Сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость

Рассмотренный ранее механизм перехода в сверхпроводящее  состояние основан на межэлектронном взаимодействии посредством кристаллической решетки, то есть за счет обмена фононами. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемая фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40 К. 
Таким образом, для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с 
Тc>90 К) необходимо искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура более высокой, чем при фоновом механизме. 
В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости, разработанной академиком В.Л.Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны - экситоны. Подобно фононам они являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу и не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. 
Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры (Тc=200 К).  

3. Техника сверхпроводимости

3.1Применение сверхпроводимости заманчиво и затруднительно

Знакомство с  удивительными свойствами сверхпроводящих  материалов сразу вызывает мысль  о необходимости их применения в  технике. Этой задачей стали заниматься еще в 1920-х гг. Очень заманчиво не тратить энергию на потери в проводах. Стоит только напомнить, что в современных воздушных линиях электропередачи теряется до 10% передаваемой энергии и еще больше потери энергии на преобразование тока.

Однако не так-то просто заменить все провода на сверхпроводящие. Первая и очевидная трудность — нужны низкие температуры. Подбираться к абсолютному нулю температур непросто и недешево. Многие стоящие на этом пути трудности уже преодолены. Скажем, затраты на собственно охлаждение не очень велики. Более существенным препятствием является сложность соответствующей аппаратуры, для создания и обслуживания которой требуются «высокая» технология и высокая квалификация.

Все работающие сверхпроводящие устройства должны быть тщательно изолированы от внешней  среды. Гелий — дорогой и редкий материал, поэтому для уменьшения его потерь применяется дополнительное внешнее охлаждение жидким азотом. Такое двойное охлаждение сильно усложняет аппарат. Уже отсюда ясно, почему столь большое внимание уделялось повышению критической температуры сверхпроводимости и почему столь большой отклик вызвали во второй половине 1980-х гг. открытия ВТСП-материалов¹. Об открытии ВТСП мы расскажем дальше, а сейчас кратко опишем уже существующие сверхпроводящие устройства.

Реализовать идею линии электропередачи без потерь пока не удалось. В настоящее время технически сложно создать столь протяженное и равномерно охлаждаемое устройство. Пока работают лишь компактные сверхпроводящие устройства, которые удобно охлаждать и защищать. Первые такие устройства появились в 1960-х гг. после того, как были открыты материалы, пригодные для изготовления проводов. По большому счету, два главных вида применений сверхпроводимости в технике — магниты с обмоткой из сверхпроводящего провода и СКВИДы.

3.2 Магниты

С постоянными (природными) магнитами человечество познакомилось  достаточно давно, однако для большинства  практических применений они непригодны. Напряженность их магнитного поля не очень велика и к тому же может  изменяться во времени из за воздействия  внешних условий. Поэтому вот  уже в течение многих лет для  получения магнитных полей используются электромагниты.(Самые первые модели электромагнитов относятся к 1820-м гг.) Электромагнит обычно состоит из сердечника и намотанного на него провода, по которому течет ток. Создаваемое при этом магнитное поле пропорционально силе тока и количеству витков.

Создание магнитов со всё большими напряженностями  магнитного поля сопровождалось увеличением  силы тока и потерь энергии на джоулеву теплоту. Уже в 1930-е гг. для создаваемых крупных магнитов потребовалось водяное охлаждение, а получение напряженностей в десятки тысяч эрстед затруднительно без использования сверхпроводимости.

Сейчас в мире серийно производятся многие виды сверхпроводящих  магнитов. Еще более велико разнообразие магнитов, которые изготовляются  для специальных, часто уникальных установок научного и промышленного  назначения. Несколько «простых»  магнитов вы видите на рис. 34.

Путь к созданию сверхпроводящих магнитов был достаточно сложным. Первоначально главным  препятствием выступали низкие критические  поля сверхпроводников I рода. С открытием сверхпроводников II рода начались практические попытки создания сверхпроводящих магнитов. При этом инженеры столкнулись с различного рода неустойчивостями сверхпроводящих магнитных систем. Вот картина одной из них.

Сверхпроводящий магнит располагается в сосуде с  жидким гелием. Через специальный  канал в сосуд вводятся провода, по которым получает питание обмотка  магнита. По этому же каналу выходят  пары испаряющегося гелия и в  стационарных условиях подается жидкий гелий для компенсации испарения. Оказалось, что этого недостаточно, чтобы поддерживать магнит в рабочем  состоянии. В 1960-е гг. случались аварии: резко увеличивалось тепловыделение, бурно испарялся жидкий гелий вместе с клочками обмотки и изоляции. После такой аварии магнит не годился к эксплуатации — его обмотка (находившаяся в жидком гелии!) была расплавлена.

Плотность тока в магните близка к критической. По случайной причине в какой-то очень небольшой зоне обмотки  сверхпроводник может перейти в  нормальное состояние. Этот кусочек  провода уже обладает сопротивлением (и довольно значительным по сравнению, например, с медью). На сопротивлении начинает выделяться теплота, и нормальный кусочек провода становится интенсивным нагревателем. Выделение теплоты приводит к переходу в нормальное состояние соседних участков провода, сопротивление и потери еще больше увеличиваются, и процесс может развиваться лавинообразно. Запасенная энергия магнита превращается в теплоту и не только испаряет весь жидкий гелий, но и разрушает обмотку.

Для стабилизации сверхпроводящих магнитов были созданы  условия для саморассасывания случайно возникающих нормальных зон. Для этого сверхпроводник покрывается слоем хорошего нормального металла, обычно меди, теплопроводность которой гораздо больше, а удельное сопротивление гораздо меньше, чем у сверхпроводящего материала в нормальном состоянии. Медь шунтирует участки, на которых произошел переход в нормальное состояние, а также способствует быстрому отводу теплоты от зародыша нормальной фазы.

Впрочем, в сверхпроводящих  устройствах разного назначения применяются провода различной  конструкции, и на этом стоит остановиться поподробнее.

3.3 Сверхпроводящие НТСП-провода

Сверхпроводящие провода разительно отличаются от тех, что применяются в электрических  бытовых устройствах.

Высокие магнитные  поля способны выдерживать лишь сверхпроводники II рода. Они «впускают» в себя магнитное поле в виде вихрей. Но движение этих же вихрей обусловливает появление электрического сопротивления, и большое критическое поле «компенсируется» малой критической плотностью тока. В практических условиях избежать движения вихрей весьма непросто: при изменениях тока меняется магнитное поле, значит, часть вихрей должна «покинуть» материал или, наоборот, «войти» в него. Механические напряжения проводов также вызывают движения вихрей.

Потребовались длительные усилия для создания материалов, структура которых препятствует движению вихрей. Для этого были созданы специальные сложные  технологии, включающие множество этапов повторных плавок и волочений, отжига и ковки, химической обработки и т.д. Фактически создана специальная область металлургии и материаловедения.

К материалам для  сверхпроводящих НТСП-проводов относятся в первую очередь сплавы ниобия Nb с титаном Ti. Это наиболее часто используемый материал, провода из него производятся в ряде стран серийно (рис. 35). Более высокими характеристиками обладает соединение Nb₃Sn. Оно выдерживает поле напряженностью до 100 000 Э одновременно с плотностью транспортного тока до 10³ А/мм²! Напомним, что бытовой провод сечением 1 мм² предназначен для токов, не превышающих 1–2 А во избежание расплавления.

Соединение Nb₃Sn также используется для конструирования проводов, хотя такие провода делать гораздо сложнее, чем ниобий титановые. В главе «Физика сверхпроводимости» уже говорилось, что «хорошими» сверхпроводящими свойствами обладают, как правило, металлы с «плохими» нормальными свойствами. Например, сверхпроводники в нормальной фазе гораздо хуже проводят теплоту и ток, чем, скажем, чистая медь. Кроме того, большинство сверхпроводников, в том числе Nb₃Sn, хрупкие. А ведь мы привыкли беззаботно изгибать обычные провода и даже плести из них кружевные узоры. Со сверхпроводящим материалом надо обращаться гораздо аккуратнее; пожалуй, среди НТСП-проводов единственным приятным исключением являются ниобий титановые сплавы, которые обладают достаточной для изготовления проводов пластичностью. И они пока наиболее часто используются на практике.

Мы не можем  даже перечислить все проблемы, возникающие  при конструировании сверхпроводящих  проводов. Решая их, конструктор  должен совместить противоречивые требования. Так, для обеспечения стабильности желательно добавлять в провод побольше меди. Но тогда увеличивается его  масса и уменьшается средняя  плотность тока. Низкое удельное сопротивление  меди способствует подавлению неустойчивостей, но зато увеличивает потери в переменном магнитном поле. (А в любом устройстве это поле будет меняться как минимум в моменты включения и выключения.)

Сверхпроводящие жилки провода, которые должны иметь  диаметр менее 0,1 мм, располагаются в медной матрице. Жилки обязательно нужно скручивать относительно продольной оси провода. На рис. 35 вы видите не просто сечения различных проводов, а разные фазы «сборки» сверхпроводящего провода. Пучок тоненьких сверхпроводящих жилок покрывается медью и скручивается, затем эта операция проделывается с полученными более толстыми жилками и т.д. Общее число собственно сверхпроводящих ниточек в сечении провода достигает десятков и сотен тысяч!

В крупных устройствах  стабилизирующего влияния меди недостаточно и провод по всей длине дополнительно  охлаждают жидким гелием, для чего в медной матрице оставляют специальные  каналы.

Так что сверхпроводящий  провод — весьма сложная и дорогая конструкция. Впрочем, такие утверждения всегда относительны. Килограмм сверхпроводящего материала для провода во много раз дороже килограмма меди. Но если сравнить стоимость проводов, рассчитанных на равную силу тока, то сверхпроводящий провод окажется дешевле медного.

3.4 Сверхпроводящие ВТСП-провода

В начале ХХI века начинается переход к производству и использованию сверхпроводящих ВТСП-проводов. Эти провода представляют собой ленты в отличие от более привычных проводов круглого сечения. ВТСП-провода переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше азотной, но имеют при азотной температуре сравнительно малые критические токи. В целом ВТСП-провода характеризуются довольно резкой зависимостью критического тока и напряженности магнитного поля от температуры и при температурах около 20 К имеют критическую плотность тока, которая превосходит параметры обычных низкотемпературных проводов (NbTi и Nb₃Sn). Возможность работать при 20–25 К обусловливает гигантский прогресс, поскольку позволяет использовать в прикладных устройствах, например, таких, как томографы, менее мощные и более дешевые охлаждающие устройства.