閆 果，王慶陽，劉國慶，熊曉梅，潘熙鋒，馮 勇

(1.西部超導材料科技股份有限公司超導材料制備國家工程實驗室，陜西西安710016)(2.西北有色金屬研究院，陜西西安710018)

1 前言

與傳統(tǒng)低溫超導(LTS)和氧化物高溫超導體(HTS)不同，MgB2超導材料具有十分簡單的化學組成和晶體結構，晶界能承載較高的電流，原材料成本低廉。同時，MgB2的相干長度比鈣鈦礦型結構的銅氧化物超導體相干長度大，這就意味著在MgB2中更容易引入有效磁通釘扎中心[1]。綜合上述特點，目前普遍認為MgB2超導材料在1～3 T磁場以及10～20 K制冷機工作溫度下核磁共振(MRI)超導磁體應用上有著明顯的技術和成本優(yōu)勢，有希望在這一工作區(qū)域替代傳統(tǒng)低溫或者高溫超導材料。在實際工程應用尤其是對于磁體應用中，高性能MgB2線帶材是其應用的前提和基礎，本文主要針對近幾年國內外對MgB2超導線帶材的研究進展進行評述;同時對目前MgB2超導磁體相關研究進展也進行了簡單介紹。

2 MgB2超導線帶材制備工藝

目前，國際上MgB2線帶材制備技術的主要研究方向是實用化高性能超導長線帶材制備加工技術。部分已經應用于低溫超導材料和第一代高溫超導材料的制備工藝也被用于MgB2超導材料的制備研究。

根據(jù)制備工藝的不同，目前MgB2線帶材成材制備技術主要有以下幾類。

2.1 粉末裝管法技術

粉末裝管法(Powder-in-Tube，簡稱PIT)由于工藝流程相對簡單，并且在Bi系高溫超導線帶材的制備上已經得到廣泛地應用，目前已成為制備MgB2線帶材的主要制備技術之一[2-5]。按照前驅粉體的不同又可以分為原位法粉末裝管工藝(In-Situ PIT)和先位法粉末裝管工藝(Ex-Situ PIT)。其制備流程如圖1所示。

圖1 粉末裝管法MgB2超導線帶材制備過程Fig.1 Fabrication process of the PIT MgB2superconducting wires and tapes

In-Situ PIT工藝就是將Mg粉、B粉以及摻雜粉末按照一定的摩爾比例混合研磨后裝入包套管，經拉拔、軋制等加工手段加工成線帶材，最后進行成相熱處理。由于具有工藝流程相對簡單，加工過程中易于引入元素摻雜等特點，成為目前制備MgB2超導線帶材的主要工藝之一。日本Hitachi公司2005年報道采用In-Situ PIT技術制備出百米量級，直徑為1 mm的多芯MgB2/Fe/Cu線材，其臨界電流密度(Jc)值達到380 A/mm2(4.2 K，6 T)[6]。Ex-Situ PIT工藝采用反應成相后的 MgB2作為先驅粉末，即直接將MgB2超導相粉末裝入金屬管中，通過拉拔工藝制備成一定尺寸的線帶材。該技術的特點是工藝流程簡單，有利于獲得致密而均勻的超導芯。為了消除加工過程中所形成的缺陷和改善晶粒連結性，在該工藝中一般應采用最終熱處理。2005年度意大利Columbus Superconductor公司采用Ex-Situ PIT技術制備出長度1.53×103m，直徑1.0 mm的多芯MgB2/Fe/Ni帶材，其 Ic達到 185 A(20 K，1 T)[7]。

2.2 連續(xù)粉末裝管成型工藝

美國Hyper Tech.公司、俄亥俄州大學、伍倫貢大學等研究單位采用連續(xù)粉末裝管成型技術(Continuous Tube Forming Filling，CTFF)制備MgB2超導線材，其加工工藝流程圖如圖2。

圖2 連續(xù)粉末裝管成形法MgB2超導線材制備過程Fig.2 Fabrication process of the CTFF MgB2superconducting wires

該工藝是直接將Mg粉和B粉置于金屬帶上，通過連續(xù)包覆焊管的方法制備成線帶材，然后在Ar保護下進行熱處理。目前CTFF技術制備MgB2線帶材工藝已經基本穩(wěn)定，采用Nb作為阻隔層，Cu/Ni合金作為穩(wěn)定體。2005年度Hyper Tech.公司采用CTFF技術制備了1 500 m、直徑1.0 mm的14～36芯MgB2線材，熱處理溫度700～800℃，線材性能達到2×105A/cm2(20 K，1 T)[8]。該技術流程曾用于 Bi系高溫超導帶材，技術也相對成熟，但是存在加工設備較為復雜、成本高等缺點，目前僅有少數(shù)研究單位采用該工藝制備MgB2線帶材。

2.3 中心鎂擴散工藝

中心鎂擴散工藝(Internal Mg-Diffusion，IMD)是在金屬包套管的中心位置放置一根Mg棒，并將B粉及摻雜粉末混合后填充到金屬包套和Mg棒中間，然后進行軋制、拉拔等機械成型加工，最終進行熱處理，使得Mg熔化后擴散到周圍的B粉中形成MgB2超導相，其加工流程示意圖如圖3所示。

圖3 中心鎂擴散法MgB2超導線材制備過程Fig.3 Fabrication process of the IMD MgB2superconducting wires

日本物質材料研究機構(NIMS)的研究人員報道了采用該工藝制備的單芯、7芯和19芯等不同導體結構MgB2超導線材[9-10]:采用Fe或Cu–Ni合金作為外包套材料，Ta作為單芯的阻隔層，金屬Mg位于包套管的中心部位并在周圍填充B+SiC粉末。在隨后的熱處理過程中，Mg液相滲入到B+SiC粉末并于之發(fā)生反應，形成一層致密且晶粒細小的MgB2超導體。在Mg的熔點附近(即640～645℃)熱處理的線材能獲得最高的輸運臨界電流密度。該多芯線材反應層的Jc值在4.2 K，10 T 為 9.9 × 104A/cm2，在 20 K，1 T 時 為3.3×105A/cm2。但是該工藝方法目前尚未有工業(yè)化長度多芯線帶材的報道。

3 MgB2超導線帶材的性能

對于實用化MgB2超導材料的研究重點是如何通過改進工藝以提高線帶材在磁場背景下的臨界電流密度，以滿足實用化的需求。自從MgB2超導電性被發(fā)現(xiàn)以來，為了增強MgB2超導體在磁場下的Jc和磁通釘扎性能，科學家們已經嘗試了多種手段，包括離子輻照技術[11-13]，化學摻雜[14-17]，磁場退火熱處理[18-19]以及高能球磨等[20-22]。與其它提高MgB2磁通釘扎能力的方法相比，化學摻雜對于提高MgB2超導體磁場下的Jc性能被認為是一種最便捷和有效的方法，目前被公認的最有效摻雜劑為Ti和C(或含C化合物)。由于無機碳或碳化物活性低使得摻雜效果不理想，所以目前的摻雜源主要選擇能夠釋放出高活性碳的有機物，如蘋果酸、甲苯等。

此外，各種新方法、新工藝也被用于提高線帶材的超導性能，如高壓熱處理、復合加工技術、冷高壓成型技術和高能球磨等。同時，有少量研究小組對于線材變形機制、超導電流測試方法進行了相關研究。下面將分工藝改進及線材變形機理兩部分進行論述。

3.1 MgB2超導線帶材的摻雜研究

Kim研究小組[23]首先發(fā)現(xiàn)蘋果酸(C4H6O5)摻雜能夠顯著提高MgB2超導體的Jc性能，10%蘋果酸(質量分數(shù))摻雜后，在 5 K，8 T下，Jc可以達到30 000 A/cm2;而純的樣品僅為1 000 A/cm2;Pan等人[24]選用5%SiC(摩爾分數(shù))和10%蘋果酸(質量分數(shù))共同摻雜制備了MgB2帶材，其結果顯示兩者共摻對于提高Jc的效果均高于單獨摻雜的樣品;摻雜樣品660℃/1 h熱處理后的Jc-B曲線如圖4，在4.2 K，10 T時，Jc達到14 600 A/cm2。他們認為共同摻雜樣品Jc的提高應該歸因于兩種不同C源同時作用造成C替代B的量的增加以及磁通釘扎性能的改善，同時5%SiC(摩爾分數(shù))和10%蘋果酸(質量分數(shù))摻雜，沒有降低MgB2的晶粒連接性，因此Jc顯著提高。

圖4 納米SiC和蘋果酸共摻MgB2帶材的Jc-B曲線Fig.4 the transport Jc-B properties of nano-SiC and malid acid co-doped MgB2superconducting tapes

Wang Chengduo研究小組[25]采用晶態(tài)B粉為原料制備了C摻雜MgB2帶材，研究了不同球磨時間對C摻雜帶材性能的影響。結果顯示:隨著球磨時間的延長，晶粒細化明顯，球磨80 h樣品的晶粒在50 nm左右，而球磨10 h樣品的晶粒尺寸分布極不均勻，小則數(shù)十納米，大則200 nm。細小的晶粒意味著較大的晶粒晶界，而晶界對于MgB2材料是有效的釘扎中心，同時晶粒表面存在10 nm左右的析出物，也可以作為有效的定扎中心。制備樣品在4.2K10T條件下Jc達 到43 000 A/cm2，在4.2 K，12 T 條件下Jc達到22 000 A/cm2。Jc提高的主要原因在于球磨技術不僅可以通過摻雜提高材料的上臨界場、C取代水平，同時可以很大程度上增加晶粒晶界從而引入有效的釘扎中心，此外高純度以及高致密度的MgB2相有利于提高材料的超導電性。

H Fujii研究小組[26]采用行星式磨技術，以礦物油為摻雜物利用先位法(Ex-Situ)工藝制備了Fe包套MgB2帶材，由于晶粒的連接性較弱，造成帶材的臨界電流密度較低，希望通過Mg添加來改善其超導性能，研究結果顯示，球磨采用的礦物油不但可以對粉末起到保護作用防止粉末的氧化、去除粉體表面的MgO雜質，而且在熱處理過程中可以作為有效的C摻雜源，同時球磨過程在提高粉末反應活性的基礎上，可以保證摻雜物的均勻分布。而過量Mg添加可以使得在熱處理過程中分解的MgB2相得到恢復，且有利于增強晶粒間的連接性，從而提高材料的臨界電流密度，所制備樣品在4.2 K，10 T條件下Jc達到了9 000 A/cm2。

Wang Dongliang研究小組[27]采用乙酸釔為摻雜物，以In-Situ PIT工藝制備了MgB2/Fe帶材，乙酸釔的添加量從0% ～20%(質量分數(shù))，熱處理溫度700～850℃保溫1 h。研究了不同摻雜量對于帶材微觀結構以及超導電性的影響，結果顯示:通過乙酸億摻雜，帶材在磁場下的臨界電流密度大幅提高，在4.2 K，12 T條件下，10%摻雜樣品的Jc達到了10 000 A/cm2。他們認為該結果主要歸因于乙酸釔分解的高活性C取代B導致的晶格畸變，形成了有效的釘扎中心。

S.J.Ye研究小組[28]采用IMD 方法制備了MgB2超導線材，并研究了SiC摻雜與甲苯摻雜對IMD方法中MgB2超導體臨界電流密度的影響，研究結果顯示:SiC摻雜與甲苯摻雜均可以有效提高IMD線材的Jc，尤其是采用(SiC+甲苯)共同摻雜的線材，其Jc在4.2 K，10 T條件下可以高達50 000 A/cm2。同時Jc-B結果顯示，Jc的提高主要歸功于C對B的取代，SEM結果發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸的減小是Jc提高的另一原因。

J.Viljamaa研究小組[29]采用PIT工藝制備了摻雜質量分數(shù)為10%的B4C的MgB2/Nb單芯線材，對不同熱處理溫度對線材超導電性的影響進行了分析，熱處理溫度分別選擇650，700，750和800℃，恒溫30 min，XRD測試結果顯示:B4C的含量隨著熱處理溫度的提高沒有減少反而增加，可能是由于高溫熱處理使得Mg同Nb之間發(fā)生擴散反應，導致基體中的Mg缺乏導致。磁測法和傳輸法測試Jc-B曲線變化趨勢不一致，可能是由于Nb阻隔層不適合進行高溫熱處理，同時B4C摻雜并沒有有效改善線材的磁通釘扎情況。

3.2 工藝改進提高MgB2超導線帶材的性能

目前，改進MgB2超導線帶材的工藝的主要目的是:提高線帶材中超導芯絲的致密度以減少孔洞，改善晶粒間的連接性從而提高線帶材的Jc。改進工藝包括冷高壓致密化、冷等靜壓壓制、孔型軋制以及多種加工工藝相結合的加工路線，其目的是在提高超導MgB2相密度基礎上，一定程度上改善其磁通釘扎特性，提高超導線帶材的Jc性能。同時，也有部分研究小組試圖通過改進熱處理工藝或引進中間軋制工藝以提高線帶材的性能。

M.A.Hossain研究小組[30]的研究結果表明，冷高壓致密化工藝(Cold High Pressure Densification，CHPD)是一種可行的提高MgB2線帶材Jc的方法，該方法適合于制備不同結構的線帶材，且Jc均有大幅度的提高，尤其是在高磁場條件下。CHPD的具體工藝流程請參考文獻[31-32]。通過對冷高壓致密化前后的多芯線材相關參數(shù)的測試，發(fā)現(xiàn)致密化工藝使得芯絲的質量密度以及微觀硬度都得以大幅度提高，熱處理后芯絲的密度由未加壓的1.0 g/cm3增加到1.5 GPa冷高壓處理后的1.4 g/cm3，且維氏硬度由 1.4 GPa 增加到 3.6 GPa，為了提高壓制效果，致密化過程中可以對線材進行多次冷高壓壓制。冷高壓致密化后線帶材于650℃Ar保護氣氛下處理1 h，其臨界電流密度隨磁場的變化情況如圖5a，可以發(fā)現(xiàn)在整個測試磁場背景區(qū)，致密化的線材的Jc較未致密化線材提高2～3倍。圖5b是線材的R-T曲線，可以發(fā)現(xiàn)致密化后線材的電阻明顯下降，間接說明了致密化改善了晶粒間的連接性。同時線材的n值在經歷冷高壓致密化后也由一定程度的提高，均得益于晶粒連接性的改善，該方法有希望應用于長線帶材的制備，從而促進MgB2材料實用化的發(fā)展。

圖5 CHPD處理對18芯MgB2線材超導性能的影響:(a)Jc-B曲線，(b)R-T曲線Fig.5 Superconducting properties of 18 filaments MgB2superconducting wires with and without the CHPD process;(a)Jc-B curves and(b)R-T curves

P.Kovac研究小組[33]采用 GlidCop合金(加入質量分數(shù)為1.1%的Al2O3對銅基體進行氧化物彌散強化)作為中心強化材料和外包套材料，制備了MgB2/Ti/Glid-Cop結構的多芯線帶材，加工過程先采用擠壓再拉拔、孔型軋制和雙向平滾軋制，導體機械強化采用中心增強和外部包套增強相結合的方法。研究了不同熱處理制度對線帶材微觀結構以及超導電性的影響，結果表明:不同尺寸的線材適合于特定的熱處理制度;Ti具有優(yōu)異的變形性，制備線帶材均沒有發(fā)現(xiàn)阻隔層Ti的破裂，只是在制備的帶材中存在Ti層厚度為5 μm區(qū)域;可以制備出阻隔層完整、芯絲尺寸達到10 μm數(shù)量級的多芯線帶材。制備線帶材的芯絲尺寸同線帶材尺寸的變化曲線如圖6，最小的芯絲尺寸為8 μm左右，同時阻隔層完整無破裂。一般情況下，較粗的線帶材熱處理時間較長(幾十分鐘)，較細線帶材的熱處理時間較短(幾分鐘)。不同導體結構制備線材的臨界電流密度隨著芯絲尺寸的變化曲線如圖7，采用Ti/Glidcop結構的線材制備了目前所報道的最小芯絲尺寸的MgB2線帶材，且臨界電流密度隨著芯絲尺寸的變化起伏不大，比較穩(wěn)定，制備帶材在4.2 K，5.5 T條件下 Jc穩(wěn)定在30 000～40 000 A/cm2。其他文獻報道的線材隨著芯絲尺寸的變化Jc變化較大，說明不同的導體結構只適合于制備芯絲尺寸在一定范圍內的線材。

P.Kovac研究小組[34]采用PIT工藝制備了1～30芯的MgB2線材，阻隔層材料分別選用Nb和Ti兩種。在4.2～20 K的溫度范圍內，測試了低磁場條件下的臨界電流密度，不可逆應變和不可逆應力。采用多種加工變形方式相結合的技術路線，其中30D表示30根芯絲采用拉拔制備，30CIP制備過程為先拉拔后等靜壓壓制(2.0 GPa)，30RS制備過程為先拉拔后旋鍛，30GR制備過程為先拉拔再孔型軋制。結果顯示:隨著芯絲數(shù)目的增加，外包材料GlidCop合金所占線帶材總面積的比例增加，而芯絲面積基本穩(wěn)定在12%，且對于30芯的線材的微觀硬度隨著變形方式的不同存在明顯的差別，30D的制備線材的芯絲 HV0.05硬度為72，而采用30CIP和30RS加工路線制備線材的硬度分別達到185和147，從側面反映了30CIP和30RS制備線材的芯絲密度較30D線材高。

圖6 MgB2/Ti/GlidCop多芯線材的芯絲尺寸和Ti層厚度同線材直徑的變化曲線Fig.6 The wires diameter dependence of cores sizes and Tibarrier thickness at the mutilfilamentary MgB2/Ti/GlidCop superconducting wires

圖7 不同方法MgB2線材的Jc隨芯絲尺寸變化Fig.7 The filament sizes dependence of the Jcat MgB2 wires with various fabrication process

不同阻隔層材料和不同工藝制備線材的微觀硬度以及機械性能見表1，不可逆應變由于不同加工方式制備線材的微觀硬度的不同而不同，由于拉拔加工過程所受切向應力較大，使得其不可逆應變較大，不可逆應力的變化隨著芯絲數(shù)目的增加而變大。

K.Kishimoto研究小組[35]采用傳統(tǒng)的PIT工藝，以質量純度為99.9%Mg粉、99%B粉和99.9%SiC粉末為前驅粉，選擇先孔型軋制然后平輥軋制的工藝制備帶材，在孔型軋制完成后(大約總價功率65%)先進行500℃的退火再進行后續(xù)加工制備了MgB2線帶材。研究了立方鐵餅加壓熱處理對PIT制備帶材Jc的影響。熱處理過程采用加壓熱處理，壓力分別選擇1.33，1.5和3.0 GPa，SEM測試結果顯示:加壓后帶材較不加壓帶材的芯絲面積明顯減小，從加壓前的137 468 μm2減小到加壓后的84 416 μm2，1.33 GPa加壓熱處理后，帶材的芯絲密度達到了2.42 g/cm3。Jc-B曲線顯示，在20 K自場條件下，Jc達到了677 890 A/cm2。

表1 不同阻隔層材料和工藝制備的MgB2線材微觀硬度以及機械性能變化Table 1 the HV hardness and mechanic properties of MgB2 wires with different barrier materials and fabrication methods

3.3 加工機理以及測試方法改進方面

有關MgB2超導體的成相機理以及摻雜引入機制已經有了大量的研究，結果證實了Mg與B的反應是通過Mg向B的擴散完成，而C摻雜提高MgB2的Hc2主要通過C原子替代MgB2晶格中的B原子，造成MgB2的晶格扭曲和內應力，增加能帶間電子的雜質散射，從而提高Hc2。近年來，高性能多芯MgB2超導線帶材的制備發(fā)展迫切需要研究線帶材加工過程中的形變機理，同時還應嘗試一些新的制備工藝以及測試方法。

圖8 19芯和30芯“先繞后反應”和“先反應后繞”MgB2線材Ic隨Lt/dw變化Fig.8 the Lt/dwdependence of the Ic at the“wind ＆ react”and“react ＆ wind”MgB2wires with 19 and 30 filaments

M.A.Susner研究小組[38]通過采用拉拔工藝制作了單芯線材，并研究了加工變形過程中Mg顆粒的形變機制。實驗發(fā)現(xiàn):在拉拔過程中，Mg顆粒在外力的作用下延長形成Mg纖維，在熱處理(熱處理溫度選擇在600～700℃，恒溫時間最長達71 h)后則形成了MgB2纖維，同時該纖維具有一定的織構。Mg顆粒的變形過程如圖9所示。

圖9 拉拔過程中鎂顆粒的變形過程Fig.9 the deformation of Mg particles during the drawing process

該線材熱處理前后的SEM照片如圖10所示，從圖10中可以看出，加工形成Mg纖維在熱處理后成為MgB2纖維，具有明顯的織構度，MgB2纖維被孤立的空洞分開。從熱處理溫度對線材性能影響的研究結果顯示，在600℃的熱處理溫度下完全反應生成MgB2需要71 h，而700℃條件下只需要0.5 h就可以完成反應。熱處理時間對于晶粒尺寸以及超導電性影響的研究結果如圖11，隨著熱處理時間的延長，晶粒尺寸由最初的35 nm逐漸增加到53 nm，而在5 K，4 T條件下Jc由14 000 A/cm2降低到9 000 A/cm2;同時磁通釘扎力隨著晶粒尺寸的增大釘扎力也相應的降低。

圖10 MgB2超導體熱處理前后的SEM照片Tig.10 The SEM photos of MgB2superconductors before and after the heat-treatment

圖11 熱處理時間對于晶粒尺寸以及超導電性的影響Fig.11 the effect of heat-treatment duration time on the grains sizes and superconducting properties of MgB2

脈沖電流測試的優(yōu)點是通電時間短、產生熱量小，而傳統(tǒng)的直流測試由于通電時間較長、產生熱量較大，導致測試環(huán)境溫度不穩(wěn)定，因此不利于測試數(shù)據(jù)的準確性。K.W.See研究小組[39]采用脈沖電流四引線法測試了線材的臨界電流，研究了不同電流變化率對線材測試結果的影響。采用有限元分析方法研究了不同電流變化率對測試結果的影響，結果顯示，隨著脈沖電流頻率的增加，臨界電流相應的增加。

H.Fujii研究小組[40]以 Mg(BH4)2為前驅物，采用PIT工藝制備MgB2帶材，熱處理后獲得近似為單相的MgB2粉末，制備樣品在零場下獲得了超高的臨界電流，但是臨界電流在磁場下衰減迅速，當磁場強度達到1.0 T時，已經不存在明顯的臨界電流，原因主要是由于前驅物純度較低以及容易受到水、氧氣的影響，導致制備帶材晶粒連接性差。

M.Wozniaka研究小組[41]采用 In-Situ PIT 工藝制備了添加Cu粉的MgB2/Cu線材。研究了Cu的添加量，原始的Mg，B摩爾分數(shù)以及熱處理制度對于線材超導性能的影響。結果表明:Cu的添加加速了MgB2相的生成，熱處理后MgB2相含量增加，而Mg-Cu合金的含量則大幅降低。過量的Mg可以彌補由于生成Mg-Cu合金而導致的Mg損失，降低未反應B粉的含量，然而過量的Mg對于Cu添加MgB2的形成起到了抑制作用。

J.C.Grivel研究小組[42]采用 In-Situ 工藝，以無定形B粉、Mg粉以及少量的低熔點金屬Bi，Se和Te粉末為前驅粉，制備了以Cu/Nb為包套材料的線材。研究了Bi，Se和Te粉添加對于MgB2/Nb/Cu線材微觀結構以及超導電性的影響。結果顯示:與純樣品相比，Bi添加的樣品可以明顯降低成相溫度，而Se和Te粉末添加卻不會降低成相溫度。Bi添加的樣品的Tc輕微的增加，而Jc較純樣品則明顯降低，主要原因是生成了中間化合物Mg3Bi2，造成了相純度以及晶粒連接性的降低。添加Se和Te粉末其Tc降低，Jc變化同Bi添加的樣品類似，由于中間產物的生成導致相純度以及晶粒連接性的降低。

綜上所述，采用傳統(tǒng)PIT工藝可以制備出不同規(guī)格尺寸以及不同結構的多芯MgB2超導線帶材;元素摻雜是提高線帶材超導性能的有效途徑，目前有效的摻雜物包括Ti，C，SiC和碳氫化合物等;冷高壓致密化或者高壓熱處理可以在很大程度上提高線帶材中晶粒間連接性，從而提高其載流能力;高能球磨(也稱機械合金化)也是一種提高線帶材超導電性的方法[43]。IMD方法較傳統(tǒng)PIT工藝制備線帶材MgB2超導層臨界電流密度高，但是該方法存在的缺陷是:MgB2超導層面積較小，因此臨界電流性能和PIT相比沒有明顯的優(yōu)勢，同時長線制備的均勻性也很難控制。

4 MgB2磁體及應用技術研究進展

MgB2超導線帶材材料可以應用于MRI、中子探測器、Josephson節(jié)和SFQ等領域，Kumakura研究小組制備了日本的首臺醫(yī)用MRI系統(tǒng)，而類似的MRI系統(tǒng)在2007年已經有意大利的ASG、Paramed和Columbus 3家機構合力完成。

目前，MgB2磁體制備技術已經成為研究熱點之一。意大利Ansaldo Superconduttori公司采用1 500 m長Ex-Situ PIT MgB2/Fe/Ni線材繞制了餅狀磁體(如圖12所示)。線材直徑為1.0 mm，填充因子29%。該餅狀磁體的臨界電流超過300 A(14 K，0 T)。同時該公司已經開始了無液氦制冷機系統(tǒng)的開發(fā)，如圖13所示。

圖12 餅狀的MgB2超導磁體照片F(xiàn)ig.12 the photo of the pancake MgB2superconducting magnet

圖13 MgB2超導磁體冷卻系統(tǒng)Fig.13 the refrigeration system of the MgB2superconducting magnet

這是目前最為系統(tǒng)的MgB2磁體工作，同時Ansaldo Superconduttori公司已經制備出大型雙餅磁體(如圖14所示)，磁體的內徑達到1.3 m。

意大利愛迪生公司的 E Perini與 G Giunchi[44]制備了一個中空的MgB2圓柱磁體，內外直徑分別是25 nm和39 mm，高43 mm。把其放置于永磁體組附近進行場冷，以此考察MgB2圓柱磁體在超導態(tài)下的磁耐受性，這項研究可用來轉移永磁體的磁能。為深入研究MgB2磁體的磁能轉移特性，意大利愛迪生公司的Elena Perini等[45]通過改變MgB2圓柱磁體與永磁體間相對距離的方法，研究了二者間力的相互作用及超導磁體的磁通捕獲能力。

圖14 雙餅狀MgB2超導磁體照片F(xiàn)ig.14 the photo of the double-pancake MgB2superconducting magnet

中國電工所的李曉航等[46]使用MgB2/Fe/Ni/Cu復合帶材繞制了直徑100 mm的超導MRI磁體系統(tǒng)，中心場可達1.5 T。結構如圖15所示。線圈參數(shù)與線材參數(shù)分別如表2和表3所示。

圖15 MgB2螺管磁體設計圖Fig.15 The design of the solenoid MgB2superconducting magnet

表2 螺管線圈的設計參數(shù)Table 2 Design parameters for the multi-solenoid structure

日本東京大學的N.Atomura等人[47]用Hyper Tech生產的線徑為0.84 mm的MgB2線材設計并繞制了一個線圈，工作環(huán)境及線材、磁體參數(shù)如表4所示。

表3 帶材性能參數(shù)Table 3 Tape specification and design parameters for the test solenoid

5 結語

MgB2超導線帶材具有傳統(tǒng)低溫超導體無法達到的工作溫度，同時加工和制備成本也顯著低于傳統(tǒng)的Nb-Ti、Nb3Sn等低溫超導體以及Bi系和涂層高溫超導體;另一方面，制冷機冷卻型超導磁體系統(tǒng)具有運行維護更方便、結構緊湊、安全性好、效率高、長時間運行不需補充液氦等優(yōu)點。因此，采用MgB2超導線帶材和制冷機冷卻磁體技術研制MRI磁體，具有成本和技術的雙重優(yōu)勢。磁共振成像技術在不斷向高場和開放兩個方向發(fā)展，由于成本和運行費用太高，3.0 T以上的高場強產品并不是市場主流，低場的開放型永磁MRI在向中小型醫(yī)院普及，但由于場強只能達到0.4 T左右，其性能不能滿足各種醫(yī)學診斷要求，而使用低溫超導磁體的中場MRI價格降不下來，高昂的售價很難被市場接受。

由于MgB2超導材料具有加工過程相對簡單，原材料成本較低等特點，在20～30 K，1～2 T的范圍內具有廣闊的應用前景，特別是2006年第一臺基于MgB2超導材料0.6 T的MRI問世后，更為其應用指明了方向。它將首先替換中場的低溫超導磁體系統(tǒng)，同時隨著材料性能的提高和技術的成熟，會向高場發(fā)展，占領1.5 T等高端產品的市場，具有更高的性價比，市場潛力巨大。

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