产生超强磁场超导磁体的研发
2007-02-01 09:54:19
来源：《国际电子变压器》2007年2月刊
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1引言
用作产生强磁场是超导磁体的主要用途之一。仅从只是产生强磁场的角度讨论问题的话，日本金属材料技术研究所的强磁场实验室（Tuskuba磁铁实验室）中的超导磁体可以产生最高值达到23.4T（间隙孔径为φ13mm）的超强磁场强度。但仍在这个实验室中，以铜合金为导体的水冷铜磁铁产生的磁场强度已达到33T（间隙孔径φ为32mm——说明在线圈内侧测定磁场强度时可以采用圆柱体空间）。另外，可以利用在超导磁体的内侧组合装入水冷铜磁铁的混合磁铁，以产生稳定的超强磁场强度。如在1999年12月，美国国家强磁场研究所就曾产生了45T的磁场强度，这个值仍是今天的世界记录。但在这45T的磁场强度中，超导磁体只分担了其中14.2T的磁场强度。
实验表明，在室温下，由于水冷铜磁铁中的铜合金里要通过很强的电流，所以需要消耗非常大的电能。例如，如产生如上面所说的33T磁场强度的水冷铜磁铁中，通电电流要达到40KA，消耗的电力即为20MW（兆瓦），这是人们很难接受的。同时，为了抑止巨大的直流电源与磁铁的温度上升，必须具备冷却水的设备系统。就是因为这些原因，就限制了强磁场水冷铜磁铁运转设施的研究开发和应用。如今，在日本，其金属材料技术研究所的强磁场实验室和东北大学的金属材料研究所各有一套这种设备，世界范围内共有10套同样的设备。此外，对于这种设备，无论从电力消耗的角度讨论，还是机械使用寿命的方面考虑问题，要使其经过长达一个星期以上的连续试验测量将是十分困难的。在技术上，在水冷铜磁铁使用中，为了提高其产生磁场的均匀度，需要将线圈加长，这又要直接消耗更多的电力；再则，工程师们研究测定了磁场的时间稳定性，水冷铜磁铁要得到像超导磁体同样的稳定性是很困难的。与水冷铜磁铁相反，超导磁体一旦冷却下来，就有可能用非常少的电力消耗来产生长时间稳定的强磁场。如前所述，为了提高磁场强度的均匀度需要将线圈的长度加长，虽然这将提高磁体的制造费用，但它在总的运转成本上并非突出的问题。另外，因为“超导”而使得超导磁体“无电阻”。利用这个材料特性就产生了所谓的永恒电流模式的运转方法。因此可以在经过了一年以上的时间进程中，产生的磁场强度的变化非常小且保持超强磁场。
近几年来，随着超导磁体的不断开发，有些国家即使在实验室，也建立起了20T以上的强磁场。还有科学家用冷冻机传导冷却制成了超导磁体，这就有了在不使用液态氦（He）的情况下，可以产生磁场强度超过10T的磁场。所以，产生强磁场的领域已大大扩展了，过去限制在超导电物性方面的研究领域已扩大到生物、电化学等等领域，而且发现了各种各样的超导现象，具备了形成新的磁性科学领域的基础条件。同时，随着使用NMR（Nuclear Magnetic Resonance——核磁共振）分光计分析外部磁场形成研究，为了尽快地提高其灵敏度和分辨能力，在蛋白质等立体结构分析的“结构生物学”领域中，迫切希望开发出能够产生更强磁场的超导磁体。目前，强磁场超导磁体的开发，仍以冷冻机传导冷却型超导磁体和以NMR用的超导磁体的开发为主。
2 超导电线材的强磁场特性
一般情况下，在超导电状态下，超导电线材中流动的电流密度（临界电流密度）随着外部磁场的增大而减小，当在临界磁场时，电流密度为零。图1所示为当温度为4.2°K时，有代表性的超导电线材的临界电流密度和磁场强度之间的相互关系。在超导磁体中，目前一般使用NbTi和Nb3Sn两类品种线材。超导磁体产生强磁场的强度，可以说完全取决于Nb3Sn超导电线材在强磁场状态下的临界电流密度。
为了改变这种情况，需要加强开发用于产生强磁场的新型超导电线材。日本金属材料技术研究所用急热急冷法开发了一种Nb3Al线材。由于这种材料具有比Nb3Sn超导电线材更高的临界电流密度和优良的变形特性，所以被业界认为是很有潜力的超导电线材。由于以上超导电线材是以铌（Nb）为基础材料，所以科学家们从添加铜或银为课题来研究材料的稳定性。人们以添加铜元素作为材料外部稳定性的方法，而以添银和铜作为材料内部稳定性的方法，但其实际效果怎样，有待进一步实验验证。
新开发的Bi系氧化物超导电线材在液态氦温下，即使在大于30T的强磁场下，仍能达到实用等级水平的临界电流密度，它们已使用于强磁场磁体的内层线圈，这在较早的时侯就开始进行研究试验。在当初，工程师们曾担心线材的机械强度低下。现在通过对银合金线材镀层加固，其机械强度得到了改善。Bi系氧化物线材的问题之一是其“n值”低下。（超导电线材的临界电流定义为：当线材中流过电流并且发生了0.1μv/cm的电场电压时所形成的电流。即在临界电流值时，超导电线材中已产生了电阻。以上这种电场电压的增加是以与线材中电流的n次乘方成比例的形式而增加的，所以把这个指数称之为n值。）当n值大时，则在临界电流即将到来之前，在超导电线材中也不会有电阻产生。但在n值小的时候，即使是比临界电流还小的电流流过线材，还是会存在微小的电阻。同时，随着超导电线材长度的增加，其电阻值就不能忽略不计了。对于Nb3Sn和NbTi超导电线材，在所使用的磁场范围内具有30个同等程度的n值，而在Bi系氧化物线材的情况时，这个n值要小10个同等程度。所以，在以永久电流方式运转的磁体和以冷冻机传导冷却型磁体中，都有必要考虑这个n值。
在现在已经使用的Nb3Sn超导电线材，也还在研究提高其强磁场的特性。当前正在进行开发的品种有同时再添加Ti和Ta的Nb3Sn线材，以及只添加Ti，但把用青铜法制得的Nb3Sn线材中的青铜基体里的锡浓度增加到15wt%（原来的锡浓度为13wt%）以制成新的Nb3Sn线材。为了使这些超导电线材能够应用于现代技术领域，应使超导磁体产生超强磁场的特性能在短时间内反映出来，以说明这些超导电线材具有优势。另外，由日本东海大学研究开发的以Ta-Sn作为芯子的新型Nb3Sn超导电线材已经显示出具有优良的强磁场特性。
超导磁体产生的磁场特性是由超导电线材的性能决定的，所以必须直接开发采用具有优良磁场特性的超导电线材，这是材料研究科技工作的神圣任务。
3超强磁场超导磁体开发的历程
在图2中，列出了强磁场超导磁体的研制开发历程。图中把强磁场超导磁体分为三组：研究用的超导磁体、高分辨率NMR磁体和冷冻机传导冷却型磁体。研究用超导磁体是一组非常模糊的分类，其它二组中包括了非固态NMR磁体和磁场均匀度条件没有严格要求的磁体。图2基本反映出了高分辨率NMR磁体和冷冻机传导冷却型磁体的研发所取得的成果状况。
对于高分辨率NMR超导磁体，对其产生磁场的均匀度和稳定度都有严格的要求，设置了许多条件。为了达到磁场所要求的均匀度，一般采用超导补偿线圈（即为进行磁场均匀度的微调所使用的线圈）来修正其数值，在直径为10mm、高度为20mm的试样空间中应为0.1ppm/n以下，但要达到磁场所要求的稳定度，则要求在0.01ppm/n以下。为了满足这一磁场稳定度的要求，则必须采用永久电流方式进行运转，由于这种方式与水冷铜磁体的运转方式有差别，以致它们成了开发强磁场超导磁体的一种推动力。冷冻机传导冷却型磁体属于直接采用小型冷冻机冷却超导电线圈磁体的那一种类，由于不使用液体氦，所以在生物和材料合成的那些领域的实验室中也在使用。
3.1研究用超导磁体的开发历程
1976年 ，日本金属材料技术研究所研制开发出了17.5T的超导磁体。这种磁体是使用表面扩散法制成的V3Ga和Nb3Sn窄带线材，它们可在φ32mm的低温孔径（即装入了线圈和相同冷却介质——通常就是液体氦——的间隙孔径）按照要求组合装入绝热层，以确保室温下的测定空间，该低温孔径内即能产生17.5T的磁场强度。这一成果是当时具有划时代意义的磁体。在那以后的10年期间，一直保持着能够产生最高磁场强度的超导磁体的霸主地位。1986年，仍然是在日本金属材料技术研究所，开发出了18.1T的超导磁体。这是一种正式使用了Ti的Nb3Sn线材磁体，在具有φ30mm的低温孔径的内层线圈里使用了由表面扩散法和原位置换法制作的V3Ga窄带线材。
几乎于此同时，在德国卡尔斯尔埃原子能研究所也开发出了HOMER磁体，至1987年，在φ30mm的低温孔径内可以产生19.3T的磁场强度。在1988年则能产生出20.1T的磁场强度。这种超导磁体的特点在于Nb3Sn超导电线材和超流动氦冷却二者的结合：通过把超导电线材的温度从液态氦的沸点温度4.2°K冷却到2K时，就有可能在2T以上的磁场强度中得到与4.2°K时相同的临界电流。利用这一特点，该超导磁体产生更强磁场强度的优势很突出。1989年，英国牛津英斯特尔梅市的公司已在市场上出售具有20T磁场强度的超导磁体；它们目前已开发出在2.2°K温度下能够产生21T（间隙孔径为φ30mm时）的磁场强度的产品。
在日本金属材料技术研究所，进入新世纪时，开发成功了用于大口径的20T级强磁场超导磁体，能在φ50mm的低温孔径内产生21.1T的磁场强度，图3示出了这种超导磁体的结构，它们是由4种类型的线圈组成，在1.8°K温度以下时，使用所有的饱和超流动液态氦来进行运转。
20T级磁场强度的大孔径超导磁体的内层、 中层、外层线圈，都分别以各自不同的电源进行运转的。随着超导线材性能的提高，这种结构易于重新制作内层与中层的线圈，而且容易进行互换。例如，为了能在外层及中层线圈之间的φ160mm之低温孔径内产生17T的磁场强度，曾进行了采用各种各样类型的内层线圈的制备和试验研究。1997年，做成了超导磁体中添加Ti的Nb3S4线材的内层线圈。这种添加了Ti的Nb3Sn线材中，其基础青铜里的锡浓度增加到了14wt%。在φ61mm的低温孔径中可产生21.7T的磁场强度。在1998年，他们还制作了由一对采用Bi-2212窄带线材组成的扁平型内层线圈，在φ61mm的低温孔径中产生出了21.4T的磁场强度。已经证明，Bi-2212窄带线材已实际使用于产生强磁场的内层线圈；这种线圈在测定20T~21T的强磁场时很有利。另外，通过在这种内层线圈的内侧装入一对组合的小型Bi-2212扁平型线圈，就可以在φ13mm的低温孔径内产生23.4T的磁场强度。这是单独使用超导磁体产生磁场的最高值。
实验表明，通过采用金属系超导电线材和Bi系超导电线材的组合，已使供研究使用的超导磁体所产生的磁场强度达到了25T的水平。Bi系氧化物超导线材用作产生强磁场的内层线圈能否被普及使用，这主要取决于成本和是否必需要使用。在使用Bi系氧化物超导线材时，由于从4.2°K开始再重新冷却的效果很小，所以，人们希望开发出能在4.2°K温度下，能运转目前需要在2.2°K和2.2°K以下的温度才能够运转的超导磁体。
3.2高分辨率NMR磁体的研发历程
高分辨率分光计主要是为满足测定对象1H（氢原子的原子核）而设计制造的，由于它的核磁共振频率数是与磁场强度成正比的，为此，可以做成一种用1H的共振频率数的设备来演示其对应磁体所产生的磁场强度。为了尽快提高磁体产生磁场时的灵敏度及分辨率，NMR分光计必须能够检测超强磁场。所以，以开发NMR分光计初期，其目标就定在要开发检测相应磁场强度为23.5T的IGH2NMR分光计。近几年来，作为研究人体染色体的新步聚，需要进行蛋白质立体结构的分析，NMR和X-射线衍射仪是分析蛋白质结构的两种主要设备和方法。蛋白质结晶结构的分析必需用X-射线衍射仪，而NMR对蛋白质结晶体的分析则不是十分需要，不过它适用于细微结构的分析。但是，可以分析的物质的分子量是取决于磁场大小的，为此，为了分析分子量更大的蛋白质，就必须要开发出强磁场的NMR磁体。蛋白质的巨大分子实际上是由1000个普通量级蛋白质基本结构组合而成的。在日本物理化学研究所染色体科学研究中心，使用了许多台强磁场NMR光学计来同时进行蛋白质基本结构分析，其它实验室也有相似的研究方法。另外有一种被称为Trosy的新型NMR测定方法已由瑞士的Kurt Wuthrich集团公司开发出来。这种方法虽然分析蛋白质的分子量可能戏剧性地提高，并在核磁共振频率为1GHz附近时可取得最佳效果。由于以上这些原因，美国强磁场研究所、美国麻萨诸塞州工业大学等等世界知名公司和制造商都在进行新一代强磁场NMR磁体的研究开发。
到目前为止的超导NMR磁体开发中，有两项技术的应用对其产生超强磁场起到了良好的作用。一项是在500MHz的NMR磁体开发中，采用NbTi线材再次用于Nb2Sn线材中；第二项技术是在750MHz的NMR磁体开发中，采用加压超流动氦冷却获得超导磁体。日本金属材料技术研究所强磁场研究室等部门从1995年开始就一直致力于1GHz级NMR磁体的研发。他们通过在NbTi和Nb3Sn线材的金属系外层磁体内侧装入Bi系氧化物线材为内层磁体的方式，开发出了具有23.5T的NMR磁体。1999年12月，又在金属系外层磁体内侧装入添加了Ti的、Sn浓度为1.5wt%的Nb3Sn线材为内层磁体的21.7T（共振频率为902MHz）的永久电流模式运转的超导磁体，再利用外部加压超流动氦，把磁体冷却到1.8°K以下，这样就完成了900MHz的NMR磁体的应用试验。由于这种磁体采用了Sn浓度为1.5wt%的、添加了Ti的Nb3Sn线材（并加入了Ta作为其增强剂），所以，在强磁场区域和有强大电磁力的区域内的机械强度也提高了。这就是这种磁体的特性。此特性表明，这种磁体的共振频率可以达到920MHz。
日本金属材料技术研究所在超强磁场研究中，还进一步进行了再次装入本磁体中预定的Bi系氧化物线材的开发。通过利用Bi-2212扁平型内层线材磁体所产生的23.4T的磁场强度这一事实，证实使用金属系超导电线材和氧化物系线材的组合，也可产生23.5T的磁场强度。在这以后的研究中，要做到在线圈内部没有接头，并且在磁场均匀度方面要做到与采用Bi-2212的圆形线材绕制成致密线圈同样的应用效果。
我们已经知道，高分辨率的NMR磁体只有在永久电流模式下才可以进行运转，所以有必要保持磁场的时间稳定性。为此，正在研究在永久电流模式下运转的Bi系金属氧化物线材。永久电流模式下运转的重要条件是能制作出不存在电阻的电流闭合回路，因此，超导电线材之间有必要用超导体连接线连接。虽然Bi系氧化物线材用作连接线的研究较早，但直到近期，才由日本金属材料技术研究所等研制成功了用作超导电连接的Bi-2212线的NbTi线材。现在要解决前面所述的线材本身的n值低的问题，则需要将运转电流与临界电流相比较之过大的值足够地降下来，否则就不能满足必要的磁场稳定度。针对目前的n值（即10~13）而言，运转电流需要降低到临界电流的25%之程度。从这一意义上讨论，含有Nb3Al的金属系超导电线材的开发与改良，有可能短期内成为产生强磁场的重要手段。另外，也有专家提议采用“通量泵”方法一补偿Bi系氧化物线材的磁场衰减[注：所谓“通量泵”就是一种含有超导电线材的闭合回路中，利用相互感应渐渐输出的磁感应通量（电流）的方法]。
3.3冷冻机传导冷却型磁体的研发历程
1983年，Hoenig研制出了不使用液体氦的冷冻机传导冷却型磁体。但是，由于当时的小型冷冻机所能达到的温度不够，同时又有来自铜制电流导线带入了一些热量，因此这种磁体没能达到实用要求就夭折了。之后，开发出了能冷却到4°K的冷冻机，并且铜导线带入的热量又减少了一半，这样就制成了具有实用水平的超导磁体，见图2所示，到了1990年，超导磁体的开发有了快速发展。
由于冷冻机传导冷却型磁体不需要使用冷却介质，所以在普通的实验室也可以进行强磁场的实验；同时实验的试样是在室温的空间里提供的，所以，在室温与高温下的实验都比较容易操作。目前，产生强磁场的超导磁体已不仅仅用作超导电与其物理性能的研究，在其它领域也有广泛应用。例如，由于冷冻机传导冷却型磁体不需要补偿冷却介质而可以长期使用，所以，在磁场中的蛋白质结晶成长需要几周时间等实验工作，就用上了冷冻机传导冷却型磁体。由日本东北大学金属材料研究所和住友重型机械工业公司开发的超导磁体中，有一种可以在φ52mm的室温孔径内产生15.1T的磁体，它们由2对Ti-2223的电流引线、内侧的2个Nb3Sn线圈和外侧的线圈-2个Nb3Sn线圈和1个NbTi线圈组成，并用不同的电源激励；同时使用2台具有1.0W致冷能力的GM（Gifford-Mcmahon）冷冻机使磁体冷却到4.2°K的温度。
目前，冷冻机传导冷却型磁体在温室下的φ100mm孔径内可产生10T的磁场强度，而且已有一种可以改变磁力线方向的标准产品在市场上出售了。现在使用的4°KGM冷冻机传导冷却型磁体，一般都是在4°K以下的温度中运转，在工作温度方面，它们与用液体氦冷却的磁体相比较，可以预料，冷冻机传导冷却型磁体所产生的磁场强度要小几个T。
小型冷冻机在20°K以上温度时可以得到比较大的冷冻能力。为此人们进行了临界温度高的Bi系金属氧化物线材和20°K的冷冻机的联合试验，例如，日本住友电气工业公司使用Bi-2223线材制备了在φ50mm的室温孔径内能产生7.1T的冷冻机传导冷却型磁体。
冷冻机传导冷却型磁体在目前存在的主要问题是由于GM冷冻机工作时发生振动，伴随振动将使噪音增大，这样，要实施精确的测定将会很困难。所以，在冷冻机传导冷却型磁体的研究中，噪音和磁场泄漏问题必须深入研究并解决。与GM冷冻机比较，已研制出来的低振动脉冲管冷却机的噪音和漏磁场已大为下降。正接近于实用化。同时，由于采用了MRI和NMR磁体作为激磁屏蔽，所以漏磁场问题将大大改善。
4结束语
文章介绍了产生超强磁场的超导磁体的研究开发历程和动向。由于产生超强磁场的超导磁体和产生生强磁场的超导电线材的用途有限，所以超导磁体的开发停止了一个时期。之后，通过冷冻机传导冷却型超导磁体的普及，扩大了新的研究与应用领域。由于在结构生物学研究中对NMR光学计强磁场化的强列需求，所以更多的精力投入到超导磁体的研究开发。由于超强磁场用的超导电线材的研发成果与产生强磁场的程度有直接关系，而超强磁场的产生又是当前的科学研究十分需要的，所以，可以预期超导磁体的研究将会有一个更大的发展时期。
参教文献（略）
用作产生强磁场是超导磁体的主要用途之一。仅从只是产生强磁场的角度讨论问题的话，日本金属材料技术研究所的强磁场实验室（Tuskuba磁铁实验室）中的超导磁体可以产生最高值达到23.4T（间隙孔径为φ13mm）的超强磁场强度。但仍在这个实验室中，以铜合金为导体的水冷铜磁铁产生的磁场强度已达到33T（间隙孔径φ为32mm——说明在线圈内侧测定磁场强度时可以采用圆柱体空间）。另外，可以利用在超导磁体的内侧组合装入水冷铜磁铁的混合磁铁，以产生稳定的超强磁场强度。如在1999年12月，美国国家强磁场研究所就曾产生了45T的磁场强度，这个值仍是今天的世界记录。但在这45T的磁场强度中，超导磁体只分担了其中14.2T的磁场强度。
实验表明，在室温下，由于水冷铜磁铁中的铜合金里要通过很强的电流，所以需要消耗非常大的电能。例如，如产生如上面所说的33T磁场强度的水冷铜磁铁中，通电电流要达到40KA，消耗的电力即为20MW（兆瓦），这是人们很难接受的。同时，为了抑止巨大的直流电源与磁铁的温度上升，必须具备冷却水的设备系统。就是因为这些原因，就限制了强磁场水冷铜磁铁运转设施的研究开发和应用。如今，在日本，其金属材料技术研究所的强磁场实验室和东北大学的金属材料研究所各有一套这种设备，世界范围内共有10套同样的设备。此外，对于这种设备，无论从电力消耗的角度讨论，还是机械使用寿命的方面考虑问题，要使其经过长达一个星期以上的连续试验测量将是十分困难的。在技术上，在水冷铜磁铁使用中，为了提高其产生磁场的均匀度，需要将线圈加长，这又要直接消耗更多的电力；再则，工程师们研究测定了磁场的时间稳定性，水冷铜磁铁要得到像超导磁体同样的稳定性是很困难的。与水冷铜磁铁相反，超导磁体一旦冷却下来，就有可能用非常少的电力消耗来产生长时间稳定的强磁场。如前所述，为了提高磁场强度的均匀度需要将线圈的长度加长，虽然这将提高磁体的制造费用，但它在总的运转成本上并非突出的问题。另外，因为“超导”而使得超导磁体“无电阻”。利用这个材料特性就产生了所谓的永恒电流模式的运转方法。因此可以在经过了一年以上的时间进程中，产生的磁场强度的变化非常小且保持超强磁场。
近几年来，随着超导磁体的不断开发，有些国家即使在实验室，也建立起了20T以上的强磁场。还有科学家用冷冻机传导冷却制成了超导磁体，这就有了在不使用液态氦（He）的情况下，可以产生磁场强度超过10T的磁场。所以，产生强磁场的领域已大大扩展了，过去限制在超导电物性方面的研究领域已扩大到生物、电化学等等领域，而且发现了各种各样的超导现象，具备了形成新的磁性科学领域的基础条件。同时，随着使用NMR（Nuclear Magnetic Resonance——核磁共振）分光计分析外部磁场形成研究，为了尽快地提高其灵敏度和分辨能力，在蛋白质等立体结构分析的“结构生物学”领域中，迫切希望开发出能够产生更强磁场的超导磁体。目前，强磁场超导磁体的开发，仍以冷冻机传导冷却型超导磁体和以NMR用的超导磁体的开发为主。
2 超导电线材的强磁场特性
一般情况下，在超导电状态下，超导电线材中流动的电流密度（临界电流密度）随着外部磁场的增大而减小，当在临界磁场时，电流密度为零。图1所示为当温度为4.2°K时，有代表性的超导电线材的临界电流密度和磁场强度之间的相互关系。在超导磁体中，目前一般使用NbTi和Nb3Sn两类品种线材。超导磁体产生强磁场的强度，可以说完全取决于Nb3Sn超导电线材在强磁场状态下的临界电流密度。
为了改变这种情况，需要加强开发用于产生强磁场的新型超导电线材。日本金属材料技术研究所用急热急冷法开发了一种Nb3Al线材。由于这种材料具有比Nb3Sn超导电线材更高的临界电流密度和优良的变形特性，所以被业界认为是很有潜力的超导电线材。由于以上超导电线材是以铌（Nb）为基础材料，所以科学家们从添加铜或银为课题来研究材料的稳定性。人们以添加铜元素作为材料外部稳定性的方法，而以添银和铜作为材料内部稳定性的方法，但其实际效果怎样，有待进一步实验验证。
新开发的Bi系氧化物超导电线材在液态氦温下，即使在大于30T的强磁场下，仍能达到实用等级水平的临界电流密度，它们已使用于强磁场磁体的内层线圈，这在较早的时侯就开始进行研究试验。在当初，工程师们曾担心线材的机械强度低下。现在通过对银合金线材镀层加固，其机械强度得到了改善。Bi系氧化物线材的问题之一是其“n值”低下。（超导电线材的临界电流定义为：当线材中流过电流并且发生了0.1μv/cm的电场电压时所形成的电流。即在临界电流值时，超导电线材中已产生了电阻。以上这种电场电压的增加是以与线材中电流的n次乘方成比例的形式而增加的，所以把这个指数称之为n值。）当n值大时，则在临界电流即将到来之前，在超导电线材中也不会有电阻产生。但在n值小的时候，即使是比临界电流还小的电流流过线材，还是会存在微小的电阻。同时，随着超导电线材长度的增加，其电阻值就不能忽略不计了。对于Nb3Sn和NbTi超导电线材，在所使用的磁场范围内具有30个同等程度的n值，而在Bi系氧化物线材的情况时，这个n值要小10个同等程度。所以，在以永久电流方式运转的磁体和以冷冻机传导冷却型磁体中，都有必要考虑这个n值。
在现在已经使用的Nb3Sn超导电线材，也还在研究提高其强磁场的特性。当前正在进行开发的品种有同时再添加Ti和Ta的Nb3Sn线材，以及只添加Ti，但把用青铜法制得的Nb3Sn线材中的青铜基体里的锡浓度增加到15wt%（原来的锡浓度为13wt%）以制成新的Nb3Sn线材。为了使这些超导电线材能够应用于现代技术领域，应使超导磁体产生超强磁场的特性能在短时间内反映出来，以说明这些超导电线材具有优势。另外，由日本东海大学研究开发的以Ta-Sn作为芯子的新型Nb3Sn超导电线材已经显示出具有优良的强磁场特性。
超导磁体产生的磁场特性是由超导电线材的性能决定的，所以必须直接开发采用具有优良磁场特性的超导电线材，这是材料研究科技工作的神圣任务。
3超强磁场超导磁体开发的历程
在图2中，列出了强磁场超导磁体的研制开发历程。图中把强磁场超导磁体分为三组：研究用的超导磁体、高分辨率NMR磁体和冷冻机传导冷却型磁体。研究用超导磁体是一组非常模糊的分类，其它二组中包括了非固态NMR磁体和磁场均匀度条件没有严格要求的磁体。图2基本反映出了高分辨率NMR磁体和冷冻机传导冷却型磁体的研发所取得的成果状况。
对于高分辨率NMR超导磁体，对其产生磁场的均匀度和稳定度都有严格的要求，设置了许多条件。为了达到磁场所要求的均匀度，一般采用超导补偿线圈（即为进行磁场均匀度的微调所使用的线圈）来修正其数值，在直径为10mm、高度为20mm的试样空间中应为0.1ppm/n以下，但要达到磁场所要求的稳定度，则要求在0.01ppm/n以下。为了满足这一磁场稳定度的要求，则必须采用永久电流方式进行运转，由于这种方式与水冷铜磁体的运转方式有差别，以致它们成了开发强磁场超导磁体的一种推动力。冷冻机传导冷却型磁体属于直接采用小型冷冻机冷却超导电线圈磁体的那一种类，由于不使用液体氦，所以在生物和材料合成的那些领域的实验室中也在使用。
3.1研究用超导磁体的开发历程
1976年 ，日本金属材料技术研究所研制开发出了17.5T的超导磁体。这种磁体是使用表面扩散法制成的V3Ga和Nb3Sn窄带线材，它们可在φ32mm的低温孔径（即装入了线圈和相同冷却介质——通常就是液体氦——的间隙孔径）按照要求组合装入绝热层，以确保室温下的测定空间，该低温孔径内即能产生17.5T的磁场强度。这一成果是当时具有划时代意义的磁体。在那以后的10年期间，一直保持着能够产生最高磁场强度的超导磁体的霸主地位。1986年，仍然是在日本金属材料技术研究所，开发出了18.1T的超导磁体。这是一种正式使用了Ti的Nb3Sn线材磁体，在具有φ30mm的低温孔径的内层线圈里使用了由表面扩散法和原位置换法制作的V3Ga窄带线材。
几乎于此同时，在德国卡尔斯尔埃原子能研究所也开发出了HOMER磁体，至1987年，在φ30mm的低温孔径内可以产生19.3T的磁场强度。在1988年则能产生出20.1T的磁场强度。这种超导磁体的特点在于Nb3Sn超导电线材和超流动氦冷却二者的结合：通过把超导电线材的温度从液态氦的沸点温度4.2°K冷却到2K时，就有可能在2T以上的磁场强度中得到与4.2°K时相同的临界电流。利用这一特点，该超导磁体产生更强磁场强度的优势很突出。1989年，英国牛津英斯特尔梅市的公司已在市场上出售具有20T磁场强度的超导磁体；它们目前已开发出在2.2°K温度下能够产生21T（间隙孔径为φ30mm时）的磁场强度的产品。
在日本金属材料技术研究所，进入新世纪时，开发成功了用于大口径的20T级强磁场超导磁体，能在φ50mm的低温孔径内产生21.1T的磁场强度，图3示出了这种超导磁体的结构，它们是由4种类型的线圈组成，在1.8°K温度以下时，使用所有的饱和超流动液态氦来进行运转。
20T级磁场强度的大孔径超导磁体的内层、 中层、外层线圈，都分别以各自不同的电源进行运转的。随着超导线材性能的提高，这种结构易于重新制作内层与中层的线圈，而且容易进行互换。例如，为了能在外层及中层线圈之间的φ160mm之低温孔径内产生17T的磁场强度，曾进行了采用各种各样类型的内层线圈的制备和试验研究。1997年，做成了超导磁体中添加Ti的Nb3S4线材的内层线圈。这种添加了Ti的Nb3Sn线材中，其基础青铜里的锡浓度增加到了14wt%。在φ61mm的低温孔径中可产生21.7T的磁场强度。在1998年，他们还制作了由一对采用Bi-2212窄带线材组成的扁平型内层线圈，在φ61mm的低温孔径中产生出了21.4T的磁场强度。已经证明，Bi-2212窄带线材已实际使用于产生强磁场的内层线圈；这种线圈在测定20T~21T的强磁场时很有利。另外，通过在这种内层线圈的内侧装入一对组合的小型Bi-2212扁平型线圈，就可以在φ13mm的低温孔径内产生23.4T的磁场强度。这是单独使用超导磁体产生磁场的最高值。
实验表明，通过采用金属系超导电线材和Bi系超导电线材的组合，已使供研究使用的超导磁体所产生的磁场强度达到了25T的水平。Bi系氧化物超导线材用作产生强磁场的内层线圈能否被普及使用，这主要取决于成本和是否必需要使用。在使用Bi系氧化物超导线材时，由于从4.2°K开始再重新冷却的效果很小，所以，人们希望开发出能在4.2°K温度下，能运转目前需要在2.2°K和2.2°K以下的温度才能够运转的超导磁体。
3.2高分辨率NMR磁体的研发历程
高分辨率分光计主要是为满足测定对象1H（氢原子的原子核）而设计制造的，由于它的核磁共振频率数是与磁场强度成正比的，为此，可以做成一种用1H的共振频率数的设备来演示其对应磁体所产生的磁场强度。为了尽快提高磁体产生磁场时的灵敏度及分辨率，NMR分光计必须能够检测超强磁场。所以，以开发NMR分光计初期，其目标就定在要开发检测相应磁场强度为23.5T的IGH2NMR分光计。近几年来，作为研究人体染色体的新步聚，需要进行蛋白质立体结构的分析，NMR和X-射线衍射仪是分析蛋白质结构的两种主要设备和方法。蛋白质结晶结构的分析必需用X-射线衍射仪，而NMR对蛋白质结晶体的分析则不是十分需要，不过它适用于细微结构的分析。但是，可以分析的物质的分子量是取决于磁场大小的，为此，为了分析分子量更大的蛋白质，就必须要开发出强磁场的NMR磁体。蛋白质的巨大分子实际上是由1000个普通量级蛋白质基本结构组合而成的。在日本物理化学研究所染色体科学研究中心，使用了许多台强磁场NMR光学计来同时进行蛋白质基本结构分析，其它实验室也有相似的研究方法。另外有一种被称为Trosy的新型NMR测定方法已由瑞士的Kurt Wuthrich集团公司开发出来。这种方法虽然分析蛋白质的分子量可能戏剧性地提高，并在核磁共振频率为1GHz附近时可取得最佳效果。由于以上这些原因，美国强磁场研究所、美国麻萨诸塞州工业大学等等世界知名公司和制造商都在进行新一代强磁场NMR磁体的研究开发。
到目前为止的超导NMR磁体开发中，有两项技术的应用对其产生超强磁场起到了良好的作用。一项是在500MHz的NMR磁体开发中，采用NbTi线材再次用于Nb2Sn线材中；第二项技术是在750MHz的NMR磁体开发中，采用加压超流动氦冷却获得超导磁体。日本金属材料技术研究所强磁场研究室等部门从1995年开始就一直致力于1GHz级NMR磁体的研发。他们通过在NbTi和Nb3Sn线材的金属系外层磁体内侧装入Bi系氧化物线材为内层磁体的方式，开发出了具有23.5T的NMR磁体。1999年12月，又在金属系外层磁体内侧装入添加了Ti的、Sn浓度为1.5wt%的Nb3Sn线材为内层磁体的21.7T（共振频率为902MHz）的永久电流模式运转的超导磁体，再利用外部加压超流动氦，把磁体冷却到1.8°K以下，这样就完成了900MHz的NMR磁体的应用试验。由于这种磁体采用了Sn浓度为1.5wt%的、添加了Ti的Nb3Sn线材（并加入了Ta作为其增强剂），所以，在强磁场区域和有强大电磁力的区域内的机械强度也提高了。这就是这种磁体的特性。此特性表明，这种磁体的共振频率可以达到920MHz。
日本金属材料技术研究所在超强磁场研究中，还进一步进行了再次装入本磁体中预定的Bi系氧化物线材的开发。通过利用Bi-2212扁平型内层线材磁体所产生的23.4T的磁场强度这一事实，证实使用金属系超导电线材和氧化物系线材的组合，也可产生23.5T的磁场强度。在这以后的研究中，要做到在线圈内部没有接头，并且在磁场均匀度方面要做到与采用Bi-2212的圆形线材绕制成致密线圈同样的应用效果。
我们已经知道，高分辨率的NMR磁体只有在永久电流模式下才可以进行运转，所以有必要保持磁场的时间稳定性。为此，正在研究在永久电流模式下运转的Bi系金属氧化物线材。永久电流模式下运转的重要条件是能制作出不存在电阻的电流闭合回路，因此，超导电线材之间有必要用超导体连接线连接。虽然Bi系氧化物线材用作连接线的研究较早，但直到近期，才由日本金属材料技术研究所等研制成功了用作超导电连接的Bi-2212线的NbTi线材。现在要解决前面所述的线材本身的n值低的问题，则需要将运转电流与临界电流相比较之过大的值足够地降下来，否则就不能满足必要的磁场稳定度。针对目前的n值（即10~13）而言，运转电流需要降低到临界电流的25%之程度。从这一意义上讨论，含有Nb3Al的金属系超导电线材的开发与改良，有可能短期内成为产生强磁场的重要手段。另外，也有专家提议采用“通量泵”方法一补偿Bi系氧化物线材的磁场衰减[注：所谓“通量泵”就是一种含有超导电线材的闭合回路中，利用相互感应渐渐输出的磁感应通量（电流）的方法]。
3.3冷冻机传导冷却型磁体的研发历程
1983年，Hoenig研制出了不使用液体氦的冷冻机传导冷却型磁体。但是，由于当时的小型冷冻机所能达到的温度不够，同时又有来自铜制电流导线带入了一些热量，因此这种磁体没能达到实用要求就夭折了。之后，开发出了能冷却到4°K的冷冻机，并且铜导线带入的热量又减少了一半，这样就制成了具有实用水平的超导磁体，见图2所示，到了1990年，超导磁体的开发有了快速发展。
由于冷冻机传导冷却型磁体不需要使用冷却介质，所以在普通的实验室也可以进行强磁场的实验；同时实验的试样是在室温的空间里提供的，所以，在室温与高温下的实验都比较容易操作。目前，产生强磁场的超导磁体已不仅仅用作超导电与其物理性能的研究，在其它领域也有广泛应用。例如，由于冷冻机传导冷却型磁体不需要补偿冷却介质而可以长期使用，所以，在磁场中的蛋白质结晶成长需要几周时间等实验工作，就用上了冷冻机传导冷却型磁体。由日本东北大学金属材料研究所和住友重型机械工业公司开发的超导磁体中，有一种可以在φ52mm的室温孔径内产生15.1T的磁体，它们由2对Ti-2223的电流引线、内侧的2个Nb3Sn线圈和外侧的线圈-2个Nb3Sn线圈和1个NbTi线圈组成，并用不同的电源激励；同时使用2台具有1.0W致冷能力的GM（Gifford-Mcmahon）冷冻机使磁体冷却到4.2°K的温度。
目前，冷冻机传导冷却型磁体在温室下的φ100mm孔径内可产生10T的磁场强度，而且已有一种可以改变磁力线方向的标准产品在市场上出售了。现在使用的4°KGM冷冻机传导冷却型磁体，一般都是在4°K以下的温度中运转，在工作温度方面，它们与用液体氦冷却的磁体相比较，可以预料，冷冻机传导冷却型磁体所产生的磁场强度要小几个T。
小型冷冻机在20°K以上温度时可以得到比较大的冷冻能力。为此人们进行了临界温度高的Bi系金属氧化物线材和20°K的冷冻机的联合试验，例如，日本住友电气工业公司使用Bi-2223线材制备了在φ50mm的室温孔径内能产生7.1T的冷冻机传导冷却型磁体。
冷冻机传导冷却型磁体在目前存在的主要问题是由于GM冷冻机工作时发生振动，伴随振动将使噪音增大，这样，要实施精确的测定将会很困难。所以，在冷冻机传导冷却型磁体的研究中，噪音和磁场泄漏问题必须深入研究并解决。与GM冷冻机比较，已研制出来的低振动脉冲管冷却机的噪音和漏磁场已大为下降。正接近于实用化。同时，由于采用了MRI和NMR磁体作为激磁屏蔽，所以漏磁场问题将大大改善。
4结束语
文章介绍了产生超强磁场的超导磁体的研究开发历程和动向。由于产生超强磁场的超导磁体和产生生强磁场的超导电线材的用途有限，所以超导磁体的开发停止了一个时期。之后，通过冷冻机传导冷却型超导磁体的普及，扩大了新的研究与应用领域。由于在结构生物学研究中对NMR光学计强磁场化的强列需求，所以更多的精力投入到超导磁体的研究开发。由于超强磁场用的超导电线材的研发成果与产生强磁场的程度有直接关系，而超强磁场的产生又是当前的科学研究十分需要的，所以，可以预期超导磁体的研究将会有一个更大的发展时期。
参教文献（略）
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