王呈濤 徐慶金

近年來，隨著超導(dǎo)相關(guān)裝備的普及，“超導(dǎo)”這個“高大上”的詞匯越來越貼近于大眾的生活，時常被人們所提及。那么，到底什么是超導(dǎo)呢？作個簡單的對比，大家對“超人”都很熟悉，相對普通人而言，超人具有超能力，能上天遁地，力量無窮。同樣“超導(dǎo)”簡單的一種理解便是具有超能力的導(dǎo)體，它的超能力為零電阻特性及邁斯納效應(yīng)（抗磁性）。超導(dǎo)體的零電阻特性是指超導(dǎo)體在低溫下其電阻會突然消失降至為零。邁斯納等科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)，在一定磁場強度下，超導(dǎo)體會將磁通從體內(nèi)排出去，超導(dǎo)產(chǎn)品都是利用以上這2個超能力來更好地為大眾服務(wù)的，例如超導(dǎo)電纜利用其零電阻特性可以避免電流傳輸過程中的焦耳熱導(dǎo)致能量的浪費，使電能得到充分的利用;大家所熟知的超導(dǎo)磁懸浮則更多的是利用邁斯納效應(yīng)來實現(xiàn)物體的懸浮。

超導(dǎo)體及超導(dǎo)電性

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林·昂納斯教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降至4.15 K時，汞的電阻陡降為零，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類對超導(dǎo)電性研究的開始。之后，各國的科學(xué)家對超導(dǎo)體及其性能展開了更多的探究，并先后發(fā)現(xiàn)了大部分純凈金屬元素在低溫下均具有超導(dǎo)現(xiàn)象，包括我們常見的鋅、鋁、錫和鉛等，并進一步明確了實現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的基本條件，需控制溫度、磁場，以及導(dǎo)體內(nèi)的電流密度低于其臨界溫度（T[C]）、臨界磁場（H[C]）及臨界電流密度（J[C]）值。這些純凈金屬可分為兩類超導(dǎo)體：第一類超導(dǎo)體邁斯納態(tài)與正常態(tài)界限明確，當(dāng)外磁場小于H[C]時，導(dǎo)體內(nèi)無磁通穿過，為邁斯納態(tài);當(dāng)外磁場超過H[C]時，樣品返回正常態(tài)。由于純凈金屬元素的T[C]、H[C]及J[C]均較低，因此采用純凈的金屬元素制成的超導(dǎo)線材沒有太多的實用價值。直到20世紀(jì)60年代，具有較高臨界參數(shù)（T[C]，H[C]及J[C]）的材料相繼被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如鈮鈦（NbTi）、鈮三錫（Nb[3]Sn）、鈮三鋁（Nb[3]Al）等。在隨后的20世紀(jì)80年代，科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)了銅氧化物，如Bi-2223、Bi-2212、ReBCO等高溫超導(dǎo)體、二硼化鎂（MgB[2]）新型超導(dǎo)體，以及最新的一類鐵基超導(dǎo)體。人們把這些具有較高上臨界參數(shù)的超導(dǎo)體做成線、帶或者塊材，用于超導(dǎo)相關(guān)裝備的研制。而第二類超導(dǎo)體在邁斯納態(tài)及正常態(tài)之間還存在混合態(tài)，在一定磁場下，外界的磁力線可以部分穿透超導(dǎo)體，而在超導(dǎo)體中被鎖定，產(chǎn)生超導(dǎo)體與外界磁場的互鎖效應(yīng)。因此，將第二類超導(dǎo)體置于磁場中時，會達到懸浮且狀態(tài)鎖定的效果，這也是磁懸浮的基本原理。

左：第一類超導(dǎo)體的抗磁性示意圖中：第二類超導(dǎo)體的抗磁性示意圖右：高溫超導(dǎo)塊磁懸浮展示圖

超導(dǎo)線材及超導(dǎo)電纜

自20世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)后，NbTi一直都是超導(dǎo)磁體上應(yīng)用最廣泛的超導(dǎo)材料。NbTi 線具有強度高、延展性好、臨界電流密度高和相對造價低的優(yōu)點，可制成多絲超導(dǎo)線，超導(dǎo)絲的直徑可在5～50微米，這種超導(dǎo)細絲可有效地減少磁通跳躍及磁化效應(yīng)。但NbTi超導(dǎo)線的不足之處是其T[C]（9.3 K）及H[C2]（11 T @4.2 K）較低，一般用于制作場強小于9 T的超導(dǎo)磁體，在研制更高場強的磁體時，需要用到上臨界磁場更高的A15型化合物如Nb[3]Sn、Nb[3]Al等，其T[C]在14～23 K，H[C2]高達20～30 T。但A15化合物具有脆性，一般不能制成直徑特別細的超導(dǎo)絲，其超導(dǎo)絲直徑通常在50微米以上，且A15型化合物需要進行熱處理才能形成超導(dǎo)相。

NbTi、Nb[3]Sn、Nb[3]Al等為低溫超導(dǎo)材料，一般工作在液氦溫區(qū)（4.2 K），如磁體工作在更高溫區(qū)則需要采用T[C]更高的超導(dǎo)線、帶材，如Bi-2223、Bi-2212、 ReBCO或者鐵基（IBS，）等，這些材料屬于高溫超導(dǎo)材料，具有更高的T[C]及H[C]。其中，特別值得一提的是對實用化鐵基超導(dǎo)線帶材的研制已有了很大的進展。2016年8月，中國科學(xué)院電工所馬衍偉團隊研制出了世界上第一根百米級的鐵基超導(dǎo)線帶材，J[C]（@ 4.2 K，10 T）超過了12000 A/cm[2]。鐵基超導(dǎo)線帶材因其原材料便宜，且材料機械性能相對較好，同時各向異性較小，被認為是極具潛力的實用化高溫超導(dǎo)材料。2016年10月，國內(nèi)超導(dǎo)相關(guān)院所、高校成立了“實用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組”，共同推進鐵基等先進超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。

左： 銅截面示意圖中： NbTi 超導(dǎo)線截面示意圖右： Nb3Sn 超導(dǎo)線截面示意圖

在高場強超導(dǎo)磁體中，大部分的超導(dǎo)線圈是由超導(dǎo)電纜繞制而成的，即先用線材繞制成電纜，再進行線圈的繞制。下圖所示為常用的幾種電纜類型，其中圖a為盧瑟福電纜，適用于NbTi、Nb[3]Sn及Bi-2212等圓線的絞制。圖b為Cable-in-conduit 電纜，多用于核聚變磁體線圈的繞制。圖c為Robel 電纜，多用于ReBCO等高溫超導(dǎo)帶材。

a： Bi-2223 超導(dǎo)帶截面示意圖b： Bi-2212 超導(dǎo)線截面示意圖c： ReBCO超導(dǎo)帶及其截面示意圖d： IBS百米級超導(dǎo)線及截面示意圖

超導(dǎo)線圈及超導(dǎo)磁體

實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求將超導(dǎo)線（纜）繞制成不同結(jié)構(gòu)的線圈（即超導(dǎo)線圈），再配套相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)（用于固定線圈及抵抗電磁力等）、軛鐵（可提高場強及減少漏場等）、低溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等研制出不同類型的超導(dǎo)磁體。以下將以高場強超導(dǎo)二極磁體為例作簡單介紹。

作為超高倍的“顯微鏡”，高能量粒子對撞機是向物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次探索的主要工具。而高場強超導(dǎo)二極磁體是SPPC（超導(dǎo)質(zhì)子對撞機）或FCC（未來環(huán)形對撞機）等未來高能量對撞機中的核心裝備，其性能直接決定著對撞機能夠達到的最高能量?？梢蕴峁┒O磁場的線圈具有多種結(jié)構(gòu)，如Cos-theta結(jié)構(gòu)、Common-coil結(jié)構(gòu)、Block-type結(jié)構(gòu)及Canted cos-theta結(jié)構(gòu)等。這4種線圈結(jié)構(gòu)各有各的優(yōu)缺點，且均能在束流管道中產(chǎn)生垂直向上或向下的磁場，用于粒子的偏轉(zhuǎn)，控制其運行方向。

目前，基于NbTi超導(dǎo)材料的二極磁體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國際上多個正在運行的加速器中，如美國費米實驗室的Tevatron、布魯克海文實驗室的RHIC、德國DESY的HERA、歐洲核子研究中心的LHC等。其中LHC加速器上的二極磁體場強為8.3 T，是目前運行的超導(dǎo)加速器二極磁體場強的最高值，也已經(jīng)非常接近NbTi超導(dǎo)磁體的場強臨界值。以上加速器超導(dǎo)二極磁體均采用的是Cos-theta的線圈結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外各大磁體研制實驗室也一直在探究基于其他線圈結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)材料如Nb[3]Sn來研制更高場強的超導(dǎo)二級磁體，并取得了一定的成果。在CEPC-SPPC（環(huán)形正負電子對撞機——超級質(zhì)子對撞機）項目的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研推動下，中國科學(xué)院高能物理研究所正在開展高場強超導(dǎo)二極磁體的研制工作。目前已經(jīng)完成了一臺場強高達10.23 T的二極磁體LPF1的研制，其后加大預(yù)緊力對磁體進行了重新組裝及測試，場強提高到了10.71 T。該磁體的研制成功填補了國內(nèi)在該領(lǐng)域研究的空白，也為后續(xù)更高場強的超導(dǎo)二極磁體的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，中國科學(xué)院高能物理研究所聯(lián)合中國科學(xué)院電工研究所，已完成國際上首次基于百米鐵基超導(dǎo)線帶材的超導(dǎo)線圈的研制，及鐵基小線圈24-T高磁場下的性能測試，實驗驗證了鐵基超導(dǎo)材料用于高場磁體技術(shù)的可行性，為下一代高性能低成本的高場超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展開拓了新路徑。

a： Rutherford 電纜b： Cable-in-conduit 電纜c： Robel 電纜

加速器二極磁體不同線圈結(jié)構(gòu)

左：加速器二極磁體LPF1測試結(jié)果右：鐵基超導(dǎo)線圈24-T高場下性能測試結(jié)果

左：核磁共振儀MRI 中：核聚變反應(yīng)堆示意圖右：超導(dǎo)磁懸浮列車示意圖

除了在粒子加速器上的應(yīng)用，超導(dǎo)磁體在醫(yī)療、能源、交通等領(lǐng)域也有著不可替代的應(yīng)用，如超導(dǎo)磁懸浮列車、核聚變裝置及醫(yī)用核磁共振MRI等。另外，超導(dǎo)在工業(yè)、生命科學(xué)、物理和軍事等領(lǐng)域也起到了至關(guān)重要的作用，可以說超導(dǎo)正在改變我們的世界。

磁通：設(shè)在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，有一個面積為S且與磁場方向垂直的平面，磁感應(yīng)強度B與面積S的乘積，被稱為穿過這個平面的磁通量，簡稱磁通。

鐵基超導(dǎo)體：一種新型的高溫超導(dǎo)材料，具有相似的層狀結(jié)構(gòu)。它們含有由 Fe 和氮族元素（P， As）或硫族元素（S，Se，Te）按1：1 的原子比組成的超導(dǎo)電層，以及為導(dǎo)電層提供載流子的載流子庫層。

預(yù)緊力：在連接中（連接的方式和用途是多樣的），在受到工作載荷之前，為了增強連接的可靠性和緊密性，以防止受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對滑移而預(yù)先施加的力。