О современных композиционных сильноточных сверхпроводниках
О сверхпроводниках
О зависимости между электрическим током и нагревом проводников, по которым ток протекает, известно даже самым нерадивым школьникам. Эту зависимость используют в качестве основы для описания принципа действия присущего электрическим нагревателям, электрочайникам, утюгам или электрическим лампам с нитью накаливания. Тем не менее, в природе известно о существовании удивительных материалов – сверхпроводников, не обладающих электрическим сопротивлением даже при очень низких температурах.
Право открытия этого явления принадлежит голландскому физику Камерлинг-Оннесу, совершившему его в 1911 году. Из-за отсутствия сопротивления величина плотности электрического тока, который протекает по подобным материалам, достигает огромных значений, в пределах 106А/кв.см., не нагревая при этом сверхпроводник. В замкнутых контурах циркулирование электрического тока может происходить без ограничений во времени. Например, в контуре замкнутого сверхпроводника осуществили индуцирование электрического тока, протекавшего там без затухания около двух с половиной лет. Пришлось прервать эксперимент из-за забастовки рабочих, занимавшихся подвозом криогенных жидкостей. Сегодня известно о тысяче веществ — металлов, сплавов, соединений и керамике, имеющих свойство сверхпроводимости.
Сверхпроводники обладают несколькими критическими параметрами. К примеру, температура, соответствующая переходу к сверхпроводящему состоянию, носит название критической температуры. Всем известным сегодня сверхпроводникам свойственно изменение значения критических температур в широком диапазоне. Магнию свойственно значение 0,0005 К, дибориду магния свойственно значение около 135 К, соответствующее ртутьсодержащему соединению HgBa2Ca2Cu3O8. Если ток находится в состоянии, называемом сверхпроводимостью, при протекании через сверхпроводник нельзя осуществлять его увеличение до бесконечности. Достигая определенного значения, называемого критическим током, возможно исчезновение состояния сверхпроводимости. Помимо этого, у проводника могут пропасть свойства сверхпроводника, когда он взаимодействует с внешним магнитным полем, напряженность которого превышает определенное значение, называемое критическим полем.
Спустя пару десятков лет после того, как было открыто явление сверхпроводимости, появилась первая версия теоретического объяснения данного явления, принадлежащая физикам Фрицу и Хайнцу Лондонам. Более общую теорию построили Лев Ландау совместно с Владимиром Гинзбургом в 1950 году. Данную модель широко знают в качестве теории Гинзбурга – Ландау. Данные теории отличались феноменологическим характером, не давая объяснения детальных механизмов сверхпроводимости. Микроскопического уровня объяснения явления сверхпроводимости удалось добиться американским физикам Джону Бардину, Леону Куперу и Джону Шрифферу, завершившим работу в 1957 году. В качестве центрального элемента теории, названной теорией БКШ, авторы воспользовались так называемыми куперовскими парами электронов.
Группы сверхпроводников
Несколько позднее удалось установить, что сверхпроводники состоят из двух больших семейств. К сверхпроводникам 1-го типа относится, к примеру, ртуть. К сверхпроводникам 2-го типа обычно относятся сплавы различных металлов. Для открытия сверхпроводников 2-го типа значительная роль принадлежит работам, написанным Л.Шубниковым в течение 1930-х годов и А.Абрикосовым в течение 1950-х годов.
Помимо этого, различают разновидности низкотемпературных сверхпроводников (НТСП), работающих при температуре, свойственной жидкому гелию (-268,9 градусов), и высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), остающихся в состоянии сверхпроводимости до температуры кипения, свойственной жидкому неону (-245,8 Градусов).
Сверхпроводниками пользуются при создании устройств, изготовление которых является технически невозможным или экономически невыгодным при пользовании традиционными проводниковыми материалами (медью и алюминием). К примеру, речь идет о мощных магнитных системах в установках термоядерного синтеза или ускорителях элементарных частиц, сверхбыстродействующих ограничителях тока, медицинских томографах, спектрометрах высокого разрешения, образцах перспективного военного вооружения, поездах на магнитных подушках, создание которых осуществлялось благодаря сверхпроводящим материалам. Тонкопленочными сверхпроводниками пользуются также в устройствах микроэлектроники.
Если при производстве устройств пользуются сверхпроводящими материалами, они характеризуются наличием значительно меньших размеров и массы.
Данная статья попробует разобрать, как обстоит ситуация с разрабатываемыми сегодня в России сильноточными единичными сверхпроводниками. Россия превратилась в признанного мирового лидера в сфере развития основ теории, служащей для описания уникального явления сверхпроводимости, и сфере по созданию эффективных технологий промышленного производства сверхпроводников низкотемпературного типа. Четверо из десяти российских лауреатов, получивших Нобелевскую премию по физике, занимались исследованиями, связанными со сверхпроводимостью и сверхтекучестью гелия. За реализацию технологических работ, связанных со сверхпроводимостью, и использование высокотемпературных сверхпроводников в создании электротехнических изделий и устройств Правительство РФ наградило ученых четырьмя премиями.
Низкотемпературные сверхпроводники широко применяются на практике. Речь идет, в основном, об использовании композиционных проводов, в основе которых лежит деформируемый NbTi сплав в сочетании с интерметаллическим соединением Nb3Sn. Структура низкотемпературных композиционных сверхпроводников, как правило, состоит из композиционной проволоки (стренда), диаметр которой находится в диапазоне от 0,5 до 2,0 мм, длина в пределах 50 км. Она содержит в основе металлической матрицы непрерывные сверхпроводящие жилы в количестве нескольких десятков тысяч, диаметр каждой из которых в диапазоне от 1,5 до 5 мкм. Конструкции каждого типа сверхпроводников характеризуются определенным расположением сверхпроводящих жил Nb3Sn или NbTi. Матрица представлена медью или сплавом с медью в основе. Конструкция стренда, помимо этого, состоит из стабилизирующей медной оболочки и диффузионного барьера, изготовленного обычно из тантала либо ниобия.
Если говорить о современных технических ВТСП материалах, то речь идет, в основном, о керамических материалах, в основе которых лежат редкоземельные металлы со сложным составом в соединениях. В 90-е годы минувшего столетия, после того, как Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли в 1986 году новый тип сверхпроводников, названных высокотемпературными, 1-е поколение проводников ВТСП внимательно изучалось. Это были композиционные провода в оболочке из сплавов серебра, в основе которых лежало соединение Bi2Sr2Ca2Cu3Oх. В подобных конструкциях проводов производится определенное распределение в серебряной матрице сверхпроводящих жил из твердой керамики, отличающейся сложным химическим составом.
Сегодня все больше говорят о применении 2-го поколения ВТСП материалов. Речь идет, в основном, о гибких металлических лентах, на который наносят тонким слоем сверхпроводящую керамику, состоящую из следующих элементов: Y-Ba-Cu-O (Y-123). Данные сверхпроводящие соединения отличаются рядом особенностей, токонесущими способностями и сильной и анизотропией физических характеристик. Получить высокие значения плотности тока, достигающие 5 МА/кв.см при 77К, возможно только при наличии ярко выраженной структуры у покрытия. Слой ВТСП обычно обладает небольшой толщиной, в пределах 1 мкм, но этого достаточно для того, чтобы критический ток проводника достигал нескольких сотен ампер.
К опытно-промышленному производству технологии изготовления 2-го поколения ВТСП материалов приступили в 2000-ые годы благодаря американским фирмам Superpower и AMSC, немецкой фирме Bruker, японским фирмам Fujikura и Sumitomo, южно-корейской фирме Sunnam. Несмотря на солидные усилия, создать полномасштабное промышленное производство пока не удалось. Величина суммарного мирового выпуска ВТСП-2 не превышает ежегодных значений в 100 км. Специалисты, работающие во ВНИИНМ, в содружестве с сотрудниками Курчатовского института и других научных заведений, разрабатывают отечественную технологию по производству сверхпроводников ВТСП-2.
Открытие сверхпроводящего соединения – диборида магния (MgB2) произошло в 2001 году. Соединение отличается гораздо большей, двукратно превышающей Nb3Sn температурой перехода к сверхпроводящему состоянию, равной 39 К. Данное значение четырехкратно выше, чем у NbTi. Следовательно, пользоваться диборидом магния можно при диапазоне температур от 20 до 25К. Это позволило создать замкнутую криогенную систему, используя относительно дешевые криокулеры. Благодаря простоте технологии и дешевизне материалов удалось добиться организации промышленного производства композиционных проводников, в основе которых находится диборид.
В течение 2014 года на мировом рынке сверхпроводящих материалов были произведены низкотемпературные сверхпроводники на сумму свыше 450-ти миллионов евро, а высокотемпературные сверхпроводники — на сумму примерно 70-т миллионов евро.
Следовательно, уже сегодня удалось доказать техническую осуществимость пользования сверхпроводниковыми технологиями в сфере энергетики и электротехники. Сегодня невозможно представить ни умную энергетику, ни перспективную физику элементарных частиц, ни оснащение высокоэффективными электротехническими устройствами без применения сверхпроводников.
