超導磁鐵

超導磁體是一種電磁鐵，它由超導導線構成，能產生令人生畏的巨大磁場。由於超導導線沒有電阻，因此維持磁場並不會消耗能量。超導磁體被用於核磁共振成像、質譜儀以及粒子加速器。

Schematic of a 20 tesla superconducting magnet with vertical bore

結構

材料

超導磁體產生的磁場不能達到無限大，因為超導材料有臨界電流，其通過的電流是有限的，如果超過這一限度，材料便會失去超導效應。這是因為電流會在超導材料中產生磁場。如果電流產生的磁場超過超導臨界磁場時，超導體即轉變為普通導體。另外，如果有外磁場存在，超導材料的則臨界電流也會降低。臨界電流的大小與溫度，材料屬性等有關。臨界電流最大的超導材料是鈮鈦合金。^[1]

線圈

超導磁體的線圈由II型超導體構成。

運行

7 T horizontal bore superconducting magnet, part of a mass spectrometer. The magnet itself is inside the cylindrical cryostat.

通電模式

用於產生磁場的電流很大，但電壓很低，而且必須是直流電，這樣才能確保電流在線圈中的無損耗流動。電流的變化應該受到嚴格控制，避免超過臨界電流。一般來說，使一個實驗室級別的超導線圈達到工作狀態需要幾分鐘時間。

連續模式

另一種維持超導磁場的方式並不需要一直通電。當電流達到額定數值後，可以用一塊超導體將線圈短路，這樣電流便得以持續流動。這塊超導體被稱作「開關」，但是事實上這塊超導體一直連接在線圈上。充電時，開關是常導體，電阻不為0，本身被電阻為0的超導線圈短路，因此電流不通過它。當充電完成，「開關」就被冷卻至超導狀態，與線圈一起形成閉合迴路，這時，就可以產生不需要供電的超導磁場。但這個磁場並非永久的，依然會有損耗，但可維持數月。

除了以上的方法，還可以使用外部電磁鐵使已經閉合的超導線圈產生感應電流來達到相同目的。

磁鐵失超

磁體失超（quench）指的是，由於超導磁鐵局部過熱，失去超導性質。假若發生磁體失超，電阻可能會重新出現，因此引起焦耳加熱（Joule heating），熱能快速蔓延至整個磁鐵，使得磁鐵周圍的冷卻劑開始沸騰。

歷史

參見

• Fault current limiter
• Flux pumping

參考文獻

1. Characteristics of Superconducting Magnets. Superconductivity Basics. American Magnetics Inc. website. 2008 [2008-10-11]. （原始內容存檔於2018-04-26）. 外部連結存在於|publisher= (幫助)

外部連結

• Martin N. Wilson, Superconducting Magnets (Monographs on Cryogenics), Oxford University Press, New edition (1987), ISBN 978-0-19-854810-2.
• Yukikazu Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues (Selected Topics in Superconductivity), Kluwer Academic / Plenum Publishers, (Oct 1994), ISBN 978-0-306-44881-2.
• Habibo Brechna, Superconducting magnet systems, New York, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN 3-540-06103-7, ISBN 0-387-06103-7

• Making Superconducting Magnets （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） From the National High Magnetic Field Laboratory
• 1986 evaluation of NbTi and Nb3Sn for particle accelerator magnets.