FABRICATION AND APPLICATION OF NbTi AND Nb3SN SUPERCONDUCTORS

铌 钛 (NbTi) 和 铌 锡 (Nb 3 Sn) 超 导 体 的 制 造 和 应 用 Helmut Krauth Vacuumschmelze GmbH & Co. KG,Grüner Weg 37,D-63450 Hanau, Germany 摘 要 : 超 导 体 可 使 电 流 处 于 无 电 阻 流 动 将 在 电 能 及 电 磁 工 艺 领 域 带 来 很 好 的 应 用 前 景 在 目 前 已 出 现 的 超 导 体 材 料 中, 只 有 铌 基 超 导 体 已 发 展 成 为 成 熟 的 产 品 应 用 于 电 磁 工 艺 领 域 的 技 术 超 导 体 几 乎 无 一 例 外 地 是 由 NbTi 合 金 和 Nb 3 Sn 复 合 物 构 成 这 里 将 描 述 这 类 超 导 体 的 设 计 和 制 造 工 艺, 它 们 的 性 能 和 应 用 1 引 言 超 导 性 是 于 1911 年, 也 就 是 在 氦 气 液 化 成 为 可 能 后 不 久 在 汞 中 发 现 的 目 前 已 发 现 上 千 种 超 导 材 料 但 是 实 际 上 只 有 铌 基 超 导 体 真 正 投 入 使 用 从 原 理 上 讲, 超 导 体 可 用 于 许 多 电 子 和 电 器 领 域, 但 由 于 它 们 必 须 被 冷 却 至 极 低 的 温 度, 其 实 际 应 用 主 要 因 冷 却 的 复 杂 性 和 成 本 而 受 到 限 制 铌 元 素 体 本 身 不 能 传 输 大 电 流, 从 而 仅 局 限 于 无 线 频 率 和 电 子 方 面 的 应 用, 诸 如 SQUIDS 对 电 流 和 磁 性 非 常 敏 感 的 传 感 器 为 使 铌 能 通 过 大 电 流, 铌 必 须 通 过 合 金 化 和 形 成 栓 塞 中 心 达 到 磁 性 硬 化, 从 而 能 传 递 大 电 流 这 在 NbTi 体 系 已 取 得 很 大 成 功 由 NbTi/Cu 复 合 材 料 制 成 的 多 丝 线 体 不 仅 在 目 前, 而 且 在 今 后 是 超 导 磁 性 工 艺 的 主 体 工 作 材 料 由 于 NbTi 的 可 用 性 仅 达 到 10T 的 磁 场, 另 一 种 铌 基 超 导 体 Nb 3 Sn 可 用 于 较 高 的 磁 场 其 突 出 的 超 导 性 得 益 于 被 称 为 A15 相 的 独 特 晶 体 结 构 由 于 金 属 间 相 Nb 3 Sn 非 常 脆 弱, 必 须 采 用 复 杂 的 加 工 工 艺 因 此 Nb 3 Sn 型 导 体 几 乎 专 门 用 于 10T 到 20T 的 磁 场 超 导 线 体 显 著 的 潜 在 应 用 领 域 是 电 能 和 高 磁 场 系 统 由 于 包 含 铌 基 的 金 属 超 导 体 需 冷 却 到 或 至 少 接 近 氦 的 液 相 线 温 度 (-269 或 4K), 其 在 能 量 方 面 的 应 用 不 是 成 功 的 但 这 可 能 将 随 着 被 称 之 为 高 温 超 导 陶 瓷 线 体 的 出 现 而 有 所 改 变 它 们 可 用 液 化 氮 冷 却 铌 基 超 导 线 体 的 应 用 领 域 目 前 和 今 后 在 于 为 不 同 的 成 熟 工 艺, 如 医 学 上 的 磁 性 共 振 成 像 (MRI), 生 物 及 化 学 上 的 核 磁 共 振 光 谱 (NMR), 核 融 解 动 力 工 艺 和 基 础 高 能 物 理 粒 子 加 速 器 的 磁 体 - 产 生 高 电 磁 场 2 铌 基 超 导 体 材 料 的 性 能 铌 表 现 出 最 高 的 元 素 临 界 温 度 和 在 9.2K 就 具 有 超 导 性 但 其 不 能 承 载 大 电 流 和 维 持 高 磁 场 钛 合 金 化 虽 不 能 降 低 T c, 但 却 能 使 其 磁 性 硬 化, 从 而 能 承 载 大 电 流 和 承 受 高 磁 场 当 今 商 用 标 准 合 金 是 NbTi w / 0 47, 其 Tc 是 9.6K, 4.2K 时 的 上 临 界 B c2 是 11T, 2K 时 是 14T 此 外, 根 据 NbTi 相 图, 通 过 恰 当 的 热 力 学 处 理, 靠 α-ti 沉 积, 电 流 栓 塞 中 心 可 以 被 引 入, 从 而 优 化 电 流 承 载 能 力

铌 基 A15 金 属 间 复 合 体 结 构 Nb 3 Sn 和 Nb 3 Al 同 NbTi 相 比 表 现 更 好 的 超 导 性 能 唯 一 的 商 用 复 合 材 料 Nb 3 Sn 的 T c 18K, 在 4.2K 时 的 B c2 可 超 过 25T, 但 要 起 决 于 精 确 的 化 学 成 分 和 微 观 结 构 加 入 钽 和 / 或 钛 可 显 著 增 加 Nb 3 Sn 相 的 高 磁 场 性 Nb 3 Sn 栓 塞 中 心 是 晶 粒 边 界, 只 有 精 细 的 晶 粒 微 观 结 构 才 能 获 得 高 电 流 流 通 密 度 图 1 总 结 了 商 用 NbTi 和 Nb3Sn 基 超 导 线 体 的 超 导 性 能 其 显 示 在 两 种 温 度 时 (4.2K 和 2K), 在 NbTi, 两 相 Nb 3 Sn, 三 相 (Nb, Ta)3Sn 和 四 相 (Nb, Ta, Ti) 3 Sn 中, 临 界 电 流 流 通 密 度 ( 即 最 大 可 能 电 流 流 通 密 度 ) 的 依 赖 性 由 于 在 技 术 上 有 意 义 的 最 低 Jc 值 是 几 个 104A/cm², 图 表 显 示 不 同 材 料 的 应 用 局 限 性 与 磁 场 的 函 数 关 系 3 导 体 设 计 和 制 造 工 艺 技 术 超 导 体 是 含 超 导 体 的 复 合 导 体, 细 分 为 所 谓 的 嵌 入 普 通 传 导 阵 列 它 是 获 得 电 磁 和 热 稳 定 性 所 必 须 的 每 一 种 暴 露 于 外 场 的 超 导 体 倾 向 于 将 其 与 外 场 屏 蔽 开 这 就 导 致 超 导 ( 衡 定 的 ) 屏 蔽 电 流 及 相 关 的 磁 场 和 场 能 任 何 电 流 流 通 量 变 化 ( 同 步 或 诱 导 的 ) 会 导 致 超 导 体 的 耗 散 和 加 热 由 于 低 温 下 的 热 容 很 小, 微 量 的 能 量 就 可 以 引 起 大 的 温 度 漂 移, 直 至 超 导 性 完 全 破 坏 而 终 止 避 免 这 种 不 稳 定 性 的 策 略 是 通 过 形 成 直 径 在 100 µm 以 下 的 细 丝 体, 减 少 可 利 用 的 磁 能 量 制 造 这 种 复 合 超 导 线 体 的 通 常 过 程 是 将 单 个 的 细 丝 体 以 大 尺 寸 堆 积 在 一 起, 采 用 冷 或 / 和 热 方 法 加 工 细 化 而 保 持 细 丝 体 的 排 列 规 则 形 状 和 连 续 性 不 变 至 少 一 个 需 要 的 步 骤 是 热 加 工, 以 获 得 一 个 好 的 复 合 材 料 单 个 体 的 冶 金 结 合 体, 继 而 可 以 均 匀 地 变 形 热 加 工 过 程 通 常 包 括 挤 拔 过 程 图 1 NbTi 和 Nb 3 S 超 导 体 临 界 流 电 流 通 密 度 与 磁 场 的 函 数 关 系 (4.2K 和 2K 不 同 温 度 对 应 的 曲 线 表 明 降 低 操 作 温 度 可 提 高 其 值 对 于 Nb 3 Sn, 通 过 钽 或 / 和 钛 合 金 化 可 获 得 改 进 此 图 还 显 示 了 陶 瓷 材 料 HTS/Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x 的 Jc 值, 表 明 其 高 磁 场 的 优 势 )

除 利 于 结 合 外, 挤 拔 使 得 各 单 体 以 小 坯 料 的 形 式 出 现, 容 易 装 配, 从 而 可 以 大 量 加 工 导 体 挤 拔 坯 料 的 典 型 尺 寸 是 直 径 150 到 250 mm, 有 效 长 度 600 到 800 mm, 即 单 体 重 量 100 到 250 kg 随 丝 体 直 径 的 不 同, 它 们 对 应 5 到 100 km 的 细 丝 并 不 是 所 有 的 阵 列 和 细 丝 体 材 料 的 结 合 都 适 合 技 术 超 导 体 的 制 作 例 如 纯 铝 同 Nb 或 NbTi 相 比 太 软, 而 找 不 到 一 可 行 的 加 工 过 程 另 一 方 面, 铜 和 铌 或 NbTi 比 较 匹 配, 一 起 加 工 是 可 能 的 事 实 上 Cu/NbTi 复 合 材 料 到 目 前 为 止 最 成 功 的 技 术 超 导 体 的 代 表 因 此 导 体 的 设 计 和 制 造 工 艺 须 要 合 理 地 调 整 以 适 应 高 质 量 的 导 体 为 生 产 Cu/NbTi 复 合 材 料, 有 几 种 坯 料 装 配 方 法 可 用 对 于 细 丝 体 量 少 的 ( 到 几 百 根 ) NbTi 棒 和 铜 管, 以 外 六 角 形 几 何 尺 寸 装 配 时, 可 以 在 外 坯 料 管 中 装 配 适 量 的 铜 片 用 来 填 充 细 丝 体 束 和 圆 形 铜 管 之 间 的 间 隙 ( 图 2a) 对 于 细 丝 体 量 大 的 六 角 形 同 心 导 体, 就 要 捆 绑 在 坯 料 管 内 当 细 丝 体 超 过 几 千 根 时, 六 角 形 变 得 很 小, 对 它 们 的 处 置 和 按 规 则 捆 绑 就 变 得 困 难 和 昂 贵 因 此 一 种 适 应 细 丝 体 量 大 的 新 方 法 是 两 阶 段 捆 绑 过 程, 而 六 角 形 堆 积 就 应 用 于 两 个 阶 段 ( 图 2) 图 2 NbTi/Cu 多 细 丝 导 体 样 品 ( 左 图 : 54 根 细 丝 标 准 导 体 ; 右 图 : 由 两 阶 段 集 束 工 艺 制 成 的 8670 根 极 细 丝 导 体 ) 处 于 最 终 规 格 的 线 体 必 须 表 现 出 高 的 临 界 电 流 流 通 密 度 在 NbTi 中 最 活 跃 的 栓 塞 中 心 是 延 长 的 标 准 传 导 α-ti 沉 积 体 线 体 加 工 过 程 包 括, 在 380~400 典 型 温 度 下, 总 的 100 小 时 典 型 热 处 理 时 间 内, 每 步 拉 拔 之 间 的 间 歇 热 处 理 为 了 获 得 图 1 给 出 的 临 界 电 流 流 通 密 度, 通 过 冷 加 工 大 范 围 压 缩 是 必 须 的, 从 而 获 得 高 临 界 电 流 流 通 密 度 所 须 的 最 佳 微 观 组 织 因 此, 对 于 NbTi, 上 面 提 到 的 大 坯 料 尺 寸 不 仅 是 为 获 得 更 长 的 长 度, 而 且 是 获 得 高 J c 值 所 必 不 可 少 的 为 优 化 J c, 而 采 用 的 热 挤 拔 以 及 热 处 理, 由 于 在 图 3 所 示 的 细 丝 体 表 面 形 成 硬 的 Cu-Ti 金 属 间 复 合 物, 也 可 以 对 J c 值 有 副 面 影 响 特 别 是 当 细 丝 体 直 径 小 于 10 µm, 生 成 的 金 属 间 颗 粒 导 致 其 面 积 沿 长 度 方 向 出 现 变 化 和 降 低 J c 值 为 减 少 和 避 免 这 种 副 作 用, 通 过 在 每 根 细 丝 体 周 围 应 用 铌 扩 散 障 碍 物, 从 而 使 用 同 芯 NbTi/Nb/Cu 元 素 于 堆 积 工 艺 中, 生 产 出 极

细 丝 NbTi 导 体 铌 的 厚 度 设 计 为 足 够 厚 大 以 防 范 金 属 间 化 合 物 形 成 降 到 多 细 丝 线 体 的 最 后 一 次 优 化 热 处 理 时 的 直 径 图 3 显 示 了 采 用 这 一 工 艺 获 得 的 细 丝 体 均 匀 一 致 性 的 改 进 显 然 Nb 3 Sn 导 体 因 为 A15 相 的 脆 性, 不 能 用 NbTi 导 体 生 产 的 方 式 生 产 然 而 另 几 种 用 于 多 细 丝 Nb 3 Sn 线 体 生 产 的 制 造 方 法 已 开 发 出 来 了 它 们 都 得 益 于 铌 优 异 的 延 展 性, 以 及 在 复 合 材 料 线 体 的 其 它 单 元 中 应 用 Sn 源, 用 于 后 续 的 扩 散 / 反 应 热 处 理, 获 得 Nb 3 Sn 在 内 置 锡 工 艺 中, 铌 细 丝 体 被 嵌 套 在 纯 铜 阵 列 中 锡 源 分 布 于 铜 阵 列 中, 就 象 以 纯 锡 或 含 有 少 量 铜 或 镁 的 锡 合 金 的 形 式 存 在 的 局 部 的 库 体, 以 硬 化 锡 和 优 化 反 应 热 处 理 特 性 Nb3Sn 相 是 在 一 序 列 热 处 理 后, 于 最 终 的 丝 体 直 径 时 形 成 的 如 果 在 复 合 材 料 中 锡 含 量 保 持 较 高 的 值, 这 一 工 艺 原 理 上 允 许 高 临 界 电 流 流 通 密 度 这 一 工 艺 的 缺 点 是 锡 ( 合 金 ) 的 低 硬 度 和 低 熔 点 由 于 锡 易 熔 化, 含 锡 复 合 材 料 热 挤 拔 是 不 可 能 的 因 此 在 复 合 材 料 中 元 素 的 冶 金 绑 定 方 式 不 是 最 好 的 除 了 与 复 合 材 料 中 的 其 它 元 素 相 比, 锡 ( 合 金 ) 的 低 硬 度 外, 这 还 在 线 体 拉 拔 和 后 续 的 破 口 时, 增 加 了 机 械 不 稳 定 的 趋 势 为 解 决 这 些 问 题 所 做 的 研 究 工 作 还 在 进 行 图 3 NbTi 细 丝 体 的 质 量 ( 左 图 : 无 含 硬 金 属 间 化 合 物 的 铌 障 碍 体 的 细 丝 体 ; 右 图 : 通 过 在 每 根 细 线 体 周 围 应 用 铌 障 碍 体 改 善 了 质 量 的 细 丝 体 ) 上 面 谈 及 的 问 题 在 青 铜 工 艺 中 可 以 避 免, 它 在 CuSn 固 溶 体 阵 列 中 使 用 铌 细 丝 体 由 于 锡 在 铜 中 的 溶 解 度 的 限 制, 锡 在 合 金 中 的 的 含 量 通 常 局 限 在 范 围 13 到 15 w / 0 内 为 了 提 供 足 够 的 锡, 一 个 CuSn 合 金 阵 列 与 铌 细 丝 体 的 面 积 比 提 高 到 3 是 必 要 的 这 表 明 同 内 部 锡 导 体 相 比, 青 铜 工 艺 的 导 体 的 总 临 界 电 流 流 通 密 度 偏 向 小 另 一 方 面, CuSn 合 金 的 硬 度 可 保 证 突 出 的 细 丝 体 质 量, 这 正 是 稳 定 磁 体 所 需 要 的 另 外, 通 过 以 这 种 方 式 重 新 分 配 CuSn 合 金, 以 致 细 丝 体 的 分 离 足 够 高, 在 反 应 阶 段 细 丝 体 搭 桥 就 可 以 避 免, 在 未 损 失 复 合 材 料 的

临 界 电 流 流 通 密 度 和 加 工 性 能 的 情 况 下 保 证 低 磁 滞 图 4 是 反 应 过 的 细 丝 体 区 域 有 和 没 有 搭 桥 的 例 子 通 常 在 青 铜 工 艺 和 内 置 锡 工 艺 中, 采 用 的 是 棒 / 细 丝 体 设 计 方 法 另 一 种 方 法 是 采 用 果 冻 卷 工 艺, 该 方 法 交 替 将 铌 和 铜 片 做 成 卷, 形 成 细 丝 体 束 该 方 法 的 一 种 变 种 是 改 进 的 果 冻 卷 工 艺, 它 用 一 种 延 伸 过 的 铌 格 栅 代 替 实 心 铌 片 果 冻 卷 方 法 既 可 用 于 青 铜 工 艺, 也 可 用 于 内 置 锡 工 艺 但 遗 憾 的 是 它 似 乎 难 以 进 行 大 批 量 处 理, 特 别 是 大 截 面 积 的 线 体 在 所 有 描 述 过 的 工 艺 中, 基 板 是 由 CuSn 青 铜 组 成, 或 转 化 为 CuSn 青 铜 在 最 后 一 步 热 处 理 过 程 中, 在 通 常 50~200 小 时 内, 温 度 大 约 是 650-700 C 时, 形 成 Nb 3 Sn 结 果 复 合 材 料 中 不 含 稳 定 化 的 铜 任 何 外 来 的 铜 必 须 以 分 隔 元 素 的 方 式 加 入 其 中, 并 且 靠 扩 散 障 碍 物 保 护 其 不 被 锡 侵 蚀 可 选 铌 和 钽 作 为 障 碍 物 材 料 一 般 经 常 采 用 铌 作 为 障 碍 物 材 料, 特 别 是 用 在 内 置 锡 型 导 体 中, 但 它 必 须 考 虑 到 在 细 丝 体 的 界 面 上 会 形 成 Nb 3 Sn 层, 这 将 增 加 临 界 电 流 流 通 密 度, 但 也 会 导 致 更 多 的 磁 化 和 磁 滞 损 失 以 及 磁 化 系 数 对 磁 通 量 跳 跃 的 敏 感 性 钽 作 为 障 碍 物 材 料 可 避 免 上 面 提 到 所 有 的 问 题 因 此 作 为 各 种 应 用 材 料 的 首 选 图 5 是 用 内 置 锡 法 和 青 铜 法 制 备 导 体 的 例 子 一 种 具 有 高 Jc 值 潜 力 和 免 除 对 额 外 障 碍 物 元 素 需 求 的 可 行 性 方 法 可 以 在 铌 管 工 艺 中 找 到 这 里 嵌 在 铜 基 板 中 的 铌 管 是 由 锡 源 以 锡 ( 合 金 ) 或 NbSn 复 合 物 粉 体 ( 如 NbSn2) 的 形 式 填 满 在 反 应 热 处 理 过 程 中, 从 铌 管 的 内 部 和 充 当 扩 散 障 碍 物 的 外 部 形 成 一 层 Nb3Sn 这 种 方 法 能 得 到 高 临 界 流 通 密 度 的 线 体, 但 也 使 细 线 体 的 直 径 变 大, 从 而 不 易 具 有 大 规 模 处 理 线 体 的 能 力 和 用 于 工 业 化 生 产 图 4 反 应 热 处 理 后 的 青 铜 Nb 3 Sn 导 体 的 细 丝 体 区 域 横 截 面 视 图 [ 反 应 的 Nb 3 Sn 层 和 未 反 应 的 铌 核 可 清 晰 地 区 分 开 ( 细 线 体 直 径 约 为 4 µm); 左 图 : 在 反 应 时 由 于 细 线 体 区 域 的 生 长, 在 一 束 内 出 现 丝 线 体 共 生 ; 右 图 : 采 取 大 的 细 线 体 空 位, 避 免 细 线 体 共 生 ]

图 5 Nb 3 Sn 多 细 线 体 导 体 的 例 子 ( 左 图 : 内 置 锡 导 体 每 一 束 均 由 一 个 锡 源 和 一 个 被 扩 散 障 碍 物 包 围 的 细 线 体 区 域 组 成 整 个 排 列 被 嵌 在 一 个 铜 阵 列 中 ; 右 图 : 青 铜 导 体 由 许 多 嵌 在 被 扩 散 障 碍 物 和 障 碍 物 外 面 的 铜 稳 定 剂 包 围 的 青 铜 阵 列 中 的 细 线 体 束 组 成 ) 4 超 导 体 的 应 用 以 铌 为 基 础 的 导 体 做 成 线 材 电 缆 和 复 杂 结 构 的 导 体 ( 包 括 强 化 组 元 和 液 氮 冷 却 通 道 ) 已 经 成 为 高 磁 场 领 域 必 不 可 少 的 工 具 导 体 的 设 计, 如 其 复 杂 性 和 流 量 承 载 能 力 极 大 地 依 赖 于 专 门 的 用 途, 如 磁 场 水 平, 规 格 和 几 何 尺 寸 最 突 出 的 用 途 是 医 疗 诊 断 上 的 磁 性 共 振 成 像 技 术 (MRI) 在 医 疗 器 械 领 域, 超 导 体 已 经 开 辟 出 约 2.5 B$ 的 市 场 第 二 个 重 要 用 途 是 核 磁 共 振 (NMR) 的 光 谱 技 术, 基 于 相 同 的 物 理 原 理, 即 原 子 核 的 磁 性 共 振, 当 一 个 原 子 与 其 周 围 的 原 子 出 现 化 学 粘 合 时, 能 够 被 分 析 出 来 当 光 谱 解 析 度 与 磁 场 一 起 增 加 时, NMR 需 要 越 来 越 高 的 磁 场 因 此 NMR 磁 体 是 Nb3Sn 导 体 的 最 有 前 途 的 市 场 超 导 磁 体 的 另 一 些 重 要 用 途 在 其 它 的 分 析 方 法 中 也 可 看 到, 如 电 子 顺 磁 共 振 (EPR), 离 子 回 旋 加 速 器 共 振 (ICR), 人 工 扫 描 分 析 系 统 光 谱 (MS) 以 及 实 验 室 应 用 等 超 导 磁 体 能 显 著 提 高 工 业 过 程 工 艺 如 单 晶 硅 生 长 和 磁 选 ( 分 离 ) 超 导 磁 能 储 存 (SMES) 可 提 供 能 源 储 存 更 好 的 方 法, 以 用 于 不 同 时 段 电 能 保 存, 改 善 用 户 的 供 电 质 量 与 电 能 有 关 的 另 一 个 应 用 领 域 是 核 融 解 电 能 不 仅 可 以 使 重 核 分 裂, 而 且 可 以 用 氢 同 位 素 氦 融 解 来 生 产 熔 融 反 应 只 能 发 生 在 非 常 高 的 温 度 下, 此 时 必 须 采 用 加 入 粒 子 的 等 离 子 体 该 等 离 子 体 必 须 包 容 在 高 磁 场 内, 该 高 磁 场 必 须 用 超 导 磁 体 产 生 最 后 但 不 是 最 不 重 要, 超 导 磁 体 还 需 大 规 模 的 基 础 研 究, 特 别 是 在 高 能 量 粒 子 物 理 方 面 事 实 上, 这 一 应 用 从 一 开 始 直 到 现 在, 超 导 体 技 术 一 直 是 发 展 的 驱 动 力 实 质 上 这 一 应

用 需 要 两 种 类 型 的 超 导 磁 体, 条 状 磁 体 用 于 弯 曲 和 集 中 加 速 的 粒 子 束, 大 探 测 器 磁 体 则 用 于 探 测 和 分 析 由 高 能 碰 撞 产 生 的 粒 子 超 导 体 最 重 要 的 用 途, 如 MRI NMR 核 熔 融 和 高 能 物 理, 将 在 下 面 作 更 详 细 的 描 述 4.1 磁 共 振 成 像 (MRI) MRI 在 医 药, 生 物 和 药 理 方 面 是 一 强 有 力 的 工 具 它 可 以 用 于 人 体 图 热 成 像, 当 然 也 可 用 于 其 它 动 物 和 食 品 等 物 体 的 热 图 成 像 与 基 于 CT( 计 算 机 X- 射 线 断 层 摄 影 术 ) 的 X 射 线 技 术 不 同, MRI 实 质 上 是 无 侵 害 的, 其 仅 涉 及 磁 场 和 无 线 电 频 率 场 所 须 磁 体 的 大 小 取 决 于 研 究 物 体 的 大 小 就 系 统 的 数 量 和 超 导 体 的 容 积 来 讲, 对 人 体 全 身 扫 描 仪 是 最 好 的 在 一 个 典 型 的 系 统 中, 磁 场 是 由 一 套 精 心 配 置 的 螺 旋 线 圈 产 生, 在 考 虑 的 容 积 内, 磁 场 是 均 匀 的 人 体 全 身 扫 描 仪 的 典 型 磁 场 水 平 在 0.5T 到 1.5T 之 间 该 磁 场 必 须 非 常 稳 定, 不 随 着 时 间 变 化 (<1 ppm/h) 因 此 磁 体 是 以 稳 定 的 方 式 操 作 这 意 味 着 充 电 后, 磁 体 是 短 环 路 和 断 开 电 源, 即 超 导 线 体 沿 长 度 方 向 必 须 是 非 常 均 匀 的, 以 及 所 有 线 体 之 间 的 连 接 处 必 须 是 超 导 的 从 目 前 的 功 能 上 说, MRI (FMRI) 越 来 越 成 为 成 熟 的 诊 断 工 具 功 能 成 像 需 要 特 别 快 地 获 得 对 象 图 像, 而 图 像 的 产 生 需 要 较 高 的 磁 场, 典 型 的 磁 场 水 平 是 3T 到 4T, 但 也 有 磁 场 高 到 9T 的 系 统 FMRI 的 一 个 典 型 的 功 能 例 子 是 脑 成 像, 因 血 液 中 氧 的 含 量 不 同, 因 而 其 磁 特 性 不 同, 从 而 可 探 测 大 脑 的 活 动 有 趣 的 是, 现 在 有 一 些 活 动, 用 于 联 系 脑 FMRI ( 在 多 特 斯 拉 范 围 内 使 用 NbTi 基 磁 体 ) 和 MEG ( 磁 脑 描 述 法, 测 量 脑 内 的 细 电 流 ), 由 这 些 电 流 产 生 的 磁 场 强 度 是 ft (10-15 Tesla) 的 级 数, 是 采 用 基 于 铌 超 导 体 工 艺 的 SQUIDS( 超 导 量 子 界 面 装 置 ) 方 法 测 定 的 于 是 SQUIDS 和 铌 基 超 导 高 磁 场 磁 体 两 个 工 艺 在 中 性 成 像 中 汇 合 图 6 显 示 的 是 带 头 部 成 像 的 全 身 扫 描 的 外 视 图 图 6 也 显 示 了 采 用 超 导 体 的 典 型 线 状 几 何 尺 寸 其 结 构 设 计 相 对 比 较 简 单, 有 几 十 根 细 线 体 和 具 有 较 大 体 积 和 较 大 能 量 储 存 磁 体 所 需 要 的 相 对 大 的 铜 稳 定 剂 除 线 体 须 均 匀 外, 结 构 设 计 主 要 考 虑 的 是 成 本 当 铜 比 例 很 高 时, 通 道 中 线 体 设 计 方 法 ( 含 少 量 铜 的 预 制 细 线 体 焊 在 带 沟 槽 的 铜 面 内 ) 变 得 很 具 有 竞 争 力 4.2 核 磁 共 振 光 谱 (NMR) NMR 光 谱 在 化 学, 生 物 学, 医 学 和 材 料 研 究 领 域 已 成 为 有 力 的 分 析 工 具 例 如 在 MRI 方 面 研 究 原 子 核 的 磁 性 共 振 ; 在 NMR 光 谱 方 面, 被 研 究 的 某 一 同 位 素 共 振 线 的 光 谱 被 记 录 下 来 和 分 析, 可 以 得 到 试 样 中 分 子 结 构 的 信 息 NMR 光 谱 仪 被 化 学, 生 物 科 学, 生 物 医 学 公 司, 大 学 和 科 研 机 构 普 遍 采 用, 她 们 用 于 标 准 检 测 ( 如 质 量 控 制 ) 和 现 代 科 学 研 究 中

图 6 磁 共 振 成 像 (MRI) ( 左 图 : MRI 用 的 典 型 含 较 高 超 导 铜 体 ( 槽 嵌 线 式 WIC 1 到 2 mm 典 型 直 径 的 粘 合 体 ); 中 图 : 全 身 扫 描 仪 外 视 图 ; 右 图 : 头 部 成 像 ) 图 7 核 磁 共 振 图 像 [ 左 图 : NMR 磁 体 的 典 型 超 导 体 ( 从 底 部 到 上 部 是 NbTi 标 准 导 体, 带 内 部 / 外 部 铜 稳 定 剂 的 Nb 3 Sn); 右 图 : NMR 磁 体 低 温 保 持 器 ]

在 MRI 中 作 为 被 研 究 的 同 位 素 是 氢 核 ( 质 子 ) 共 振 频 率 取 决 于 线 性 磁 场 一 般 光 谱 仪 表 现 的 特 点 是 通 过 基 本 质 子 共 振 频 率, 而 不 是 它 的 磁 场 比 例 因 子 是 100 MHz 对 应 2.35T 随 着 磁 场 的 增 加, 不 仅 频 率 增 加, 来 自 不 同 化 学 环 境 里 的 核 的 线 分 离 也 增 加 这 意 味 着 分 解 度 随 磁 场 的 增 加 而 增 加 这 一 现 象 说 明 需 要 愈 来 愈 高 的 磁 场 趋 势 商 业 用 NMR 光 谱 的 范 围 现 在 300 MHz(7T)( 标 准 的 工 业 应 用 ) 和 900 MHz (18.8T)( 高 解 析 光 谱, 如 在 人 体 基 因 或 胶 丝 虫 ) 之 间 磁 场 达 到 400 MHz(9.4T) 以 上 时, 只 能 采 用 NbTi 导 体 对 于 500 MHz (11.8T) 和 更 高 磁 场 的 磁 体, 其 内 部 高 磁 场 部 分 采 用 的 是 Nb 3 Sn 导 体 制 成, 因 此 是 NbTi/Nb 3 Sn 的 复 合 体 ( 见 图 1) 图 7 显 示 的 是 NMR 光 谱 磁 体 和 用 于 插 入 试 样 具 有 垂 直 温 孔 光 谱 仪 的 低 温 保 持 器 用 的 典 型 导 体 4.3 核 熔 融 技 术 核 熔 融 为 今 后 电 力 生 产 提 供 了 另 一 种 选 择 能 量 的 主 要 来 源 是 两 个 氢 同 位 素 氘 和 氚 反 应 生 成 氦 和 中 子 质 子 携 带 大 部 分 能 量, 然 后 转 化 为 电 能 熔 融 反 应 发 生 在 非 常 高 的 温 度 下, 只 有 如 此, 物 质 才 能 以 加 入 的 粒 子 组 成 的 等 离 子 状 态 存 在 作 为 结 论, 等 离 子 是 不 能 置 于 一 容 器 内, 而 只 能 用 磁 场 约 束 在 过 去 几 十 年 中, 核 熔 融 反 应, 在 应 用 越 来 越 大 的 磁 体 系 统 的 大 规 模 熔 融 试 验 的 推 动 下, 向 前 发 展 着 目 前 正 用 现 有 的 几 个 超 导 磁 体 进 行 下 一 步 的 试 验, 以 便 得 到 更 经 济 的 熔 融 反 应 器 为 了 获 得 好 的 约 束, 熔 融 装 置 的 几 何 形 状 是 环 行 的, 只 有 这 样, 磁 场 的 磁 力 线 才 是 封 闭 的 为 形 成 磁 场 合 适 的 几 何 形 状, 对 两 种 形 状 进 行 了 研 究 : TOKAMAK 和 STELLARATOR TOKAMAK 是 一 脉 冲 机 器, 须 应 用 Nb3Sn 才 能 具 有 很 高 的 磁 场 ( 典 型 的 12T 到 3T) STELLARATOR 是 一 稳 定 状 态 的 机 器, 需 要 较 低 的 磁 场 约 6T, 为 此 NbTi 能 够 被 用 到 8T, 但 是 其 磁 体 系 统 的 几 何 结 构 比 较 复 杂 目 前 正 在 规 划 和 建 设 两 种 先 进 的 超 导 装 置, 分 别 是 TokamakITER (International Tokamak Engineering Reactor) 和 Stellarator W7X 由 于 这 些 装 置 的 尺 寸 原 因, 导 体 的 电 流 必 须 在 10kA 至 几 十 ka 的 范 围 内, 因 此 导 体 必 须 是 多 级 电 缆, 由 单 个 的 线 股 组 成 电 缆 被 包 在 一 个 外 保 护 套 内, 保 护 套 同 时 充 当 液 氦 的 通 道 和 加 强 体 以 抵 御 大 的 洛 伦 兹 力 图 8 显 示 了 W7X 用 的 NbTi 线 股 和 通 道 中 电 缆 导 体 (CiCC) 外 通 道 是 由 一 起 挤 拔 的 硬 合 金 制 成 图 9 显 示 了 ITER 用 的 线 股 和 CiCC 线 股 是 低 交 流 电 损 失 类 型 的 Nb3Sn 线 体 CiCC 有 一 个 中 心 冷 却 通 道, 用 于 去 除 交 流 电 损 失 残 留 物 该 通 道 是 用 特 殊 的 高 强 度 钢 制 成 4.4 高 能 粒 子 物 理 加 速 器 技 术 和 高 能 物 理 以 及 铌 基 超 导 体 实 际 上 已 紧 密 共 存 近 40 年 了 无 线 电 频 率 空 穴

是 当 今 被 用 来 提 供 粒 子 束 有 效 加 速 2, 而 NbTi 导 体 被 用 来 做 线 束 磁 体 在 探 测 器 磁 体 中 弯 曲 和 集 中 线 束, 探 测 器 内 粒 子 发 生 碰 撞, 被 碰 撞 产 生 的 粒 子 需 要 探 测 和 分 析 从 超 导 体 技 术 研 究 的 早 期 开 始, 这 些 用 途 就 充 当 着 技 术 发 展 的 动 力 例 如, 带 铌 扩 散 障 碍 体 极 细 丝 的 NbTi 导 体 技 术 的 发 展 就 与 加 速 器 磁 体 相 关 联 图 8 X7X 导 体 [ 左 图 : 基 本 的 NbTi 线 股 ( 直 径 0 57 mm); 右 图 : 带 铝 合 金 通 道 (16 x 16 mm²) 的 CiCC] 图 9 ITER 导 体 [ 左 图 : 基 本 的 Nb 3 Sn 线 股 ( 直 径 0.8 mm); 右 图 : 带 中 心 冷 却 通 道 和 特 殊 钢 通 道 (50 x 50 mm²) 的 CiCC] 已 经 建 成 的 几 个 大 超 导 加 速 器, 现 处 于 成 功 的 运 转 之 中 目 前 更 大 的 加 速 器 / 对 撞 机, 大 强 子 对 撞 机 --LHC, 正 在 瑞 士 的 日 内 瓦 建 设 中 在 这 台 机 器 中, 两 束 质 子 在 一 个 20 km 的 环 道 中, 以 相 反 的 方 向 加 速 加 速 后 这 两 束 质 子 发 生 碰 撞 在 碰 撞 区 域 安 装 了 粒 子 探 测 器 系 统, 其 包 含 有 大 的 超 导 磁 体 线 束 磁 体 系 统 由 1230 偶 极 磁 体 ( 长 15 m), 四 极 磁 体 ( 长 5 m) 和 几 千 个 更 小 的 超 导 磁 体 构 成 图 10 显 示 了 作 为 偶 极, 超 导 电 缆 的 交 叉 部 分 扁 状 电 缆 轻 轻 地 键 住, 可 以 与 线 圈 的 几 何 形 状 更 好 地 匹 配 它 由 26 股 直 径 约 1 mm 的 线 体 组 成 每 一 股 有 8670 根 直 径 为 7 µm 的

细 线 体 在 9T 和 1.9K 的 条 件 下, 电 缆 可 承 载 15 ka 以 上 的 电 流 需 要 的 材 料 总 量 是 470 吨 NbTi 坯 和 26 吨 铌 片 图 10 用 于 LHC 偶 极 的 超 导 电 缆 [ 由 26 股 直 径 为 1.06 mm 的 线 体 组 成, 每 股 线 体 含 8670 根 直 径 为 7µm 的 细 丝 体 ( 图 2 右 )] 图 11 用 于 ATLAS 探 测 器 的 超 导 电 缆 ( 由 38 股 直 径 为 1.3 mm 的 线 体 组 成, 线 体 与 纯 铝 一 同 挤 拔 成 形, 外 观 尺 寸 是 57 x 12 mm², 在 5T, 4.2K 的 临 界 电 流 量 为 60 ka) 在 环 线 的 两 个 位 置, 将 安 装 有 超 导 磁 体 的 探 测 器 (ATLAS, CMS) 区 域 用 于 Atlas 环 行 磁 体 系 统 的 导 体 示 于 图 11, 它 是 一 种 包 含 有 38 股 NbTi/Cu 的 扁 平 电 缆 该 电 缆 与 超 纯 铝 一 起 挤 拔 成 形, 以 起 到 电 性 稳 定 和 淬 火 保 护 的 作 用 之 所 以 选 用 铝 是 因 为 在 工 作 温 度 和 磁 场 下 它 的 残 留 电 阻 很 低, 以 及 要 检 测 和 穿 越 磁 体 线 圈 的 粒 子 几 乎 是 清 晰 的 5 结 论 铌 基 NbTi 和 Nb 3 Sn 超 导 体 已 经 成 为 工 业 生 产 和 科 研 所 需 高 磁 场 必 不 可 少 的 工 具, 并 且 已 经 达 到 半 成 品 材 料 (NbTi 作 为 小 坯 和 棒 材, 纯 铌 或 铌 合 金 为 棒 材 和 片 状 ) 所 需 的 高 工 艺 标 准 每 年 对 NbTi 需 求 量 是 几 百 吨, 对 铌 的 需 求 量 是 几 十 吨 关 于 线 体, 由 于 电 缆 和 成 品 导 体 已 成 熟, 部 分 复 杂 的 生 产 工 艺 已 经 开 发 出 来, 因 此 可 以 满 足 不 同 应 用 的 需 求 参 考 文 献 (1) B. Seeber, ed., Handbook of Applied Superconductivity, (Bristol, UK: IoP Publishing

1998) (2) D. Proch et al. Niobium in Superconductivity RF Cavities, this book ( 钢 铁 研 究 总 院 袁 集 华 译 )