7月22日，韓國科研團隊在arXiv上發表了兩篇關于室溫常壓超導體（LK-99）的論文，引領了一股“室溫超導”風暴。后續文章被撤稿，該事件被證實為“烏龍事件”，但大眾對常溫超導的期待不減反增。近年來室溫超導研究取得了一些重要突破，但仍存在許多難題待克服，常溫超導時代的來臨或許還需一段時間。

在超導領域，低溫超導和高溫超導的發展也持續突破。其中低溫超導目前應用最為廣泛，商業化較為成熟，高溫超導尚處在產業化早期階段，雖然國內研究超導的公司不少，但是真正能夠專業量產的公司并不多[1]。

二、超導：20世紀最偉大的科學發現之一

超導(superconductivity)，即“超級導電”，是20世紀最偉大的科學發現之一。1911年，荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯發現，汞在﹣269℃時電阻會突然消失，而后他又注意到許多金屬與合金都具有類似的特性，他將這種現象稱為超導態，將呈現超導電性的材料稱為超導體[2]。1913年，昂內斯又發現錫和鉛也具有超導性，同年他因為該研究被授予了諾貝爾物理學獎。

圖1."絕對零度先生"—海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853.9.21－1926.2.21)荷蘭物理學家，超導現象的發現者，低溫物理學奠基人之一

資料來源：網絡

三、超導體的三大基本特性

圖2.超導體的兩個特性

資料來源：網絡

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

（1）零電阻效應——導體在跨越臨界溫度成為超導體之后，會表現出電阻接近零的特性*。電流在流過導體時，根據焦耳定律會發熱，這部分的熱量會損耗電能。而超導體的電阻接近零，將不會出現這類電能損耗。通俗來說，若手機應用了超導技術，就不會出現充電發熱現象。（*在實驗中，若導體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認為電阻為零。）

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

（3）約瑟夫森效應——也稱量子隧穿效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象。利用這一特性可以用來制造超導計算機。

根據以上三個基本特性，超導體的應用主要分布在科研、醫療、能源、交通等多個領域。

圖3.中科離子自研超導回旋加速器

? 科研儀器：在粒子加速器中，超導線圈用來產生強大的磁場，用于加速和控制粒子的運動。

? 醫療設備：超導磁體廣泛應用于核磁共振成像設備，幫助醫生獲取人體內部影像。

? 能源系統：超導可以用于制造無損耗的電力傳輸線路，提高電力系統效率。

? 交通工具：超導磁懸浮列車利用超導產生的強大磁場，實現列車與軌道之間無接觸的高速運行。

四、低溫超導VS高溫超導：區別的不僅僅是溫度

根據超導體轉變溫度的不同，超導體可分為低溫超導和高溫超導。在實用化超導領域，一般將轉變溫度在20K以下的稱為低溫超導，20K以上的稱為高溫超導[3]。

4.1 低溫超導

低溫超導主要材料為鈮基超導線材(NbTi和Nb3Sn)， 這些材料在接近絕對零度（﹣273.15℃）的時候可以變成超導體。常用低溫制冷劑為液氦，液氦是指氦氣在攝氏溫標﹣269℃*時轉變成的液體氦。（*攝氏溫標﹣269℃約等于熱力學溫標4k，或者是華氏溫標﹣452.5℉。）

低溫超導主要應用于加速器磁體、核聚變工程用超導磁體、核磁共振磁體、通用超導磁體等領域。

4.2 高溫超導

高溫超導主要材料包括鉍系(BSCCO)、釔系(YBC0)、二硼化鎂(MgB2)超導材料、鐵基超導材料等。這些材料在相對較高的溫度下（如液氮的沸點，約﹣196℃）可以變成超導體。

高溫超導的應用主要為電力電纜、磁懸浮、超導變壓器、直流感應加熱、大型加速器、可控核聚變等領域。

4.3 低溫超導VS高溫超導

? 低溫超導：技術成熟、穩定性好、但冷卻成本高；

? 高溫超導：冷卻成本低、但技術復雜，研發成本高；

目前，低溫超導已經規模商業化，NbTi 超導線材用量占整個超導材料市場的 90%以上；高溫超導正逐步開始產業化[4]。

五、低溫超導的痛點：昂貴且稀有的液氦

在低溫技術領域有兩大制冷神器——液氦和液氮。液氦可達到絕對零度的低溫，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，國內市場90%以上的氦氣依賴進口，價格堪比黃金。氦氣同時也是國防軍工和高科技產業發展不可或缺的戰略資源。我國氦氣主要依賴美國進口，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、科研等領域造成巨大沖擊。相較而言，氮具有低成本，易獲取的絕對優勢，這是因為氮氣屬于空氣中含量最多的氣體，同時液氮還是液氧制備的副產品，液氧需求量大，因此也造就了大量的液氮。

5.1 傳導冷卻：更優的冷卻之選

傳導冷卻是一種無需低溫介質（如液氮、液氦等）的制冷方式，直接通過制冷機對磁體進行降溫，具有操作方便，長期運行等優勢。

圖4.傳導冷卻超導磁體結構示意圖[5]

六、超導磁共振：觸手可及的低溫超導應用

超導磁共振（MRI）是超導體的核心應用領域，1.5T以上的MRI主要使用低溫超導磁體，同時MRI也是氦用量最大的行業，其使用的液氦占據全球液氦用量的22%[6]。如何減少液氦使用量，降低對液氦的依賴，是MRI企業面臨的巨大挑戰，也是MRI技術領域需要迫切解決的問題。
6.1 傳統液氦超導磁共振的劣勢

傳統液氦超導磁共振（MRI）液氦消耗成本高，有失超風險。使用液氦超導磁體*的MRI，需將超導線圈浸泡于液氦中，液氦能夠迅速帶走超導線圈中的熱量，使其穩定在超導狀態；帶走熱量的同時，一部分液氦會汽化成氦氣，這部分氦氣在冷頭制冷下，重新轉化為液氦；因此，在超導磁體低溫容器內液氦與氣氦共存，氦在兩種狀態間處于動態平衡。為了避免超導磁體低溫系統內進入空氣而造成磁體故障，通常內部平衡的壓力稍高于外界壓力，內外壓力差使得氦氣會從磁體中少量溢出。（*超導磁體是指低溫下用具有高轉變溫度和臨界磁場特別高的第二類超導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間，液氦將大量汽化，磁體腔體內的液氦變成氦氣，體積會膨脹739倍，導致磁體壓力上升；為保持磁體壓力，部分氦氣會通過失超管揮發到外部環境；當液氦損失超過一定程度，會引起失超，即主磁體線圈由超導體變為導體，線圈中的電流瞬間消失，電磁能轉化為熱能，液氦大量揮發，磁場強度迅速下降[6]。

醫院MRI失超一次造成的損失包括[7]：
1. >50萬的液氦費用；
2. >7天的停機時間和經濟損失；
3. 其它檢修費用和聲譽損失。

6.2 無液氦磁共振新賽道

目前，全球多家超導MRI生產企業在積極探索無液氦超導磁共振技術的創新與突破。國內也有多家企業布局無液氦磁共振賽道。

無液氦超導磁共振使用傳導冷卻低溫超導磁體，無需使用液氦作冷卻劑，從根本上避免了超導磁共振“失超”的風險，同時也具有安全性高、運輸方便、運維成本低、無地域限制、應用前景廣闊等多重優勢。

安全性高——傳導冷卻低溫超導磁體不使用液氦，不論是在工作狀態、失超狀態還是室溫狀態，線圈始終在真空中，磁體內部沒有高壓容器，沒有低溫液體，其安全性較傳統超導磁體和少液氦超導磁體更高。

運輸方便、降低運維成本——傳統液氦低溫超導磁體因液氦的原因，需按照危險品的要求運輸；由于運輸過程中無法供電會造成較多液氦損耗，因此，對液氦低溫超導磁體的運輸時間、運輸方式、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輸和裝機就更為復雜。而傳導冷卻超導磁共振設備可在常溫、無供電條件下運輸。對運輸要求的降低不僅會提高運輸效率，也極大降低運輸成本，安裝和維修也更加便捷。

無地域限制——傳導冷卻技術的超導磁共振設備無需補充液氦，這對一些不易獲取液氦的國家或地區更加友好。

中科離子7T傳導冷卻低溫超導磁體

日前，中科離子依托超導質子回旋加速器中超導磁體研制經驗，成功研制7T高場大孔徑低溫超導磁體并實現7.2T穩定運行，其性能在同類型設備中處于領先水平。

中科離子低溫超導磁體技術可廣泛應用于科研、檢測、醫學裝備等領域，歡迎友商垂詢。

參考文獻

[1]倪雨晴.低溫超導產業化已較為成熟[N].21世紀經濟報道,2023-08-09(011)

[2]侯新杰,王瑩.卡末林·昂內斯:超導物理學的開創者[J].物理教學, 2012(4):3.DOI:CNKI:SUN:JXWL.0.2012-04-025.

[3]瞿立建.百年超導路，今朝抵室溫[J/OL].返樸,2021-02-05.

[4]邱祖學、孫二春、李挺.超導行業深度報告：下個十年，奔向超導產業發展的星辰大海[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.淺淡超導磁共振機器在加充液氦時應注意的幾點問題[J].醫療裝備, 2000, 013(005):55-55.

[7]李桂明,王永勝,肖翔,等. 1.5T核磁共振成像系統失超故障處理及整改總結[J]. 中國醫療器械雜志,2021,45(4):469-472. DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2021.04.026.