超导磁铁

超导磁体是由超导线线圈制成的电磁铁。它们在运行期间必须冷却到低温。在超导状态下，导线没有电阻，因此可以传导比普通导线大得多的电流，从而产生强磁场。超导磁体可以产生比最 强的非超导电磁体更强的磁场，并且大型超导磁体的运行成本更低，因为没有能量在绕组中以热量的形式消散。

它们用于医院的 MRI 仪器以及核磁共振波谱仪、质谱仪、聚变反应堆和粒子加速器等科学设备。它们还用于日本正在建设的磁悬浮（磁悬浮）铁路系统的悬浮、引导和推进。

在运行期间，磁体绕组必须冷却到其临界温度以下，即绕组材料从正常电阻状态转变为超导体的温度，该温度远低于低温范围内的室温。绕组通常被冷却到远低于其临界温度的温度，因为温度越低，超导绕组工作得越好——它们可以承受的电流和磁场越高，而不会返回到非超导状态。两种类型的冷却系统通常用于将磁体绕组维持在足以维持超导性的温度：

液态氦被用作许多超导绕组的冷却剂。 它的沸点为 4.2 K，远低于大多数绕组材料的临界温度。 磁铁和冷却剂包含在称为低温恒温器的隔热容器（杜瓦瓶）中。为了防止氦气沸腾，低温恒温器通常构造有一个外护套，其中包含（便宜得多）77 K 的液氮。

或者，由导电材料制成的隔热罩保持在 40 K-60 K 的温度范围内，通过与低温冷却器冷头的导电连接放置在充满氦气的容器周围，以将输入到后者的热量保持在可接受的水平。

寻找高温超导体的目标之一是制造可以仅由液氮冷却的磁体。 在大约 20 K 以上的温度下，可以在不沸腾低温液体的情况下实现冷却。

由于成本增加和液氦的可用性减少，许多超导系统使用两级机械制冷来冷却。 通常使用两种类型的机械低温冷却器，它们具有足够的冷却能力以将磁体保持在其临界温度以下。

麦克马洪 ( Gifford-Mcmahon ) 低温冷却器自 1960 年代就已上市并得到广泛应用。低温冷却器中的 G-M 再生器循环使用活塞式置换器和热交换器运行。

或者，1999 年标志着使用脉冲管低温冷却器的第 一个商业应用。由于脉冲管设计利用声学过程代替机械位移，因此由于低振动和长服务间隔，这种低温冷却器设计变得越来越普遍。

在典型的双级冰箱中，第 一级将提供更高的冷却能力，但温度更高 (≈77 K)，第二级达到 ≈4.2 K 和 <2.0 瓦的冷却功率。在使用中，第 一级主要用于低温恒温器的辅助冷却，第二级主要用于冷却磁体。

超导磁体可达到的最 大磁场受限于绕组材料不再超导的磁场，即其临界场 Hc，对于 II 型超导体而言，这是其上临界场。 另一个限制因素是临界电流 Ic，此时绕组材料也不再具有超导性。 磁铁的进步集中在创造更好的绕组材料上。

大多数当前磁体的超导部分由铌钛组成。这种材料的临界温度为 10 开尔文，可以在高达约 15 特斯拉的情况下进行超导。更昂贵的磁铁可以由铌锡 (Nb3Sn) 制成。

它们的 Tc 为 18 K。当在 4.2 K 下工作时，它们能够承受更高的磁场强度，高达 25 至 30 特斯拉。不幸的是，用这种材料制造所需的灯丝要困难得多。这就是为什么有时将 Nb3Sn 用于高场部分和 NbTi 用于低场部分的组合。钒镓是另一种用于高场插入物的材料。

当所需的磁场高于 Nb3Sn 可以管理的磁场时，高温超导体（例如 BSCCO 或 YBCO）可用于高场插入。