superconduction.docx

superconduction.docx

《superconduction.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《superconduction.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

superconduction

超导技术与应用

宋亚雷

（中国科学院合肥物质科学所,强磁场中心合肥230601）

摘要：

本文介绍了超导技术的基本理论知识及发展历程，着重说明了超导现象的BCS理论解释。

另外还介绍了超导材料的基础知识以及概括了超导技术在电工、交通、医疗、工业、国防和科学实验等高科技领域的应用。

许多科学家认为超导技术将是21世纪具有经济战略意义的高兴技术，是本世纪高新技术发展的一个重要方向。

关键词：

超导;BCS理论;库珀对;液氦;托克马克;磁悬浮列车

Superconductingtechnologyandapplication

SongYalei

（StrongmagneticfieldofHefeimaterialsciencecenter,Chineseacademyofsciences,Hefei,230601）

Abstract:

Thispaperintroducesthebasictheoryknowledgeofsuperconductingtechnology,andillustratesthesuperconductingphenomenonBCStheoryexplanation.Inadditionalsointroducedthebasicknowledgeofsuperconductingmaterials,andsummarizedthesuperconductingtechnologyinelectricalengineering,transportation,medical,industry,nationaldefenceandscienceexperimentandtheapplicationofhigh-techfields.Manyscientistsbelievethesuperconductingtechnologywillbethe21stcenturyeconomyhasstrategicsignificancetothetechnology,thedevelopmentofhighandnewtechnologyisoneoftheimportantdirection.

Keywords:

superconduction;BCStheory;cooperpair;liquidhelium;Tokamak;Maglevtrain

一引言

1908年,荷兰低温物理学家昂纳斯（HeikeKamerlinghOnnes,1853—1926）通过使温度接近绝对零度,成功地液化了氦气。

随后,他开始详细地研究在极低温条件下物质的各种特性,其中就包括低温下电阻随温度变化的规律。

1911年,他首次发现水银在4.2K以下时,电阻突然消失的导电现象。

然而,电阻完全消失并非超导体的唯一特征。

1933年,德国物理学家迈斯纳（W.Meissner,1882—1974）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）通过实验发现当物体处于超导态时,超导体内部的磁场实际上为零,具有完全的抗磁性。

这种现象叫做迈斯纳效应[1]。

完全抗磁性是导体独立于完全导电性的又一个基本特征。

从1911年到1933年这20多年的时间里,人们一直认为超导体只不过是电阻为零的理想导体,而完全抗磁性的发现,使人们认识到超导态实际上是一个热力学态,完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特征[1]。

1935年德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的电动力学理论。

1950年春天，美国国家标准局的麦克斯韦和拉特斯大学的雷诺茨等人分别独立发现，汞的超导转变温度与其同位素质量有关，质量越小，转变温度就越高，这就叫做同位素效应[2]。

从1950年到1959年，巴丁、库珀、施里弗三人共同创立了BCS理论，解决了一个困扰人们长达46年的难题。

它的创立标志着人们对超导电性的解释从宏观唯象阶段进入了微观阶段。

BCS理论极大地促进了有关超导研究的进展，因而成为超导物理学史上的重要里程碑。

1962年年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。

约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。

约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

此后的五十多年来，超导技术在能源、交通、采矿、环保、生命医学等领域得到广泛应用，兴起了超导输电、磁悬浮列车、超导船[3]、超导矿物分离机及临床磁共振CT等等超导应用技术。

二超导现象的理论

（一）BCS理论的发展历程

超导现象出现的基本标志是零电阻效应和迈斯纳效应即完全导电性和完全抗磁性。

这样一个实验：

在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动，这就是迈斯纳效应。

物体在低温出现超导现象仍然有一些问题没有弄清，但人们已经知道了很多。

首先，有一些低温超导现象是由于电声作用，可以用BCS理论做出解释，而象铜基超导体、重费米子超导体中的超导原因，目前仍在研究之中。

1940年巴丁首次开始接触超导体理论研究，当时提出的第一个思想是费米面起因于晶格微小位移而产生的一些小能隙，在紧靠费米面下面的态的电子能量被降低。

1955年，巴丁撰写了一篇关于超导理论的述评，使他认识到超导现象的产生涉及三个关键因素：

一是电子—声子相互作用;二是能隙的存在:

三是速度（动量）空间的凝聚。

1956年，库珀利用量子场论方法,直接从动力学的角度考虑相互吸引的直接作用,得到了费米面近旁两个动量和自旋都大小相等而方向相反的电子能结合成对。

这种电子对被称为《库珀对》。

库珀对的两个电子间在吸引的电-声相互作用和排斥的库仑相互作用抵消后还有一个净吸引,无论多么弱,都会使两个电子处于束缚态,能量比费米面能量略低一些,形成超导能隙。

库珀对的提出成为BCS理论成功的关键。

如果在费米面kBTC内所有的电子都结成电子对,那么这些电子对之间的平均距离只有约10-6cm,而这个距离远小于电子对的尺度[4]。

于是,按照多体方法,他们必须找到超导体的基态波函数,1957年1月底最后几天,施里弗正在纽约参加有关多体问题的会议,边听核子相互作用的报告,边思考超导电性问题时,他凭借自己的直觉和灵感,大胆地猜出一个考虑了库珀对的超导基态波函数的可能形式。

经过数学处理,他得到了能隙方程,吸引势的简单模型以及绝对零度时的凝聚能。

几天后,施里弗回到了伊利诺伊大学。

巴丁认真地核实了施里弗提出的超导基态波函数,很快就确认了它的正确性。

在1957年12月,第一篇完整概述他们理论的文章发表在了《物理评论》上，至此BCS理论正式的创立了。

（二）超导现象的理论解释

1.唯象理论的启示

热力学研究表明，超导态是一种热力学态，不仅比正常态的能量低，而且更有序。

实验研究已经表明从正常相转变到超导相是一种相变：

在磁场中超导与正常态之间的转变过程中有潜热的产生，这样的相变叫做一级相变；如果没有磁场的作用，相变叫二级相变，过程中没有潜热的产生，但是有比热的跃迁。

所以说超导态是一种新的状态。

早期提出的一种理论是“二流体理论”，这个理论把超导体中的电子分为超导电子和正常电子两种超导电子运动形成的电流叫超流[5]，没有电阻。

超导态的出现是正常态中的一部分电子凝聚成超流电子引起的温度降到Tc时这种凝聚开始发生温度继续降低从正常态凝聚到超导态的电子就不断增加与此同时，能隙也随温度降低而变大。

超导电子能量低而且有序。

这一模型在解释超导体的热力学性质和电磁性质时取得了成绩，但是二流体理论不能解释在温度时为什么会有一部分电子凝聚成超导电子，也就是为什么超导电子会变成低能的和有序的态。

一个真正的超导微观理论应当阐明，超导电子的能量为什么低，能隙有多大，有序度为什么大。

在这个基础上解释超导态的各种性质。

在此基础上，伦敦兄弟又提出了伦敦电学和磁学方程式。

根据伦敦方程式，超导体的一切电磁性质都是电子性质的变化引起的；电子凝聚到超导态后总动量为零。

这是因为动量大小相等，方向相反的电子两两成对；凝聚态中的电子总能量就是零了。

但是缺陷之处仍然是不能说明电子为什么会凝聚到超导态这样的一些根本问题。

金茨堡朗道（G－L）理论,这个理论用序参量来描述超导态，超导电子数和能隙都和序参量相联系所以，超导态的形成是能隙的形成，超导电子的出现和增加，有序度的增加，能量的降低。

比起伦敦理论来，G－L理论原则上有了决定超导电子数的方法。

2.弗罗列希的贡献

从上面的几个较成功的唯象理论可以看出，微观解释理论的一个基础是要找到是什么原因使得电子在超导态发生了凝聚[6]。

1950年，弗罗列希在超导微观机制研究方面迈出了重要的一步。

他首先指出，电子经过与声子相互作用能在电子之间产生新的相互作用。

在一定条件下，电子之间的这种新作用可以是吸引的，虽然这种吸引可能很微弱，因为传导电子是自由的，不受其他作用，可以说势能是零。

电子之间的吸引作用的另一种说法就是电子间的势能是负的。

互相吸引着的电子叫做电子处于束缚态。

于是束缚态的形成就是能量的降低，就是电子的凝聚。

弗罗列希的理论以电子经过与声子相互作用在电子之间产生新的束缚态为基础，能够解释超导体的同位素效应。

电子间是怎样经过声子作用而吸引的呢？

对一个传导电子来说，它和其他电子的同性相斥力加上它和所有正离子的吸引作用合起来可以忽略。

超导体中情况也基本相同。

但是超导电子、离子间的吸引作用比金属良导体的要强一点，因为超导体是不良导体。

电子周围带正电荷的晶格会因为库伦作用被扰动，扰动的传播即固体晶格的格波，或说是电子发射了声子。

这种电子通过声子交换动量和能量就是弗罗列希的电子间的新的相互作用。

按照两字理论，费米面附近的任意两个自由电子，如果其能量分别是E1和E2，动量大小相等而方向相反，自旋方向相反，且满足差小于kBθD时，他们是吸引的，否则就相互排斥，θD叫德拜温度。

3.BCS理论解释

在上面已经说明，电子和声子相互作用机制在一定条件下可以使两个电子相互吸引。

费米面上的两个自由电子，只要它们有吸引作用，不管多弱和什么机制，就要形成束缚态。

因为势能是负的，这样的两个处于束缚态电子的总能量就会略小于两个电子能量的和。

这样的一对能量和费米能相近，动量相等，方向相反，自旋相反，相互吸引而束缚在一起的电子对就叫做库珀对[5]。

两个电子形成了库珀对后，降低了能量，这种束缚态就是稳定的。

第三和第四个自由电子也会形成低能状态的库珀对，如此等等。

正常态变成了绝对不稳定的态了。

库珀对是费米面上的两个自由电子相互吸引而形成的束缚态电子对，并不是所有相互吸引的电子对都叫做库珀对。

利用量子力学的不确定关系就能证明，库珀对电子间的距离是相当大的，也就是凝聚成对的电子相互作用距离，叫“BCS相干长度”。

BCS相干长度随超导体不同而异，一般是在1---100纳米的量级。

我们知道，固体中原子间的距离是0.1纳米的数量级。

这就是说，一个库珀对电子中间可以有几十到几百个原子。

可见从微观尺度讲，库珀对有多么大。

又可以想到，库珀对电子间的相互作用一定是非常的微弱。

库珀对中两个电子的动量是大小相同方向相反的，所以每个电子对的总动量是零。

整个超流电子的总动量也是零，和伦敦方程揭示的一样尽管库珀对的每一个电子的速度都和费米速度差不多，它们的质心是不动的。

因为理论证明，这样的电子形成库珀对的几率最大。

库珀对中两个电子的自旋动量也是大小相同方向相反的，因为量子力学的泡利原理要求电子对的波函数必须是反对称的，这样的电子形成库珀对的波函数才满足泡利原理的要求[7]。

绝对零度下的正常自由电子气，使费米能以下（费米球内）的态全被占据，球外的态全空着如果电声子相互吸引作用使费米面上一对电子形成库珀对并降低

总能量，则将有更多的费米面下的电子去形成库珀对，以降低总能量。

这个过程直到平衡为止。

绝对零度时，费米面附近的电子全部凝聚成库珀对。

大量库珀对电子的出现就是超导态的形成。

反过来，当温度从绝对零度升高时，一部分库珀对就要被拆散，即出现一部分正常电子。

拆散一对电子所需能量的最小值是2⧍（每个电子的拆对能是⧍），也就是超导体在超导态时电子能谱中有一个大小为2⧍的能隙，能隙是温度的函数绝对零度时，能隙最大，此时费米面附近的电子全部凝聚为库珀对，处于超导基态。

当样品处于临界态时，也就不存在能隙了。

正常金属有电阻，是因为载流子会受到声子、缺陷、杂质原子等的阻尼散射而损失了动量和能量。

要维持稳恒电流（载流子的平均速度不变）就需要外加电场。

电场力做功就补充了电子因散射而损失的动量和能量。

晶格却从这种散射中获得了能量，这就是焦耳热等价地说正常金属导体有电阻在超导态情况下，组成库珀对的电子也不断地被散射，但这种不断地散射不影响库珀对质心动量，只是使库珀对得以维持，是无阻尼散射。

所以有电流通过超导体时库珀对的定向匀速运动不受阻碍，电子的能量没有损失，也就没有电阻。

呈现电阻的散射应是改变库珀对质心动量的散射，这种散射是一种拆散电子对的散射这种“拆对”过程就是将两个束缚在一起的电子拆散为两个单电子。

根据以上所讲，需要的最小能量为2⧍，所以只有这种能量有供给来源时这种散射才会发生。

在低电流密度下无法给拆对提供能量，因此能改变库珀对总动量的散射事件完全被制止了，全是无阻尼散射，所以没有电阻换句话说，和正常导体中电子不同的是，超导态电子受到声子的散射后又同时吸收了同样的声子，他们没有损失什么，也不需要电场力做功来补充能量和动量，所以没有电阻。

三超导材料研究

超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。

超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。

近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。

一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术发展产生深刻的影响[8]。

现在已经应用的超导材料有两大类，一类是充分利用超导体在大电流下有零电阻特性的，要求其承受大电流和强磁场，叫超导电力材料，也叫强电超导材料；另一类是利用约瑟夫森效应的，只涉及小电流和弱磁场的超导电性，叫超导电子材料，也叫弱连接超导材料或弱电超导材料[6]。

（一）低温超导材料

低温超导材料具有低临界转变温度（Tc<30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。

分为金属、合金和化合物。

具有实用价值的低温超导金属是Nb（铌），Tc为9。

3K已制成薄膜材料用于弱电领域。

合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。

最早研究的是NbZr合金，在此基础上又出现了NbTi合金。

NbTi合金的超导电性和加工性能均优于NbZr合金，其使用已占低温超导合金的95%左右。

NbTi合金可用一般难熔金属的加工方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜（或铝）为基体的多芯复合超导线，最后用冶金方法使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相（α+β）合金，以满足使用要求[9]。

化合物低温超导材料有NbN（Tc=16K）、Nb3Sn（Tc=18.1K）和V3Ga（Tc=16.8K）。

NbN多以薄膜形式使用，由于其稳定性好，已制成实用的弱电元器件。

Nb3Sn是脆性化合物，它和V3Ga可以纯铜或青铜合金为基体材料，采用固态扩散法制备。

为了提高Nb3Sn（V3Ga）的超导性能和改善其工艺性能，有时加入一些合金元素，如Ti、Mg等。

低温超导材料已得到广泛应用。

在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。

低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。

（二）高温超导材料

高温超导材料具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。

因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。

高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。

氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。

除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。

已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。

含铜超导材料有镧钡铜氧体系（Tc＝35--40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T发生复化。

最低为20K，高可超过90K）、铋锶钙铜氧体系（Tc＝10--110K）、铊钡钙铜氧体系（Tc＝125K）、铅锶钇铜氧体系（Tc约70K）。

不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（Tc约30K）。

已制备出的高温超导材料有单晶、多晶块材，金属复合材料和薄膜。

高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力。

现在高温超导材料的临界温度已经可以达到120k左右。

四超导技术的应用

从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：

一是用超导材料做成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题；

二是用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；

三是用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。

以下就从这三个方面来介绍超导技术在各个领域的应用前景。

（1）托卡马克装置中的超导磁体

世界上最先进的托卡马克装置内的所有磁体均采用超导磁体。

它可以用来研究等离子在磁场加速和约速下产生聚变。

聚变时产生的强大能量，具有很高的经济价值和广泛的应用潜力，聚变能应用在发电方面优点尤其突出。

在研究核聚变的装置中所采用的超导磁体有许多优点，从长期使用的角度来看，超导磁体的能耗小，成本低，是一种理想的磁体。

由于超导磁体的零电阻的特性，在处于超导状态时几乎不产生热，因此在不失超的情况下，可使电流很大而又不产生能量消耗，实现了我们所希望的强磁场低能耗的要求。

用这样一个能耗小的强磁场，在核聚变装置中实现聚变反应产生的巨大的聚变能，真正做到投入少产出高。

（2）超导飞轮储能技术[10]

飞轮储能是指利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。

飞轮储能的研究主要着力于研发提高能量密度的复合材料技术和超导磁悬浮技术。

其中超导磁悬浮是降低损耗的主要方法，而复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。

截止2012年我国还没有100千瓦、1万转以上的飞轮储能电机。

（3）超导发电机的开发[11]

它的原理是：

当用一种导电的流体流过一条通道而受到横向场作用时，会产生感应电动势，若在通道壁上放置两个电极即可提取电力。

我们由物理学中的有关原理知道，磁流体发电的输出功率与磁感应强度的平方成正比，但利用普通磁体仅能产生几千高斯的磁场，若采用超导磁体就可以产生数万乃至几十万高斯的磁场，从而使磁流体的输出功率大大提高。

随着超导技术的不断突破，在不远的将来必然可产生大容量、小型化的磁流体发电机。

这种发电机将会在许多领域得到应用。

我们知道航天器的发展受到两个方面因素的制约，第一是其动力的限制，第二是其重量对其施加的限制，而超导发电机在这两个方面都具有普通发电机无法比拟的优点。

（4）超导电磁推进系统[3]

超导电磁推进系统能产生很大的推力而又比常规动力系统节省能源，它可应用在潜艇上。

常规潜艇有其不可克服的缺点，例如潜艇航行时，由于推进器中螺旋桨等转动部分发出噪音，容易被敌方发现目标，采用超导电磁推进系统，是减小潜艇低频杂音的有效措施。

超导电磁推进系统是在潜艇内装置一个超导磁体，它在海水中产生很强的磁场，在艇体两侧安装一对电极，使两极间的海水中产生很强的电流。

由于磁场和海水中的电流互相作用，海水对艇体产生强大的推力。

该系统具有速度快、推进效率高、结构简单、易于维修和噪声小等优点，且消耗能量是常规船舶推进器的一半，从而使我们可以获得高航速、低消耗的舰艇。

（5）超导磁悬浮列车[12]

　超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导列车，这种列车具有低噪声、高速度、低消耗的特点。

其原理是：

在列车上装有超导磁体系统，当列车一旦运行时，下面的铁轨在磁体的交变磁场作用下产生涡流，这种涡流产生的磁场与列车上超导磁体的磁场相互作用，产生相斥作用力，可托起列车，当列车被托起后，它的运行阻力将大大减少，这样它的运行速度是普通列车无法比拟的，此外，它的两侧也安装超导磁体，在导轨的侧壁也装上导电板，根据电磁学原理，火车的导向问题也可以解决。

导轨侧壁的悬浮线圈和导向线圈均与电力电缆相联。

一旦列车从中心偏向任一边，列车所靠近的一侧上的线圈将向车体施加斥力，而与列车间距加大的一侧则向车体施加吸力，从而保证列车在任何时候均在导轨的中心。

（6）高温超导变压器

早在60年代，就有人对超导变压器进行研究。

但是，由于交流损耗过大而认为是不经济的。

只是最近几年由于极细丝超导复合导体的出现，超导变压器才成为有吸引力的应用项目。

高温超导材料放宽了对细丝直径的要求。

已有的液氦冷却的极细丝超导复合导体，估计损耗可降低至原来的1/2到1/3，重量也可进一步减轻。

高温超导变压器将比极细丝超导复合导体制作的变压器更优越。

由于超导受到的磁场强度只有0.3-0.5T,在变压器中采用高温超导材料是适当的。

在液氮下的绝缘强度比液氦下的高，所以，将会使变压器绝缘更简化。

（7）医用超导磁体[4]

超导技术在生物医学领域也有广泛的应用。

首先，我们来看最近人们提出的关于治疗癌症的一种方法，首先人们根据癌症病理提出一种设想，就是如何将局部癌变组织的营养来源切断，使癌细胞由于得不到营养而坏死，最终达到根治癌症的目的。

（8）超导核磁共振层析成像仪[14]

今天，科学家已发明了一种新的诊断仪器——超导核磁共振层析成像仪，该诊断仪器是根据核磁共振的原理对人体进行诊断。

所为核磁共振，是具有核磁矩的物质在一定的恒定磁场和交变磁场同时作用下，会对变化的电磁场产生强烈的共振吸收现象，称为核磁共振。

超导核磁共振层析成像仪中的超导磁体可以在一个大的空间产生一个均匀的强磁场，故这种新的成像仪的分辨率很高。

从生物磁学中我们可以知道，不同的核和同种核在不同的微观环境中有不同的共振谱线，因此可以由核磁共振谱线对人体的组成、状态、结构和变化过程进行分析，从而获得人体的生理和病理的信息。

人们在核磁共振的原理下，进一步采用的超导核磁共振层析成像仪，可以得到人体、生物和材料内部某些核的浓度和状态的截面图像，并且可以获得三维截面图像，这种可以对人体内部的结构进行精细的分析，从而对人体的状态进行合理的诊断，判断人体组织是否发生病变。

这种诊断的优点是对人体无电离辐射伤害，且截面图像的分辨率很高。

目前，超导核磁共振层析成像技术已在国内外医学界重视，进一步提高磁场强度及图像的分辨率的研究正在进行中。

（9）超导计算机[2]

超导技术在另一方面的应用是利用超导隧道效应制成的约瑟夫逊器件进行各种探测仪器的制作。

用它做成的各种探测器是普通探测仪器无法比拟的，它有很高的测量精度和稳定性。

另外超导材料可应用于制造新一代的计算机——超导计算机，这种新型计算机在运算速度上