Сверхпроводимость

Среди ВТСП-проводов выделяют провода двух поколений. Провода 1-го поколения — это провода на основе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика, как правило, Bi–Sr–Ca–Cu–O. Такие провода доступны на рынке с 2000 года и имеют длины до 1,5 км. Недостатки их — наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость. Конструкция проводов 2-го поколения решает эту проблему. Эти провода представляют собой многослойную структуру, которая напыляется на ленту из нержавеющей стали. Важную роль играет слой MgO, который напыляется непосредственно на нержавеющую ленту под углом 30–40°. Косое напыление создает на поверхности MgO одинаково направленные борозды. Эти борозды служат для ориентации кристаллов ВТСП-керамики, которая напыляется непосредственно на MgO.

В качестве ВТСП-керамики используется Y–Ba–Cu–O или близкие к ней по структуре керамики. Слой ВТСП-пленки имеет толщину менее 2 мкм. Структура ВТСП-провода 2-го поколения показана на рис. 36. Новые сверхпроводящие провода разрабатываются очень быстрыми темпами, и в ближайшее время возможно появление новых композитных материалов с уникальными свойствами для технических применений. В целом эта область находится на пороге нового технического бума, который будет связан с разработкой и применением двигателей на основе новых сверхпроводящих проводов с использованием безжидкостного охлаждения систем при помощи охладителей. Кроме того, активно разрабатываются накопители энергии, токоограничители и другие технические устройства для больших энергетических систем.

3.5 Применения сверхпроводящих магнитов 1

Сильные магнитные  поля необходимы прежде всего при  проведении исследований. И здесь  сверхпроводящие магниты применяются  активно. Некоторые установки без  них невозможно создать в принципе. На рис. 37 даны раритетные фотографии этапов сборки сверхпроводящих магнитов для установки «Токамак-15». Она предназначена для получения и исследования плазмы при высоких температурах и плотностях. Установки семейства «Токамак» представляют собой тор (или, попросту говоря, «бублик»), внутри которого магнитное поле должно удерживать высокотемпературную плотную плазму. Магнитное поле очень сложной конфигурации создается сверхпроводящей магнитной системой, состоящей из большого количества обмоток нескольких видов. Один из элементов системы вы видите на рис. 38. Назовем несколько параметров, характеризующих размеры и сложность системы: большой радиус тора составляет почти два с половиной метра, токи в обмотках достигают 3700 А, а радиальная сила, которая будет действовать на одну катушку в рабочем состоянии, достигает 10 т.

Конструирование подобных плазменных установок немыслимо  без сверхпроводящих магнитов, из которых построены и магнитные  системы новых ускорителей элементарных частиц. Создание таких систем характеризует  сложность задач, которые научились  решать. Установка «Токамак» стала основой международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. В 2005 году было определено место его строительства — местечко Кадараш во Франции, недалеко от Марселя.

Разработка технического проекта реактора ИТЭР завершилась  в 2001 году. От России главными действующими организациями в разработке проекта выступали ФГУП НИИЭФА², РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП ВНИИНМ³ и ФГУП НИКИЭТ⁴ с привлечением еще около 200 организаций. Работа над проектом реактора в России велась в рамках Федеральной целевой программы «Международный термоядерный реактор ИТЭР», утвержденной Правительством Российской Федерации. Общая стоимость разработки проекта составила около 2 млрд долл. США, зачтенный вклад России в разработку оценен в 17%.

Схематически  реактор в разрезе изображен  на рис. 38. Сверхпроводящие магниты, создающие поля напряженностью до 60 000 Э, являются одной из ключевых частей устройства. Для их работы необходим криостат, в полости которого смонтирован собственно токамак. Криостат имеет форму вертикально стоящего герметизированного цилиндра с полусферическими торцами. Межстенное пространство шириной 200 мм может откачиваться либо заполняться гелием. Объем криостата около 30 000 м³; суммарная площадь стенок около 700 000 м².

Комплекс реактора ИТЭР будет размещен на территории 0,7 × 1,2 км. Помимо здания собственно реактора на этой территории должно быть сооружено еще около 30 зданий — для криогенной фабрики, очистки и подготовки топлива (трития), мощной системы электропитания, системы управления и сбора информации и многие другие. Полная проектная термоядерная мощность реактора должна составить 500 МВт.

3.6 Применения сверхпроводящих магнитов 2

Сверхпроводящие магниты используются в ЯМР-томографах (ЯМР — ядерный магнитный резонанс). Это — медицинский прибор, использующий свойство ядер некоторых веществ (например, водорода) давать резонансный отклик на слабое электромагнитное излучение, причем частота резонанса пропорциональна напряженности магнитного поля. Анализ (компьютерный) отклика ядер в разных частях организма позволяет получать послойное контрастное изображение любых тканей, даже мягких, что очень сложно достичь другими методами. Можно надеяться, что в перспективе ЯМР-томограф позволит осуществлять и биохимический анализ.

В рабочей полости  прибора сверхпроводящий магнит создает магнитное поле напряженностью 15–20 тысяч эрстед. Для получения хорошего изображения однородность поля в полости должна быть не хуже 0,1%. По сравнению с рентгеноскопией ЯМР-томография не только более мощное диагностическое средство, но и безопасное: многолетние исследования пока не выявили каких-либо отрицательных последствий кратковременного пребывания человека в сильном магнитном поле.

Идея использования  ЯМР-томографии в медицине была высказана в 1971 году. Промышленный выпуск приборов начался в 1982 году. Уже в конце 1985 года в мире насчитывалось около 300 томографов медицинского назначения. В начале ХХI века без томографа не обходится ни один приличный диагностический центр. Это и большое технологическое достижение: эксплуатирующие томографы специалисты медики не очень задумываются о сложности примененных решений. Скажем, в нормальных условиях долив жидкого гелия требуется раз в три года.

Весьма заманчивы  перспективы применения сверхпроводящих  магнитов в энергетике. Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств, благодаря чему резко сократятся их размеры. Плотность тока в сверхпроводящих проводах по меньшей мере в десятки раз превышает плотность тока в обычных проводах. Напряженность магнитного поля можно будет довести до 10 тысяч эрстед, что на порядок больше, чем в обычных машинах. Так как размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз. В ряде стран разрабатываются электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах для регулирования пиковых нагрузок в больших электросетях, токоограничители и выключатели для коммутации мощных электроэнергетических сетей. В настоящее время электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах используются для обеспечения безопасности электроснабжения отдельных предприятий. По-видимому, в ближайшие годы такая технология будет применена для системы энергоснабжения крупного города. Можно сказать, обращаясь к нашей ближайшей истории, что использование такой технологии сделало бы московский сбой в энергоснабжении в мае 2005 года незаметным для жителей Москвы.

Применения сверхпроводящих  магнитов весьма разнообразны. Вполне возможно, что в ближайшем будущем  именно сверхпроводящие устройства станут основными источниками магнитных  полей в технике. Разговор об этом продолжится в последней главе, сейчас мы кратко расскажем о совершенно ином классе сверхпроводящих устройств, реально существующих и активно  использующихся, — о СКВИДах. Для этого надо вернуться к физике сверхпроводимости.

3.7 Эффекты Джозефсона

Эти эффекты  возникают при наличии контакта двух сверхпроводников. Их существование  предсказал в 1962 году английский физик Б. Джозефсон.

Что такое контакт?Мы щелкаем тумблером выключателя — замыкаем контакт, по цепи течет ток, и в комнате зажигается свет. Для этого потребовался «хороший контакт», соприкосновение двух проводников. Даже тонкая пленка диэлектрика создает огромное сопротивление и препятствует протеканию тока. Отсутствие контакта точно так же мешает протеканию и сверхпроводящего тока, причем препятствием в этом случае служит не только диэлектрик, но и несверхпроводящий металл.

Однако физика сверхпроводящего контакта сложнее. Проделаем  простой мысленный опыт: возьмем  два куска сверхпроводника. Движение электронов в одном и движение в другом никак не связаны между  собой, даже если это один и тот  же материал. Теперь будем сближать эти два куска. Из несвязанных  частей в конце концов составится единое целое! И в нём движение всех электронных пар взаимосвязано. Состояние контакта сказывается на всех электронах, а не только на оказавшихся вблизи. Когда же и как происходит переход от полного отсутствия связи двух кусков к их полному единству?

Сверхпроводящие электроны в нашей книжке охарактеризованы некоторым масштабом длины ξ. Количество сверхпроводящих электронов не может возрастать или убывать «слишком резко» от одного участка сверхпроводника к другому. Но это означает, что граница сверхпроводника не может резко ограничивать влияние сверхпроводимости. Действительно, оказывается, что это влияние распространяется на длину порядка ξ за границу сверхпроводника (если этому ничто не мешает, а мешать может, например, магнитное поле, см. рис. 16 и 32).

Если нанести  на сверхпроводник тонкую пленку нормального  металла толщиной меньше ξ, то эта пленка тоже обретает сверхпроводящие свойства. Такое явление называется эффектом близости. Эффекты Джозефсона возникают тогда, когда два куска сверхпроводника разделены тонкой пленкой нормального металла или диэлектрика — достаточно тонкой, чтобы они еще чувствовали сверхпроводимость друг друга, и достаточной толстой, чтобы всё же разделить их. Именно о такой ситуации мы и говорим, как о контакте двух сверхпроводников, а взаимное влияние сверхпроводников друг на друга, когда оно возникает, называется слабой сверхпроводимостью.

Сам контакт  иначе называется слабым звеном сверхпроводящей  цепи. Слабое звено можно создать  отнюдь не только с помощью разделяющей  два сверхпроводника пленки. Некоторые  применяющиеся на практике виды слабых звеньев показаны на рис. 39.

В каждом из сверхпроводников, находящихся в контакте, движение электронов упорядочено, куперовские пары движутся в фазе. Эти фазы для обоих сверхпроводников, вообще говоря, различны — их различие обусловливает движение пар электронов через контакт. При описании эффектов Джозефсона полезно вспомнить явление интерференции в оптике. Это аналогичные явления — только на контакте сверхпроводников интерферируют не световые волны, а электронные, именно о разности их фаз идет речь. (Напомним, что по законам квантовой механики не только волну следует представлять как частицу, но и частицу, в данном случае электрон, — как волну.)

Стационарный  эффект Джозефсона заключается в том, что через контакт самопроизвольно течет сверхпроводящий ток, естественно, без приложения какого-либо напряжения. Этот ток определяется разностью фаз обоих сверхпроводников. Он довольно слабый, но вполне ощутимый, для обычно применяемых контактов составляет порядка единиц миллиамперов.

Нестационарный  эффект Джозефсона возникает, если к контакту приложить постоянное напряжение U или попробовать пропускать через него ток, больший некоторого критического. (Обратите, пожалуйста, внимание на то, что критический ток слабого звена гораздо меньше критического тока сверхпроводника. Это разные величины. Поэтому, кстати, в цепях, рассчитанных на большие токи, слабых звеньев быть не должно и контакты необходимо выполнять с большой тщательностью.) Тогда контакт обретает активное сопротивление и индуктивность, а ток течет через него переменный. В отличие от обычного закона Ома напряжение U определяет не амплитуду тока, а его частоту. При напряжениях порядка милливольт частоты составляют сотни и тысячи гигагерц (1 ГГц = 10⁹ Гц). Эта область частот называется областью СВЧ — сверхвысоких частот.