7月22日，韓國科研團隊在arXiv上發(fā)表了兩篇關(guān)于室溫常壓超導體（LK-99）的論文，引領(lǐng)了一股“室溫超導”風(fēng)暴。后續文章被撤稿，該事件被證實(shí)為“烏龍事件”，但大眾對常溫超導的期待不減反增。近年來(lái)室溫超導研究取得了一些重要突破，但仍存在許多難題待克服，常溫超導時(shí)代的來(lái)臨或許還需一段時(shí)間。

在超導領(lǐng)域，低溫超導和高溫超導的發(fā)展也持續突破。其中低溫超導目前應用最為廣泛，商業(yè)化較為成熟，高溫超導尚處在產(chǎn)業(yè)化早期階段，雖然國內研究超導的公司不少，但是真正能夠專(zhuān)業(yè)量產(chǎn)的公司并不多[1]。

二、超導：20世紀最偉大的科學(xué)發(fā)現之一

超導(superconductivity)，即“超級導電”，是20世紀最偉大的科學(xué)發(fā)現之一。1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝人拱l(fā)現，汞在﹣269℃時(shí)電阻會(huì )突然消失，而后他又注意到許多金屬與合金都具有類(lèi)似的特性，他將這種現象稱(chēng)為超導態(tài)，將呈現超導電性的材料稱(chēng)為超導體[2]。1913年，昂內斯又發(fā)現錫和鉛也具有超導性，同年他因為該研究被授予了諾貝爾物理學(xué)獎。

圖1."絕對零度先生"—?？恕た┝帧ぐ簝人梗℉eike Kamerlingh Onnes，1853.9.21－1926.2.21)荷蘭物理學(xué)家，超導現象的發(fā)現者，低溫物理學(xué)奠基人之一

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三、超導體的三大基本特性

圖2.超導體的兩個(gè)特性

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零電阻效應、邁斯納效應和約瑟夫森效應是超導體的三大基本特性。其中，零電阻效應和邁斯納效應是兩大主要特征，兩者缺一不可[1]。

（1）零電阻效應——導體在跨越臨界溫度成為超導體之后，會(huì )表現出電阻接近零的特性*。電流在流過(guò)導體時(shí)，根據焦耳定律會(huì )發(fā)熱，這部分的熱量會(huì )損耗電能。而超導體的電阻接近零，將不會(huì )出現這類(lèi)電能損耗。通俗來(lái)說(shuō)，若手機應用了超導技術(shù)，就不會(huì )出現充電發(fā)熱現象。（*在實(shí)驗中，若導體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認為電阻為零。）

（2）邁斯納效應——即完全抗磁性，超導體表面能夠產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，抵消了超導體內部的磁場(chǎng)，且始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導體區別于理想導體的關(guān)鍵。這一特性最大的用途是用來(lái)做磁懸浮。

（3）約瑟夫森效應——也稱(chēng)量子隧穿效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對可以穿過(guò)絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現象。利用這一特性可以用來(lái)制造超導計算機。

根據以上三個(gè)基本特性，超導體的應用主要分布在科研、醫療、能源、交通等多個(gè)領(lǐng)域。

圖3.中科離子自研超導回旋加速器

? 科研儀器：在粒子加速器中，超導線(xiàn)圈用來(lái)產(chǎn)生強大的磁場(chǎng)，用于加速和控制粒子的運動(dòng)。

? 醫療設備：超導磁體廣泛應用于核磁共振成像設備，幫助醫生獲取人體內部影像。

? 能源系統：超導可以用于制造無(wú)損耗的電力傳輸線(xiàn)路，提高電力系統效率。

? 交通工具：超導磁懸浮列車(chē)利用超導產(chǎn)生的強大磁場(chǎng)，實(shí)現列車(chē)與軌道之間無(wú)接觸的高速運行。

四、低溫超導VS高溫超導：區別的不僅僅是溫度

根據超導體轉變溫度的不同，超導體可分為低溫超導和高溫超導。在實(shí)用化超導領(lǐng)域，一般將轉變溫度在20K以下的稱(chēng)為低溫超導，20K以上的稱(chēng)為高溫超導[3]。

4.1 低溫超導

低溫超導主要材料為鈮基超導線(xiàn)材(NbTi和Nb3Sn)， 這些材料在接近絕對零度（﹣273.15℃）的時(shí)候可以變成超導體。常用低溫制冷劑為液氦，液氦是指氦氣在攝氏溫標﹣269℃*時(shí)轉變成的液體氦。（*攝氏溫標﹣269℃約等于熱力學(xué)溫標4k，或者是華氏溫標﹣452.5℉。）

低溫超導主要應用于加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振磁體、通用超導磁體等領(lǐng)域。

4.2 高溫超導

高溫超導主要材料包括鉍系(BSCCO)、釔系(YBC0)、二硼化鎂(MgB2)超導材料、鐵基超導材料等。這些材料在相對較高的溫度下（如液氮的沸點(diǎn)，約﹣196℃）可以變成超導體。

高溫超導的應用主要為電力電纜、磁懸浮、超導變壓器、直流感應加熱、大型加速器、可控核聚變等領(lǐng)域。

4.3 低溫超導VS高溫超導

? 低溫超導：技術(shù)成熟、穩定性好、但冷卻成本高；

? 高溫超導：冷卻成本低、但技術(shù)復雜，研發(fā)成本高；

目前，低溫超導已經(jīng)規模商業(yè)化，NbTi 超導線(xiàn)材用量占整個(gè)超導材料市場(chǎng)的 90%以上；高溫超導正逐步開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化[4]。

五、低溫超導的痛點(diǎn)：昂貴且稀有的液氦

在低溫技術(shù)領(lǐng)域有兩大制冷神器——液氦和液氮。液氦可達到絕對零度的低溫，即-273.15℃，而液氮的最低溫度僅有-196.56℃。由于臨屆溫度的需求，低溫超導常用的制冷劑就是液氦。

氦氣作為稀有氣體，獲取成本高，國內市場(chǎng)90%以上的氦氣依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格堪比黃金。氦氣同時(shí)也是國防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的戰略資源。我國氦氣主要依賴(lài)美國進(jìn)口，若美國停止了氦氣出口或增加了限制，將對我國的航天、工業(yè)、科研等領(lǐng)域造成巨大沖擊。相較而言，氮具有低成本，易獲取的絕對優(yōu)勢，這是因為氮氣屬于空氣中含量最多的氣體，同時(shí)液氮還是液氧制備的副產(chǎn)品，液氧需求量大，因此也造就了大量的液氮。

5.1 傳導冷卻：更優(yōu)的冷卻之選

傳導冷卻是一種無(wú)需低溫介質(zhì)（如液氮、液氦等）的制冷方式，直接通過(guò)制冷機對磁體進(jìn)行降溫，具有操作方便，長(cháng)期運行等優(yōu)勢。

圖4.傳導冷卻超導磁體結構示意圖[5]

六、超導磁共振：觸手可及的低溫超導應用

超導磁共振（MRI）是超導體的核心應用領(lǐng)域，1.5T以上的MRI主要使用低溫超導磁體，同時(shí)MRI也是氦用量最大的行業(yè)，其使用的液氦占據全球液氦用量的22%[6]。如何減少液氦使用量，降低對液氦的依賴(lài)，是MRI企業(yè)面臨的巨大挑戰，也是MRI技術(shù)領(lǐng)域需要迫切解決的問(wèn)題。
6.1 傳統液氦超導磁共振的劣勢

傳統液氦超導磁共振（MRI）液氦消耗成本高，有失超風(fēng)險。使用液氦超導磁體*的MRI，需將超導線(xiàn)圈浸泡于液氦中，液氦能夠迅速帶走超導線(xiàn)圈中的熱量，使其穩定在超導狀態(tài)；帶走熱量的同時(shí)，一部分液氦會(huì )汽化成氦氣，這部分氦氣在冷頭制冷下，重新轉化為液氦；因此，在超導磁體低溫容器內液氦與氣氦共存，氦在兩種狀態(tài)間處于動(dòng)態(tài)平衡。為了避免超導磁體低溫系統內進(jìn)入空氣而造成磁體故障，通常內部平衡的壓力稍高于外界壓力，內外壓力差使得氦氣會(huì )從磁體中少量溢出。（*超導磁體是指低溫下用具有高轉變溫度和臨界磁場(chǎng)特別高的第二類(lèi)超導體制成線(xiàn)圈的一種電磁體。）

若冷頭因斷電或其它原因停止工作超過(guò)一定時(shí)間，液氦將大量汽化，磁體腔體內的液氦變成氦氣，體積會(huì )膨脹739倍，導致磁體壓力上升；為保持磁體壓力，部分氦氣會(huì )通過(guò)失超管揮發(fā)到外部環(huán)境；當液氦損失超過(guò)一定程度，會(huì )引起失超，即主磁體線(xiàn)圈由超導體變?yōu)閷w，線(xiàn)圈中的電流瞬間消失，電磁能轉化為熱能，液氦大量揮發(fā)，磁場(chǎng)強度迅速下降[6]。

醫院MRI失超一次造成的損失包括[7]：
1. >50萬(wàn)的液氦費用；
2. >7天的停機時(shí)間和經(jīng)濟損失；
3. 其它檢修費用和聲譽(yù)損失。

6.2 無(wú)液氦磁共振新賽道

目前，全球多家超導MRI生產(chǎn)企業(yè)在積極探索無(wú)液氦超導磁共振技術(shù)的創(chuàng )新與突破。國內也有多家企業(yè)布局無(wú)液氦磁共振賽道。

無(wú)液氦超導磁共振使用傳導冷卻低溫超導磁體，無(wú)需使用液氦作冷卻劑，從根本上避免了超導磁共振“失超”的風(fēng)險，同時(shí)也具有安全性高、運輸方便、運維成本低、無(wú)地域限制、應用前景廣闊等多重優(yōu)勢。

安全性高——傳導冷卻低溫超導磁體不使用液氦，不論是在工作狀態(tài)、失超狀態(tài)還是室溫狀態(tài)，線(xiàn)圈始終在真空中，磁體內部沒(méi)有高壓容器，沒(méi)有低溫液體，其安全性較傳統超導磁體和少液氦超導磁體更高。

運輸方便、降低運維成本——傳統液氦低溫超導磁體因液氦的原因，需按照危險品的要求運輸；由于運輸過(guò)程中無(wú)法供電會(huì )造成較多液氦損耗，因此，對液氦低溫超導磁體的運輸時(shí)間、運輸方式、路徑選擇、安裝場(chǎng)地等方面都有較多限制，尤其對于海外客戶(hù)的運輸和裝機就更為復雜。而傳導冷卻超導磁共振設備可在常溫、無(wú)供電條件下運輸。對運輸要求的降低不僅會(huì )提高運輸效率，也極大降低運輸成本，安裝和維修也更加便捷。

無(wú)地域限制——傳導冷卻技術(shù)的超導磁共振設備無(wú)需補充液氦，這對一些不易獲取液氦的國家或地區更加友好。

中科離子7T傳導冷卻低溫超導磁體

日前，中科離子依托超導質(zhì)子回旋加速器中超導磁體研制經(jīng)驗，成功研制7T高場(chǎng)大孔徑低溫超導磁體并實(shí)現7.2T穩定運行，其性能在同類(lèi)型設備中處于領(lǐng)先水平。

中科離子低溫超導磁體技術(shù)可廣泛應用于科研、檢測、醫學(xué)裝備等領(lǐng)域，歡迎友商垂詢(xún)。

參考文獻

[1]倪雨晴.低溫超導產(chǎn)業(yè)化已較為成熟[N].21世紀經(jīng)濟報道,2023-08-09(011)

[2]侯新杰,王瑩.卡末林·昂內斯:超導物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng )者[J].物理教學(xué), 2012(4):3.DOI:CNKI:SUN:JXWL.0.2012-04-025.

[3]瞿立建.百年超導路，今朝抵室溫[J/OL].返樸,2021-02-05.

[4]邱祖學(xué)、孫二春、李挺.超導行業(yè)深度報告：下個(gè)十年，奔向超導產(chǎn)業(yè)發(fā)展的星辰大海[J/OL].民生證券，2023-08-11.

[5]Hanai S, Tsuchihashi T, loka S et al. Supercond. Sci. Technol., 2017, 24(4): 4602406.

[6]宋偉忠,尚貴錄,于多.淺淡超導磁共振機器在加充液氦時(shí)應注意的幾點(diǎn)問(wèn)題[J].醫療裝備, 2000, 013(005):55-55.

[7]李桂明,王永勝,肖翔,等. 1.5T核磁共振成像系統失超故障處理及整改總結[J]. 中國醫療器械雜志,2021,45(4):469-472. DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2021.04.026.