История становления и развитие научных исследований в области сверхпроводимости

В 2002 г. в Китае завершилось строительство первой в мире транспортной системы на магнитной подушке. Она связала центр Шанхая с международным аэропортом Пудон. Строительство дороги протяженностью 30 км потребовало вложений в объеме 1 млрд.долл. США. Поезд на магнитной подушке может развивать скорость до 430 км/ч.

Медицина, ЯМР-томографы. В 2003 году за изобретение метода магнитно-резонансной томографии, на основе открытия Реймонда Дамадьяна, Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур. Магнитно-резонансная томография - это метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса. Метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определенной комбинацией электромагнитных волн в постоянным магнитном поле высокой напряженности.

Слаботочные сверхпроводниковые технологии. Понятно, что уникальные электрические и магнитные свойства сверхпроводников позволяют использовать сверхпроводимость и в технике специальных физических измерений. Еще на ранней стадии развития теории сверхпроводимости были построены сверхпроводящие гальванометры, которые благодаря чрезвычайно малому внутреннему сопротивлению обладают довольно высокой чувствительностью к напряжениям (около 10-11 В). Резкая температурная зависимость электрического сопротивления при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние позволяет создать высокочувствительные сверхпроводящие приемники теплового излучения (болометры). Значительные достижения связаны также с использованием двух явлений: квантования потока и эффектом Джозефсона (протекание сверхпроводящего тока через тонкие изолирующие слои). С их помощью сразу удалось повысить точность измерений магнитных полей больше чем на четыре порядка, что произвело буквально переворот в этой области. Тем самым была открыта для изучения магнитных свойств материи новая область, от которой уже были получены и еще можно ожидать множества весьма важных результатов.

Сверхпроводящие переключатели-криотроны, запоминающие устройства. Фазовый переход из сверхпроводящего состояния в нормальное можно стимулировать с помощью внешнего магнитного поля. Поскольку это превращение сопровождается изменением электрического сопротивления, то таким путем можно управлять и силой электрического тока. Принципиальная возможность использования сверхпроводимости для создания переключающих элементов известна довольно давно. Их интенсивно начали использовать еще в пору создания больших электронно-вычислительных машин. Тогда и появилось само название «криотрон». Особое достоинство криотронов состоит в том, что их можно легко сочетать со сверхпроводящими запоминающими элементами, которые, в свою очередь, отличаются крайне малым выделением мощности. При растущем объеме памяти необходимость охлаждения до гелиевых температур все меньше сказывается на их общей стоимости, а применение высокотемпературных сверхпроводников открывает фантастические перспективы.

Усилители и модуляторы. При проведении низкотемпературных исследований часто бывает очень удобно непосредственно при гелиевых температурах преобразовывать слабые сигналы постоянного напряжения в переменное, и с помощью трансформатора, тоже при низких температурах, усиливать переменный сигнал до такого уровня, чтобы его без труда можно было измерить при комнатной температуре. Величину постоянного тока через криотрон выбирают таким образом, чтобы дополнительный переменный ток один раз за период переводил криотрон в нормальное состояние. При этом изменяется ток, обусловленный напряжением сигнала. Этот модулированный ток передается на трансформатор, тоже находящийся в гелиевой ванне; выходное напряжение трансформатора измеряется фазочувствительным усилителем. С помощью таких устройств можно достичь чувствительности по напряжению порядка 10-11 В при постоянной времени 1 с. Разумеется, для такой высокой чувствительности по напряжению необходимо, чтобы измерительный контур обладал малым (менее 10-5 Ом) сопротивлением, что возможно только при применении сверхпроводников.

Приемники излучения, тепловые вентили, электромагнитные резонаторы. Сверхпроводящие приемники излучения относятся к группе так называемых болометров. Болометрами называют приборы, в которых для изменения мощности используют изменение сопротивления под действием теплового излучения. Сверхпроводящие болометры обладают тремя существенными достоинствами. Так как они работают при низких температурах, у них очень слабы флуктационные шумы (около 10-16 Вт). Кроме того, благодаря низким температурам теплоемкость измерительной системы значительно меньше, чем при комнатной температуре. Это означает, что одну и ту же разность температур можно получить при гораздо меньшей мощности излучения, что увеличивает и быстродействие приемника. И третье важнейшее преимущество: на кривой перехода электрическое сопротивление очень сильно зависит от температуры. Без всякого труда можно получить чувствительность по температуре порядка 1000 Ом/град. Сверхпроводящие приемники излучения можно использовать для регистрации б-частиц или других частиц высокой энергии. При попадании частицы в сверхпроводящую пленку происходит локальный разогрев, в результате чего какой-то участок на пути транспортного тока переходит в нормальное состояние и на детекторе появляется напряжение.

Различие теплопроводности в нормальном и сверхпроводящем состояниях нашло применение в тепловых вентилях. При температуре ниже 1 К отношение теплопроводности для свинца превышает 200. При температуре 0,3 и 0,1 К это отношение равно соответственно 500 и 5000. Переход в свинце можно вызвать с помощью довольно слабого магнитного поля порядка 800-900 Гс. Следовательно, тепловое сопротивление свинцовой проволоки при температуре 0,1 К можно уменьшить в 5000 раз с помощью включения магнитного поля. Так мы получаем тепловой ключ.

Полый электромагнитный резонатор представляет собой замкнутую полость простой формы с проводящими стенками. В таких полостях можно возбудить электромагнитные колебания, при которых внутри полости появляются переменные магнитные поля, а в стенках текут высокочастотные переменные токи. Частота колебаний зависит от геометрических размеров резонаторов и от пространственной структуры переменных полей и токов. Интерес к сверхпроводящим резонаторам с предельно высокой добротностью (т.е. с малыми затуханием и потерями) особенно возрос в связи с возможностью применения их в линейных ускорителях. В таких ускорителях частицы пролетают последовательно через ряд резонаторов, колебания в которых согласованы между собой таким образом, чтобы частицы постоянно ускорялись электрическим полем каждого последующего резонатора. Благодаря очень малым потерям сверхпроводящие резонаторы обладают большими преимуществами. Появляется возможность непрерывной работы сверхпроводящего линейного ускорителя, т.е. пучок частиц может ускоряться в каждом периоде высокочастотных колебаний.

Еще одно преимущество заключается в том, что за счет применения сверхпроводящих резонаторов можно было бы сократить длину линейных ускорителей, так как допустимое ускоряющее напряжение на единицу длины в сверхпроводящем резонаторе больше, чем в обычном. Это делает их значительно дешевле. Еще одна интересная возможность заключается в применении высокочастотных резонаторов в электронных микроскопах с большими напряжениями. С помощью довольно небольших и поэтому весьма удобных в эксплуатации сверхпроводящих высокочастотных резонаторов можно получить очень хорошо управляемые пучки электронов с легко регулируемыми напряжениями порядка нескольких мегаэлектронвольт и большими токами, необходимыми для таких электронных микроскопов.



Заключение

Явление сверхпроводимости является одним самых сложных в физике твердого тела. Однако это не помешало им стать одним из приоритетных направлений в науке ХХ века. Благодаря своим уникальным свойствам сверхпроводники получили широкое распространение не только в сфере энергетики, но и в медицине, транспорте, IT-технологиях.

Высокая токонесущая способность и низкие потери, вкупе с компактностью, надежностью и экологической безопасностью делают высокотемпературные сверхпроводниковые-устройства незаменимыми для создания современной электроэнергетической инфраструктуры: генераторы, трансформаторы, силовые кабели, синхронные компенсаторы, ограничители токов короткого замыкания, накопители энергии. Высокотемпературные сверхпроводящие-ленты имеют перспективы при создании новых транспортных технологий, включая низкооборотные корабельные двигатели и системы магнитного подвеса для скоростных поездов. С использованием высокотемпературных сверхпроводниковых-материалов изготавливают мощные индукционные нагреватели и двигатели для обрабатывающей промышленности, компактные устройства неинвазивной диагностики для медицины.

Конечно, главной проблемой в области сверхпроводников остается низкая критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние. Открытие Карла Мюллера и Йоханнеса Беднорца позволило достичь достаточно высоких значений критических температур для перехода, но даже и эти величины являются низкими.

Всего к настоящему времени известно около 50 оригинальных слоистых высокотемпературных сверхпроводников-купратов. Время от времени в печати появляются сенсационные сообщения о создании новых сверхпроводников с критической температурой перехода выше комнатной температуры. Однако все эти сообщения не были подтверждены и доказаны научным миром. И хотя безмедные сверхпроводники известны довольно давно, на них до сих пор не удавалось достичь сколько-нибудь высокой температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Конечно, история развития химических сверхпроводников продолжается и в наши дни. Хотелось бы, чтобы в ней достойное место заняли те, для кого смысл новой технической революции столь же важен и необходим, как и прежде, тем, кто никогда не стареет настолько, чтобы не поверить в чудеса, некую магию, рождённую явлением сверхпроводимости.



Список использованных источников

1. Гинзбург В.Л., Андрюшин Е.А. Сверхпроводимость. -- М.: Педагогика, 1990. - С. 92-95. - 112 с. - (Учёные -- школьнику)

2. Гинзбург В.Л. О сверхпроводимости и сверхтекучести. Автобиография. М.: Физматлит, 2006

3. S. W. Thomson On an Absolute Thermometric Scale founded on Carnot's Theory of the Motive Power of Heat, and calculated from Regnault's Observations // Philosophical Magazine. - October 1848. - vol. 1 (Cambridge University Press, 1882), pp. 100-106

4. Волков В. А., Явелов Б. Е. Переписка А. Г. Столетова с Г. Камерлинг-Оннесом // Исследования по истории физики и механики. 1990. - М.: Наука, 1990. - С. 186-197

5. Храмов Ю. А. Камерлинг-Оннес Гейке (Kamerlingh Onnes Heike) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. -Изд. 2-е, испр. и дополн. - М.: Наука, 1983. - С. 125. - 400 с.

6. Буккель В. Сверхпроводимость: Основы и приложения. М.: Мир. - 1975

7. Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других. М.: Физматлит. - 2003

8. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. М.: МЦНМО. - 2000

9. Мартыненко Ю. Г. О проблемах левитации тел в силовых полях // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 3. - С. 82-86

10. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм // М.: Высшая школа. - 1983. - 463 с.

11. J. G. Bednorz and K. A. Mьller "Possible high Tc superconductivity in the Ba?La?Cu?O system" // Z. Physik. - 1986. - B 64 (1). - pp. 189-193.

12. Беднорц И.Г., Мюллер К.А. // Успехи физ. наук. - 1988. - Т. 156, вып. 2. - С. 323-346

13. Кресин В.3. Сверхпроводимость и сверхтекучесть. М.: Наука, 1978.

14. Тилли Д.Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. М.: Мир, 1977.

15. Сивухин Д. В. § 80. Сверхпроводники и их магнитные свойства // Общий курс физики. -- М.: Наука, 1977. -- Т. III. Электричество. -- С. 333. -- 688 с.

16. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. / Под ред. В.Р. Карасика. -- М.: Мир, 1976.

17. Ивашутенко А.С., Анненков Ю.М., Сивков А.А. Разработка технологии прозрачной керамики на основе оксидов иттрия и алюминия // Интернет-журнал Науковедение. - 2013. - № 3 (16). - С. 68.

18. Ивашутенко А.С., Назаренко О.Б., Сивков А.А., Сайгаш А.С., Степанов К.И. Особенности состава медьсодержащих продуктов плазмодинамического синтеза // Известия высших учебных заведений. Физика. - Т. 57 №11. - 2014. - с. 25-30

19. RF Patent 137443 from 24.09.2013. Coaxial magneto plasma accelerator (patent). Sivkov A.A., Saygash A.S., Kolganova Y.L.

20. Никулин А.Д., Филькин В.Я., Шиков А.К. // Сверхпроводящие композитные материалы. Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. - Т. ХХХIY. - № 4. - 1989. - С. 519 -- 527

21. Металлургия сверхпроводящих материалов. / Под ред. Т. Люмана и Д. Дью-Хьюза. - М.: Металлургия. - 1984. - С. 15 -- 54.

22. Металловедение и технология сверхпроводящих материалов: Пер. с англ. / Под ред. С. Фонера, Б. Шварца (США, 1981). - М.: Металлургия. - 1987.

23. Collings E.W. “Stabilizer design considerations in fine-filament Cu/NbTi composites”, Advances in Cryogenic engineering materials. - Vol. 34. - 1988. - pp. 867-877.

24. Шиков А.К. Российские низкотемпературные сверхпроводники. // Национальная металлургия. - 2004. - №3. - С. 33 - 41.

25. Lee P.J., Larbalestier D.C. Determination of the flux pinning force of б-Ti ribbons in Nb 46,7 wt.% Ti produced by heat treatments of varying temperature duration and frequency // J. Mat. Sci. - Vol.23. - 1988. - pp. 3951-3957.

26. Vedernikov G.P., Shikov A.K., Potanina L.V., Gubkin I.N., Scherbakova O.V., Salunin N.I., Korpusov V.U., Novikov S.I., Novikov M.S. Multifilament superconducting wire based on NbTi alloy in a combined copper/copper-nickel matrix //Advances in Cryogenic engineering materials. - Vol. 50B. - 2004. - pp. 330-10.

27. Wilson M.N. NbTi superconductors with low ac loss: A review //Cryogenics. - Vol. 48. - 2008. - pp. 381-395.

Размещено на Allbest.ru