高温超导材料与技术的发展及应用.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第卷第期年月电子科 技 大 学 学报议罗高温超导材料与技术的发展及应用金建勋,郑陆海电子科技大学自动化工程学院成都,【摘要】近一个世纪以来,超导理论、超导材料和超导应用技术已经取得了重大的发展,尤其是新近发展的具有很高实用性能的高温超导材料与技术,已开始从实脸研究走向实际应用阶段该文简要介绍了高温超导材料的发现历史,阐述了带材、块材和薄膜的制备工艺及特性,总结材料在强电和弱 电领城中的应用发展现状关键词高温超导体实用高滋超导材料高滋超导应用超导强电应用超导弱电应用中图分类号文献标识码明一,一彻心助咖。,丫以打阅女及节戈以颇】尽,即,切田,介毗即,沈比,枪侧代即超导材料的发现和发展至今已经有近百年的历史了,从发现之日起人们就开始对它进行了不懈地探索和研究。在研究不断取得突破和进展的同时,人们也努力尝试着发掘它潜在的应用特性,在研究的初期已取得了一定的成果。但初期低温超导材料自身的性质 以及对液氮温区工作环境的需求,限制了它的应用发展。年,高温超导归材料的发现,又一次激发了研究盯和其实用材料的热潮。经过年的发展,己形成工艺成熟的第一代带材,目前正在发展 的第二代带材一涂层导体,近一步强化了带材在强电领域中的应用。与此同时,块材和薄膜的制备工艺也在不断地发展,前者己在强电领域获得了很好的应用,后者已开启了材料在弱电领域中的应用,并且有着非常广阔的发展前景。高温超导体的发现简史自年荷兰物理学家卡末林昂内斯份朋发现汞似的超导电性 以来,被发现 的超导体总数己超过种,超导体的发现经历了从简单到复杂,即由一元系到二元系、以及多元系的过程。在年间,以研究元素超导为主,除汞 以外,又发现 了、等众多的金属元素超导体。在咒一年间,则发现了许多具有超导电性的合金,以及结构的过渡金属碳化合物和氮化物,临界转变温度得到了进一步提高。随后,在年间,发现了如的等超导体。其中,年。的发现,使的最高纪录上升到。但在年以前,超导材料的都太低,故被称为低温超导体这种超导体一般需要在昂贵的液氮环境中工作。由于液氮制冷的方法昂贵且不方便,故低温超导体的收稿日期洲】一肠一作者简介金建勋一男,博士教授博士生导师主要从事应用超导与电工技术方面的研究郑陆海一,男,硕士生,主要从事高温超导电机技术方面的研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋 等高温超导材料与技术的发展及应用应用长期得不到大规模发展。年,瑞士科学家贝德诺兹和米勒很制备出了为的翎一钡一铜一氧伍一一高温氧化物超导体川,从而引发了全球范围内研究材料的热潮。年,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤等人相 继发现忆一钡一铜一氧代一氧化物超导体,把提高到以上,液氮的禁区也奇迹般地被突破了。年初,法国的米切尔伽等人发现了第三类超导体秘一银一钙一铜一氧卜一氧化物超导体,达到了。紧接着,美国户州大学的盛正直和又发现的佗一钡一钙一铜一氧仃卜一。氧化物超导体。此后,一直到年,问和门等人又发现了的汞一钡一钙一铜氧一一一一氧化物超导体,至今它还保持着最高的临界转变温度。】二 一一止刃卜几、气一夕,图超导体兀提高的历史简图值得一提的是,年月,日本等人发现的金属间化合物叨超导体,临界转变温度冲破了理论极限达到,在机理超导体二元金属间化合物中是最高的。超导体提高的历史简图如图所示。材料的制备与特性目前,盯材料是指源、系、系、系、系以及,其中以系、系和最具有实用前途。已经制备出的实用材料主要分为带线 材、大块材及薄膜。带材实用化的带材要求具有较高的工程临界电流密度、较小的交流损耗、较高的导电稳定性和机械强度,并且和传统的己商用化的低温超导线材卿、相比,必须具有一定的价格优势才能被市场所接受。目前已在系基复合带材、柔性金属基系带材和叨带材等方面取得了重大进展。第一代带材第一代带材是指用粉末装管法伊。卜一,生产的系带材。其制备过程如下将适当配比的前驱粉填充到金属 如银套管内,拉拔至一定尺寸 圆线或六角形线之后截成多股芯线,再次装入银套管内拉拔至直径在一以 们左右,然后轧制成宽,厚的带材,然后经过热处理或多次反复的形变热处理,使晶粒沿面择优取向,形成所谓的形变织构,得到最终成品带材。典型的工艺流程如图所示。第一代系带材实现商业化生产已近十年了,现在世界上 只有少数几家公 司拥有系带材的产业化技术,如美国、以北京英纳超导、德国、德二、,、二,。一、”图系盯线带 材制备工艺流程国 以及日本 等。一一“一一、”产州一一目前,公司年生产的系带材性能为工程临界电流大于,工程临界电流密度大于护刀扩,单线长度大于。现公司已在建成了世界上第一条全尺寸生产线,用于制造多芯复合带,年产。北京英纳超导公司是我国首家商业化生产线的公司,它们生产的线短样实现的和己分别达到和刀时,且已经能生产 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电 子科技 大学 学 报第卷长的线,其超过,超过,。此外,德国公司也已设计一条年产的一多芯复合线生产线,以满足市场对线需求量日益增长的需要。第一代系带材己经在电力系统领域有较成熟的应用,然而系超导带材明显的各向异性使得其不可逆场只有左右】,其临界 电流人容易受到磁场的影响,在较小的磁场下,就急剧下降,这样就极大地限制了系带材的应用范围。而且,锡系带材的成本偏高,据预测,最终市场价格约为瓜,这对 于除超导电缆以外的应用将带来很大的极限性。当前第一代系带材研究的重点集中在工程临界电流密度的提高、机械性能的改善、交流损耗的降低和成本的降低等方面。第二代带材在继续改善第一代系带材的同时,涂层导体技术也得到了很大的发展。超导体的超导电性的各 向异性比较弱,可以在液氮温区附近较高磁场下有较大临界电流,具有较好的高温磁场性能,其潜在的低制备成本和较少的交流损耗也比第一代带材有明显的优势,它的实用化将使工作于液氮温区的设备成为现实。人们把超导带材称为继系带材后的第二代带材。由于晶粒间结合较弱,带材难以采用成熟的工艺制备。高性能带材对双轴织构的微观组织有较强的依赖性,目前只有在双轴织构化的基带或隔离层上,通过外延生长技术来制备,即先在柔性金属基带上沉积隔离层,然后在隔离层上沉积超导层,从而得到柔性的涂层超导带材。因此,系带材的工作主要集中在两个方面基板及织构化隔离层 的制备和高超导层的沉积。目前,基板及织构化隔离层的制备方式主要有离子束辅助沉 积一。几,轧制辅助双轴织构恨翻叭喊,倾斜基板沉积法妞,和织构化银或银合金基板,刀等可采用多种镀膜方法在属柔性衬底上沉积高质量的薄膜,有化学和物理方面的方法,总结如表所示。目前,法是应用最广泛的一种沉积方法,但法由于要使用昂贵的大功率、高真空装置 以及工业用激光源,而不太适合大规模产业化。目前,使用三氟醋酸盐,前驱粉的法是很有前途的沉积方法之一,用一法制备的涂层导体性能高、制造成本低,能够满足将来商业应用的需求。表在基带上形成巧薄的方法物理方法化学方法脉冲激光沉积法,脉冲激光融蚀法记氏认,离子束溅射法磁控溅射法创川电子束燕发卿顽,热共蒸发一卿耐,化学气相沉积目印娜氏化学溶液沉积娜叽金属有机沉积咧。朗叽尹司金属有机化 学气相沉积伽回众而卿叽刀溶胶一凝胶法一,喷涂分解法只”四到目前为止,已经利用、护、乃涯、等复合技术制备出了涂层导体【叼。其中,八以在价格和性能上来说都是最有吸引力的制备方法之一,美国超导公司已经采用该工艺进行二代带材的研制。用舰法生产的涂层导体,是有多层氧缓冲层的合金基底层和金属有机沉降得到的层的“三明治”结构,一般由柔性金属基带 如基带、防扩散过渡层代理刀公、超导膜和保护层 如磷等组成它的制备过程如下首先把或金属合金轧制成卿厚宽的带,然后再结晶形成的母体,在卷绕过程中进行叽厂刀外延层的沉降,在用刃加环境下转化成外延的兔巧滩,最后在顶层生成眯护膜。图为其生产工艺流程图。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋 等高温超导材料与技术的发展及应用叨线带材在年发现的叨乏金属系超导材料,是介于低温超导材料和材料之间的一种新型超导材料,在其发现之后,随即在世界范围内展开 了对这种材料的基础和应用方面的研究。与和等传统低温超导材料相比,叨具有液氢温区的超导转变温度,可用 电制冷代替液氦制冷,更经济地获得运行温度。与氧化物高温超导体相比,叨晶界处不存在弱连接问题和巨磁通蠕动效应。这些 良好的特性,消除了制作线材和带材最严重的障碍,无需进行晶粒取向化,使其具有良好的应用前景,并且制备工艺简单。就叨线材和带材的制备而言,现在比较通用的方法是采用第一代带材成熟的制备工艺,即法。套管金属可采用、或不锈钢等。法分为离位粉末套管法和原位粉末套管法一。离位粉末套管法制备过程是在金属套管中直接填充沙粉末,拉制成线,冷压成带状,最后烧结。原位粉末套管法是用的混合物作超导芯原料,原位反应生成,经过拉制冷压等工艺,最后在空气中高温烧结。电泳法份是一种制备高质量的带材的新方法。制备过程分为两步首先在基底上电泳一层硼膜,然后将硼膜和过量的镁带用担箔包好,封在抽真空的石英管内,左右高温退火,使镁与硼充分反应。目前研究工作的重点是努力提高的不可逆场和高磁场下的临界电流密度。块材经过年的发展,高氧化物超导块材取得了很大的发展,首先表现在值的提高上。由于超导晶粒间存在弱联接,用传统方法很难突破,刀。砰,的量级。后来,人们先后采用了多种办法来克服弱连接提高电流密度,如熔融织构生长工艺奴比,、液相处理法。,、淬火熔融生长,和粉末熔化处理旅,等熔化工艺,使人超过了从耐,。目前,已经用于研制超导块材的盯材料有、稀土、一以及等祠。其中以块材的制造工艺较成熟,性能更好。因此,制备块材更有吸引力。研究超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力,应用于超导轴承、储能以及磁悬浮列车等。大块材亦可用于捕获磁通,作为永久磁体用。现在所用的永久磁体,最高磁场不能超过,要得到大于的磁场,就必须用超导材料。在近年内,超导体的捕获磁通已取得了很大的进展。通过中子辐照,在时,超导块材的俘获磁场可以达到,远远高于常规的永磁体。薄膜由于薄膜有特殊的应用性能,对其进行研究也正在不断深入,目前己经利用各种工艺制备出了系薄膜、系薄膜、系薄膜、系薄膜和叨薄膜一。由于系超导体的高温相不易形成,增加了制备难度,目前还限于一低温相薄膜制备。薄膜具有稳定的结构、较强的抗潮湿能力、性能不易退化、较高的零电阻温度等特点,但制备过程中有剧毒物质存在,需要采取防护措施,而且和都是易挥发物,在制备过程中容易损失原子,使成分控制难度增大系超导薄膜的合成中所遇到的最大的困难就是的易挥发性和易潮解性,制备难度较大。同样制备薄膜存在的高挥发性和易氧化性的问题。与其他类型高温超导体似相比,系薄膜的制备要容易一些,外延轴膜可在单晶绝缘 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电子科技 大学学报第卷衬底面上生长,且能获得最低的表面电阻尺,这恰恰是许多徽波无源器件所要求的。因此在所有中,薄膜受到了更多的重视,得到了更好的发展。为了得出均匀致密、表面平整光滑、超导性能优异的薄膜,几乎动用了所有可能的制膜方法按照薄膜制备工艺流程的不同,薄膜的制备方法分为原位法和后热处理方法。原位法指在淀积薄膜的同时将基片加热,进行原位热处理。这种方法在材料沉积的同时就能获得所需的晶相,生长出具有晶体质量和超导性能良好的外延薄膜。后热处理法指在淀积薄膜后进行退火处理。这种方法热处理在镀膜设备外进行,加热方法简单,成本较低,基片尺寸不受限制,可用来大规模制备薄膜。原位法主要包括物理沉积方法,已在表中做了总结,还包括一些化学沉积方法如法、犯法等。后热处理法溶胶凝胶法一等。目前,在所有制备薄膜的方法中,法用得最多,其制备原理如图、所示。材料特性比较图为低温下典型超导体的不可逆线,助从图中可以看到,尽管系带材容易制造,但由于其固有的低不可逆场,限制了它在温度和高磁场条件下的应用。与氛化物相比,叨晶界处不存在弱连接问题和巨磁通姗动效应,消除了制作线材和带材最严重的障碍,无需进行晶粒取向化,但它携载电流的能力还远比不上涂层导体,因此它的理论重要性要超过它可能存在的应用。其他材料,如系和系复合材料,尽管有相对较高的以及有比系材料高的不可逆场,但由于存在弱连接问题,它们的人仍很低而且和有毒,增加了制备难度而在的温度和电力应用所产生的强磁场条件下,具有最高的不可逆场,且具有很高的,如图 所示因此,拍涂层导体在电力系统中的应用要远优于带材,而且薄膜在电子学领域中的应用也是其他超导材料所无法替代的。护,邝日。之自御媛即味娜。粉一一扮一队田酬州卫月,产工七再粗,曰、,入“、即之伏竹、件卜今二、一,下二。氏印卯一亏护电电电子拐件,一,毛毛犷、,帆一”沮度爪图上临界感应场逮线和一些盯材料的不可逆线实线磁场汀图大范转应用所孺电流和磁场强度比较以及各种甘邝的性能比较材料的应用盯材料的应用通常分为两大类强电应用和弱电应用。超导强电应用主要是基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性,以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。超导弱电应用主要是基于磁通量子化,能隙、隧道和约瑟夫森效应等。带材和块材主要在电力系统等强电领域中获得应用,1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋 等高温超导材料与技术的发展及应用而盯薄膜主要用于研制器件、微波器件等,在弱 电领域具有极大的应用范围。基于材料不同的特性的应用分类,在图中作了概括。限流器电流引线输电电缆通信电缆限流器变压器直流电机交流电机高能物理磁分离电磁推进船磁浮列车直流电机磁流体发电托卡马克脉冲电源磁储能电子显微镜核磁共振装置快速信号处理器电压标准超导天线红外探测器徽波器件切。器件磁能交流磁场交流磁场梢密磁场零电阻强磁场的产生弱磁场图超导电性应用分类在强 电领域中的应用材料发现后,由于其特殊的应用性能,从上世纪年代初就开始了强电应用方面的研究。早期的工作主要集中在导线制备、线圈磁体技术、高压发生器强、电力故障限流器、磁性分离装置、大电流引线、电力应用性能研究等一。目前材料已经在电力能源、交通运输、生物医学、高能物理等方面取得了很大的发展。电力能源随着我国经济和社会的发展,电能的需求量日益增长,电网的容量越来越大,供电密度越来越高,电网向超大规模方向发展,对供电质量和电网的稳定可靠性要求也越来越高。超导电力技术可 以克服常规电力技术固有的缺陷,并将带来电力工业的重大变革。超导电力技术在电力能源中的应用及其应用特点、意义及发展现状总结如表 所示。由表可见,超导电力技术及其应用可大大提高电网的稳定性和可靠性,改善供 电品质,并提高电网输电能力,降低网络损耗,从而提升我国电力工业的发展水平,为实现我国电力工业长期发展战略提供可靠的技术保障。随着聚变工程和超导技术的发展,有理由相信在不久的将来核聚变能将成为无限、清洁、安全的换代新能源。表电力技术特点及发展现状应用特点及意义发展现状电缆损耗小、体积小、重量轻、容量大实现低电压大电流高密度输电环保、节能,有助于改善电网结构日本单相,了美国 三相,中国三相,认模型完成研制阶段并网运行限流器正常时阻抗小,故障时呈现为大阻抗集故障检测、转换和限流于一身反应和恢复速度快,对电网无负作用体积小、重量轻、容量大、效率高火灾隐患、无环境污染限制短路电流美国桥路型,德国 三相电阻型,中国改进桥路型,模型完成试验运行模型完成韩国美国巧变压器,”中国,模型完成模型完成并网运行 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电 子科 技大学学 报第卷续表应用特点及意义发展现状超导磁储能利用电能和电磁能的相互转化实现储能效率高、响应快、提高系统稳定性调节负荷峰值、存储应急备用电力美国低温超导日本归即日本模型完成研制阶段实验阶段飞轮储能利用电能与机械能的相互转换实现储能低损耗、高速度、高效率用于电力调峰,制作电池、不间断电源日本从飞吕翻实验阶段模型完成探索阶段电动机体积小、重量轻、效率高极限单机容里高、同步电抗小用于舰船、悬浮列车推进,火箭发射德国美国模型完成实验阶段研制阶段步步步同同同国本国美日美发电机体积小、重量轻、效率高、过载能力强极限单机容量高、同步电抗小提高电网稳定性,用于无功功率补偿吕【侧电流引线降少漏热、降低运行费用、提高稳定性用于超导装置中美国同步,澳洲涡轮,英国 同步,德国,日本,中国,漏热,漏热瓜漏热模型完成模型完成模型完成模型完成应用阶段模型完成超导磁流体发电将热能直接转换为电能效率高、环境污染小、起动快、单机容量大通过受控聚变反应从而获得聚变能不产生核废料和温室气体,基本无污染带来巨大的、无限的清洁能源日本,效率少汤叫模型完成超导受控热核聚变中国超导托卡马克叫中国 全超导托卡马克们韩国托卡马克咧运行阶段调试阶段研制阶段交通运输交通运输是社会发展的重要支柱之一,是国民经济的大动脉,它可以促进各地区的经济发展、物资交流和人才流动也可 以解决大城市的人口拥挤问题。目前世界各国的交通运输事业已有了长足的进步,但是交通拥挤的情况仍然严重存在,铁路、航运部门常感到运力不足。为了改善这一状况,提高列车和船只的速度对于人类社会将会产生 巨大的影响。超导体,特别是在这一方面,将会大有作为。盯磁悬浮列车。在磁悬浮列车的应用主要包括两个方面利用,磁体实现列车悬浮和利用直线电动机实现列车的推进。利用磁悬浮技术,我国在年制造 了一辆磁悬浮模型车后,又在年月研制出了世界上的首辆载人磁悬浮实验车阵,网,使我国的磁悬浮列车的研究处于世界前列。日本从上世纪代开始把低温超导技术应用于直线同步电动机,使之作为磁悬浮列车的驱动动力,大幅提高了列车的运行速度,并于年月创造了时速的世界速度记录,。由于磁悬浮列车不仅有快捷、安全、噪音小等优点,而且与常导和低温超导磁悬浮列车相比具有成本低、控制技术简单、速度更高等特点,可以预见磁悬浮列车在未来将会有更大的发展和美好的应用前景。超导电磁推进船。超导电磁流体娜,田。推进船的推进原理是电流通过海水从正极流向负极,受到超导磁体垂直磁场的洛伦兹力作用,驱动海水向后运动,从而对船产生向前的推力。这种超导船没有引擎和螺旋桨,所以具有速度快、推进效率高、控制性能好、结构简单、噪声小、无污染、造价低和易于维修等诸多优点。年,日本研制出世界上第一艘低温超导直线式磁流体推进船“大和一号”丫叼叼认一,并下水试航成功我国从年开始了磁流体推进的研究,开发出了世界上第一条超导螺旋式磁流体推进试验船“”,装备了的超导磁体系统后来,又与日本合作,使用了 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋 等高温超导材料与技术的发展及应用的螺管超导磁体,实验结果表 明其性能指标较“一试验船和日本的“”试验船提高了一个数量级。随着磁体技术的发展,当超导磁体产生的磁场超过到时,推进船在运输和军事领域将有极大的商业价值。此外,技术在一些水平或垂直的运输装置、电动汽车、飞机中也将得到应用,并且人们还在进一步发掘技术在交通运输中的应用潜力。生物医学超导核磁共振成像装置。核磁共振成像卿,方法是将核磁共振仍附吸原理和计算机断层扫描。,技术结合起来,它的全称是核磁共振计算机断层扫描倒侧丑一。不仅可获得人体任意剖面的各种器官和组织的清晰图像,而且还能获得各组织中的化学结构,可用于某些疾病的早期诊断、医疗过程监控、人体化学活体检测、经络系统机理研究等。其中磁体系统是装置的核心部件,磁体系统中的主磁体采用超导磁体不仅可以比常规磁体产生更强的主磁场,而且均匀性高、稳定性好,能缩短测量时间,使图像更清晰且具有更多的功能。超导装置,作为超导电性在医疗上应用的成功实例,己经在世界范围内得到广泛应用,目前正在运转的侧装置中所用的磁体绝大部分采用超导磁体。超导核磁共振波谱议。利用又原理制成的核磁共振波谱仪洲,已广泛应用于生物、遗传和医学等领域的研究中。由于其谱线间距离及信噪比都与磁场有关,为了从波谱分析中得到更多的信息,增加化学移位信号的分离,提高分辨率,必然要提高频率和磁场。核磁共振谱仪除对磁场强度有明确要求外,还要求在一定有效空间内如必的磁场均匀度优于一,磁场稳定度优于一呱。采用超导磁体完全可以满足这些要求。目前,日本已经研制出了对应磁场核磁共振波谱议用的一超导磁体,。超导介子发生器。由于兀介子的能量有在体内某一特定区域几乎全部被人组织吸收的特点,它明显地比射线、中子射线等常规的放射疗法优越得多。但用常规的方法产生兀介子的加速器和偏转聚焦装置太复杂,且价格昂贵,所以一直无法实际使用。利用超导直线加速器产生高能电子束,打入一个兀介子发生靶,电子束轰击靶产生的兀介子 由超导磁体实现偏转聚焦,从而可以较容易地实现用介子来治疗癌肿。此外,利用超导强磁体引导磁导管在体内进行肿瘤的手术治疗,具有不必进行深部外科切除等明显的优点。由超导磁体产生的强磁场来获得大量的磁化水应用于农业和医疗,可以促进农作物生长和新陈代谢及家畜的生长发育、提高存活率和防治疾病,还可用于人体很多疾病的治疗。高能物理现在使用超导磁体规模最大的是在高能物理实验方面。在高能物理实验研究中,需要三种类型的磁体探测器磁体用来鉴别和分析粒子的特性及其相互作用,例如气泡室磁体、谱仪磁体及混合谱仪磁体等输运磁体安装于束流输送线上,用来选择、引导和聚焦粒子束,如二极磁体、四极磁体加速器磁体用来束流、弯转和聚焦加速器中的粒子。在这些磁体中如果采用常规磁体,不仅庞大、笨重、运行费用高,而且难于在大空间内获得稳态的强磁场,因此必须考虑采用超导磁体。超导氢气泡室。氢气泡室是一种基本粒子探测器,它是一个放在磁场中的装有过热液体即液氢的容器。当带电粒子射入过热液氢时,损失自己的能量使其径迹周围的液氢变成氢气泡,随即进行照相,便可 以直接拍下这些氢气泡,亦即该粒子的行进轨迹。若没有外磁场,则带电粒子的轨迹是一条直线,若加上磁场,则轨迹是圆形的。由圆弧的半径及其他数据,就可以推算粒子的性质。为了更有效地进行测量,气泡室中磁场强度愈强愈好,只有采用超导磁体才能实现这一点。高能超导加速器。目前已经利用超导磁体研制出了超导回旋加速器、超导同步加速器、超导对撞机和超导直线加速器。利用超导磁体产生的强磁场可以极大地增加加速器能量、减小损耗、减小加速器半径、减少占地面积。但使用低温超导磁体,近液氦温区的低温源需要功率强大的制冷机维持,耗电量仍然很可观。可 以预见,液氮温区超导体的应用将使加速器的发展有更为乐观的前景。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电子科 技大学 学 报第卷其他强电应用军事领域。利用盯产生的强磁场可 以用于制造超导扫雷具利用直线电动机等技术可 以用来制造电磁炮、轨道炮,将弹丸加速 到每秒几千米至每秒几十千米利用电磁推进器可以实现潜艇高速、安静地推进利用超导储能装置将存储的电磁能转换为激光能量可用来制造超导激光武器,还可利用超导储能装置产生的高频电磁能束或激光束在大气中聚焦,在焦点形成等离子团,研制出所谓的等离子体武器,从而可摧毁来至太空、高层大气或低层空间的任何袭击。航天领域。航天飞机用“磁窗”需要较强的磁场,常规磁体重量过大,难以在空间应用,只有超导体线圈产生的磁场才有可能在允许 的重量下产生足够的磁场强度,因而超导磁体的应用才使“磁窗”原理得以在空间应用。另外,利用超导磁悬浮原理还有望用于航天飞机和火箭的发射。磁分离技术。利用超导磁体产生高磁场强度、高磁场梯度设计出的各种类型的超导磁分离装置,将在高岭土的净化、低品位矿的选矿、稀有金属的回收、非金属矿的提纯、煤的脱硫、红血球的分离、水的处理等方面发挥重要作用。在弱电领域中的应用以上所述均为超导在强电、强磁方面的应用。超导在弱电、弱磁领域中的应用也是多方面的,其中主要是在电子学和通讯上的应用,因此形成了一 门“超导电子学”新学科。它是在世纪年代中期以后发展起来的,建立在超导体所特有的一些性质之上,即直流下完全没有电阻,交流下只有很小的电阻,迈斯纳效应,磁通量子化,能隙、隧道和约瑟夫森效应等。在高兀超导体发现后,材料给超导电子学的发展带来了新的前景超导电子学作为一 门正在迅猛发展的学科和技术,已经在很多方面发挥出无可替代的作用,尤其在超导量子干涉器件叩,、微波器件、超导计算机等儿个方面发展尤为迅速。仪器是根据超导量子干涉效应发展起来的,通常含有一个或两个弱连接的超导环,前者称 为单结,超导环对直流短路,器件与射频谐振回路祸合,工作时由射频电流偏置,因此又称射频几。后者称为双结,工作时 由直流电流偏置,故又称直流归几。是目前探测磁信号最灵敏的传感器,可以分辨一”磁场,与其他磁测量方式的应用范围比较如图 所示。刀不仅是磁场的最灵敏的探测仪器,而且 一切可 以转化为磁场的物理量,例如电流、电压、电阻、电感、磁化率、磁场梯度、温度、位移等,都可以用它来探测。另外,一个可以有非常宽的频率响应从直流 频率为零 到几十兆赫甚至更高的频率,其响应范围主要受到它的读出电路的限制。所有这些性能都可以置于一个儿毫米大小的芯片上,现在还没有其他任何传感技术能与的灵敏度相匹敌。地徽烫直流肺磁场电离层眼磁场正常心樊交流胎儿心樊交流脑磁丝交流脑波阴值丫,劝一,一一少犷一犷月,粗尔效应光探针图各种磁测仪器的应用范围目前己经利用薄膜开发出了各种刀。仪器,用 于磁测量的有。磁强计伽、田磁场梯度计、旧磁化率仪等阵明用于电测量的有检流计呼叨、小微微伏计伊以等此外,还应用材料研制出了。显微镜伴产,”、。放大器以,、旧温度遥测器伽件笋川等量子干涉仪器。具有很大的应用潜力,人们还正在扩大它的应用范围在地质矿产方面,可用它来进行地磁场 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋等高温超导材料与技术的发展及应用的精度测量、地下水层分布测定、大地形成与变迁的研究、寻找矿藏和地下资源等。在生物医学方面,生物和医学用磁强计可以探测心、肺、神经等活动引起 的微弱电磁信号的变化,通过无接触检测可得到脑磁图、心磁图、肺磁图乃至神经磁图,用于医学诊断,而不受人体状况的影响和干扰。此外,在地震预报、空间和军事等领域也将得到广泛的应用。微波器件与红外探测 器微波器件以约瑟夫森效应和磁通量子化为基础,主要可分为微波无源器件和微波有源器件。由于薄膜有很低的表面 电阻,在相同温度和频率下,比常规导体要低一个数量级,用 以构成微波器件时,其性能较之传统器件将有明显的改善。因此,薄膜首先在微波无源器件中获得实际应用。目前,已经研制 出的微波无源器件主要有微波谐振器扭、滤波器伊、天线、多工器、开关、延 时线田叮等,本,。在对约瑟夫森效应深入研究的基础上,人们又开发出了一系列微波有源器件,包括检测器归、混频器伽议、振荡器、参量放大器帅及信号发生器,等,。由于薄膜在微波频段的微波表面 电阻极低,研制出的滤波器具有带内插损极低、边缘陡峭、抑制带外干扰非常好以及体积小重量轻等特点,在军事特别是通信领域具有重要的应用价值。美国、中国、英国、日本等国已经研制出的各种类型、不 同用途的滤波器一,在蜂窝电话基站、移动通信、军事、天文观测等领域都将有广阔的应用前景,有些己达到商业应用水平。随着通信、雷达、导航的发展,对天线有了更高的要求,采用超导天线是一个方向。作为微波器件的一个重要分支,天线得到了密切的关注,人们已经从理论上对各种超导天线,如 电偶极子天线、螺旋天线、微带天线以及微带天线阵列等进行了研究,而且也通过实验证实了天线相对于传统天线的优越性。利用超导材料在低于临界温度时电阻接近于零的特性,可使天线的损耗减小几个数量级,从而使天线的辐射效率增加百倍或更多同时,天线损耗的减小使天线本身的热噪声下降,再加上天线处于低温下,噪声还可比室温下低好几倍,有利于天线灵敏度的提高。毫米波超导体一绝缘体一超导体,混频器在毫米波及亚毫米波段中,超导器件比现有各种其他类型器件都要灵敏。至于用隧道结中光子协助准粒子隧道原理做成的毫米波准粒子混频器,是超导电子学的又一突出成果。这种毫米波混频器的噪声温度接近于量子极限,且具有变频增益大和带宽的特点,是任何其他类型器件所无法匹敌的。目前,应用了混频器的超导接收机由于具有极低 的噪声温度、很高的工作频率,而且需要 的本机振荡器的功率很小,己经在毫米和亚毫米波射电天文中得到实际应用一,。超导技术特别是超导微波器件应用于雷达,可 以使雷达的频率稳定度、低噪声接收、快速信号处理和相控阵雷达热耗等问题得以较好解决。采用超导腔稳定量子振荡器可以达到很高的短期稳定度,利用准粒子混频器可获得极高的灵敏度。超导技术在雷达中的可用部位在图中做了概括。阵列天线电电源源计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计计算机系统统开关关关关功率放大器器器器高纯频综综综综综双双双工器器器器器器器器器器器器器器低嗓声声声声声声声声数据采集集集放大器器器器器器器变换换换本振振振振振高速速速信信信信信信信信信信信信号处理器器器图超导技术在雷达中的可用部位川利用薄膜制成的盯红外探测器知曲盯吟,具有高灵敏度、低功耗、噪音小、频带宽等特 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电子科技 大 学学 报第卷点,在远红外和亚毫米波谱区,盯红外探测器是最佳探测器件,可探测一的磁信号和一,的电信号,其探测范围几乎可覆盖整个电磁波频谱,填补了现有探测器不能探测亚毫米波频段的空 白,在军事、航天、能源等诸多领域有极为重要的应用前景。超导数字计算机超导数字计算机是基于约瑟夫森结快速单磁通量子仅叩,机制的新一代高速低耗、超大容量、高性能计算机。约瑟夫森器件的极高的开关速度是硅器件的倍及低功耗只有硅器件的约千分之一左右,使它能大大提高数字计算机的运算速度、减小体积,而不具有超大规模集成电路的进一步细微化、高度集成化所带来的散热、信号干扰和开关速率壁垒等问题。数字电路芯片是超导超级计算机的核心,数字电路可产生、传递、记忆和再生出宽度极小的量子化低压脉冲,这种电压脉冲面积为单个磁通量子,并以此构成二进制逻辑 电路。利用逻辑存储电路可以实现所有数字电路所需的逻辑功能,可制成超导存储器、超导大规模集成 电路。目前,世界上很多国家已经利用超导材料设计出了各种数字电路,包括。转换电路、多路复用器、移位寄存器、读出器“等,。目前,美国正在叮似的计划研制一种每秒千亿次浮点运算的叩超导计算机,州该超导计算机由处于液氮温度下的超导处理器及其芯片网络、处于液氮温度下的内置处理器静态存储器、内置处理器动态随机存储器归和全息数存储器扭。拢嗯等组成,其结构如图所示。由于超导数字计算机具有很高的运算速度和巨大的运算能力,它在国民经济和国防建设中都将具有广泛的应用,尤其可以满足核反应堆控制、宇宙空间系统流体动力学建模、全球经济建模、长期天气预报、基因分析、战略防御系统、大型工程计算等领域的迫切需要,因此很多发达国家都加快了研究步伐。接口口阴阴离室沮与低沮界面面巡赞矍壑壑卜卜一一一一一图美国计划正在研制的超导数字计算机结构其他弱 电应用电压标准。利用交流约瑟夫森效应的电压与领率的关系。,可以保持电压单位。由于频率可以精确测定,因此电压单位就可以定得非常精确,大规模集成电路、毫米波锁相和测频技术的进步,使和约瑟夫森阵列标准简称阵列电压标准应运而生。这一新型量子标准首先在美国和德国建立,并迅速推广到数十个国家和地区,由于使用结的数量在几千至几万个,因而阶梯电压达一,这是现代校准器和数字电压表广泛使用的校准电压范围约瑟夫森阵列电压标准具有无与伦比的稳定度,是迄今为止最为理想的电压标准。超导陀螺仪超导陀螺仪代吧,是利用超导体的效应实现转子悬浮的一种精度高、能耗少、结构简单、稳定性好的惯性器件,它的随机漂移率可减少到空前的高度。用若干个超导线圈产生的磁场将一个高速转动的超导球悬浮起来,使之成为真正的 自由转子,可以实现较理想的惯性导航功能,主要可应用于大型舰船、核潜艇、现代飞机、惯性导航以及作为制导关键核心部件。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋等高温超导材料与技术的发展及应用超导磁屏蔽。利用超导材料的完全抗磁性和优良的导 电性,可制成超导磁屏蔽。用超导材料做成的屏蔽筒可以将磁场完全屏蔽在外面,而保护其中的物体不受外界磁场的影响,也不受其他器件散发的磁场的影响,在军事领域和实验室研究等方面有很大的应用价值。结论材料经历 了诞生、成长的阶段,其制备工艺与性能已经逐渐变得成熟了。它的发展经过了全球性的超导热之后,现已进入产业化发展阶段,有关的理论、材料制备工艺、新材料 的探索和应用技术,正向更高的层次发展。为了进一步推动的实用化,很多国家加强了的实用技术研究。目前在强电和弱电领域的研究都十分活跃,在 电力能源、交通运输、高能物理、生物医学、精密测量仪器、微波器件、超导计算机等各个领域都得到了很好的应用和发展,有望将来在更多领域实现变革性发展。参考文献一一一月让一,一,一一刀,刀,一,一一团一几,一,一一一一一一咖月,一,叨人月,一,一一月,一,月,压刀叭氏丫加,一,月,一川,刀正,一,劫,对一一月口,一,一叩刀,一丫,一,、习妙,、刀,一飞仁皿一丫叭厄切叮,人叮以即阴,叭伯切口曲,民,粗月,一时从,一一月,一,勿,叩月,一丫左水,肠即月口即,一,介心,助戎明,一一,枉“,斌,田滋观月,一,一阴丫即,一,一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期金建勋等高温 超导材 料与技 术的发 展及应 用月,刀正即,即邝伽厅而几田 旧即几 比民,【月既川,月以从刀出,月,刀,月礴月物即卜刀,只吐以刀,张永 文华席 海霞等三相交 流高温超 导电缆 冷却 系统明低 温物理 学报幼如 姗 田正竹即,沙民,丫而刀,台丫而月,叹氏叭田习川 别,城,助加切闭,肖立 业 中国超 导电力 技术的 研究取 得重 大进展【刀 科技中 国从酬 廿别 滋五刀,止 留,月 正胡,比冰盯,切叮口月田,铭,讯认飞月朗,民州月肠助,从 币卿飞四月 肠朗画而升助,白刀介,跳,城如即田门加蛇 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电