防止磁铁在启动前熔化

实现高能物理并服务于材料、医学和聚变研究等许多科学领域的粒子加速器是由超导磁体驱动的，简单地说，超导磁体相当挑剔

超导体是一类特殊的材料，当冷却到一定温度以下时，它会无电阻地携带大电流。如果你将材料排列成线圈，通过的电流将产生强磁场，以磁场的形式有效地存储移动电子的势能

但如果它们变得太热[acirc€”所谓热，我们指的是仅比-452华氏度（4.2开尔文）或液氦温度高几度€”它们可以突然恢复电阻，并在快速爆发的热量中耗散磁场的能量

一种新型超导体，即高温超导体（HTS），即将迎来另一场科学技术革命。这些超导体有可能产生更高的磁场，同时在比传统超导磁体更容易维持的温度下运行

在新的HTS材料中，这些被称为“淬火”的不必要的加热事件成本特别高，因为它们会破坏磁体，损坏附近的部件，并消耗大量用于冷却磁体的珍贵液体冷却剂。由于其强大的性能，这些磁体是目前研究和开发的热门话题，但保护它们免受破坏性事件的影响是其广泛应用的主要障碍

最好的解决方案是设计一开始就不会淬火的HTS磁体

这就是劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员正在进行的工作；应用物理（ATAP）部门制定了一项策略，以确定高温超导磁体可以安全运行的条件，而不会有突然发热导致磁体失效的风险

ATAP部门技术副总监Prestemon表示：“这在某种程度上类似于设计一架在发动机故障的情况下能够安全着陆的飞机，而不是设计一架能够在坠机后幸存的飞机。”。他们的研究成果最近发表在《超导科学与技术》杂志上

因为HTS磁体可以承受更高密度的电流和更宽的温度范围，同时仍然充当超导体，所以它们比低温磁体更不容易淬火。然而，在高温超导磁体中检测即将到来的淬火更困难，因为超导特性在材料的非常小的口袋中关闭

这意味着线圈的巨大磁能在小范围内转化为热量，导致该位置的温度迅速上升到极端

这种超导电性的损失通常是由超过超导体容量的电流引起的，例如，由于材料结构的缺陷，或者由于冷却系统故障或来自加速器或聚变反应堆的失控快速移动粒子对磁体的冲击而引起的热量增加。无论哪种方式，所产生的淬火都更难监测，并且可能比激活现有缓解系统更快地达到止回点

幸运的是，几十年的高温超导研究和开发表明，这些材料可以承受较小的热量积累，但仍处于超导体模式。利用这些知识，Marchevsky和Prestemon意识到，他们可以计算一个操作参数窗口，在该窗口中，HTS导体将工作，而不会失控进入淬火

ATAP的工作物理学家Marchevsky说：“正因为如此，我们实际上可以以不同的方式解决这个问题。我们可以在磁铁的某个地方寻找热量的迹象，如果我们足够早地检测到，我们就可以安全地降低电流，而不会真正熄灭磁铁。”

科学家们的理论工作通过实验得到了验证，实验使用了Bi-2223高温超导材料（一种铋、锶、钙、铜和氧的化合物）的带状样品，这些样品在可以检测到微小温度波动的环境中通以高电流，并与数值预测进行比较

下一步将在用HTS导体材料缠绕的实际线圈上测试他们的方法，以复制他们在粒子加速器和MRI机器等设备内的形式

为了成功检测这些线圈中的预淬火状态，科学家们计划使用他们自己和ATAP的同事开发的高灵敏度温度监测系统，ATAP是一个在基础和应用加速器磁体科学方面拥有深厚专业知识的团队

Marchevsky说：“这将面临一些挑战，因为我们需要进行分布式温度测量，但这是我们在过去几年中一直在努力的事情。”。他指出，用于低温磁体的传统淬火检测系统监测磁体两端的电阻，这对高温超导磁体来说效果不佳。“我们正在研究各种新技术，并将其嵌入我们的真实磁体原型中。”

他们的技术包括基于超声波、基于射频和基于光纤的传感器系统。后一种方法是实验等离子体聚变能反应堆的主要候选方法，这是HTS磁体在现实世界中的首次应用之一。等离子体聚变反应堆需要强大的磁体来将过热带电粒子的混合物限制在一个小空间内，高温超导磁体有望在这一领域取得突破

Marchevsky和Prestemon的希望