Сверхпроводимость

В 1911 г. голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес, измеряя температурную зависимость электрического сопротивления ртути, обнаружил, что при понижении температуры до 4.15 К оно резко падает до неизмеримо малой величины. Свойство некоторых материалов обладать нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими определённой температуры (критическая температура, Тс) называют сверхпроводимостью.

В настоящее время сверхпроводимость обнаружена у 27 элементов Периодической системы Менделеева (максимальная Тс = 9.2К у ниобия) и более 1000 сплавов (максимальная Тс = 23.2К у Nb3Ge). Сверхпроводимость наблюдается также у широкого класса соединений, которые принято относить к категории высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП, максимальная Тс = 138К).

sverh01.jpg

Помимо критической температуры сверхпроводники характеризуют рядом других параметров, из которых основными являются критическая плотность тока – величина, при достижении которой он переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние, и величина критического магнитного поля (Bc), при превышении которой он становится несверхпроводящим. Эти параметры взаимозависимы: граница перехода сверхпроводник - несверхпроводник описывается поверхностью в трехмерном пространстве (T, j, B). Чем меньше один из параметров, например, температура, тем больше критические величины других параметров (ток и магнитное поле).

Перспективы практического использования сверхпроводимости очевидны, однако его широкому использованию многие годы препятствовало слабое развитие криогенной техники и недостаточно высокие критические характеристики сверхпроводников. С открытием в 60-х годах сверхпроводников 2-го рода с высоким значением критического поля (Nb-Ti, Nb3Sn) начинается создание устройств, позволяющих создавать сильные магнитные поля для использования в томографии, ускорителях, токамаках, оборудовании для магнитной сепарации и т.п. Открытие в 1986 году прошлого века материалов, имеющих необыкновенно высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние, привело к существенному расширению потенциальных областей промышленного использования сверхпроводников.

sverh02.jpg

Первые успехи в создании ВТСП-проводов связаны с разработкой лент в серебряной оболочке на основе сверхпроводника Bi-Sr-Ca-Cu-O (BSCCO), получившими название лент первого поколения. Несколько позднее появилась технология производства лент 2-го поколения на основе сверхпроводников систем R-Ba-Cu-O (RBCO, R – редкоземельный элемент). И в том, и в другом случае ВТСП-материал обладает высокой текстурой. Cечение сверхпроводника составляет лишь малую часть общего сечения провода: в лентах 1-го поколения эта величина обычно не превышает 40%, а в лентах 2-го поколения – 5%.

Технология производства таких лент представляет собой сложный процесс, опирающийся на знания в химии, физике, металлургии и других областях. В лентах 1-го поколения жилы ВТСП заключены в матрицу из серебра или сплава на его основе. Для создания лент 2-го поколения обычно применяют ленты-подложки (как правило, из сплавов на основе никеля), а ВТСП-жила одна и представляет из себя тонкое покрытие на поверхности ленты. Для предотвращения химического взаимодействия ВТСП и ленты используют так называемый "буферный слой" – ключевое звено в этой технологии. Металлический защитный слой (как правило, из серебра) предохраняет ВТСП от взаимодействия с парами воды и углекислым газом, служит защитой от механических повреждений и от прямого контакта ВТСП с шунтирующим материалом (упрочненная медь, нержавеющая сталь).

sverh03.jpg

Основное преимущество лент 2-го поколения заключается в их высокой токонесущей способности в высоких магнитных полях при температуре жидкого азота. Ограничение критического тока в магнитном поле для BSCCO имеет фундаментальные причины (высокая анизотропия электрофизических свойств и связанная с этим малая сила пиннинга вихрей магнитного потока), так что достижение рекордных характеристик ВТСП-проводов при температуре 77 К сегодня реализуемо только с использованием RBCO. Предполагается также, что ВТСП-ленты 2-го поколения могут в перспективе стать дешевле лент 1-го поколения, для изготовления которых нужно много серебра.

Существует несколько альтернативных путей производства ВТСП-лент 2-го поколения, различающихся методами создания текстуры: осаждение, стимулированное ионным пучком (IBAD), осаждение на наклонную подложку (ISD) и использование подложки с биаксиальной текстурой, получаемой с помощью прокатки и последующего рекристаллизационного отжига (RABiTS). Используемые методы нанесения функциональных слоев разделяют на химические и физические. Первые характеризуются более высокой скоростью осаждения и, как правило, более низкой стоимостью оборудования и более низкими эксплуатационными затратами. Вторые отличаются более высоким качеством получаемых слоев и меньшим количеством параметров процесса.

Высокая токонесущая способность и низкие потери, вкупе с компактностью, надежностью и экологической безопасностью делают ВТСП-устройства незаменимыми для создания современной электроэнергетической инфраструктуры: генераторы, трансформаторы, силовые кабели, синхронные компенсаторы, ограничители токов короткого замыкания, накопители энергии. ВТСП-ленты имеют перспективы при создании новых транспортных технологий, включая низкооборотные корабельные двигатели и системы магнитного подвеса для скоростных поездов. С использованием ВТСП-материалов изготавливают мощные индукционные нагреватели и двигатели для обрабатывающей промышленности, компактные устройства неинвазивной диагностики для медицины. Как можно видеть, ВТСП-ленты позволяют улучшать характеристики или создавать оборудование не имеющее аналогов для применения в самых различных областях деятельности.

ЗАО «СуперОкс» сегодня является единственной компанией в России, разрабатывающей технологию ВТСП-лент 2-го поколения.