Сверхпроводящего состояния

Определив #0 по (2.51) для заданных размеров и плотности тока, можно оценить максимальную магнитную индукцию в катушке Вт, которая обычно реализуется на внутреннем радиусе в медианной плоскости (z = 0, г = г,) с помощью коэффициента kB — BJB0, зависящего от /, и /;, [2.12. 2.13]. В свою очередь, по Вт можно найти максимальную объемную электромагнитную силу fm = JxBm, действующую в катушке. Для сверхпроводниковых катушек (см. § 2.6) значения Вт не должны превышать критической индукции, нарушающей сверхпроводящее состояние провода. Заметим, что для плоских шайбообразных катушек с i<^h,, /;.
Типичная конструкция сверхпроводникового коммутатора [2.2, 2.47] содержит тонкую ленту из сверхпроводникового материала (например, NbTi). Лента уложена «гармошкой» в плотный пакет и охвачена управляющей обмоткой. При захолаживании лента переходит в сверхпроводящее состояние и становится короткозамкнутой перемычкой. Подача в управляющую обмотку импульса тока (обычно за счет разряда вспомогательного конденсатора) создает в ленте магнитную индукцию, превосходящую критическое значение, лента переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние, ее сопротивление скачкообразно возрастает. Это приводит к необходимому перераспределению токов в цепи ИН (см., например, схему на 2.21, а, где коммутатор К2 может выполняться по описанному принципу).

При понижении температуры удельное сопротивление р металлов уменьшается. В настоящее время известно, что многие чистые металлы и сложные вещества (сплавы и химические соединения) при охлаждении до некоторой температуры, приближающейся к абсолютному нулю, переходят в состояние сверхпроводимости, с наступлением которого их удельное сопротивление скачком уменьшается практически до нуля. В числе сверхпроводников можно отметить алюминий, ртуть, тантал, свинец, ниобий и его сплавы. Из этих веществ наиболее низкую критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние 1,2 К имеет алюминий.

В 60-х годах были открыты сплавы и соединения, сохраняющие сверхпроводящее состояние в сильных магнитных полях при высоких значениях тока, протекающего по сверхпроводнику (до 200 А/мм2).

В 60-х годах были открыты сплавы и соединения, сохраняющие сверхпроводящее состояние в сильных магнитных полях при высоких значениях тока, протекающего по сверхпроводнику (до 200 А/мм2).

В 1911 г. голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении до температуры 4,2 К сопротивление кольца из замороженной ртути внезапно падает до очень малой, практически не измеряемой величины. Это исчезновение электрического сопротивления, т. е. появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью, а критическая температура охлаждения, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, — температурой сверхпроводникового перехода ТКР. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; с повышением температуры до ТКР материал приобретает нормальное (не сверхпроводящее) состояние с конечным значением удельной проводимости у.

В дальнейшем были обнаружены, помимо ртути, и многие другие материалы, причем не только чистые металлы (химические элементы), но и различные сплавы и химические соединения, способные при охлаждении до достаточно низкой температуры переходить в сверхпроводящее состояние. Такие материалы получили название сверхпроводников. Известно 27 простых сверхпроводников (чистых металлов) и более тысячи сложных (сплавов и соединений). Первая группа образует так называемые мягкие сверхпроводники (сверхпроводники 1 рода), а вторая - твердые, или сверхпроводники 2 рода.

На 2.8(а) заштрихованная область представляет сверхпроводящее состояние, а незаппрИАОванная область вне кривой PQ — нормальное состояние материала. Эта кривая называется граничной кривой. Если материал используется в условиях температуры и магнитной индукции, соответствующих точке X диаграммы состояния, то сверхпроводимость может быть нарушена при нагреве (переход через кривую PQ в точке Y) или при повышении магнитной индукции (переход через кривую PQ в точке Z), а в более общем случае в результате одновременного повышения как температуры, так и магнитной индукции с пересечением пограничной кривой PQ в любой ее точке между точками Y и Z, Так как впервые ставшие известными сверхпроводники (простые сверхпроводники) имели лишь весьма малые значения В№ с (левая часть табл. 2.1), попытки практического использования явления сверхпроводимости были оставлены почти на 50 лет, вплоть до открытия твердых сверхпроводников в 50s годах нашего столетия.

Твердые сверхпроводники представляют собой не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Они обладают рядом особенностей: при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного диапазона; при изменениях магнитной индукции могут также наблюдаться промежуточные состояния между сиерхлроводяшим и нормальным; сверхпроводниковые свойства их в большой степени зависят от технологического режима изготовления.

сверхпроводящее состояние сохраняется до частот порядка десяти мегагерц). В табл. 2.1 приведены критические значения параметров некоторых сверхпроводников.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали второе фундаментальное открытие в области сверхпроводимости. Они обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся «идеальными диамагнетиками», т. е. их магнитная проницаемость ц скачком падает с ц а 1 до а = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело ( 2.9); если же переход тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле

Потери в СПИН возникают при быстром изменении тока (в основном, при разряде) из-за вихревых токов в матрице проводов, конструктивных элементах и т. п. [2.54]. При высоких значениях di/dt возможен кратковременный переход сверхпроводниковых жил в нормальное состояние с соответствующими потерями. Если в СПИН возникает устойчивая потеря сверхпроводящего состояния, то из-за больших токов происходит быстрый переход накопленной энергии в омические потери, что может привести к серьезным аварийным режимам. Для их предотвращения используются специальные виды защиты, основанные, например, на подключении к катушке СПИН внешних шунтирующих сопротивлений, в которых при необходимости выделяется основная часть накопленной энергии [2.12].

Установлены также сверхпроводящие свойства у некоторых полупроводников (напр-имер, антимонида цндия InSb), серы, ксенона и пр. В то же время для многих проводниковых материалов, таких, как серебро, медь, золото, платина и др., даже при очень низких температурах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось. Некоторые из сверхпроводниковых материалов, представляющих практический интерес, представлены в табл. 4.2.

Теория сверхпроводимости исключительно сложна? В создание этой теории основной вклад внесли советские ученые — Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов, В. Л, Гинзбург, А. А. Абрикосов, Л. П. Горь-ков и другие, а также ученые зарубежных стран —Д. Бардин, Л. Купер, Д. Шрнффер и другие. По современным представлениям в основе явления сверхпроводимости лежит образование связанных пар электронов («куперовских пар»); такая пара не может выде/пять энергию малыми дозами, так что обычные джоулевы потери мощности, которые наблюдаются в металлах при нормальных условиях, здесь уже не имеют места. Разъединение ассоциированных в куперов-скую пару электронов при повышении температуры или магнитной индукции представляет собой нарушение сверхпроводимости, т. е. фазовый переход сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное. Отмечается глубокая аналогия в физической сущности явления сверхпроводимости и явления сверхтекучести, открытого П. Л. Капицей у жидкого гелия-П и теоретически обоснованного Л. Д. Ландау.

лено от сверхпроводящего состояния энергетической щелью ?св ( 7.14), напоминающей запрещенную зону полупроводника (см. 5.6).

Криотронные переключатели и запоминающие элементы. В этих устройствах используются эффекты наведения в замкнутом сверхпроводящем контуре незатухающего тока и разрушения сверхпроводящего состояния магнитным полем. На 7.19, а показана принципиальная схема простейшего криотронного переключателя. Он состоит из управляемого (вентильного) провода /, изготовляемого обычно из тантала, имеющего Т' — 4,4 К, и управляющей обмотки 2 из ниобия (7^р = 9,? К) или свинца (Т? = 7,2 К). При рабочей температуре Т, немного меньшей ТКР, вентильная проволока (и тем более обмотка) находится в сверхпроводящем состоянии и не оказывает сопротивления прохождению через нее тока /вент- При пропускании через управляющую обмотку определенного тока /упр происходит разрушение сверхпроводящего состояния вентильной проволоки и перевод ее в нормальное состояние с конечным сопротивлением R. Такое устройство аналогично реле, разомкнутому состоянию которого соответствует нормальное состояние вентильного провода, замкнутому — сверхпроводящее состояние вентиля. Управляющая обмотка, имеющая Т" > Т', всегда находится в сверхпроводящем состоянии.

Быстродействие криотронного переключателя определяется его постоянной времени т = L/R, где L — индуктивность управляющего элемента;, R — сопротивление управляемого элемента, когда он находится в нормальном состоянии. У проволочных криотронов т я= 10~а—10~4 с. Для уменьшения т необходимо предельно увеличивать R и уменьшать L. Это достигается в пленочных криотронах, состоящих из двух скрещенных пленок, нанесенных на подложку и разделенных тонким слоем диэлектрика ( 7.19,6). Управляемая пленка 1 изготовляется обычно из олова (7^р = 3,7 К),, управляющая 2 — из свинца (Т" = 7,2 К). Изменением тока через управ" ляющую пленку можно управляемую пленку переводить из сверхпроводящего состояния в нормальное и обратно, т. е. выключать и включать цепь. Делая управляемую пленку тонкой (ж 10-' м), можно достичь значительного-повышения ее сопротивления в нормальном состоянии.Индуктивность управляющей пленки значительно ниже индуктивности обмотки проволочного кри-отрона. Дальнейшего уменьшения L достигают нанесением на подложку (перед изготовлением пленок) сверхпроводящего экрана (тонкого слоя свинца), предотвращающего распространение магнитного поля управляющей пленки за пределы управляемой пленки и тем самым уменьшающего эффективную индуктивность управляющей пленки. Таким способом удается снизить т до-Ю-г с.

Новые возможности для создания быстродействующих элементов ЭВМ открывают эффекты Джозефсона. Как отмечалось в предыдущем параграфе, если ток, проходящий через переход Джозефсона не превышает величины /„, вся система является сверхпроводящей и обладает нулевым сопротивлением. При превышении тока )„ или при действии на переход хотя бы слабого магнитного поля на переходе возникает разность потенциалов, что означает появление у перехода определенного сопротивления. На этом принципе могут быть построены туннельные джозефсоновские криотроны. Так как переход от нулевого сопротивления к конечному не связан с разрушением сверхпроводящего состояния материалов, то скорость переключения туннельных криотронов оказывается значительно более высокой, чем у обычных сверхпроводящих криотронов. В настоящее время построены туннельные криотроны с временами перекЛЕОчения яа Ю-11 с и рассеиваемой мощностью, не превышающей 10~' Вт.

Система криогенного обеспечения СПКЛ рассчитывается на поддержание параметров (расхода, температуры и давления) основного (гелия) и вспомогательного (азота) хладагентов в пределах, определяемых условиями оптимального функционирования линии в установившихся режимах и условиями восстановления сверхпроводящего состояния после отключения КЗ и АПВ линии. Циркуля-

Криотурбогенераторы. Предельная мощность турбогенератора с внутренним водяным охлаждением обмоток статора и ротора не превышает 2000 МВт. Дальнейшим рост единичной мощности турбогенераторов возможен при использовании сверхпроводящей обмотки ротора. Применение сверхпроводящей обмотки возбуждения в генераторах уже освоенных мощностей позволяет повысить их КПД и снизить в 2—3 раза расход материалов. Однако из-за технических сложностей охлаждения до сверхпроводящего состояния вращаю-

где В0 — критическая магнитная индукция при кулевой температуре; Вк — магнитная индукция, при которой происходит переход из сверхпроводящего состояния в нормальное при температуре Т < Тк.

Существенная особенность электродинамики сверхпроводников заключена в нелокальном характере связи плотности тока с напряженностью внешнего магнитного поля. Это обусловлено тем, что электроны в сверхпроводнике пространственно связаны, коррелированы друг с другом. Если магнитное поле изменяет состояние одного электрона, то это благодаря межэлектронному взаимодействию влияет на поведение другого электрона. Вследствие нелокального характера электродинамики сверхпроводящего состояния ток в какой-либо точке не зависит от напряженности магнитного поля в этой точке, а определяется в общем случае магнитным полем в ее окрестности, т.е. связь между током и магнитным полем носит интегральный характер.