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既然超导这么好,为什么不用起来?

2017年03月22日 13:36 来源于 财新网
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由于超导需要的超低温,以及由此带来的工艺、成本等原因,一直制约着大规模利用超导的可行性

  撰文 | 林梅

  从人类发现超导现象开始,人们就意识到,超导各种神奇的性质将为电能以及各种与电磁有关的工艺技术领域带来新的革命。

  但是直到20世纪50-60年代,以NbTi和Nb3Sn为代表的有实用价值的铌基合金超导体的发现以及Josephson效应的发现,形成了低温超导技术研发的热潮。80年代后期,铜基超导体的发现,因其临界温度突破了液氮温区,不仅带来了超导基础研究的热潮,也导致了更大规模的超导应用领域的进步。

  今天,超导的应用涉及能源、信息、交通、工业、健康、环保等诸多方面。大体来说,分为弱电应用和强电应用。

  弱电•精标电压

  在弱电应用方面,超导在微弱电磁信号检测、微波、电子器件等等方面有着非常出色的表现。

  大家现在都用手机。事实上,不管用什么电器,要想相互之间能够通用,各个厂家生产的设备之间的电压必须有一个标准。过去普遍使用化学电池的电压基准作为比对的标准,现在利用Josephson超导隧道效应[1]——即电压正比于磁通变化的频率,就可以精确标定电压。

  这种技术的优点在于,频率标准是可以像时间标准一样非常精确的,频率的标准就决定了电压的标准,现在电压标准变得很高,就是因为国际上已经用Josephson超导隧道结电压基准取代了化学电池电压基准。

  弱电•超导量子干涉仪

  超导的另一个应用是精密的电磁测量,其中最抢眼的就是超导量子干涉仪(SQUID),以及以此为基础生产的电子设备。

  超导量子干涉仪同样是利用Josephson超导隧道效应,被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结。当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后,隧道结两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化频率的函数。

  利用这个规律,我们不仅可以测量磁通量的变化,还可以转换为其他物理量,如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。我们知道,超导是一种宏观量子现象现象,它所具备的超导隧道效应遵循着量子力学的基本规律。因此,理论上来说,以隧道效应为基础研发的器件,原则上只受量子力学测不准原理的约束,它的分辨率可以达到精确的极限。这个器件能够检测出相当于地球磁场的近1000亿分之一的变化,可以用于生物磁场的测量,大地磁场的测量,磁成像,以及其他各种要求精密的电子测量。

  弱电•脑磁信号

  现在,基于SQUID的心磁图和脑磁图研发工作已经展开。利用这种技术,在无创、快速的前提下,有望探测到心电或脑电不能探测的症状。尤其是它可以测量非常微弱的脑磁信号,所以在帮助我们了解大脑方面,有着不可替代的应用前景。

  弱电•地球资源探测

  在地球资源探测方面,超导在探测大地的电阻和磁学情况领域有着很大的应用潜力。对电阻测量来说,超导量子干涉测量的不同频率对应不同大地深度,测量不同频率的电阻就反映了大地不同深度的电阻,利用超导量子干涉测量方法广泛的频率范围,我们可以测量的深度范围也就可以很广,进而可以描绘大地很深层的电阻分布情况,帮助我们判断油气资源分布状况。

  对磁测量而言,超导量子干涉测量的优势是可以放置在飞机上,对矿场进行扫描,就可以观测到地磁的反常,判断成矿信息。

  弱电•高温超导滤波器

  在电子学方面,超导的优势十分明显。高温超导滤波器是一个突出的例子。由于高温超导薄膜表面电阻小,即使在移动通信的高频频率范围内,高温超导材料的微波表面电阻比正常金属也要小上千倍。所以,高温超导滤波器具有插入损耗小、带边(矩形度)陡峭、带外抑制高的特点,如下图所示,明显比传统滤波器具有更优秀的滤波性能。基于高温超导滤波器的微波器件不仅在卫星和雷达等军事方面得到了应用,在移动通信这样的民用方面也开始发挥作用。

  高温超导滤波器与传统滤波器性能比较,相比普通滤波器,超导滤波器对于不可通过的频率过滤性更强,对于可通过的频率能量损耗更低。

  说完超导在弱电方面的应用,我们再来说说它在强电方面的应用。超导在强电方面的应用涉及能源、交通、医学等方方面面,可以说与我们的现在和未来息息相关。

  强电•高温超导电缆

  在能源方面,利用超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体,超导技术是电力工业的一个革命性的技术储备。

  我们知道,超高压输电会有很大的损耗,而利用超导体则可最大限度地降低损耗。对一些不断扩容的大城市来说,用电负荷不断增加,而城市空间又相对有限,不太可能不断挖掘隧道放置电缆。但由于超导电缆量轻,电缆直径较细,可以使用已有的隧道进行敷设,不需要新的敷设空间,地下高温超导电缆在不能安装架空线路环境中可以代替架空线路。

  此外,采用超导输电还可以简化变压器、电动机和发电机等热绝缘并保证输电的稳定性,提高输电的安全性。

  强电•磁约束受控核聚变

  另外,超导技术更是磁约束受控核聚变不可替代的制备强磁体的材料。

  大家知道,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。磁约束的核剧变必须要用超导,如果不用超导体而采用常规稳恒磁体,要实现强磁场就必须采用非常粗的铜导线,那么冷却过热电阻所需的装置会庞大而复杂的不可想象,而且必须持续为线圈通上电流,消耗更多的电能,消耗的能量成本也很可能大于装置输出的能量。很明显,超导磁体具有体积小、稳定度高、耗能少等多种优势,没有超导体,人工托克马克的成功是不可能实现的。

  强电•生物医学

  也正是因为上述原因,在生物医学方面,多数医用核磁共振成像设备和高分辨率的核磁共振成像技术(NMR)用的强场磁体也是超导磁体。

  对核磁共振成像系统来说,磁体的磁场强度、稳定度、均匀度对图像影响很大,超导磁体的强磁场恰恰符合这些要求,未来要想实现高分辨强磁场的核磁共振,不可能离开超导。

  强电•船舶推进系统

  此外,超导技术是新一代的舰船推动系统的基础,推进电动机的体积和重量对于船舶设计建造具有十分重要的影响。高温超导电机体积小,重量轻,极其有利于船舶吊舱推进应用。据说,美国AMSC公司为美国海军研制的36.5 MW舰船推进实验电机,四台电机可以驱动一艘航空母舰。

  强电•磁悬浮列车

  另外超导磁悬浮列车也具有其独特的速度优势。

  据最新的报道,日本的磁悬浮列车运行试验已创造了载人行驶时速603公里的新世界纪录。但是很多人不了解的是,跟常规磁悬浮技术相比,采用超导磁悬浮技术的磁悬浮列车不但更加快速,也更加稳定和安全。

  在以后的文章中我们会介绍,第二类超导体有一个神奇的作用——对进入体内的部分磁通线具有钉扎作用,它能够约束住悬浮着的磁体,一旦磁体偏离,超导体可以将磁体“拉住”,因此超导磁悬浮物体运动过程是十分稳定的。另外,超导体一旦失去超导电性进入正常态,无摩擦的超导磁悬浮铁轨将恢复成有摩擦的正常铁轨,这便于人们在紧急情况下控制列车的制动。

  超导的历史历经100多年,但仍然是一个年轻的学科,它不断带给人类惊喜,也不断扩充着人类认知的边界。更新的物理理论等着我们去发现,更多有应用前景的对象等着人们去挖掘。

  未来,超导的发展可能聚焦在三个方面:

  一是对高温超导体机理的认识会极大促进凝聚态物理学和量子力学的新发展。

  二是探索更适于应用的、临界温度更高的超导体,以及更适合大规模应用的新工艺。

  三是扩展包括低温超导体在内的所有超导技术的应用。

  [1]JOSEPHONE效应是一种超导隧道效应,它是指,两个超导体,如果中间被一个正常的绝缘体隔开,两个超导体之间的波函数仍然可以有交叠,即使绝缘的结两端不加电压,结中也可存在超导电流;而在结两端的直流电压V≠0的情况下,通过结的电流是一个交变的振荡超导电流,振荡频率(称JOSEPHONE频率)与电压成正比。

  感谢中科院物理所郑东宁老师对本文成文的帮助。 

责任编辑:于达维 | 版面编辑:王永
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