材料世界漫談

材料世界漫談第一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一第七節(jié)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，減少電能因電阻而消耗的能量，還能把電流儲(chǔ)存起來，供急需時(shí)使用。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。2第二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一自從世界上以電力作為主要?jiǎng)恿σ詠恚陀龅絻蓚€(gè)令人頭痛的問題：１、是在輸送電流時(shí)，不少電力因?qū)Ь€有電阻而發(fā)熱，白白損失了相當(dāng)?shù)哪芰?。２、白天的電力常常?yán)重不足，而深夜的電力又大大富余，使得發(fā)電機(jī)常常白天超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，深夜時(shí)卻空轉(zhuǎn)，電力白白浪費(fèi)了。能不能把夜間富余的電力儲(chǔ)存起來用以彌補(bǔ)白天電力不足的難題呢?自從有了超導(dǎo)材料以來，解決這個(gè)問題就大有希望了。超導(dǎo)材料3第三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一從低溫的獲得到超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性是人類發(fā)展低溫技術(shù)并不斷地在新的溫度范圍里研究物質(zhì)的物理性質(zhì)的過程中發(fā)現(xiàn)的。19世紀(jì)末：低溫技術(shù)獲得了顯著的進(jìn)展。曾一向被視為“永久氣體”的空氣被液化了。1887年：氧氣被首先液化，液化點(diǎn)也就是我們所說的長(zhǎng)壓下的沸點(diǎn)-183℃(絕對(duì)溫度90K)；隨后人們又液化了液化溫度是-196℃(77K)的氮?dú)狻?898年：杜瓦(J.Dewar)第一次把氫氣變成液體氫，液化溫度為-253℃。4第四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一杜瓦的工作照5第五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一利用液體空氣和液氫，當(dāng)時(shí)人們可以在實(shí)驗(yàn)室中得到-259℃的低溫。1908年，荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室在卡末林?昂尼斯(KamerlightOnnes)的指導(dǎo)下，經(jīng)過長(zhǎng)期努力，首次成功地把稱為“永久氣體”的氦液化，當(dāng)時(shí)他們測(cè)定了一個(gè)大氣壓下氦氣的液化點(diǎn)是4.25K，緊接著昂尼斯領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室使用減壓降溫法，就是利用液氦的沸點(diǎn)隨液氦的蒸汽壓的下降而下降的性質(zhì)，獲得了4.25-1.15K的低溫，這是當(dāng)時(shí)所能達(dá)到的最低溫度，為超導(dǎo)準(zhǔn)備了條件。從低溫的獲得到超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)6第六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1911年：在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，卡末林?昂尼斯發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，多次精密測(cè)量表明，汞柱兩端壓降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。1911年12月28日：昂尼斯宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)7第七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一荷蘭物理學(xué)家昂尼斯(KamerlightOnnes)

卡末林·昂尼斯(KamerlightOnnes)低溫物理學(xué)家。1853年9月21日生于荷蘭的格羅寧根，1926年2月21日卒于荷蘭的萊頓。因制成液氦和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。8第八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1986年以前超導(dǎo)研究過程1911年：Onnes發(fā)現(xiàn)Hg在4.2K電阻突然下降為零；1933年：Meissner(邁斯納)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)；1911-1932年間：研究元素的超導(dǎo)電性；Hg、Pb、Sn、In、Ta…1932-1953年：發(fā)現(xiàn)了許多具有超導(dǎo)電性的合金；

如Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re…….1953-1973年：發(fā)現(xiàn)了一系列A15型超導(dǎo)體和三元系超導(dǎo)體。如Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特別是Nb3Ga，Nb3GeTc23.2K

9第九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1973-1986年：超導(dǎo)臨界溫度的提高，停滯不前。

Tc=23.2KNb3Ge(1973年發(fā)現(xiàn))重Fermi子超導(dǎo)體非晶態(tài)超導(dǎo)體低載流子密度超導(dǎo)體磁性超導(dǎo)體低維無機(jī)超導(dǎo)體超晶格超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體非常規(guī)超導(dǎo)體研究得到了蓬勃發(fā)展1986年以前超導(dǎo)研究過程10第十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一高溫超導(dǎo)體研究的重大突破1986年，Müller和Bednorz發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。1986.1La2-xBaxCuO4

35K1987.2YBa2Cu3O7

90K1988.1Bi-Sr-Ca-Cu-O80K,110K1988.3Tl-Ba-Ca-Cu-O130K1992Hg-Ba-Ca-Cu-O135K (幾萬個(gè)大氣壓165K)11第十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1986年8月：IBM的蘇黎士研究室的米勒教授和貝德諾茲教授發(fā)現(xiàn)了一種銅氧化合物，它們?cè)?5K的溫度下電阻接近于0，一下子把超導(dǎo)溫度提高了12度；1987年初：美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武教授和他的學(xué)生吳茂琨發(fā)現(xiàn)了另外一種材料；釔－鋇－銅－氧化物，使超導(dǎo)記錄提高到了98K。在這個(gè)溫度區(qū)上，超導(dǎo)體可以用廉價(jià)而豐富的液氮來冷卻。1986年12月：米勒教授和貝德諾茲教授發(fā)現(xiàn)了一種新型的陶瓷超導(dǎo)體(此前超導(dǎo)體都是金屬)，這種超導(dǎo)體把超導(dǎo)性的臨界溫度又提高到了38K。高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展12第十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一高溫超導(dǎo)體的研究進(jìn)展199l年：美國和日本的科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子Ｃ60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性科學(xué)家預(yù)料，球狀碳分子Ｃ60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，那時(shí)超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣，在世界引起一場(chǎng)工業(yè)和技術(shù)革命。1996年：日本電氣公司制出長(zhǎng)一千米的高溫超導(dǎo)線材，電流密度達(dá)到6000A/cm2，這種線材已達(dá)到了實(shí)用化的水平。

13第十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一我國超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展1998年7月：我國研制成功中國第一根1米長(zhǎng)1000安培鉍系高溫超導(dǎo)直流輸電模型電纜。這項(xiàng)成果被兩院院士列為當(dāng)年中國十大科技進(jìn)展。此次研制成功的高溫超導(dǎo)帶材長(zhǎng)116米，寬3.6毫米，厚為0.28毫米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長(zhǎng)度測(cè)量，77Ｋ液氮溫度(零下169℃)自場(chǎng)下臨界電流達(dá)12.7安培，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。中國的超導(dǎo)電性研究開始于20世紀(jì)50年代，1959年首次實(shí)現(xiàn)了氦的液化。探索高臨界溫度超導(dǎo)電性的研究則始于1976年。14第十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一自從高溫氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)以來，在材料、機(jī)制以及應(yīng)用三個(gè)方面的研究及開發(fā)工作都進(jìn)展很快。用高臨界溫度超導(dǎo)體制備的SQUID器件及其它一些相關(guān)儀器已經(jīng)走進(jìn)市場(chǎng)。高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)134K[在HgBa2Ca2Cu3Oy（汞鋇鈣銅氧化物超導(dǎo)體）中]。高溫超導(dǎo)的機(jī)制至今還沒有完全搞清，原因之一是材料的物理特征還沒有被完全認(rèn)識(shí)。高溫氧化物超導(dǎo)體15第十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)情況1913年：昂尼斯(荷蘭)在低溫下研究物質(zhì)的性質(zhì)并制成液態(tài)氦；1972年：巴丁(美)、庫珀(美)、斯萊弗(美)提出所謂BCS理論的超導(dǎo)性理論(1957年提出)；1973年：約瑟夫森(英)關(guān)于固體中隧道現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。從理論上預(yù)言了超導(dǎo)電流能夠通過隧道阻擋層，

即約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)(1962年發(fā)現(xiàn));1987年：米勒和貝德諾茲于1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體。16第十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究高溫超導(dǎo)體的機(jī)理研究米勒(Müller)和貝德諾茲(Bednorz)于1986年發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體，獲得1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。17第十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一

本世紀(jì)初超導(dǎo)材料在電力方面的應(yīng)用已獲得突破性的進(jìn)展，在輸電電纜、限流器、變壓器等電力設(shè)備上都有超導(dǎo)應(yīng)用的身影。液氮高溫超導(dǎo)材料以其相對(duì)比較高的溫度要求，能夠更容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力應(yīng)用來說，其推動(dòng)較為明顯。高磁場(chǎng)情況下超導(dǎo)材料對(duì)液氦環(huán)境依賴性還較強(qiáng)。目前脈沖制冷劑獲得了較大的突破，過去要求在30K-50K的溫度，現(xiàn)在這個(gè)溫度已經(jīng)大大提升，并且已可作為商品出售。將超導(dǎo)磁體運(yùn)用到發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)上，可以較好地解決人類與日俱增的用電需求。21世紀(jì)以前，發(fā)電機(jī)單機(jī)功率可達(dá)100萬kw，當(dāng)前的需要增加到更大。發(fā)電機(jī)的輸出容量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電樞電流密度的乘積成正比。用超導(dǎo)磁體代替電磁鐵，磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度可分別提高許多倍。因此，在本世紀(jì)的電機(jī)中，電磁鐵已逐步被超導(dǎo)磁體取代。超導(dǎo)的應(yīng)用18第十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一在電力設(shè)備領(lǐng)域中，采用超導(dǎo)材料技術(shù)，發(fā)達(dá)國家及我國都已有幾十年的奮斗歷史，這是因?yàn)槔眠@種材料有利于設(shè)備的小型化、輕量化及高效化；抑制由于電力系統(tǒng)容量增大而增加的短路電流；解決因大電網(wǎng)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題以及高密度、高可靠性的輸電問題；對(duì)付峰值負(fù)載和降低價(jià)格等。在磁場(chǎng)中生長(zhǎng)單晶爐是80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，目前廣泛用于直接生長(zhǎng)單晶硅、砷化鎵和藍(lán)寶石等晶體。磁拉單晶生長(zhǎng)爐采用超導(dǎo)磁體有許多優(yōu)點(diǎn)，如線圈體積小、重量輕、耗電小；可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成形狀復(fù)雜的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)集中、磁漏小等。超導(dǎo)的應(yīng)用19第十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在軍事上有著非常廣泛的應(yīng)用前景，隨著超導(dǎo)技術(shù)的日益成熟，有朝一日海軍潛艇的設(shè)計(jì)會(huì)發(fā)生根本性的變革，出現(xiàn)比今天的潛艇要先進(jìn)的多的超導(dǎo)潛艇。其外形尺寸可能只有今天潛艇的一半，但所裝備的數(shù)量將增加一倍；航速將會(huì)提高，而噪音卻大大降低而且超導(dǎo)體在傳輸過程中不會(huì)損失電力。同時(shí)，超導(dǎo)技術(shù)在解決實(shí)際應(yīng)用問題后，部分潛艇將采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，常規(guī)潛艇將有可能采用閉式循環(huán)的熱氣機(jī)動(dòng)力，從而結(jié)束常規(guī)潛艇水下航行單純依賴蓄電池提供能量的時(shí)代。20第二十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)材料的強(qiáng)電方面的應(yīng)用1、用于高能物理受控?zé)岷朔磻?yīng)和凝聚態(tài)物理研究的強(qiáng)場(chǎng)磁體；2、用于NMR（核磁共振）裝置上以提供1T～10T的均勻磁場(chǎng)；3、用于制造發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)線圈；4、用于高速列車上的磁懸浮線圈；5、用于輪船和潛艇的磁流體和電磁推進(jìn)系統(tǒng)。物理基礎(chǔ):1、r=0(無焦?fàn)枱釗p耗)2、臨界溫度(Tc)、臨界電流(Ic)、臨界磁場(chǎng)(Hc)高如NbTi,Nb3Sn和V3Ga等超導(dǎo)線材在強(qiáng)磁場(chǎng)中,能負(fù)載很高的臨界電流。21第二十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用傳統(tǒng)電纜由于有電阻，電流密度只有300－400安培/平方厘米；高溫超導(dǎo)電纜的電流密度可超過10000安培/平方厘米；傳輸容量比傳統(tǒng)電纜要高5倍左右，功率損耗僅相當(dāng)于后者的40％。由云電英納承擔(dān)研制的我國第一組實(shí)用型高溫超導(dǎo)電纜，于2004年3月23日全部完成，并于4月19日在昆明普吉變電站掛網(wǎng)試運(yùn)行成功。電力輸送的新星——超導(dǎo)電纜22第二十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)技術(shù)在電力工程方面的應(yīng)用超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革。23第二十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)體強(qiáng)大的磁場(chǎng)可以貯存大量的電磁能，而且可以瞬間釋放，在軍事上有極大的用處，比如作為定向能武器，或者電磁炮的能量轉(zhuǎn)換裝置。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置24第二十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置25第二十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬～6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50％超導(dǎo)發(fā)電機(jī)26第二十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)限流器超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低，能自動(dòng)復(fù)位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn)。27第二十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)變壓器1.不存在常規(guī)變壓器中的發(fā)熱損耗，節(jié)能潛力；

2.體積可以減少40-60%；

3.液氮代替變壓器油，消除火災(zāi)隱患；

4.超導(dǎo)變壓器的內(nèi)阻極小，能夠增大電壓的可調(diào)節(jié)范圍。2011年4月19日，中國首座全超導(dǎo)變電站在白銀正式并網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著我國超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)展開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化新階段。28第二十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一能在大的空間內(nèi)產(chǎn)生很高的磁場(chǎng)，所需的勵(lì)磁功率很小，一個(gè)10Tesla的磁體只要汽車蓄電池充電即可。重量輕，體積小，穩(wěn)定性好，均勻度高(1cm范圍內(nèi)達(dá)到10-8量級(jí))，也可以產(chǎn)生高梯度場(chǎng)(14T/cm)。和常規(guī)磁體相比，提高效率，節(jié)省費(fèi)用。超導(dǎo)磁體29第二十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用時(shí)速達(dá)500km/h，安全、穩(wěn)定，為下一代的交通工具。超導(dǎo)懸浮高速列車30第三十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一日本超導(dǎo)磁懸浮列車MAGLEV高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用31第三十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一“九五”期間國家863計(jì)劃項(xiàng)目。西南交通大學(xué)2000年12月，采用國產(chǎn)YBaCuO高溫超導(dǎo)體塊材，懸浮總重量為635公斤，在長(zhǎng)15.5米的釹鐵硼永磁導(dǎo)軌上自動(dòng)運(yùn)行。“2001年中國高等學(xué)校十大科技進(jìn)展”，排名第2。高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”32第三十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一日本山梨試驗(yàn)線(YamanashiMaglevTestLine)1975年在日本宮崎建立了一條7公里長(zhǎng)的磁懸浮列車試驗(yàn)鐵路。（1997年擴(kuò)展為42.8公里）2003年12月2日,一輛3車廂載人列車創(chuàng)造了最大時(shí)速581km/h的世界記錄。33第三十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一每個(gè)車廂帶4個(gè)超導(dǎo)線圈，每邊各2個(gè)，傳統(tǒng)超導(dǎo)材料制備，由液氦冷卻。超導(dǎo)線圈能夠產(chǎn)生5Tesla的強(qiáng)磁場(chǎng)。超導(dǎo)線圈與導(dǎo)軌上的銅線圈之間的距離只有8cm。日本磁浮列車MagLev的導(dǎo)軌線圈34第三十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一導(dǎo)軌上有3套常規(guī)的銅線圈，分別用于浮力，推進(jìn)力，和側(cè)面穩(wěn)定。導(dǎo)軌線圈35第三十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一MLU－002N于1993年建成，最高載人時(shí)速411公里/小時(shí)。日本宮崎試驗(yàn)線新磁浮試驗(yàn)車MLU-002N36第三十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖核磁共振斷層掃描儀其原理乃是利用核磁共振原理，觀察體內(nèi)某一種原子核的變化分布(主要是氫原子)，將結(jié)果顯像為人體斷層掃描圖，以觀察身體中病灶組織的變化。37第三十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)核磁共振譜儀（NMR）美國VarianINOVA500NB磁場(chǎng)：11.7T；共振頻率：500MHz38第三十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)核磁共振成像核磁共振目前都采用超導(dǎo)磁體，提高分辨率。液氦冷卻！零下269攝氏度。39第三十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1、超導(dǎo)粒子束武器和自由電子激光器2、超導(dǎo)電磁炮3、超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)和超導(dǎo)陀螺儀

超導(dǎo)技術(shù)在軍事工業(yè)中也可以發(fā)揮其特有的作用，超導(dǎo)掃雷具就是其中之一。超導(dǎo)掃雷具的工作原理是：超導(dǎo)掃雷具模擬艦船磁場(chǎng)特性，采用兩根大電流電纜在海水中形成電極，并與海水組成閉合電路產(chǎn)生磁場(chǎng)，或者在船上安裝一個(gè)電磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而得以將磁水雷引爆。超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用40第四十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)技術(shù)在科學(xué)工程和實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用

核聚變裝置是人們長(zhǎng)期以來夢(mèng)想解決能源問題的一個(gè)重要方向，其途徑是將氘和氚加熱后，使原子和彌散的電子成為一種等離子狀態(tài)，并且在將這種高溫等離子體約束在適當(dāng)空間內(nèi)的條件下，原子核就能夠越過電子的排斥而互相碰撞產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。在這些應(yīng)用中，超導(dǎo)磁體是高能加速器和核聚變裝置不可缺少的關(guān)鍵部件。41第四十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1985年，前蘇聯(lián)、美、歐、日提出；2003年中國加入；7方:美、俄、日、歐、中、韓、??；中國宣布承擔(dān)總費(fèi)用46億歐元的10分之1，即大約46億人民幣。2006年11月21日，ITER計(jì)劃聯(lián)合實(shí)施協(xié)定及相關(guān)文件已正式簽署。選址法國南部的Cadarache。國際熱核試驗(yàn)堆（ITER）計(jì)劃2006年11月21日法國巴黎總統(tǒng)府愛麗舍宮42第四十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一美國Fermi實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)43第四十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一中國科學(xué)院合肥等離子體研究所建造核聚變實(shí)驗(yàn)裝置(EAST)：用于研究熱核反應(yīng)HT-7托卡－馬克裝置44第四十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一合肥董鋪科學(xué)島；國家“九五”重大科學(xué)工程項(xiàng)目，投資約4億；1克氘和氚碰撞聚合產(chǎn)生的能量相當(dāng)于300升石油燃燒產(chǎn)生的熱量；氘和氚兩種元素為海水中所富含，可謂取之不盡，用之不竭。核心：超導(dǎo)電磁線圈圍繞一個(gè)環(huán)形容器，把H+和電子組成的等離子體限制和控制在極小的空間。中國又一項(xiàng)技術(shù)震驚全球!人造小太陽:超導(dǎo)托卡－馬克45第四十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一全自動(dòng)的磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和形貌，甚至鐵電和介電等各種物性測(cè)量手段。

溫度:1.8-400K(液氦)磁場(chǎng):0-9特斯拉(超導(dǎo)磁體)PPMS系統(tǒng)：超導(dǎo)科學(xué)儀器PPMS多功能物性測(cè)量系統(tǒng)綜合物性測(cè)量系統(tǒng)美國QuantumDesign公司46第四十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一農(nóng)作物種子由于其富含蛋白質(zhì)和有機(jī)酶，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，能夠影響種子的萌發(fā)、苗期生長(zhǎng)、作物產(chǎn)量和品質(zhì)、遺傳特性等。

一般而言，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)作用時(shí)間對(duì)農(nóng)作物種子的影響比較大，其作用機(jī)制是：磁場(chǎng)→基因→酶→代謝→結(jié)構(gòu)與功能。實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明，經(jīng)過強(qiáng)磁場(chǎng)作用的農(nóng)作物種子，其最終產(chǎn)量將能夠提高5-10%。超導(dǎo)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用47第四十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)交流約瑟夫森效應(yīng)，利用約瑟夫森結(jié)可以得到標(biāo)準(zhǔn)電壓。約瑟夫森效應(yīng)的另一個(gè)基本應(yīng)用是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。約瑟夫森結(jié)還有在計(jì)算應(yīng)用上的巨大潛力，它的開關(guān)速度在10-12W的數(shù)量級(jí)，利用這一特性可能開發(fā)新的電子器件。簡(jiǎn)單地說，我們可以為速度更快的計(jì)算機(jī)制造邏輯電路和存儲(chǔ)器。當(dāng)然還有很多有特殊性能的器件。超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用48第四十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一以Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測(cè)量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)。分辨率：磁場(chǎng)磁通量磁場(chǎng)梯度電流電壓位移加速度電磁能10-15T10-19Wb10-11T/m10-9A10-15V10-15m10-11m/s210-14W舉磁場(chǎng)為例：10-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100101102磁場(chǎng)B（T）腦磁場(chǎng)筋磁場(chǎng)心磁場(chǎng)眼磁場(chǎng)郊外噪音肺磁場(chǎng)都市噪音實(shí)驗(yàn)室噪音地磁場(chǎng)懸浮式馬達(dá)按鈕開關(guān)銅鐵磁體超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用49第四十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一舉例1、SQUID磁強(qiáng)計(jì)：大面積探礦、測(cè)定地下水層的分布、地震預(yù)報(bào)；2、生物和醫(yī)學(xué)上：探測(cè)心、肺、神經(jīng)等活動(dòng)引起的微弱電磁信號(hào)的變化；3、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)：硅集成電路高性能化、小型化發(fā)熱Josephson器件不發(fā)熱。超導(dǎo)材料的弱電方面的應(yīng)用50第五十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)帷⑹?、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào)。超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用51第五十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)10-11秒左右的數(shù)量級(jí)，比半導(dǎo)體集成電路快100倍，但功耗卻要低1000倍左右，為制造亞納秒電子計(jì)算機(jī)提供了一個(gè)途徑。超導(dǎo)數(shù)字電路52第五十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一MPMS-5:SQUID磁強(qiáng)計(jì)MPMS-5QuantumDesign精度：10-9

emu溫度：1.9–400K磁場(chǎng)：5T53第五十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)濾波器CDMA高溫超導(dǎo)濾波器樣機(jī)清華大學(xué)研制的兩套高溫超導(dǎo)濾波系統(tǒng)在中國聯(lián)通CDMA移動(dòng)通訊基站已連續(xù)無故障商業(yè)運(yùn)行幾年了。高溫超導(dǎo)濾波器可以顯著提高通信基站的靈敏度和選擇性，提高通信容量，降低手機(jī)的輻射率并提高通話清晰度。

54第五十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一Conectus預(yù)測(cè):2010年:50億美元2020年:380億美元超導(dǎo)材料應(yīng)用前景55第五十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)的實(shí)用前景似乎既遠(yuǎn)又近。近者，在人類生活中已得到了超導(dǎo)電性技術(shù)帶來的好處，如醫(yī)用的核磁共振成象的超導(dǎo)磁體；同時(shí)在電子器件上的應(yīng)用近幾年將會(huì)在市場(chǎng)上出現(xiàn)。遠(yuǎn)者，人們會(huì)看到例如在微波通訊、計(jì)算機(jī)器件、幾乎無損耗輸電、儲(chǔ)能及平衡電網(wǎng)方面的應(yīng)用。超導(dǎo)材料應(yīng)用前景56第五十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一利用超導(dǎo)隧道效應(yīng)所制備的敏感元件，其能量分辨可以接近量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系所限定的水平。這是其它器件所不能達(dá)到的。同時(shí)，解決人類未來能源的基本技術(shù)是受控?zé)岷朔磻?yīng)，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須使用無損耗的超導(dǎo)磁體。因此人類的未來離不開超導(dǎo)電技術(shù)，及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。超導(dǎo)電技術(shù)將會(huì)在越來越廣闊的范圍里造福人類，而且對(duì)高溫超導(dǎo)電性機(jī)理的了解，將對(duì)凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)的影響。在本世紀(jì)超導(dǎo)電技術(shù)將會(huì)變得更為重要。超導(dǎo)材料應(yīng)用前景57第五十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)體的三個(gè)重要的物理參數(shù)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)必須具備一定的條件，如溫度、磁場(chǎng)、電流都必須足夠的低。超導(dǎo)態(tài)的三大臨界條件：臨界溫度、臨界電流和臨界磁場(chǎng)，三者密切相關(guān)，相互制約。58第五十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一臨界溫度臨界溫度(Tc):超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?；MetalNbPbLaTaVHgSnInTc/K9.27.24.94.474.34.153.723.4MetalTlRhPrThAlGaMoZnTc/K1.71.6971.41.381.1751.10.9150.85MetalOsZrAmCdRuTiUHaTc/K0.660.610.60.5170.490.40.20.128MetalIrLuBeWPtRhTc/K0.11250.10.0260.01540.00190.00032559第五十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一

CCs3C60MgB2Ba0.6K0.4BiO3Nb3GeNb3SiNb3SnNb3AlTc/K40393023.21918.118CV3SiTa3PbV3GaNb3GaV3InNb0.6Ti0.4Tc/K17.11716.814.513.99.8CHoNi2B2CFe3Re2GdMo6Se8CoLa3MnU6AuZn3Tc/K7.56.555.64.282.321.21臨界溫度(Tc):超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?；臨界溫度60第六十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)體無阻載流的能力是有限的，當(dāng)通過超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流(Ic)。

臨界電流Ic(V)IV失超目前，常用電場(chǎng)描述Ic(V)，即當(dāng)每厘米樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為1V時(shí)所輸送的電流。61第六十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，記為Hc。正常態(tài)HHc(0)TcT超導(dǎo)態(tài)臨界磁場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)公式：

Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)62第六十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一超導(dǎo)體的物理特性1、零電阻現(xiàn)象(ZeroResistance)T>Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場(chǎng)

(b)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(c)突然撤去外電場(chǎng)，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流(a)(b)(c)63第六十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。超導(dǎo)體的物理特性2、邁斯納效應(yīng)(Meissner)64第六十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。65第六十五頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一3、約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)超導(dǎo)體的物理特性當(dāng)一個(gè)電子在勢(shì)壘中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子可以借助真空，從真空吸收一個(gè)虛光子，使自己的能量增大而越過勢(shì)壘，電子一旦越過勢(shì)壘，便將虛光子送還給真空。同時(shí)，電子的能量也返回到原來的值，量子理論稱它為隧道效應(yīng)。(1)單電子隧道效應(yīng)66第六十六頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一(2)雙電子隧道效應(yīng)——Josephson效應(yīng)

1962年，約瑟夫森(Josephson)提出，應(yīng)有電子對(duì)通過超導(dǎo)-絕緣層-超導(dǎo)隧道元件，即一對(duì)電子成伴地從勢(shì)壘中貫穿過去。電子對(duì)穿過勢(shì)壘可以在零電壓下進(jìn)行，所以約瑟夫森效應(yīng)與單電子隧道效應(yīng)不同，可用實(shí)驗(yàn)對(duì)它們加以鑒別。零電壓下的約瑟夫森效應(yīng)又稱直流約瑟夫森效應(yīng)。此外還有交流約瑟夫森效應(yīng)。它們具有共同的特點(diǎn)，都是雙電子隧道效應(yīng)。約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)67第六十七頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一4、超導(dǎo)的微觀機(jī)制——BCS理論超導(dǎo)體的物理特性1957年在伊利諾大學(xué)的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(庫柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)為了正確解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)表了著名且完整的超導(dǎo)微觀理論(量子理論)，稱為BCS理論。BCS理論是由美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫字母命名這一理論。

68第六十八頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一巴丁、庫柏、施里弗

巴丁、庫柏、施里弗獲得了1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。該理論成功地指明了電子通過交換虛聲子而形成庫柏對(duì)，定量地描述了能隙、熱學(xué)和大多數(shù)電磁性質(zhì)。69第六十九頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一1、在一定溫度下，金屬中參與導(dǎo)電的電子結(jié)成庫珀對(duì)，這是一個(gè)相變過程；2、庫珀對(duì)電子凝聚在費(fèi)密面附近；3、費(fèi)密面以上將出現(xiàn)一個(gè)寬度為Δ的能隙。BCS理論的三個(gè)觀點(diǎn)BCS理論預(yù)測(cè)臨界溫度：式中為德拜溫度；U是聲子-聲子相互作用能；

N(EF)為費(fèi)米面附近電子能態(tài)密度。70第七十頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一奇異超導(dǎo)1、插水鈷氧化物超導(dǎo)體：NaxCoO2.yH2O2003年日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)NaxCoO2的奇異性質(zhì)：1、離子導(dǎo)體，離子電池的材料；2、熱電材料，熱電勢(shì)S很大；3、插水后出現(xiàn)超導(dǎo)電性；4、改變Na含量，甚至可以變絕緣體。71第七十一頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一NaxCoO2—三角格子的鈷氧平面準(zhǔn)二維的體系，三角格子排列的鈷氧平面為導(dǎo)電平面電子也有強(qiáng)關(guān)聯(lián)的特性。72第七十二頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一插水后的NaxCoO2.yH2O成為超導(dǎo)體2003年3月《Nature》報(bào)道了日本物質(zhì)材料研究所合成了插水化合物超導(dǎo)體－Na0.35CoO2-1.3H2O，Tc＝4.7K引起了又一浪研究熱潮。73第七十三頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一Na0.5CoO2：電荷有序現(xiàn)象2003年底普林斯頓大學(xué)Ong和Cava研究組又報(bào)道了x=0.5時(shí)由于電荷有序化引起了金屬-絕緣體相變。Phys.Rev.Lett.92,247001(2004).74第七十四頁，共八十二頁，編輯于2023年，星期一