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地球的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為47μT，這就是使得指南針移動(dòng)的磁場(chǎng)。如果能產(chǎn)生高得多的磁場(chǎng)，就可為科學(xué)發(fā)明和醫(yī)學(xué)發(fā)展開(kāi)辟道路。美國(guó)AGY公司及其伙伴研發(fā)了一種新的復(fù)合材料技術(shù)，用以制造能夠產(chǎn)生約12T的磁場(chǎng)的磁體。
在高場(chǎng)超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)和制造中，電纜絕緣是一關(guān)鍵因素。絕緣材料必須滿足電學(xué)和應(yīng)力等方面的要求。因?yàn)榇朋w內(nèi)部繞組的總電流密度決定磁場(chǎng)的大小，絕緣材料在線圈中必須盡量少占空間。除了所有高磁場(chǎng)偶極子的這些共性要求外，在用Nb3Sn、Bi-2212或MbB2超導(dǎo)體制造繞組時(shí)，其絕緣系統(tǒng)還面臨三個(gè)挑戰(zhàn)。其一，當(dāng)線圈終成形時(shí)，絕緣系統(tǒng)必須能夠經(jīng)受所需的熱處理。其二，在玻璃纖維和超導(dǎo)母體陶瓷纖維的表面必須存在浸潤(rùn)的化學(xué)組分，以便在絡(luò)紗、紡織和繞制線圈過(guò)程中提供潤(rùn)滑作用。現(xiàn)用的大多數(shù)浸潤(rùn)劑在超導(dǎo)體熱處理所需的溫度下都會(huì)分解，分解產(chǎn)物會(huì)在繞組中留下余灰，這可能削弱磁體的電學(xué)和力學(xué)性能。其三，在高磁場(chǎng)偶極子中需要對(duì)繞組進(jìn)行失超保護(hù)，用加熱器與每一繞組保持緊密熱接觸(但電隔離)來(lái)產(chǎn)生熱脈沖，而熱量必須通出絕緣材料傳輸。這意味著電纜絕緣層的厚度直接決定著一旦出現(xiàn)自發(fā)失超時(shí)是否能夠獲得佳響應(yīng)時(shí)間。此響應(yīng)時(shí)間對(duì)失超保護(hù)非常重要。因此，對(duì)絕緣材料的高要求成為高磁場(chǎng)偶極子研發(fā)中的一個(gè)遏制因素。
伙伴關(guān)系促成創(chuàng)新
美國(guó)加速器技術(shù)公司找到AGY公司，求助研發(fā)能夠滿足這些嚴(yán)格要求的絕緣材料。S-2玻璃纖維能滿足這些性能要求，但亦存在兩個(gè)問(wèn)題。其一，纖維直徑過(guò)粗而不能獲得合乎需要的薄層。其二，玻璃纖維上的浸潤(rùn)劑在熱處理時(shí)會(huì)碳化，導(dǎo)致在電絕緣材料中形成斷點(diǎn)。為此，AGY決定在用作航空航天增強(qiáng)材料的細(xì)直徑S-2玻璃纖維產(chǎn)品上使用為耐高溫?zé)崴苄运芰显O(shè)計(jì)的浸潤(rùn)劑。在此用途中，S-2玻璃纖維更好的耐高溫性能用來(lái)滿足陶瓷超導(dǎo)材料的加工要求；更細(xì)的纖維直徑(5μm)可做成磁體中極薄的絕緣層來(lái)獲得大的磁場(chǎng)強(qiáng)度；而所用的浸潤(rùn)劑則可在成型超導(dǎo)材料的熱處理?xiàng)l件下保持穩(wěn)定，而且在繼后浸漬環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)促進(jìn)表面粘結(jié)。
AGY按照要求生產(chǎn)了所需的纖維，送至美國(guó)A＆P技術(shù)公司進(jìn)行編織。A＆P公司嘗試了幾種編織方案，終確定合適的一種，把新纖維編織成一薄層，完全包覆超導(dǎo)陶瓷母體。為了達(dá)到絕緣包覆要求，A＆P公司把紗線直接編織在用現(xiàn)代超導(dǎo)絞股線制成的盧瑟福電纜上。在一臺(tái)80錠的編織機(jī)上用極細(xì)的紗線以大編織角編織，形成均勻、緊密的包覆層。其壓縮厚度只有55μm側(cè)，達(dá)到了獲得大磁場(chǎng)的要求。加速器技術(shù)公司就使用這種編織超導(dǎo)體來(lái)制造磁體。
市場(chǎng)潛力
如此研制的高場(chǎng)磁體在很多領(lǐng)域都具有獨(dú)特的價(jià)值。此研究項(xiàng)目歸初由美國(guó)能源部撥款，目的是開(kāi)發(fā)新一代的超級(jí)對(duì)撞機(jī)。然而，此技術(shù)還有望用于其它很多領(lǐng)域。大可能是在醫(yī)學(xué)研究中揮發(fā)作用。這種磁體產(chǎn)生的高磁場(chǎng)可用來(lái)提高磁共振成像功能，檢查各種藥物對(duì)人體的作用。此磁場(chǎng)還可用來(lái)瞄準(zhǔn)和摧毀人體中的癌瘤。AGY及其伙伴將與醫(yī)療設(shè)備制造商合作，將此技術(shù)用于更多醫(yī)學(xué)用途。可利用此技術(shù)的另一領(lǐng)域是能量?jī)?chǔ)存。大型超導(dǎo)磁體可用來(lái)儲(chǔ)存大量能量，向工廠不間斷地供應(yīng)能源。需要高磁場(chǎng)的第三方面是太空探索。太空中的輻射程度非常高，這對(duì)任何長(zhǎng)時(shí)間的太空遨游都非常危險(xiǎn)。一旦火星旅行成為現(xiàn)實(shí)，空間飛行器必定需要輻射防護(hù)。以此技術(shù)為基礎(chǔ)，可把超導(dǎo)磁體做得足夠小，使其成為太空旅行的可行解決方案。
