Высокотемпературная сверхпроводимость
Другие рефераты
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
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
