Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
21.02
В пении флейтовых птиц обнаружены музыкальные принципы

20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение

16.02
Открыт бензольный дикатион — пирамида с шестикоординационным углеродом

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых






Главная / Библиотека / Опубликовано полностью версия для печати

академик Виталий Лазаревич Гинзбург,
к. ф.-м. н. Евгений Александрович Андрюшин

Глава 4. Техника сверхпроводимости

Применение 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.

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.

Рис. 34. Лабораторные сверхпроводящие соленоиды

Рис. 34. Лабораторные сверхпроводящие соленоиды

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.

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.

Рис. 35. Сечения промышленных сверхпроводящих проводов на различных этапах их «сборки»

Рис. 35. Сечения промышленных сверхпроводящих проводов на различных этапах их «сборки»

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.

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.

Среди ВТСП-проводов выделяют провода двух поколений. Провода 1-го поколения — это провода на основе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика, как правило, Bi–Sr–Ca–Cu–O. Такие провода доступны на рынке с 2000 года и имеют длины до 1,5 км. Недостатки их — наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость. Конструкция проводов 2-го поколения решает эту проблему. Эти провода представляют собой многослойную структуру, которая напыляется на ленту из нержавеющей стали. Важную роль играет слой MgO, который напыляется непосредственно на нержавеющую ленту под углом 30–40°. Косое напыление создает на поверхности MgO одинаково направленные борозды. Эти борозды служат для ориентации кристаллов ВТСП-керамики, которая напыляется непосредственно на MgO.

Рис. 36. Структура ВТСП-провода 2-го поколения: а – защитный слой Сu; б – керамика Y–Ba–Cu–O; в – ориентированный слой MgO; г – неориентированный слой MgO; д – лента из нержавеющей стали

Рис. 36. Структура ВТСП-провода 2-го поколения: а — защитный слой Сu; б — керамика Y–Ba–Cu–O; в — ориентированный слой MgO; г — неориентированный слой MgO; д — лента из нержавеющей стали

В качестве ВТСП-керамики используется Y–Ba–Cu–O или близкие к ней по структуре керамики. Слой ВТСП-пленки имеет толщину менее 2 мкм. Структура ВТСП-провода 2-го поколения показана на рис. 36. Новые сверхпроводящие провода разрабатываются очень быстрыми темпами, и в ближайшее время возможно появление новых композитных материалов с уникальными свойствами для технических применений. В целом эта область находится на пороге нового технического бума, который будет связан с разработкой и применением двигателей на основе новых сверхпроводящих проводов с использованием безжидкостного охлаждения систем при помощи охладителей. Кроме того, активно разрабатываются накопители энергии, токоограничители и другие технические устройства для больших энергетических систем.

Применения сверхпроводящих магнитов 1

Сильные магнитные поля необходимы прежде всего при проведении исследований. И здесь сверхпроводящие магниты применяются активно. Некоторые установки без них невозможно создать в принципе. На рис. 37 даны раритетные фотографии этапов сборки сверхпроводящих магнитов для установки «Токамак-15». Она предназначена для получения и исследования плазмы при высоких температурах и плотностях. Установки семейства «Токамак» представляют собой тор (или, попросту говоря, «бублик»), внутри которого магнитное поле должно удерживать высокотемпературную плотную плазму. Магнитное поле очень сложной конфигурации создается сверхпроводящей магнитной системой, состоящей из большого количества обмоток нескольких видов. Один из элементов системы вы видите на рис. 38. Назовем несколько параметров, характеризующих размеры и сложность системы: большой радиус тора составляет почти два с половиной метра, токи в обмотках достигают 3700 А, а радиальная сила, которая будет действовать на одну катушку в рабочем состоянии, достигает 10 т.

Рис. 37. Момент сборки установки «Токамак-15» (1988 год, Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова). Существенной частью установки является создающая тороидальное магнитное поле сверхпроводящая магнитная система

Рис. 37. Момент сборки установки «Токамак-15» (1988 год, Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова). Существенной частью установки является создающая тороидальное магнитное поле сверхпроводящая магнитная система

Конструирование подобных плазменных установок немыслимо без сверхпроводящих магнитов, из которых построены и магнитные системы новых ускорителей элементарных частиц. Создание таких систем характеризует сложность задач, которые научились решать. Установка «Токамак» стала основой международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. В 2005 году было определено место его строительства — местечко Кадараш во Франции, недалеко от Марселя.

Разработка технического проекта реактора ИТЭР завершилась в 2001 году. От России главными действующими организациями в разработке проекта выступали ФГУП НИИЭФА2, РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП ВНИИНМ3 и ФГУП НИКИЭТ4 с привлечением еще около 200 организаций. Работа над проектом реактора в России велась в рамках Федеральной целевой программы «Международный термоядерный реактор ИТЭР», утвержденной Правительством Российской Федерации. Общая стоимость разработки проекта составила около 2 млрд долл. США, зачтенный вклад России в разработку оценен в 17%.

Схематически реактор в разрезе изображен на рис. 38. Сверхпроводящие магниты, создающие поля напряженностью до 60 000 Э, являются одной из ключевых частей устройства. Для их работы необходим криостат, в полости которого смонтирован собственно токамак. Криостат имеет форму вертикально стоящего герметизированного цилиндра с полусферическими торцами. Межстенное пространство шириной 200 мм может откачиваться либо заполняться гелием. Объем криостата около 30 000 м3; суммарная площадь стенок около 700 000 м2.

Рис. 38. Схема реактора ИТЭР. Реактор состоит из вакуумной камеры, сверхпроводящих магнитов для создания тороидального и полоидального полей, криостата, бланкета, в котором должно проходить воспроизводство трития, системы дополнительного нагрева, системы подпитки реактора топливом, системы очистки плазмы от «шлаков» (дивертор), системы ограничения размеров плазмы (порт-лимитер) и др. Съем теплоты будет осуществляться водой. Внешние габариты реактора: диаметр 40 м, высота 40 м

Рис. 38. Схема реактора ИТЭР. Реактор состоит из вакуумной камеры, сверхпроводящих магнитов для создания тороидального и полоидального полей, криостата, бланкета, в котором должно проходить воспроизводство трития, системы дополнительного нагрева, системы подпитки реактора топливом, системы очистки плазмы от «шлаков» (дивертор), системы ограничения размеров плазмы (порт-лимитер) и др. Съем теплоты будет осуществляться водой. Внешние габариты реактора: диаметр 40 м, высота 40 м

Комплекс реактора ИТЭР будет размещен на территории 0,7 × 1,2 км. Помимо здания собственно реактора на этой территории должно быть сооружено еще около 30 зданий — для криогенной фабрики, очистки и подготовки топлива (трития), мощной системы электропитания, системы управления и сбора информации и многие другие. Полная проектная термоядерная мощность реактора должна составить 500 МВт.

Применения сверхпроводящих магнитов 2

Сверхпроводящие магниты используются в ЯМР-томографах (ЯМР — ядерный магнитный резонанс). Это — медицинский прибор, использующий свойство ядер некоторых веществ (например, водорода) давать резонансный отклик на слабое электромагнитное излучение, причем частота резонанса пропорциональна напряженности магнитного поля. Анализ (компьютерный) отклика ядер в разных частях организма позволяет получать послойное контрастное изображение любых тканей, даже мягких, что очень сложно достичь другими методами. Можно надеяться, что в перспективе ЯМР-томограф позволит осуществлять и биохимический анализ.

В рабочей полости прибора сверхпроводящий магнит создает магнитное поле напряженностью 15–20 тысяч эрстед. Для получения хорошего изображения однородность поля в полости должна быть не хуже 0,1%. По сравнению с рентгеноскопией ЯМР-томография не только более мощное диагностическое средство, но и безопасное: многолетние исследования пока не выявили каких-либо отрицательных последствий кратковременного пребывания человека в сильном магнитном поле.

Идея использования ЯМР-томографии в медицине была высказана в 1971 году. Промышленный выпуск приборов начался в 1982 году. Уже в конце 1985 года в мире насчитывалось около 300 томографов медицинского назначения. В начале ХХI века без томографа не обходится ни один приличный диагностический центр. Это и большое технологическое достижение: эксплуатирующие томографы специалисты медики не очень задумываются о сложности примененных решений. Скажем, в нормальных условиях долив жидкого гелия требуется раз в три года.

Весьма заманчивы перспективы применения сверхпроводящих магнитов в энергетике. Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств, благодаря чему резко сократятся их размеры. Плотность тока в сверхпроводящих проводах по меньшей мере в десятки раз превышает плотность тока в обычных проводах. Напряженность магнитного поля можно будет довести до 10 тысяч эрстед, что на порядок больше, чем в обычных машинах. Так как размеры электротехнических устройств обратно пропорциональны произведению допустимой плотности тока на индукцию магнитного поля, то ясно, что применение сверхпроводников уменьшит размеры и массу электрооборудования во много раз. В ряде стран разрабатываются электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах для регулирования пиковых нагрузок в больших электросетях, токоограничители и выключатели для коммутации мощных электроэнергетических сетей. В настоящее время электронакопительные системы на сверхпроводящих магнитах используются для обеспечения безопасности электроснабжения отдельных предприятий. По-видимому, в ближайшие годы такая технология будет применена для системы энергоснабжения крупного города. Можно сказать, обращаясь к нашей ближайшей истории, что использование такой технологии сделало бы московский сбой в энергоснабжении в мае 2005 года незаметным для жителей Москвы.

Применения сверхпроводящих магнитов весьма разнообразны. Вполне возможно, что в ближайшем будущем именно сверхпроводящие устройства станут основными источниками магнитных полей в технике. Разговор об этом продолжится в последней главе, сейчас мы кратко расскажем о совершенно ином классе сверхпроводящих устройств, реально существующих и активно использующихся, — о СКВИДах. Для этого надо вернуться к физике сверхпроводимости.

Эффекты Джозефсона

Эти эффекты возникают при наличии контакта двух сверхпроводников. Их существование предсказал в 1962 году английский физик Б. Джозефсон.

Что такое контакт?Мы щелкаем тумблером выключателя — замыкаем контакт, по цепи течет ток, и в комнате зажигается свет. Для этого потребовался «хороший контакт», соприкосновение двух проводников. Даже тонкая пленка диэлектрика создает огромное сопротивление и препятствует протеканию тока. Отсутствие контакта точно так же мешает протеканию и сверхпроводящего тока, причем препятствием в этом случае служит не только диэлектрик, но и несверхпроводящий металл.

Однако физика сверхпроводящего контакта сложнее. Проделаем простой мысленный опыт: возьмем два куска сверхпроводника. Движение электронов в одном и движение в другом никак не связаны между собой, даже если это один и тот же материал. Теперь будем сближать эти два куска. Из несвязанных частей в конце концов составится единое целое! И в нём движение всех электронных пар взаимосвязано. Состояние контакта сказывается на всех электронах, а не только на оказавшихся вблизи. Когда же и как происходит переход от полного отсутствия связи двух кусков к их полному единству?

Сверхпроводящие электроны в нашей книжке охарактеризованы некоторым масштабом длины ξ. Количество сверхпроводящих электронов не может возрастать или убывать «слишком резко» от одного участка сверхпроводника к другому. Но это означает, что граница сверхпроводника не может резко ограничивать влияние сверхпроводимости. Действительно, оказывается, что это влияние распространяется на длину порядка ξ за границу сверхпроводника (если этому ничто не мешает, а мешать может, например, магнитное поле, см. рис. 16 и 32).

Если нанести на сверхпроводник тонкую пленку нормального металла толщиной меньше ξ, то эта пленка тоже обретает сверхпроводящие свойства. Такое явление называется эффектом близости. Эффекты Джозефсона возникают тогда, когда два куска сверхпроводника разделены тонкой пленкой нормального металла или диэлектрика — достаточно тонкой, чтобы они еще чувствовали сверхпроводимость друг друга, и достаточной толстой, чтобы всё же разделить их. Именно о такой ситуации мы и говорим, как о контакте двух сверхпроводников, а взаимное влияние сверхпроводников друг на друга, когда оно возникает, называется слабой сверхпроводимостью.

Сам контакт иначе называется слабым звеном сверхпроводящей цепи. Слабое звено можно создать отнюдь не только с помощью разделяющей два сверхпроводника пленки. Некоторые применяющиеся на практике виды слабых звеньев показаны на рис. 39.

В каждом из сверхпроводников, находящихся в контакте, движение электронов упорядочено, куперовские пары движутся в фазе. Эти фазы для обоих сверхпроводников, вообще говоря, различны — их различие обусловливает движение пар электронов через контакт. При описании эффектов Джозефсона полезно вспомнить явление интерференции в оптике. Это аналогичные явления — только на контакте сверхпроводников интерферируют не световые волны, а электронные, именно о разности их фаз идет речь. (Напомним, что по законам квантовой механики не только волну следует представлять как частицу, но и частицу, в данном случае электрон, — как волну.)

Стационарный эффект Джозефсона заключается в том, что через контакт самопроизвольно течет сверхпроводящий ток, естественно, без приложения какого-либо напряжения. Этот ток определяется разностью фаз обоих сверхпроводников. Он довольно слабый, но вполне ощутимый, для обычно применяемых контактов составляет порядка единиц миллиамперов.

Рис. 39. Рисунки а, б, в схематически показывают возможности создания слабых сверхпроводящих звеньев (это только примеры, в технике используется значительно большее число вариантов): а – на подложку 1 напыляется полоска сверхпроводника 2, затем прослойка диэлектрика 3 и, наконец, сверху полоска сверхпроводника 4. Показанные на рисунке слои образуют джозефсоновский контакт. Реально это может быть только часть напыленного на той же подложке более сложного устройства; б – в разрезе показан точечный контакт одного сверхпроводника с другим, который тоже образует слабое звено; в – можно также сделать канавку в пленке сверхпроводника. На рисунке показан поперечный разрез такой пленки с канавкой. Существенно, чтобы поперечные размеры канавки были порядка ξ

Рис. 39. Рисунки а, б, в схематически показывают возможности создания слабых сверхпроводящих звеньев (это только примеры, в технике используется значительно большее число вариантов): а — на подложку 1 напыляется полоска сверхпроводника 2, затем прослойка диэлектрика 3 и, наконец, сверху полоска сверхпроводника 4. Показанные на рисунке слои образуют джозефсоновский контакт. Реально это может быть только часть напыленного на той же подложке более сложного устройства; б — в разрезе показан точечный контакт одного сверхпроводника с другим, который тоже образует слабое звено; в — можно также сделать канавку в пленке сверхпроводника. На рисунке показан поперечный разрез такой пленки с канавкой. Существенно, чтобы поперечные размеры канавки были порядка ξ

Нестационарный эффект Джозефсона возникает, если к контакту приложить постоянное напряжение U или попробовать пропускать через него ток, больший некоторого критического. (Обратите, пожалуйста, внимание на то, что критический ток слабого звена гораздо меньше критического тока сверхпроводника. Это разные величины. Поэтому, кстати, в цепях, рассчитанных на большие токи, слабых звеньев быть не должно и контакты необходимо выполнять с большой тщательностью.) Тогда контакт обретает активное сопротивление и индуктивность, а ток течет через него переменный. В отличие от обычного закона Ома напряжение U определяет не амплитуду тока, а его частоту. При напряжениях порядка милливольт частоты составляют сотни и тысячи гигагерц (1 ГГц = 109 Гц). Эта область частот называется областью СВЧ — сверхвысоких частот.

Джозефсоновский контакт двух сверхпроводников не только преобразует постоянное напряжение в переменный ток, но и работает как колебательный контур — излучает электромагнитные волны в диапазоне СВЧ.

Неудивительно, что столь своеобразные явления быстро нашли применение.

Применение слабой сверхпроводимости — СКВИДы

СКВИД — прибор, название которого представляет собой сокращение длинного наименования «сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство» на английском языке. «Сердце» СКВИДа представляет собой сверхпроводящее кольцо с четырьмя выводами, которые служат для подачи тока и съема напряжения. В кольце есть одно или два слабых звена. Кольцо с одним слабым звеном и кольцо с двумя слабыми звеньями — два разных вида СКВИДа, различающиеся по устройству и режиму работы. Мы, однако, в этой книжке избегаем излишних подробностей, поэтому расскажем лишь о свойствах, общих для всех СКВИДов.

Для их работы существенны два явления — стационарный эффект Джозефсона и явление сохранения и квантования магнитного потока в сверхпроводящем кольце. Дело в том, что на СКВИД подается магнитное поле — внешнее или специально создаваемое в устройстве. Если бы кольцо не содержало слабых звеньев, то оно бы жестко сохраняло величину Φ магнитного потока, протекающего через него, причем эта величина кратна кванту потока Φ0, т.е. Φ = nΦ0, где n — целое число.

Сверхпроводящее кольцо со слабым звеном ведет себя в поле следующим образом. Если увеличивать внешний поток, то магнитный поток Φ через кольцо тоже немного увеличивается (рис. 40) — сверхпроводящий ток кольца не может полностью экранировать внешнее поле. Затем настает момент, когда этот сверхпроводящий ток превышает критический ток слабого звена, оно переходит в нормальное состояние, один квант потока проникает внутрь кольца (на рисунке это момент скачка), экранирующий ток резко падает, слабое звено вновь переходит в сверхпроводящее состояние, и кольцо снова начинает сопротивляться дальнейшему нарастанию внешнего магнитного поля.

Рис. 40. Так увеличивается магнитный поток через сверхпроводящее кольцо со слабым звеном при увеличении внешнего магнитного поля. Внешним мы называем поток, который проходил бы через кольцо, если бы сверхпроводимости не было

Рис. 40. Так увеличивается магнитный поток через сверхпроводящее кольцо со слабым звеном при увеличении внешнего магнитного поля. Внешним мы называем поток, который проходил бы через кольцо, если бы сверхпроводимости не было

При другом возможном в СКВИДах режиме на внешние контакты подается постоянный ток и со СКВИДа можно снимать отличное от нуля напряжение, которое, однако, зависит еще и от магнитного поля, в котором находится СКВИД. Эта зависимость позволяет на основе СКВИДов создавать сверхточные измерители напряженности магнитного поля. При этом СКВИД измеряет не абсолютное значение напряженности поля, а его отличие от эталонного, или разницу значений в двух близких точках, или изменение напряженности поля во времени. Большое поле, конечно, разрушит Сквид, поэтому чаще всего Сквид помещают в экранирующий сверхпроводящий «стакан». (Это название должно указывать только на форму экрана, а не на реальные размеры устройства, которое, скорее, напоминает тонкую палочку. Размеры самих СКВИДов — порядка десятков и сотен микрон.) Измеряемые изменения магнитного поля передаются к СКВИДу посредством специальных приемных витков и катушек.

Основанные на СКВИДах датчики магнитного поля широко применяются в геофизике для измерения колебаний магнитного поля Земли и в некоторых других областях. С использованием СКВИДов созданы пиковольтметры, измерители магнитной восприимчивости и другие точные приборы. С помощью СКВИДов в медицинских исследованиях ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела — в дополнение к электрическим исследованиям (электрокардиограммы или электроэнцефалограммы). Для съемки магнитных сигналов не нужен непосредственный контакт с телом. Более того, возможна регистрация сигналов, гораздо более слабых или исходящих от небольших участков тела. За годы экспериментов научились получать магнитограммы практически от всех органов человеческого тела, причем удается регистрировать сигналы с напряженностью 5·10–7 Э, и это не предел! Напомним, что напряженность магнитного поля Земли в миллион раз больше.

Таким способом удается получить магнитограмму плода беременной женщины. Это существенно, поскольку раннее обнаружение отклонений в ритме сердца и назначение лечения могут уменьшить возникающее повреждение мозга ребенка и устранить его умственную отсталость. А электрокардиограмму плода на фоне электрической активности органов матери получить очень трудно или вообще невозможно. С физической точки зрения этот метод уже разработан, однако распространенным диагностическим методом не стал прежде всего потому, что не всегда надежна расшифровка магнитограммы.

На основе СКВИДов и контактов Джозефсона созданы и иные измерительные приборы — чувствительные вольтметры, низкотемпературные термометры (для диапазона температур 10–6–10+1 К), детекторы электромагнитного излучения и многие другие. С помощью эффекта Джозефсона в 1970-е гг. был установлен новый, более точный эталон вольта, удалось также приблизительно в 10 раз уточнить значения некоторых фундаментальных физических постоянных. Магнитный контроль с применением СКВИДов, как показывают эксперименты, может регистрировать возникновение пластической деформации, предшествующей образованию трещин.

Немного найдется столь «работоспособных» эффектов!


1 ВТСП — высокотемпературная сверхпроводимость или высокотемпературные сверхпроводники. Так обычно именуются материалы, чья критическая температура больше, чем температура кипения азота (Tb = 77,4 К). Соответственно наблюдать сверхпроводимость можно с использованием лишь жидкого азота, без гелия. В 90-х годах ХХ века стала употребляться и аббревиатура НТСП — низкотемпературная сверхпроводимость или низкотемпературные сверхпроводники, до этого в эксперименте они все были низкотемпературными.

2 Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова.

3 Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А. А. Бочвара.

4 Научно-исследовательский и конструкторский институт им. Н. А. Доллежаля.


Комментарии (3)


Комментировать
 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия