浅谈超导技术的应用
浅谈超导技术应用
1.超导体的发现和发展简史
1908年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)教授成功的使氦气液化，达到了4.2K（﹣268.95℃）的低温。1911他发现汞电阻在4.15K陡然降到零，这一发现标志着人类对超导研究的开始。电阻的这种在某一温度下其阻值变为零的现象称为超导电性，而温度称为临界温度。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。1913年，人们发现铅是超导温度为7.2K的超导体；17年后，人们发现铌具有更高的超导温度9.2K。
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持久电流实验。
1933年，迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Ochsenfeld）发现超导体具有的重要性质。当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，即把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，这就是超导体的完全抗磁性。人们也将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。
1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15）的高温超导性。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。
1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。
在这个追求速度和效益的时代，人们越来越对一种现象感到不可容忍：电流在输送过程中时约有30%电能转化为无用的热量。导体尽管容易让电流通过，但导体仍有一些电阻，而超导体是不存在这个问题的唯一一类材料。超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗，用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。
然而经过70多年的发展，超导材料达到的最高临界温度只有23.2K，没有脱开液氦温度，而液氦价格昂贵，冷却效率低，很难广泛使用，目前超导体只在一些尖端的设备(如粒子加速器)上得到应用。要让超导体得到应用就首先要有容易使用的超导体。人们现在正不断地寻找新的超导体，其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，即"高温超导体"(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末，世界上掀起了寻找高温超导体的热潮，1986年出现氧化物超导体，其临界温度超过了125K，在这个温度区上，超导体可以用廉价
而丰富的液氮来冷却。此后，科学家们不懈努力，在高压状态下把临界温度提高到了
164K(-109℃)。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实用化进程。
2.超导体的应用前景和未来
由于超导材料具有极其优越的物理特性：一是零电阻效应，二是约瑟夫逊效应，三是迈斯纳效应。因此世界各国对“超导”技术的研究与开发相当重视。也正是因为其特殊的物理特性，超导材料的用途大致可分为以下三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
超导体在低温下可以实现稳定的零电阻超导态，这意味着超导线圈可以通过较大的电流而无焦耳热的产生。一方面，我们可以采用超导输电线进行远距离输电，从而大大降低输电过程的损失。目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%，我国每年的输电损耗就达一千亿度左右，如果采用超导输电线就可以节省相当于数十个发电厂的电力。另一方面，如果给闭合超导线圈通上电流，就可以维持较强的稳恒磁场，这便是超导磁体。常规稳恒磁体要实现强磁场就必须采用非常粗的铜导线，并将其泡在水中冷却，这使得磁体体积特别庞大，而且必须持续不断地通上电流，消耗更多的电能。相比之下，超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势。正因如此，在生物学研究和临床医学上采用的高分辨核磁共振成像技术大都是采用超导磁体；在科学研究中一些物性测量系统的稳恒磁体也是采用超导材料制成的，一些大型粒子加速器的加速线圈也常采用超导磁体，例如欧洲大型强子加速器LHC的加速磁体和探测器都采用了超导磁体；作为未来能源问题突破口之一的磁约束受控核聚变（人工托克马克），超导技术更将发挥不可替代的作用。
1962年，当时还是研究生的约瑟夫森（B. D. Josephson）在安德森（P. W. Anderson）的鼓励下从理论上证明了超导隧道结中存在约瑟夫森效应，即超导电子对可以隧穿两个超导体之间很薄的绝缘层，其隧穿电压敏感依赖于外加磁场。利用约瑟夫森效应制备的超导量子干涉仪（SQUID）是最为精确的微弱磁场探测器之一，最高精度达到5×10−18 T。利用SQUID可以进行高精度的磁测量，它能够检测出地球磁场的几亿分之一的变化，也能够探测10−9 T 到 10−6 T之间的生物磁场，心磁图和脑磁图也是未来医学诊断中在心电图和脑电图之外的有效补充检查手段之一。基于SQUID技术，人们还可以设计超导量子比特器件，是量子计算机的基本元件之一，而量子计算机的多通道快速并行计算将为未来的人类生产和生活带来革命性的变化。2012年3月，IBM研究院的科学家正式宣布一次可进行百万项计算的量子计算机研制成功。也许在不遥远的将来，传统计算机一整天的运算量在量子计算机上只要一秒，最终量子计算机将成为信息时代的主角。
超导体突出特性的重大意义，不亚于半导体的发现。甚至有专家预言，超导体的应用将导致一场新技术革命，特别是在军事领域的应用，将引起一系列巨大变革。
超导体在军事领域的应用将十分广泛。采用超导体材料，可使许多重要的军用装备，如C4I系统、聚能武器、舰艇、飞机、坦克、装甲车辆、导弹等武器的性能得到大幅度的改善。
超导飞机设计制造大功率、小体积的发动机，对提高飞机的作战性能至关重要。超导技术的突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制成功提供了条件。目前，有些国家已在研制几百至一千兆瓦的体积小、重量轻的超导发电机，预计机载大功率超导发电机将成为超导技术在军事上率先得到应用的重点项目。
超导舰船20世纪70年代以来，美、苏、英、日等国积极开展超导技术在海军舰船方面应用的研究，并不断取得成效。美国试制了7500马力的超导驱动系统；英国研制了650马力的超导电磁力推进装置；日本制成了世界上第一艘超导船。超导舰船由于取消了传统的螺旋桨推动部件，因而具有结构简单、维修方便、推力大、航速高、无震动、无噪声、无污染、造价低等诸多优点。潜艇应用超导推进系统后，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而不易被敌方发现，大大提高了舰船的快速机动能力和突防能力。
超导聚能武器是把能量汇聚成极细的能束，沿着精确的方向，以接近或等于光速的速度发射出去，对目标进行杀伤。但目前在研制这些武器上几乎都遇到了能源问题。即如何在瞬间向聚能武器提供大量的能源，而目前的储能装置储存的能量却非常有限，且体大笨重。而超导技术的发展，则为解决聚能武器能源问题提供了可能。 用超导材料制成的闭合线圈是一种理想的储能装置。因为只要线圈保持超导状态，它所储存的电磁能就会毫无损耗地长期保存下去，并可随时把强大的能量提供给聚能武器。超导储能装置使聚能武器如虎添翼，它有如给聚能武器提供了一个机动灵活、容量无比的弹药库。除此之外，超导的应用还很广泛，但由于其所需温度较低，价格昂贵，因此，目前只能应用于高端科技领域。
但其特殊的物理性质决定其开发价值，因此超导研究仍是一个充满挑战和机遇的领域。
未来的超导研究主要集中在三个方面：一是不断提高现有的实用超导材料制备工艺，改善超导器件的性能指标，提高制冷系统的性能，推进超导产业的市场化和规模化；二是不断探索更适合应用的超导材料，如具有较高的Tc，较大的临界电流密度、良好的韧性和塑性，廉价的原料和简易的合成方法等；三是研究清楚现有超导体的微观机理，为寻找新的超导体提供必要的理论指导。三个方面是相辅相成的。尽管超导的发现已有百余年的历史，但对超导材料和超导物理的研究，仍然是凝聚态物理最活跃最重要的领域之一。我们还应该注意到，越来越多的中国人和华人的身影不断加入到超导研究的队伍之中来。他们的研究成果也愈加受到科学界的重视并确实推进了对超导本质的理解，新的超导材料正在不断地被他们发现，超导应用也在中国开始蓬勃发展。中国应该对超导研究和应用做出更大的贡献，我们共同对中国超导研究的美好未来充满期待！