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