洲大型強子對撞機

（圖片來源：https://home.cern/）

中國聚變工程試驗堆（CFETR）

（圖片來源：https:///10.1088/1741-4326/aa686a）

超導(dǎo)磁體不僅高大上，它還很傲嬌，對工作環(huán)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愿意工作。）

今天我們來說說它的故事。

超導(dǎo)磁體一般是指利用超導(dǎo)導(dǎo)線繞制的電磁體。（不了解超導(dǎo)的小伙伴，可以戳這里：人類的超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)史）

1911年，荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)了汞的超導(dǎo)電性，提出了利用超導(dǎo)線繞制電磁體的構(gòu)想。但是由于超導(dǎo)材料和制造技術(shù)限制，第一個超導(dǎo)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(dǎo)材料，繞成了能產(chǎn)生接近9T磁場的超導(dǎo)線圈，揭開了超導(dǎo)磁體實際應(yīng)用的序幕。1986年，Georg Bednorz和Karl Müller發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)電性徹底改變了科學(xué)界和工程界以及其他相關(guān)領(lǐng)域的研究者們對超導(dǎo)現(xiàn)象的認識，也為更高磁場強度的超導(dǎo)磁體建造打開了新的窗口。

2017年，美國強磁場宣布他們制造的全超導(dǎo)磁體磁場強度成功達到32T（其中低溫超導(dǎo)產(chǎn)生15T磁場，高溫超導(dǎo)產(chǎn)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(dǎo)內(nèi)插線圈，在線圈的中心產(chǎn)生了45.5T的磁場強度，創(chuàng)造了穩(wěn)態(tài)強磁場新的世界紀錄，展現(xiàn)了高溫超導(dǎo)磁體發(fā)展的美好前景。

利用強磁場有可能揭示物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等許多現(xiàn)象的本質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計, 國際上強磁場相關(guān)的研究成果先后獲得了19項諾貝爾獎，其中1項醫(yī)學(xué)獎、5項化學(xué)獎、13項物理學(xué)獎。所以越來越多的國家和科研機構(gòu)都在制定設(shè)計制造能產(chǎn)生更高場強的磁體裝置的計劃。

超導(dǎo)磁體發(fā)展歷史

（圖片來源：www.oxford-instruments.cn）

超導(dǎo)磁體與普通永磁體、常規(guī)導(dǎo)線電磁體相比，能夠產(chǎn)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(nèi)，要想再提高它的磁場強度非常困難。常規(guī)電磁鐵是用絕緣銅線或鋁線繞在鐵芯上制成的磁體，它在產(chǎn)生磁場時，因需要在線圈中通入很大的電流，而產(chǎn)生高溫，釋放巨大熱量，限制常規(guī)電磁鐵產(chǎn)生更大的磁場，其磁場強度一般不超過2T。而超導(dǎo)磁體內(nèi)超導(dǎo)導(dǎo)線運行在超導(dǎo)狀態(tài)下，導(dǎo)線內(nèi)部沒有電阻，相比普通導(dǎo)線，超導(dǎo)線內(nèi)可以運行更大的電流，從而可以產(chǎn)生更強的磁場，目前超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的最高磁場強度達到32T。

常規(guī)電磁鐵是用絕緣銅線或鋁線繞在鐵芯上制成的磁體

（圖片來源：www.magnet.fsu.edu）

此外，超導(dǎo)磁體在很多方面比常規(guī)電磁體也具有優(yōu)越性：

1. 超導(dǎo)磁體穩(wěn)定運行時本身沒有焦耳熱的損耗，對于需要在較大空間中獲得穩(wěn)態(tài)磁場的磁體，這一點尤為突出，可以大量節(jié)約能源，且所需的電源功率很小，也不需要常規(guī)磁體那樣龐大的供水和凈化設(shè)備；

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

3. 超導(dǎo)磁體工作在持續(xù)電流狀態(tài)下，可以得到極其穩(wěn)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(tǒng)即可。

超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)

（圖片來源：www.oxford-instruments.cn）

低溫冷卻系統(tǒng)是超導(dǎo)磁體的必備條件，當處于其臨界溫度下才能運行超導(dǎo)磁體。

超導(dǎo)磁體冷卻方式分為浸泡冷卻和傳導(dǎo)冷卻兩種形式。

浸泡冷卻的方式一般將超導(dǎo)磁體置于低溫冷卻劑中，利用低溫冷卻劑將超導(dǎo)磁體冷卻至超導(dǎo)態(tài)，主要的低溫冷卻劑包括液氦（4.2K）、液氫（13.9K）和液氮（77K）等。由于采用液體冷卻的方式，這種超導(dǎo)磁體也被稱為濕式超導(dǎo)磁體；

傳導(dǎo)冷卻利用低溫制冷機中的冷頭通過傳導(dǎo)直接冷卻超導(dǎo)磁體，所采用的低溫制冷機主要包括G-M制冷機和脈管制冷機，這種磁體也被稱為干式超導(dǎo)磁體；

零蒸發(fā)冷卻是浸泡冷卻的一種特殊形式，超導(dǎo)磁體浸泡在低溫冷卻劑中，磁體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量使液態(tài)的冷卻劑轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，然后通過低溫制冷機將冷卻劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，以實現(xiàn)低溫冷卻劑的循環(huán)使用。

自超導(dǎo)電性發(fā)現(xiàn)以來，超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度一直在不斷提高，目前常壓下超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度已經(jīng)提高到135K。

發(fā)現(xiàn)室溫超導(dǎo)材料一直是科研人員永恒的夢想，因此追尋更高溫度的超導(dǎo)材料是科技界超熱問題之一，超導(dǎo)溫度每提升一點點都使相關(guān)科技人員興奮不已，目前德國馬普所的科學(xué)家在170GPa的高壓條件下將鑭氫材料的超導(dǎo)臨界溫度提高到了250K（零下23.15℃）。如果哪天在室溫下實現(xiàn)了超導(dǎo)并能普遍應(yīng)用，那是多么激動人心的歷史時刻，因為那意味著大量能源得以節(jié)約。

不過，實驗室里實現(xiàn)超導(dǎo)是一回事，但能用來實際應(yīng)用又是另一回事。

目前繞制超導(dǎo)磁體采用的超導(dǎo)材料包括低溫超導(dǎo)材料NbTi和Nb₃Sn，高溫超導(dǎo)材料Bi2212、Bi2223、YBCO和MgB₂。由于受超導(dǎo)材料上臨界磁場的限制，NbTi一般應(yīng)用于10T以下磁體中，Nb₃Sn線應(yīng)用于23T以下的磁體中，如果想進一步提高超導(dǎo)磁體磁場強度只能采用高溫超導(dǎo)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(dǎo)磁體都是由多種材料構(gòu)成的，例如美國高場實驗室研制的32T全超導(dǎo)磁體由15T低溫超導(dǎo)磁體（NbTi和Nb₃Sn線圈）和17T高溫超導(dǎo)磁體（YBCO線圈）構(gòu)成。

超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度不斷提高

（圖片來源：https://3c1703fe8d.site./newman/gfx/news/hires/2016/1-unravelingth.png）

美國高場實驗室32T全超導(dǎo)磁體

（圖片來源：www.magnet.fsu.edu）

超導(dǎo)磁體在運行中經(jīng)常會提及一個詞“失超”，顧名思義即失去超導(dǎo)狀態(tài)。在超導(dǎo)磁體內(nèi)部擾動源（交流損耗、導(dǎo)線運動和磁通跳躍等）的作用下，超導(dǎo)磁體會不可避免地出現(xiàn)失超。當超導(dǎo)磁體出現(xiàn)失超時，超導(dǎo)磁體中的傳輸電流分流到超導(dǎo)線中的穩(wěn)定基體（銅）中流動，隨之產(chǎn)生大量焦耳熱，超導(dǎo)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(dǎo)磁體失超過程中會啟動保護系統(tǒng)，大量的低溫冷卻劑會以氣體的方式大量噴發(fā)出來，形成非常壯觀的場面。

失超是超導(dǎo)磁體運行中很常見的一種現(xiàn)象，當超導(dǎo)磁體被制造好后，會經(jīng)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(yīng)。

超導(dǎo)磁體失超

（圖片來源：www.oxford-instruments.cn）

回到開篇時的問題吧：電動懸浮的磁懸浮列車中采用的線圈都是由超導(dǎo)磁體構(gòu)成；醫(yī)院中采用的核磁共振設(shè)備基本采用的都是超導(dǎo)磁體；發(fā)現(xiàn)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(gòu)成，這些都是由NbTi線繞制的超導(dǎo)磁體；甚至尿不濕的發(fā)明都跟粒子對撞機脫不了干系（現(xiàn)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(fā)展清潔無污染的核聚變能源，采用的最為關(guān)鍵部件即是大型的超導(dǎo)磁體。

大型強子對撞機