Применение втсп. Применения высокотемпературных сверхпроводников в энергетике

Вплоть до последнего времени практическое применение было весьма ограниченным вследствие их низких рабочих температур - менее 20К. Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников, которые имеют критические температуры

изменило

ситуацию,

упростив весь комплекс вопросов охлаждения (рабочая температура обмоток «выросла», они стали менее чувствительны к тепловым возмущениям). Теперь появились возможности

создания

поколения

электрооборудования,

использования

низкотемпературных

сверхпроводников

оказалось

бы чрезвычайно

дорогостоящим,

нерентабельным.

Вторая половина 90-х годов прошлого века - это начало широкого

наступления

высокотемпературной

сверхпроводимости на электроэнергетику. Высокотемпературные

сверхпроводники

использовать

изготовлении

трансформаторов,

электрических

индуктивных

накопителей

неограниченным

хранения), ограничителей тока и т.д. В сравнении с установленными

характеризуются

уменьшенными

потерями

и габаритами и обеспечивают повышение эффективности производства, передачи и распределения электроэнергии. Так, сверхпроводящие трансформаторы будут обладать

потерями,

чем трансформаторы той же мощности, имеющие обычные обмотки. Кроме того, сверхпроводящие трансформаторы

способны

ограничивать

перегрузки,

не нуждаются в минеральном масле, а значит экологичны и не подвержены риску возгорания. Сверхпроводящие ограничители

временные

характеристики, то есть менее инерционны; включение в электрическую сеть сверхпроводящих генераторов и накопителей энергии улучшит ее стабильность. Токонесущая способность

подземных

сверхпроводящих

может быть в 2-5 раз выше, чем у обычных . Сверхпроводящие кабели гораздо компактнее, то есть существенно облегчается их прокладка в условиях насыщенной городской/пригородной инфраструктуры.

Показательны

технико-экономические

расчеты южно-корейских

энергетиков,

проведенные

рамках долговременного

планирования

электрических

сетей сеульского региона. Их результаты свидетельствуют о том, что прокладка на 154 кВ, 1 ГВт сверхпроводящими

кабелями

обойдется

чем обычными.

включаются

конструирование и монтаж кабеля и кабелепроводов (учитывается уменьшение числа требуемых ниток и, соответственно, уменьшение общего количества кабеля в км и уменьшение внутреннего диаметра кабелепроводов). Европейские специалисты при проработке схожих вопросов обращают внимание на тот факт, что по сверхпроводящим

значительно

напряжении.

Следовательно, уменьшится электромагнитное загрязнение окружающей

густонаселенных

отказаться от линий сверхвысокого напряжения, прокладка которых

встречает

серьезное

сопротивление общественности, особенно «зеленых». Вселяет оптимизм и оценка, сделанная в США: внедрение

сверхпроводящего

оборудования

о генераторах, трансформаторах и двигателях) и кабелей в национальную энергетику позволит сэкономить до 3 % всей электроэнергии. При этом, широкое распространение

последних

Было подчеркнуто, что основные усилия разработчиков необходимо сосредоточить на: 1) повышении эффективности криосистем; 2) повышении токонесущей способности

сверхпроводящих

проводов

динамические потери и увеличить долю сверхпроводника по сечению провода); 3) снижении стоимости сверхпроводящих проводов (в частности, за счет роста производительности);

4) снижении расходов на криогенное оборудование. Отметим, что наивысшая достигнутая на сегодняшний день «инженерная» критическая плотность тока (критический ток, деленный на полную площадь сечения) двухсотметрового отрезка ленты на основе Bi-2223 составляет 14-16 кА/см 2 при температуре 77К. В развитых странах осуществляется плановая коммерциализация

технологий

высокотемпературных сверхпроводников. Показательна с этой точки зрения американская программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2000 гг.». Согласно этой программе,

включение

сверхпроводящих

компонент

электрооборудование обеспечит глобальное стратегическое

преимущество

промышленности

ХХI в. При этом, следует иметь в виду, что по оценкам Всемирного банка за грядущий 20-летний период (то есть к 2020 г.) ожидается 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящего

оборудования

электроэнергетических

устройств

вырастет

32 млрд долл. (общий

сверхпроводников,

включающий

такие области применения, как транспорт, медицина, электроника и наука, достигнет уровня 122 млрд долл.).

Заметим, что Россия наряду с США и Японией сохраняла лидерство

развития

сверхпроводящих

технологий до начала 90-х годов ХХ в. С другой стороны, интересы

промышленно-технической

безопасности России несомненно требуют их энергичного использования как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Прогресс сверхпроводящей технологии и ее «продвижение» на мировой электроэнергетический рынок сильно

результатов

демонстрации

успешной работы полноразмерных прототипов по всем видам продукции. Каковы

достижения

мирового

сообщества

в этом направлении? В Японии под патронажем Министерства экономики, торговли и промышленности осуществляется долговременная

программа

области разработки

ВТСП-оборудования,

первую очередь, силовых кабелей.

Проект разделен на две фазы: фаза 1 (2001-2004 гг.) и фаза 2 (2005-2009 гг.).

Координаторами

являются

Организация

развитию новых технологий в энергетике и промышленности (NEDO) и Исследовательская ассоциация по сверхпроводящему оборудованию и материалам (Super-GM). В

задействованы

KEPCO, Furukawa, Sumitomo, Fujikura, Hitachi и др. (ВТСП-кабели); KEPCO, Sumitomo, Toshiba и др. (ВТСП-ограничители тока); TEPCO, KEPCO, Fuji Electric и др. (ВТСП-магниты). В области кабелей работы сосредоточатся на разработке

ВТСП-проводни-ка

динамическими потерями

охлаждающей

способной

долговременно

поддерживать

температуру

кабеля (около 77К) длиной 500 м. Согласно программе, фаза 1 заканчивается изготовлением десятиметрового кабеля на 66-77 кВ (3 кА), имеющего динамические потери не более 1 Вт/м, а фаза 2 - изготовлением пятисотметрового кабеля на 66-77 кВ (5 кА) с такими же потерями. Работы

отработана конструкция

изготовлены

испытаны

первые отрезки, создана и испытана система охлаждения.

Параллельно,

Furukawa, Sumitomo ведут еще один проект по развитию электрических

токийского

сверхпроводящих. В рамках этого проекта проанализирована возможность подземной прокладки ВТСП-кабеля на 66 кВ (три фазы), имеющего диаметр 130 мм (его можно монтировать в существующих кабелепроводах диаметром 150 мм), вместо обычного однофазного кабеля на 275 кВ. Оказалось, что даже в случае строительства новых

кабелепроводов,

сверхпроводящую линию будут на 20 % ниже (исходя из цены сверхпроводящего провода 40 долл. за 1 кА м). Этапы проекта последовательно выполняются: к 1997 г. смонтирована тридцатиметровая

(однофазная)

прототипная

с замкнутым циклом охлаждения. Она была испытана под нагрузкой 40 кВ/1 кА в течение 100 час. К весне 2000 г. изготовлено 100 метров кабеля на 66 кВ (1 кА)/114 МВА - полноразмерного прототипа диаметром 130 мм (конструкция с «холодным» диэлектриком). Масштабный подход к этой проблеме демонстрируют США. В 1989 г. по инициативе EPRI началось детальное исследование применения высокотемпературных сверхпроводников, и уже в следующем году фирмы Pirelli

Superconductor Corp. разработали технологию изготовления сверхпроводящих

«порошок

трубке»).

В дальнейшем American Superconductor постоянно наращивала

производственные

мощности,

добившись показателя 100 км ленты в год, а в ближайшем будущем, с вводом в строй нового завода в г. Дивенсе (штат Миннесота), эта цифра дойдет до 10000 км в год. Прогнозируемая цена ленты составит 50 долл. за 1 кА м (сейчас фирма предлагает ленту по 200 дол. за 1 кА м). Следующий

важнейший

появление

так называемой партнерской инициативы в области сверхпроводимости (Superconductivity Partnership Initiative - SPI)

ускоренной

разработки

внедрения

энергосберегающих электрических систем. Вертикально интегрированные

SPI-команды,

включающие

партнеров из

промышленности,

национальные

лаборатории

и эксплуатационные

компании,

осуществили

два серьезных проекта. Одним из них является полноразмерный прототип - сверхпроводящая трехфазная линия (Pirelli Cavi e Sistemi,

связавшая

низковольтную

трансформатора 124 кВ/24 кВ (мощность 100 МВА) с 24 кВ-шинами двух распределительных подстанций, находящихся на расстоянии 120 м (станция Фрисби компании Детройт Эдисон, г. Детройт).

Успешные испытания линии прошли

электроэнергия поступила к потребителям, «пройдя» по сверхпроводящим кабелям на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O. Три таких

(конструкция

«теплым»

диэлектриком, причем каждый проводник был изготовлен одной длиной

заменили

при одинаковой

токонесущей

способности

кабель рассчитан на 2400 А (потери 1 Вт/м на фазу) и проложен в существующих стомиллиметровых подземных каналах. При этом, траектория прокладки имеет повороты на 90 о: кабель допускает изгиб с радиусом 0,94 м. Подчеркнем, что это первый опыт прокладки сверхпроводящего

действующей

распределительной сети, в энергетическом хозяйстве большого города. Второй

тридцатиметровая

сверхпроводящая

на 12,4 кВ/1,25 кА (60 Гц) которая была пущена в эксплуатацию 5 января 2000 г. (рабочая температура 70-80К, охлаждение

давлением).

Линия, представляющая собой три трехфазных сверхпроводящих

обеспечивает

электроэнергией три

промышленные

установки

штаб-квартире Southwire Company, в Каролтоне (штат Джорджия). Потери при передаче составляют около 0,5 % по сравнению с 5-8 %, а передаваемая мощность в 3-5 раз выше, чем при использовании традиционных кабелей того же диаметра.

праздничной

атмосфере была отмечена годовщина успешной работы линии со 100 %-ной нагрузкой в течение 5000 час. Еще три проекта стартовали в 2003 г., работы по ним находятся

начальной

интересный

включает

монтаж подземной сверхпроводящей линии на 600 МВт/138 кВ длиной около 1 км, которая будет включена в действующую

нагрузку и пройдет по существующим кабелепроводам в Ист-Гарден-Сити

Лонг-Айленде.

Необходимый

кабель будет

изготовлен

специалистами фирмы Nexans (Германия), на основе сверхпроводника, выпущенного на уже упоминавшемся заводе в Дивенсе, а криогенное оборудование

поставит

этом, Министерство энергетики США финансирует эти работы наполовину, вкладывая около 30 млн долл.; остальное обеспечивают партнеры. Данную линию планируется ввести в строй к концу 2005 г.

которого

изготовлен

трехфазный сверхпроводящий кабель, рассчитанный на 36 кВ/2 кА (конструкция

«теплым»

диэлектриком,

охлаждение жидким азотом под давлением; критический достигает 2,7 кА на одну фазу (Т=79К)). При этом особое внимание

уделялось

разработке

проводника

км ленты на основе Bi-2223), концевых устройств, а также его

подключению.

был проложен,

подстанции острова Амагер (южная часть Копенгагена), которая поставляет электроэнергию 50 тыс. потребителей, включая

осветительную

сеть (мощность выходного трансформатора 100 МВА). Тридцатиметровая сверхпроводящая линия начала функционировать 28 мая 2001 г.: сначала сверхпроводящий кабель включили параллельно с обычным, а позже он работал уже «в одиночку», причем номинальный составил 2 кА, потери - менее 1 Вт/м (рабочая температура лежала в пределах 74-84К). Кабель передает 50 % всей энергии подстанции и заменяет медные кабели с суммарным сечением жил 2000 мм 2 . К маю 2002 г. кабель эксплуатировался 1 год, находясь в захоложенном состоянии; за это время он «поставил» 101 МВт ч электроэнергии 25 тыс. датчан - владельцам частных домов. Изменения характеристик кабеля не отмечено, все криогенные системы действуют стабильно. Кроме датского, любопытен общеевропейский проект

по созданию межсистемной связи - специальной трехфазной сверхпроводящей линии длиной 200 м, которая рассчитана на 20 кВ/28 кА.

Для его реализации организован

консорциум,

Nexans (Германия),

(Франция),

(Бельгия),

специалисты

Геттингена

Тампере (Tampere University of Technology). Среди европейских изготовителей сверхпроводящих кабелей выделяется фирма Pirelli Cavi e Sistemi. Ее производственные

мощности

позволяют

выпускать

км сверхпроводника в год. Значительное событие - изготовление

двадцатиметрового

коаксиального сверхпроводящего

(конструкция

«холодным» диэлектриком), рассчитанного на 225 кВ. Pirelli совместно с американскими специалистами (Edison и CESI) участвует

созданию

тридцатиметрового кабеля-прототипа на 132 кВ/3кА (1999-2003 гг.). Переходя от кабелей к крупному электрооборудованию - трансформаторам, отметим, что из всей энергии, теряемой при передаче, на них приходится 50-65 %. Ожидается, что с внедрением сверхпроводящих трансформаторов

уменьшится

доходить

Сверхпроводящие трансформаторы смогут успешно конкурировать с обычными только при выполнении соотношения (P s /k) < P c , где Р с - потери в обычном трансформаторе, P s - потери

сверхпроводящем

трансформаторе

рабочих температурах), k - холодильный коэффициент рефрижератора. Современная технология, в частности криогеника, позволяет удовлетворить это требование. В Европе первый прототип трехфазного трансформатора (630 кВА; 18,7 кВ/420 В) на высокотемпературных сверхпроводниках был изготовлен в рамках совместного

France), American

de Geneve) и пущен в строй в марте 1997 г. - его включили в электрическую сеть Женевы, где он проработал более года,

обеспечивая

энергией

Обмотки трансформатора

выполнены

проводом

основе Bi-2223,

охлаждаемым

сердечник трансформатора находится при комнатной температуре. Потери оказались довольно высокими (3 Вт на 1 кА м), поскольку конструкция проводника не была оптимизирована для использования на переменном токе.

Второй проект тех же участников - ABB, EdF и ASС - это трансформатор на 10 МВА (63 кВ/21 кВ), который в 2001 г. прошел полный цикл лабораторных испытаний и в 2002 г. был включен во французскую энергосистему. Специалисты АВВ еще раз подчеркнули, что сейчас основной

проблемой

разработки

экономичного

сверхпроводящего оборудования, в частности трансформаторов, является наличие провода с малыми потерями и высокой

критической

плотностью

магнитном

поле, генерируемом обмотками. Провод должен, кроме того, обеспечивать токоограничивающую функцию. В Японии (Fuji Electric, KEPCO и др.) сконструировали прототип сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА (22 кВ (45,5 А)/6,9 кВ (145 А)), который в июне 2000 г. был включен в сеть лектроэнергетической компании Kyushu. В

завершающей

находится

разработка

(Kyushu University

(Токио)) трансформатора

который предназначен

установки

электроподвижном

составе. Предварительные расчеты свидетельствуют о том, что его масса должна быть на 20 % меньше, чем у обычного трансформатора той же мощности.

В США успешно прошла демонстрация сверхпроводящего трансформатора на 1 МВА, начаты работы по

аппарату

мощностью

Waukesha Electric

and Electric, а также ORNL). Немецкие специалисты (Siemens) создали прототип трансформатора

перспективе

разработка аппаратов на 5-10 МВА) с обмотками на основе Bi-2223, который можно устанавливать на локомотивах электроподвижного

предназначенный

для обычного

трансформатора.

сверхпроводящего трансформатора на 35 % меньше, чем у обычных, а КПД достигает 99 %. Расчеты показывают, что его применение обеспечит экономию до 4 кВт на один состав и годовое снижение выбросов СО 2 на 2200 т на один состав. Сложнее обстоит дело с синхронными электрическими машинами на высокотемпературных сверхпроводниках.

Известно, что мощность обычной пропорциональна ее объему V; нетрудно показать, что мощность сверхпроводящей машины пропорциональна V 5/3 , поэтому выигрыш в снижении габаритов будет иметь место только для машин большой мощности,

например,

генераторов

корабельных

двигателей.

ожидать внедрения сверхпроводящих технологий (рис. 1).

свидетельствуют

том, что для генератора мощностью 100 МВт необходим высокотемпературный сверхпроводник, имеющий критическую плотность тока 4,5 10 4 А/см 2 в магнитном поле 5 Тл. При этом, его механические свойства, а также цена, должны быть сравнимы с Nb 3 Sn. К сожалению, пока не

существует

высокотемпературных

сверхпроводников, полностью удовлетворяющих этим условиям. С

невысокая

активность американских,

европейских

японских

данной области. Среди них - успешный демонстрационный

совместно

с Rockwell Automation/Reliance Electric (партнеры по уже упоминавшейся

синхронного

двигателя

на 746 кВт и дальнейшая разработка машины на 3730 кВт.

специалисты

конструируют

двигатель

генератор.

В Германии фирма Siemens предлагает синхронный двигатель 380 кВт на высокотемпературных сверхпроводниках.

Финляндии

испытана

четырехполюсная синхронная машина на 1,5 кВт с трековыми обмотками, выполненными проводом на основе Bi-2223; ее рабочая температура составляет 20К. Кроме того, существует ряд других применений высокотемпературных сверхпроводников в электромашиностроении.

керамику

высокотемпературных сверхпроводников можно использовать при изготовлении пассивных магнитных подшипников для небольших высокоскоростных двигателей, например, для насосов, перекачивающих сжиженные газы.

Работа одного из таких двигателей, на 12000 об/мин, недавно была продемонстрирована в Германии. В рамках совместной российско-германской программы сконструирована серия гистерезисных

двигателей

(мощностью

«деятельности»

высокотемпературных сверхпроводников - устройства, ограничивающие короткого замыкания до номинальной величины. Наиболее подходящими материалами для сверхпроводниковых ограничителей считаются керамики

причем разработки

аппаратов

основные

электротехнические

Великобритании,

Германии, Франции, Швейцарии, США, Японии и других странах. Одной из первых моделей (фирма АВВ) был ограничитель индуктивного типа на 10,5 кВ/1,2 МВА, имеющий элемент из Bi-2212, помещенный в криостат. Эта же фирма выпустила компактный прототип - ограничитель резистивного типа на 1,6 МВА, который значительно меньше первого. В ходе испытаний 13,2 кА был ограничен в первом пике до 4,3 кА. Из-за нагрева 1,4 кА ограничивается за 20 мс и 1 кА за 50 мс.

Конструкция

ограничителя

представляет

мм (масса 50 кг). В нем прорезаны каналы, что позволяет иметь

эквивалентную

сверхпроводника

м. Следующий

прототип

на 6,4 МВА. Уже сейчас возможно создание ограничителя на 10 МВА, а выпуск коммерческих ограничителей такого типа можно ожидать в ближайшее время. Следующей целью АВВ является ограничитель на 100 МВА. Специалисты фирмы Siemens опробовали индуктивные

ограничители:

трансформатор

экранированием стального сердечника сверхпроводниковой обмоткой и второй вариант - сверхпроводник выполнен в виде цилиндра, на нем намотана медная обмотка. У ограничивающего

сопротивления

омическая

индуктивная компоненты. Из-за возможных перегревов в зонах с короткого замыкания должен как можно быстрее отключаться обычным выключателем.

Возвращение

сверхпроводящее

состояние

нескольких

десятков секунд, после этого ограничитель готов к работе. В

дальнейшем

резистивный

ограничитель,

сверхпроводник включается непосредственно в сеть и быстро теряет сверхпроводимость, как только короткого замыкания

превысит

критическое

значение.

нагрева сверхпроводника механический выключатель должен разорвать

нескольких

полупериодов; охлаждение

сверхпроводниковой

приводит

к сверхпроводящему состоянию. Время возврата ограничителя составляет 1-2 с.

Однофазную модель такого ограничителя мощностью 100 кВА испытали на рабочем напряжении 6 кВ при номинальном токе 100 А. Возможный

короткого

замыкания,

кА, был ограничен до тока 300 А менее чем за 1 мс. Фирма Siemens продемонстрировала также ограничитель на 1 МВА на стенде в Берлине, причем запланировано изготовление прототипа мощностью 12 МВА. В США первый ограничитель - он имел индуктивно-электронную

разработан

компаниями General Atomic, Intermagnetics General Corp. и др. Десять лет назад в качестве демонстрационного образца был установлен ограничитель тока на испытательном стенде Norwalk энергокомпании Southern California Edison. При номинальном токе 100 А максимально возможный короткого замыкания 3 кА ограничивается до 1,79 кА. В 1999 г. сконструирован аппарат на 15 кВ с рабочим током 1,2 кА, предназначенный для ограничения тока короткого замыкания 20 кА до значения 4 кА. Во Франции специалистами компаний GEC Alsthom, Electricite de France и др. испытан ограничитель на 40 кВ: он снизил короткого замыкания с 14 кА (начальный до замыкания составлял 315 А) до 1 кА за несколько микросекунд. Остаточный короткого замыкания был отключен в течение 20 мс обычным выключателем. Варианты ограничителей разработаны на 50 и 60 Гц. В Великобритании компания VA TECH ELIN Reyrolle разработала ограничитель гибридного (резистивно-индуктивного) типа, который в ходе испытаний на стенде (11 кВ, 400 А) снижал короткого замыкания с 13 кА до 4,5 кА. При этом, время реакции ограничителя менее 5 мс, ограничивается уже первый пик; время работы ограничителя 100 мс. Ограничитель (трехфазный) содержит 144 стержня из Вi-2212, а его габариты 1 х 1,5 х 2 м.

В Японии сверхпроводящий ограничитель тока изготовлен совместно фирмами Toshiba и TEPCO - индуктивного типа, на 2,4 МВА; он содержит элемент из массивной керамики Bi-2212. Все перечисленные проекты - это прототипы «начального периода», которые призваны продемонстрировать

возможности

сверхпроводящей

технологии, ее значимость для электроэнергетики, но все же они являются

настолько

представительными,

чтобы можно

немедленного

промышленного внедрения и успешный маркетинг. Первая причина такой осторожности состоит в том, что проводники на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O еще находятся в стадии разработки и в настоящее время изготавливаются

критической

плотностью

уровне 30 кА/см 2 длинами только около километра. Дальнейшее улучшение этих проводников (усиление пиннинга, повышение плотности жил, введение барьеров вокруг них и т.д.) должно привести к увеличению J c до 100 кА/см 2 и более.

существенное

прогресс сверхпроводящей технологии и стимулирует разработку новых

конструкций

оборудования

Определенные надежды связывают также с успехами в получении проводников со сверхпроводящим покрытием (это следующее поколение сверхпроводящих проводов), обладающих заметно более высокой J c в магнитном поле до нескольких Тл. Здесь возможно изготовление сверхпроводящих лент, способных нести токи на уровне 1 кА при разумных производственных расходах. В США эти ленты

разрабатываются

MicroCoating Technologies,

Superconductivity

Oxford Superconductor Technology.

Вторая причина кроется в том, что вопросы стандартизации проводников Bi-Sr-Ca-Cu-O и нормативная база, необходимая для их применения в области передачи и распределения электроэнергии, недостаточно проработаны. Как правило, стандарты содержат руководство по проведению механических, тепловых и электрических

испытаний

материалов

оборудования.

Поскольку сверхпроводящие устройства нуждаются в криогенных системах, то их тоже необходимо специфицировать. Таким образом, до внедрения сверхпроводимости в электроэнергетику требуется создать целую систему стандартов: они должны гарантировать высокую надежность всей сверхпроводящей продукции (рис. 2).

предпринимается

мероприятий

в этом направлении. Семь групп специалистов из четырех европейских стран объединены в совместный проект Q-SECRETS (он субсидируется ЕС) по мониторингу качества

сверхпроводников

эффективных,

компактных

высоконадежных

электропередачи.

Одна из основных целей проекта - помощь в создании

расширении

«сверхпроводящего»

на рынке передачи и распределения электроэнергии. В

заключение

отметить,

несмотря

на большие

потенциальные

возможности

применения высокотемпературных

сверхпроводников

электроэнергетике, потребуются значительные усилия исследователей и разработчиков, чтобы сделать сверхпроводящую продукцию жизнеспособной в условиях современной рыночной экономики. В то же время, оценки на близкое будущее дают повод для оптимизма.

И обсуждение под ним. Учитывая, что сегодня же я был на производстве сверхпроводящих кабелей, хотел вставить пару замечаний, но read-only… В итоге решил написать небольшую статью про высокотемпературные сверхпроводники.

Для начала, на всякий случай, хочется отметить, что сам термин «высокотемпературный сверхпроводник» означает сверхпроводники с критической температурой выше 77 К (-196 °C) - температуры кипения дешёвого жидкого азота. Не редко к ним относят и сверхпроводники с критической температурой около 35 К, т.к. такую температуру имел первый сверхпроводящий купрат La 2-x Ba x CuO 4 (вещество переменного состава, отсюда и x). Т.е. «высокие» температуры тут пока ещё очень низкие.

Основное распространение получило два высокотемпературных сверхпроводника - YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBCO, Y123) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223). Также применяются схожие с YBCO материалы, в которых иттрий заменён иным редкоземельным элементом, например гадолинием, их общее обозначение - ReBCO.
Выпускаемые YBCO, да и другие ReBCO, имеют критическую температуру на уровне 90-95 К. Выпускаемые BSCCO достигают критической температуры в 108 К.

Кроме высокой критической температуры, ReBCO и BSCCO отличаются большими значениями критического магнитного поля (в жидком гелии - более 100 Тл) и критического тока. Впрочем, с последним всё не так просто…

В сверхпроводнике электроны движутся не независимо, а парами (Куперовскими парами). Если мы хотим, чтобы ток перешёл из одного сверхпроводника в другой, то зазор между ними должен быть меньше характерного размера этой пары. Для металлов и сплавов этот размер составляет десятки, а то и сотни нанометров. А вот в YBCO и BSCCO он составляет лишь пару нанометров и доли нанометра, в зависимости от направления движения. Даже зазоры между отельными зёрнами поликристалла оказываются уже вполне ощутимым препятствием, не говоря уж о зазорах между отдельными двумя кусами сверхпроводника. В результате сверхпроводящая керамика, если не предпринимать специальных ухищрений, способна пропускать через себя лишь относительно небольшой ток.

Проще всего проблему оказалось решить в BSCCO: его зёрна естественным образом имеют ровные края, а самое простое механическое сжатие позволяет эти зёрна упорядочить для получения высокого значения критического тока. Это позволило достаточно быстро и просто создать первое поколение высокотемпературных сверхпроводящих кабелей, а точнее - высокотемпературных сверхпроводящих лент. Они представляют собой серебряную матрицу, в которой есть множество тонких трубочек, заполненных BSCCO. Эту матрицу расплющивают, при этом зёрна сверхпроводника приобретают нужный порядок. Получаем тонкую гибкую ленту, содержащую множество отдельных плоских сверхпроводящих жил.

Увы, BSCCO материал далеко не идеальный: у него критический ток очень быстро падает с ростом внешнего магнитного поля. Критическое магнитное поле у него достаточно велико, но задолго до достижения этого предела, он теряет способность пропускать сколько-нибудь большие токи. Это очень сильно ограничивало применение высокотемпературных сверхпроводящих лент, заменить старые добрые сплавы ниобий-титан и ниобий-олово, работающие в жидком гелии, они не могли.

Совсем другое дело - ReBCO. Но создать в нём правильную ориентацию зёрен весьма тяжело. Лишь относительно недавно научились делать сверхпроводящие ленты на основе этого материала. Такие ленты, называемые вторым поколением, получают напылением сверхпроводящего материала на подложку, имеющую специальную текстуру, задающую направление роста кристаллов. Текстура, как не сложно догадаться, имеет нанометровые размеры, так что это настоящие нанотехнологии. В московской и, что характерно, не имеющей отношения к Сколково компании «СуперОкс», в которой я собственно и был, для получения такой структуры на металлическую подложку напыляют пять промежуточных слоёв, один из которых одновременно с напылением распыляется потоком быстрых ионов, падающих под определённым углом. В результате кристаллы этого слоя растут только в одном направлении, в котором ионам сложнее всего их распылять. Другие производители, а их в мире четыре, могут использовать иные технологии. Кстати, отечественные ленты используют гадолиний вместо иттрия, он оказался технологичнее.

Сверхпроводящие ленты второго поколения шириной 12 мм и толщиной 0,1 мм в жидком азоте при отсутствии внешнего магнитного поля пропускают ток до 500 А. Во внешнем магнитном поле 1 Тл критический ток всё ещё доходит до 100 А, а при 5 Тл - до 5 А. Если охладить ленту до температуры жидкого водорода (ниобиевые сплавы при такой температуре ещё даже не переходят в сверхпроводящее состояние), то та же лента сможет пропустить 500 А в поле 8 Тл, а «какие-нибудь» 200-300 А - в поле на уровне пары десятков тесла (лягушка летает). Про жидкий гелий и говорить не приходится: есть проекты магнитов на этих лентах с полем на уровне 100 Тл! Правда тут уже в полный рост возникает проблема механической прочности: магнитное поле всегда стремится разорвать электромагнит, но когда это поле достигает десятков тесла, его стремления легко реализуются…

Впрочем, все эти прекрасные технологии не решают проблемы соединения двух кусков сверхпроводника: хоть кристаллы и ориентированны в одном направлении, о полировке внешней поверхности до субнанометрового размера шероховатостей речи не идёт. У американцев есть технология спекания отдельных лент друг с другом, но она ещё, мягко говоря, далека от совершенства. Обычно ленты соединяют друг с другом обычной пайкой обычным оловянно-свинцовым припоем или иным классическим способом. Разумеется, при этом на контакте появляется конечное сопротивление, так что создать из таких лент сверхпроводящий магнит, не требующий питания на протяжении многих лет, да и просто ЛЭП с в точности нулевыми потерями не получается. Но сопротивление контакта составляет малые доли микроома, так что даже при 500 А токе там выделяются лишь доли милливатта.

Разумеется, в научно-популярной статье читатель ищет по-больше зрелищности… Вот несколько видео моих экспериментов с высокотемпературной сверхпроводящей лентой второго поколения:

Последнее видео записал под впечатлением от комментария на YouTube, в котором автор доказывал, что сверхпроводимости не существует, а левитация магнита - совершенно самостоятельный эффект, предлагал всем желающим убедиться в его правоте, измерив непосредственно сопротивление. Как видим, сверхпроводимость всё-таки существует.

Физикам удалось синтезировать новый тип сверхпроводников с общей химической формулой ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан). Эти вещества обладают неожиданно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигающей 55 К. В состав почти всех открытых до этого высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) входил оксид меди. Полученный впервые широкий класс некупратных ВТСП вселяет надежду на то, что будет наконец найдено теоретическое объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости, а также открывает новые возможности на пути к дальнейшему повышению температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — это явление полного отсутствия сопротивления при протекании электрического тока, а также идеальный диамагнетизм (то есть «выталкивание» магнитного поля из образца: магнитное поле не проникает вглубь материала).

Идеальный диамагнетизм сверхпроводника можно пояснить тем, что по поверхности образца начинает течь незатухающий ток, магнитное поле которого полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Плотность незатухающего тока, экранирующего внешнее магнитное поле, быстро убывает при удалении от поверхности внутрь сверхпроводника. Соответственно, в этой области уменьшается внешнее магнитное поле от некоторого значения на поверхности до нуля в глубине. Описанное явление было открыто в 1933 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом и носит название эффекта Мейснера-Оксенфельда. Принято считать состояние сверхпроводящим, если оно удовлетворяет двум требованиям: отсутствие сопротивления и выталкивание магнитного поля из образца (эффект Мейснера-Оксенфельда).

Вне всяких сомнений, главной задачей технологов — специалистов по «прикладной» сверхпроводимости является создание сверхпроводника с комнатной критической температурой (T c ). Разумеется, искать наобум такие материалы сложно, поэтому на помощь материаловедам приходят физики, которые своими моделями стараются указать направление поиска. Хотя, как показывает история, в случае со сверхпроводимостью, скорее, наблюдается обратный процесс — технологи находят ВТСП, теоретики строят модель. Тем не менее если бы теория высокотемпературной сверхпроводимости была построена, поиск веществ с комнатной T c наверняка бы стал проще.

Первой теорией, удовлетворительно описывающей явление сверхпроводимости, была теория Бардина-Купера-Шриффера (теория БКШ). Это теория низкотемпературной сверхпроводимости. Суть ее в следующем: электроны в веществе, посредством взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки материала (фононами), объединяются в пары, называемые куперовскими, и ведут себя как будто единый «организм» с огромными по атомным масштабам размерами. Вследствие этого электронная система куперовских пар «не замечает» препятствий при своем протекании через материал (то есть испытывает нулевое сопротивление).

Когда в 1986 году Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер , сотрудники Цюрихского филиала корпорации IBM, обнаружили способность керамики на основе оксида меди, лантана и бария (La 2-x Ba x CuO 4) при 30 К переходить в сверхпроводящее состояние, это был первый этап на пути к высокотемпературной сверхпроводимости. С тех пор было открыто еще немало веществ, относящихся к ВТСП. Более того, с тех пор критическую температуру удалось повысить более чем в 5 раз (см. рис. 1), но построить теоретическую модель, хорошо описывающую наблюдаемые свойства ВТСП, пока что так и не удалось.

Попытки применить теорию БКШ к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости не увенчались успехом; в настоящее время существует больше десятка разнообразнейших в своих подходах моделей, каждая из которых в отдельности дает некоторые правильные предсказания. Важно отметить, что, как видно из графика на рисунке 1, в состав всех открытых после La 2-x Ba x CuO 4 веществ с высокой T c почти неизменно входит оксид меди (одно из исключений — упомянутый ниже диборид магния MgB 2) — большинство вышеупомянутых моделей высокотемпературной сверхпроводимости используют этот факт. Поэтому неудивительно, что появившиеся этой весной сообщения о целом классе ВТСП не на основе оксида меди, заинтересовали научную общественность, надеющуюся увидеть прогресс в проблеме «комнатной» сверхпроводимости.

До настоящего времени наиболее высокой температурой перехода (39 К) среди некупратных ВТСП обладал диборид магния MgB 2 . Сверхпроводимость в нем была открыта в 2001 году и, как выяснилось, имеет свои интересные особенности: столь высокая критическая температура достигается за счет существования в нем двух (!) «сортов» куперовских пар, которые, взаимодействуя между собой, повышают критическую температуру.

Первое сообщение об открытии некупратного ВТСП под названием Iron-Based Layered Superconductor LaFeAs (x = 0.05-0.12) with Tc = 26 K (индекс х обозначает в какой пропорции были заменены атомы кислорода атомами фтора — как говорят физики, степень допирования) поступило из Токийского технологического института, где группа ученых под руководством Хидео Хосоно (Hideo Hosono) синтезировала материал, не обладающий электрическим сопротивлением при температуре ниже 26 К.

Конечно, 26 К — это еще не 39. Однако это было только начало. В своей статье (еще в феврале) Хосоно предположил, что T c можно увеличить, например, сжимая материал или заменяя лантан другим элементом. И действительно, некоторое время спустя стали появляться сообщения об открытии сверхпроводимости в других арсенид-железных соединениях. Вот названия статей в хронологическом порядке: Superconductivity at 36 K in Gadolinium-arsenide Oxides GdO 1-x F x FeAs — наблюдалась сверхпроводимость в материале GdOFeAs с = 36 К, Superconductivity at 43 K in Samarium-arsenide Oxides — сверхпроводимость в материале SmOFeAs c T c = 43 К, Superconductivity at 52 K in iron-based F-doped layered quaternary compound PrFeAs — отсутствие сопротивления при 52 К и ниже в допированном фтором соединении PrOFeAs. Что касается использования давления для повышения критической температуры, то тот же допированный фтором LaOFeAs, как было установлено в работе Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound LaO 1-x F x FeAs , может при давлении 4 ГПа (в 40 000 раз больше атмосферного) увеличить T c до 43 К.

И вот совсем недавно появилась статья Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound SmFeAs о наблюдении сверхпроводимости в SmFeAs с рекордным значением T c = 55 К (рис. 3).

Одновременно с открытием этих соединений встал вопрос о том, как в них образуется сверхпроводимость — то есть каким образом происходит возникновение куперовских пар, ответственных за сверхпроводимость вещества.

Выяснилось, что по своей кристаллической структуре ReFeAsO практически ничем не отличаются от купратных сверхпроводников — такое же чередование слоев, по которым и происходит распространение сверхпроводящего тока (см. рис. 3). Такая аналогия навела ученых на мысль, что, вероятно, природа образования сверхпроводимости у них такая же, как и в купратных ВТСП. Для проверки этой гипотезы были выполнены расчеты , которые показали, что, если куперовские пары образуются в «свежеиспеченных» ВТСП так, как это предсказывает теория БКШ, то критическая температура в них не должна превышать 1 К, что очевидно противоречит экспериментальным данным. Появлялись работы , в которых говорится о таких же механизмах образования сверхпроводимости, как в дибориде магния. Однако, как и в случае с купратными ВТСП, окончательной теории пока что тоже не создано.

Тем не менее недооценивать важность этих открытий нельзя. Вполне возможно, что новый вид арсенид-железных ВТСП поможет пролить свет на теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости и укажет технологам путь к повышению критической температуры.

Высокотемпературная сверхпроводимость

Открытие в конце 1986 года нового класса высокотемпературных сверхпроводящих материалов радикально расширяет возможности практического использования сверхпроводимости для создания новой техники и окажет революционизирующее воздействие на эффективность отраслей народного хозяйства.

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто в 1911 году, однако практическое использование этого явления началось в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений. В связи с тем, что критические температуры этих материалов не превышали 20 К, все созданные сверхпроводниковые устройства эксплуатировались при температурах жидкого гелия, т.е. при 4-5 К. Несмотря на дефицитность этого хладоагента, высокие энергозатраты на его ожижение, сложность и высокую стоимость систем теплоизоляции по целому ряду направлений началось практическое использование сверхпроводимости. Наиболее крупномасштабными применениями сверхпроводников явились электромагниты ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок, МГД-генераторов. Были созданы опытные образцы сверхпроводниковых электрогенераторов, линий электропередачи, накопителей энергии, магнитных сепараторов и др. В последние годы в различных капиталистических странах началось массовое производство диагностических медицинских ЯМР-томографов со сверхпроводниковыми магнитами, потенциальный рынок которых оценивается в несколько млрд. долларов.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников, критическая температура которых с запасом превышает температуру кипения жидкого азота, принципиально меняет экономические показатели сверхпроводниковых устройств, поскольку стоимость хладоагента и затраты на поддержание необходимой температуры снижаются в 50-100 раз. Кроме того, открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) сняло теоретический запрет на дальнейшее повышение критической температуры с 30 - вплоть до комнатной. Так, со времени открытия этого явления критическая температура повышена с 30 - 130 К.

Государственная научно-техническая программа предусматривает широкий комплекс работ, включающих в себя фундаментальные и прикладные исследования, направленные на решение проблемы технической реализации высокотемпературной сверхпроводимости.

В соответствии со структурой программы главными направлениями работ являются:

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ И СВОЙСТВ ВТСП.

Основными задачами этого направления являются фундаментальные исследования по выяснению механизма высокотемпературной сверхпроводимости, разработка теории ВТСП, прогнозирование поиска новых соединений с высокими критическими параметрами и определение их физико-химических свойств.

2. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА СВОЙСТВА ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

По данному направлению будут проводиться исследования влияния высоких давлений, механических и тепловых воздействий, ионизирующих излучений, электромагнитных полей и других внешних факторов на свойства ВТСП материалов и выработка рекомендаций по вопросам создания ВТСП материалов с оптимальными технологическими и техническими характеристиками.

3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ВТСП МАТЕРИАЛОВ.

Главными задачами исследований по данному направлению являются разработка теоретических основ получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов с заданными свойствами, синтез новых материалов с необходимыми для технической реализации параметрами, разработка технологий получения высокотемпературных сверхпроводников заданных технических форм. Ключевыми вопросами этого направления и всей программы в целом является создание технологичных и стабильных тонкопленочных структур, приемлемых для реализации в слаботочной технике, и особенно сильноточных токонесущих элементов в виде проводов, лент, кабелей и др. для использования в сильноточной технике.

4. СЛАБОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

Создание конкретных технических изделий на основе ВТСП материалов наиболее реально в ближайшее время именно в слаботочной технике, т.е. в микроэлектронике и вычислительной технике.

В рамках программы предполагается разработка и освоение серийного производства трех классов электронных сверхпроводниковых приборов:

СКВИДы (приборы на основе джозефсоновских переходов) как детекторы слабых магнитных полей для применения в медицине (магнитоэнцефалография), геологии и геофизике (поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений), материаловедении (неразрушающий контроль материалов, конструкций), военной технике (обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок), научных исследованиях, связи и навигации.

Широкое освоение и внедрение СКВИД магнитометрического метода измерений позволит в короткий срок качественно изменить многие виды измерительной техники, повысить в сотни и более раз чувствительность приборов и точность измерений, подвести измерительные возможности широкой номенклатуры датчиков к теоретическому пределу, вывести измерительную технику на высший качественно новый уровень.

Аналого-цифровые приборы (АЦП), использующие сверхбыстрые (доли пикосекунды) переключения от джозефсоновского к "гиверовскому" режиму работы, для применений в новейших системах связи, цифровых вычислительных устройствах для обработки и анализа аналоговых сигналов и др.

Приборы, основанные на эффекте появления на джозефсоновском переходе постоянного напряжения при подаче на него СВЧ сигнала, для использования в прецизионных измерительных системах (например, эталон Вольта).

Широкое применение ВТСП найдет в вычислительной технике. Уже в настоящее время разработаны, изготовлены и испытаны макеты ячейки памяти, сверхчувствительный элемент считывания на ВТСП пленках с кратным снижением энерговыделения по сравнению с полупроводниковыми усилителями считывания, сверхскоростные линии связи, которые позволят увеличить производительность систем в 10 - 100 раз. Внедрение ВТСП в вычислительную технику даст кратное увеличение ее быстродействия и степени интеграции. Так, переход на ВТСП соединения и снижение рабочей температуры полупроводниковых суперЭВМ позволит повысить их производительность с 10х9 до 10х12 операций/сек.

Одной из перспективных областей применения ВТСП будет космическая техника - бортовые и "забортовые" измерительная аппаратура и вычислительные системы (возможна работа без специальных устройств охлаждения, так как "теневая" температура у спутников - 90 К). При этом при переходе на ВТСП удельная масса охлаждающей системы снизится в 50 раз, объем уменьшится в 1000 раз, надежность возрастет в 10 раз.

Широкие перспективы использования ВТСП открываются в СВЧ-технике и в создании датчиков видимого и ИК диапазона с высокой чувствительностью.

5. СИЛЬНОТОЧНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ВТСП.

Применение ВТСП в сильноточной технике будет иметь наиболее радикальные экономические последствия для народного хозяйства.

Это направление включает в себя создание электроэнергетических устройств и систем, вырабатывающих, передающих и преобразующих электроэнергию в промышленных масштабах. Основой этого направления является способность сверхпроводников нести без потерь высокие плотности (10х9-10х10 А/м2) транспортного тока в сильных магнитных полях при температурах ниже критической. Это свойство сверхпроводников позволяет создавать электроэнергетическое оборудование различного назначения с улучшенными массогабаритными характеристиками, более высоким КПД и значительно (в десятки раз) сниженными эксплуатационными расходами.

Так, при передаче по кабельным линиям электропередач мощностей свыше 20 млн. кВт на расстояние свыше 2000 км ожидается снижение электрических потерь на 10%, что соответствует сбережению от 7 до 10 млн. т.у.т. в год. При этом приведенные затраты на сверхпроводящую кабельную ЛЭП могут быть не больше, чем на высоковольтную ЛЭП традиционного исполнения. Синхронные сверхпроводящие генераторы для ТЭС, АЭС и ГЭС будут иметь на 0,5-0,8% более высокий КПД и на 30%

меньшие весогабаритные показатели. Предполагается создание сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, которые по сравнению с гидроаккумулирующими станциями, единственным типом накопителей энергии, нашедшим промышленное применение в энергетике, будут обладать существенно более высоким КПД (до 97-98% вместо 70%). В рамках программы предполагается создание широкой гаммы электротехнических и электроэнергетических устройств, при этом масштабы суммарной экономии электроэнергии за счет массового применения ВТСП будут столь велики, что позволят радикальным образом пересмотреть сложившуюся экстенсивную стратегию развития топливно-энергетического комплекса.

Согласно структуре программы, предусматривается разработка и выпуск сверхпроводящих устройств и систем, создание которых экономически и технически целесообразно на основе традиционных гелиевых сверхпроводников. Это сверхпроводящие сепараторы, ЯМР-томографы, магнитные системы для удержания плазмы в ТОКОМАКах и ускорителях заряженных частиц и др. Создание таких систем кроме реального экономического эффекта от их внедрения заложит необходимую техническую и технологическую основу для быстрого перехода на ВТСП по мере создания технологичных ВТСП проводников.

6. КРИОСТАТИРОВАНИЕ.

Поскольку несмотря на значительное повышение критических температур новых сверхпроводящих материалов их абсолютное значение остается на уровне криогенных температур, одним из важнейших направлений исследований и разработок является создание высокоэкономичных, надежных автоматизированных ожижительных и рефрижераторных азотных установок, систем криостатирования для конкретных сверхпроводящих изделий, а также поиск принципиально новых методов получения холода в диапазоне рабочих температур ВТСП.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1. Введение

2. Явление сверхпроводимости

3. Высокотемпературные сверхпроводники

3.1 Определение

3.2 Структура

3.2.1 Основные семейства ВТСП

3.3 Температурная зависимость сопротивления R(T)

3.4 Свойства и эффекты которыми обладают высокотемпературные сверхпроводники

3.4.1 Эффект Мейснера

3.4.2 Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова

3.4.3 Эффект Джозефсона

3.4.4 Влияние кристаллической решетки

3.4.5 Изотопический эффект

4. Методы получения высокотемпературных сверхпроводников

5. Перспективы высокотемпературных сверхпроводников

6. Заключение

7. Список литературы

Введение

Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г открыли первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4, за это открытие в 1987 г. им была присуждена Нобелевская премия. Это открытие дало сильный рывок исследованиям в данной области и уже через семь лет рывок в 1000 с 300 К до 1300 К (1650 К под давлением). На данный момент рекордным значеним критической температуры Tc =135 K (под давлением Tc=165 K, -109 °C) обладает вещество HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым. Но ученым так и не удалось открыть новые сверхпроводники с температурой сверхпроводимости выше 1650 К.

Явление сверхпроводимости

Явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления проводника при его охлаждении ниже критической температуры, было открыто нидерландским физиком Х.Камерлинг-Оннесом в 1911 году, а удовлетворительное объяснение, отмеченное именами американских физиков Л.Купера, Дж.Бардина,Дж.Шриффера, советского математика и физика Н.Н.Боголюбова, получило практическое использование этого явления в середине шестидесятых годов, после того как были разработаны сверхпроводящие материалы, пригодные для технических применений - настолько трудна была проблема.

Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К - высокотемпературные сверхпроводники.)Синтезом всё новых и новых материалов уже удалось поднять сверхпроводимость до 160 К(почти -100 °C.В составе всех этих высокотемпературных сверхпроводников ВТСП обязательно присутствуют ионы меди СuO(роль их в возникновении сверхпроводимости пока не ясна), которые служат как бы микроскопическими магнитами. Сверхпроводимость материалов с Тк 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами (пары Купера), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки - фононами. Все пары находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном состоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный спин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам, то есть образуют единый сверхпроводящий конденсат.

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами. У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи. Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником. По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера). Напряженность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк. У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 - нижнее критическое поле, Нк2 - верхнее критическое поле. Н < Нк1 - индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 - сверхпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: Ik (критический ток). Объясняется это тем, что поле, создаваемая током индукция, превысит Нк1, вихревые нити, зарождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигаются внутрь образца с выделением тепла, что приводит к потере сверхпроводимости.

Высокотемпературные сверхпроводники

3.1 Определение

Высокотемпературные сверхпроводники — семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, которую можно охарактеризовать относительно хорошо выделенными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящее) состояния обнаруживают много общих особенностей для купратов с различными составами; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Хотя единой и последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, данная проблема привела к появлению многих важных экспериментальных и теоретических результатов, и интерес к этой области сосредоточен не только на достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была немедленно присуждена Нобелевская премия.

Первооткрывателями ВТСП были выработаны четыре критерия для определения существования сверхпроводимости: (1) наличие нулевого удельного сопротивления, (2) выраженный эффект Мейсснера, (3) высокая воспроизводимость результатов и (4) высокая устойчивость эффекта.

3.2 Структура

Все основные ВТСП-системы имеют слоистую структуру. На рис. 1 приведена для примера структура элементарной ячейки ВТСП-соединения YBa2Cu3O7. Обращает на себя внимание очень большая величина параметра решетки в направлении оси «с». Для YBa2Cu3O7 с=11.7Å.

Наблюдается значительная анизотропия многих свойств таких соединений. Как правило соединения с большими n - металлы (хотя и плохие) в плоскости «ab», и обнаруживают полупроводниковое поведение в третьем направлении, вдоль оси «с». Но при этом они являются сверхпроводниками.

3.3 Температурная зависимость сопротивления R(T)

Во многих купратных ВТСП R(T) зависит практически линейно от температуры. Пример для YBa2Cu3O7 приведен на рис. 4. Это сопротивление изменено в плоскости “ab”. Удивительно, что в чистых образцах экстраполяция этой зависимости в область низких температур ведет себя так, как будто остаточное сопротивление совершенно отсутствует. В ряде других ВТСП, с меньшими Тc, где удается подавить сверхпроводимость магнитным полем, зависимость R(T) линейна вплоть до очень низких температур. Такая линейная зависимость наблюдается в очень широкой области температур: от ~10-3 до 600К (при более высоких температурах уже начинает меняться концентрация кислорода). Это совершенно необычное поведение для металла. Для объяснения привлекались раздичные модели (нефононный механизм рассеяния носителей, изменение концентрации электронов с Т и др.). Однако эта проблема еще не разрешена до конца.

На рис. 5 показана температурная зависимость сопротивления для ВТСП-соединения YBa2Cu3O7 вдоль оси «с». Ход полупроводниковый, а наблюдаемая величина сопротивления приблизительно в 1000 раз больше.

3.4 Свойства и эффекты которыми обладают высокотемпературные сверхпроводники

3.4.1 Эффект Мейснера.

Эффекта Мейнера заключается в том что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнетизма.

3.4.2 Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) и Боголюбова.

Сверхпроводимость, как оказалось, проявляется в тех случаях, когда электроны в металле группируются в пары, взаимодействующие через кристаллическую решетку. Эта пара тесно связана между собой, так что разорвать ее и разобщить электроны через мощные связи невозможно это позволяют электронам двигаться без всякого сопротивления сквозь решетку кристалла.

3.4.3 Эффект Джозефсона.

Если туннельный контакт двух сверхпроводников включить во внешнюю цепь с источником тока и устанавливается такой, чтобы удовлетворить соотношению I= I0sin, где  - разность фаз, по обе стороны заряда в некоторой его точке, а I0 - максимальный туннельный ток, пропорциональный площади туннельного перехода и прозрачность барьера. Но обратим внимание на то, что в это выражение для тока никак не входит напряжение на контакте. При нулевой разности через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками разделенных слоем диэлектрика, может проникать постоянный ток. Это явление называют стационарным явлением Джозефсона.

3.4.4 Влияние кристаллической решетки

Сверхпроводящий переход почти не влияет на решетку. Но вот кристаллическая решетка на сверхпроводимость влияет, более того определяет сверхпроводимость, причем исключение из этого закона не обнаружено. Существует много видов кристаллической решетки. Часто одно и то же вещество может иметь разную кристаллическую решетку, то есть одни и те же атомы могут быть расположены друг относительно друга по разному. Переход от одного типа решетки к другому происходит при изменении либо температуры, либо давление, либо ещё какого-нибудь параметра. Такой переход, как и возникновение сверхпроводимости и плавление является фазовым.

Влияние кристаллической решетки на сверхпроводимость продемонстрировал открытый в 1950г. изотопичесский - эффект.

При замене одного изотопа на другой вид кристаллической решетки не меняется, «электронная жидкость» вообще не затрагивается меняется только сила атомов. Оказалось, что от массы атомов зависит Тс многих сверхпроводников. Чем меньше сила, тем больше Тс. Более того вид этой зависимости позволили утверждать, что Тс пропорциональна частоте колебаний атомов решетки, а это сыграло существенную роль в понимании механизма сверхпроводимости.

3.4.5 Изотопический эффект.

В 1905г.был открыт ток называемый изотопическим эффектом. Изучая сверхпроводимость у различных изотопов ртути и олова, физики обратили внимание на то обстоятельство что критическая температура Тк перехода в сверхпроводящее состояния и масса изотопа М связана соотношением Тk М1\2 = const.

Изотопы - это атомы одного и того же элемента, в ядрах которых содержаться одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они имеют одинаковый заряд, но разную массу. Масса изотопа является характеристической решетки кристалла и может влиять на её свойства. От массы зависит, например, частота колебаний в решетки. Она, так же как и критическая температура, обратно пропорциональна массе: М-1\2. Значит, если массу М устремить к бесконечности, то температура перехода Тк будет стремиться к нулю, то есть чем тяжелее атомы, тем медленнее они колеблются и тем труднее (при меньших температурах) получается идеальная проводимость, а чем выше энергия нулевых колебаний, тем легче.

Таким образом, изотопический эффект указывая на то что колебания решетки участвуют в создании сверхпроводимости! Сверхпроводимость, которая является свойством электронной системы металла, оказывается связанной с состоянием кристаллической решетки. Следовательно, возникновение эффекта сверхпроводимости, обусловлено взаимодействием электронов с решеткой кристалла.

4 Методы получения высокотемпературных сверхпроводников

Методы получения образцов высокотемпературных сверхпроводников определяются в первую очередь теми задачами, которые ставят перед собой исследователи и фирмы использующие ВТСП материалы в коммерческих целях. Так для изготовления массивных изделий из ВТСП материалов требуется разработка методов получения больших количеств ВТСП материала в поликристаллическом состоянии. Для целей СВЧ электроники требуется разработка методов получения эпитаксиальных пленок с высокими критическими параметрами. Для фундаментальных исследований природы ВТСП безусловно необходимы методы получения совершенных (а в случае системы YBa2Cu3O7-δ и бездвойниковых) монокристаллов ВТСП.

Большое значение для получения ВТСП-образцов с высокими критическими свойствами имеет изготовление качественных прекурсорных порошков. Среди методов получения таких порошков соединения YBa2Cu3O7-δ (далее YBCO) назовем следующие: стандартная реакция твердых фаз и химическое осаждение, плазменный спрэй, высушивание в жидком азоте, высушивание спрэя и окислительный синтез, метод золь-геля, ацетатный метод и газофазная реакция. Стандартная процедура получения сверхпроводящих керамических порошков включает несколько этапов. Сначала исходные материалы смешиваются в определенном молярном отношении с помощью соответствующего процесса «перемешивания-размола» или жидкофазного смешивания. При этом однородность смеси ограничивается размерами частиц, и наилучшие результаты достигаются для частиц с размерами меньшими 1 мкм. В ультратонких порошках (с размерами частиц гораздо меньшими 1 мкм) часто наблюдается сегрегация частиц, ухудшающая их перемешивание. Данная проблема может быть минимизирована при использовании жидкофазного смешивания, обеспечивающего контроль композиции и химическую однородность. Кроме того, эта технология ликвидирует загрязняющее влияние среды при размоле и перемешивании порошков. В многокомпонентных средах, таких как ВТСП, процесс смешивания играет ключевую роль в получении высокой фазовой чистоты. Высококачественная смесь обеспечивает ускорение реакций. Таким порошкам при кальцинации требуются меньшие температуры и время для достижения желательной фазовой чистоты. Следующим шагом является высушивание или удаление растворителя, что необходимо для сохранения химической однородности, достигнутой в процессе смешивания. Для многокомпонентных (ВТСП) систем удаление растворителя при медленном испарении может привести к очень неоднородному осадку, вследствие различной растворимости компонент. Для минимизации этой проблемы используются различные технологии, включающие, в частности, процессы сублимации, фильтрации и др. После высушивания порошки подвергаются кальцинации в контролируемой атмосфере для достижения конечной структурной и фазовой композиции. Режим реакций для YBCO-системы определяется технологическими параметрами, такими как: температура и время кальцинации, скорость нагревания, атмосфера (парциальное давление кислорода) и исходные фазы. Порошки также могут быть непосредственно синтезированы из раствора с помощью технологии пиролиза или получены электроосаждением с помощью пропускания тока через раствор. При этом даже небольшие флуктуации композиции могут привести к формированию нормальных (несверхпроводящих) фаз, таких как: Y2BaCuO5, CuO и BaCuO2. Использование углеродсодержащих прекурсоров также осложняет формирование фазы YBa2Cu3O7-δ и приводит к понижению сверхпроводящих свойств. В свою очередь, порошок для получения сверхпроводящих пленок состава Bi(Pb)-Sr-Ca-Cu-O (далее BSCCO) может быть изготовлен с помощью твердофазной реакции, соосаждения, пиролиза аэрозоль-спрэя, технологии обжига, высушивания замораживанием, метода жидкого смешивания, микроэмульсии или метода золь-геля. Стандартными подходами для получения сверхпроводящих прекурсорных порошков, используемых при изготовлении BSCCO-лент и проводов, являются, так называемые методы синтеза «одного порошка» и «двух порошков». В первом случае прекурсор получается в результате кальцинации смеси оксидов и карбонатов. Во втором - проводится обжиг смеси двух купратных соединений. Соблюдение этих условий позволяет получить поликристаллические образцы достаточно больших размеров (например, для магнитов бесконтактного электромагнитного подвеса транспортных систем).

Что касается синтеза ВТСП-пленок (как YBCO, так и других систем), то в общем случае применяются одно- (in situ) и двухстадийные (ex situ) методы. В первом случае, кристаллизация пленок происходит непосредственно в процессе их напыления и при соответствующих условиях осуществляется их эпитаксиальный рост. Во втором случае, пленки сначала напыляются при небольшой температуре, недостаточной для формирования необходимой кристаллической структуры, а затем они обжигаются в атмосфере O2 при температуре, обеспечивающей кристаллизацию необходимой фазы (например, для пленок YBCO это температура 900-9500С). Большинство одноэтапных методов реализуется при температурах значительно более низких, чем те, которые требуются для получения пленок в две стадии. Высокотемпературный обжиг формирует крупные кристаллиты и шероховатую поверхность, определяющие низкую плотность критического тока. Поэтому, изначально, in situ методы обладают преимуществом. По способам получения и доставки на подложку компонентов ВТСП различают физические методы напыления, включающие всевозможные испарения и напыления, а также химические методы осаждения.

Методы вакуумного соиспарения (methods of vacuum co-evaporation) подразумевают одновременное или последовательное (слой за слоем) соосаждение компонентов ВТСП, испаряемых из различных источников с помощью, например, электронно-лучевых пушек или резистивных испарителей. Получаемые по такой технологии пленки уступают по своим сверхпроводящим свойствам образцам, изготавливаемым методами лазерного или магнетронного напыления. Методы вакуумного соиспарения используются при двухстадийном синтезе, когда не имеют принципиального значения структура пленок, напыляемых на первом этапе, и содержание в них кислорода.

Лазерное испарение (laser evaporation) высокоэффективно при напылении ВТСП-пленок. Этот метод прост в реализации, имеет высокую скорость напыления и позволяет работать с небольшими мишенями. Его главным достоинством является одинаково хорошее испарение всех химических элементов, содержащихся в мишени. При испарении мишеней при определенных условиях можно получить пленки такого же состава, как и сами мишени. Важными технологическими параметрами являются: расстояние от мишени до подложки, а также давление кислорода. Их правильный выбор позволяет, с одной стороны, не допустить перегрев растущей пленки энергией плазмы, испаренной лазером, и соответствующее образование слишком крупных зерен, а с другой - установить энергетический режим, необходимый для роста пленки при возможно более низких температурах подложки. Высокая энергия напыляемых компонентов и присутствие в лазерном факеле атомарного и ионизированного кислорода позволяют изготовлять ВТСП-пленки в одну стадию. При этом получаются монокристаллические или высокотекстурированные пленки с с-осной ориентацией (ось с перпендикулярна плоскости подложки). Основными недостатками лазерного испарения являются: (а) малые размеры области, в которой можно напылить стехиометрические по составу пленки; (б) неоднородность их толщины и (в) шероховатость поверхности. Вследствие сильной анизотропии ВТСП хорошие транспортные и экранирующие свойства имеют только пленки с с-осной ориентацией. В то же время, пленки с а-осной ориентацией (ось а располагается в плоскости подложки ab), имеющие большую длину когерентности в направлении, перпендикулярном поверхности, и отличающиеся высокой гладкостью, удобны для изготовления качественных ВТСП джозефсоновских переходов, состоящих из последовательно напыленных слоев «ВТСП - нормальный металл» (или «диэлектрик - ВТСП»). Пленки со смешанной ориентацией нежелательны во всех отношениях.

Магнетронное распыление (magnetron scattering) позволяет в один этап получить пленки YBCO, не уступающие по своим сверхпроводящим свойствам образцам, выращенным методом лазерного испарения. При этом они имеют более однородную толщину и более высокую гладкость поверхности. Как и при лазерном испарении, образование плазмы при магнетронном распылении порождает высокоэнергетичные атомы и ионы, позволяющие одностадийное получение ВТСП-пленок при невысоких температурах. Здесь также важно расстояние «мишень - подложка». При близком расположении мишени от подложки и недостаточном давлении среды, подложка подвергается интенсивной бомбардировке отрицательными ионами кислорода, разрушающими структуру растущей пленки и ее стехиометрию. Для решения этой проблемы используется ряд подходов, включающих защиту подложки от бомбардировки высокэнергетичными ионами и ее расположение на оптимальном расстоянии от газоразрядной плазмы для обеспечения высокой скорости напыления и успешного роста пленки при максимально низких температурах. Полученные in situ тонкие YBCO-пленки, которые были изготовлены методом внеосевого магнетронного распыления и имели оптимальные электрические свойства, уже продемонстрировали температуру сверхпроводящего перехода и плотность критического тока, соответственно: Tc = 92 К и Jc = 7.106 А/см2. Разновидности импульсного лазерного напыления, используемые для получения пленок и проводов YBCO с высокой текстурой, изготавливаемых на различных моно- и поликристаллических подложках с подслоями и без них, позволяют достичь плотности критического тока Jс = 2,4.106 А/см2 при температуре 77 К и нулевом магнитном поле.

Сущностью метода химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (chemical precipitation from vaporous phase of metal-organic combinations) является транспортировка металлических компонентов в виде паров летучих металлоорганических соединений в реактор, смешение с газообразным окислителем, разложение паров и конденсация оксидной пленки на подложку. Данный метод позволяет получить тонкие ВТСП-пленки, сравнимые по своим характеристикам с образцами, изготовленными физическими методами напыления. К сравнительным преимуществам данного метода перед последними относятся: (а) возможность нанесения однородных пленок на детали не планарной конфигурации и большой площади; (б) более высокие скорости осаждения при сохранении высокого качества; (в) гибкость процесса на этапе отладки технологического режима, благодаря плавному изменению состава паровой фазы. Последнй процесс часто используют для производства ВТСП пленок с высокими критическими параметрами (сравнимыми с монокриcталлами) в случаях сложной конфигурации пленок на изделиях микроэлектронной коммерческой продукции.

5. Перспективы высокотемпературных сверхпроводников.

Заключение

Ученые исселедовавшие Высокотемпературные сверхпроводники добились очень многого, они сделали гиганский скачек по температурной шкале сверхпроводимасти, они реализовали многие устройства на основе сверхпроводимости среди которых такие как поезд на магнитной подушке и линии электропередач без сопротивления но все же на данный момент не удалось подойти к комнатной температуре что делает сверхпроводимасть дорогой из за нужды поддержания низких температур, так же высокотемпературные сверхпроводники неполучили массового применения из за хрупкой оксидной структуры, которая способствующет быстрому возникновению и развитию структурных дефектов, приводящих к резкому ухудшению сверхпроводящих свойств. Все это привело уменьшению вливания средств в данную отрасль а сдежовательно и охлаждению внимания со стороны учених.

Список литературы

1. Боголюбов Н. Н., Толмачев В. В., Ширков Д. В. Новый метод в теории сверхпроводимости. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

2. В. Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. М.: Альфа-М, 2006.

3. J.G.Bednorz, K.A.Muller , Rev. Mod. Phys.,- B, 64,- P.189-(1988).

4. Физические свойства высоко-температурных сверхпроводников. Под. ред. Д.М.Гинзберга. М:. «Мир», 1990, 544 С.

5. C. Renner et al. Phys. Rev. Lett. 80, 3606 (1998); S.H. Pan et al. Phys. Rev. Lett. 85, 1536 (2000).

6. Tallon J. L., Loram J.W. Physica C. 349 53 (2001); cond-mat/0005063.

7. Г.П.Швейкин, В.А.Губанов, А.А.Фотиев, Г.В.Базуев, А.А.Евдокимов. Электронная структура и физико-химические свойства высоко- температурных сверхпроводников. М:. «Наука», 1990, 240 С.

Возможно вас заинтересует