超导材料的研究与开发

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。 1欢迎下载 一、超导材料

有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失， 超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。 高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。 超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，在中国每年的电力损失达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。

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高温超导电缆终端的研究与开发

崔国根　毕延芳

(中国科学院等离子体物理研究所,合肥,230031)

摘要:简单介绍了高温超导电缆的终端的基本结构特点与作用等;并主要介绍了工业化国家中美国、日本、丹麦等所研制的HTS电缆终端以及目前我们所研制的终端情况。关键词:高温超导电缆终端　高温超导电缆　高温超导

1　引言

自从1986年高温超导体(HTS)被发现以来,HTS技术经历了近20年的发展,即将步入应用和产业化

阶段。其中银基带Bi-2223高温超导材料能够在77K液氮温度下获得大于7kA/cm2(自场)的性能,适合用

来制作HTS电缆。理论和工程实践表明,利用该带材所制作的HTS电缆电流输送能力是相同截面的常规电缆的2～5倍。同时由于银基带Bi-2223超导材料的临界温度为110K,利用价格低廉的液氮作为冷却媒质,

就可以使其进入超导状态,克服了低温超导材料必须使用价格昂贵的液氦作为冷却媒质的这一阻碍超导技

术大规模应用的瓶颈,为超导技术工业应用打开了大门。二十世纪九十年代中期以来,在工业发达国家中,开展了对HTS电缆进行研发。在美国、丹麦、日本等国已有HTS电缆在电力系统中运行或者试运行。

HTS电缆终端作为电缆的两个端头,是HTS电缆系统的重要组成部分,且HTS电缆系统大部分的热

负荷产生于此。另外终端是HTS电缆与外部其它电器设备之间以及HTS电缆冷却介质和制冷设备之间的

连接通道,并担负着温度和电势的过渡。HTS电缆终端与常规电缆终端在结构上相比,HTS终端不但具有常规电缆终端电绝缘处理技术,而且还有其特殊的地方,即增加了冷却HTS线材的制冷剂的出入口,HTS电缆的导电导体从液氮温度向室温过渡的电流引线和恒温器等部件,并且HTS终端还要提供终端恒温器的

高电压绝缘和液氮输送装置的电绝缘和热绝缘。目前,根据HTS电缆主绝缘所处的温度,HTS电缆可分为

冷绝缘和热绝缘两类。前者的电缆恒温管在主绝缘外,处于零电位;而后者则与之相反,恒温管处于高电位;由于金属材料制造的终端恒温器与电缆本体恒温管的电位相同,因此电缆本体的主绝缘温度决定了终端恒

超导磁悬浮列车的研究与开发

随着科技的不断进步，人们对交通运输的需求也日益增长。传统的交通方式已经不能满足人们的需求，交通拥堵等问题已经成为困扰城市发展和居民生活的重要难题。因此，为了解决这些问题，超导磁悬浮列车应运而生。

超导磁悬浮列车是一种颠覆传统交通方式的新型交通工具，它利用超导磁悬浮技术实现悬浮运行，并通过电磁力驱动列车高速行驶。其研究与开发正在引起越来越多的关注与投入。

超导磁悬浮列车的研究始于20世纪70年代，最早由德国科学家发起。他们设想通过利用超导材料的磁悬浮效应，可以消除与铁轨的摩擦，并通过磁场产生的电磁力来推动列车行驶，从而实现高速、平稳的运行。

为了实现这一设想，研究人员面临着很多技术难题。首先是超导材料的研发与应用。超导材料具有零电阻与完美磁通体现象，可以实现高电流密度和强磁场效应。然而，超导材料的制备难度较大，成本高昂，且需要极低的温度条件才能保持超导状态。因此，寻找符合工程应用要求的超导材料成为超导磁悬浮列车研究的关键。

其次是磁悬浮系统的设计与优化。超导磁悬浮列车通过利用磁铁在轨道上产生的磁场与超导磁体内的电流相互作用，实现浮起与推进效果。因此，磁铁与超导磁体的设计是至关重要。研究人员需要通过合理的轨道与磁铁配置，以及超导磁体的高效制冷与绝缘等手段来保证列车的稳定运行。

此外，超导磁悬浮列车的动力系统也是研究的重点之一。动力系统需要提供足够的力量驱动列车高速行驶。传统的动力系统往往采用燃料作为能源，而超导磁悬浮列车则采用电磁力来驱动，需要设备更为精密的控制系统来实现动力的精确控制。

除了技术挑战，超导磁悬浮列车的开发还需要克服政策、经济和社会等多方面的问题。政策支持与资金投入是推动超导磁悬浮列车研究与开发的关键。政府应该积极制定相关政策，提供资金支持，引导企业与科研机构加大研发投入，形成合力推进超导磁悬浮列车的实际应用。同时，超导磁悬浮列车的建设与运营也需要充分考虑经济效益和社会影响。只有在减少运营成本、提高整体效益的前提下，超导磁悬浮列车才能真正满足人们的出行需求。

超导现象的理论研究

超导现象是指某些物质在极低温下（通常在绝对零度以下的数十个开尔文）具有零电阻和完全电磁感应排斥的现象。这个现象被广泛应用在许多领域，如磁共振成像、高能物理、能源传输等，因此对于超导现象的理论研究至关重要。

超导现象的发现和基础理论

在1911年，荷兰物理学家海克·卡梅伦林发现了水银在低温下的电阻减小的现象，并且对这种现象进行了研究。他发现，当水银的温度降到4.2K时，它的电阻几乎为零。这是一个重要的发现，因为这种现象被后来的研究证明是超导现象的最初观测。

1940年代初期，超导理论的基础被奠定。英国物理学家约瑟夫·约瑟夫森提出了BSC（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论，这个理论解释了超导物质在低温下具有零电阻和完全电磁感应排斥的原因。BSC理论基于一种称为“超导电子对”的东西，这是一对电子，它们通过晶格的振动相互吸引形成。这个理论现在被称为BCS理论，被广泛认为是超导理论的基础。

超导现象的应用

超导现象的应用领域包括：

1.磁共振成像：医学领域中的MRI技术就是基于磁共振成像技术的。在MRI技术中，使用强磁场对人体内的原子进行磁共振激发，然后再根据激发后产生的信号来对人体内部进行成像。超导材料被用作MRI设备中的磁体，以产生超强的磁场。

2.高能物理：超导磁体最早是在高能物理实验中应用的。这是因为制造非常巨大的磁场（比如10万高斯以上）的唯一实际方法是使用超导磁体。高能粒子加速器、带电粒子碰撞的实验等领域都需要很大的磁场。

3.能源传输：超导现象可以被用来输送大量电能。电力传输通常会带来大量损失，然而，如果使用超导线来传送电力，则会大大降低能量的损失。这是因为超导材料具有零电阻，电力能够完全无损地传输到目标地点。

未来对超导现象的研究

虽然超导理论的基础已经奠定，但是在很多方面超导的理论仍然是尚未完全解决的谜题。这包括：

1.高温超导理论：目前能被制造出的超导材料只有在特定温度下才能表现出超导现象，这也就限制了其实际应用的范围。如果能够开发出高温超导材料，那么超导现象的应用范围将得到极大的拓展。因此，寻找高温超导材料是未来研究的重要方向之一。