基本介紹
- 中文名：超導磁體
- 外文名：Superconducting magnet
- 定義：用超導導線作勵磁線圈的磁體
- 套用：工業和科研上套用極廣
- 優點：升場、降場都方便、安全
- 缺點：在液態氦溫度下工作，成本較高
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發展歷程
自從1911年發現超導電性以來，研究人員就一直設法用超導材料來繞制超導線圈，即超導磁體。但初期令人失望的是，只通過很小的電流，超導磁體就失超了，即超導線圈從電阻為零的超導態轉變到了電阻相當高的正常態。直到1961年，孔茲勒(J.E.Kunzler)等人利用Nb3Sn超導材料，繞成了能產生接近9T磁場的超導線圈，揭開了超導磁體實際套用的序幕。高溫超導材料的發現，產生了具有高電流密度、高臨界溫度和高臨界場強的新型超導體。隨著高溫超導導線實用化的發展，及低溫冷卻技術得快速進步，高溫超導磁體已為磁體技術的發展掀開了新的一頁。
特點
超導磁體在很多方面都比常規磁體優越：
(1)超導磁體穩定運行時本身沒有焦耳熱的損耗，對於需要在較大空間中獲得直流強磁場的磁體，這一點尤為突出，可以大量節約能源，且所需的勵磁功率很小，也不需要常規磁體那樣龐大的供水和淨化設備。在核物理和高能物理研究中，已採用了大型的超導磁體作為核心部件。高溫超導磁體在這方面的意義更加明顯。
(2)超導材料可以有很高的電流密度，因此超導磁體體積小，重量輕，而且可以較容易地滿足關於高均勻度或高磁場梯度等方面的特殊要求。
(3)如果並接上超導開關，使超導磁體工作在持續電流狀態，則可以得到極其穩定的磁場，且原則，上可以不需要再追加電能，避免了普通磁體每時每刻都要消耗大量電能。
(4)小型超導磁體的製作和使用都很方便，中小型超導磁體已成為很多實驗室的基本設備。
超導磁體系統
超導磁體系統分為傳統的圓柱形超導磁體和開放式超導磁體兩種。傳統型超導磁體根據場強的不同主要分為1.5T和3.0T兩個檔次，其中1.5T是主流磁體，3.0T磁體的使用最逐年遞增。開放式超導歐體主要有1.0T和1.2T這兩種場強。超導磁體系統也是由主磁場產生單元、勻場單元以及製冷單元等組成。其中主磁場產生單元由超導主線圈和超導磁禁止線圈組成，勻場單元由超導勻場線圈或無源勻場貼片等組成，製冷單元包括杜瓦，冷屏及冷頭等。
這是比較早期的磁共振超導磁體結構特點，經過十幾年的發展，磁體線圈和磁體總體結構都發生了比較顯著的變化，線圈設計越來越緊湊，使得磁體總長度可以越來越短。這樣可以提高患者掃描時的舒適度，減少患者思幽閉症的情形。同時還使得磁體成本顯著降低，從而能夠促進做共振整體設備價格下降，使磁共振的套用更加廣泛。磁共振超導磁休已經不再使用液氦來做1級冷卻層。國際主流的零蒸發超導磁體從外到內只有外部真空層，熱輔射禁止層，液氦容器，然後就是主線圈和線圈骨架。其中熱輻射屏敝層用4K冷頭的一級冷卻，液氮罐用冷頭二級冷卻，做體在醫院使用已經不用定期加注液氦，大大節省了磁共振設備的運行費用。
超導磁體儲能
超導磁體儲能在電力系統中的套用首先是由Ferrier 在1969年提出的。最初的構想是為了滿足法國電力系統的調節負荷變化的需要。在20世紀70年代，製作一個超導線圈比製作一個電力電子裝置容易。1974 年，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室研製出了第一個可以運行的帶三相逆變器的超導磁體儲能系統。超導磁體儲能的原理是利用超導線圈直流電流產生的磁場儲存能量，為了減少能量損耗，儲能線圈需由超導材料製成並將其浸沒在液態的氮或氦中。超導線圈的關鍵技術是其製造和冷卻。
因為不需要能量轉換，超導磁體儲能與機械式儲能裝置相比具有很好的動態特性，其回響時間為秒級。此外，由於實際上線圈無電阻，因此超導磁體儲能可以產生非常高的功率，並且也具有非常高的效率。然而如果線圈中存在交流電流分量，即使其很小也會對超導線圈造成損耗。由上述超導磁體儲能的特徵可以看出，超導磁體儲能非常適合。
套用
高溫超導線圈既可作為裝置的繞組，又可直接構成磁體，還可用作電感。超導磁體一般是指用超導導線繞制的能產生強磁場的超導線圈，作為裝置還包括其運行所必要的低溫恆溫容器。超導磁體與普通永磁體、常規導線電磁體相比，具有非常大的優勢。一般永磁體兩極附近的磁場在幾千高斯以內，要想再提高它的磁場強度非常困難。電磁鐵是用絕緣銅線或鋁線繞在鐵芯上製成的磁體，它在產生強磁場時，因需要線上圈中通入很大的電流，而產生高溫，放出巨大熱量。由於磁體電阻和磁路損耗，大量電能因轉化為熱能而被浪費。利用常規導體要得到較強磁場，就得利用導磁率高的磁性鐵芯，或是增大線圈匝數和加大電流。然而磁性鐵芯的磁化特性有飽和極限且磁性鐵芯過重，難以在大範圍內產生穩定的強磁場，且增加線圈匝數會使增大體積和重量，同時亦無法在小空間範圍內，高效地形成較強磁場。電磁體磁場越強，消耗電能越多，電磁體溫度也越高，這將導致銅、鋁導線或絕緣體的熔化，給強磁場的套用帶來限制。
