它催生过众多诺奖 也早已影响了你生活的方方面面


?科学庭院

问:磁悬浮列车,医院磁共振成像MRI,高能粒子碰撞器和“人造太阳”的共同特征是什么?

答:超导磁铁!

395e-iakuryy0108588.jpg日本超导磁悬浮车

bdf7-iakuryy0108667.jpg 1.5T医用核磁共振

31b5-iakuryy0108837.jpg欧洲大型强子对撞机

c330-iakuryy0108946.jpg中国聚变工程试验堆(CFETR)

这些作品愿意工作。 )

今天我们在谈论它的故事。

超导磁体的发展历史

超导磁体通常是指由超导线缠绕的电磁体。 (如果你不了解超导伙伴,你可以在这里戳:人类超导发现的历史)

1911年,荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes发现了汞的超导性,并提出了使用超导线缠绕电磁铁的想法。然而,由于超导材料和制造技术的限制,G.B直到1955年才使用第一超导磁体.Yntema用绞合线缠绕并且在4.2K的温度下获得0.7T磁场。

1961年,J.E.Kunzler等人。使用Nb3Sn超导材料形成能够产生接近9T的磁场的超导线圈,这开启了超导磁体实际应用的前奏。 1986年,Georg Bednorz和KarlMüller发现的高温超导性彻底改变了科学和工程及其他相关领域研究人员对超导性的理解,并开辟了具有更高磁场强度的超导磁体的构造。新窗户。

2017年,美国的强磁场宣布,他们生产的全超导磁体的磁场强度成功达到32T(其中低温超导产生15T磁场和高温超导产生17T磁场)。 2019年,他们更进一步,将14.4T高温超导插补线圈插入31.1T水冷磁铁背景磁铁,在线圈中心产生45.5T的磁场强度,创造了一个新的世界记录稳态强磁场,显示高温超导磁体的光明前景。

强磁场的使用可以揭示许多现象的性质,例如物理,化学和生物现象。据统计,与强磁场有关的国际研究成果已获得19项诺贝尔奖,其中包括1项医学奖,5项化学奖和13项物理奖。因此,越来越多的国家和科研机构正在制定设计和制造能够产生更高场强的磁铁装置的计划。

8bf1-iakuryy0109010.jpg超导磁体的发展历史

超导磁铁在哪里?

超导磁体可以产生比普通永磁体和传统导体电磁体更大的磁场。通常,永磁体磁极附近的磁场在几千高斯之内,并且很难增加其磁场强度。传统的电磁铁是由绝缘铜线或缠绕在铁芯上的铝线制成的磁铁。当产生磁场时,在线圈中产生高电流以产生高温,这释放出大量的热量并限制了传统的电磁。铁产生较大的磁场,其磁场强度通常不超过2T。在超导磁体中,超导线在超导状态下运行,并且在线内没有电阻。与普通导线相比,超导导线可以产生更大的电流,从而可以产生更强的磁场,并且目前生产的超导磁体最高。磁场强度达到32T。

f39a-iakuryy0109081.jpg传统的电磁铁是由绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁铁。

此外,超导磁体在许多方面优于传统电磁铁:

1.当超导磁体稳定运行时,不会损失焦耳热。对于需要在大空间中获得稳态磁场的磁体尤其如此。它可以节省大量的能源,所需的电力很小。需要大型供水和净化设备作为传统磁铁;

2.超导材料可以具有高电流密度,因此超导磁体体积小,重量轻,可以很容易地满足高均匀性或高磁场梯度的特殊要求;

3.当超导磁体在连续电流状态下工作时,可以获得极其稳定的磁场,并且原则上不需要额外的电能,并且仅需要一部分电能来维持低温系统。

4d2e-iakuryy0109308.jpg超导磁体结构

如何保持超导低温状态?

超导磁体只能在其临界温度下工作。

超导磁体冷却方法分为两种类型:浸入式冷却和传导冷却。

浸没冷却的方法通常将超导磁体置于低温冷却剂中,并通过使用低温冷却剂将超导磁体冷却至超导状态,并且主要低温冷却剂包括液氦(4.2K),液体氢(13.9K)和液氮(77K)等。由于采用液体冷却方法,这种超导磁体也称为湿式超导磁体;

传导冷却利用低温冰箱中的冷头通过传导直接冷却超导磁体。所使用的低温制冷机主要包括GM制冷机和脉冲管制冷机,该磁铁也称为干式超导磁铁。 p>

零蒸发冷却是浸入式冷却的一种特殊形式。超导磁体浸入低温冷却剂中。在磁体内部产生的热量将液体冷却剂转换成气态,然后通过低温制冷器将冷却剂从气态转换为液态。实现低温冷却剂的回收。

有一天可能会实现室温超导!

自超导电性发现以来,超导体的临界转变温度不断提高。目前,超导材料的转变温度在常压下已增加到135K。

氢基材料的超导临界温度增加到250K(减去23.15℃)。如果在室温下实现超导并且可以普遍应用,这是一个令人兴奋的历史时刻,因为这意味着节省了大量的能量。

然而,在实验室中实现超导性是一回事,但在实践中使用它可能是另一回事。

目前用于缠绕超导磁体的超导材料包括低温超导材料NbTi和Nb3Sn,以及高温超导材料Bi2212,Bi2223,YBCO和MgB2。由于超导材料上的临界磁场的限制,NbTi通常应用于低于10T的磁体。 Nb3Sn线用于23T以下的磁铁。如果要进一步提高超导磁体的磁场强度,只能使用高温超导材料进行缠绕。理论上,它可以形成的最高磁场可以达到90T以上。一般的超导磁体由多种材料制成。例如,由美国高级实验室开发的32T全超导磁体由15T低温超导磁体(NbTi和Nb3Sn线圈)和17T高温超导磁体(YBCO线圈)组成。

4c92-iakuryy0109377.jpg超导体转变温度继续升高

a7da-iakuryy0109473.jpg美国高场实验室32T全超导磁体

什么是“高大”?

超导磁体通常在操作中称为“淬火”,并且顾名思义,超导状态丢失。在超导磁体的内部干扰源(AC损耗,线移动和磁通跳跃等)的作用下,超导磁体将不可避免地出现淬火。当超导磁体超时时,超导磁体中的传输电流被分流到超导线中的稳定基体(铜)中,产生大量的焦耳热,并且超导磁体存储的能量瞬间释放以热的形式。因此,保护系统在超导磁体的淬火期间被激活,并且大量的低温冷却剂被喷射在大量气体中以形成非常壮观的场景。

淬火是超导磁体操作中非常普遍的现象。当制造超导磁体时,它将经历多次淬火以改善磁体的性能。我们称这个过程为淬火效应。

4355-iakuryy0109525.jpg超导磁体淬火

将来,超导磁体不能分离

回到问题的开始:电悬浮磁悬浮列车中使用的线圈由超导磁体组成;医院使用的核磁共振设备主要使用超导磁体;大型强子与神粒子的发现相撞机器(LHC)由1232个双极磁铁和392个四极磁铁组成,它们是由NbTi线缠绕的超导磁铁;即使是尿布的发明也与颗粒对撞机(现代尿液)不相容,不润湿,并且有颗粒加速器的帮助!);中国参与国际热核实验反应堆(ITER)计划将开发清洁无污染的核聚变能,最关键的部件是大型超导磁体。

931b-iakuryy0109596.jpg大型强子对撞机

2f60-iakuryy0109687.jpg国际热核实验反应堆(ITER)

通常,超导磁体由于其低能耗,小尺寸,重量轻和良好的磁场质量而广泛用于高场磁体,高能粒子加速器,医学磁共振成像(MRI),生物学和材料中。研究核磁共振光谱仪(NMR)和质谱仪,以及磁约束核聚变和其他设备。超导磁体似乎“高高在上”,远离每个人的生活,事实上,它已经影响了我们日常生活的方方面面。

在未来,随着超导磁体的发展,我们期望能够使用无穷无尽的聚变能量,坐在磁悬浮列车上,速度达到每小时1000公里.

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