高温超导技术

高温超导技术

高温超导的发现

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林·昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中通过，从而产生超强磁场。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导状态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。

迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。

高温超导的探索历程

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（OK=-273°C）。86年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30度，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，很快又发现了14°C下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

高温超导的运用

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。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，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

我国超导技术发展情况

超导材料技术

我国在铋系带材、铊系和钇系大面积双面薄膜、钇系准单畴块材以及钇系新型涂层带材等方面与国际水平相当或相近，在前驱粉制备、线（带）材加工工艺和热处理等方面具有独立的技术和知识产权。随着超导应用技术和产品的发展，对超导材料的需求将持续增长。

●在铋系高温超导带材方面，北京英纳超导技术公司和西北有色金属研究院先后建成年产200km的生产线，为我国超导应用技术产业化提供了必要的材料基础。300m长带的临界电流接近90A，达到国际先进水平，在满足国内需求的同时，产品还出口到韩国、欧洲等国家和地区。

●在大面积双面高温超导薄膜方面，中科院物理所和北京有色金属研究总院分别实现了2英寸钇系薄膜的小批量制备，表面微波电阻降低到1mΩ；而中科院物理所课题组（南开大学）的铊系薄膜表面微波电阻达到0.8mΩ以下，而且产品稳定性好，技术指标达到国际上的最好水平，基本满足超导弱电应用的要求。

●在高温超导单畴块材方面，我国在材料制备工艺上有知识产权，与国际先进水平的差距较小。制成直径5cm、冻结场7T（4.2K）、磁悬浮力16N／cm2的钇系块材；北京有色金属研究总院实现了直径4cm单畴材料的小批量生产，2000年12月利用自产的340余块钇系块材制备出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。

●在低温超导材料方面，我国在熔炼加工和热处理上拥有自主知识产权。西北有色金属研究院熔炼的NbTi合金杂质含量低，综合性能高，成本低于国际同类水平，并且创造了国际最高Jc纪录。

超导强电应用技术

高温超导电缆、限流器、变压器、磁储能系统、电动机、MRI磁体等应用技术的研发均已启动。相关企业和投资界已经积极参与超导电力技术的产业化，一些研发型公司已经建立起来。

●完成4m单相35kV／2kA和10m三相10.5kV／1.5kA高温超导电缆系统，并将进行并网试验。

●小型超导限流器（400V／25A）、超导变压器（400V／16V／26kVA）、超导储能系统（50kJ／20kW）的试验样机均已研究成功。

超导弱电应用技术 ●研制成功适合我国通信系统的GSM1800、GSM900和CDMA移动通信用高温超导滤波器系统，技术指标处于国际先进水平。

●完成了X波段高温超导高性能接收机前端系统各单元部件的优化设计及制作，并开始对X波段高温超导高性能接收机前端系统进行一体化集成初样研制。

●开展了高温超导SQUID在心磁测量、无损检测和大地电磁测量等方面的应用研究。800MHz rf SQUID系统，其探头采用独创的超导薄膜梳齿谐振器，具有自主知识产权，高频（1500MHz）性能明显优于国外产品，系统灵敏度达到国际水平（53fT／Hz1/2），其工艺技术已适用于小规模的产品化。在应用研究方面，用高温超导SQUID在磁屏蔽室或远郊安静环境下成功地进行了多例（近百人）和多点位（胸前36点）的人体心磁测量。经过数据处理后有很好的信噪比，具备了研制开发医用SQUID心磁图仪的能力。

我国超导技术的市场需求

超导技术在电力系统的应用

随着我国经济和社会的发展，电能的需求量日益增长，电网的容量越来越大，供电密度越来越高，电网向超大规模方向发展，对供电质量和电网的稳定可靠性要求也越来越高。

世界各国均发生过因电网稳定性破坏而导致的大停电事故。1996年美国西部两次大停电，使得美国将大停电事故提高到“危及美国国家安全”的地步；2003年8月15日，美国和加拿大东部联合电网发生了大停电事故，日损失高达300亿美元。我国近20年来因电力系统失稳造成的大停电事故约140余起，每次损失数千万元，乃至数亿元。近几年事故发生率虽然有所下降，但其规模和造成的损失却大幅度扩大和上升。

超导电力技术可以克服常规电力技术固有的缺陷，并将带来电力工业的重大变革。超导电力技术主要包括超导储能系统、超导限流器、超导电缆、超导变压器、超导电机和基于超导技术和现代电力电子技术及控制技术而产生的灵活功率变换和调节技术。其应用可大大提高电网的稳定性和可靠性，改善供电品质，并提高电网输电能力、降低网络损耗，从而提升我国电力工业的发展水平，为实现我国电力工业长期发展战略提供可靠的技术保障。估计我国超导电力技术的潜在市场2010年可以达到5亿美元，2020年可以达到70亿美元。

超导技术在交通领域的应用

磁悬浮车是一种新型的高速环保节能型交通工具，除了直接作为远距离高速交通列车外，更有望成为相近城市（100km左右）之间的快速连接、机场―市内连接以及城市内新型交通工具。估计五年内在我国的潜在市场将有20亿元，而十年后可望达到每年100亿元以上。

目前，我国已拥有载人高温超导磁悬浮系统技术，处于国际先进水平，并已承载两万多人次，实质上已具有一定的商业价值，这开拓了在磁悬浮技术上实现超越发展的可能性。此外，高温超导磁悬浮技术的发展及其应用，将极大地推动高温超导材料的研发和产业化发展，并将为我国稀土及稀土永磁工业提供巨大的市场和发展需求。

超导技术在工业磁体技术上的应用

超导磁体技术可应用于超导变压器、储能器、限流器、电机等。在工业和国防上的应用包括：高能物理方面的加速磁体、托克马克磁体，科研方面应用的各类强磁场磁体，工业上的磁分离、单晶生长用磁体、MRI磁体、航天技术方面的磁窗以及磁流体推进、磁流体发电磁体等等。

低温超导磁体在核磁共振成像（MRl）上的应用是当前超导应用市场的最大部分，在我国的市场需求很大。在中高磁场（0.35T～2.0T）条件下，低温超导磁体系统比永磁体系统具有无可比拟的总体性能优势：成像区磁场高，因而分辨率更高；磁场均匀性更高，可达10×106以下；时间稳定性更高，一般10年以上不变。而随着高温超导磁体的发展， 在高磁场（0.5T）条件下，高温超导MRI系统由于采用液氮冷却，运行成本将大大降低，其性能价格适中，更具市场竞争优势。

超导技术在通信领域的应用

当前移动通信中存在频率资源紧张、抗射频干扰能力低、基站覆盖面积小、通话质量差等问题，少量的射频干扰就会导致第三代移动通信系统的瘫痪，而高温超导技术正是解决这一矛盾的有效手段。美国STI公司与日本KDD和HITACHI公司合作，完成了使用超导滤波器子系统的3G移动通信系统的实验，证明可以在覆盖面积、容量、误码率、抗干扰能力及接受机功率等方面大幅度的改善3G系统原有的性能。

移动通信发展迅猛，预计在未来4年内，移动通信用户将增加3倍，移动通信数字传递将增加10倍，这将对超导滤波器的需要越来越迫切。由于移动通信的普及率很高，其通话质量与人们的日常生活息息相关，高温超导滤波器系统在移动通信基站的应用不仅将成为高温超导技术实际应用和产业化的一个突破口，而且具有重要的社会意义。移动通信基站的数量庞大，仅在中国目前就有约20万～30万台，而且还在迅速增加。目前全球已在移动通信基站投入应用的超导滤波器系统超过2000个，潜在市场巨大。超导滤波器系统的价格在2万美元左右，其全球市场容量在百亿美元量级。此外，由于超导滤波器带边陡峭，用于移动通信后所节省下来的频带，根据拍卖价格，每年可有数十亿美元的潜在市场。

超导技术在精密检测领域的应用

超导量子干涉仪（SQUID）作为最灵敏的弱磁测量手段，在精密电磁测量方面有不可替代的优越性。使用液氦的低温SQUID已有相当市场（几千万美元／年），而使用液氮的高温SQUID一般被用于应用研究，其中用于无损检测的研究最多，包括飞机部件、涡轮发动机叶片、材料微铁颗粒杂质的检测等，其他应用还有人体心磁测量、大地电磁测量和国防应用（探潜）等。 我国在这一领域开展了无损检测、大地测量和心磁测量方面的工作，如地矿部门在“九五”期间支持廊坊物探化探研究所对大地电磁测量的研究。此外，SQUID是体现宏观量子干涉现象的最直接仪器，可作为大学生的教学实验设备，已被列入高校近代物理实验教学大纲。

高温超导SQUID目前年销售量为几十套。磁强计售价1.5万～2万美元，针对特殊使用进行配套后（包括低温杜瓦、数据采集设备、数据处理软件和其他相关设备），其价格可增加5倍～10倍。最近，国内外大医院对于用超导磁强计进行心磁图研究（多通道系统）的兴趣迅速增长，因而对高温超导磁强计的需求将会上升到几百套，其产值估计3年～5年内能达到几千万美元。从长远来看，如果十年后人体心磁测量被医院接受，市场将达数十亿美元。