神奇的超导及应用- 大数跨境

中科富海

2022-09-30

发现超导

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林——昂内斯（Onnes）意外地发现，将水银冷却到-268.98 ºC时，水银的电阻突然消失，并在随后的论文中以“超导”来描述该现象。同时，他也是第一个从空气中把氦气转化成液氦的人，也正是因为把氦气液化，产生了一个低温的环境，从而才能在水银中发现超导的转变。因其发现超导以及液化氦气这个工作，昂内斯获得1913年的诺贝尔物理学奖，从此开创了超导与低温领域。

图1：昂内斯及其发现水银的超导转变温度

超导“升温”

此后，人们陆续在其它元素、合金和化合物等大量物质中发现超导现象。目前发现的超导材料有上百种，但真正实用的超导材料只有7种，包含NbTi，Nb3Sn，Bi-2223，Bi-2212，MgB2，ReBCO，铁基材料。NbTi是目前最普遍的超导材料，已经标准化工业生产；Nb3Sn相比NbTi具有更高的临界磁场和电流，也已能够标准化生产；目前这两种低温超导体已经大规模应用，技术也比较成熟。而高温超导的发现诸如Bi系列2223/2212，MgB2、ReBCO、铁基材料的发现把超导体的临界温度跃升至接近或超过液氮温区，使得超导装置工作在液氮温度（77K）成为现实。

图2显示的是超导材料临界温度（Tc）随时间线的变化，由最开始的水银，到NbTi、Nb3Sn，再到1986年，Tc发生了一次革命，以K.A.米勒（Muler）和J.G.贝德诺尔茨（Bednorz）在陶瓷氧化物中发现高临界温度超导体为标志，使超导材料的研制由长期徘徊于液氦温度，一下跃升至液氮温区，从而迅速在世界范围形成研制陶瓷高温超导材料的热潮，随后以中国的赵忠贤、美国的朱经武为代表的科学家研制出YBaCuO系超导体的Tc达93K。1988年又有Tc达125K的T1BaCaCuO系超导体出现。2001年1月，MgB2被发现是超导的。同时，近些年研究比较火热的铁基超导体临界温度已经接近60K，离饱和液氮温度还有一点距离，我们期待在未来科学家们能够发现临界温度更高的超导体甚至是室温超导体。

图2：超导材料临界温度（Tc）随时间线的变化

超导临界特性

临界温度Tc、临界磁场Hc 和临界电流Ic 是超导材料的三个最重要的参数，临界温度是指超导体在零磁场和零电流下由正常态转变为超导态的温度。对于超导体，只有当外加磁场小于某一值时，才能保持其超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态，这一磁场值称为临界磁场。临界电流是指在给定的温度和磁场下，超导体保持超导态时所能传输的最大电流。图3反映了Tc、Hc、Ic三者之间的关系，超导体的上述三个临界参数是互相关联的，这三个值越大，其实用性越高，应用范围越广。在由Tc、Hc、Ic组成的曲面体积内，任一点的状态都是超导态，而这个体积的外部的任何一点的状态都是正常态，曲面上任一点的状态为临界状态。

图3：超导体的临界特性

超导体的奇特物理学特性及应用

“超导”是首个被人类观察到的宏观量子现象。超导体的奇特物理学特性具有两点，其一是“零电阻”，即在临界温度以下导体的电阻为零，即若通以电流，电流不会衰减，也不会产生焦耳损耗，使其具有高密度载流能力；其二是“完全抗磁性”（迈斯纳效应），即处于超导态的超导体内的磁场始终为零。

超导体因其零电阻、高密度载流能力、完全抗磁性的奇特物理学特性，应用范围非常广泛，例如：生物医学领域如超导核磁共振成像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR）；电力领域的应用如超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等；电子学领域的应用如超导量子计算机、超导量子干涉器、超导粒子探测器等；交通领域的应用如磁悬浮列车；大科学工程和实验室的应用如粒子加速器、磁约束可控核聚变装置等。

图4：超导的应用领域

超导磁体技术

在上述提到的大部分超导技术应用中，超导磁体是其中的关键，相比于常规磁体（铜、铝绕制），采用超导线圈具备更高的载流能力，可以达到更高的磁场、更低的能耗，同时可以大大缩小磁体体积，减少磁体重量。

在高能粒子加速器中，为了获得更高的能量（对撞能量∝B），必须依靠能够提供强磁场的超导磁体，如欧洲核子研究中心建造的大型强子对撞机（LHC）全长27 Km，采用了1734个大型超导磁体。

图5：大型强子对撞机（LHC)

未来的可控核聚变装置“人造太阳”（聚变功率∝B4），也亟需磁场强度达15T或以上的超导磁体。

图6：国际热核聚变堆计划（ITER）

另外，超高场MRI系统分辨率高（分辨率∝B2），在脑科学研究、早期心脏疾病、癌症和肿瘤诊断方面有着十分重要的应用，其中的关键核心就是高场强超导磁体技术。

图7：先进MRI成像设备

同时，实现粒子治癌装置的小型化、轻量化是国际放射治癌装置发展的趋势，采用超导技术可以大幅缩减治疗设备重量（60%~80%），占地和功耗仅为常规装置的30%~50%。

图8：超导旋转机架

超导低温技术

超导技术的广泛应用展现了其重大科学意义和发展需求，而低温技术为超导应用提供最基本的运行条件，直接关系到超导设备的效率和安全可靠性。低温超导需要工作在液氦温区，目前，其冷却方案主要分两种，一种是传统的液氦浸泡，这种方法液氦挥发量大，系统复杂，成本高；另一种是采用GM制冷机直接冷却（无液氦），可以大大简化系统的复杂性，降低系统操作难度和运行费用，已成为超导冷却的发展趋势。