超导的发展简史、研究动态和应用前景1

1超导的发展简史、研究动态和应用前景加底达（美）－重庆大学超导研究所林德华2004年3月30日2一、超导发展简史1．低温的获得气体的液化氢气的液化1898年杜瓦（英）氦的液化1908年昂尼斯（荷兰）2．超导的发现1911年昂尼斯（荷兰）1913年获诺贝尔物理学奖转变温度临界磁场临界电流3．迈斯纳效应1933年迈斯纳和奥森菲尔德（德）34．二流体唯象模型1934年高特和卡西米尔（荷兰）5．伦敦理论1935年弗里兹·伦敦和海因兹·伦敦（德）穿透深度6．皮帕德非局域理论1950年皮帕德（英）相干长度47．金兹堡－郎道唯象理论有效波函数金兹堡-朗道参量阿布里柯索夫第二类超导体理论戈尔柯夫（俄）1950－1959年GLAG理论金兹堡和阿布里柯索夫获2003年诺贝尔物理学奖8．库柏对1956年库柏（美）BCS理论1957年巴丁库柏施瑞弗（美）1972年获诺贝尔物理学奖约翰·巴丁里昂·库柏罗伯特·施瑞弗金兹堡阿布里柯索夫59．约瑟夫森效应1962年约瑟夫森（英）约瑟夫森贾埃弗（挪威）1973年获诺贝尔物理学奖10．莫塞留效应莫塞留（美）1964年超导量子干涉器电子对波长程相干性磁通量子化超导电子学11．1985年前的超导转变温度单质Nb9.3K化合物材料Nb3Ge23.2K液氦温区低温超导体612．高温超导材料发现LaBaCuO氧化物陶瓷材料30K1986年缪勒（瑞士）贝德诺兹（德）1987年缪勒贝德诺兹获诺贝尔物理学奖13．华人超导物理学家赵忠贤（中）朱经武（美）发现YBaCuO90K液氮温区高温超导体14.高温超导材料铋系110K铊系125K汞系134K（常压）164K（高压）15．高温超导研究典型结构La系Y系Bi系Tl系78二、超导研究动态1．进一步提高转变温度TC争取实现室温超导MgB240K（日本）C60/CHBr3117KAgxPb6CO9+β340K（待定）（克罗地亚）R-T图9二、超导研究动态2.建立高温超导的微观机制和统一的超导微观机制成对机制寻找单一的吸引机制可能是混合的吸引机制F-M理论（非成对机制）预言临界温度可达200K3.材料和器件的实用化。提高材料的Jc，Hc；改善材料和器件的各种性能特别是可靠性和稳定性，降低成本，使之实用化。10高温超导材料在电力工业领域里的应用现状以及对今后的展望。由于，高温超导材料具有较高的临界磁场Hc2，使其成为制造高场磁体的理想选择。电流密度Jc也已达到了电工能源应用方面的要求。这些应用包括：超导磁体、输电电缆、电流引线、超导发电机、超导电动机、超导变压器和超导储能装置等。在众多的高温超导材料中，铋系和钇系材料最具实用价值。根据近年来高温超导线(带)材料的发展状况，铋-2223和铋-2212线(带)材通常称为第一代产品，钇系涂层复合导体称为第二代产品。第一代产品铋-2223和铋-2212线(带)材主要用来制作超导磁体、超导电缆、超导发电机、超导电动机和超导变压器等，而且比较成熟，预计在今后10年间这些产品均可逐步实现商品化。与常规设备相比，具有体积小、重量轻、磁场强、高载流、效率高、能耗低等优点。第二代产品只有短样(1m)已获成功，长带的制备需要数年的努力，因此它的商品化还要一个相当长的过程。高温超导块材，如铼系准单晶块材己成功用于制造超导贮能装置，铋-2223和铋-2212块材成功用于制作电流引线等。尚待解决的问题有：进一步提高线(带)材的机械强度、热稳定性，降低交流损耗，进一步大幅降低成本，提高成材技术和改进成材工艺等。在相关的基础研究方面，应着重搞清楚超导微观机理和混合态磁通钉扎机制等，才能从根本上改善材料性能。11三、超导应用前景应用的依据是超导的基本特性。1.强电强磁应用。强电强磁应用是基于超导的零电阻特性和完全抗磁性，以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。12超导磁体的应用极广，它可以在交通、电子、能源、高能物理、医疗、工业加工等领域发挥重要作用。世界首辆高温超导磁悬浮试验车－西南交大13德国磁悬浮列车1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里2002年4月5日我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里14科学工程和实验室应用科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。在这些应用中，超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。15电力应用高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。16超导电机超导电机的主要研究对象是静态超导电机（即超导变压器）和旋转超导电机（即发电机和电动机），并且由于采用了超导绕组，超导电机的运行电流密度和磁通密度都大大地提高了。超导电机的基本结构和常规电机相似，主要由转子、定子组成，只是还需要有相应的低温容器以使超导转子绕组和超导定子绕组处于超导态。由于超导电机采用了超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流从而产生更强的磁场，能够在与常规电机功率输出相同的情况下使体积和重量减小到常规电机的1/5大小。因此，对于功率在300MVA以上的大型电机，超导电机17超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。18磁体应用超导磁体的应用研究在国际上非常活跃，而在强磁场下物质特性的一系列变化又引起了研究工作者的极大兴趣和热情。随着超导强磁场技术的不断进展，一系列用于实验研究的强磁场实验装置（从几万高斯到十几万高斯）已经被研制出来并得到了广泛的应用，大大促进了强磁场与其它学科交叉所产生的新生长点的研究和应用，并在许多领域取得了重要进展，如环保、材料变性、育种、磁共振、磁拉单晶以及扫雷等。19扫雷超导技术在军事工业中也可以发挥其特有的作用，超导扫雷具就是其中之一。超导扫雷具的工作原理是：超导扫雷具模拟舰船磁场特性，采用两根大电流电缆在海水中形成电极，并与海水组成闭合电路产生磁场，或者在船上安装一个电磁体产生磁场，从而得以将磁水雷引爆。20超导电磁流体推进船舶超导电磁流体船舶推进是用电磁力直接推动船舶运动的一种新颖的船舶推进方式。它基于海水在相互垂直的电场和磁场中受到电磁力的作用，推动船舶前进。该推进方式具有无振动、无机械磨损、噪声小和控制灵活等特点，理论船速可达每小时100海里。21育种农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。一般而言，磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大，其作用机制是：磁场→基因→酶→代谢→结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，其最终产量将能够提高5-10%。