Високотемпературна свръхпроводимост
Откриването в края на 1986 г. на нов клас високотемпературни свръхпроводящи материали радикално разширява възможностите за практическо използване на свръхпроводимостта за създаване на нова технология и ще има революционно въздействие върху ефективността на секторите на националната икономика.
Феноменът на пълното изчезване на електрическото съпротивление на проводник, когато той се охлади под критична температура, е открит през 1911 г., но практическото използване на това явление започва в средата на 60-те години, след като са разработени свръхпроводящи материали, подходящи за технически приложения. Поради факта, че критичните температури на тези материали не надвишават 20 K, всички създадени свръхпроводящи устройства работят при температури на течен хелий, т.е. при 4-5 K. Въпреки недостига на този хладилен агент, високите енергийни разходи за неговото втечняване, сложността и високата цена на топлоизолационните системи в редица области, практическото използване на свръхпроводимостта започна. Най-мащабните приложения на свръхпроводниците са електромагнитите на ускорителите на заредени частици, термоядрените инсталации и MHD генераторите. Бяха създадени прототипи на свръхпроводящи електрически генератори, електропроводи, устройства за съхранение на енергия, магнитни сепаратори и др.. През последните години в различни капиталистически страни започна масово производство на диагностични медицински ЯМР томографи със свръхпроводящи магнити, потенциалният пазар на които се оценява на няколко милиарда долара.
Откриването на високотемпературни свръхпроводници, чиято критична температура надвишава точката на кипене на течния азот с марж, фундаментално променя икономическите показатели на свръхпроводящите устройства, тъй като цената на охлаждащата течност и разходите за поддържане на необходимата температура се намаляват с 50-100 пъти. В допълнение, откритието на високотемпературната свръхпроводимост (HTSC) премахна теоретичната забрана за по-нататъшно повишаване на критичната температура от 30 до стайна температура. Така, след откриването на този феномен, критичната температура е увеличена от 30 на 130 K.
Държавната научно-техническа програма предвижда широк спектър от дейности, включително фундаментални и приложни изследвания, насочени към решаване на проблема с техническото прилагане на високотемпературната свръхпроводимост.
В съответствие със структурата на програмата, основните области на работа са:
1. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРИРОДАТА И СВОЙСТВАТА НА HTSC.
Основните задачи на това направление са фундаментални изследвания за изясняване на механизма на високотемпературната свръхпроводимост, развитие на теорията на HTSC, прогнозиране на търсенето на нови съединения с високи критични параметри и определяне на техните физикохимични свойства.
2. ВЛИЯНИЕ НА ВЪНШНИ ФАКТОРИ ВЪРХУ СВОЙСТВАТА НА HTSC МАТЕРИАЛИТЕ.
В тази област ще се провеждат изследвания върху влиянието на високо налягане, механични и топлинни ефекти, йонизиращо лъчение, електромагнитни полета и други външни фактори върху свойствата на HTSC материалите и разработване на препоръки за създаване на HTSC материали с оптимални технологични и технически характеристики.
3. НАУЧНИ ОСНОВИ И ТЕХНОЛОГИИ ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА HTSC МАТЕРИАЛИ.
Основните цели на изследванията в тази област са разработването на теоретични основи за производството на високотемпературни свръхпроводящи материали със зададени свойства, синтеза на нови материали с параметрите, необходими за техническа реализация, и разработването на технологии за производство на високотемпературни свръхпроводници от определени технически форми. Ключовите въпроси в тази насока и цялата програма като цяло са създаването на технологично напреднали и стабилни тънкослойни структури, подходящи за внедряване в слаботокова техника, и особено силнотокови тоководещи елементи под формата на проводници, ленти. , кабели и др. за използване в силнотокови технологии.
4. СЛАБОТОКОВИ ПРИЛОЖЕНИЯ НА HTSC.
Създаването на специфични технически продукти на базата на HTSC материали е най-реалистично в близко бъдеще именно в слаботокова технология, т.е. в областта на микроелектрониката и компютърните технологии.
Програмата включва разработване и усвояване на серийно производство на три класа електронни свръхпроводящи устройства:
SQUID (устройства, базирани на Джоузефсонови съединения) като детектори на слаби магнитни полета за използване в медицината (магнитоенцефалография), геология и геофизика (проучване на полезни изкопаеми, изучаване на геоложката структура на земната кора, прогнозиране на земетресения), наука за материалите
(безразрушителен контрол на материали, конструкции), военна техника
(откриване на магнитни аномалии, по-специално дълбоководни подводници), научни изследвания, комуникации и навигация.
Широкото развитие и внедряване на метода за магнитометрично измерване SQUID ще позволи за кратко време да се променят качествено много видове измервателно оборудване, да се повиши чувствителността на инструментите и точността на измерванията със стотици или повече пъти, да се доведат до възможностите за измерване на широк гама от сензори до теоретичната граница и извеждане на измервателното оборудване на най-високо качествено ново ниво.
Аналогово-цифрови устройства (ADC), използващи ултра-бързо (части от пикосекунда) превключване от режими на работа Josephson към „Giver“, за приложения в най-новите комуникационни системи, цифрови изчислителни устройства за обработка и анализ на аналогови сигнали и др.
Устройства, базирани на ефекта от появата на постоянно напрежение върху джозефсонов преход, когато към него се приложи микровълнов сигнал, за използване в системи за прецизно измерване (например стандартен
Волта).
HTSC ще намери широко приложение в компютърните технологии. Понастоящем са разработени прототипи на клетка с памет, ултрачувствителен елемент за четене върху HTSC филми с многократно намаляване на освобождаването на енергия в сравнение с полупроводникови усилватели за четене и ултрависокоскоростни комуникационни линии, което ще увеличи производителността на системите с 10 - 100 пъти. Въвеждането на HTSC в компютърните технологии ще осигури многократно увеличаване на скоростта и степента на интеграция. Така че, преминете към
HTSC връзките и понижаването на работната температура на полупроводниковите суперкомпютри ще повишат производителността им от 10x9 на 10x12 операции/сек.
Широки перспективи за използване на HTSC се отварят в микровълновата технология и при създаването на сензори във видимия и инфрачервения диапазон с висока чувствителност.
5. СИЛНОТОКОВИ ПРИЛОЖЕНИЯ НА HTSC.
Използването на HTSC в силнотокова техника ще има най-радикални икономически последици за националната икономика.
Това направление включва създаването на електрически силови устройства и системи, които генерират, предават и преобразуват електричество в индустриален мащаб. В основата на това направление е способността на свръхпроводниците да пренасят висока плътност (10x9-10x10 A/m2) на транспортен ток в силни магнитни полета при температури под критичните без загуби. Това свойство на свръхпроводниците дава възможност за създаване на електрическо оборудване за различни цели с подобрени тегловни и размерни характеристики, по-високи
ефективност и значително (десетки пъти) намалени експлоатационни разходи.
Така при пренос на мощност над 20 милиона kW по кабелни електропроводи на разстояние над 2000 km се очаква намаляване на електрическите загуби с 10%, което съответства на икономии от 7 до 10 милиона т.е. през годината. В същото време дадените разходи за свръхпроводящ кабелен електропровод не могат да бъдат по-големи от тези за традиционен електропровод за високо напрежение.
Ще има синхронни свръхпроводящи генератори за топлоелектрически централи, атомни електроцентрали и водноелектрически централи
0,5-0,8% по-висока ефективност и 30% по-малко тегло и размери. Предвижда се създаването на свръхпроводящи индуктивни устройства за съхранение на енергия, които в сравнение с помпените акумулиращи станции, единственият тип устройство за съхранение на енергия, намерил индустриално приложение в енергетиката, ще имат значително по-висока ефективност (вместо това до 97-98%) от 70%). В рамките на програмата се планира да се създаде широка гама от електрически и електрически силови устройства, докато мащабът на общото спестяване на енергия поради масовото използване на високотемпературни свръхпроводници ще бъде толкова голям, че ще направи възможно радикално преразглеждане на съществуващата обширна стратегия за развитие на горивно-енергийния комплекс.
Съгласно структурата на програмата се предвижда разработване и производство на свръхпроводящи устройства и системи, чието създаване е икономически и технически осъществимо на базата на традиционните хелиеви свръхпроводници.
Това са свръхпроводящи сепаратори, ЯМР томографи, магнитни системи за задържане на плазма в ТОКОМАЦИ и ускорители на заредени частици и др.
Създаването на такива системи, освен реалния икономически ефект от внедряването им, ще постави необходимата техническа и технологична основа за бърз преход към HTSC, тъй като се създават технологично напреднали HTSC проводници.
6. КРИОСТАТИРАНЕ.
Тъй като въпреки значителното повишаване на критичните температури на новите свръхпроводящи материали, тяхната абсолютна стойност остава на нивото на криогенните температури, една от най-важните области на изследване и развитие е създаването на високоикономични, надеждни автоматизирани инсталации за втечняване и охлаждане на азот , криостатични системи за специфични свръхпроводящи продукти, както и търсенето на принципно нови методи за производство на студ в работния температурен диапазон на HTSC.
Предвижда се създаване на системи за диагностика и мониторинг на параметрите на криостатични устройства.
Освен това за продукти и системи, създадени на базата на традиционни свръхпроводници, ще бъдат разработени и произведени хелиеви инсталации от ново поколение с високи технико-икономически показатели.
7. ПОДПОМАГАЩА РАБОТА ПО ПРОГРАМАТА HTSC.
В рамките на това направление се планира да се извърши широк спектър от дейности по научно-техническо прогнозиране и проучвания за осъществимостта на използването на HTSC, разработването и внедряването на автоматизирани информационни системи и създаването на бази данни за HTSC.
Освен това ще бъде реализирана цялостна програма за обучение и преквалификация на персонал с различни квалификации за работа по проблемите
HTSC.
Възможностите за практическо използване на HTSC материали остават обещаващи за микроелектрониката, медицината и ефективните системи за производство, съхранение и пренос на енергия.
Използването на филми направи възможно създаването на пилотни образци на комуникационни системи от ново поколение (включително електромагнитни екрани, модулатори, антени, ключове и филтри за микровълнови и импулсни сигнали, многослойни филмови структури, включително, в допълнение към HTSC слоеве, слоеве от диелектрици, сегнетоелектрици, нормални метали), болометри с милиметрови вълни, субмилиметрови и инфрачервени обхвати на лъчение, схематични диаграми на ултра-бързи компютри, чувствителни медицински томографи и ултра-чувствителни диагностични устройства, способни да реагират дори на промени в психическото състояние на човека (измервателни устройства, използващи ефект на Джоузефсън).
През годините на съществуването на HTSC критичните токове и размерите на лентите с високи свръхпроводящи характеристики са нараснали с порядъци, което ни позволява да говорим за реалните възможности за практическо приложение на този клас HTSC материали, включително за създаване на на свръхмощни магнити и линии за пренос на енергия без разсейване. Покритите със сребро ленти вече могат да се произвеждат от много компании на индустриална основа и в обеми (много километри), достатъчни за повечето необходими приложения, като този процес все още е ограничен от високата им цена. Въпреки това много пилотни проекти и тестови линии вече са в експлоатация.
Експерименти за левитация на човешки същества в лабораторията по свръхпроводимост ( Лаборатория за изследване на свръхпроводимостта, ISTEC, Токио, Япония)
Перспективите за използване на HTSC материали на базата на фаза 123 са свързани с факта, че най-успешните и практически значими решения в тази област могат да бъдат намерени за насипни продукти с доста проста форма. Такива продукти могат да бъдат разделени на два големи класа. Първият от тях включва проби, които имат висока способност да екранират външно магнитно поле или да бъдат изтласкани от него, което може да се характеризира с така наречената левитационна сила, която зависи от плътността на вътрешнокристалния критичен ток. Друг клас се състои от HTSC материали с високи стойности на транспортен (междукристален) ток. Очакваните практически приложения на такава керамика са: (1) постоянни магнити със „замразен” магнитен поток, (2) магнитни левитационни влакове (проект MAGLEV), (3) механични (ротационни) акумулатори на енергия, базирани на левитиращи маховици (летящи колела), (4) лагери, които се въртят без триене, (5) ефективни, икономични двигатели и тежкотоварни генератори, трансформатори, (6) магнитни рудни сепаратори, (7) свръхпроводящи релета, високоскоростни ограничители на тока, (8) мощни неразсейващи токопроводи, (9 ) томографи, които напоследък се използват активно в медицината, (10) мощни магнитни системи за термоядрен синтез, ускорители на частици (ново поколение Токамак), (11) магнитохидродинамични генератори.
Най-реалистичното практическо приложение на големите монокристали могат да бъдат субстратни материали в тънкослойната технология и микроелектрониката. Това се дължи на факта, че като са създадени от материал, подобен по химичен състав на отложените тънки филми, единичните кристали трябва да демонстрират ниско несъответствие между параметрите на единичната клетка и филма, подобни коефициенти на топлинно разширение и да насърчават епитаксиалния растеж на филми. Всички кристалохимични и термомеханични параметри на кристалите на субстрата могат да бъдат доста точно регулирани чрез използването на твърди разтвори с различни замествания както в позициите на итрий, така и на барий.
По този начин, в резултат на изследванията в областта на химическите свръхпроводници, бяха решени огромен брой проблеми и бяха постигнати наистина изключителни резултати. На свой ред, дълбокото разбиране на физикохимичните основи на процесите, протичащи по време на производството на различни HTSC материали, бяха основните причини и крайъгълните камъни на този успех и това значително обогати теорията и практиката на неорганичния синтез на сложни оксидни съединения. Спецификата на съвременните руски изследвания на HTSC се състои във високия дял на фундаменталните изследвания, в които вътрешната академична наука е призвана да играе важна роля. Именно тези проучвания, според нас, ще допринесат за създаването на много реални и конкурентни вътрешни разработки.
Неотдавна явлението високотемпературна свръхпроводимост (HTSC) беше от интерес само за учените. Въпреки това, днес търговски печеливши продукти, базирани на HTSC, включително произведени в Русия, навлизат на пазара за електрическо оборудване. HTSC може да направи пробив в технологиите за пренос на енергия.
HTSC изобщо не е горещ
В началото на двадесети век беше открито, че редица метали и сплави се характеризират със свръхпроводимост, тоест способността да имат нулево съпротивление при температури, близки до абсолютната нула (около −270°C). Дълго време свръхпроводниците можеха да се използват само при температурата на течния хелий, което направи възможно създаването на ускорително оборудване и магнитен резонанстомографи.
През 1986 г. е открита свръхпроводимост при температура от около 30K, за което е присъдена Нобелова награда, а в началото на 1990г. Беше възможно да се постигне свръхпроводимост вече при 138K, а не метали, а оксидни съединения бяха използвани като свръхпроводник.
Керамичните материали, които имат нулево съпротивление при температури над температурата на течния азот (77 K), се наричат високотемпературни свръхпроводници (HTSC). Въпреки това, ако преобразуваме Келвин в градуси по Целзий, които са ни по-познати, ще разберем, че говорим за не твърде високи температури, да речем, около минус 169–200 ° C. Дори суровата руска зима не е в състояние да осигури такива условия.
Умовете на изследователите са развълнувани от идеята за намиране на материали, които могат да се пренасят към свръхпроводимостсъстояние при стайна температура (293K). Теоретично такава възможност съществува. Според някои доклади се твърди, че свръхпроводящи свойства са открити дори в отделни графитни зърна след специална обработка. Днес търсенето на свръхпроводници със „стайна температура“ (RTSC) се счита за една от ключовите изследователски задачи в областта на нанотехнологиите. Но не само практическото приложение, но и надеждното експериментално потвърждение на CTSC остава въпрос за утрешния ден. Днешната електроенергийна индустрия овладява използването на високотемпературни свръхпроводници.
Оборудване, базирано на високотемпературна свръхпроводимост, изисква охлаждане с течен азот. Според експерти в индустрията това е сравнително евтин и удобен хладилен агент, който осигурява температури от 77K и позволява реализирането на практични проекти.
Ползите от свръхпроводимостта
Свръхпроводимостта може да бъде (и вече се използва) в различни области. За първи път е използван за създаване на магнити с високо поле. С помощта на свръхпроводници може да се постигне магнитна левитация, което позволява на високоскоростните влакове да се движат гладко, без шум и триене. Създават се електродвигатели HTSC за кораби и индустрията,които имат значително по-малки тегловни и габаритни параметри при еднаква мощност. Свръхпроводимостта е интересна от гледна точка на микроелектрониката и компютърните технологии. Нискотемпературните свръхпроводници се използват в медицински диагностични устройства (томографи) и дори в такива екзотични „меганаучни“ проекти като Големия адронен колайдер и Международния термоядрен реактор.
Високотемпературната свръхпроводимост е свързана с надежди за преодоляване на глобалната енергийна дилема, свързана, от една страна, с постоянното нарастване на потреблението на енергия в настоящето и бъдещето, а от друга страна, с необходимострадикално намаляване на въглеродните емисии, за да се предотврати изменението на климата. В края на краищата, по същество HTSC извежда обичайното оборудване за генериране и пренос на електричество по принципново ниво по отношение на ефективността.
Едно от най-очевидните приложения на свръхпроводниците е преносът на електричество. HTS кабелите могат да предават значителна мощност с минимално напречно сечение, тоест имат пропускателна способност от различен порядък от традиционните кабели. Когато токът преминава през свръхпроводник, не се генерира топлина и практически няма загуби, което решава основния проблем на разпределителните мрежи.
Генератори благодарение на намотките направени от свръхпроводимиматериалите, които осигуряват огромни магнитни полета, стават много по-мощни. Например концернът Siemens изгради три HTSC генератора с мощност до 4 MW. Машината е два пъти по-лека и по-малка в сравнение с конвенционален генератор със същата мощност. Също така, генераторът HTSC показа по-голяма стабилност на напрежението при промени в товара и по-добра производителност по отношение на потреблението на реактивна мощност.
Днес светът активно разработва вятърни генератори, базирани на високотемпературна свръхпроводимост. Използвайки HTSC намотките позволяват създаването на 10 MW HTSC генератори, които ще бъдат 2–4 пъти по-леки от конвенционалните.
Обещаваща област за широкото използване на свръхпроводници са устройствата за съхранение на енергия, чиято роля също е голяма от гледна точка на развитието на съвременни енергийни системи, използващи възобновяеми енергийни източници. Дори познато електрическо оборудване, като трансформатори, придобива качествено нови характеристики благодарение на HTSC.
Свръхпроводимостта прави възможно създаването на такива необичайни устройства като ограничители на тока на късо съединение, които напълно автоматично ограничават тока по време на късо съединение и автоматичносе включва при отстраняване на късото съединение.
Лента от второ поколение
Кои от тези обещаващи идеи вече са реализирани и с чии усилия? На първо място, трябва да се отбележи, че днес пазарът предлага високотемпературни свръхпроводници от първо и второ поколение (HTSC-1 и HTSC-2). По отношение на обема на произведените продукти до момента VTSP-1 все още печели, но за експертите е очевидно, че бъдещето за свръхпроводницивторо поколение. Това се дължи на факта, че в конструкцията на свръхпроводниците HTSC-2 повече от 70% е матрица, изработена от сребро.
Една от ключовите руски компании, работещи по темата за свръхпроводниците от второ поколение, е ЗАО SuperOx. Той възниква в стените на Московския държавен университет „Ломоносов“, където научна група от Химическия факултет работи върху технологията за отлагане на тънки слоеве от свръхпроводници. През 2006 г., въз основа на натрупаните знания, стартира търговски проект за създаване на вътрешно производство на 2-ро поколение HTSC проводници.
През 2011 г. сферата на интереси на SuperOx се разширява чрез тясно сътрудничество с новосъздадената компания SuperOx Japan LLC. Създадена е пилотна производствена линия, която позволява производството на HTSC проводник с критичен ток до 500 A/cm ширина. От 2011 г. компанията SuperOx-Innovations също е резидент на Сколково, където провежда приложни изследвания, насочени към оптимизиране на техническите характеристики на HTSC ленти от второ поколение и разработва различни технологии за производство на тези материали. През 2013 г. в московския технологичен парк Слава стартира производството на лента VTSP-2.
„Нашият продукт, свръхпроводяща лента от второ поколение, е субстрат, изработен от специална неръждаема стомана, устойчива на високи температури, която впоследствие не губи механичните си свойства при нанасяне на тънки филми“, казва Вадим Амеличев, водещ специалист в SuperOx JSC. - Използвайки специални методи, върху този субстрат се нанасят буферни оксидни слоеве, а като функционален слой се нанася филм от гадолиний-бариев купрат. След това тази структура се покрива с тънки слоеве сребро или мед и се използва като такава. в свръхпроводимосттаустройства.
Този материал, с дебелина на филма от само един или два микрона, има капацитет на ток от около 500 A на 1 mm² напречно сечение, тоест стотици пъти повече от този на конвенционален меден кабел. Съответно, тази лента е идеална за приложения, където се изисква голям ток. Кабели за големи токове, магнити за силни полета са основните области на приложение.“
SuperOx разполага с пълен цикъл на производство на лента VTSP-2. Продажбите на този иновативен продукт започнаха през 2012 г., а сега материалът се доставя не само в Русия, но и изнесенидо девет държави, включително Европейския съюз, Япония, Тайван и Нова Зеландия.
„В света няма много производители на лента VTSP-2“, обяснява Вадим Амеличев. - Има две американски компании, компании в Южна Корея и Япония. В Европа никой освен нас не произвежда такава лента в индустриален мащаб. Нашата лента беше тествана в много изследователски центрове и потвърди своята конкурентоспособност неговите характеристики."
Развийте нова индустрия
„Въпреки факта, че високотемпературната свръхпроводимост се появи съвсем наскоро, въпросите за нейното приложение в технологиите се изучават интензивно в технологично отношениеразвитите страни по света“, казва Виктор Панцирни, доктор на техническите науки, пълноправен член на AES на Руската федерация, директор по развитието на Russian Superconductor JSC, „В нашата страна, в рамките на Комисията при президента на Русия Федерация за модернизация и технологичниЗа развитието на руската икономика проектът „Свръхпроводникова индустрия“ беше иницииран като част от проекта „Иновационна енергия“ в приоритетна област „Енергийна ефективност“.
Този проект в областта на свръхпроводниковата индустрия се координира от руската компания Superconductor, създадена от Държавната корпорация Росатом. През петгодишния период от 2011 до 2015 г. те планират да създадат конкурентни технологии за производство на високотемпературни свръхпроводници от второ поколение, пилотно производство на дълги (до 1000 m) лентови проводници HTSP-2, както и разработване на прототипи оборудване на базата на проводници HTSP-2 за електроенергетиката. Това са генераторимощни и ограничители на ток (COT) и устройства за съхранение на кинетична енергия (KNE), както и мощни токопроводи за магнитни системи, индуктивни устройства за съхранение на енергия (SPIN), трансформатори, електрически двигатели с висока мощност.
От 2016 г. се планира да започне серийно производство на проводници HTSC-2 и редица устройства, базирани на тях. Около 30 организации участват в работата по този проект, включително университети, академични и индустриални изследователски центрове, конструкторски бюра и индустриални организации, по-специално АО ВНИИНМ, АО НИИЕФА, АО НИИТФА, АО ГИРЕДМЕТ, АО "НИФХИ", АО ТВЕЛ, АД "Точмаш" и извън него, в Националния изследователски център "Курчатовски институт", ENIN тях. Кржижановски, FSBEI MAI, NRNU MEPhI, SUAI, JSC Rosseti, JSC STC FGC UES, JSC SuperOx, JSC VNIIKP, JSC NIIEM, OKB Yakor и др.
„Структурно проектът се състои от девет задачи, изпълнявани паралелно“, обяснява Виктор Панцирни. - От 2011 до 2013 г успя да създаде първите вътрешни работещи прототипи на свръхпроводящи машини - 50 kW двигател и генератор, 0,5 MJ устройство за съхранение на кинетична енергия, 3,5 MW свръхпроводящ ограничител на тока на късо съединение за 3,5 kV електрически мрежи, 10 kVA свръхпроводящ трансформатор, токови проводници за магнитни системи, пропускащи ток от 1500А.
Създадени са и основите на технологията за изцяло местно производство на лентови проводници VTSP-2, като се започне от суровините и се стигне до методите за наблюдение на готовите продукти. Бяха открити основни технологични решения, които позволиха да се премине към създаването на пълномащабни прототипи на енергийни устройства. По този начин работата по създаването на двигател с мощност 200 kW в момента е завършена.
Благодарение на използването на намотки HTSP-2, такъв двигател, когато е инсталиран за електрическа кола(електрически автобус) ще увеличи пробега с 15–20% между презарежданията на батерията. Изработен е свръхпроводящ ограничител на ток на късо съединение с мощност над 7 MVA и се подготвя за изпитване в мрежата на железопътния транспорт. Завършва производството на генератор 1 MVA, перспективен за използване във вятърни електроцентрали.
Създава се устройство за съхранение на кинетична енергия на базата на уникални технологии на Росатом със свръхпроводимостокачване на маховици, което има енергийна интензивност над 7 MJ. Струва си да се отбележи разработването на индуктивно устройство за съхранение на енергия, способно да освободи натрупана енергия до няколко MJ за изключително кратко време. В завършващ етап е и работата по създаването на свръхпроводящ трансформатор с мощност 1000 kVA.
„Освен това най-важните резултати от проекта ще бъдат създаването на мощен експериментален и технологичнибаза, както и формирането на екипи от висококвалифицирани специалисти в областта на свръхпроводниковите технологии, заключава Виктор Панцирни. - Тази година в Изследователския център на Института Курчатов ще бъде пусната цялостна производствена и изследователска линия за производство на лентови свръхпроводници HTSC-2 чрез лазерна аблация. Линията ще се превърне в инструмент за развитие на науката и технологията на HTSC материали, използвайки в максимална степен мощната научна инфраструктура на NBICS центъра на Курчатов. Това ще позволи интензивно развитие на водеща перспективна високотехнологична област към комерсиализациясвръхпроводящи технологии".
AC кабели
Невъзможно е да не говорим за руския проект за създаване на свръхпроводящ кабел с дължина 200 м. Те са работили върху създаването на кабела OJSC „Енергияинститут тях. Г.М. Кржижановски"(ЕНИН), OJSC „ВсерускиНаучноизследователски институт на кабелната промишленост (VNIIKP), Московски авиационен институт и OJSC Научно-технически център на електроенергийната промишленост. Разработката започва през 2005 г., а през 2009 г. е създаден прототип, който е успешно тестван на специално създаден уникален полигон.
Основните предимства на HTSC кабела са високотоково натоварване, ниски загуби, екологичност и пожарна безопасност. Освен това, когато се предава голяма мощност чрез такъв кабел при напрежение 10–20 kV, не са необходими междинни подстанции.
HTSC кабелът е сложна многослойна структура. Централният носещ елемент е изработен под формата на спирала от неръждаема стомана, заобиколена от сноп от медни и неръждаеми жици, обвити с медна лента. Върху централния елемент са положени два слоя свръхпроводящи ленти, а отгоре е поставена изолация за високо напрежение. Това е последвано от прилагането на свръхпроводящ екран, слой от гъвкави медни ленти, увити с лента от неръждаема стомана. Всяка жила на кабела се изтегля в собствен гъвкав криостат с дължина 200 m.
Създаването на тази многокомпонентна структура се усложнява от факта, че HTSC лентата е изключително чувствителна.Основната част от технологичните операции се извършват на базата на АО ВНИИКП. Въпреки това, за производството на изолация за високо напрежение, кабелът е транспортиран до Перм до завода Kamsky Kabel.
„Извършихме операцията по нанасяне на хартиена изолация за HTSC кабела“, казва Александър Азанов, заместник-главен технолог на Kamsky Cable LLC. - Използвано е уникално оборудване, използвано преди за производството на маслонапълнени кабели за високо напрежение. Ето защо не са пестени средства за доставката на полуфабриката от Москва до Перм и обратно. И мисля, че засега за производството на такива специални кабели е препоръчително да се използва уникално оборудване, инсталирано в различни фабрики, а не да се организира производство на едно място.
В близко бъдеще организирането на серийно производство на този кабел в нашия или друг завод е малко вероятно, тъй като инсталирането на линии със свръхпроводнициПроизвежда се изключително рядко и на много кратки дължини (не повече от 1 км). Основната причина за това е цената на HTSC кабелите и тяхната поддръжка (необходимо е непрекъснато изпомпване на течен азот през кабела).“
DC кабели
Днес развитието в областта на създаването на HTSC кабели продължава. JSC FGC UES и JSC Научно-технически център FGC UES провеждат съвместна научноизследователска и развойна дейност „Създаване на високотемпературна свръхпроводяща DC кабелна линия за напрежение 20 kV с ток 2500 A и дължина до 2500 m.“ Първият прототип на бъдещата иновативна система за пренос на енергия - два 30-метрови участъка от биполярен HTSC кабел, разработен в Научно-техническия център на FGC UES и произведен в завода Irkutskkabel - успешно премина текущите тестове и високо напрежениетестове през 2013 г
През ноември 2014 г. се проведоха тестове на комплект преобразуващо оборудване за иновативно пренасяне на електроенергия с мощност 50 MW използвайкисвръхпроводящ кабел с дължина няколкостотин метра. Използването на HTSC кабел за захранване на големите градове ще позволи да се намали площта на парцелите и да се откаже от строителствотовъздушни линии и намаляване на загубите на електроенергия.
Центърът за изследване и развитие на FGC UES отбелязва, че DC кабелна линия, базирана на HTSC, има редица предимства в сравнение с AC линия. Той не само ви позволява да предавате мощност с минимални загуби, но също така ограничавате токовете на късо съединение, регулирате реактивната мощност, контролирате потоците на мощност и осигурявате обратното й.
„Хубаво е да знаете, че руските разработчици на HTSC кабели са в челните редици“, казва Виталий Висоцки, доктор на техническите науки, академик на Руската академия на науките, директор на научното направление - ръководител. отдел за свръхпроводящи проводници и кабели на АД "VNIIKP". - Например кабел от 200 метра беше най-големият в Европа през 2009–2013 г., а едва през 2014 г. в Германия беше монтиран кабел от 1 км. Но този рекорд ще бъде счупен и с тестването на 2,5 км кабел за Санкт Петербург.”
От държавна подкрепа до частни инвестиции
Експертите прогнозират доста активно развитие на световния и руския пазар на свръхпроводници. Така Андрей Вавилов, председател на борда на директорите на SuperOx CJSC, отбелязва, че обемът на световния HTSC пазар се удвоява всяка година и ще достигне 1 милиард долара през 2017 г., докато делът на Руската федерация на световния пазар може да се оцени на приблизително 10%.
„Пазарът на свръхпроводимост за електроенергийната индустрия трябва да се развива, тъй като плътността на потреблението на енергия непрекъснато нараства и без свръхпроводимост е невъзможно да се поддържат нарастващите изисквания“, казва Виталий Висоцки. - Енергетиците обаче са много консервативни по отношение на всичко ново и дори и скъпо.Ето защо засега основната задача е насърчаването на нови проекти с подкрепата на държавните организации. Това ще бъде доказателство за надеждността и ефективността на свръхпроводящите устройства. Появата на нови проекти ще създаде търсене за производство на HTSC ленти, ще увеличи производството им и ще намали цените, което отново ще подпомогне развитието на пазара.”
„На този етап цялостното решаване на всички поставени задачи е невъзможно без пълното съдействие на държавата, но всяка година инвестиционната привлекателност на HTSC технологията нараства, което ни позволява да очакваме с висока степен на увереност приток на частни инвестиции в по-нататъшното му търговско развитие“, съгласен е с колегата си Виктор Панцирни.
Експертите са доволни, че като цяло има разбиране на държавно ниво за важността на свръхпроводящите технологии.
„Развитието на свръхпроводниковата индустрия е от национално значение и е важна част от прехода до иновативнипътя на развитие на икономиката на страната. Това беше заявено наскоро на разширено заседание на Консултативния съвет към председателя на Комитета по енергетика на Държавната дума на Федералното събрание на Руската федерация, където по-специално беше отбелязано, че за да се гарантира икономическата и политическата независимост на Русия е стратегически необходимо да има ниско вътрешно производство и висока температурасвръхпроводящи материали, свръхпроводящи устройства и продукти на тяхна основа“, съобщава Виктор Панцирни.
Бъдещи планове
Помолихме експертите да преценят кои приложения на свръхпроводимостта според тях са най-обещаващи и къде можем да очакваме комерсиално използване на технологията през следващите години.
„Както в целия свят, проектите за свръхпроводящи кабели са най-напреднали в Русия днес. Те трябва и, надяваме се, ще се развиват“, казва Виталий Висоцки. - Свръхпроводящите кабели на базата на HTSC вече са чисто комерсиален продукт, въпреки че все още са доста скъпи. Ще поевтинее, когато започне масовото му навлизане и се изисква значително количество HTSC ленти, което ще намали цената тяхното производство.
Въпреки това, според мен, най-необходимият и в търсенетоза електроенергийната индустрия са свръхпроводящи ограничители на тока на късо съединение за нива на напрежение от 100 kV и повече. Конвенционалните устройства от този клас на напрежение просто не съществуват и човек просто не може без свръхпроводимост. Такива проекти вече се обсъждат и у нас. Освен това, според мен, HTSC машините за вятърни генератори имат добри перспективи. Те обещават значително (неколкократно) намаляване на теглото на един генератор и увеличаване на мощността на блока.
„Днес двигател за развитието на пазара на свръхпроводящи продукти е електроенергетиката (захранващи кабели и токоограничители), казва Андрей Вавилов. „Но има значителен потенциал и в редица други индустрии. Например, днес се разработват варианти за използване на HTSC проводник като ефективен заместител на нискотемпературни свръхпроводници в ускорителната технология, използвана в науката, производството на изотопи и медицината. Русия има големи планове в тази област, по-специално за изграждането на модерния колайдер NICA в Дубна.
Създаването на ефективни ротационни машини с уникални теглителни характеристики, ниска маса и тегло има голям потенциал. Такива двигатели са търсени предимно за осигуряване на движението на големи кораби и могат да се използват генератори във възобновяемиенергия.
Феноменът на магнитната левитация днес открива напълно нови перспективи. Това са не само транспортни системи, но и безконтактни манипулатори, както и издръжливи лагери с широка гама от приложения.“
„По-нататъшното развитие на високотемпературната свръхпроводимост ще има изразен мултипликативен ефект не само в електроенергетиката,но също и в други индустрии, като космоса, авиацията, мореплаването, автомобилостроенето и ж.птранспорт, машиностроене, металургия, електроника, медицина, ускорителна техника. Технологиите за свръхпроводимост са важни и за укрепване на отбранителната способност на страната“, убеден е Виктор Панцирни.
С една дума, по-нататъшното развитие на технологиите, базирани на свръхпроводимостта, открива огромни перспективи пред човечеството и то в обозримо бъдеще.
Физиците са успели да синтезират нов тип свръхпроводници с общата химична формула ReFeAsO (където Re означава един от редкоземните метали: Sm - самарий, Nd - неодим, Pr - празеодим, Ce - церий, La - лантан). Тези вещества имат неочаквано висока температура на преход към свръхпроводящо състояние, достигайки 55 K. Почти всички открити по-рано високотемпературни свръхпроводници (HTSC) включват меден оксид. Широкият клас некупратни HTSC, получени за първи път, дава надежда, че най-накрая ще бъде намерено теоретично обяснение за феномена на високотемпературната свръхпроводимост и също така отваря нови възможности по пътя към по-нататъшно повишаване на температурата на преход към свръхпроводимост. състояние.
Свръхпроводимостта е явлението на пълно отсъствие на съпротивление при протичане на електрически ток, както и идеален диамагнетизъм (т.е. „изтласкване“ на магнитно поле от проба: магнитното поле не прониква дълбоко в материала).
Идеалният диамагнетизъм на свръхпроводника може да се обясни с факта, че през повърхността на пробата започва да тече непрекъснат ток, чието магнитно поле напълно компенсира външното магнитно поле. Плътността на незатихващия ток, който екранира външното магнитно поле, бързо намалява с разстоянието от повърхността в свръхпроводника. Съответно в тази област външното магнитно поле намалява от определена стойност на повърхността до нула в дълбочина. Описаното явление е открито през 1933 г. от немските физици Валтер Майснер и Роберт Охсенфелд и се нарича ефект на Майснер-Охсенфелд. Едно състояние обикновено се счита за свръхпроводящо, ако отговаря на две изисквания: липса на съпротивление и изтласкване на магнитно поле от пробата (ефект на Майснер-Охсенфелд).
Без съмнение основната задача на технолозите - специалисти по "приложна" свръхпроводимост е да създадат свръхпроводник със стайна критична температура ( Tc). Разбира се, трудно е да се търсят такива материали на случаен принцип, затова физиците идват на помощ на учените по материали, които със своите модели се опитват да посочат посоката на търсене. Въпреки че, както показва историята, в случай на свръхпроводимост най-вероятно се наблюдава обратният процес - технолозите намират HTSC, теоретиците изграждат модел. Въпреки това, ако теорията за високотемпературната свръхпроводимост бъде изградена, търсенето на вещества при стайна температура TcСигурно би било по-лесно.
Първата теория, която задоволително описва явлението свръхпроводимост, е теорията на Бардийн-Купър-Шрифер (теория на BCS). Това е теорията за нискотемпературната свръхпроводимост. Неговата същност е следната: електроните в дадено вещество, чрез взаимодействие с вибрациите на кристалната решетка на материала (фонони), се комбинират в двойки, наречени двойки на Купър, и се държат така, сякаш са един „организъм“ с огромни размери на атомен мащаб. В резултат на това електронната система на Cooper двойки „не забелязва“ препятствия, докато тече през материала (тоест изпитва нулево съпротивление).
Когато през 1986 г. Йоханес Беднорц и Карл Мюлер, служители на Цюрихския клон на IBM Corporation, откриха способността на керамиката на основата на меден, лантанов и бариев оксид (La 2-x Ba x CuO 4) да преминава в свръхпроводящо състояние при 30 K, това беше първият етап в пътищата към високотемпературна свръхпроводимост. Оттогава са открити много повече вещества, свързани с HTSC. Нещо повече, оттогава е възможно критичната температура да се повиши повече от 5 пъти (виж Фиг. 1), но все още не е възможно да се конструира теоретичен модел, който добре да описва наблюдаваните свойства на HTSC.
Опитите да се приложи теорията на BCS за обяснение на високотемпературната свръхпроводимост не са успешни; В момента има повече от дузина модели, които са разнообразни в своите подходи, всеки от които поотделно прави някои правилни прогнози. Важно е да се отбележи, че както може да се види от графиката на фигура 1, съставът на всички вещества, отворени след La 2-x Ba x CuO 4 с висока TcПочти винаги е включен меден оксид (едно изключение е магнезиевият диборид, споменат по-долу). MgB 2) - повечето от гореспоменатите модели на високотемпературна свръхпроводимост използват този факт. Ето защо не е изненадващо, че докладите тази пролет за цял клас високотемпературни свръхпроводници, които не са базирани на меден оксид, привлякоха интереса на научната общност, надявайки се да видят напредък в проблема със свръхпроводимостта на „стаята“.
Досега магнезиевият диборид имаше най-високата температура на преход (39 K) сред HTSCs без купрат MgB 2. Свръхпроводимостта в него е открита през 2001 г. и, както се оказа, има свои собствени интересни характеристики: такава висока критична температура се постига поради съществуването в него на два (!) „вида“ двойки Купър, които, взаимодействайки с всяка друго, повишаване на критичната температура.
Първият доклад за откриването на HTSC без купрат, наречен слоест свръхпроводник на основата на желязо LaFeAs (x = 0,05-0,12) с Tc = 26 K (индексът x показва съотношението, в което кислородните атоми са заменени с флуорни атоми - както физиците да речем, степента на допинг) идва от Токийския технологичен институт, където група учени, ръководени от Хидео Хосоно, синтезираха материал, който няма електрическо съпротивление при температури под 26 K.
Разбира се, 26 K не е 39. Това обаче беше само началото. В статията си (през февруари) Хосоно предложи това Tcможе да се увеличи, например, чрез компресиране на материала или замяна на лантана с друг елемент. Наистина, известно време по-късно започнаха да се появяват съобщения за откриването на свръхпроводимост в други съединения на железен арсенид. Ето заглавията на статиите в хронологичен ред: Свръхпроводимост при 36 K в оксиди на гадолиниев арсенид GdO 1-x F x FeAs - свръхпроводимост се наблюдава в материала GdOFeAs с = 36 K, Свръхпроводимост при 43 K в оксиди на самариев арсенид - свръхпроводимост в материала SmOFeAs c Tc= 43 K, Свръхпроводимост при 52 K в базирано на желязо F-легирано слоесто кватернерно съединение PrFeAs - няма съпротивление при 52 K и по-ниски в легираното с флуор съединение PrOFeAs. Що се отнася до използването на налягане за повишаване на критичната температура, същият легиран с флуор LaOFeAs, както беше установено в работата Свръхпроводимост при 43 K в слоесто съединение на основата на желязо LaO 1-x F x FeAs, може при налягане от 4 Увеличение на GPa (40 000 пъти повече от атмосферното). Tcдо 43 К.
И съвсем наскоро се появи статията Свръхпроводимост при 55 K в базирано на желязо F-легирано слоесто кватернерно съединение SmFeAs за наблюдение на свръхпроводимост в SmFeAs с рекордна стойност Tc= 55 K (фиг. 3).
Едновременно с откриването на тези съединения възникна въпросът как се формира свръхпроводимостта в тях - тоест как възниква появата на двойки Купър, отговорни за свръхпроводимостта на дадено вещество.
Оказа се, че по своята кристална структура ReFeAsO практически не се различават от купратните свръхпроводници - същото редуване на слоеве, през които се разпространява свръхпроводящият ток (виж фиг. 3). Тази аналогия доведе учените до идеята, че вероятно природата на образуване на свръхпроводимост в тях е същата като в купратните HTSC. За да се провери тази хипотеза, бяха направени изчисления, които показаха, че ако двойките на Купър се образуват в „прясно изпечени“ HTSC, както е предвидено от теорията на BCS, тогава критичната температура в тях не трябва да надвишава 1 K, което очевидно противоречи на експерименталните данни. Появиха се работи, които говорят за същите механизми за образуване на свръхпроводимост, както в магнезиевия диборид. Въпреки това, както в случая с купратните HTSC, все още не е създадена окончателна теория.
Въпреки това значението на тези открития не може да бъде подценявано. Напълно възможно е нов тип железен арсенид HTSC да помогне да се хвърли светлина върху теоретичното обяснение на високотемпературната свръхпроводимост и да покаже на технолозите пътя към повишаване на критичната температура.
Високотемпературните свръхпроводници обикновено имат зърнеста текстура, състоят се от зърна – кристалити, свързани помежду си. Зоните на свързване са силно дефектни, поради което се разграничават вътрезърнести и междузърнести свойства. Например вътрешногранулният критичен тип е много по-голям от междугранулния. В този раздел разглеждаме структурата на гранула или монокристал. Както вече беше отбелязано, HTSC съединенията на итрий, бисмут, талий и живак принадлежат към слоестите метални оксиди. В същото време съединенията на базата на бисмут и талий имат равнини от медни и кислородни атоми, а съединенията на основата на итрий съдържат както равнини, така и вериги Cu – O. Многобройни работи са посветени на ролята на веригите и равнините в HTSC материалите. В момента се смята, че самолетиграят решаваща роля в свръхпроводимостта и веригиТе също така служат като контейнер за електрони. Те могат да бъдат пълни или празни, в зависимост от съдържанието на кислород и добавките. Ако броят на кислородните атоми в единична клетка се промени, температурата на прехода се променя или свръхпроводимостта се губи напълно. Свободните места за кислород са разположени главно в една верига. Например, в съединението YBa 2 Cu 3 O 7- d при d<1 существуют упорядоченные массивы цепочек, имеющих недостаток кислорода, при d=1 цепочки отсутствуют.
Възможно е да се получи серия от вещества на базата на бисмут, талий или живак с различни стехиометриченсъстав; В този случай единичната клетка ще съдържа различен брой равнини и свойствата на HTSC също ще бъдат различни, по-специално температурата на прехода. Свръхпроводниците също се комбинират с обща формула с променливи стехиометрични коефициенти (виж таблица 2.1). Например, съединенията Tl-2212, Tl-2223 и Tl-2201 имат обща формула:
Tl 2 Ba 2 Ca n -1 Cu n O 2 n+4 , (2.1)
където n – приема стойности съответно 2, 3, 1 и показва броя на слоевете CuO.
Таблица 2.1
Основни свойства на някои ВТСП
| Не. | Връзка (съкратено обозначение) | сингония | Размери на елементарна клетка, A 0 | T SP | |||
| (La 1-x Sr x)CuO 4 | Тетрагонален | a=b=3,78 c=13,2 | 37,5 | ||||
| YBa 2 Cu 3 O 7-x (Y-123) | ромбичен | a=3,82 b=3,88 c=13,2 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 (Bi-2212) | ромбичен | a=5,41 b=5,42 c=30,9 | |||||
| Bi 4 Sr 4 CaCu 3 O 14 (Bi-4413) | ромбичен | a=5,411 b=5,417 c=27 | |||||
| Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223) | ромбичен | a=5,41 b=5,41 c=37,1 | |||||
| Tl 2 Ba 2 CuO 6 (Tl-2201) | ромбичен | a=5,411 b=5,473 c=23,24 | |||||
| Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 (Tl-2212) | тетрогонален | a=b=3,86 c=29,3 | |||||
| Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Tl-2223) | тетрогонален | a=b=3,85 c=35,9 | |||||
| HgBa 2 CuO 4 (Hg-1201) | тетрогонален | a=b=3,86 c=9,51 | |||||
| HgBa 2 CaCu 2 O 6 (Hg-1212) | тетрогонален | a=b=3,86 c=12,7 | |||||
| HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 (Hg-1223) | тетрогонален | a=b=3,86 c=15,9 | |||||
По подобен начин можем да напишем общи формули за HTSC групи, съдържащи бисмут или живак:
Bi 2 Sr 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +4 , (2.2)
HgBa 2 Ca n -1 Cu n O 2 n +2 , (2.3)
Как се оказа да направим монофазнипроби от бисмут, талий и други съединения са доста трудни. Обикновено се получава комбинация от фази, всяка от които има свой собствен брой CuO и CaO слоеве на клетка и свои собствени критични параметри. Това обуславя наличието не на критична температура, а на температурен диапазон от 4-6 К.
Това „съвместно съществуване“ усложнява темпото на провеждане на редица експерименти, свързани с отчитане на характеристиките на определена фаза или нейното поведение в магнитно поле и др.
Както вече беше отбелязано, структурата на HTSC материалите, особено в рамките на групи (2.1), (2.2) и други, има общи елементи. Затова нека разгледаме структурата на фазите: YBa 2 Cu 3 O 7-x (орторомбична система) и Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8 като примери.
Ориз. 2.1. Кристална структура на YBa 2 Cu 3 O 6.5+ d, δ ≈ 0.5;
● – Ba, ▲ – Y, – Cu, ○ – O
Структурата на фазата (Y-123) е показана на фиг. 2.1. Може да се представи като последователност от слоеве, разположени перпендикулярно на оста c:
… (CuO )(BaO)(CuO 2)(Y )(CuO 2)(BaO)(CuO ) … (2.4)
където е празното място на кислородния атом.
Характеристика на тази структура е относителната лекота на промяна на нейната кислородна стехиометрия, докато съставът на медния слой (Z=0) се променя от CuO 2 (d=-0,5) до (CuO) (d=0,5).
При д= -0,5 елементарната клетка е тетрагонална и има състав YBa 2 Cu 3 O 6 полупроводникИмоти. Въпреки това, когато д³ -0,2 структурата става ромбична (a¹b) поради заемането на позиции в равнината (x,y,o) от кислородни атоми и има свръхпроводящИмоти. В същото време с увеличаване дима увеличение T C.
Въвеждане на допълнителни катионив HTSC може да преследва три цели. Първо, това е търсене на нови свръхпроводници или повишаване на температурата на преход на съществуващите, второ, увеличаване на образуването на фази и, накрая, трето, могат да бъдат въведени допълнителни катиони, за да се увеличи закрепването на магнитните вихри, както на включвания на получените не-свръхпроводящи фази и и върху образуваните в този случай структурни дефекти.
трябва да бъде отбелязано че атомно заместванеитрий към други, променя свойствата на съединението.
По този начин заместването на атомите на итрий с атоми на празеодим води до загуба на свръхпроводимост. Заместването на итриеви атоми с ториеви атоми измества температурата на прехода ( T S=67 K). Допирането на итриева керамика с някои лантаниди може да бъде обещаващо, тъй като значително променя температурата на перитектичното разлагане на фазата Y-123. Факт е, че позицията на итрий е слабо място в структурата на свръхпроводящата фаза, тъй като итриевият йон компресира структурата и създава структурни изкривявания. Така замяната на итриеви атоми с атоми с по-голям радиус (Na 3+, S 3+, En 3+, Gd 3+ и др.) стабилизира структурата и осигурява по-високи характеристики на HTSC материалите.
Например японските експерти са склонни напълно да заменят итрия в структурата с неодим.
Замяната на медни атоми с други, като правило, води до намаляване на температурата на преход до 60 - 65 K.
В заключение трябва да се отбележи, че в допълнение към разглежданата фаза Y-123 могат да се образуват и други свръхпроводящи фази: YBa 2 Cu 4 O 8, Yba 4 Cu 7 O 14 с температури на преход съответно 80 K и 40 K.
Структурата на друго популярно HTSC съединение, Bi-2212, е показано на фиг. 2.2.
Ориз. 2.2. Структурен модел на Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 2 O 8:
● – Bi, Δ – Sr, ▲- Ca, ■ – Cu, ○ – O
Трябва да се отбележи, че структурите на бисмутовите и талиевите HTSC материали имат много общо и представляват кохерентно взаимно нарастване на перовскитни и NaCl блокове. В този случай наборът от равнини по оста C изглежда така:
(CuO 2) (Ca)(CuO 2)(SrO)(OBi)(BiO)(OSr)(O 2 Cu) ... (2,5)
В тази структура първите 3 равнини съответстват на перовскитен блок, а последните 5 на блок от тип NaCl. Калциевият атом заема позиция, подобна на тази на итрия (фиг. 2.1) и има висока концентрация на анионни свободни места.
В момента е извършена много работа, свързана с въвеждането на всякакви добавкив свръхпроводници от серията BiSr 2 Ca n -1 Cu n O x. Това могат да бъдат катиони, които заместват позиции в кристалната решетка, или неутрални добавки. Например, катионът Pb 2+ може да подобри електрическите характеристики на свръхпроводника, по-специално да увеличи неговия критичен ток. Заместването с редкоземни елементи и заместването на оловни катиони води до увеличаване на закрепването, а последното също така увеличава стойността на критичното магнитно поле. Въвеждането на сребро също дава възможност за увеличаване на критичния ток.
За да завършим разговора за структурата на HTSC кристалите, трябва да подчертаем Основни характеристики, чиято обосновка е извън обхвата на това ръководство, но които са общи за всички получени материали:
1. Фазовите структури се извличат от структурата перовскит.
2. Структурите имат голям брой анионни свободни позиции, чиято концентрация може да варира (температура и скорост на изпичане, време на експозиция и налягане в кислород и др.).
3. Структурите съдържат атоми медв различни степени на окисление (II и III). Поради промяна в броя на кислородните атоми в структурата нивото на Ферми намалява и се образуват дупки.
4. Структури на HTSC фази – наслоен, техният незаменим елемент е наличието на равнини (CuO 2). Образуването на слоести структури възниква или поради подреждането на анионните свободни места, или поради нарушаване на идеалната последователност от слоеве по оста на 4-ти ред.
5. В тези перовскитоподобни структури B-позициите са заети само от медни атоми. Синтезът на структури с други атоми в B-позиции все още не е дал резултати.
Контролни въпроси
1. Назовете основните видове HTSC материали.
2. Какви са структурните характеристики на HTSC материалите?
3. Как примесите влияят върху структурата и свойствата на HTSC?
4. Каква е ролята на веригите и равнините в структурата?
