6.2. Высокотемпературные сверхпроводники (втсп)
Рассмотренные выше сверхпроводники, в том числе сверхпроводники III рода, имеют все же весьма низкие критические температуры TK (TK<24 К). Поэтому установки, в которых их используют, необходимо охлаждать жидким гелием, что сложно и дорого (жидкий гелий дороже жидкого азота более чем в 30 раз). Для практического использования нужны сверхпроводники, которые могли бы работать при температуре жидкого азота (TK = - 195,6°С) и выше. Получение сверхпроводников с критической температурой, равной комнатной температуре и выше, привело бы к подлинной революции в электро- и радиотехнике.
В 1986-1987 г.г. произошел научный прорыв - ряд ученых в Швейцарии, СССР, Японии, США, Китая независимо друг от друга получили принципиально новый сверхпроводниковый материал - керамику, имеющую температуру перехода в сверхпроводниковое состояние выше 30 К. Первыми, получившими керамические ВТСП, являются швейцарские ученые К.Мюллер и Дж.Беднорц, удостоенные за это открытие Нобилевской премии. На сегодняшний день известны несколько высокотемпературных сверхпроводящих керамик с общими формулами: лантановая керамика (La1-X Ва)2СиО1-Y, имеющая TK=56 К, иттриевая Y-Ва-Си-О, имеющая TK =91 К, висмутовая Bi-Sr-Са-О — TK = 115 К, таллиевая Т1-Ва-Са-Си-О — TK = 119 К и, наконец, ртутная Нg-Ва-Са-Си-О — характеризуется максимальной TK =135 К. В последние годы разработана технология получения текстурированной керамики, которая позволила увеличить критическую плотность тока JK на порядки. Например, у текстурированной иттриевой керамики при температуре 77 К в магнитном поле, имеющим магнитную индукцию В = 1 Тл, JK =108 А/м2, а в тонких (h=0,2 мкм) пленках JK достигает несколько единиц 1010 А/м2 и, что важно, слабо зависит от индукции магнитного поля.
Сверхпроводящие керамические системы состоят из сверхпроводящих гранул, которые характеризуются достаточно высокой JK. Однако межгранульное пространство имеет невысокую JK и поэтому снижает критическую плотность транспортного тока ВТСП, что затрудняет их применение в технике. Кроме того, JK межгранульного пространства зависит от индукции магнитного поля.
6.3. Криопроводники
Криопроводниками называют металлические проводники, удельное сопро-тивление которых при охлаждении снижается плавно, без скачков, и при криогенных температурах (при Т<-195°С) становится на несколько десятичных порядков ниже, чем при нормальной температуре. При глубоком охлаждении металлического проводника его сопротивление снижается потому, что уменьшаются тепловые колебания кристаллической решетки и, следовательно, уменьшается рассеяние электронов проводимости на этих колебаниях. При очень низких температурах составляющая удельного сопротивления, вызванная рассеянием электронов на тепловых колебаниях кристаллической решетки, становится пренебрежимо малой и сопротивление в основном обусловливается искажениями решетки, вызванными наличием примесей и наклепа. Поэтому металлы, используемые в качестве криопроводников, должны быть хорошо отожженными и иметь высокую степень чистоты.
В отличие от сверхпроводников, удельное сопротивление криопроводников при охлаждении в широком интервале температур снижается плавно, без скачков, что дает свои преимущества перед сверхпроводниками. Например, случайное повышение температуры сверхпроводника выше его TK повлечет внезапное выделение большого количества энергии, что приведет к аварийной ситуации. В случае же криопроводников случайное повышение температуры повлечет лишь постепенное, плавное повышение удельного сопротивления.
На рис. 6.3 представлены температурные зависимости удельного сопротивления для двух практически наиболее важных проводниковых металлов - меди и алюминия, а также для бериллия. Из рисунка видно, что, во-первых, удельное сопротивление у Сu, А1 и Ве при криогенных температурах существенно ниже, чем при нормальной температуре, особенно у особо чистых Сu и А1, и, во-вторых, при температуре жидкого водорода, наиболее эффективными в качестве криопповолникя являются особо чистые Сu и А1, а при температуре жидкого азота - технически чистый Ве (примесей не более 0,1%). Однако бериллий дорог, высокотоксичен (особенно в пылевидном состоянии), малотехнологичен и имеет сильно выраженный магниторезистивный эффект. Поэтому в качестве криопроводника более рационально использовать алюминий, так как он более доступен, недорог, высокотехнологичен и имеет низкое удельное сопротивление в рабочем интервале температур. Например, алюминий марки А999 (А1 не менее 99,999%) при температуре жидкого гелия (-269°С) имеет удельное сопротивление не более (1-2) 10-12 Ом м. Криопроводники в основном применяют в качестве токопроводящих жил проводов и кабелей, работающих при температурах жидкого водорода (-252,6°С), неона (-245,7°С) или азота (-195,6°С).
Рис 6.3 Температурные зависимости удельного сопротивления криопроводников. 1,2 –особо чистые медь и алюминий;1’, 2’ –обычные проводники медь и алюминий соответственно, 3-беррилий; 4-натрий. Стрелками обозначены температуры кипения азота и водорода.