超导线圈原型为更节能的电磁铁开辟了道路

我们如何才能在推进尖端研究的同时又减少能源消耗?欧洲核子研究中心的科学家正在研究创新解决方案，而超导性是关键因素之一。

一个团队最近成功测试了一个演示磁线圈，它将显著降低某些实验的功耗。该线圈由二硼化镁 (MgB 2 )超导电缆制成，用于为 LHC 的后继者高亮度 LHC (HL-LHC) 供电的高强度电力传输线。它安装在一个低碳钢磁轭中，该磁轭以所谓的超铁配置固定和集中磁力线。

这种创新的磁铁是为 SHiP 实验设计的，该实验旨在探测相互作用非常弱的粒子，计划于 2031 年投入使用。探测器的两个磁铁之一必须产生约 0.5 特斯拉的磁场。该磁场强度适中，但必须在 6 米高、4 米宽和 4 米深的巨大体积内产生。正常导电电阻电磁铁的电功率将超过一兆瓦，由于必须连续运行，因此其功耗会很高。

因此，人们想到使用超导体，这种超导体导电时没有阻力，因此不会因加热而损失能量。这就是 LHC 磁体背后的原理。然而，它们基于铌钛合金，需要使用由复杂的低温装置产生的超流氦将它们冷却到极低的温度 -271°C(2 开尔文)。

SHiP 实验演示磁铁视图。图片来源：Axelle Collioud、Emma Tommasi/CERN

二硼化镁电缆的优点是可在 -253 °C (20 开尔文) 下超导。它们可以使用气态氦冷却，因此需要不太复杂的低温系统，从而提供更好的热力学效率。它们不能用于加速器磁体，例如 LHC 的磁体，这些磁体产生约 8 特斯拉的磁场。然而，它们适用于具有中等磁场的大型磁体，例如 SHiP。

这个 1 米长的演示线圈于去年 9 月制造完成，刚刚成功通过了操作测试，测试中它被气态氦冷却至 20 至 30 开尔文的温度。虽然 SHiP 磁体准备就绪之前还有许多步骤需要完成，但这些测试很有希望，为这项技术在欧洲核子研究中心和工业界开辟了前景。

“这种磁铁的耗电量比普通超铁磁铁少 100 倍，”Arnaud Devred 说道，他与 CERN 磁铁小组的团队一起开展了该项目。“从长远来看，我们可以考虑为某些磁铁加装 MgB 2线圈，以降低其耗电量。因此，该项目是展示 HL-LHC 技术发展的绝佳方式。”

HL-LHC 的超导链路引起了广泛关注，因为它们使用了高温超导体，其大规模使用将在许多领域(包括我们的日常生活)中实现显着的能源节约。得益于这一高度创新的发展，该技术的范围可以扩展到包括电磁铁。 SHiP 光谱仪磁体可能是首批应用之一。

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