Високотемпературна надпровідність

7.Методи синтезу полікристалічних високотемпературних надпровідників

Одним із найбільш перспективних матеріалів для практичного використання є сполуки на основі LnBa2Cu3O7 (так звана фаза „ 123 ”), де Ln, - рідкісноземельний елемент (РЗЕ).

Існують такі методи синтезу полікристалічних високотемпературних надпровідників, як:

1. Історичні  передумови синтезу

2. Керамічний  метод

3. Метод  саморозповсюджувального високотемпературного синтезу

4. Метод  гомогенізації.

5. Метод  сумісного осадження

6. Кріохімічний  метод

7. Метод  розпилювальної сушки

ВТНП – це матеріали, які одержують шляхом кристалізації продукту із розплаву протягом тижня, а для завершення процесу використовується хімічна реакція окиснення при низькій температурі. Без такої обробки матеріал не стає надпровідником і не спроможний зависати в магнітному полі.

Розглянемо кожний метод детальніше.

Керамічний метод. Найпростіша технологія одержання високоякісних полікристалічних ВТНП сполук - це твердофазні реакції.

Керамічний метод досить простий, універсальний, технологічний та практично не має обмежень: у принципі він може бути використаний для одержання найскладніших високотемпературних надпровідних композицій

Метод саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу. За останній час інтенсивно розробляється метод саморозповсюджуваного високотемпературного синтезу (СВС) . Розроблено методики одержання YBa2Cu3O7-x із суміші Cu, Y2O3 та BaO2, яку підпалюють, після чого відбувається її інтенсивний розігрів унаслідок окиснення міді. Швидкість окиснення та виділення теплоти корелюють із тепловідводом таким чином, щоб не відбувалося плавлення евтектик Cu–CuO2, BaCuO2–CuO при тиску 1 атм., так як останнє (наприклад, при 10 атм.) робить неможливим подальше самочинне протікання реакції утворення YBa2Cu3O7-x.

Методи гомогенізації. Більш перспективними є хімічні методи гомогенізації, в яких вихідні сольові компоненти розчинюють у воді чи іншому розчиннику, а потім цільовий продукт виділяють із розчину тим чи іншим методом. Це дозволяє уникнути деяких недоліків, що притаманні керамічній технології, наприклад, усуває необхідність перемішуючих чи подрібнюючих приладів.

Метод сумісного осадження малорозчинних сполук можна розглядати як один із методів гомогенізації. Він базується на взаємодії розчину, який містить компоненти майбутнього керамічного матеріалу, із розчином осаджувача. Саме так Bednorz та Muller синтезували перший керамічний високотемпературний надпровідник . Як вихідні солі для синтезу використовують нітрати чи хлориди, а як осаджувач – оксалатну кислоту чи калій оксалат, калій чи натрій гідроксиди, діамонійетилоксолат чи ді(триетиламоній)оксолат, амоній карбонат чи суміш амоніаку та амоній карбонату.

Метод розпилювальної сушки побудований на швидкому випаровуванні розчинника при його диспергуванні в потік газу-носія. Як вихідні солі використовують нітрати та ацетати, а як розчинники – воду, амоніачно-спиртові та водно-спиртові суміші.

Цей метод досить універсальний бо дозволяє одержати різноманітні композиції ВТНП

Основою кріохімічного методу є розпилення водних розчинів солей, катіони яких входять до складу ВТНП матеріалу, в холодоагент (частіше за все використовують рідкий азот), а потім виділення розчинника (льоду) із заморожених гранул методом сублімаційної сушки.

8. Надпровідні технології

Надпровідні матеріали застосовують у потужних магнітах прискорювачів заряджених часток, у ланцюгах живлення потужних електричних печей, де струми сягають десятків кілоампер, в апаратурі. Першим промисловим використанням надпровідності стало створення надпотужних магнітів. Вже в середині 1960-х рр було створено магнітні поля понад 100 кГс (звичайні магніти для цього потребували надто великих витрат електроенергії у обмотках та охолодної води для їх охолодження). Наприкінці 1990-х років у Японії було випробувано надпровідну магнітну котушку для реактора керованого термоядерного синтезу (міжнародний проект ITER). Обмотка котушки виконана зі стрічки, виготовленої з низькотемпературного надпровідного сплаву Nb—Sn. Котушка мала довжину близько 3 метрів і діаметр внутрішнього отвору 1,5 м. Магнітне поле на осі котушки становило 13 Т, а струм у обмотці досягав 46 кА. Важливим застосуванням кріотехнологій є створення надчутливої вимірювальної апаратури, що працює за принципом ядерного магнітного резонансу, зокрема для вимірювання напруг близько 10-15 В та визначення магнітних полів до 10-9 Гс (застосовують для дослідження магнітних властивостей матеріалів, у магнітокардіографії, для геомагнітних досліджень).

Для створення такого обладнання використовують контакти Джозефсона, що грунтуються на особливостях протікання електричного струму через шар діелектрика, розташованого між двома надпровідниками. Контакти Джозефсона використовують також у якості швидкодійних логічних елементів ЕОМ. Це дає змогу досягти малого часу перемикання, малих втрат потужності та великої щільності розташування.

Серед промислових застосувань надпровідних технологій основним є електротехнології, зокрема лінії електропередач великої потужності, використання надпровідних обмоток великої потужності у електрогенераторах та електродвигунах. Розглядаються можливості використання надпровідних магнітів для акумулювання електроенергії, а також для вироблення термоядерної енергії.

Російським винахідником В.С.Кисельовим розроблені та запатентовані способи генерування змінного електричного струму (генератор) та обертального моменту (електродвигун) на базі надпровідних технологій. Обидва способи грунтуються на переміщенні магнітного потоку, що проходить крізь зону провідності, створену у надпровідному статорі.

Надпровідні електрогенератор (а) та електродвигун (б).

На пластині надпровідного матеріалу 4, поміщеного у зазор магніта 6, тепловим променем 3 (наприклад, світлом інфрачервоного лазера) створюється «тепла пляма» 2, нагріта до температури вищої за температуру надпровідного переходу – утворюється зона нормальної провідності. Надпровідник має властивості діамагнетика – він виштовхує магнітне поле до зони нормальної провідності. Коли «тепла пляма» переміщається по надпровіднику, за нею йде і магнітний потік. Він перетинає витки обмотки 5, що оточують магніт. У обмотці буде наведена електрорушійна сила і виникне електричний струм. Пристрій працюватиме як генератор. Крім того, навколо зони надпровідності виникає коловий струм 1. Його магнітне полевзаємодіє з полем магніта, створюючи обертальний момент. Якщо магніт закріпити на вертикальній осі 7, встановленій на опорах 8, він почне обертатися під дією цього момента, відповідно до руху надпровідної плями. Пристрій працюватиме, як двигун. Позаяк перехід ряду матеріалів з нормального стану до надпровідного відбувається стрибкоподібно, при різниці температур у 0,001 градуса, потужність нагрівача може бути надзвичайно малою, а швидкість руху плями великою. До того ж, описаний пристрій не має рухомих частин, що робить його надійнішим.

Потужні магнітні поля, створені за допомогою надпровідників, використовують для створення магнітної левітації – за рахунок взаємного відштовхування між рухомим магнітом і струмом, що індукується у провіднику, поїзди, розроблені у Японії та Німеччині, можуть рухатись, не торкаючись рейок, без шуму та тертя зі швидкістю близько 300 км/год. Розробляють і технології з високотемпературними надпровідниками, проте як вже зазначалося, проблемою тут є крихкість матеріалів. Для боротьби з крихкістю використовують стрічки зі сплаву на основі вісмуту.

ВТНП-матеріали використовують у лабораторних магнітах та котушках підмагнічування обмежувачів струму. У Росії (МАІ, ВЕІ) розроблено ряд електричних машин з роторами, виконаними з ВТНП-кераміки та її комбінації із залізом. Для зменшення тертя використовується магнітна левітація. Двигуни працюють при температурах зрідженого азоту. Вже пройшли випробування моделі потужністю 20 та 38 кВт, ведеться робота зі створення двигуна потужністю 100 кВт.

Найактуальніша галузь використання ВТНП – потужні струмопідведення. Зокрема є проблемою підведення струму до приладів, що працюють у низькотемпературних зонах. У звичайних провідниках максимальний струм суворо обмежений тепловиділеннями (за законом Джоуля-Ленца), а у надпровідниках тепловиділення практично відсутні. Проте у цьому випадку виникають інші обмеження, пов’язані з областю робочих температур, зовнішніми магнітними полями та силою струму.

Стрічкові ВТНП використані у США для струмопідведень у 13 кА для Великого адронного колайдера у Центрі ядерних досліджень. У ньому використано близько 8 тисяч надпровідних магнітів з низькотемпературних надпровідників, що працюють при температурі близько 4К. За таких умов теплопідведення до низькотемпературної зони не перевищує 80 мВт.

Подальший розвиток надпровідних технологій призведе до їх здешевлення, що потягне за собою розширення та урізноманітнення застосувань надпровідників.

 

Висновок

У надпровіднику електрони також взаємодіють з іонами решітки. Перший електрон «зближує» іони і у «звужену» область за рахунок більшого позитивного заряду втягується другий електрон. Енергія, яку витрачає перший електрон на деформацію решітки, без втрат передається другому електрону. Ця пара (так звана «куперівська пара») рухається по решітці, обмінюючись енергією через фонони (кванти коливальних рухів решітки), проте не втрачаючи енергії в цілому.

Сумарний спін куперівської пари дорівнює нулю – виникають бозони. У 1 см3 надпровідника міститься близько 1020 куперівських пар, що утворюють бозонну рідину – макроскопічно впорядковану структуру, що поводиться як одна частка і може «текти» провідником без опору, а за рахунок заряду електронів створює електричний струм. З підвищенням температури енергія електронів зростає і куперівські пари розпадаються. Надпровідний стан фізики називають макроскопічним квантово- механічним станом.

За відсутності зовнішнього магнітного поля метали та сплави переходять у надпровідний стан при сталій температурі, що зветься температурою переходу в нульовому полі Т0. Серед чистих металів найвищу температуру переходу має технецій.

Надпровідність – надзвичайно цікаве й деякою мірою загадкове фізичне явище, практичне застосування якого має принести людству незлічені здобутки. Використання надпровідних пристроїв виявляється одним з найбільш важливих і перспективних шляхів енергозбереження. Оцінки показують, що застосування надпровідності дозволить зменшити втрати під час генерації, передачі, трансформації та використання електроенергії з приблизно 30-35% до 1-2%, що рівнозначним побудові кількох нових потужних електростанцій в Україні.

 

Література

1. Буккель В Сверхпродимость. М.: Мир,1975, с. 179-185, 193-199.
2. Ван Дузер Т., Тернер Ч.У. Физические основы сверхпро водниковых устройств и цепей.- Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984, 344с.
3. Вендик О.Г Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1990, т.3, №10, с. 2133.
4. Головашкин А.И. и др. СВЧ свойства высокотемпературных сверхпровдников и использование их для резонансных устройств.- Препринт N217, Москва: ФИАН, 1988, 41с.
5. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнытные поля и волны., М.: Сов.радио, 1971.
6. Давыдов А.С Высокотемпературная сверхпроводимость. К.: Наукова думка, 1990, с.9-13, 104.
7. Киттель Ч Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.-792с.
8. Лихарев К.К., Семенов В.К. Новые возможности для сверхпроводниковой электроники.-Сер. Сверхпроводимость,М.: ВИНИТИ, т.1, 1988.
9. Мелков Г.А., Касаткин А.Л., Малышев В.Ю. Физика низких температур, 1994, т.20, №9, с. 868
10. Менде Ф.Ф., Бондаренко Н.Н., Трубицын А.В. Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы.-Киев:Наукова думка,1976,272с.
11. Сивухин Д.В. Общий курс физики.Электричество.-Москва: Наука, 1983, с.332-343.
12. Шмидт В.В., Введение в физику сверхпроводников, М.: Наука, 1982