7月22日，韩国科研团队在arXiv上发表了两篇关于室温常压超导体（LK-99）的论文，引领了一股“室温超导”风暴。后续文章被撤稿，该事件被证实为“乌龙事件”，但大众对常温超导的期待不减反增。近年来室温超导研究取得了一些重要突破，但仍存在许多难题待克服，常温超导时代的来临或许还需一段时间。

在超导领域，低温超导和高温超导的发展也持续突破。其中低温超导目前应用最为广泛，商业化较为成熟，高温超导尚处在产业化早期阶段，虽然国内研究超导的公司不少，但是真正能够专业量产的公司并不多[1]。

二、超导：20世纪最伟大的科学发现之一

超导(superconductivity)，即“超级导电”，是20世纪最伟大的科学发现之一。1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现，汞在﹣269℃时电阻会突然消失，而后他又注意到许多金属与合金都具有类似的特性，他将这种现象称为超导态，将呈现超导电性的材料称为超导体[2]。1913年，昂内斯又发现锡和铅也具有超导性，同年他因为该研究被授予了诺贝尔物理学奖。

图1."绝对零度先生"—海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853.9.21－1926.2.21)荷兰物理学家，超导现象的发现者，低温物理学奠基人之一

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三、超导体的三大基本特性

图2.超导体的两个特性

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零电阻效应、迈斯纳效应和约瑟夫森效应是超导体的三大基本特性。其中，零电阻效应和迈斯纳效应是两大主要特征，两者缺一不可[1]。

（1）零电阻效应——导体在跨越临界温度成为超导体之后，会表现出电阻接近零的特性*。电流在流过导体时，根据焦耳定律会发热，这部分的热量会损耗电能。而超导体的电阻接近零，将不会出现这类电能损耗。通俗来说，若手机应用了超导技术，就不会出现充电发热现象。（*在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。）

（2）迈斯纳效应——即完全抗磁性，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场，且始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。这一特性最大的用途是用来做磁悬浮。

（3）约瑟夫森效应——也称量子隧穿效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象。利用这一特性可以用来制造超导计算机。

根据以上三个基本特性，超导体的应用主要分布在科研、医疗、能源、交通等多个领域。

图3.中科离子自研超导回旋加速器

 科研仪器：在粒子加速器中，超导线圈用来产生强大的磁场，用于加速和控制粒子的运动。

 医疗设备：超导磁体广泛应用于核磁共振成像设备，帮助医生获取人体内部影像。

 能源系统：超导可以用于制造无损耗的电力传输线路，提高电力系统效率。

 交通工具：超导磁悬浮列车利用超导产生的强大磁场，实现列车与轨道之间无接触的高速运行。

四、低温超导VS高温超导：区别的不仅仅是温度

根据超导体转变温度的不同，超导体可分为低温超导和高温超导。在实用化超导领域，一般将转变温度在20K以下的称为低温超导，20K以上的称为高温超导[3]。

4.1 低温超导

低温超导主要材料为铌基超导线材(NbTi和Nb3Sn)， 这些材料在接近绝对零度（﹣273.15℃）的时候可以变成超导体。常用低温制冷剂为液氦，液氦是指氦气在摄氏温标﹣269℃*时转变成的液体氦。（*摄氏温标﹣269℃约等于热力学温标4k，或者是华氏温标﹣452.5℉。）

低温超导主要应用于加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振磁体、通用超导磁体等领域。

4.2 高温超导

高温超导主要材料包括铋系(BSCCO)、钇系(YBC0)、二硼化镁(MgB2)超导材料、铁基超导材料等。这些材料在相对较高的温度下（如液氮的沸点，约﹣196℃）可以变成超导体。

高温超导的应用主要为电力电缆、磁悬浮、超导变压器、直流感应加热、大型加速器、可控核聚变等领域。

4.3 低温超导VS高温超导

 低温超导：技术成熟、稳定性好、但冷却成本高；

 高温超导：冷却成本低、但技术复杂，研发成本高；

目前，低温超导已经规模商业化，NbTi 超导线材用量占整个超导材料市场的 90%以上；高温超导正逐步开始产业化[4]。

五、低温超导的痛点：昂贵且稀有的液氦

在低温技术领域有两大制冷神器——液氦和液氮。液氦可达到绝对零度的低温，即-273.15℃，而液氮的最低温度仅有-196.56℃。由于临届温度的需求，低温超导常用的制冷剂就是液氦。

氦气作为稀有气体，获取成本高，国内市场90%以上的氦气依赖进口，价格堪比黄金。氦气同时也是国防军工和高科技产业发展不可或缺的战略资源。我国氦气主要依赖美国进口，若美国停止了氦气出口或增加了限制，将对我国的航天、工业、科研等领域造成巨大冲击。相较而言，氮具有低成本，易获取的绝对优势，这是因为氮气属于空气中含量最多的气体，同时液氮还是液氧制备的副产品，液氧需求量大，因此也造就了大量的液氮。

5.1 传导冷却：更优的冷却之选

传导冷却是一种无需低温介质（如液氮、液氦等）的制冷方式，直接通过制冷机对磁体进行降温，具有操作方便，长期运行等优势。

图4.传导冷却超导磁体结构示意图[5]

六、超导磁共振：触手可及的低温超导应用

超导磁共振（MRI）是超导体的核心应用领域，1.5T以上的MRI主要使用低温超导磁体，同时MRI也是氦用量最大的行业，其使用的液氦占据全球液氦用量的22%[6]。如何减少液氦使用量，降低对液氦的依赖，是MRI企业面临的巨大挑战，也是MRI技术领域需要迫切解决的问题。
6.1 传统液氦超导磁共振的劣势

传统液氦超导磁共振（MRI）液氦消耗成本高，有失超风险。使用液氦超导磁体*的MRI，需将超导线圈浸泡于液氦中，液氦能够迅速带走超导线圈中的热量，使其稳定在超导状态；带走热量的同时，一部分液氦会汽化成氦气，这部分氦气在冷头制冷下，重新转化为液氦；因此，在超导磁体低温容器内液氦与气氦共存，氦在两种状态间处于动态平衡。为了避免超导磁体低温系统内进入空气而造成磁体故障，通常内部平衡的压力稍高于外界压力，内外压力差使得氦气会从磁体中少量溢出。（*超导磁体是指低温下用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。）

若冷头因断电或其它原因停止工作超过一定时间，液氦将大量汽化，磁体腔体内的液氦变成氦气，体积会膨胀739倍，导致磁体压力上升；为保持磁体压力，部分氦气会通过失超管挥发到外部环境；当液氦损失超过一定程度，会引起失超，即主磁体线圈由超导体变为导体，线圈中的电流瞬间消失，电磁能转化为热能，液氦大量挥发，磁场强度迅速下降[6]。

医院MRI失超一次造成的损失包括[7]：
1. >50万的液氦费用；
2. >7天的停机时间和经济损失；
3. 其它检修费用和声誉损失。

6.2 无液氦磁共振新赛道

目前，全球多家超导MRI生产企业在积极探索无液氦超导磁共振技术的创新与突破。国内也有多家企业布局无液氦磁共振赛道。

无液氦超导磁共振使用传导冷却低温超导磁体，无需使用液氦作冷却剂，从根本上避免了超导磁共振“失超”的风险，同时也具有安全性高、运输方便、运维成本低、无地域限制、应用前景广阔等多重优势。

安全性高——传导冷却低温超导磁体不使用液氦，不论是在工作状态、失超状态还是室温状态，线圈始终在真空中，磁体内部没有高压容器，没有低温液体，其安全性较传统超导磁体和少液氦超导磁体更高。

运输方便、降低运维成本——传统液氦低温超导磁体因液氦的原因，需按照危险品的要求运输；由于运输过程中无法供电会造成较多液氦损耗，因此，对液氦低温超导磁体的运输时间、运输方式、路径选择、安装场地等方面都有较多限制，尤其对于海外客户的运输和装机就更为复杂。而传导冷却超导磁共振设备可在常温、无供电条件下运输。对运输要求的降低不仅会提高运输效率，也极大降低运输成本，安装和维修也更加便捷。

无地域限制——传导冷却技术的超导磁共振设备无需补充液氦，这对一些不易获取液氦的国家或地区更加友好。

中科离子7T传导冷却低温超导磁体

日前，中科离子依托超导质子回旋加速器中超导磁体研制经验，成功研制7T高场大孔径低温超导磁体并实现7.2T稳定运行，其性能在同类型设备中处于领先水平。

中科离子低温超导磁体技术可广泛应用于科研、检测、医学装备等领域，欢迎友商垂询。

参考文献

[1]倪雨晴.低温超导产业化已较为成熟[N].21世纪经济报道,2023-08-09(011)

[2]侯新杰,王莹.卡末林·昂内斯:超导物理学的开创者[J].物理教学, 2012(4):3.DOI:CNKI:SUN:JXWL.0.2012-04-025.

[3]瞿立建.百年超导路，今朝抵室温[J/OL].返朴,2021-02-05.

[4]邱祖学、孙二春、李挺.超导行业深度报告：下个十年，奔向超导产业发展的星辰大海[J/OL].民生证券，2023-08-11.

[5]Hanai S, Tsuchihashi T, loka S et al. Supercond. Sci. Technol., 2017, 24(4): 4602406.

[6]宋伟忠,尚贵录,于多.浅淡超导磁共振机器在加充液氦时应注意的几点问题[J].医疗装备, 2000, 013(005):55-55.

[7]李桂明,王永胜,肖翔,等. 1.5T核磁共振成像系统失超故障处理及整改总结[J]. 中国医疗器械杂志,2021,45(4):469-472. DOI:10.3969/j.issn.1671-7104.2021.04.026.