超导磁体

电磁体

超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，具有很强的实用价值。在工业和科研上应用极广，但它必须在液态氦温度下工作，成本较高。

发展历程

自从1911年发现超导电性以来，研究人员就一直设法用超导材料来绕制超导线圈，即超导磁体。但初期令人失望的是，只通过很小的电流，超导磁体就失超了，即超导线圈从电阻为零的超导态转变到了电阻相当高的正常态。直到1961年，孔兹勒(J.E.Kunzler)等人利用Nb3Sn超导材料，绕成了能产生接近9T磁场的超导线圈，揭开了超导磁体实际应用的序幕。高温超导材料的发现，产生了具有高电流密度、高临界温度和高临界场强的新型超导体。随着高温超导导线实用化的发展，及低温冷却技术得快速进步，高温超导磁体已为磁体技术的发展掀开了新的一页。

特点

超导磁体在很多方面都比常规磁体优越：

(1)超导磁体稳定运行时本身没有焦耳热的损耗，对于需要在较大空间中获得直流强磁场的磁体，这一点尤为突出，可以大量节约能源，且所需的励磁功率很小，也不需要常规磁体那样庞大的供水和净化设备。在核物理和高能物理研究中，已采用了大型的超导磁体作为核心部件。高温超导磁体在这方面的意义更加明显。

(2)超导材料可以有很高的电流密度，因此超导磁体体积小，重量轻，而且可以较容易地满足关于高均匀度或高磁场梯度等方面的特殊要求。

(3)如果并接上超导开关，使超导磁体工作在持续电流状态，则可以得到极其稳定的磁场，且原则，上可以不需要再追加电能，避免了普通磁体每时每刻都要消耗大量电能。

(4)小型超导磁体的制作和使用都很方便，中小型超导磁体已成为很多实验室的基本设备。

超导磁体系统

超导磁体系统分为传统的圆柱形超导磁体和开放式超导磁体两种。传统型超导磁体根据场强的不同主要分为1.5T和3.0T两个档次，其中1.5T是主流磁体，3.0T磁体的使用最逐年递增。开放式超导欧体主要有1.0T和1.2T这两种场强。超导磁体系统也是由主磁场产生单元、匀场单元以及制冷单元等组成。其中主磁场产生单元由超导主线圈和超导磁屏蔽线圈组成，匀场单元由超导匀场线圈或无源匀场贴片等组成，制冷单元包括杜瓦，冷屏及冷头等。

这是比较早期的磁共振超导磁体结构特点，经过十几年的发展，磁体线圈和磁体总体结构都发生了比较显著的变化，线圈设计越来越紧凑，使得磁体总长度可以越来越短。这样可以提高患者扫描时的舒适度，减少患者思幽闭症的情形。同时还使得磁体成本显著降低，从而能够促进做共振整体设备价格下降，使磁共振的应用更加广泛。磁共振超导磁休已经不再使用液氦来做1级冷却层。国际主流的零蒸发超导磁体从外到内只有外部真空层，热辅射屏蔽层，液氦容器，然后就是主线圈和线圈骨架。其中热辐射屏敝层用4K冷头的一级冷却，液氮罐用冷头二级冷却，做体在医院使用已经不用定期加注液氦，大大节省了磁共振设备的运行费用。

超导磁体储能

超导磁体储能在电力系统中的应用首先是由Ferrier 在1969年提出的。最初的设想是为了满足法国电力系统的调节负荷变化的需要。在20世纪70年代，制作一个超导线圈比制作一个电力电子装置容易。1974 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研制出了第一个可以运行的带三相逆变器的超导磁体储能系统。超导磁体储能的原理是利用超导线圈直流电流产生的磁场储存能量，为了减少能量损耗，储能线圈需由超导材料制成并将其浸没在液态的氮或氦中。超导线圈的关键技术是其制造和冷却。

因为不需要能量转换，超导磁体储能与机械式储能装置相比具有很好的动态特性，其响应时间为秒级。此外，由于实际上线圈无电阻，因此超导磁体储能可以产生非常高的功率，并且也具有非常高的效率。然而如果线圈中存在交流电流分量，即使其很小也会对超导线圈造成损耗。由上述超导磁体储能的特征可以看出，超导磁体储能非常适合。

应用

高温超导线圈既可作为装置的绕组，又可直接构成磁体，还可用作电感。超导磁体一般是指用超导导线绕制的能产生强磁场的超导线圈，作为装置还包括其运行所必要的低温恒温容器。超导磁体与普通永磁体、常规导线电磁体相比，具有非常大的优势。一般永磁体两极附近的磁场在几千高斯以内，要想再提高它的磁场强度非常困难。电磁铁是用绝缘铜线或铝线绕在铁芯上制成的磁体，它在产生强磁场时，因需要在线圈中通入很大的电流，而产生高温，放出巨大热量。由于磁体电阻和磁路损耗，大量电能因转化为热能而被浪费。利用常规导体要得到较强磁场，就得利用导磁率高的磁性铁芯，或是增大线圈匝数和加大电流。然而磁性铁芯的磁化特性有饱和极限且磁性铁芯过重，难以在大范围内产生稳定的强磁场，且增加线圈匝数会使增大体积和重量，同时亦无法在小空间范围内，高效地形成较强磁场。电磁体磁场越强，消耗电能越多，电磁体温度也越高，这将导致铜、铝导线或绝缘体的熔化，给强磁场的应用带来限制。

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