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新型铁基超导体的实用化与高场应用

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中科学院老科协电工所分会
举办时间:2018-04-25       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
邀请报告
交流与讨论
结论与建议
主要专家简介:
  1. 吴石增(主持人) 中科院电工研究所研究员,中科院老科协电工所分会理事长。
  2. 马衍伟(主旨报告)中国科学院电工研究所研究员, 电工研究所超导能源新材料究部主任,中科院“百人计划”项目专家,国家“杰出青年基金”获得者,北京市“百名领军人才”。
  3. 徐庆金(邀请报告)中国学科学院高能物理研究所研究员,中国科学院“百人计划”A类“引进国外杰出人才”。
  4. (以下按姓氏笔画排列)
  5. 成  者 中科院电工研究所超导能源新材料究部博士研究生
  6. 樊  帆 中科院电工研究所超导能源新材料究部博士研究生
  7. 何远光 中科院老科协执行理事长兼秘书长
  8. 黄  河 中科院电工研究所超导能源新材料究部博士研究生
  9. 金家骅 中科院电工研究所高级工程师,中科院老科协电工所分会理事
  10. 李耀华 中科院电工研究所所长、研究员
  11. 李亚南 中科院老科协办公室主任助理
  12. 刘国诠 中科院化学所研究员,中科院老科协化学所分会理事长
  13. 刘  红 中科院电工研究所老干办主管,中科院老科协电工所分会副秘书长
  14. 刘世法 中科院电工研究所超导能源新材料究部博士研究生
  15. 麻莉雯 中科院老科协办公室主任、电工所分会秘书长
  16. 孙广生 中科院电工研究所研究员,中科院老协电工分会副理事长
  17. 涂  畅 中科院电工研究所超导能源新材料究部博士研究生
  18. 魏绍清 中科院高能物理研究所博士助理研究员
  19. 邢福生 中科院电工研究所原党委书记,中科院老协电工分会副理事长
  20. 要慧芳 中科院老科协电工分会副秘书长
  21. 张  展 中科院高能物理研究所博士、助理研究员
展开

【简介】

 

新型超导材料是超导电工技术发展的基础。目前已实用化的超导材料属于低温材料,必须在昂贵复杂的液氦系统中使用,因而严重限制了超导应用的发展。为了促进超导技术应用的发展,科技界早在30年前就开始了高温超导材料的研究。当前,以新型铁基超导材料为核心的高温超导材料研究是国际研究的热点和前沿领域。我国科研机构,特别是中国科学院,在此领域开展了卓有成效的研究工作,中科院电工所在新型铁基超导材料的实用化研究方面一直处于世界的最前沿,并引领着该领域的发展。2016年电工所成功研制出世界上第一根100米量级的高性能122型铁基超导长线,被誉为铁基超导材料实用化进程中的里程碑。美国《超导周刊》、国际电气与电子工程师协会(IEEE)超导分会以及中央电视台新闻联播、人民日报等进行了专门报道。本次学术沙龙活动邀请此领域的专家马衍伟研究员和徐庆金研究员讲解和介绍铁基超导材料的研究现状和进展以及实用化的前景,并在促进新型铁基超导材料的实用化与高场应用开展了热烈讨论。

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【主持人致辞】

 

吴石增:各位领导、各位专家、各位同事大家上午好!由中科院老科协主办、电工所分会承办的《新型铁基超导体的实用化与高场应用》为主题的学术沙龙活动现在开始了。

新型超导材料是超导电工技术发展的基础,目前以铌钛(NbTi)、铌锡(Nb3Sn)为代表的已实用化的超导材料属于低温材料,必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用,因而严重限制了低温超导应用的发展。1986年高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用的温度从液氦提高到了液氮温区,使超导技术在经济和技术上的优点更加显著,极大地促进了超导电工应用技术的发展,如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段,但由于性价比太低,在电力装备中未能获得普遍的应用。

2008年2月,日本科学家发现在氟掺杂的镧氧铁砷(LaFeAsO)中有26K的超导电性,在国际上掀起了新一轮的超导研究热潮。通过替换元素方法,中国科学家很快以铁基超导材料把超导温度推到了55K,铁基超导体受到了广泛关注。铁基超导体被《科学》誉为目前最有发展前景的新型高温超导体之一,有望在医疗、能源如高能粒子加速器等高磁场领域广泛应用。

我国科研机构,特别是中国科学院,开展了卓有成效的研究工作,在以新型铁基超导材料研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮中占据了重要位置。中科院电工所在新型铁基超导材料的实用化研究方面一直处于世界的最前沿,并引领着该领域的发展,最早使用粉末装管法制备了镧氧氟铁砷(1111)和锶钾铁砷(122)铁基超导线带材,并在122超导线带材的制备技术和载流性能方面一直保持国际领先水平。2016年电工所成功研制出世界上第一根100米量级的高性能122型铁基超导长线,被誉为铁基超导材料实用化进程中的里程碑。美国《超导周刊》、国际电气与电子工程师协会(IEEE)超导分会以及中央电视台新闻联播、人民日报等进行了专门报道。

为了更好地推进新型铁基超导材料的实用化发展,在中科院离退休干部局的领导下,由中科院老科技工作者协会主办,电工所分会承办,经过一段筹划和准备,得到了电工所领导和马衍伟研究员科研团队的大力支持,今天在这里举办《新型铁基超导体的实用化与高场应用》为主题的学术沙龙活动,请马衍伟研究员作主旨报告。马衍伟研究员现为电工研究所超导能源新材料研究部主任,中科院“百人计划”项目专家,自2008年起就率先开始了新型铁基超导材料的实用化研究。对高性能铁基超导材料的系统研究引领了该领域的发展。研究成果曾入选科技部“国家十一五重大科技成就展,授权国家发明专利35项,发表论文262篇。国家“杰出青年基金”获得者,北京市“百名领军人才”。该研究成果也得到了我国最高权威报纸《人民日报》的赞誉和报导,以《超导技术超凡脱俗》的题目刊登在了2017年12月22日的报刊上。

今天我们还邀请到中国科学院高能物理所的徐庆金研究员作题目为《铁基超导体在高能粒子加速器上的应用》的邀请报告,徐庆金研究员是中科院“百人计划”项目研究员。2006年在中科院理化技术研究所工学获得博士学位后,先后在中科院高能物理研究所及日本高能加速器研究机构(KEK)做博士后、KEK特别助理教授,2014年12月入选中国科学院“百人计划”A类“引进国外杰出人才”,依托环形正负电子对撞机项目(CEPC-SPPC),开展高场超导加速器磁体技术研究。

两位专家报告之后,进行沙龙性讨论发言,请大家敞开思路,踊跃发言,积极参加讨论。希望通过我们今天的学术沙龙,对新型铁基超导材料的科学原理、技术特点、研究现状和应用前景展现给大家,为进一步促进新型铁基超导材料的研究发展和实用化起到大的推动作用。我们电工研究所李耀华所长在百忙中来参加此次活动,体现了所领导对今天学术沙龙活动的重视和支持,下面首先请李耀华所长讲话!

李耀华:各位老领导、各位同事上午好,很高兴参加今天电工所分会组织的学术沙龙活动。吴老师是电工所分会理事长,他为了这个沙龙做了很长时间的精心准备,我对吴老师的辛勤工作表示衷心的感谢!我也代表所里向院老科协对我们所这项活动的支持表示衷心的感谢!所里科研是需要氛围的,需要大家活跃的学术思想和经常召开学术活动,相互沟通碰撞出火花,推进所里的科研工作。老科协组织学术沙龙就是起到这个作用。今天的沙龙现在看参加的人还不够多,希望扩大宣传,争取有更多的人参加。我衷心祝愿这次学术沙龙取得成功,祝愿今后的学术沙龙今后办的越来越好,谢谢各位!

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【主旨报告】

 

马衍伟:新型铁基超导体的实用化研究

我是2004年来电工所的,已经十多年了。非常感谢各位老师、各位领导来参加此次活动!非常感谢吴老师的邀请,有机会介绍铁基超导材料研究方面的进展。报告的题目从吴老师去年开始找我多次才确定的,我努力把这方面的进展给大家汇报一下,不当之处请大家批评指正,仅仅是抛砖引玉的作用。

1.引言

超导,全称超导电性,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度时,电阻突然消失的现象,具备这种特性的材料称为超导材料。1911年荷兰科学家Kamerlingh Onnes 将汞单质温度降低到4.2K(-268.95℃)时首次发现了超导现象,开创了一个新的研究领域,自此科学家一直致力于新型超导体的发现以及超导微观机理的研究工作。到目前为止,科学家发现了上千种超导材料,但绝大部分材料只有在极低的温度或者极端条件下才能维持超导状态,不利于实用化研究。目前能够实用化或者有实用化前景的超导材料有以下几种:NbTi和Nb3Sn超导材料,铜氧化物超导体BSCCO(Bi2223,Bi2212),YBCO涂层导体,金属化合物超导体MgB2和铁基超导体。上述几种超导材料有着各自不同的优缺点,比如NbTi,它的制造成本较低,可以制造9T的超导磁体,在低场下有广阔的应用前景,主要应用于核磁共振成像系统(MRI),磁悬浮列车等;Bi2223超导体的临界温度Tc能够达到110K,可以在液氮(77K)下使用,但它的各向异性较高,不适合用于强磁场场合;YBCO超导体同样具有较高的临界温度,但其具有较强的晶粒弱连接效应,使得其线带材的制备工艺比较复杂,同时造价也比较高。图1列出了不同超导材料在不同磁场及温度下的应用范围。

 

图1.实用化超导材料不同磁场及温度下应用范围

2.铁基超导材料

2008年2月,日本东京工业大学Hosono研究组报道了转变温度为26K的LaFeAsO1-xFx铁基超导体,引起了超导界对这一体系的强烈关注。铁基超导体的发现被美国《Science》杂志认为是高温超导领域研究的一个重大进展,将激发物理和材料学届新一轮的高温超导研究热潮。同铜氧化物超导体一样,铁基超导体也有着层状结构。比如都含有Fe和氮族(P、As)或硫族(S、Se、Te)元素组成的导电层,这两种元素组成正四面体结构,Fe位于正四面体中心,氮族或硫族元素位于正四面体4个顶点。由于载流子库层的不同导致了铁基超导体的不同结构,导电层和载流子库层交叠堆积在一起,形成三明治结构。根据结构不同,铁基超导体可以分为4个体系:11系、111系、1111系和122系。11系结构简单,对于超导薄膜的制备比较有利,但是其转变温度较低(8K);111系材料在空气中性质不稳定,不利于实际应用;1111系有着较高的临界转变温度(55K),但是该体系含有易挥发的F元素,而且其成相温度较高,在合成过程中容易产生杂相;122系各向异性较低(1-2),其单晶的临界电流密度在4.2K下能够达到106A/cm2以上,较高的上临界场,如图2所示,Ba0.6K0.4Fe2As2(Ba-122)材料的上临界场即使在20K下仍然能够达到70T。

 

图2.不同种类超导体临界磁场与温度相图

3.铁基超导线带材研究进展

铁基超导材料在高场领域有着独特的应用优势,比如核磁共振波谱仪(NMR)、核磁共振成像系统(MRI)以及高能物理加速器等,这些实际应用都需要绕制超导磁体,而超导磁体的绕制需要用到超导线带材。因此,基于铁基超导材料的独特优势和巨大的应用潜力,国内外很多研究小组对铁基线带材的制备开展了大量的研究工作,以致力于提高磁场下的临界电流密度Jc。目前主要研究单位有:中国科学院电工研究所、美国Florida高场实验室、日本国立材料研究所(NIMS)、东京大学、意大利热那亚大学、美国橡树岭国家实验室、日本产业技术综合研究所(AIST)、澳大利亚Wollongong大学等。铁基超导线带材的研究主要集中在1111、122、11等体系,其中122系是目前最有实用化前景的铁基超导材料,发展最为迅速,性能提高也日新月异。图3展示了国内外近几年铁基超导线带材传输性能的发展情况,我们可以看到在铁基超导材料发现之后短短的5年时间里,超导线带材的Jc有了质的提高,达到了105A/cm2这一实用化门槛,极大提高了铁基超导材料在实用化研究领域的地位。

 

图3.国内外铁基超导线带材的传输性能比较

我们从2008年铁基超导体发现之后就一直致力于推进铁基超导材料的实用化进程,主要是铁基超导线带材制备方面的研究。铁基超导材料硬度比较高而且脆性较大,导致其机械加工和塑性变形比较困难,目前主要采用粉末装管法(Powder-in-tube,PIT)制备铁基超导线带材。图4为PIT法制备铁基超导线带材的工艺流程图:先将粉体原料装入金属管中,用延展性相对较好的堵头封住金属管两端,通过旋锻、拉拔、轧制等工艺,获得所需要的线带材,最后再对线带材热处理以得到所需的样品。该方法制备工艺简单,成本低廉,而且能够批量化制备百米甚至千米长线。粉末装管法分为两种:如果预先合成铁基超导材料,将合成的材料研磨成粉后进行装管,这样叫做先位法(ex-situ),先位法的优点是可以进行多次研磨-烧结工艺,获得较高的相纯度和均匀性;如果将反应原材料经过研磨混合后直接装管,经过一系列加工制备成带材后在最终热处理阶段烧结成超导相,这种方法称为原位法(in-situ),原位法制备工艺相对简单,制备过程中不容易产生杂质,但是元素成分分布不均匀,而且对包套材料的化学稳定性要求较高,所以目前主要采用先位法制备铁基超导线带材。

 

图4.粉末装管法制备工艺

2008年4月,电工所采用粉末装管法率先制备出铁包套La-1111超导线材,其临界转变温度为25K。2008年6月和2009年2月,又分别制备出转变温度为52K的Sm-1111线材和世界首根122系铁基超导线材,其临界转变温度达到35.3K,磁测电流在5K零场下达到3.7×103A/cm2。这些都是早期对铁基超导线材制备的探索,遗憾的是没有测到传输电流,这是因为在粉末装管法中,为了让金属管中的粉末成超导相或者超导晶粒长大,需要对超导线带材进行一定时间的高温热处理,早期采用的Fe、Nb等包套材料都会不同程度上与超导芯发生反应,生成几十微米厚的反应层阻碍了超导电流在界面的传输。针对这一问题,2009年12月王雷等人率先利用Ag作为包套材料制备Sr0.6K0.4Fe2As2(Sr-122)超导线材,经过一定时间热处理过后,没有发现反应层,成功解决了包套与超导芯反应的问题,该样品的临界电流密度达到了1200A/cm2。这些工作为我们后来的铁基超导线带材的研究和临界电流密度的提高奠定了基础。

铁基超导线带材的制备过程中面临着许多问题与挑战:

首先,铁基超导材料的合成属于多相固态反应,在烧结过程中容易产生的杂相,成相比较困难。采用原位法制备的铁基超导线材由于元素分布不均匀,导致超导芯的相纯度较低,杂相多,而且由于固相反应的原因,会一定程度上造成超导芯的疏松,从而阻碍超导电流的传输。针对这一问题,电工所首创了先位法制备铁基超导线带材,有效解决了烧结过程中杂相过多的问题,大幅提高了122线材的超导芯的致密度和纯度,制备的样品在4.2K,0T下临界电流密度达到了3750A/cm2,极大促进了超导线带材的发展。随后东京大学、日本AIST等课题组也陆续采用先位法制备出了性能较高的122系铁基超导线带材,使得先位PIT法成为主流的铁基线带材制备工艺。

 

图5.122铁基超导体的晶间临界电流密度与晶界角的关系

其次是铁基超导体存在晶粒弱连接问题。晶粒弱连接效应指的是电流在超导材料内传输时,晶界夹角的大小影响着电流的传输,当晶界角比较小时,电流的大小基本不受影响,当晶界夹角大于该材料的临界角时,传输电流会受到极大限制,以指数形式衰减。比如,YBCO的晶界角从3°增加到45°时,其晶间电流密度从106~107A/cm2急剧下降到102~103A/cm2,下降约四个数量级,所以制备YBCO必须采用薄膜工艺,使其产生双轴织构以抑制晶粒弱连接效应。而铁基超导体的晶粒弱连接效应要比YBCO小得多。如图5所示,我们可以看到,虽然铁基超导材料中仍然存在弱连接效应,但晶界角从9°增加到45°时,晶粒间的临界电流密度只下降一个数量级,而且晶界角在9°以内时临界电流密度几乎没有变化。正是由于这个原因,铁基超导材料可以采用粉末装管法制备超导线带材,相比于YBCO涂层导体的制备成本大大降低。在粉末装管法制备的铁基超导圆线当中,晶粒取向的随机分布导致了晶粒间的大角晶界较多,为了进一步提高超导线材的传输性能,我们采用了将圆线轧制成带材的方法引入轧制织构。这样不仅提高了超导芯的致密度,更重要的是能够使晶粒产生c轴方向的织构。通过大变形率引入轧制织构,大幅减少了大角度晶界,极大抑制了晶粒弱连接效应,样品的临界电流密度也由原来的103A/cm2提高到了104A/cm2,打破了当时停滞不前的局面,进一步提高了铁基超导线带材的传输临界电流密度。

再次,在铁基超导线带材制备过程中容易引入氧元素,同时热处理过程中超导芯容易产生孔洞、裂纹等缺陷,使得晶粒连接性降低。我们发现122多晶样品当中存在着无定形层和富氧杂质,厚度约为10~40nm,大于铁基超导体的相干长度,影响着电流的传输。采用Ag、Pb、Sn等元素的掺杂可以有效减少氧元素的引入,净化晶界,改善晶粒间的耦合,提高晶粒连接性。为了减少超导芯中存在的孔洞和裂纹,需要提高超导芯的致密度,而提高超导芯致密度的方法有很多种。上面提到的轧制工艺,既引入了织构,又在一定程度上提高了超导芯的致密度。美国佛罗里达州立大学采用热等静压的方法极大提高了其致密度,线材的临界电流密度在4.2K,10T下达到8.5×103A/cm2。电工所同样采用热等静压的方法制备的铜银复合包套Ba-122铁基超导带材在4.2K,10T下达到9.4×103A/cm2。姚超等人系统研究了不同冷压压力对铁包套Sr-122超导带材超导芯微观结构和传输性能的影响,发现冷压工艺也能够提高超导芯的致密度,在1.4GPa的冷压压力下其临界电流密度达到1.68×104A/cm2(4.2K,0T)。

我们研究了线材的致密度和晶粒取向与载流能力之间的演变规律,提出进一步提高铁基超导线带材载流能力的协同调控机制。即织构化解决大角度晶界问题,提高致密度解决晶粒连接性差的问题,两者协同调控,同时大幅度提高晶粒间织构化程度和超导芯致密度。2014年,电工所采用热压法制备的Sr-122超导带材,进一步提高了超导芯的致密度,有效消除了拉拔轧制等机械加工过程中产生的裂纹。同时,在热压过程中晶粒受到压力的约束,在高温下更容易沿着平行于带材表面的方向生长,从而进一步提高了超导芯的织构度。这一工作首次将122铁基超导线带材的临界电流密度提高到105A/cm2(4.2K,10T),达到了实用化水平,这是铁基超导线带材实用化进程中的里程碑。最近,电工所采用热压工艺制备出了临界转变温度更高的Ba-122铁基超导带材,其临界电流密度在4.2K,10T下达到1.5×105A/cm2,这是目前国际关于铁基超导线带材文献中报道的最高纪录值。同时,样品临界电流密度在20K,5T下仍有5.4×104A/cm2,预示着铁基超导体在中低温高场领域有着非常重要的应用前景。

 

图6.114芯铁基超导线带材截面图

最后是线带材实用化制备研究过程中多芯样品及长线加工的均匀变形问题。此问题处理不好会导致超导芯在金属包套中分布不均匀,产生“香肠效应”,降低长线性能。虽然银包套材料与超导芯的相容性比较好,但是银的机械强度比较低,不能很好地保护超导芯,在实际应用过程中超导芯容易被破坏,而且大量银金属的使用不利于控制制备成本。在超导带材表面焊接金属加强层可以在不降低其临界电流密度前提下有效提高线带材的拉伸性能,目前这一工作正在开展当中。另外,采用不锈钢/银或者铜/银复合包套材料将有效提高线带材的机械强度,同时降低银的使用量。电工所采用热压工艺制备的铜/银复合包套铁基超导带材的临界电流密度在4.2K,10T下达到了4.4×104A/cm2。在高场应用中,为了减少交流损耗,防止磁通跳动,制备多芯的超导线带材是非常必要的。电工所于2013年成功制备出了7芯和19芯的铁基超导带材,其性能在4.2K,10T下分别达到6.1×104A/cm2和3.5×104A/cm2。如图6所示,电工所在2015年又研制出114芯的Sr-122铁基超导线带材。

为了推进铁基超导实用化的进程,电工所通过对制备过程中涉及的相组分与微结构控制、界面复合体均匀加工等关键技术的系统研究,解决了铁基超导线规模化制备中的均匀性、稳定性和重复性等技术难点。如图7所示,电工所于2016年成功制备出长度达到115m的7芯Sr-122铁基百米长线,该长线表现出良好的均匀性,在4.2K,10T下,长线的临界电流密度达到1.2×104A/cm2。而目前美、日、欧等国家的铁基超导线带材制备还处于米级水平。该成果一经发布便受到国内外同行的广泛关注,日本的国际超导会议(ISS)特别安排作为“Late News”邀请报告介绍此工作。2016年9月10日,中央电视台《新闻联播》专门介绍了电工所取得的科研成果。国际首根100米量级铁基超导长线的成功研制,被誉为铁基超导材料从实验室研究走向产业化进程的里程碑,奠定了铁基超导材料在工业、医学、国防等诸多领域的应用基础。

 

图7.世界首根100米量级铁基超导长线

4.结语与展望

从2008年发展到现在,我国在高性能铁基超导材料的研制中一直处于世界前列,目前铁基超导材料研究已经在载流性能显著提高的基础上进入了实用化制备的快速发展阶段,特别是百米量级铁基长线的成功研制为其在强电领域的示范应用奠定了坚实基础。铁基超导线带材的电流密度虽然已经达到了4.2K,10T下105A/cm2这一实用化门槛,但仍有相当大的上升空间,远远没有达到铁基薄膜或者单晶的水平,通过改善织构度,引入有效钉扎中心将会进一步提高铁基超导线带材的性能。从应用的角度来看,如何规模化制备出高性能、高强度、低成本的铁基超导长线将会是未来的发展方向。铁基超导体集临界电流大、临界转变温度高、上临界场高、各向异性小等优点于一身,有望成为4.2K-30K温度区间高场应用的主要超导材料。

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【邀请报告】

 

徐庆金:铁基超导体在高能粒子加速器上的应用

感谢中科院老科协电工所分会的邀请,让我得以有机会向各位专家老师汇报我们现在研究的工作。我们课题组近几年致力于高温高场超导加速器磁体技术的研究,并且与电工所马衍伟老师积极合作,取得一些成果也面临着一些挑战,希望各位专家能给予更多的支持和指导。

我的报告题目是“铁基超导体在高能粒子加速器上的应用”。世界上最著名的粒子加速器就是欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC),这个粒子对撞机坐落于瑞士和法国的交界,地下100米深,总长27公里的环形隧道内。大家知道二战之后的欧洲,各个国家支离破碎,彼此刚脱离敌对状态;为了促进国与国之间的合作,消除战争阴影,欧洲的政府首脑们一致同意,共同成立一个以基础科学研究为目的欧洲核子研究组织,也就是后来的CERN。在随后几十年里,CERN取得了众多的科学成就,最近的一个为世人所熟知的就是2012年发现了上帝粒子“希格斯玻色子”。CERN开展的基础科学研究,也带动了众多先进技术的进步与发展,如在超导技术领域、互联网技术领域等。对于粒子加速器这种大型科学装置,整个隧道里面90%以上都是各种磁体,就像刚刚马衍伟老师提到的,高场超导磁体技术是未来高能量粒子加速器建设最核心的技术之一。

我的汇报由两个部分组成:;粒子加速器的背景和先进超导技术对未来加速器的影响。首先来介绍一下粒子加速器及对撞机的工作原理:简单来说,它是将两束动量相反的粒子束,加速后进行碰撞同时观察其碰撞后的反应。一种方法是将加速器做成一个环形,粒子束在环里反复加速到接近光速。如图1所示,我们需要在直线段部分对带电粒子加速提高其动能 ,然后在圆弧部分将粒子束弯折 形成一个圆弧。图2为欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC的全景照。

图1. 粒子加速器的示意图


图2. 大型强子对撞机LHC全景照

加速器二极磁体和四极磁体是构成这种环形加速器的最主要的部件,其中二极磁体是用于粒子束的偏转,四极磁体用于粒子束的聚焦。如图3所示,粒子注入到加速器中后,首先会经过二极磁体偏转,之后由于粒子所具有的动能不完全相同,粒子轨迹会发散开,因此需要四极磁体来进行矫正,其原理类似光学透镜原理。图4和图5分别为一台实际加速器中所应用的常规二极磁体和四极磁体。

图3. 加速器中磁体工作原理示意图

图4. 加速器常规二极磁体结构

图5. 加速器常规四极磁体结构

前面说过二极磁体是用于粒子偏转的,所以其需要提供一个可以使粒子束通过的空间,在此空间中需要有高精度的稳定磁场。可以提供二极磁场的线圈具有多种结构,如Cos-theta结构(如图6)、Common-coil结构(如图7)、Block结构(如图8)和CCT结构(如图9)等。我们对比一下加速器中的Cos-theta二极磁体和螺线管磁体的结构:假设Je为电流密度,t为线圈厚度,我们可以计算该二极磁体的场强为 ;但是同样厚度的螺线管磁体如图10,其场强为 。我们不难发现,同样参数下,二极磁体的场强只有螺线管磁体的一半,同时二极磁体当中的磁场还需要保持足够高的场均匀度。同时,粒子加速器的束流能量和二极磁体场强成正比,为进一步提高粒子加速器的束流能量,更高场强的加速器磁体技术急需进一步发展及突破。

图6. Cos-theta结构二极磁体

图7. Common-coil结构二极磁体

图8.Block结构二极磁体

图9. CCT结构二极磁体

图10. 螺线管磁体

高能量粒子加速器需要更高场强的二极磁体,同时磁体数量众多,体积又受到隧道内空间限制,运行功率及造价又必须在合理范围内;具有更高载流密度的超导材料是唯一的选择:传统铜线材电流密度约为5A/mm2;低温超导材料NbTi电流密度可达600-700A/mm2,二极磁体最高磁场可达到9T;低温超导材料Nb3Sn具有和NbTi相当的电流密度,二极磁体最高磁场可达16T。一般的超导线材以芯线形式被制作成细长的细丝,并嵌入铜基体里面,同时细丝和线材扭绞在一起,以减少其中的磁通跳跃和交流损耗,同时增加失超后的保护作用及运行稳定性。

我们接下来说一下未来高能量粒子加速器的研究进展。我们中国科学家于2013年提出了未来环形正负电子对撞机(CEPC)和超级质子对撞机(SPPC)的建设计划:CEPC是一个240-250GeV的正负电子对撞机,可以对希格斯玻色子进行高精度研究;利用同一条隧道,可以建设75-150TeV的超级质子对撞机SPPC,以研究超出标准模型的新物理。图11是一个基于新型铁基超导材料的12T二极磁体概念设计,束流孔直径为40-50mm;场均匀度为10-4。SPPC第一阶段要求二极磁体场强为12T,未来根据需要及技术成熟度,可将场强提高至24T,以进一步提高对撞能量至150TeV。

图1112T铁基超导二极磁体概念设计:磁体截面(左)及磁力线分布(右)

在现有的超导材料中,传统的低温超导体NbTi最为廉价,其他的超导材料均比其造价高出数倍甚至数百倍。CEPC-SPPC加速器周长100公里,其建设需要成千上万个超导磁体,因此未来高能量粒子加速器的建设,对超导材料性能及造价都提出了挑战。铁基超导材料,从高场性能到其实用化线材的制作成本,我们认为比目前其他几种材料都有优势。未来高能量粒子加速器的建设,需要新型铁基超导材料性能的进一步提高以及产业化。为了这个目标,2016年我们联合国内的18家单位,包括科研机构和企业,成立了实用化高温超导材料产学研合作组。合作组研究工作的目标如下:

(1)将铁基超导材料的电流密度提高10倍,成本降低到20元/kAm,同时实现实用化超导线材的产业化;

(2)将ReBCO和Bi-2212超导线材的造价降低到20元/kAm;

(3)基于先进高温超导材料的高场磁体及超导腔的实现以及产业化。

合作组在各成员单位的互相协作下,若干研究工作已经取得了突破性进展:铁基超导材料的短样电流密度已经突破了1450A/mm2,国际领先;研制的国内第一个高场超导二极磁体,在两个孔径内最高磁场达到了10.2T(图12),确立了我国在高场加速器磁体技术领域的国际先进地位。近期我们得到了电工所马衍伟老师团队提供的两根百米量级的铁基超导带材,正在进行世界上首个高场铁基超导线圈的研制及测试,相信这将成为下一代高场超导磁体技术及高能量粒子加速器技术发展的里程碑事件。

图12. 国内第一个高场超导二极磁体研制及性能测试

总结一下,高场超导磁体技术是未来高能量粒子加速器技术的关键,其对先进高温超导材料的性能及造价均提出了很高的要求。铁基超导材料在未来十年有希望取得突破性进展,达到粒子加速器等大科学工程超导技术“实用化”的要求,同时将带动整个超导技术的普及化,推动我国高新技术产业的发展与进步,使我们在世界新一轮科技与经济竞赛中胜出。

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【交流与讨论】

 

吴石增:感谢两位专家所做的精彩报告,下面进行自由讨论,发言开始。

我先提一个问题,刚才马衍伟研究员讲到实用化要求铁基超导材料性能提十倍、价格降十倍,也就是实用化的要求要提高两个十倍,也就是一百倍才行,现在情况是怎样的,现在的价格怎么样?

马衍伟:目前是研发阶段,将来要建一百公里长超导加速器,那就需要几千个超导磁体,这样不是一台,一定要把价格控制住,否则投资一半是超导磁体。如果是投入上千亿的话,建一百公里加速器,一半的钱要投在超导磁体上。所以要控制住价钱。

徐庆金:建造是到2035年,需要几千吨超导线材,工业上也要有条件加工这个线材。我们的加速器造价不是几千亿。现在社会上受杨振宁先生的影响,都认为我们加速器是漫天要价。这是谣言。我们从来没说过加速器造价要几千亿。我们的造价,CEPC最多不超过四百亿,三五年之前要求造价是四百亿,所以这个造价认为加起来不超过一千亿,是相当于以后40年要用,40年用一千亿,每年是25亿左右,这是国际领先旗帜性的项目上这是非常低的项目经费要求。我们认为铁基超导材料的原材料、生产的工艺,都认为是最有可能实现性价比提升一百倍的目标。在此基础上2035年加速器建的时候成本也就是五六百亿,我估计到时候一个地方政府就可以掏的出来。

马衍伟:目前的性能,最高性能达到10的5次方,这个性能离王所长的十倍,造价降低十倍,总的一百是有差距的。现在粉末装管法确实是便宜,目前还用的是银,准备用铜和不锈钢。现在用纯铜初步的结果也不错,肯定不用银了。这样造价降低十倍,可以达到王所长的目标。我们还有可能降低25到30倍。但是目前性能对长线是两万左右,至少要达到10的5次方以上,初步的测算好像还是不便宜的。目前是用的整个工艺还没有得到最佳的优化,目前还是达不到。

徐庆金:要经过研发,列入先导专项,最直接的驱动是大科学工程。像加速器离子核聚变,合肥要建实验场,对高场要求比我们还紧迫。如果马老师的团队能把造价降下来,又实现伟大的科学目标,同时直接的经济贡献也非常大:超导输电和超导磁悬浮造价会大幅度的降低,对国家经济的发展推动是巨大的,相当于超导技术普及化了。超导最致命的问题是性价比不高,不稳定也用不起,性价比提高一百倍,夸张一些跟铜线差不多了,那时候超导技术就普及化的时代了。

马衍伟:现在领导压力非常大,要报进展的,赵院士和王所长要亲自到场,要盯着的。因为是从应用基础到倒逼机制,并不是为了研发材料而研发材料,光高的性能也不行,因为有各种各样的要求。目前是研发阶段存在很多问题,王所长特别急,领导角度投了钱要看到泡泡,但是铁基超导材很多技术问题,在座很多大家也很努力,节假日也不休息,但是很多问题需要克服,有很多工作需要完成。

孙广生:介绍得非常清楚,你们的研究是不是属于超导材料这个领域?

马衍伟:属于超导材料的应用研究,我们是制备材料。关于超导材料,物理所有超导国家实验室,物理所做新材料探索,电工所做材料制备。物理所相当于是找矿石的,我们课题组是把超导矿石加工成材料,我们跟上海宝钢一样,是研究如何把矿石变成汽车用钢材。

孙广生:咱们所讨论各个研究室发展方向的时候,对四室的发展方向当时提出要补充一个超导材料方面的研究。当时四室的名字叫超导技术与应用研究室,这块没有材料方面,后来很多专家提出,在研究应用和技术上就像缺一腿一样,那个时候就提出要把这块补上。看来你们把电工所的发展这块补上了。

马衍伟:谢谢领导,我们是非主流,但是始终努力向主力靠近。高场应用是非常重要的一块,主要的任务是咱们所。当时有一室磁流体发电,配合磁流体发电的磁体研究,当时已经搞了2号磁体,从俄罗斯进口了一个大的储罐。还有一些搞磁体的磁分离,对陶瓷,看到烧碗的磁体不白,就是因为里面含铁质。河南接了一个任务,就是设计这么一个磁体,把矿渣过去以后铁吸出去,这样提高材料的质量。南韩是为了搞磁流体,咱们还做了一台分离机。还有超导开关,我们做了一点点超导连接,但是和您说的不一样。四室三个组,我是超导材料,另外一个组超导电力和超导磁场、超导陀螺仪,两个应用一个材料的组。

孙广生:关于提高温度是不是你们的研究方向?

马衍伟:那是属于物理学家研究的方向。

邢福生:高温超导从性能上和低温的能达到同类水平吗?除了成本高以外?

马衍伟:性能上好得多,低温超导毕竟上临界磁场太低了,比如2特斯拉加速器根本是达不到要求,所以才发展高温超导材料。

邢福生:性格上更优越,但是价钱下不了,有点像太阳能电池一样。

马衍伟:世界上,美国、日本政府,一个接一个十年计划的支持。为了获得资助肯定是要说服政府,美国政府支持30年还没成果,日本的支持也停止了,给了三十年了觉得还是没有大规模应用,政府觉得不支持了。高温超导体就是太贵了,因为镀膜的方式来做,弱电应用没问题,要是强电应用上千米、几十公里太贵了,但是潜在的没问题,理想的价钱还是便宜的。

邢福生:整个世界的发展状况,除了铁基的高温材料是比较有前景的,还有没有其他的?

马衍伟:YBCO降低成本,还有2212同极氧化物,国内有三家公司,包括苏州新材料所等等他们做了YBCO,国家也投了大钱,但是和国际相比有一些问题,但是还是造价贵,实用化超导材料的定位,我是给内部交流才把片子拿出来,还是要多种材料一块发展。

邢福生:国际上研究重点也是放在铁基上?

马衍伟:铁基和YBCO,制冷便宜,但是目前还是200多美元每千米,造价始终下不去。因为预测铁基会很便宜,也就成为了研究重点。

邢福生:咱们研制成了一百米,我能做到多少了,后面就可以无限多了?

马衍伟:基本上二三百米足够了。目前的工艺做一千米也可以,但是要提供厂房,这是机械设备的问题。百米工艺可以放大到千米。目前我们的超导大厅最多是十米的拉机,做千米要配75米长拉床。

邢福生:这是机制的问题,没有组织我们退休的人去看过。

邢福生:这说明我们水平不是关着门说的水平,我们也是搞过比较,能够处于这么比较领先的地位。

马衍伟:绝对不是空口无凭,都是到国际上比较的,包括发表的国际文章,发表国际文章以后要经得住检验的,样品别人是要的。目前为止我们给世界上40多个国际有名的超导组提供过样品,一个课题组说样品不行,第二个课题组说你不行,你的声誉就没了,人家要进行检验的。

邢福生:影响提高临界电流两个因素,现在有没有明确的有什么具体方法去改善的?

马衍伟:现在有,比如想进一步提高,晶界弱连接,往下是有措施的,在座的小伙子他们是主力。

刘国诠:高温超导只是从报纸上知道,其他的一无所知,让我来参会,我就抱着学习的态度来的,学点新知识。因为我是搞化学的,铁基的超导体是晶相,现在是粉末状的,很多物质不是单晶而是多晶细粉东西,我们希望发挥出宏观的整体的效率,把粉末的晶状体混合物尽量的定型。

黄河:将几种元素混合以后成膜,混合均匀再进行烧结,烧结一定的时间产生超导相。

金家骅:怎么知道是超导相?烧结是压成一块块的还是怎么样测试。

刘国诠:为了装填,一般是用高压和其他的,瞬间装的压力是几百个大气压,然后很高的压力下几百公斤平方的压力打很多很长时间。

马衍伟:老师可以进行大规模的装管嘛。打个半米长都没问题,对我们长线加工也非常的关键。您能不能留下联系方式,我们可以去取经。

刘国诠:我们有装注机,瞬间加压几百公斤,主要悬浮液或者是有机项悬浮液,比如甲醇这些,都是悬浮的浆体,有机液打完了迅速的可以置换。

马衍伟:我们铁基怕水。

刘国诠:苯、甲苯这些。

马衍伟:水的话容易氧化,我们现在是在手套箱里,因为怕氧气。

刘国诠:那是隔绝氧气的情况下。

马衍伟:你说的方法非常有借鉴,你提的问题是制备高性能线材关键得到一步。

刘国诠:我们操作是比较粗放的,就是在大气压下。我们的方法叫云浆充填法,悬浮在百分几到百分之十几的悬浮液,在瞬间加大气压或者液压充到一个管子里,管子里前面有个细孔的筛子,瞬间堆砌的密度很高。

马衍伟:非常好,给我们提供了方法,确实装管密度特别是长线装管存在不均匀,人工装不均匀,我们装的时候产生静电,湿法装的比干法密度要高得多。

金家骅:我们在电工所熏陶了几十年以后,知道一些表面现象。最近我参加了两个展览会,一是国际医药展览会,另一个是核工业展览会。正好今天参加这个会想起这两个展会,因为这两个展会,我花了好几天时间。展览会主要展示的是装备,装备的后面是技术。这两个领域的装备里边有很多设备,医疗设备、核工业设备,很多应用了超导技术。超导技术作为一个独立的装备可能不好弄,但是很多高技术设备有很多领域里面都需要用到超导。给我感觉是这个设备从面上讲、从前景上讲很有前景。电工所早年开始搞核磁成像到现在,在展会上几个特斯拉的超导装置已经非常普遍非常成熟,给钱就卖,所以发展相当快,水平也确实很高,今天讨论超导还是挺有意思的。

前几天有媒体报道,其中讲到科学院基础研究,基础研究取得了很好的进展,特别是铁基超导,说明科学院做的事办对了。科学院号称是国家最高的科研学府,综合了各专业的人才,也说明咱们国家对基础研究抓得更紧了。形势上不抓住基础研究也不行,最近简单的例子,中兴美国一断了货源,我估计三五年气喘不过来,伤筋动骨了。而且过去谈技术研究往往基础的太多了点,譬如说早年的光学里面出现的理论,要不要搞?是要搞的,是不能松懈的,但是这几年给我感觉对应用基础咱们国家看透了,下工夫了,这是我的一点感慨。

现在搞铁基超导的人不用担心,性能要上去、成本要下来。75年中东出事以后全世界的石油危机,那个时候我国在文化大的后期,75年国家比较重视新能源的应用,其中就是太阳能,其中有一种应用是用太阳能电池发电。在70年代后期,粉碎四人帮前后,我国生产太阳能电池全国没有一两家,都是街道不起眼小厂子,生产的太阳能电池是1到2厘米见方太阳能电池,原材料是废单机二极管、三极管废了再拉一次,这样拉比较容易,而且拉出来要求不高就可以用了,所以做出来的电池是大拇指大一些方的。咱们国家第一个人造卫星,能源就是太阳能电池,当时太阳能电池也是小片贴在卫星的球体的边上,现在上去了发射的时候要收起来出去了以后张开,张开不行的话电源就没有了,那个时候就是这个水平。

当时太阳能效率是百分之七、八、九左右,价钱将近200块钱一瓦,78年两百块钱一瓦。上世纪末到现在,太阳能电池已经是大的单晶硅了,一般是200,价钱降低到人民币几十块钱一瓦,效率达到18%。我对目前的铁基我不担心,那是200块钱现在几十块钱。那个时候大学生很多年没涨工资,拿56元,78年拿62元,所以那个时候200块钱的概念,现在几十块钱算什么呀?这个价格最少差两到三个数量级,现在才要求差一个数量级嘛。关键是工艺,装填是工艺的一部分,电池为什么降价了?就是新的工艺出来了。过去是很简单的,在石英管弄点气进去加高温,光刻和扩散,而且一次送一点进去再拉出来,片子可以用多大,而且有什么工艺可谈?所以咱们要有信心,没问题,看的远点。但是现在的事可不简单,要知道太阳能电池从那种状况、那种工艺到现在生产工艺、现在的大量的工业化生产经历了30到40年。如果一个数量级可能十年都不需要,但是得下苦工夫。有几个问题,第一在座的每个人毕竟你的专业有限;第二实践知道的东西太少了,现实加工的太少了,所以得先学点东西,然后就是一步一步搞清楚该怎么做,怎么做。我不太懂材料,但是根据你讲的,弄点东西搅拌搅拌,一定要写一点、看一点、再琢磨一点、再把理论做好点。

我总不太理解,为什么你的结构就可以做的非常均匀。

马衍伟:这是我们要克服的。

金家骅:我们之前没人搞材料,那会儿是拿钱买,现在我们搞材料是对的,应该做一点材料的工作,不做点材料工作后面拿什么就是无米之炊。现在从理论上讲、机理上讲,铁基材料已经不成问题了,机理上过关了,而且搞了一段时间有了基础。我建议不管外行内行,就专题找点专家,这些老头可能对一些事物有一定的判断力,起码该不该干,是不是这么干有一定的判断力,找他们聊聊天,开点研讨会,我一二十年没进过电工所的实验室了。

何远光:我想问问,你认为还有没有新的发现没有?有没有需要布局的地方,科研的布局?第二是科学院电工所在做铁基材料应用的很不错,从科学院的队伍和国家队伍上,目前的现状是怎样的,队伍的现状和科研布局的现状?

马衍伟:第一个问题,除了这五六种以外为什么可以发现上千种,就是希望这些超导材料都可以用上。但是物理学家终极目标发现室温超导体。两三年德国科学家在高压下发现200K左右,特别是物理学家相信室温的出来,我们低温的就没用了,这是目前超导界一个是室温超导体。我们是在加工应用技术研究,如何用上,为解决国家战略需求做点贡献。每隔二十年有一个新型超导体出现,十年一个小的,前几个月美国物理学大会最重要的会议。实用化超导体存在,也是目前在这个领域努力攻关的方向。

第二个问题,研究现状问题。铁基超导,物理所获得了国家自然科学一等奖,YBCO获得一个,铁基超导机制研究又获得一个国家自然科学一等奖,唯一获得自然科学一等奖的科学家。电工所做的应用基础也不错,看到的中科院的铁基超导材料做的不错,先导专项不仅仅是应用技术做的好,关键是需求为导向,下一代加速器和下一代核聚变和14特斯拉核磁共振成像非常难。赵老师在推进的14特斯拉,先导专项聚集了一批科学家,22012是西北有色院还有两家公司上海超导公司和上创超导公司,至少把这批精英核心笼络住了,现在超导研究在“十三五”国际科技部还没有被立项,先导项是2.87亿。

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【结论与建议】

 

高温超导材料是超导电工技术发展的迫切需求,从2008年发展到现在,我国在高性能的高温铁基超导材料的研制中一直处于世界前列,2016年电工所成功研制出世界上第一根100米量级的高性能122型铁基超导长线,为其在强电领域的示范应用奠定了坚实基础。为此,一方面建议中科院电工研究所马衍伟研究员的科研团队和中科院高能物理研究所的徐庆金研究员的科研团队进一步加强该技术的研究力度,另一方面建议实用化有关管理部门加大对该研究项目的支持力度,上下相配合努力争取提前实用化的时间,为超导电工技术的发展做出突破性的贡献。

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