Сверхпроводящие материлы
Сверхпроводимость: история и современность. Коммерческие материалы, приборы на основе сильно- и слаботочных технологий. Использование сверхпроводников в кабельных изделиях, накопителях электроэнергии, двигателях, токоограничителях, мобильной связи.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.08.2008 |
| Размер файла | 666,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1
Содержание
- Введение 2
- 1.Сверхпроводимость: история и современность 3
- 2. Коммерческие материалы и приборы на основе сверхпроводимости 8
- 2.1 Сильноточные технологии 8
- 2.2 Слаботочные технологии 17
- 3. Будущее сверхпроводников и сверхпроводниковой техники 21
- 3.1 Сверхпроводящие кабели 23
- 3.2 Накопители электроэнергии (SMES). 25
- 3.3 ЕТСП-магниты. 26
- 3.4 Токовводы. 26
- 3.5 Двигатели. 26
- 3.6 Токоограничители. 26
- 3.7 Сверхпроводящие фильтры в мобильной сети. 27
- Выводы. 29
- Список использованной литературы 310
Введение
Еще двадцать, тридцать лет назад проблема сверхпроводимости вызывала большое количество научных споров, дискуссий, издавалось большое количество научной и научно-популярной литературы по этой проблеме. За прошедшее время ажиотаж вокруг явления немного уменьшился и связано это с тем, что высокотемпературной сверхпроводимости достичь так, и не удалось. Научные исследования и теоретические разработки показали, что достичь явления сверхпроводимости при комнатных температурах, на жаль, нельзя, но все же исследования продолжаются и понемногу температура сверхпроводящего перехода возрастает.
Высокотемпературная сверхпроводимость должна уменьшить потери при транспортировке и передаче токов, стать основой мощных электромагнитов для научных и медицинских исследований, создания новых систем лазеров.
Далее мы рассмотрим получение и свойства некоторых сверхпроводящих материалов и тот температурный интервал, в котором в них возникает явление сверхпроводимости, а также применение сверхпроводящих материалов.
1. Сверхпроводимость: история и современность
Явление сверхпроводимости было открыто Камерлинг-Оннесом в 1911г., как полное исчезновение электрического сопротивления ртути при температуре около 4 К ( - 269°С) выше абсолютного нуля (Нобелевская премия 1913 г.). Поскольку сразу стал ясен огромный прикладной потенциал сверхпроводимости, с этого времени в течение более чем 90 лет предпринимаются попытки увеличить критическую температуру сверхпроводящего перехода. Оказалось, что среди чистых металлов наибольшую критическую температуру имеет ниобий (9,26 К), а самую низкую - вольфрам (0,015 К). Более высокие значения наблюдались в сплавах. Самой высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигнутой к 1986 г., обладал сплав Nb3Ge: 23 К (- 250°С). Долгое время, вплоть до середины 50-х годов, сверхпроводимость была совершенно непонятным явлением. Ее безуспешно пытались объяснить Альберт Эйнштейн и Нильс Бор. Лишь спустя двадцать лет после создания квантовой теории, в 1950 г. В. Л. Гинзбургом и Л. Д. Ландау была создана феноменологическая теория перехода в сверхпроводящее состояние. Ее созданию помогло открытие П. Л. Капицей сверхтекучести гелия, которое подсказало трактовку сверхпроводимости как сверхтекучести электронной жидкости. Однако, поскольку свойство сверхтекучести присуще только бозе-системам, состоящим из частиц с целым спином, долгое время оставалось неясным, как возможна сверхтекучесть в электронной (фермионной) системе.
Еще семь лет спустя, в 1957 г., Бардиным, Купером и Шриффером была создана общепринятая сейчас микроскопическая теория сверхпроводимости - «теория БКШ» (Нобелевская премия 1972 г.). согласно этой теории, часть обычно отталкивающихся друг от друга свободных электронов благодаря взаимодействию с фононами (квантами колебаний кристаллической решетки) образуют связанное состояние (так называемые «куперовские пары»). Эти пары имеют целый спин и при охлаждении «конденсируются», образуя сверхтекучую электронную жидкость. Сверхтекучесть позволяет конденсированным куперовским парам переносить электрический заряд без неупругих столкновений с кристаллической решеткой и оставшимися электронами, а значит и без диссипации энергии. В том же 1957 г. А. А. Абрикосовым был отрыт новый класс сверхпроводников -- так называемые сверхпроводники II рода, характеризующиеся отрицательным значением энергии границы нормальной и сверхпроводящих фаз. В отличие от ранее известных материалов (в основном чистых металлов, которые стали называться сверхпроводниками I рода), сверхпроводимость II рода допускает возможность проникновения магнитного поля в объем материала в виде квантов магнитного потока, так называемых вихрей Абрикосова, при сохранении нулевого электросопротивления. Из-за существенно более высоких критических значений магнитного поля все практически используемые сегодня сверхпроводящие материалы являются именно сверхпроводниками II рода.
В 1986 г. Беднорцем и Мюллером в исследовательском центре корпорации IBM у сложных соединений оксида меди La2-xBaxCuО4 была обнаружена сверхпроводимость при необычно высокой температуре 30К ( -243°С) (Нобелевская премия 1987 г.). Эти соединения были названы высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), а традиционные сверхпроводники стали именоваться низкотемпературными (НТСП). К 1993 г., исследовав множество близких соединений путем замены атомов лантана и бария другими, ученые нашли целый ряд сверхпроводящих материалов на основе оксидов меди, из которых самыми высокотемпературными оказались соединения с иттрием, барием и ртутью, такие как YBa2Cu3O7-х, Bi2Sr2Ca2CuO8+х, Tl2Ba2Ca2CuO8+х, Hg2Ba2Ca2CuO8+х. Максимальная температура сверхпроводящего перехода в ВТСП на сегодняшний день достигает 135...160 К в зависимости от давления (рис. 1).
Одновременно явление сверхпроводимости при относительно высоких температурах было обнаружено у органических веществ, в частности, фуллеренов. Сверхпроводимость в органических соединениях была открыта в 80-х годах в тетраметилтетраселенафульвалене Бекгаардовой соли (TMTSF)2PF6. После открытия фуллеренов сверхпроводимость была обнаружена в легированных щелочными металлами молекулах С60.
2001 г. ознаменовался рядом крупных достижений. Прежде всего надо отметить рекорд критической температуры сверхпроводящего перехода в фуллеритах, установленный учеными из Bell Laboratories (исследовательский центр компании AT&T): расширяя решетку монокристаллов С60, интеркаляцией молекул СНВг3, удалось получить Тс= 117К. В другом кристалле - CHCl3/C60 достигнута Тс= 80К. В 2001 г. сверхпроводимость при нескольких градусах К была найдена в углеродных нанотрубках. В этом же году был обнаружен новый сверхпроводник, имеющий серьезные технологические преимущества перед ВТСП, - диборид магния MgB2 с критической температурой 39 К. Динамика роста достигнутой критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние за период с 1911 по 2002 гг. показана на рис. 1.
Рис. 1. Критическая температура разных сверхпроводящих соединений за 1911 - 2002 гг. 1 - металлические сверхпроводники, 2 - ВТСП, 3 - органические сверхпроводники.
Основные физические свойства сверхпроводников, лежащие в основе их практических применений, можно сформулировать следующим образом.
Сверхпроводники в интервале значений ниже критических величин температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока имеют нулевое сопротивление, т. е. способны нести бездиссипативный постоянный ток без потерь на нагрев проводника. Уровень потерь определяется фактором , где - удельное сопротивление, а j - плотность тока. В технических изделиях из сверхпроводников (проводах, кабелях и т.д.) эффективное сопротивление на переменном токе промышленной частоты (50...60 Гц) из-за потерь на гистерезис и вихревые токи хотя и отличается от нуля, но составляет одну десятитысячную или менее от эффективного сопротивления обычного проводника при комнатной температуре.
При значениях магнитного поля ниже определенного критического значения сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом - магнитное поле не проникает в объем материала (эффект Мейсснера).
Магнитный момент сверхпроводящего кольца или полого цилиндра может изменяться только дискретно на величину кванта магнитного потока, равную .
Поверхностное сопротивление (импеданс) сверхпроводника при частотах ниже критических в 10 - 100 раз меньше поверхностного сопротивления хорошо проводящих материалов (медь, алюминий) при тех же температурах.
В сверхпроводниках возможно протекание тока без падения напряжения через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками, которые разделены тонким слоем (масштаба нанометров) диэлектрика (стационарный эффект Джозефсона), либо протекание тока, сопровождаемое при превышении некоторой критической его величины генерацией электромагнитного излучения с частотой, которая определяется разностью потенциалов на контакте (нестационарный эффект Джозефсона).
Первые два из указанных свойств лежат в основе сильноточных сверхпроводниковых технологий, предназначенных для устройств больших мощностей и запасенных энергий. Эти технологии находят непосредственное применение в электроэнергетике, а с некоторыми вариациями - во всех направлениях промышленного производства и транспорта. Остальные свойства используются в слаботочных сверхпроводниковых технологиях, применяемых в телекоммуникационной технике, прецизионном приборостроении, научном и медицинском оборудовании. Основные сверхпроводники, используемые сегодня в технике, и их физические параметры представлены в табл. 1.
Таблица 1. Основные сверхпроводящие материалы и их параметры
|
Материал |
Кристаллическая структура |
Анизотропия |
Критическая температура Тс, К |
Верхнее критическое поле, Тл |
Корреляционная длина, нм |
Глубина проникновения, нм |
Плотность тока распаривания, при Тс=4,2К, А/см2 |
Плотность критического тока, А/см2 |
Сопротивление при Т = Тс,мкОмЧсм |
|
|
NbTi (47% Nb) |
Объемно-центрированная кубическая |
Пренебрежимая |
9 |
12 (4 К) |
4 |
240 |
4Ч105 (5Тл) |
60 |
||
|
Nb, Sn |
А15 кубическая |
Пренебрежимая |
18 |
27 (4 К) |
3 |
65 |
-106 |
5 |
||
|
MgB2 |
Гексагональная |
2...2,7 |
39 |
15 (4 К) |
65 |
140 |
~ 106 |
0.4 |
||
|
YBCO |
Орторомбическая, слоистый перовскит |
7 |
92 |
> 100 (4 К) |
1,5 |
150 |
~107 |
-40...60 |
||
|
Bi-2223 |
Тетрагональная, слоистый перовскит |
50... 100 |
108 |
> 100 (4 К) |
1.5 |
150 |
~106 |
- 150...800 |
2. Коммерческие материалы и приборы на основе сверхпроводимости
2.1 Сильноточные технологии
Промышленное производство технических сверхпроводящих материалов было освоено в мире к середине 70-х годов XX в. Активно разрабатывались различные устройства, использующие явление сверхпроводимости, - от лабораторных магнитов для камерных научных исследований в физике, химии, биологии до крупных, индустриального масштаба установок по магнитному удержанию горячей термоядерной плазмы или импульсные источники энергии большой мощности на базе индуктивных накопителей.
Основу технических сверхпроводящих материалов составляли в то время два НТСП-материала. Первый из них - деформируемый сплав Nb-Ti со следующими параметрами: критическая температура 9,6 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле 12 Тл при 4,2 К (температура кипения жидкого гелия при нормальном давлении), нулевом токе и критической плотности тока, равной при 4,2 К и в магнитном поле 5 Тл. Стоимость такого материала не превышает нескольких долларов.
Вторым сверхпроводником, освоенным промышленностью несколько позже, было интерметаллическое соединение Nb3Sn, которое расширило диапазон рабочих температур и магнитных полей для сверхпроводниковых устройств. Материал на основе Nb3Sn имеет критическую температуру 18,3 К при нулевых магнитном поле и токе, критическое магнитное поле около 22 Тл при 4,2 К и нулевом токе, критическую плотность тока более высокую, чем в материалах на основе сплава Nb-Ti, в частности, при 4,2 К в поле 10 Тл плотность тока в нем превышала . Его стоимость составляет примерно 10 долл..
Сами технические сверхпроводящие провода представляли собой сложные композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) нитями собственно сверхпроводника.
Наукоемкая технология их изготовления (рис. 2) была освоена СССР, США, Японией, ФРГ и другими индустриально развитыми странами.
Значения рабочих магнитных полей и плотностей тока, которых удавалось достичь в сверхпроводниковых устройствах, использующих материалы Nb-Ti и Nb3Sn при температурах вблизи 4,2 К, практически перекрывали прогнозируемые потребности всего электротехнического и электроэнергетического оборудования. К тому же значительно уменьшились его омические потери и массогабаритные показатели. Естественно, ожидали, что применение сверхпроводниковых технологий гелиевого уровня температур позволит не только расширить спектр исследовательских установок и устройств специальной техники, но прежде всего окажет преобразующее воздействие на электроэнергетику, транспорт и другие электропотребляющие отрасли экономики.
Рис. 2. Технологическая схема изготовления композиционных сверхпроводников.
С середины 60-х годов, когда начались исследования по прикладной сверхпроводимости, в развитых странах разрабатываются сверхпроводниковые варианты практически всех основных электротехнических устройств, которые генерируют, передают, преобразуют и потребляют электроэнергию в промышленном масштабе. В России в течение последних 20 лет созданы и испытаны представительные модели и опытно-промышленные образцы сверхпроводниковых турбогенераторов мощностью от 1 до 20 MBА, изготовлены турбогенератор мощностью 300 MBА, коллекторные и униполярные двигатели мощностью до 10 МВт, системы движения для морского и железнодорожного транспорта, трансформаторы, токоограничители, гибкие и жесткие линии электропередач, индуктивные накопители энергии.
Это оборудование действительно продемонстрировало выигрыш в КПД и массогабаритных показателях по сравнению с традиционным. И хотя были очевидны пути повышения его надежности до уровня требований энергетических стандартов, промышленного распространения оно не получило. Причин тому несколько. Из-за слишком большого значения фактора , или фактора омических потерь, конкурентоспособным сверхпроводниковое оборудование признавалось при больших единичных мощностях, например, генераторы при мощностях более 800...1000MBA, линии электропередач при мощностях более 5 ГВ * А и дальностях в несколько тысяч километров. Большое сопротивление (и не только психологическое) по отношению к новому встречала перспектива использования сложного и на первых порах недостаточно надежного криогенного оборудования гелиевого уровня температур и самого хладагента - дорогого жидкого гелия.
Выйти на коммерческих основаниях за пределы экономических и психологических барьеров смогли три типа сверхпроводниковых устройств гелиевого уровня температур: магниторезонансные томографы со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводниковые сепараторы и малые индуктивные накопители энергии. Производство сверхпроводниковых томографов началось в 80-е годы. Благодаря хорошему качеству диагностической информации, связанному с высокой индукцией магнитного поля, стабильностью во времени и пространственной однородностью так называемого замороженного магнитного поля сверхпроводящего соленоида, к 1990-м годам они сильно потеснили на рынке более дешевые томографы с резистивными или постоянными магнитами. Теперь ежегодно выпускается около 1000 сверхпроводниковых магниторезонансных томографов, и ежегодный объем их продаж превышает 2 млрд. долл.
Что касается сверхпроводниковых сепараторов и индуктивных накопителей, то они делают первые шаги на рынке. В СССР в свое время был создан объемно-градиентный магнитный сепаратор для обогащения бедных железистых кварцитов, в США - высокоградиентные сепараторы для прецизионной очистки каолина и сверхпроводниковые индуктивные накопители с запасенной энергией масштаба нескольких киловатт-часов, недавно установленные в системах бесперебойного обеспечения электропитания ответственных потребителей энергии. И все это стало возможным после заметного усовершенствования криогенной техники гелиевого уровня температур, произошедшего в последние годы.
Таким образом, итогом 40-летнего (1962 - 2002 гг.) развития сверхпроводниковой технологии гелиевого уровня температур стали выдающиеся результаты, полученные при создании уникальных электрофизических установок, и первые коммерческие успехи, однако эта технология не смогла существенно повлиять на облик промышленной электроэнергетики.
Положение радикально изменилось в 1986 г., когда были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с критическими температурами перехода в сверхпроводящее состояние, быстро достигшими величин, заметно превышающих 77,3 К, т. е. температуру кипения жидкого азота при нормальном давлении. Появилась возможность вместо невозобновляемого и дорогого хладагента - жидкого гелия - использовать жидкий азот. Однако она могла быть реализована, если бы удалось разработать технологию технических ВТСП-материалов с необходимыми эксплуатационными качествами и приемлемой стоимостью. Между тем из-за очень плохих механических свойств ВТСП, являющихся по сути керамикой, создание технологии токонесущих элементов из ВТСП-материалов оказалось неизмеримо более сложной задачей, чем технологии сверхпроводящих обмоточных материалов гелиевого уровня температур. При создании устройств на основе ВТСП существует еще одно важное ограничение, связанное с сильными термодинамическими флуктуациями параметра порядка, обусловленными высокой степенью пространственной анизотропии и низкими значениями корреляционной длины в этих веществах. Эти флуктуации не только разрушают сверхпроводимость, но и приводят к существенной модификации свойств материала в нормальном состоянии. В настоящее время разрабатываются две конструкции ВТСП-кабелей, принципиально отличающиеся друг от друга, - с теплым и с холодным (т. е. находящимся при криогенных температурах) диэлектриком. В конструкции с холодным диэлектриком токонесущий элемент кабеля окружен коаксиальным сверхпроводящим слоем, предназначенным для экранирования магнитного поля. Диэлектрик, «пропитанный» жидким азотом, располагается между токонесущим элементом и внешним экранирующим слоем. Целью такой конструкции является устранение потерь на переменном токе, вызванных воздействием магнитного поля, создаваемого токами в соседних фазах, а также вихревыми токами, наведенными в металлических частях соседнего оборудования.
Кабели с теплым диэлектриком не содержат такого сверхпроводящего экранирующего слоя, поэтому их стоимость существенно ниже. Результатом использования этой конструкции является меньший расход сверхпроводящего материала и использование обычных изоляционных материалов в противоположность новым диэлектрикам, которые многим исследовательским группам приходится разрабатывать «с нуля». Кроме того, поскольку кабель с теплым диэлектриком конструктивно сходен с обычным кабелем, то при его изготовлении, монтаже и соединении можно использовать многократно проверенные и надежные прежние технологии. Меньший диаметр ВТСП-кабеля с теплым диэлектриком позволяет использовать его в существующих линиях электропередач. Во многих случаях проводники соседних фаз могут быть без труда удалены на значительное расстояние друг от друга. За счет этого устраняется необходимость магнитного экранирования.
В настоящий момент технология керамических сверхпроводников все еще находится в стадии становления из-за частичной нестабильности оксидных ВТСП-материалов, их высокой хрупкости и анизотропии. Ленточные провода (рис. 3) изготавливаются сейчас в основном на основе соединения Bi2Sr2CaCu2Оx в серебряной оболочке (Bi-2212/Ag). Несмотря на относительно низкую критическую температуру этого соединения (около 90 К), его технологические свойства и достижимость высоких плотностей критического тока в сильных магнитных полях при температурах 20...30 К превышают возможности всех освоенных НТСП-материалов при 4,2 К. Этот материал имеет реальную перспективу для применения в сверхпроводниковых устройствах с сильными магнитными полями при рабочих температурах вблизи температуры жидких водорода или неона.
Производятся также ленточные провода на основе соединения Bi2Sr2Ca2Cu3Ox в серебряной оболочке (Bi-2223/Ag). В настоящее время этот материал активно используется в разработках электротехнического оборудования. Он имеет критическую температуру 107 К, критическую плотность тока порядка 108 АЧм-2 при температуре 77,3 К и полях 1 Тл и менее, а с понижением рабочей температуры его характеристики существенно улучшаются. Стоимость этого материала около 100 долл. за 1 кА * м. Рост масштабов его производства, совершенствование технологии и раскрытие потенциальных возможностей дают основание ожидать, что в ближайшие годы его цена снизится до 10... 15 долл. за 1кА·м. Тогда высокотемпературные сверхпроводниковые устройства станут конкурентоспособными.
Рис. 3. Поперечные сечения ленточных проводов из ВТСП-материалов. Поперечные сечения лент 0,2...0,25Ч3,0...3,5 м2: диаметры круглых проводников 0,8... 1,0мм; критическая плотность тока до 3Ч104 А·см-2; критическая температура до 100 К
По-прежнему остро стоит задача совершенствования технологии материала Bi-2223/Ag в целях улучшения его механических свойств. Начат выпуск массивных материалов на основе соединения YBa2Cu3O7-х (или NdВа2Сu3O7-х), которые в режиме замороженного поля конкурируют с такими постоянными магнитами, как Nd-Fe-B. Эти соединения очень перспективны для создания длинномерных токонесущих элементов с высокой плотностью тока (~109 А·м-2) при 77,3 К в полях до 5 Тл. Изучалось формирование кристаллографической структуры ВТСП-керамики YBa2Cu3O7-х при горячей деформации (кручение под давлением). Актуальность этой работы обусловлена острой практической потребностью в ВТС-керамиках с высокой плотностью критического тока.
В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным несет в себе возможность повышения рабочих температур сверхпроводящих устройств вплоть до азотных, замены жидкого гелия на жидкий азот, очевидное упрощение системы криостатирования и сокращение в сотни раз связанных с этим эксплуатационных расходов. Кроме того, ВТСП-устройство более устойчиво к внешним возмущениям, а криогенная система азотного уровня более надежна в эксплуатации.
Важным положительным фактором, позволяющим существенно упростить конструкцию высоковольтной изоляции, является высокая диэлектрическая прочность жидкого азота, сравнимая с диэлектрической прочностью трансформаторного масла.
Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, на котором при их использовании возможно создание нового поколения электроэнергетического оборудования, существенно превосходящего оборудование традиционного (резистивного) исполнения. Это достигается за счет более высокой эффективности, уменьшения в два-три раза массогабаритных показателей и соответственно материалоемкости и энергозатрат на изготовление, повышения надежности и срока службы до требований электроэнергетики XXI столетия, качественных характеристик энергосистем, экологической безупречности сверхпроводникового электрооборудования, меньшей капитальной стоимости при массовом производстве и цене сверхпроводника, не превышающей 10...15 долл. за 1 кА Ч м.
К настоящему времени прошли успешное испытание представительные образцы электротехнического оборудования в сверхпроводниковом исполнении, в первую очередь, на базе ВТСП-технологии: электромашины мощностью порядка мегавольт-ампер, трансформаторы мощностью до 1,5 MB Ч А, участки кабельных линий электропередачи, рассчитанные на мощность до 440MBЧА, и сверхпроводниковые токоограничители мегавольт-амперного диапазона. Учитывая накопленные ранее знания и опыт по созданию промышленных образцов электротехнического оборудования на основе НТСП-технологии, можно утверждать, что в течение первого десятилетия XXI в. начнется промышленное производство и освоение нового поколения сверхпроводникового электротехнического оборудования.
Объемная текстурированная ВТСП YBCO-керамика со структурой квазимонокристалла является перспективным материалом для использования в магнитных подвесах ряда электромеханических устройств - магнитных подшипниках, маховиковых накопителях энергии, электродвигателях.
Принято считать, что при широкомасштабном промышленном использовании ВТСП сильнотоковые устройства с рабочей температурой T=77К могут составить серьезную конкуренцию обычным «гелиевым» сверхпроводникам лишь в том случае, если стоимость изготовления ВТСП-проводов удастся понизить хотя бы до 10 долл. в расчете на килоампер Ч метр (кА Ч м). Для сравнения: стоимость проводов из NbTi и Nb3Sn примерно равна 1 и 8 долл/кА * м соответственно.
2.2 Слаботочные технологии
Прикладная сверхпроводимость имеет и другую, не менее яркую с точки зрения возможных областей использования грань, чем рассмотренная выше, которая называется слаботочной прикладной сверхпроводимостью. В более приемлемом для неспециалистов варианте, когда не претендуют на полноту терминологического охвата, ее именуют сверхпроводниковой электроникой.
Еще до открытия ВТСП, в эру низкотемпературных сверхпроводников, исследования и разработки по сверхпроводниковой электронике успешно развивались. Причина тому - уникальные возможности, которые открыло использование явления сверхпроводимости перед радиоэлектроникой (высокие, близкие к предельным достижимым чувствительность и точность измерительных средств, высокая добротность резонансных систем, миниатюризация многих ответственных устройств радиотехники и электроники), а также низкая материалоемкость этих устройств и скромные требования к мощностям охлаждающих систем. Как у нас в стране, так и за рубежом были разработаны и испытаны сверхчувствительные измерители магнитного потока, тока и напряжения, создан квантовый эталон Вольта, уникальные магнитометры и градиентометры, приемники излучения, превосходящие самые совершенные полупроводниковые устройства. Часть из них, например сверхпроводниковые болометры и стробоскопические приставки к осциллографам, выпускалась малыми партиями преимущественно небольшими фирмами. При этом использовался в основном сверхпроводник Nb//Nb.
Широко ведутся сегодня работы, направленные на создание и исследование тонких пленок высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниковых материалов, необходимых для малошумящих смесительных приемных устройств субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов волн, а также однофотонных детекторов пикосекундного временного разрешения ИК- и дальней ИК-областей, предназначенных соответственно для радиоастрономии, спутникового и наземного дистанционного контроля состояния озонового слоя и загрязнения верхних слоев атмосферы, а также для применения в волоконной оптике, электронике, спектроскопии быстропротекающих процессов и исследований свойств вещества. На основе пленок сверхпроводника NbN созданы смесители терагерцового диапазона частот с шумовой температурой 1000 К на частоте гетеродина 1 ТГц и 2000 К на частоте 2,5 ТГц. Полоса преобразования смесителя составила 4,5 ГГц.
Необходимость криостатирования НТСП-электроники на гелиевом уровне температур являлась не единственным препятствием практическому освоению сверхпроводниковых электронных устройств. Была и еще причина - отсутствие соответствующей технологии, особенно для числовой сверхпроводниковой электроники, надежного, с контролируемыми параметрами производства разнообразных элементов, имеющих высокую плотность компоновки в многослойных системах. Тем не менее открытие ВТСП-материалов и совершенствование техники криостатирования на гелиевом, а тем более на азотном уровне температур, стали мощным стимулом как самих разработок по сверхпроводниковой электронике, так и их практического использования в телекоммуникационной, приборной, компьютерной и медицинской технике.
Сверхпроводниковую электронику принято подразделять на три подобласти: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД-электроника (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровая техника с большим количеством, как правило, джозефсоновских переходов.
Смена низкотемпературных сверхпроводников высокотемпературными важна с точки зрения не только рабочих температур пассивных СВЧ-устройств, но и расширения рабочего диапазона частот до сотен гигагерц. При этом использование сверхпроводимости приводит к малым потерям, практическому отсутствию дисперсии сигнала, возможности управлять параметрами устройств за счет изменения реактивных или резистивных свойств под внешним воздействием. Это распространяется на широкий спектр пассивных СВЧ-устройств: линии передач, линии задержек, полосовые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, переключатели и ограничители СВЧ-мощности, малогабаритные антенны, как приемные, так и передающие, резонаторы и др. Разработаны, успешно испытаны и начали эксплуатироваться сверхпроводниковые спутниковые системы связи, миниатюризированные и с повышенной пропускной способностью; системы связи с подвижными объектами (сотовой связи) третьего поколения, в которых применяются ВТСП-фильтры СВЧ-диапазона с уникальными характеристиками: шириной полосы пропускания 20 МГц, потерями на проход менее 0,5 дБ, затуханием вне полосы 85 дБ, крутизной склонов частотной характеристики 100 дБ/МГц и рабочей температурой 60 К. Кроме того, созданы системы перестраиваемых ВТСП-фильтров для локационной техники.
Здесь уместно отметить, что криостатирование подобных устройств обеспечивается микроохладителями, масса которых - единицы или десятки килограмм, а срок непрерывной работы до 40...50 тыс. ч. Отметим также, что основным рабочим ВТСП-веществом современной сверхпроводниковой электроники является соединение YBa2Cu3O7-х .
В СКВИД-электронике используется непревзойденная чувствительность СКВИДов (10-14 Тл/ГГц) к изменению магнитного потока. Благодаря этому СКВИДы находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжение и изменение магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления - от перемещения в пространстве до химического превращения. Технология ВТСП-СКВИДов быстро совершенствуется. Из-за проблемы температурных шумов НТСП-СКВИДы, работающие при 4,2 К, будут всегда иметь определенное преимущество перед СКВИДами, функционирующими при азотных температурах, но область использования ВТСП-СКВИДов значительно расширяется за счет упрощения эксплуатационных проблем. В этой связи весьма интересными представляются разработки нового поколения магнитометрических систем неразрушающего контроля, необходимых, в первую очередь, атомной, авиационной и космической промышленности. Весьма перспективно развиваемое в последнее время направление медицинской диагностики - магнитокардиография и магнитоэнцефалография.
В области цифровой, или дискретной, сверхпроводниковой электроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чипе, и по-прежнему заветной целью является создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0,1 мкВт. В наши дни все большее практическое применение находит квантовый стандарт Вольта, получаемый методом интеграции 104 джозефсоновских переходов на одном чипе. Он обеспечивает напряжение V= 10 ± 10-7 В. В то же время в космическом эксперименте на спутнике ARGOS, наряду с пассивными сверхпроводниковыми элементами, испытывались сверхпроводниковые цифровые подсистемы, обеспечивающие более чем 100-кратное снижение потребления мощности при 10-кратном увеличении быстродействия и 10-кратном уменьшении массы по сравнению с современными полупроводниковыми системами на основе кремния или арсенида галлия.
Низкое поверхностное сопротивление тонких пленок ВТСП позволяет также воплощать миниатюрные пассивные СВЧ-фильтры, создание которых на медных пленках с приемлемыми характеристиками не представляется возможным. Использование ВТСП-фильтров в базовых станциях систем сотовой связи позволяет значительно увеличить чувствительность и избирательность приемных частей и, следовательно, уменьшить мощность излучения мобильных терминалов и увеличить время их работы от автономного источника питания. На основе материала YBa2Cu3O7-х успешно реализован фильтр 4-го порядка с центральной частотой 1,77 ГГц и полосой пропускания 20 МГц. При этом собственная добротность резонансного звена составляла 7000… 10000, а вносимые потери фильтра не превышали 0,5…0,3 дБ при температуре 20 К.
3. Будущее сверхпроводников и сверхпроводниковой техники
Есть предел повышению критической температуры сверхпроводящего перехода? Этот вопрос волнует сегодня всех, кто работает в области материаловедения сверхпроводников. Парадоксально, что на этот вопрос было гораздо проще ответить 20 лет назад, чем теперь. Правда, ответ был бы неправильным. До открытия ВТСП существовали серьезные теоретические расчеты, обосновывающие невозможность повышения критической температуры выше 30...40 К. Открытие ВТСП и последующее изучение их свойств, открытие высоких значений критической температуры в фуллеренах и других органических материалах показали, что сегодня отсутствуют серьезные основания считать, что критические температуры сверхпроводящих материалов не могут быть существенно повышены по сравнению с уровнем, существующим сегодня. Более того, история сверхпроводимости в XX в. показала, что природа все еще значительно многообразнее, чем наши представления о ней.
Однако история развития сверхпроводниковых технологий в конце XX в. показала, что высокие значения критической температуры еще не обеспечивают возможности практического использования сверхпроводника. Важным компонентом успеха является и совершенствование материаловедческих аспектов сверхпроводящих материалов, т. е. технологии их производства и реализации в конкретных изделиях.
Вряд ли процесс широкой интеграции в промышленность нового оборудования, основанного на применении сверхпроводимости, будет взрывным, скорее, он будет эволюционным, но с заметной скоростью нарастания. Широкое применение сверхпроводникового электротехнического оборудования, как при генерации электроэнергии, так и при ее транспортировке и потреблении позволит увеличить эффективность использования электроэнергии на 5...7 %, а, следовательно, практически на эту же величину сократить потребление первичных энергоносителей, которыми преимущественно являются органические топлива. В результате уменьшится выброс парниковых газов в атмосферу, снизится общая нагрузка на окружающую среду. Совершенно очевидно, что преобразующее значение новой технологии не ограничивается экономией первичных энергоносителей. Представляется, что такое преобразование непосредственно коснется всех областей деятельности, где в больших масштабах находит применение электротехническое оборудование, - электроэнергетики, машиностроения, металлургии, горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, наземного, морского и воздушного транспорта, атомной промышленности.
Безусловно, что наиболее ощутимый эффект принесет комплексное использование сверхпроводникового оборудования, например, полностью состоящая из сверхпроводникового оборудования электростанция или распределительная подстанция. Тогда будет более дешевой электроэнергия, более надежной работа оборудования и более благоприятной экологическая ситуация. Но и отдельные виды сверхпроводникового оборудования - трансформаторы, токоограничители и индуктивные накопители - могут значительно улучшить ситуацию в существующих энергосистемах и сетях, увеличив их устойчивость, надежность и пропускную способность.
В индустриально развитых странах существуют специальные, финансируемые правительствами программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий в различных областях деятельности. Такие программы есть в США, Японии и в более скромных масштабах в Европейском сообществе. Как правило, еще на ранней стадии к их реализации привлекается частный капитал будущих производителей и пользователей оборудования. Им передаются научно-технические разработки государственных научных организаций, а сами исследования курируются национальными лабораториями. Таким образом, осуществляется плановая коммерциализация одной из важнейших критических технологий XXI столетия в развитых странах.
По оценкам Всемирного Банка, объем продаж сверхпроводникового оборудования возрастет в мире с 2 в 2000 г. до 244 млрд долл. в 2020 г. Иными словами, за 20-летний период ожидается почти 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящих материалов, технологий и устройств на их основе.
Приведем пока немногочисленные примеры практического использования устройств на основе сверхпроводимости.
3.1 Сверхпроводящие кабели
Датские исследователи, промышленность и поставщики электроэнергии установили мировой рекорд. Впервые в мире сверхпроводящие проводники вышли из лаборатории в действующую электросеть. Это произошло на датской электростанции Amager Koblingsstation. С февраля 2001 г. специалисты из фирм «Copenhagen Energy», «NKT Cables», «NKT Research» и Технического университета работали по установке трех кусков (каждый длиной 30 м) сверхпроводящего кабеля в электросеть Amager Koblingsstation напряжением 30 кВ. Сейчас сверхпроводящий провод стал частью потребительской электросети. Этот проект - демонстрационный, призванный доказать, что сверхпроводящие кабели готовы включиться в соревнование с традиционными. Первые включения показали, что временами наблюдаются довольно большие флуктуации в мощности и напряжении. «Первоначально сверхкабели возьмут на себя лишь 20 % мощности этой сети, а позднее нагрузка будет постепенно увеличена», -- заявил руководитель проекта Svend Korning из Copenhagen Energy. Фактически будут исследованы не только сверхкабели, но и система охлаждения до температуры -160°С. Если испытания пройдут успешно, то на следующем этапе кабель будет включен в более длинный участок сети 4...6 км. Конечно, сверхкабели позволят экономить электроэнергию. Кроме того, они будут меньшего диаметра и массы по сравнению с традиционными.
Компания «Pirelli Cables & Systems North America» объявила, что она намерена изготовить, установить и испытать ВТСП-кабель на подстанции электрической компании «Detroit Edison» (DTE), которая обеспечивает электроэнергией свыше 2 млн. потребителей в штате Мичиган. Pirelli уже имеет гибкий трехфазный кабель с соединительными и оконечными устройствами на ток 2400А при напряжении 24 кВ и систему его охлаждения. Предварительно Pirelli вложила 25 млн. долл. собственных средств в разработку технологии ВТСП-кабелей, включая 15 млн. долл., вложенных в программы American Superconductors по разработке сверхпроводящих проводов. Siemens (ФРГ) провела предварительные эксперименты с конструкцией кабеля 110кВ/400МВА с диэлектриком, находящимся при низких температурах. Теперь отделение Siemens, занимающееся ВТСП-кабелями, вошло в состав Pirelli, и эта разработка станет частью общей программы. В европейском проекте Pirelli, выполняемом совместно с Electricite de France, будет разработан, исследован и испытан 30...50-метровый опытный образец-прототип высоковольтного ВТСП-кабеля для подземной прокладки в исследовательском центре EDF Les Renardiers близ Парижа. Pirelli специально разработала ленточный ВТСП-проводник, соответствующий техническим требованиям к электрическим сетям Европы.
ВТСП-кабели разрабатывает и датский консорциум, включающий фирмы «NKT Cables» и «Nordic Superconductors Technology» (NST).
Собственную внутреннюю программу по созданию ВТСП-проводников и кабелей имеет компания «BICC Superconductors» (Wrexham, Великобритания). Президент компании V. Bland убежден, что в ближайшие 8-10 лет возможно полномасштабное использование ВТСП-кабелей в электроэнергетике. В настоящее время компания создает специализированный кабель на основе Bi-2223 с низким уровнем потерь на переменном токе.
В Японии наиболее активна Tokyo Electric Power Company (TEPCO) с эффективной собственной конструкцией ВТСП-кабеля, оптимизированной для энергетических применений. ТЕРСО финансирует также сверхпроводящие программы других японских фирм - Sumitomo и Furukawa. Японские компании «Fujikura» и «Chubu Electric Power Company» разработали ВТСП-кабели с низким уровнем потерь на переменном токе.
Швейцарские фирмы «Bragg» и «EFPL» разработали ВТСП-кабель, охлаждаемый жидким неоном, а компания «Electric Power Development Со» (EPDC) основные усилия сконцентрировала на создании кабелей для линий электропередач (ЛЭП) постоянного тока. В этих работах принимают участие и пять ведущих компаний кабельной промышленности Японии - «Sumitomo», «Furukawa», «Fujikura», «Hitachi» и «Showa». В Японии имеется ряд ЛЭП постоянного тока, соединяющих острова между собой, поэтому считается, что там существует благоприятная перспектива для этого проекта.
3.2 Накопители электроэнергии (SMES)
В 1998 г. накопитель мощностью 1 МДж (изготовитель - American Superconductor Corp.) установлен на заводе по производству цианидов в штате Невада. Эта система успешно работает уже более четырех лет, предотвратив за это время более 200 серьезных аварийных ситуаций. Тогда же накопительная система IPQ-750 (изготовитель - lntermagnetic General Corp.) мощностью 6 МДж установлена на базе ВВС США в Tyndall (Florida) для автономного питания компактного бомбоубежища. Система рассчитана на бесперебойную работу в течение 24 ч.
3.3 ЕТСП-магниты
ВТСП электромагнит на основе Bi-системы (изготовитель - American Superconductor, Westborough. Massachusetts) установлен в марте 1997 г. на масс-спектрометре, принадлежащем Institute of Geological and Nuclear Science (Lower Hutt, Новая Зеландия). Рабочая температура магнита -- 100 К.
3.4 Токовводы
ВТСП-токоввод на 13,5 А из многожильной ленты Bi-2223 в металлической матрице (изготовитель - American Superconductor) установлен и прошел испытания на одном из магнитов LHC в ЦЕРН.
3.5 Двигатели
В России успешно прошло испытание первой секции 100 кВт двигателя, созданного консорциумом в составе МАИ, ГНЦ ВНИИНМ, ГНЦ ВЭИ, ИФТТ РАН, НИИЭМ, OSVALD (Мильтенберг, ФРГ), IPHT (Йена, ФРГ). IFW (Дрезден, ФРГ), IEMA (Штутгарт, ФРГ).
3.6 Токоограничители
Трехфазный индуктивный ВТСП (Bi-2212) токоограничитель номинальной мощностью 1,2 MB-А (изготовитель - швейцарская корпорация «ABB») установлен для испытаний на швейцарской гидроэлектростанции Kraftwerk am Lontsch. ВТСП-экран изготовлен из стопки колец Bi-2212 керамики (диаметр, высота и толщина стенки кольца - 38, 8, 1,8 см соответственно); в стопке по 16 таких колец; для трехфазного токоограничителя использованы три стопки.
В 2001 г. подписано соглашение между РАО «ЕЭС» и Министерством по атомной энергетике России о создании ВТСП-ограничителя токов. Соглашение предусматривает изготовление такого экспериментального устройства, которое можно было бы испытать в сетях Мосэнерго. Для создания ограничителя необходимо было наработать в течение одного года десятки километров ВТСП-композиционного проводника - висмутовой керамики 2223 в серебряной матрице. Работа финансируется РАО «ЕЭС» через Фонд технологического развития Минпромнауки. Срок выполнения работы - 2 года после начала финансирования. ВНИИНМ обязался разработать и произвести ВТСП-проводник в количестве, необходимом для изготовления опытно-промышленного образца-ограничителя. Головные исполнители по разработке конструкции и изготовлению ограничителя - РНЦ «Курчатовский институт», а по его испытании: определению областей применения - ВНИИЭ.
3.7 Сверхпроводящие фильтры в мобильной сети
Ученые из Национального института физики при Неапольском университете разработали ВТСП-фильтр для систем мобильной связи. В этом фильтре традиционные проводники - медь и золото - заменены на ВТСП-материалы YBaCuO, осажденный на подложку из алюмината лантана. ВТСП-фильтр установлен взамен традиционного в приемную антенну базовой станции сотовой связи. При этом значительно возрастает емкость базовой станции и улучшается качество принимаемого сигнала. Стоимость такого фильтра в 10 раз выше традиционного, что в основном определяется стоимостью охлаждающей системы. Однако стоимость самой базовой сш ции намного превосходит эту величину, и потому дорогой фильтр не является ограничивающим фактором. Его цена окупается значительным улучшением качества связи. Конечно, он особенно выигрышен для станций с большой территорией охвата. Фильтр прошел успешные испытания у крупнейшего итальянского оператора сотовой связи Omnitel, который параллельно испытывал и другие новые типы фильтров, но ВТСП-фильтр оказался лучшим.
AT&T Wireless (AWE), одна из самых больших беспроводных цифровых сетей Северной Америки, и Superconductor Technologies Inc. (STI) мировой лидер в применении сверхпроводящих материалов в беспроводной связи, анонсировали развертывание системы сверхпроводящих фильтров в регионе Santa Barbara. «Наша система SuperFiltera усиливает беспроводную связь от мобильных телефонов к базовым станциям, уменьшая число несостоявшихся и блокируемых звонков и улучшая качество звука. Кроме того, она позволяет экономить расход потребляемой электроэнергии у «мобильника», таким образом значительно продлевая срок службы батареек», - сказал Bob Johnson, президент STI.
Выводы
Со времени открытия сверхпроводящие системы прошли большой путь развития. За почти 100 лет своего существования сверхпроводящие системы прошли путь от первых лабораторных экспериментов до первых промышленных установок и изделий, которые нашли свое применение в энергетике, медицине, микроэлектронике, приборостроении.
Дальнейшее развитие сверхпроводниковой техники будет зависеть от получения сверхпроводящих материалов с высокой температурой перехода (ВТСП) и высокими эксплуатационными их свойствами, поскольку применение сверхпроводников ограничивается, в основном, их невысокими эксплуатационными свойствами, поскольку современные сверхпроводники являют собой керамику с высокой степенью хрупкости, невысокой степенью сжатия и модуля кручения. Механические нагрузки на них, например, в электросетях, могут привести к разрушению последних.
Список использованной литературы
1. Донина Н.М. Возникновение квантовой электроники. М.: Наука, 1974, 345 с.
2. Василевский А. М. Сверхпроводимость в оптической электронике. Л.: Энергоатомиздат, 1990, 344 с.
3. Верещагин И. К. Введение в оптоэлектронику. М.: Высшая школа, 1991, 320 с.
4. Клышко Д. Н. Физические основы квантовой электроники М.: Наука, 1986, 287 с.
5. Новые материалы. Под ред Ю. С. Карабасова. М.: МИСИС, 2002. - 736 с.
6. Химическая энциклопедия в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. - М.: Советская энциклопедия, 1990.
Подобные документы
История развития сверхпроводников. Создание генераторов переменного тока и магнитно-резонансного томографа на основе использования сверхпроводящего магнита. Применение высокотемпературных сверхпроводников. Внедрение ВТСП в вычислительную технику.
презентация [1,0 M], добавлен 22.01.2016Применение коммутирующих устройств в конструкции агрегатов современной техники. Автоматизированный измерительный прибор И-189-73 для оценки качества взаимодействия слаботочных контактов. Сверхпроводимость и формирование структуры "трибометаллокерамики".
курсовая работа [731,7 K], добавлен 23.12.2010Открытие сверхпроводников, эффект Мейснера, высокотемпературная сверхпроводимость, сверхпроводящий бум. Синтез высокотемпературных сверхпроводников. Применение сверхпроводящих материалов. Диэлектрики, полупроводники, проводники и сверхпроводники.
курсовая работа [851,5 K], добавлен 04.06.2016Квантование магнитного потока. Термодинамическая теория сверхпроводимости. Эффект Джозефсона как сверхпроводящее квантовое явление. Сверхпроводящие квантовые интерференционные детекторы, их применение. Прибор для измерения слабых магнитных полей.
контрольная работа [156,0 K], добавлен 09.02.2012Понятие сверхпроводников и их отличия. Основные моменты их окрытия и исследования. Особенности поведения сопротивления в зависимости от температуры. Определение критической температуры и магнитного поля. Классификация и примеры сверхпроводников.
презентация [0 b], добавлен 12.03.2013Великие физики, которые прославились, занимаясь теорией и практикой сверхпроводимости. Изучение свойств вещества при низких температурах. Реакция сверхпроводников на примеси. Физическая природа сверхпроводимости и перспективы ее практического применения.
презентация [2,7 M], добавлен 11.04.2015Сверхпроводники. У начала пути. Сверхпроводники первого второго рода. Абрикосовские вихри. Свойства сверхпроводников. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова. Теория Гинзбурга - Ландау.
курсовая работа [60,1 K], добавлен 24.04.2003Понятие и природа сверхпроводимости, ее практическое применение. Характеристика свойств сверхпроводников 1-го и 2-го рода. Сущность "теории Бардина-Купера-Шриффера" (БКШ), объясняющей явление сверхпроводимости металлов при сверхнизких температурах.
реферат [42,2 K], добавлен 01.12.2010Выполнение и содержание расчетов. Выбор главных размеров. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора. Проводниковые материалы, применяемые в асинхронных двигателях. Обмоточные провода, применяемые в асинхронных двигателях.
реферат [300,8 K], добавлен 12.05.2003История рождения энергетики. Виды электростанций и их характеристика: тепловая и гидроэлектрическая. Альтернативные источники энергии. Передача электроэнергии и трансформаторы. Особенности использования электроэнергетики в производстве, науке и быту.
презентация [51,7 K], добавлен 18.01.2011
