王蓉
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摘要：超导现象早在1911年就为世人所知。其以优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题。
关键词：超导；冷却；失超
引言：
1908年荷兰物理学家卡麦林-昂尼斯液化氦气成功，从而使人们首次获得4.2K的低温。1911年卡麦林·昂尼斯发现汞在低温下具有“零”电阻的“超导电性”，从而开创了超导新纪元。超导技术是近40年发展起来的高技术，它在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域都有着重要的现实意义和巨大的发展前景。许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向。我国自20世纪60年代末即开始超导技术的研究，经30多年的努力，在超导磁体技术及其应用、超导材料研究、超导电子学以及超导基础研究方面都取得很大成绩。
1、超导材料
1.1低温超导材料
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。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi 超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn 超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb 及NbN 薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于TC 低，必须在液氦温度下使用，费用昂贵，因此应用受到限制。我国自1964年即开始研制低温超导材料NbZr和NbTi。当时以中国科学院物理研究所和原冶金工业部北京有色金属研究院为主，前者着重于材料基础理论研究，后者以材料试制生产为主。1970年前后国内开始用气相沉积和扩散法研制Nb3Sn带材以及研制多芯NbTi复合线材，1972年开始研究V3Ga材料。随后，还开始研究高性能超导材料Nb3Ge、Nb3(AlGe)和PbMoS等。自1986年高温超导体发现以后，我国主要超导材料研究队伍都转向从事高温超导材料的研究，低温超导材料研究基本上处于停顿状态。2003年西北有色金属研究院等组建了西部超导材料科技有限公司，计划进一步生产、开发铌钛超导材料、铌三锡超导材料和高温超导材料等。
1.2高温超导材料
具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K）＞50T），能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场，可用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万～6万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高5～10倍达1兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%；可用于磁流发电机，利用高温导电性气体作导体，并高速通过5万～6万高斯强磁场而发电，而且这种发电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点；可利用超导输电线路，利用超导导线和变压器可以几乎无损耗地输送电能，据统计，按目前情况，如果将铜或铝导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超导材料在这些方面的应用是最诱人的。电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等; 抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。目前，超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。
2、超导磁体的冷却
2.1浸泡冷却法
浸泡冷却即利用液体或者气态媒介，如液氮、液氦、冷氦气等将磁体整体浸泡在此类媒介中，获得与媒介相同的温度。这种浸泡制冷方式制冷速度比较快，但受到媒介的获取、储存、运输等诸多限制，不适合在野外使用。另外，由于低温容器、电流引线的漏热不可避免，液氦会不断地被蒸发消耗，因些需定期补充液氦。而补充液氦是一项较烦琐、技术性较强的工作，其价格也较昂贵。因此利用液氦浸泡制冷已经逐渐被传导制冷所取代。
2.2传导冷却法
由于小型制冷机技术的突破和高温超导电流引线的出现，近十来年传导冷却超导磁体接术得到了快速发展，目前在很多应用领域，传导冷却磁体已经或正在取代浸泡冷却磁体。传导冷却超导磁体系统主要由超导磁体、微型制冷机、低温容器、电流引线、磁体电源及控制部件组成，它与液氦浸泡冷却磁体系统的主要区别有：(1)冷源不同：传导冷却磁体系统靠制冷机冷头的冷量维持低温，而液氦浸泡冷却磁体系统是靠液氦的蒸发维持低温；(2) 低温容器结构不同：传导冷却磁体系统由于不使用液氦，其低温容器不设内胆，低温容器内的所有部件，包括超导磁体，都处在高真空中；另外，传导冷却磁体的容器一般设有冷屏，由一级冷头冷却，而液氦容器不一定有冷屏；(3) 电流引线不同：液氦浸泡冷却磁体的电流引线有冷氦气冷却，而传导冷却磁体系统内没有冷氦气，电流引线完全沿引线长度方向的热传导来散热，因此，完全由普通金属(或合金)构成的传导冷却电流引线的漏热比气冷引线大得多，传导冷却磁体技术发展初期引线漏热曾是难以逾越的障碍原因就在于此。现在电流引线采用高温超导体——铜二元结构，引线向二级冷头的漏热已可做到比气冷引线还低得多的水平。
3、失超现象
失超是超导磁体内电磁能迅速转化为热能的一种现象。失超过程会给磁体带来潜在危害，局部温升过高会烧坏磁体，层间电压过高会击穿绝缘材料，电流增长过大会导致过应力等等。超导磁体一般都会伴有失超现象的发生。因此人们采用各种方法来解决失超过程中的各种问题，给磁体提供保护，防止磁体受到不可恢复的损害。一般来讲，一个超导磁体的失超保护系统需要先明确采用主动保护方式还是被动保护方式。当然，也可以同时采用两种方式。两者的最主要区别在于是否依靠外部的保护电路．主动保护方式一般包括失超检测和启动保护两个步骤，而被动保护方式则只依靠磁体失超过程中自身电压来启动保护。
结语：
目前，超导磁体技术在我国已开始实现产业化，成立了如西部超导材料科技有限公司、英纳超导技术有限公司和海泰超导通讯科技(天津)有限公司等。我国在多个领域也已开发出或正在研制开发超导装置的实用化样机，如高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导限流器、超导储能装置和移动通信用的高温超导滤波器系统等，有的已投入实验运行。由于超导技术被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力，因此，对于超导产业而言，"十二五"期间，我国智能电网的全面建设将给该产业的发展提供良好的发展契机。
论文作者:王蓉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：超导论文; 磁体论文; 材料论文; 低温论文; 引线论文; 高温论文; 电流论文; 《防护工程》2018年第12期论文;