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零电阻的世界

超导技术的巨大飞跃!

2018.08.29 能源
本文看点
  • 东芝超导技术催生了当前世界的最强磁场!
  • 研发过程中也有遗憾,超导技术人员传承的精神是什么?!
  • 研发设计阶段:最终用户的需求是什么?!

“希格斯粒子”,这个2013年诺贝尔物理学奖的最大热点,早在1964年就已被指明其存在的可能性。然而,在相当长的一段时间内,人们都无法探测到它的存在。直到2012年,在东芝超导技术的帮助下,它才真正被发现。

所谓“超导技术”,是指将特定金属冷却至极低温度从而使其电阻变为“零”的技术。可转化为超导状态的物质被称为“超导体”。当强大电流通过作为线圈的超导磁体时,会催生无法比拟的超强磁场。目前,此类超导磁体已广泛应用于半导体工业、MRI医疗、磁悬浮交通等各大领域,俨然成为我们生活中的常见技术之一。

在此,我们有幸邀请到了有着“日本超导技术曙光”之称的资深工程师住吉幸博先生,以及超导技术领域最前沿的中坚力量高见正平先生,与我们一起来揭开超导技术的神秘面纱。

超导技术的曙光

——自1960年代初开始研究超导物质以来,东芝就走在了世界超导技术研发领域的前列。

住吉先生:自1970年代起,我们开始尝试将超导物质用作磁铁。1981年我进入公司,开始主持日本超导技术的研发,并与日本东北大学合作共同研发超导磁体。如何形成高磁场是当时最主要的研究课题。尽管超导磁体可以产生高磁场,但磁场过高时,磁体难以保持超导状态。此外,如何在大范围内形成相同强度的磁场也是重要的研究课题之一。在此时代背景下,东芝与日本东北大学强强联合,共同研发出了12特斯拉超导磁体。特斯拉即测量磁场强度的单位,12特斯拉是当时世界公认的最强磁体。日本东北大学金属材料研究所将这种最强磁体与普通磁体结合,研制出一种新型的混合磁体,成功催生了31.1特斯拉的世界最强静止磁场。

日本东北大学 金属材料研究所的30特斯拉级混合磁铁

日本东北大学
金属材料研究所的30特斯拉级混合磁铁

住吉先生:东芝的超导事业并不是一蹴而就的。在真正研发出成果前,领域里的资深教授、上级专家,也都和我这样的新人一样,是在摸索中前进的。但也正是因为这样的不懈努力,超导技术领域得以发展起来。在1985年左右,我开始参与研发应用于MRI医疗器械的超导磁体。与采用X射线的CT不同,MRI是采用磁场捕获身体的断层图像的。更强的磁场能更有效支持高分辨率的图像诊断,因此我们开始研究超导磁体在MRI中的应用。

东芝能源系统株式会社 京滨事业所 核设备装置部 住吉幸博先生

东芝能源系统株式会社
京滨事业所 核设备装置部 住吉幸博先生

高见先生:与日本东北大学单纯的MRI技术研发不同,我们专注于MRI的量产用产品的研发。 批量产品虽然质量很高,但是如果价格高的话,人们通常也很难接受。

住吉先生:就是这样。除了高昂的价格外,用于MRI的超导磁体对于技术也有一定的要求。用于MRI的产品,必须物美价廉,且可批量生产。当我们刚着手研发时,只有日本东北大学12特斯拉为代表的存储设备可参考。所以,我们不得不尝试彻底转换思路。

从遗憾到传承——超导技术人员的精神

住吉先生:医疗设备制造商是我们的直接客户。但我们的产品最终是被大众使用的,即所谓的B to B to C1(※)产品。现在回想起来,当时的我们太过于专注提高磁场精度、制造良好超导磁体等方面,并未意识到“C”这个最终用户。其实,我们更应该从用户的角度出发,来进行考虑和设计。

※ 1“Business to Business to Consumer”的简称。

―― 这些反思是否会对东芝此后的超导技术研发产生重大影响?

当时研发的用于MRI的超导磁体(转自东芝未来科学博物馆HP)

当时研发的用于MRI的超导磁体
(转自东芝未来科学博物馆HP)

高见:是的,肯定会产生重大影响的。我参与的项目是用于重离子束癌症治疗设备的超导磁体的研发。这项技术之所以能得到突破性发展,正是由于我们在研发和设计过程中,考虑到了最终用户的需求

东芝能源系统株式会社 京滨事业所 核设备装置部 高见先生

东芝能源系统株式会社
京滨事业所 核设备装置部 高见先生

――重离子束癌症治疗法是目前世界上最先进的癌症治疗方法。它采用重离子束,通过将加速的重离子束流照射到患者的病灶进行治疗。为了照射重离子并控制它的轨迹,重离子束癌症治疗法需要高磁场。

住吉先生:过去,我们无法控制重粒子束的轨迹。当照射病灶时,我们会倾斜患者的身体。考虑到癌症患者的身体负担,我们需要设计出无需倾斜病人的技术。于是,我们研发出了在“旋转机架”内使用的超导磁体。这是一项重大突破,旋转机架可以360°旋转,无需倾斜病人。

重离子束癌症治疗仪 旋转机架(合作:量研/放医研)

重离子束癌症治疗仪 旋转机架
(合作:量研/放医研)

高见先生:旋转机架需要各种技术,其中之一就是高速变换磁场的技术。为了让每一位患者的病灶都能准确地接受重离子束的照射,我们需要根据患病的位置改变磁场并控制照射轨迹。但普通的超导磁体,不能迅速地改变电流方向,且升温快。我们通过研发可高速改变磁场的技术成功实现了机架的旋转,从而缩短了患者的治疗时间。研发出好的产品,应用于实际,普罗大众也能受益,这让身为研发人员的我感到无比的自豪。

住吉先生:在与大学和研究机构合作,研究最先进技术的同时,我们还要活用所掌握的技术,生产出更好的产品。通过这样的良性循环,先进的技术得以传承下来。这,也是我们的使命。

高见先生:批量生产的产品不但要价格便宜,而且要质量好。因此,我们需要一如既往地研发出最先进的技术,提高产品的质量。目前超导技术已经应用于我们的生活,如医疗保健和磁悬浮。 在这个时代,我们必须准确地了解最终用户的需求,并在设计和研发阶段就考虑到这些需求。

――除上面介绍的高速变换磁场技术外,高见先生参与的重离子辐射癌症治疗设备的研发工作还搭载了其他高新技术。后续故事请见东芝匠心官网。

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