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  超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体,要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大。

    超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

    超导发电机 在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万~6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%。

  磁流体发电机 磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁场强度为5万~6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单,用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

  超导输电线路 超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器,从而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路上,光是在中国,每年的电力损失即达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。

    高温超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

  超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

  超导计算机 高速计算机要求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发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高。此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管。

  核聚变反应堆"磁封闭体" 核聚变反应时,内部温度高达1亿~2亿℃,没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为"磁封闭体",将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来,然后慢慢释放,从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

(1) 托卡马克装置中的超导磁体

世界上最先进的托卡马克装置内的所有磁体均采用超导磁体。它可以用来研究等离子在磁场加速和约速下产生聚变。聚变时产生的强大能量,具有很高的经济价值和广泛的应用潜力,聚变能应用在发电方面优点尤其突出。在研究核聚变的装置中所采用的超导磁体有许多优点,从长期使用的角度来看,超导磁体的能耗小,成本低,是一种理想的磁体。由于超导磁体的零电阻的特性,在处于超导状态时几乎不产生热,因此在不失超的情况下,可使电流很大而又不产生能量消耗,实现了我们所希望的强磁场低能耗的要求。用这样一个能耗小的强磁场,在核聚变装置中实现聚变反应产生的巨大的聚变能,真正做到投入少产出高。

(2) 超导储能磁体的开发与应用

在军事上,聚能武器即定向能武器,在未来战争中将起举足轻重的作用,美国和俄罗斯已把定向能武器的研制摆在突出的位置。这样需要改革现有的储能设备和传能系统,而超导技术可以为定向能武器能源的问题的解决提供可能性。我们知道,聚能武器是把能量汇聚成极细的能束,沿着指定的方向,以光速向外发射能束,来摧毁目标。这里要解决技术上的一个难题:如何在瞬间提供大量的能量。也就是说需要一个电感储能装置,但普通线圈由于存在大量的能耗,因此不能长时间储存大量的能量。超导材料的零电阻的特性和高载流能力,使超导储能线圈能长时间、大容量地储存能量,如右图所示。这种储存的能量可以用于军事上,并且还可以多种形式发射能量。

(3) 超导发电机的开发

另外超导技术在能源方面可应用于体积小、功率大的发电机。它的原理是:当用一种导电的流体流过一条通道而受到横向场作用时,会产生感应电动势,若在通道壁上放置两个电极即可提取电力。我们由物理学中的有关原理知道,磁流体发电的输出功率与磁感应强度的平方成正比,但利用普通磁体仅能产生几千高斯的磁场,若采用超导磁体就可以产生数万乃至几十万高斯的磁场,从而使磁流体的输出功率大大提高。随着超导技术的不断突破,在不远的将来必然可产生大容量、小型化的磁流体发电机。这种发电机将会在许多领域得到应用。我们知道航天器的发展受到两个方面因素的制约,第一是其动力的限制,第二是其重量对其施加的限制,而超导发电机在这两个方面都具有普通发电机无法比拟的优点。另外在军事上,舰艇和飞机可用超导发电机作为能源,可提高战斗力 

(4)超导电磁推进系统


超导电磁推进系统能产生很大的推力而又比常规动力系统节省能源,它可应用在潜艇上。常规潜艇有其不可克服的缺点,例如潜艇航行时,由于推进器中螺旋桨等转动部分发出噪音,容易被敌方发现目标,采用超导电磁推进系统,是减小潜艇低频杂音的有效措施。超导电磁推进系统是在潜艇内装置一个超导磁体,它在海水中产生很强的磁场,在艇体两侧安装一对电极,使两极间的海水中产生很强的电流。由于磁场和海水中的电流互相作用,海水对艇体产生强大的推力。该系统具有速度快、推进效率高、结构简单、易于维修和噪声小等优点,且消耗能量是常规船舶推进器的一半,从而使我们可以获得高航速、低消耗的舰艇。 

(5)超导磁悬浮列车


超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导列车,这种列车具有低噪声、高速度、低消耗的特点。其原理是:在列车上装有超导磁体系统,当列车一旦运行时,下面的铁轨在磁体的交变磁场作用下产生涡流,这种涡流产生的磁场与列车上超导磁体的磁场相互作用,产生相斥作用力,可托起列车,当列车被托起后,它的运行阻力将大大减少,这样它的运行速度是普通列车无法比拟的,此外,它的两侧也安装超导磁体,在导轨的侧壁也装上导电板,根据电磁学原理,火车的导向问题也可以解决。导轨侧壁的悬浮线圈和导向线圈均与电力电缆相联。一旦列车从中心偏向任一边,列车所靠近的一侧上的线圈将向车体施加斥力,而与列车间距加大的一侧则向车体施加吸力,从而保证列车在任何时候均在导轨的中心。
    
磁悬浮列车和常规列车比较有许多的优点,随着对磁浮列车的更多研究,人们发现它还具有其他诸多优点,如速度可以达到很高、污染小、爬坡能力强等等。特别是采用了超导型磁悬浮列车,它更有体积小、磁场强、能量消耗小、速度更高等优点,是最为理想的类型,我们知道磁悬浮列车有两种基本悬浮方式:电磁悬浮方式(EML)和电动悬浮方式(EDL)。电磁悬浮方式需要很好的控制系统,而电动悬浮方式不需要控制系统,电动悬浮方式靠自身的运动就可以控制列车的高度,可见,电动悬浮方式是理想的悬浮方式。和常导型磁悬浮列车比较,低温超导型磁悬浮列车有许多优点,其一,超导体可以流过很大的电流,超导磁体的磁场要比常规电磁体的大。其二,超导体几乎没有电阻,损耗极小。一次通入电流用以励磁之后,即可去掉电源,只需维持其低温工作环境以保证它不失超。从长期使用的角度来看,超导磁体的能耗小、成本低,是一种理想的磁体。超导磁体由于其零电阻的特性,在处于超导状态时几乎不产生热,因此在不失超的情况下,通过超导磁体的电流可以很大而又不产生能量消耗,实现强磁场低能耗的要求。其三,重量轻,体积小。一个产生(45T磁场、内径为0.2m的磁体线圈,常规磁体重为(1520)t,体积约为(12)m3;而超导磁体的重量仅 (0.20.3)kg,体积只有10-4m3,包括低温容器在内也只有0.1m3。至此,我们也可看出人们之所以千方百计寻找并利用超导体的理由了。当然,低温超导的4.2K-273℃)的工作温度也给低温超导带来了不少麻烦。与常规磁体相比,超导磁体的优越性是巨大的。
此外,超导磁体系统还可以用于火车的动力系统,即解决驱动问题。在低温超导磁浮中仍然采用线性电机驱动,这一点与常规是相同的。电机的推动原理是这样的:导轨中的线圈好比是旋转电机中的定子,当我们在线圈中通以交流电时,这些线圈中就会产生沿轨前进的磁场行波,任意一处的极性不断变化,车上磁体的极性不变,从而产生这样的效果:导轨中的磁场将一会儿拉车载磁体,一会儿推车上的磁体。磁浮车就运动起来了。低温超导车的直线电机效率可以高达70%80%

(6) 带有超导磁体的同步加速器

超导磁体在粒子加速方面大有作为。为了研究高能物理,人们建造了大型粒子加速器,普通一台3000亿电子伏特的同步加速器,若采用1.2特斯拉的常规磁体,加速器的粒子轨道半径为1.2公里;改用6特斯拉的超导磁体,其轨道半径可减少到170米。在同步加速器中,随着粒子的加速,磁场强度必须相应变化,即当磁场强度逐渐增大时,粒子加速运动的轨道半径逐渐减小,这样可大大降低建造粒子加速器装置的成本。还有在同步加速器中获得的高能离子,需要通过偏转磁场把多种粒子分离出来,再用集束磁场把各种粒子分别集束。采用超导磁体产生强磁场,增强了偏转和集束能力,这样可使各个通道的长度大大减少。这里我们不妨举例说明。使3万电子伏的质子偏转900的磁体,由上、下两部分组成,内径为21厘米,外径为30.5厘米,高度为7.5厘米,两部分之间的间隔为16毫米,质子在间隙中通过,线圈的总匝数8400,电流200A ,中心磁场为5特斯拉。集束用的超导磁体,内径为10厘米,长度为60厘米,最大磁场为6特斯拉,磁场梯度1.2特斯拉/厘米,这样大的磁场梯度有利于集束所需的距离。

(7)超导磁悬浮支架

在飞机、弹导导弹的风洞实验室里,传统的支架与飞机之间、支架与导弹之间有摩擦阻力,这样长期下去会对飞机和导弹的表面造成磨损,而我们可以用超导磁体做成一个磁悬浮系统,用该系统后飞机和导弹磁悬浮在支架上,飞机和导弹的表面造成磨损小,对飞机和导弹的表面有很好的保护作用。

 

(8) 高温超导变压器

早在60年代,就有人对超导变压器进行研究。但是,由于交流损耗过大而认为是不经济的。只是最近几年由于极细丝超导复合导体的出现,超导变压器才成为有吸引力的应用项目。高温超导材料放宽了对细丝直径的要求。已有的液氦冷却的极细丝超导复合导体,估计损耗可降低至原来的1/2 1/3,重量也可进一步减轻。高温超导变压器将比极细丝超导复合导体制作的变压器更优越。由于超导受到的磁场强度只有0.3-0.5T, 在变压器中采用高温超导材料是适当的。在液氮下的绝缘强度比液氦下的高,所以,将会使变压器绝缘更简化。

 

(9) 超导磁分离装置

这里介绍的是将弱磁矿物和磁华率更低的材料相分离的磁选矿装置。磁分离力由磁场强度及梯度的乘积给定,超导磁分离机沿高梯度磁分离和开式梯度磁分离两个方向发展。前者典型的是有一个螺线管磁体,产生一个恒定磁场,其中通过填充纤维状磁性材料,造成局部的磁场梯度。开式磁分离系统,由于磁力最大的区域正好位于低温容器的绝热层附近,液氮容器的绝热层间隙小,又能处理较大的热损,所以分离效率会明显提高。基本建设和运行费都可以降低20%左右,因此将会刺激今后的发展。


(10) 医用超导磁体

超导技术在生物医学领域也有广泛的应用。首先,我们来看最近人们提出的关于治疗癌症的一种方法,首先人们根据癌症病理提出一种设想,就是如何将局部癌变组织的营养来源切断,使癌细胞由于得不到营养而坏死,最终达到根治癌症的目的。为了达到这一目的,我们可以生产出一种铁剂,这种铁剂经科学方法加工处理对人体无害(这一点在医学上已经变为现实),把这种铁剂注入人体血液中,然后我们可以在人体外用磁体诱导铁剂在人体血液中流动。这使我们最理想的方法是用超导磁体作为工具,因为超导磁体中无热产生,同时可以通过控制电流的方法控制磁场的大小,通常情况下超导磁体的磁场远大于普通磁体的磁场,同时导线中临界电流大,要产生某一特定的磁场,磁体可做得很小,这样有利操作,有利于超导磁体在人体表面自由移动。这样在超导磁体的作用下,血液中的铁剂可在血液中自由流动,在超导磁体作用下流向肿瘤、癌变部位,阻塞其周围的血管,使其肿瘤组织坏死,使癌变部位缩小乃至消失,这样做既能起到治疗作用又不开刀和插管,使病人免去许多病痛。另外也可以用药包在铁剂外,在超导磁体的诱导下这种铁剂到达病变部位,从而使药物直接作用于病变部位,取得最佳疗效。


(11)医用射频超导量子干涉磁强计

由于超导技术的迅速发展,诞生了一门新兴的边缘学科——生物磁学。生物磁学是研究物质磁性、磁场与生命活动,生物特性之间的相互联系和影响的交叉学科。最近,人们已把对人体磁场的研究从实验室推广到临床诊断,取得了令人振奋的成果。生物磁学告诉我们,人体的心、脑和眼的活动伴随着电子的传递和离子的移动,这些带电粒的运动会在空间产生磁场,我们把人体中的电荷运动产生的磁场随时间的变化的曲线称为心(脑、眼)磁图,这与电场随时间的变化的曲线称为心(脑、眼)电图很相似。通过分析发现心(脑、眼)磁图中的磁场强度很小(大约10-9-10-13特),而地球产生的磁场强度(10-4-10-5特)比它大的多,所以心(脑、眼)磁图很容易受到地磁场的影响,为了准确的测量心(脑、眼)磁图,必须采用高灵敏度的磁强计-超导量子干涉磁强计(SQUID),该磁强计可以探测到10-13特的磁场的变化。通过人们的不断的努力,科学家已经发明了射频超导量子干涉器,它的灵敏度更高,可探测到10-15特的磁场的变化。大大的促进了人体磁图的研究和应用。用超导量子干涉器测量出的心(脑、眼)等部位的磁图反映了人体心(脑、眼)等部位的生理和病理状态。最近,科学家用超导量子干涉器来探索人脑的秘密,寻找人的感觉与思维活动和人的脑磁信号的关系,揭示一个未知的新世界。与心(脑、眼)等部位的电图相比较心(脑、眼)等部位的磁图有许多的优点,如有无电极接触干扰,能进行交、直流分量和三维磁场的测量,及分辨率高等优点,是一种十分理想的仪器。


(12) 超导核磁共振层析成像仪

今天,科学家已发明了一种新的诊断仪器——超导核磁共振层析成像仪,该诊断仪器是根据核磁共振的原理对人体进行诊断。所为核磁共振,是具有核磁矩的物质在一定的恒定磁场和交变磁场同时作用下,会对变化的电磁场产生强烈的共振吸收现象,称为核磁共振。超导核磁共振层析成像仪中的超导磁体可以在一个大的空间产生一个均匀的强磁场,故这种新的成像仪的分辨率很高。从生物磁学中我们可以知道,不同的核和同种核在不同的微观环境中有不同的共振谱线,因此可以由核磁共振谱线对人体的组成、状态、结构和变化过程进行分析,从而获得人体的生理和病理的信息。人们在核磁共振的原理下,进一步采用的超导核磁共振层析成像仪,可以得到人体、生物和材料内部某些核的浓度和状态的截面图像,并且可以获得三维截面图像,这种可以对人体内部的结构进行精细的分析,从而对人体的状态进行合理的诊断,判断人体组织是否发生病变。这种诊断的优点是对人体无电离辐射伤害,且截面图像的分辨

率很高。采用超导磁体能够提高精度及图像的清晰度的原因可由以下分析得出,在生物体中,某些元素的自然含量很低,其旋磁比很弱,为了获得清晰的共振谱信号,必须提高背景磁场,当背景磁场达到10特,磁场的均匀度高于10-5和磁场的稳定度高于10-7时,我们可以得到理想的图像。而这样的磁场只有超导磁体就能产生。目前,超导核磁共振层析成像技术已在国内外医学界重视,进一步提高磁场强度及图像的分辨率的研究正在进行中。


(13) 超导磁场计

利用约瑟夫逊器件可制成高灵敏度的超导磁场计,由于超导磁场计可分辨10-14 -10-15 特斯拉的磁场,它的测量精度比其它仪器高3- 4个数量级,因此它可以测量极弱的磁场及磁场的微小的变化,我们可以用它来测量地雷和水雷,使测量的准确性大大提高。另外,我们在水雷上可安装超导磁强计作为追踪器。我们把这种水雷称为超导磁性水雷,它的命中率将远远高于其它水雷。超导磁强计在地质探测方面也将大显身手。由于地下有各种的矿藏,必然影响地磁的分布,并且矿的种类不同,对地磁的影响程度也不同,由于超导磁强计具有很高的灵敏度,也就能把矿藏的影响测量出来,从而可以确定矿藏的确切位置。另外,由于世界能源的缺乏,使人们对海洋特别是深海的开发有很大兴趣,同样我们可以用超导磁强计深入深海中,来探测海底的磁场及其变化,从而可以为我们探测开发海洋资源打下基础。在国防上我们可以用超导磁强计来探测沿海的各种船只,特别是潜艇的动向,当潜艇靠近海岸时,破坏了地磁分布,这时超导磁强计可立即显示磁场的变化,这个反潜方法比其它方法准确得多,一是测量精度高,二是这种方法是被动的,它能发现潜艇而潜艇不能发现它。超导磁强计的另一个应用是预报地震,我们知道超导体可以被磁场悬浮起来,如果我们把一个超导体悬浮平衡在磁场中,当有地震时,由于地球内部结构的变化,造成重力发生变化,这时超导球的重量要发生变化,则球对磁场的压缩也随之改变,以致磁场发生畸变,虽然这种变化很小,但超导磁强计已完全可以将其测出。约瑟夫逊器件在科学研究领域也有广泛应用。在自然界中有许多物质其磁场和磁距非常小。但为了研究物质结构及性质,需测量其磁距的大小,而超导磁体的高灵敏度正满足我们的需要。在电学中我们需要灵敏度极高的电压表和电流表,利用上述的磁强计,再经过适当的转换器就可以得到其它各种电测量的超高灵敏度的测量仪器。我们可以把磁强计耦合到超导回路上制成电流计。把此电流计再与一个电阻串联就组成一个电压表,用磁强计做成的电流表其分辨率大约为10-10 - 10-17 V,这样高的精度是其它电压表、电流表无法比拟的。 约瑟夫逊器件可以作为电压的定标工具,电压是各种仪器的重要参数,在科研和生产中,我们经常需要电压,为了保持准确性,全世界规定一个电压标准十分重要,这个标准已保持在巴黎国际权度局。现在世界各国的国家标准都用化学电池保持标准电压,并且经常到巴黎国际权度局去校正,国际电池精度为10-8V ,到了各个国家电池的精度仅有10-6V 。这样在各个国家都不能达到理想的精度,又浪费时间和精力。若我们采用约瑟夫逊结作为测量电压的标准,可使电压的测量精度达10-8V,这样做既准确又方便,是一种理想的方法。它的原理是:约瑟夫逊器件的发射频率μ 和它两端的电压V有如下关系:μ= 2 e V/ h。这个式中 e为电子的电量,h为一常量。由于频率μ可以精确测定,又因为标准电压 V所对应的频率是一定的,若测定的频率μ为标准电压所对应的值,那么超导约瑟夫逊器件两端的电压即为标准电压。

(14) 超导测辐射热计

探测红外辐射用的测辐射热计是一种测辐射能的仪器,为了提高测辐射热计的灵敏度,就必须使它在低温下运行,如果利用超导体的某一种随温度而急剧变化的性质,那么超导体就可以成为有效的探测元件。第I类和某些第II类超导体处于临界温度时电阻率就有这种性质。例如,锡在发生正常超导转变时,只要入射的辐射能使处在 Tc 的温度改变10-4K,就可以探测电阻的变化。此外,在低温下运行,不仅可以降低热噪声,而且由于比热的减小,可以使灵敏度提高。超导测辐射热计可以达到。

(15) 超导陀螺仪

随着航空技术的发展,超导陀螺仪是其发展的方向。超导陀螺仪的原理很简单,它是由一个超导球自由地支撑在真空中所构成。此球作为转子,可绕自身的旋转轴作高速旋转,通过其两个旋转极的位置,可以读出所要求的角度。建立用实心铌球作为转子,采用光学方法读出角度。转子悬浮在线圈所产生的磁场中央,利用从切向对着它的喷嘴中喷出的氦气,使它以200Hz的频率自转。当转子达到这个转速时,立即把把转子所在的真空室抽成 10-5Torr 的真空,这时残留的少量气体便成为转子传导热量的冷却渠道,以抵消为了读出所需的入射光产生的热量输入。陀螺仪的读出是利用高差计瞄准转子的一个极得到的。

 

(16) 超导重力仪

超导重力仪的灵敏度很高,它是把超导电性应用于力学测量的实例。工作原理大体上和通常的弹簧重力仪相同,利用持续电流方式运行的超导线圈所产生的磁场,把特制的超导球悬浮起来。由测定球体的垂直位置变化或反馈力变化,来确定沿垂直方向重力方向或惯性力的变化。因为这时球所受到的作用力,可以表示成磁的悬浮力和地球、月球的重力的矢量和,精确地测量重力的变化,在地球物理上是非常有意义的。例如可以研究地球的弹性性质,长周期地壳运动和预测地震等。使用通常的精密重力仪,在一天内的漂移大约是 10-8g,不是而由于地球和月球的重力变化大约是 10-9g,因而很难测出。利用超导重力仪低噪声和低漂移等特点,可以测量出这样小的变化。


(17) 超导开关

超导开关可以分为电阻开关和电感开关。电阻开关是利用超导体以下性能:若改变磁场、电流和温度三个参量的任一个,就可以使它从零电阻态转变到有阻状态。例如,用冷子管作开关,就是利用一个完全超导的控制元件所产生的磁场,通过使门元件发生超导---正常转变来控制门元件的电阻而制成。这种开关的低电阻态为零,高电阻态典型的是毫欧姆数量级,所以,开关比是无限大。电感开关的原理是:不是像线圈、线等电路元件的电感,可用来将靠近它的超导体作正常态和超导态之间的转变,或移动电路元件附近的超导表面,使它发生相同转变,制成开关。由于超导体的特殊性能,超导开关的开关速度可达纳秒。 

 
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