Сверхпроводимость, в том числе и высокотемпературная

Ключевым для проблемы ВТСП является вопрос критической температуры  от характеристики вещества. С открытием  в 86 нового класса сверхпроводящих материалов с более высокими, чем ранее критическими температурами, во всем мире развернулись работы по изучению по изучению свойств ВТСП с целью определения возможности их применения в различных областях науки и техники. Интерес к ВТСП объясняется в первую очередь тем, что повышение рабочей температуры до азотной позволит существенно упростить и удешевить системы криогенного обеспечения, повысить их надежность. Для успешного применения ВТСП в сильноточных устройствах (соляноидах, накопителях энергии, электромагнитах, транспорте с магнитным подвесом) необходимо решить ряд вопросов. Одной из важнейших проблем при создании сильноточных устройств с использованием ВТСП является проблема обеспечения устойчивой работы обмоток с током. Проблема стабилизации ВТСП включает в себя несколько аспектов. Внутренним свойством сверхпроводимости является скачкообразный характер проникновения в них магнитного поля. Этот процесс сопровождается выделением части запасенной энергии магнитного поля при его распределении.

 

 

 

        Поэтому, наиболее важное направление  стабилизации сверхпроводников - их  стабилизация против сигналов  потока. Кроме того, проводники, внутренне  стабилизированные против сигналов  потока, при работе подвергаются  действию различного рода возмущений как механического, так и электромагнитного характера, тоже сопровождающиеся выделением энергии.

 

Последние открытия в области сверхпроводимости

        

        До недавнего времени эффект сверхпроводимости получали охлаждая проводящий материал как минимум, до температуры жидкого азота. Однако, в работе исследователей наметился существенный прорыв в создании высокотемпературных сверхпроводников. Не так давно был поставлен новый рекорд в получении эффекта сверхпроводимости при температуре всего 254К (-19°С).

Синтезированное сложное  химическое соединение на основе таллия ((Tl4Ba)Ba2Ca2Cu7Oх) имеет слоистую структуру  и демонстрирует при такой  температуре эффект Мейснера (магнитной  левитации). Впрочем, до практического  использования этого достижения пока далеко. Основная проблема – сложность технологии получения данного материала и его нестабильность.

 

 

Рис.11 эффект Мейснера и график с точкой критической температуры нового вещества.

          

 

        Американские исследователи разработали сверхтонкие пленки, которые при наложении их друг на друга образуют сверхпроводник. Это достижение может привести к появлению нового класса энергосберегающей электроники. Они объединили два материала, ни один из которых не является сверхпроводником, и обнаружили, что место их контакта обладает свойством сверхпроводимости. Пленки могут использоваться при относительно высоких для сверхпроводников температурах, делая их применение более простым.

Сверхпроводимый слой очень  тонок, его толщина составляет около 1 нм.                                                  

Это открывает перспективы  для дальнейшего прогресса, включая  использование этой методики для  значительного повышения свойств  сверхпроводимости в уже известных или новых сверхпроводниках.

Применение сверхпроводимости напрямую зависит от типа хладагента. Температура в 50 °К, при которой сверхпроводимая пленка достигает сверхпроводимости, близка к тому, чтобы поддерживать ее применением недорогого жидкого азота, который охлаждает до температуры 77 °К (-196,15 °С).

 Это делает нас на шаг ближе к массовому производству сверхпроводимой электроники. Конечная цель состоит в развитии сверхпроводимых материалов, которые можно использовать при комнатной температуре. Дальнейшая работа с этими сверхтонкими пленками может дать некоторые подсказки для разрешения одной из самых важным проблем в физике конденсированных сред.    

      

 

         Японская фирма  Sumitomo Electric Industries Ltd представила электромобиль с двигателем со свойством сверхпроводимости. Компания намеревается доказать эффективность высокотемпературной технологии сверхпроводимости для электродвигателей и содействовать распространению технологии в автомобильной промышленности.

 

 

 

Рис.12 Двигатель со свойством сверхпроводимости.

 

 

         В обычном электродвигателе катушка питается меньшим током и большим напряжением для снижения электрического сопротивления. С другой стороны, сложно достичь высокий крутящий момент при малом токе.

Поскольку в катушке  со сверхпроводимостью сопротивление  практически отсутствует, то больший ток с меньшим числом витков и меньшее напряжение дает больший крутящий момент. Хотя последний прототип преобразователя был агрегатирован с легковым автомобилем, разработчики планируют использовать свой двигатель в автобусах и грузовиках. Сверхпроводящая катушка может быть использована как в роторе, так и в статоре.

 

          Преодолевая одну из крупнейших проблем в исследовании высокотемпературных сверхпроводников, ученые Брукхэйвенской национальной лаборатории вырастили кристаллы одного из таких материалов, которые имеют достаточные размеры для прямого измерения их магнитных свойств. И эти данные бросили тень сомнения на некоторые допущения, обычно принимаемые для понимания роли магнетизма в способности этих материалов пропускать ток без сопротивления.

           Многие теоретики полагают, что магнетизм важен для высокотемпературной сверхпроводимости, но они еще не сошлись в мере важности этого фактора. Причем, все это усложняется тем фактом, что имеющиеся методы оценки магнитных свойств требуют наличия высококачественных, крупных монокристаллов, и выращивание таких кристаллов высокотемпературных материалов было долгосрочной задачей. Команда Брукхэйвена исследовала сверхпроводник на основе оксида меди, который наиболее изучен с точки зрения электронных свойств среди высокотемпературных сверхпроводников. Этот материал известен под аббревиатурой BSCCO, в его составе также находится висмут, стронций и кальций.

 

Рис.13 Крупный сверхпроводящий монокристалл.

       Просто создать мелкие кристаллы, требуемые для исследования электронных свойств, но очень сложно вырастить крупные BSCCO-монокристаллы толщиной в миллиметр для магнитного анализа. Ученые разработали особый метод и непрерывно использовали две специальные печи в течение двух лет для выращивания крупных кристаллов для этого исследования. Пока никому в мире не удалось это повторить.

      Мелкие кристаллы хорошо подходят для исследования электронных свойств, и именно эти свойства определяли выбор высокотемпературных сверхпроводников. С тех пор как магнитные свойства в обычных металлических проводниках являются следствием их электронных параметров, теоретики используют хорошо обоснованные математические методы для получения магнитных характеристик в таких высокотемпературных материалах. Теперь же появилась возможность непосредственно проверить верность этого подхода.

     Вычисления, основанные на электронных свойствах материала, которые резко изменяются при охлаждении, предсказывали наличие сравнимых перемен магнитных свойств при температуре ниже температуры перехода. Прямые измерения магнитных свойств показали удивительно малые изменения. Это говорит о том, что теоретическая модель, используемая для описания этих магнитных свойств, является неполной. И этот вывод оспаривает верность одной из самых популярных теоретических моделей, используемой для определения магнитных свойств на основе изменения электронных свойств.

         Измерения показали, что некоторые магнитные характеристики исходной структуры (диэлектрика) остаются прежними, когда материал становится сверхпроводником. Есть предположение, что могут существовать два вида электронов, одни служат для обеспечения электрического тока, а другие — создают магнетизм. Поэтому в планах ученых проследить за изменениями магнитных свойств в других сверхпроводниках. Эти данные будут полезны для поиска и создания новых материалов, которые действуют как сверхпроводники в реальных условиях эксплуатации, например, для высокоэффективных линий электропередачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные характеристики композитных ВТСП-проводников.

 

Традиционные сверхпроводники  второго рода (сплавы Nb - Ti, соединение Nb₃Sn ) применяются в сверхпроводящих магнитных системах в виде композитов с матрицей из нормального метала с высокими тепло- и электропроводностью. Наличие пластичной матрицы (чаще всего медной) значительно облегчает изготовление тонких длинномерных проводников волочением или прокаткой, то есть сверхпроводящие материалы отличаются хрупкостью. Стабильность сверхпроводимости - состояние относительно скачков магнитного потока - достигается путем изготовления проводников с весьма малым диаметром отдельных сверхпроводящих или же лент с малой толщиной сверхпроводящего слоя. По этим же причинам ВТСП-проводники в большинстве случаев изготавливаются в форме композитов, имеющих малую толщину или диаметр. Дополнительная причина применения нормального металла связана с необходимостью защиты ВТСП-материала от влажности и других факторов окружающей Среды, вызывающих деградацию оксидного сверхпроводника. Наилучшие результаты получены при использовании серебряной матрицы или обмотки сверхпроводника: кроме того, что серебро лишь в минимальной степени реагирует с ВТСП или его исходной продукции даже при высокой температуре синтеза, серебро отличается высокой диффузионной проницательностью для кислорода, что необходимо при синтезе и обжиге ВТСП.

В настоящее время  все усилия в области ВТСП наряду с совершенствованием их свойств  и способов получения направлены на создание изделий на основе ВТСП, пригодных для применения в радиоэлектронных системах для детектирования, аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Основными достоинствами  ВТСП являются отсутствие потерь на постоянном и сравнительно небольшие потери на переменном токах, возможность экранирования магнитных и электромагнитных полей, возможность передачи сигналов с крайне малыми искажениями.

Параметром, непосредственно  определяющим  высокочастотные свойства ВТСП материалов является их поверхностное сопротивление. В обычных металлах поверхностное сопротивление увеличивается пропорционально квадратному корню из частоты в то время, как в ВТСП - пропорционально ее квадрату. Однако, благодаря тому, что начальное значение поверхностного  сопротивления ( на постоянном токе) у ВТСП на несколько порядков ниже, чем у металлов, высококачественные ВТСП сохраняют преимущества по сравнению с металлами при частоте до нескольких сотен гигагерц.

Интерес к вопросу  практического использования сверхпроводников появился в 50-х гг, когда были открыты сверхпроводники второго рода с высокими критическими параметрами как по значению плотности тока, так и по величине магнитной индукции. В настоящее время использования явления сверхпроводимости приобретает все больше практическое значение.

Применение сверхпроводников потребовало решения ряда новых  задач, в частности, интенсивного развития материаловедения в области низких температур. При это исследовались  не только сверхпроводники собственно, но и конструкции и изоляционные материалы.

Наибольшее распространение  из сверхпроводящих материалов в  электротехнике получили сплав ниобий-титан  и интерметаллид ниобий-олово. Технологические  процессы изготовления исключительно  тонких ниобий-титановых нитей и  их стабилизации достигли весьма высокого уровня развития. При создании многожильных проводников на основе ниобий-олова широкое применение находит так называемая бронзовая технология.

Развитие сверхпроводниковой техники также связано с созданием  ожижителей и рефрижераторов все  большей хладопроизводительности на уровне температур жидкого гелия.

Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит  при создании крупных электромагнитных систем. В 80-х гг в СССР был осуществлен  запуск первой в мире установки термоядерного  синтеза Т-7 со сверхпроводящими катушками тороидального магнитного поля.

Сверхпроводящие катушки  используются также для пузырьковых  водородных камер, для крупных ускорителей  элементарных частиц. Изготовление таких  катушек для ускорителей довольно сложно, так как требование исключительно высокой однородности магнитного поля вызывает необходимость точного соблюдения заданных размеров.

В последние годы имеет  место все более широкое использование  явления сверхпроводимости для  турбогенераторов, электродвигателей, униполярных машин, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др.. Следует также отметить важное направление в работах по сверхпроводимости - создание измерительных устройств для измерения температур, расходов, уровней, давлений и т.д.

На настоящий момент имеются два главных направления  в области применения сверхпроводимости. Это прежде всего магнитные системы  различного назначения и затем - электрические машины (прежде всего турбогенераторы).

 

Рис.14 Электрические кабели для ускорителей в CERN: сверху обычные кабели для Большого электрон-позитронного коллайдера; внизу — сверхпроводящие для Большого адронного коллайдера.

 

          Применение сверхпроводимости в турбогенераторах большой мощности перспективно потому, что именно здесь удается достигнуть того, чего при других технических решениях сделать невозможно, а именно, уменьшить массу и габариты машины при сохранении мощности. В обычных машинах это уменьшение всегда связано с увеличением потерь и трудностями обеспечения высокого КПД. Здесь этот вопрос решается радикально: массу турбогенераторов можно увеличить в 2-2,5 раза, в тоже время в связи с отсутствием потерь в роторе удается повысить КПД примерно на 0,5% и приблизиться для крупных турбогенераторов к КПД порядка 99,3%. Повышение КПД турбогенераторов на 0.1% компенсирует затраты, связанные с созданием генераторов на 30%. В этих условиях экономия энергии, получаемая за счет снижения потерь, очень быстро оправдывает те затраты, которые вкладываются в создание новых сверхпроводниковых машин. Экономически это, конечно, оправдано, но все дело в том, что для того, чтобы выйти в энергетику с большими машинами, нужно пройти очень сложный путь создания машин все больших мощностей. При этом нужно решать и более трудную проблему - обеспечение высокой надежности.                                                         Очень важным моментом в этой связи, является отработка токовводов при создании машин высокой мощности. Перепад температур на токовводах составляет около 300К, они имеют внутренние источники тепловыделения, и поэтому представляют собой один из наиболее напряженных в эксплуатационном отношении узлов сверхпроводникового электротехнического устройства, являясь потенциально опасным источником аварий в криогенной зоне.

Поэтому, при разработке токовводов, в первую очередь необходимо обращать внимание на надежность их работы, обеспечивая ее даже в ущерб тепло и электрохарактеристикам токовводов.