7月22日，韓國科研團(tuán)隊(duì)在arXiv上發(fā)表了兩篇關(guān)于室溫常壓超導(dǎo)體（LK-99）的論文，引領(lǐng)了一股“室溫超導(dǎo)”風(fēng)暴。后續(xù)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(dǎo)的期待不減反增。近年來室溫超導(dǎo)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(dǎo)時(shí)代的來臨或許還需一段時(shí)間。

在超導(dǎo)領(lǐng)域，低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的發(fā)展也持續(xù)突破。其中低溫超導(dǎo)目前應(yīng)用最為廣泛，商業(yè)化較為成熟，高溫超導(dǎo)尚處在產(chǎn)業(yè)化早期階段，雖然國內(nèi)研究超導(dǎo)的公司不少，但是真正能夠?qū)I(yè)量產(chǎn)的公司并不多[1]。

二、超導(dǎo)：20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一

超導(dǎo)(superconductivity)，即“超級導(dǎo)電”，是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。1911年，荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在﹣269℃時(shí)電阻會突然消失，而后他又注意到許多金屬與合金都具有類似的特性，他將這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)態(tài)，將呈現(xiàn)超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體[2]。1913年，昂內(nèi)斯又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也具有超導(dǎo)性，同年他因?yàn)樵撗芯勘皇谟枇酥Z貝爾物理學(xué)獎。

圖1."絕對零度先生"—海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853.9.21－1926.2.21)荷蘭物理學(xué)家，超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者，低溫物理學(xué)奠基人之一

資料來源：網(wǎng)絡(luò)

三、超導(dǎo)體的三大基本特性

圖2.超導(dǎo)體的兩個特性

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

（1）零電阻效應(yīng)——導(dǎo)體在跨越臨界溫度成為超導(dǎo)體之后，會表現(xiàn)出電阻接近零的特性*。電流在流過導(dǎo)體時(shí)，根據(jù)焦耳定律會發(fā)熱，這部分的熱量會損耗電能。而超導(dǎo)體的電阻接近零，將不會出現(xiàn)這類電能損耗。通俗來說，若手機(jī)應(yīng)用了超導(dǎo)技術(shù)，就不會出現(xiàn)充電發(fā)熱現(xiàn)象。（*在實(shí)驗(yàn)中，若導(dǎo)體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認(rèn)為電阻為零。）

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

（3）約瑟夫森效應(yīng)——也稱量子隧穿效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對可以穿過絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象。利用這一特性可以用來制造超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。

根據(jù)以上三個基本特性，超導(dǎo)體的應(yīng)用主要分布在科研、醫(yī)療、能源、交通等多個領(lǐng)域。

圖3.中科離子自研超導(dǎo)回旋加速器

? 科研儀器：在粒子加速器中，超導(dǎo)線圈用來產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，用于加速和控制粒子的運(yùn)動。

? 醫(yī)療設(shè)備：超導(dǎo)磁體廣泛應(yīng)用于核磁共振成像設(shè)備，幫助醫(yī)生獲取人體內(nèi)部影像。

? 能源系統(tǒng)：超導(dǎo)可以用于制造無損耗的電力傳輸線路，提高電力系統(tǒng)效率。

? 交通工具：超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場，實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間無接觸的高速運(yùn)行。

四、低溫超導(dǎo)VS高溫超導(dǎo)：區(qū)別的不僅僅是溫度

根據(jù)超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度的不同，超導(dǎo)體可分為低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)。在實(shí)用化超導(dǎo)領(lǐng)域，一般將轉(zhuǎn)變溫度在20K以下的稱為低溫超導(dǎo)，20K以上的稱為高溫超導(dǎo)[3]。

4.1 低溫超導(dǎo)

低溫超導(dǎo)主要材料為鈮基超導(dǎo)線材(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(dǎo)體。常用低溫制冷劑為液氦，液氦是指氦氣在攝氏溫標(biāo)﹣269℃*時(shí)轉(zhuǎn)變成的液體氦。（*攝氏溫標(biāo)﹣269℃約等于熱力學(xué)溫標(biāo)4k，或者是華氏溫標(biāo)﹣452.5℉。）

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

4.2 高溫超導(dǎo)

高溫超導(dǎo)主要材料包括鉍系(BSCCO)、釔系(YBC0)、二硼化鎂(MgB2)超導(dǎo)材料、鐵基超導(dǎo)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(dǎo)體。

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

4.3 低溫超導(dǎo)VS高溫超導(dǎo)

? 低溫超導(dǎo)：技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、但冷卻成本高；

? 高溫超導(dǎo)：冷卻成本低、但技術(shù)復(fù)雜，研發(fā)成本高；

目前，低溫超導(dǎo)已經(jīng)規(guī)模商業(yè)化，NbTi 超導(dǎo)線材用量占整個超導(dǎo)材料市場的 90%以上；高溫超導(dǎo)正逐步開始產(chǎn)業(yè)化[4]。

五、低溫超導(dǎo)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(dá)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(dǎo)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(nèi)市場90%以上的氦氣依賴進(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(zhàn)略資源。我國氦氣主要依賴美國進(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?yàn)榈獨(dú)鈱儆诳諝庵泻孔疃嗟臍怏w，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(dǎo)冷卻：更優(yōu)的冷卻之選

傳導(dǎo)冷卻是一種無需低溫介質(zhì)（如液氮、液氦等）的制冷方式，直接通過制冷機(jī)對磁體進(jìn)行降溫，具有操作方便，長期運(yùn)行等優(yōu)勢。

圖4.傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖[5]

六、超導(dǎo)磁共振：觸手可及的低溫超導(dǎo)應(yīng)用

超導(dǎo)磁共振（MRI）是超導(dǎo)體的核心應(yīng)用領(lǐng)域，1.5T以上的MRI主要使用低溫超導(dǎo)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(jù)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，是MRI企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)，也是MRI技術(shù)領(lǐng)域需要迫切解決的問題。
6.1 傳統(tǒng)液氦超導(dǎo)磁共振的劣勢

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

若冷頭因斷電或其它原因停止工作超過一定時(shí)間，液氦將大量汽化，磁體腔體內(nèi)的液氦變成氦氣，體積會膨脹739倍，導(dǎo)致磁體壓力上升；為保持磁體壓力，部分氦氣會通過失超管揮發(fā)到外部環(huán)境；當(dāng)液氦損失超過一定程度，會引起失超，即主磁體線圈由超導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)體，線圈中的電流瞬間消失，電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，液氦大量揮發(fā)，磁場強(qiáng)度迅速下降[6]。

醫(yī)院MRI失超一次造成的損失包括[7]：
1. >50萬的液氦費(fèi)用；
2. >7天的停機(jī)時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失；
3. 其它檢修費(fèi)用和聲譽(yù)損失。

6.2 無液氦磁共振新賽道

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

無液氦超導(dǎo)磁共振使用傳導(dǎo)冷卻低溫超導(dǎo)磁體，無需使用液氦作冷卻劑，從根本上避免了超導(dǎo)磁共振“失超”的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也具有安全性高、運(yùn)輸方便、運(yùn)維成本低、無地域限制、應(yīng)用前景廣闊等多重優(yōu)勢。

安全性高——傳導(dǎo)冷卻低溫超導(dǎo)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)，線圈始終在真空中，磁體內(nèi)部沒有高壓容器，沒有低溫液體，其安全性較傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體和少液氦超導(dǎo)磁體更高。

運(yùn)輸方便、降低運(yùn)維成本——傳統(tǒng)液氦低溫超導(dǎo)磁體因液氦的原因，需按照危險(xiǎn)品的要求運(yùn)輸；由于運(yùn)輸過程中無法供電會造成較多液氦損耗，因此，對液氦低溫超導(dǎo)磁體的運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸方式、路徑選擇、安裝場地等方面都有較多限制，尤其對于海外客戶的運(yùn)輸和裝機(jī)就更為復(fù)雜。而傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁共振設(shè)備可在常溫、無供電條件下運(yùn)輸。對運(yùn)輸要求的降低不僅會提高運(yùn)輸效率，也極大降低運(yùn)輸成本，安裝和維修也更加便捷。

無地域限制——傳導(dǎo)冷卻技術(shù)的超導(dǎo)磁共振設(shè)備無需補(bǔ)充液氦，這對一些不易獲取液氦的國家或地區(qū)更加友好。

中科離子7T傳導(dǎo)冷卻低溫超導(dǎo)磁體

日前，中科離子依托超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器中超導(dǎo)磁體研制經(jīng)驗(yàn)，成功研制7T高場大孔徑低溫超導(dǎo)磁體并實(shí)現(xiàn)7.2T穩(wěn)定運(yùn)行，其性能在同類型設(shè)備中處于領(lǐng)先水平。

中科離子低溫超導(dǎo)磁體技術(shù)可廣泛應(yīng)用于科研、檢測、醫(yī)學(xué)裝備等領(lǐng)域，歡迎友商垂詢。

參考文獻(xiàn)

[1]倪雨晴.低溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化已較為成熟[N].21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道,2023-08-09(011)

[2]侯新杰,王瑩.卡末林·昂內(nèi)斯:超導(dǎo)物理學(xué)的開創(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(dǎo)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(dǎo)行業(yè)深度報(bào)告：下個十年，奔向超導(dǎo)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(dǎo)磁共振機(jī)器在加充液氦時(shí)應(yīng)注意的幾點(diǎn)問題[J].醫(yī)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(tǒng)失超故障處理及整改總結(jié)[J]. 中國醫(yī)療器械雜志,2021,45(4):469-472. DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2021.04.026.