CN101765399B - 强磁场性能得到提高的超导体、其制造方法、以及包含该超导体的mri仪器 - Google Patents

Abstract

本发明示例性地描述了一种超导体，该超导体包含：含有磁性杂质的超导材料以及在所述超导材料中形成的非磁性无序。本发明所述的超导体适用于磁体应用和电力传输。

Description

强磁场性能得到提高的超导体、其制造方法、以及包含该超导体的MRI仪器

相关申请

本专利申请要求2007年8月1日提交的、发明名称为“用于提高含有Nb-Ti、Nb₃Sn和MgB₂的超导材料、超导线和超导带的强磁场性能的方法(Method of enhancing high magnetic field properties ofsuperconducting materials，wires and tapes including Nb-Ti、Nb₃Sn，andMgB₂)”的美国临时专利申请No.60/963,145以及2007年8月10日提交的、发明名称为“基于MgB₂磁体的MRI以及相关的仪器(MgB₂magnet-based MRI and related apparatus)”的美国临时专利申请No.60/964,441的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

概括而言，本发明的实施方案涉及超导体及其制造方法。更具体地说，本发明的实施方案涉及具有强磁场性能的超导体，以及增强超导体的强磁场性能的方法。

背景技术

目前，Nb-Ti合金和Nb₃Sn主要被用来制备强场磁体。近来发现，39K超导体MgB₂在磁体方面具有巨大的潜力，因此其已经得到深入的研究(参见C.Buzea和T.Yamashita，“Review of the SuperconductingProperties of MgB₂”，Supercond.Sci.Technol.15，R115-R146(2001))。对于由具有高T_c的铜酸盐制成的输电超导电缆，目前尚处于开发过程中(参见W.Buckel和R.Kleiner，“Superconductivity”，Wiley-VCH，Weinheim(2004)，第382页)。

对于磁体应用和电力传输而言，超导材料在高磁场下应具有高的临界电流密度，这是由于存在强的涡旋钉扎或磁通钉扎。Nb-Ti合金和Nb₃Sn表现出良好的钉扎性能。然而，对于特定的科学应用(如加速器应用)而言，这些材料的强磁场性能可能还需要进一步提高。此外，可在20K左右使用的MgB₂没有表现出良好的钉扎性能。

可以通过添加杂质、柱状缺陷、人工钉扎和纳米颗粒，机械合金化，引入晶界和沉淀以及施加辐射损伤来提高超导材料的钉扎性能(参见W.Buckel和R.Kleiner，“Superconductivity”，Wiley-VCH，Weinheim(2004)，第282页)。改变样品的制备条件也会诱导无序结构，从而使强磁场性能得到提高。基本上，这些方法都会将磁通钉扎中心引入到超导体中，而不会显著降低临界温度T_c。一般来说，大部分进展是通过试误法、靠经验而取得的，这是因为尚不存在可靠的关于由无序结构引起的涡旋钉扎的微观理论(参见W.Buckel和R.Kleiner，“Superconductivity”，Wiley-VCH，Weinheim(2004)，第284页)。

从物理学的观点来看，上述的钉扎中心基本上产生电位波动，从而导致电子密度波动。由于电子-声子相互作用，超导性能所产生的力有利于对电子密度进行校正(参见Mi-Ae Park和Yong-Jihn Kim，“Weaklocalization effect in superconductors from radiation damage”，Phys.Rev.B61，14733(2000))；在II型超导体的强磁场中，这些钉扎位点可能有利于磁通穿透，从而局部破坏超导性，但容许整体具有超导性。简言之，这些已知的技术采用电位波动(即，电性能)而在超导体中产生钉扎中心。然而，这些钉扎中心附近的超导性能受到破坏，这是由于在磁通穿透的存在下整体能量最小化，而不是由于局部电位波动造成的。换言之，这些电位波动还没有强到足以破坏局部超导性的程度，因此其可能不是最理想的钉扎中心。

在磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)仪器中，超导磁体构成关键的部件，这是因为其决定了仪器的工作温度和可供利用的磁场强度。目前，大多采用Nb-Ti和Nb₃Sn磁体。然而，这些具有较低转变温度T_c的材料需要液态氦，从而导致MRI和NMR仪器及其维护成本较高。因此，非常需要找到一种具有较高T_c的材料用于MRI和相关NMR仪器的磁体，从而不需要昂贵的液态氦。

2001年，Akimitsu等人发现MgB₂是T_c＝39K的超导体(参见J.Nagamatsu等，Nature，410卷(2001)，第63-64页)。由于MgB₂具有高的T_c、较低的成本以及良好的机械性能，因此其在磁应用方面有很大的潜力。实际上，在2006年11月，由ASG Superconductors公司、Paramed Medical Systems公司和Columbus Superconductors公司引入了第一台基于MgB₂磁体的MRI。采用两台制冷机就可达到20K的工作温度，而不需要使用任何低温液体。然而，MgB₂磁体产生的磁场强度仅为0.5T，从而限制了基于MgB₂磁体的MRI的销路，这是因为现有的基于Nb-Ti和Nb₃Sn磁体的MRI使用液氦可以在4K下产生3T的磁场强度。由于影像的分辨率取决于磁场强度的平方，因此强磁场能够提供更好的影像(参见E.M.Haake，R.W.Brown，M.R.Thomson和R.Venkatesan，“Magnetic Resonance Imaging：Physical Principles andSequence Design”，(Wiley-Liss，New York，1999)，第6页)。

对磁应用而言，超导材料在强磁场下应具有高的临界电流密度，这是由于存在强的涡旋钉扎或磁通钉扎。然而，MgB₂不显示出良好的钉扎性能。因此，可将添加剂引入到MgB₂中以提高其涡旋钉扎或磁通钉扎性能。例如，典型的添加剂包括：C(参见S.X.Dou等，Appl.Phys.Lett.83，(2003)，第4996页)、Al(参见A.Berenov等，Cond-mat/0405567(2004))、SiC(参见S.X.Dou等，Appl.Phys.Lett.81，(2002)，第3419页)、Ti、Zr(参见Y.Zhao等，Appl.Phys.Lett.79(2001)，第1154页)、Si(参见X.L. Wang等，Physica C385(2003)，第461页)、Y₂O₃(参见J.Wang等，Appl.Phys.Lett.81(2002)，第2026页)和Mg(B，O)沉淀物(参见Eom等，Nature411(2001)，第558页)。尽管已经取得了相当大的进展，但是对于将MgB₂用于强场磁体还需要更多的改进。

发明内容

技术方案

一般而言，本发明示例性地描述的一个实施方案的特征可以为超导体。所述超导体可以包含超导材料，该超导材料含有形成于所述超导材料中的磁性杂质和非磁性无序(non-magnetic disorder)，其中，含有磁性杂质和非磁性无序的超导材料的上临界磁场和临界电流密度中的至少一者大于含有磁性杂质、但不含非磁性无序的超导材料的相应值。

一般而言，本发明示例性地描述的另一个实施方案的特征可以为超导体的制造方法。所述方法可以包括：制备超导材料，在超导材料中形成磁性杂质，并且在超导材料中形成非磁性无序，其中，含有磁性杂质和非磁性无序的超导材料的上临界磁场和临界电流密度中的至少一者大于含有磁性杂质、但不含非磁性无序的超导材料的相应值。

一般而言，本发明示例性地描述的又一个实施方案的特征可以为含有本发明所述的超导体的MRI或NMR仪器。

参照附图并参照本发明以下的描述，本发明的这些方面和其他方面将会很清楚。

有益效果

一般而言，本发明的实施方案的特征在于能够提供这样一种方法，该方法可以提高用于磁体应用和电力传输的超导材料的钉扎性能，从而提高其强磁场性能。如本文所述，利用磁性杂质的特性在超导体中产生钉扎中心(其局部破坏了超导性)，可以提高超导材料的钉扎性能。非磁性无序(如杂质、缺陷等)补偿了(部分地或完全地)由于T_c显著降低造成的磁性杂质对强场性能的负面作用。因此，添加非磁性无序能够增强强场性能，即涡旋钉扎、临界电流密度J_c和临界磁场H_c(特别是上临界磁场H_c2)，这是因为相应的涡旋尺寸远小于传统涡旋的尺寸。所以，能够保持整体超导性能，同时又可以保留并增强由磁性杂质产生的涡旋钉扎性能。

可以理解，最近的关于磁性杂质作用的扫描隧道显微镜(STM)研究表明，超导性能在1纳米的各磁性杂质内受到破坏(参见A.Yazdani，B.A.Jones，C.P.Luz，M.F.Crommie和D.M.Eigler，“Probing the Local Effects of Magnetic Impurities onSuperconductivity”，Science Vol.275，1767(1997))，这意味着可能有尺寸极小的涡旋。在这种情况下，上临界磁场就会明显较强，并且所述涡旋钉扎将会较强，因为通过涡旋的磁通量被量子化。另外，Kim和Overhauser在其他情况下(即，不存在磁场)阐明，在不存在磁场时，由磁性杂质造成的Tc下降可以由非磁性无序而得以补偿(参见Yong-Jihn Kim和A.W.Overhauser，“Magnetic Impurities inSuperconductors：A Theory with Different Predictions”，Phys.Rev.B49，15799(1994))。然而，尚不知如何推广上述的Kim和Overhauser的理论来处理由磁性杂质产生的涡旋钉扎。

通过依靠更好地理解磁性杂质对涡旋钉扎的作用(这可以通过实验数据获得)并了解上述引用的Kim和Overhauser理论对该作用的限制，得到了本发明的实施方案。首先，上述STM数据表明，磁性杂质打破了库柏对(Cooper pair)或者破坏了磁性杂质附近的超导性，从而导致具有纳米长度尺度r_o

的准粒子束缚态，而不是具有更长的相干长度尺度ξ₀(对于MgB₂，

(参见C.Buzea和T.Yamashita，“Review of the Superconducting Properties of MgB₂”，Supercond.Sci.Technol.15，(2001)第R115-R146页))的准粒子束缚态。换言之，磁性杂质是非常强的钉扎中心，并且相应的涡旋尺寸大约为～10

这会由于磁通量子化而显著地增加上临界磁场H_c2。

鉴于上述内容，磁性杂质既会由于局部破坏了杂质附近的超导性而对涡旋钉扎有积极作用，又会由于降低了整体超导自由能和相应的超导转变温度T_c而对涡旋钉扎有负面作用。当磁性杂质浓度增加时，这种负面作用也会增大，这是因为T_c的降低最终导致临界电流J_c和上临界磁场H_c2的降低。

在超导体中形成非磁性无序可以抑制(部分地或完全地)磁性杂质的负面作用，因此扩大了磁性杂质的积极作用。例如，以前的实验研究表明，仅含极少量的磁性杂质就能够提高超导体的强磁场性能，并且在进一步添加少量的磁性杂质后所述增强作用会消失。这种效应在图6中以线51表示。此处，ΔH_c2＝H_c2-H_c2，0，且ΔJ_c＝J_c-J_c0，其中H_c2，0和J_c0分别为不含磁性杂质的纯超导体的上临界磁场和临界电流密度。然而，根据本发明的实施方案，在向含有磁性杂质的超导体中添加非磁性无序时，临界电流密度J_c和/或上临界磁场H_c2将会显著地提高，这是非同寻常的。这种效应在图6中以线52表示。以下结合图1和图2，对非磁性无序可以提高强场性能的理论进行更详细地说明。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方案的超导线材的剖面图，其中所述超导线材即含有磁性杂质又含有非磁性无序。

图2为示出图1中超导体的相应涡旋构形的示意图。

图3示出基于La₃Al的超导材料的H_c2与温度的相关性的示意图，其用于比较常规例子与根据本发明一个实施方案的例子的性能。

图4示出在5K的条件下，纯MgB₂和掺杂2％纳米Co₃O₄的MgB₂的临界电流密度J_c与所用磁场的关系图，其用于比较常规例子与根据本发明一个实施方案的例子的性能。

图5示出具有根据本发明的实施方案制造的MgB₂磁体的MRI或NMR仪器的示意图。

图6为J_c或H_c2与磁性杂质浓度的相关性的示意图，其用于说明本发明实施方案中磁性杂质对涡旋钉扎的作用，以及非磁性无序对强场性能的提高效果。

具体实施方式

图1示出了本发明实施方案的超导体的剖面图。

超导体10可以被设置为线材。超导体10可以包含超导材料，如Nb-Ti合金、Nb₃Sn和MgB₂等。当采用Nb-Ti合金时，Nb用作超导材料，并且Ti可以用作非磁性无序。磁性杂质11(用箭头表示)可以形成于超导材料中，并且起到涡旋钉扎中心的作用。添加非磁性无序12(用x表示)以补偿由于磁性杂质11造成的T_c的总体下降(部分地或完全地)。在一个实施方案中，如图1所示，磁性杂质11的旋转可以随机定向(即，顺磁性)。在其它的实施方案中，磁性杂质11的旋转在超导体10中可以以铁磁性或反铁磁性定向。在一个实施方案中，磁性杂质可以被设置为磁性纳米颗粒，但是可以控制纳米颗粒的尺寸从而显著提高强场性能。

图2示出图1的超导体中相应的涡旋构形的示意图。

参考图2，线20表示力的磁场线。涡旋的尺寸ξ小于传统涡旋的尺寸。在一个实施方案中，涡旋的尺寸ξ为的级别。可以大概估算出所形成的涡旋的尺寸和上临界磁场H_c2，就本发明人的知识而言，这在之前从未实现过。涡旋尺寸ξ受到准粒子束缚态的尺寸

以及平均自由程l_s(由磁性杂质11产生)与库珀对尺寸ξ₀(即Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS)相干长度)之比的限制。当l_s与ξ₀几乎相同时，涡旋尺寸ξ与准粒子束缚态尺寸

相当(更确切地为

)。但是，当l_s＞ξ₀时，涡旋尺寸ξ会大于2r_o(即，与ξ₀相当)。结合这两种情况，得到下式：

式(1)： $\mathrm{\ξ}\≈2r_{0}f\left(\frac{l_s}{{\mathrm{\ξ}}_0}\right)$

此处，“f”表示适当的函数。为简单起见，“f”可以按照以下方式来选择，其具有确定的指数α：

式(2)： $\mathrm{\ξ}\≈2r_0{\left(\frac{l_s}{{\mathrm{\ξ}}_0}\right)}^{\mathrm{\α}}$

相应的Ginzburg-Landau相干长度ξ_GL可以通过下式得到，

式(3)： ${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{GL}}\≈{2r}_0{\left(\frac{l_s}{{\mathrm{\ξ}}_0}\right)}^{\mathrm{\α}}{\left(\frac{T_c}{T_c-T}\right)}^{1/2}$

最后，可以按照下式来确定上临界磁场H_c2(参见W.Buckel和R.Kleiner，“Superconductivity”Wiley-VCH，Weinheim(2004)，第236页)，

式(4)： $H_{c2}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{GL}}^2}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0}{8\mathrm{\π}{r}_0^2}{({\mathrm{\ξ}}_0/l_s)}^{2\mathrm{\α}}(1-\frac{T}{T_c})$

在非磁性无序12(如杂质、缺陷等)的存在下以及由非磁性无序造成的平均自由程l＜ξ₀的条件下，库珀对尺寸从ξ₀降至ξ_eff，

式(5)： ${\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{eff}}=\sqrt{l{\mathrm{\ξ}}_0}$

因此，在绝大多数超导体中，ξ_eff仍远大于

因此，所述涡旋尺寸仍受到2r₀的限制，且式(4)仍有效。需要强调的是，磁性杂质11基本上产生小尺寸的涡旋，从而使得上临界磁场H_c2显著提高。如果假定J_c与H_c2成比例，则临界电流密度也将以几乎相同的比率提高(参见W.Buckel和R.Kleiner，“Superconductivity”，Wiley-VCH，Weinheim(2004)，第271页)，

式(6)： $J_c=J_{c0}{\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_0}{r_0}\right)}^2{\left(\frac{{\mathrm{\ξ}}_0}{l_s}\right)}^{2\mathrm{\α}}.$

此处，J_c0为纯超导体的临界电流密度。因此，不可逆磁场H_irr会显著增强。

实验表明少量的磁性杂质能够提高超导体的强磁场性能(参见Y.Kuwasawa、K.Sekizawa、N.Usui和K.Yasukochi，“Effects ofParamagnetic Impurities on Superconducting Properties in theLa_3-xGd_xAl System”，J.Phys.Soc.Japan27，590(1969)；D.K.Finnemore，D.L.Johnson，J.E.Ostenson，F.H.Spedding和B.J.Beaudry，“Superconductivity in Pure La and La-Gd”，Phys.Rev.137，A550(1965)；以及R.P.Guertin，J.E.Crow，A.R.Sweedler和S.Foner，“Upper critical fields of superconducting Gd and Tm doped LaSn₃：Effects of crystalline electric fields”，Sol.Sta.Commun.13，25(1973))。然而，只有在含有少量磁性杂质时才能够获得这种增强作用，并且/或者这种增强作用伴随着由于磁性杂质而造成的T_c的显著降低。因此，这种增强作用是不实用的。

本发明的实施方案提供了一种实用的方法以显著提高包括Nb-Ti、Nb₃Sn和MgB₂在内的任何超导体的强磁场性能。例如，图3为T_c-H_c2关系图，其示出了如何应用本发明的实施方案来提高La₃Al的上临界磁场H_c2。已经发现，添加0.3原子％的Gd能够提高H_c2的温度相关性的斜率，同时使T_c降低约1K(参见Y.Kuwasawa，K.Sekizawa，N.Usui和K.Yasukochi，“Effects of Paramagnetic Impuritieson Superconducting Properties in the La_3-xGd_xAl System”，J.Phys.Soc.Japan27，590(1969))，其结果如实线30所示。虚线31表示当向La₃Al中仅添加非磁性无序以补偿T_c的降低，而不考虑斜率的增加时的预期结果。实线32表示向La₃Al中添加磁性杂质和非磁性无序时的结果。如图所示，与虚线31的斜率相比，实线32的斜率进一步增大。理论预测式(4)对既由于磁性杂质、又由于非磁性无序而引起的H_c2的增强作用进行了定量，即，线31(其中，l_s＝3.349ξ₀，l＝0.5ξ₀，且α＝1)和线32(其中，l_s＝2.817ξ₀，l＝0.5ξ₀，且α＝1)。

就本发明人所知，还没有关于磁性杂质对MgB₂中的涡旋钉扎的作用的实验性研究。然而，关于磁性纳米颗粒对MgB₂中的涡旋钉扎的作用已经进行了一些研究。磁性纳米颗粒和磁性杂质对涡旋钉扎有基本相同的作用。图4示出了MgB₂的临界电流密度Jc(线40)、掺杂有2％Co₃O₄纳米颗粒的MgB₂的临界电流密度Jc(线41)、根据本发明实施方案的掺杂2％Co₃O₄纳米颗粒和非磁性无序的MgB₂的临界电流密度Jc(线42)。

参考图4，添加2％Co₃O₄纳米颗粒对MgB₂的临界电流密度J_c的增强作用已由Awanda等人报道了(cond-mat/0601359)。Awanda等人发现，在添加4％和6％Co₃O₄纳米颗粒时J_c开始降低，这可能是由于T_c的降低以及相应的J_c的降低所致。因此，2％的掺杂量表现出常规获得的临界电流密度J_c的最大增加值。然而，根据本发明的实施方案，通过添加非磁性无序可以使MgB₂+2％Co₃O₄的临界电流密度J_c进一步提高。如线42所示，如果加入足够的平均自由程

的非磁性无序以降低MgB₂的库珀对的尺寸，可以扩大所述涡旋钉扎，同时补偿T_c的降低，从而使得J_c进一步增大(在l_s＝1.7ξ₀，l＝0.6ξ₀且α＝1的情况下)。

已经发现，具有0.13重量％Fe₂O₃纳米颗粒的样品使磁滞表现出显著的提高，而0.26重量％添加量的样品则使磁滞显现出中等程度的提高(参见Prozorov等人，Appl.Phys.Lett.83(2003)第2019页)。因此，由于掺杂磁性纳米颗粒而引起的磁通钉扎的增强作用仅限于非常低的掺杂水平，而这并不怎么有用。另一方面，已经发现，在掺杂水平高于1重量％(较高)时，会由于FeB纳米颗粒而造成临界电流减弱(参见Dou等人，Supercond.Sci.Technol.18(2005)第710页)。似乎Dou等人可能已经发现了约0.2重量％的较低掺杂水平的增强作用。然而，根据本发明的实施方案，向超导材料中添加非磁性无序可以补偿磁性杂质的负面作用(即，使T_c或J_c降低)，同时扩大了其积极作用(即，提高了H_c2和J_c)。因此，含有磁性杂质和非磁性无序的超导材料的超导转变温度可以高于仅含磁性杂质、不含非磁性无序的超导材料的超导转变温度。

根据本发明的实施方案，可以采用任何可供利用的技术向超导体中引入磁性杂质和非磁性无序。例如，可以采用诸如扩散法、电弧熔融法、固态反应法、淬灭凝聚法、脉冲激光沉积法(PLD)、溅射法、分子束外延法(MBE)、机械合金化法、辐射植入法、化学蒸气沉积法(CVD)、粉末套管技术(PIT)等来向超导体中引入磁性杂质和非磁性无序。磁性杂质在超导材料中的溶解度可能会出现问题。因此，要根据超导材料和所用技术来选择具有最佳溶解性的磁性杂质。如果加入的磁性杂质超过溶解度极限，某些磁性杂质会形成沉淀物。在这种情况下，所述沉淀物仍能够有助于提高临界电流密度J_c，但是由于所述沉淀物基本上与超导基质无关，因此上临界磁场H_c2不会增加太多。添加磁性纳米颗粒、人工磁性针和磁性点能够产生与添加磁性杂质时相似的临界电流增强作用(关于磁性纳米颗粒，参见T.H.Alden和J.Livingston，“Ferromagnetic Particles in a Type-II superconductor”，J.Appl.Phys.37，3551(1966)，C.C.Koch和G.R.Love，“Superconductivity in Niobium containing ferromagnetic Gadolinium orparamagnetic Yttrium dispersions”，J.Appl.Phys.40，3582(1969)，以及A.Snezhko，T.Prozorov和R.Prozorov，“Magnetic nanoparticles asefficient bulk pinning centers in type-II superconductors”，Phys.Rev.B71，024527(2005)；关于人工磁性针，参见N.D.Rizzo，J.Q.Wang，D.E.Prober，L.R.Motowidlo和B.A.Zeitlin，“Ferromagnetic artificialpinning centers in superconducting Nb_0.36Ti_0.64wires”，Appl.Phys.Lett.69，2285(1996)；关于磁性点，参见G.Teniers，M.Lange，V.V.Moshchalkov，“Vortex dynamics in superconductors with a lattice ofmagnetic dots”，Physica C369，268(2002))。然而，这些技术可能需要微调纳米颗粒的尺寸，这可能不足以进行大规模制造。但是，磁性纳米颗粒的负面作用可通过添加本文所讨论的非磁性无序而得以补偿，从而通过所述非磁性无序来扩大其积极作用。因此，本发明实施方案中公开的方法是有利的，这是因为其能够显著增强超导体的强磁场性能，即，既提高H_c2，又提高J_c，由于磁性杂质诱导强的涡旋钉扎，因此该作用是内在的并且是强有力的。

根据本发明的一些实施方案，磁性杂质可以包括(例如)选自由具有部分填充的d-电子的离子(即过渡金属，如Mn、Fe、Ni、Cr、Co、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh等)、具有部分填充的f-电子的离子(即稀土元素，如Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、U等)和磁性颗粒(如磁性沉淀物)所组成的组中的至少一种。

根据本发明的一些实施方案，非磁性无序可以包括(例如)选自由具有s-电子和/或p-电子的非磁性离子(如Zn、Al、Ti、C、B、Li等)所组成的组中的至少一种。根据本发明的一些实施方案，非磁性无序可以包括(例如)任意形式的结晶缺陷，如选自由空位缺陷、间隙缺陷、位错、辐射损伤等所组成的组中的至少一种。根据本发明的一些实施方案，非磁性无序可以包括(例如)选自由非磁性颗粒(如非磁性沉淀物)、第二相夹杂物、纳米尺寸颗粒、超导材料晶界的偏析等所组成的组中的至少一种。还应当理解的是，所述非磁性无序可以包括上述例子的组合。在一个实施方案中，在形成超导材料的过程中通过改变工艺条件，从而可以在超导材料中形成非磁性无序。在另一个实施方案中，可以在形成超导材料之后形成非磁性无序。所有这些冶金问题都应当考虑磁性杂质和非磁性无序的优化组合。例如，根据本发明的实施方案，可以采用Mn、Co、Fe、Ni等作为磁性杂质和C、Zn、Al等作为非磁性无序的组合。

MgB₂具有相当小的库珀对尺寸，其范围为37-128

(参见C.Buzea和T.Yamashita，“Review of the Superconducting Properties ofMgB₂”，Supercond.Sci.Technol.15，(2001)第R115-R146页)。虽然MgB₂在晶界之间没有弱连接的问题，但是晶界中大量的与库珀对尺寸相当的沉淀物、纳米颗粒或第二相夹杂物仍会导致临界电流的降低。因此，理想的是，控制掺杂元素形成的沉淀物、纳米颗粒和第二相夹杂物的尺寸，使得该尺寸小于库珀对的尺寸，从而可以提高临界电流。

图5为具有根据本发明实施方案制造的MgB₂磁体的MRI或NMR仪器的示意图。

参照图5，MRI或NMR仪器可以包括MgB₂磁体100，该MgB₂磁体100既含有磁性杂质，又含有非磁性无序。MgB₂磁体100能够在20K时产生1特斯拉～3特斯拉的磁场。采用制冷机110，MRI或NMR仪器可被构造为对躺在扫描仪孔120处的病人产生影像。

可以通过超导材料(如MgB₂)的临界电流密度J_c和上临界磁场H_c2的最优增加量来确定磁性杂质和非磁性无序的最佳量。在一个实施方案中，磁性杂质的浓度范围为超导材料的0.1原子％至20原子％，其对应于20％～30％的T_c降低(取决于磁性杂质和超导材料)。

在一个实施方案中，可通过所得的平均自由程l来估测超导材料中非磁性无序的浓度，所述平均自由程l应该相当于或小于超导材料的BCS相干长度ξ₀，从而满足

式(7)：1/3≤ξ₀/l≤3。

在一个实施方案中，非磁性无序的浓度范围为超导材料的1原子％至40原子％。在另一个实施方案中，可以对超导材料中的非磁性无序的浓度进行选择，使得任何非磁性无序都产生平均自由程l并满足式(7)。

应当理解的是，可采用多种方式实现本发明的实施方案。以下的段落将对本发明的一些实施方案进行非限制性讨论。

在一个实施方案中，在超导转变温度以下具有强磁场性能的超导体包括：具有超导性的超导材料、在超导材料中形成的磁性杂质和在超导材料中形成的非磁性无序。非磁性无序可以提高超导体的上临界磁场或临界电流密度，使得其值高于其中在超导材料中仅形成磁性杂质时的相应值。

在另一个实施方案中，用于制造在超导转变温度以下具有强磁场性能的超导体的方法包括以下步骤：制备具有超导性的超导材料；在所述超导材料中形成磁性杂质；以及在所述超导材料中形成非磁性无序。所述非磁性无序可以提高所述超导体的上临界磁场强度或临界电流密度，使得其值高于其中在超导材料中仅形成磁性杂质时的相应值。磁性杂质和非磁性无序可以在超导材料的制备过程中在同一个工艺流程中形成，也可以在形成超导材料之后形成。

如本文示例性地所述，超导体既含有磁性杂质，又含有非磁性无序(如杂质、缺陷等)，这能够使超导体的强场性能得到显著提高。如果添加磁性杂质超过溶解度的极限，这可以形成额外的沉淀物或纳米颗粒，其仍然能够有助于强磁场性能的提高。本发明的实施方案可以容易地适用于粉末套管法(PIT)MgB₂线材和带材。所形成的MgB₂磁体预期在20K时会产生1～3T的磁场，其可以替代目前用于MRI和相关的NMR仪器中的Nb-Ti磁体。可以对磁性杂质进行选择，使得其在超导材料中具有最佳的溶解性。

虽然以上对本发明的实施方案进行了示例性说明和描述，但是本领域的技术人员应该理解，在不偏离随附权利要求限定的本发明的精神和范围的条件下，可以对本发明的形式和细节进行各种改变。

Claims (19)

1.一种超导体，其包含：

含有磁性杂质的超导材料；以及

在所述超导材料中形成的非磁性无序，

其中，含有所述磁性杂质和所述非磁性无序的超导材料的上临界磁场强度和临界电流密度中的至少一者高于含有所述磁性杂质、但不含所述非磁性无序的超导材料的相应值。

2.权利要求1所述的超导体，其中，所述超导材料包括选自由Nb₃Sn和MgB₂所组成的组中的至少一者。

3.权利要求1所述的超导体，其中，所述磁性杂质起到涡旋钉扎中心的作用。

4.权利要求1所述的超导体，其中，所述超导体包括Nb-Ti合金，该Nb-Ti合金含有：作为所述超导材料的Nb、作为所述非磁性无序的Ti、以及所述磁性杂质。

5.权利要求1所述的超导体，其中，所述磁性杂质包括选自由具有部分填充的d-电子的磁性离子、具有部分填充的f-电子的磁性离子以及磁性颗粒所组成的组中的至少一者。

6.权利要求1所述的超导体，其中，所述磁性杂质包括选自由Mn、Fe、Ni、Cr、Co、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru和Rh所组成的组中的具有部分填充的d-电子的至少一种离子材料。

7.权利要求1所述的超导体，其中，所述磁性杂质包括由Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和U所组成的组中的具有部分填充的f-电子的至少一种离子材料。

8.权利要求1所述的超导体，其中，所述磁性杂质在所述超导材料中的浓度范围为0.1原子％至20原子％。

9.权利要求1所述的超导体，其中，含有所述磁性杂质和所述非磁性无序的超导材料的超导转变温度高于含有所述磁性杂质、但不含所述非磁性无序的超导材料的超导转变温度。

10.权利要求1所述的超导体，其中，所述非磁性无序包括选自由结晶缺陷、具有s-电子或p-电子的非磁性离子、以及非磁性颗粒所组成的组中的至少一者。

11.权利要求10所述的超导体，其中，所述非磁性无序包括选自由空位缺陷、间隙缺陷、位错和辐射损伤所组成的组中的至少一种结晶缺陷。

12.权利要求10所述的超导体，其中，所述非磁性无序包括选自由沉淀物、第二相夹杂物、纳米尺寸颗粒以及所述超导材料的晶界处的偏析所组成的组中的至少一种非磁性颗粒。

13.权利要求1所述的超导体，其中，所述非磁性无序包括选自由Zn、Al、Ti、C、B和Li所组成的组中的具有s-电子和/或p-电子的至少一种非磁性离子材料。

14.权利要求1所述的超导体，其中，对所述非磁性无序在所述超导材料中的浓度进行选择使得ξ₀/l的范围为1/3≤ξ₀/l≤3，其中ξ₀为所述超导材料的BCS相干长度，并且l是含有所述非磁性无序的所述超导材料内的平均自由程。

15.权利要求1所述的超导体，其中，所述非磁性无序在所述超导材料中的浓度范围为1原子％至40原子％。

16.一种制造超导体的方法，包括：

制备超导材料；

在所述超导材料中形成磁性杂质；以及

在所述超导材料中形成非磁性无序，

其中，含有所述磁性杂质和所述非磁性无序的超导材料的上临界磁场强度和临界电流密度中的至少一者高于含有所述磁性杂质、但不含所述非磁性无序的超导材料的相应值。

17.权利要求16所述的方法，其中，在制备所述超导材料的过程中形成所述非磁性无序。

18.权利要求16所述的方法，其中，在制备所述超导材料之后形成所述非磁性无序。

19.一种MRI或NMR仪器，其包含根据权利要求1所述的超导体。

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