超导磁体（一）

自从核磁共振人体诊断仪广泛应用，为其提供液氦保障服务就成一个液氦产业。随着核磁共振 人体诊断仪役令，它的故障就时有发生。在这些故障中，与液氦相关、密切是它的超导磁体。如：超导磁体失超、超导磁体的腔体内发生冰堵等。人们对故障分析和问责常有分歧。本栏的内容将从超导电性、超导体、超导磁体系统设计制作工艺等方面介绍相关知识，以期为输液氦工程师、平时维护超导磁体的工程师提供理论知识。本文只通俗地讲述而不罗列公式和图表。

第 一 节  超导电性简述和超导磁体失超

在氦气知识介绍栏目的第六节、第七节，从与氦气相关的角度谈及超导电性和超导磁体。本文将深入介绍超导电性。

1、超导体和零电阻导体不一样。

正常导体的电阻是导体晶格热振动引起的。它随导体的温度降低而同步连续降低，它不会陡然降低。与之对照，超导体在它在降温过程中降到某特定温度时，它的电阻突然降为零。超导电性就是这样发现的。更深入的研究知道，超导态是物质内电子行为的反映。相对正常态而言，超导态是一种新的物态。超导态是气态、液态、固态以外的物态。气、液、固三态是以物质原子间相互作用不同而产生。物态之间在某个特定温度发生转变。正如大家所熟悉的，水在100 C时，液态变成气态；在0 C时开始结冰。铁也有液态、气态存在的形式。铁在1530 C﹝不同纯度时，此值略有改变﹞。液态铁在3000 C时，转变成铁蒸气。太阳上的铁元素就呈气体存在。

在温度很低时会发生什么变化呢 ？在液氦温度的附近温区，某些物质内电子间关联形态会发生突变，使该物质由正常态转变成超导态。呈现超导态的物质不可胜数﹝包括1985年后发现的液氮温区的超导体﹞，目前，真正进入工程应用的超导材料仅有几种。用于核磁共振人体诊断仪的超导体仅有铌钛合金材料和铌锡化合物材料。

在相变﹝即物质状态转变﹞温度时，物质与外界发生能量交换转移。相变温度称为临界温度。在极低的温度时，物质的原子已无能力振动，电子的行为成了扮演物态的主角。深入研究发现，超导态物质更本征特性是它的逆磁性。当某根磁力线企图穿透超导态物质时，物质内将产生一条大小相等、方向相反的磁力线与其抵消，使超导态物质内磁场永远为零。在物理图象看，这个过程是超导态物质在排出穿过自身的磁力线。这种性质被称为麦斯纳效应。因而，超导态也称为麦斯纳态。零电阻是麦斯纳态的性质。磁力线一经穿透超导态物质，它立即失去超导态。显然，磁场是影向超导性的、重要因素。

超导电性研究使人们知道，在超导态物质中，它们的电子互关联表现出同性相吸的反常行为。在科学上，人们把超导态时两个有相吸效应的电子称为“库伯对”。同性相吸有勃于人们正常经验，但确是科学家共识的事实。我们知道，一块超导体，不论它是几吨还是几克，不论它的尺寸是几百米还是几毫米，它们的电子关联到象水库的水一样，取一滴水，全库水都有感受。真是牽一发而警全身。

2、 磁场对超导态的影响。

发现超导电性后，人们立即就想到让它无损耗地承载电流。人们的愿望未能很快实现。原来，早年发现的很多超导体，只要被加载电流，它就失去超导性。因此，人们发现超导体承载电流的能力取决于它所在区域的磁场，包括超导体自身承载电流的磁场。所以，1908年超导电性被发现后几十年里，它未能离开实验室为众人所知。超导电性研究被局限在实验室。在这期间，科学家了解到：电子作为电磁现象的载体，它可以宏观定向运动，还在晶体内热运动和自旋运动。电子在超导体内无阻流动必然和磁场强度相关。超导体作为热力学体系，温度、它承载的电流密度、它所在区域的磁场等三者构成热力学参数而相互制约着。直至1950年以后，由于科学发展的需要，人们为探索有实用价值的超导电材料投入了大量人力物力。经过十多年的巨大的努力﹝探索实用超导材料内容见第二节﹞，人们终于找到并作成了现在广泛被应用的铌钛合金超导体和铌锡化合物超导体。上世纪七十年代，我国也制造出小线经的超导线。时到二十一世纪，国内外生产铌钛一铜复合超导体的工艺已经成熟，它能满足大科学工程超导磁体的需求。

制作核磁共振人体诊断仪用的是铌钛合金超导体。不载电流时，它的临界温度为9.2 K。在液氦温度时，不载电流时临界磁场为12T。当磁场10T时，它的临界电流密度约为1000A每平方毫米﹝铜导体常温下承载的电流密度为3.5A每平方毫米﹞。这些数据是铌钛合金超导体在实验室理想条件下才达到的。在工程上，人们制作超导磁体必须留有裕度。铌钛合金制作的超导磁体多数运行在5T以下的磁场。甚至在1T磁场以内。

3、 核磁共振人体诊断仪超导磁体失超。

超导磁体失超的原因，只需要考查它是否承受了液氦温区以上的温度；是否经受了过高的磁场；是否感受了磁场的剧烈变化。磁场剧烈变化怎样导致超导磁体失超将在本栏后面讲述。核磁共振人体诊断仪的超导磁体处于自场之中，不会有过高的磁场。核磁共振人体诊断仪超导磁体因高温而失超发生可能条件如下 ：

超导磁体腔内液氦太少，以致超导磁体线圈裸露，其腔体的支撑结构导入的热量使线圈局部温升过高；

给超导磁体补充液氦时，输液氦工程师错误操作，热氦气吹到超导线圈。这种失超只发生在输液氦开始时。只要超导磁体腔内液氦面已经升高，就没有热氦气吹到超导线圈了；

超导磁体保护和控制系统误动作。在超导磁体设计和制作时，它应有自动保护系统。如果该系统的线路某点脱焊或绝缘被破坏，外界震动会引起自动保护系统误动作，就会导致超导磁体失超。

超导磁体系统错误引起失超的诱因是震动；震动的诱因是多钟多样。当然，输液氦工程师装配输液氦管时可能引起震动。显然，外界震动成为超导磁体失超诱因时，该磁体系统就应该停业维修了。