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传导冷技术在超导磁体的应用

日期：2023/2/18 来源：曦合超导

由于超导线绕制的磁体可以产生强大的磁场，所以其应用领域包含医疗核磁，大科学装置，环保等领域。低温超导材料等领域。

如果想要实现超导态，需要在4.2K的温度下工作，所以传统的超导磁体，需要浸泡在液氦中才能工作。由于液氦具有极低的临界温度，因此液氦是科研制造超低温的“神器”，氦气在航天工业、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要的用途。但是由于在所难免的低温杜瓦和电流引线的漏热，导致液氦挥发，所以需要定期进行操作复杂的补液氦的工作。

氦气资源来自美国、俄罗斯这两个国家，所以供应量受到限制。2022年3月以来，氦气价格快速上行到2022年6月，俄罗斯颁布限制惰性气体出口令，全球对于氦气供应展现出史无前例的担忧，中国氦气价格上涨至420—460元/立方米，涨幅超300%。

为了解决以上液氦挥发的问题，随着制冷机技术的发展，MIT在1983年首次提出了使用制冷机冷却系统超导磁体的概念。随后日本东芝、神户钢、住友重工等商业公司也开始了相关研究。超导磁体的冷却主要经历了三个阶段，第一阶段纯液氦浸泡冷却，第二阶段住友重工推出的10K的冷头，可以将液氦消耗量降低至十分之一。第三阶段是液氦浸泡+4K冷头，95年住友推出4K冷头，实现0液氦挥发。我国最早开展制冷机冷却磁体研究的机构是中科院电工所。电工所分别于1999和2006年研制出5T和10T的Nb3Sn传导冷却超导磁体，中科电子科技集团十六所于2017年研制出室温孔孔径为500mm的传单冷却超导磁体。可以看出，近二十年来制冷机传导冷却超导磁体发展迅速，正在部分领域取代浸泡冷却磁体。

传导冷和液氦冷的区别：

相比于液氦浸泡冷却的超导磁体系统，采用制冷机直接冷却的低温超导磁体有如下区别：

高温超导电流引线以及热开关：

超导磁体是通过电流引线从外部获得电流，传统的电流引线使用铜材料，电流引线通常一端处于室温，一端与低温磁体相连，电流引线两端巨大的温差，以及通过铜材料的强电流产生的焦耳热都是超导磁体的主要漏热源，因为传导冷却的磁体电流引线没有冷氦气冷却，所以必须采用新的引线结构来大幅降低电流引线的漏热。

通过高温超导二元电流引线，可以解决上述问题，引线分为上下两段，上段为铜导线，下端为高温超导引线，上段与室温相连，下段与磁体相连，由制冷机二级冷头制冷。上段与下段的连接点由一级冷头冷却，一级冷头工作温度在77K，因为其工作温度低于高温超导的临界温度，高温超导处于超导态，不产生焦耳热，所以可以大大降低电流引线向二级冷头的漏热。

但是在复杂或者大型的超导系统中，制冷机的制冷量有限，在铜引线和高温超导引线的连接处安装有液氮槽，通过液氮槽中氮气来截断热流，同时用汽化的氮气来冷却铜导线。

从传热来说，液氦浸泡使用的是对流，沸腾的换热方式，而制冷机采用了传导冷（高温超导材料与其他金属材料接触导热的冷却方式）,在冷头与绝缘垫片之间，绝缘垫片与电流引线之间，都存在界面热阻，当电流通过界面热阻时都会产生大量的焦耳热，所以在实际工程中，需要提高这些界面间的传热效率，也是实现传导冷直接冷却的关键技术。为了降低磁体与冷头之间的热阻，磁体与冷头之间的热连接件一般采用高纯铜制造，连接件上的温差一般控制在0.1～0.2K。

传导冷却虽然有很多优点，但是有一个很明显的缺点是磁体冷却时间非常长，比如对于无液氦磁共振成像磁体来说，通常冷却时间都要超过50个小时甚至更久，这是由于制冷机制冷效率低的原因。可以在一级冷头和二级冷头之间，增加一个低温热管的热开关，可以使得制冷时间缩短至原来的三分之一至二分之一。

传导冷超导磁体有着广泛的应用前景，虽然目前还有很多技术问题需要解决，但是相信随着传导冷技术的愈来愈成熟，他会出现在更多的超导磁体领域。