3．高Tｃ铜氧化物超导体的应用

虽然对高Tc铜氧化物超导体的机理还不是很清楚，但这并不妨碍应用的发展，超导的应用一般分为强电应用和弱电应用，目前均以取得长足的进展。

1)      强电应用

在高Tc铜氧化物超导体发不久，人们就开始了对其临界电流密度的研究，因为强电应用需要高电流密度Jc的超导材料。研究表明，其电流密度非低，通常为10~102A/cm2。这是因为高Tc铜氧化物超导体的相干长度比较短并且有各向导性，这使对常规超导体是钉扎中心的晶界（如对常规超导体，晶界是钉扎中心，通过减小晶粒度可增加晶界数目，从而提高Jc）对于高Tc铜氧化物超导体成为弱连接，从而使其Jc很低。弱连接问题曾一度被人们认为提高了Tc铜氧化物超导体的本征特性，因而对高Tc铜氧化物超导体的强电应用持悲观态度。1988年。Bell实验室的金（S.Jin）利用熔融织构法使YBCO的Jc大幅度提高，即Jc（77K，0T）=2*104A/cm2，Jc（77K，1T）=4*103A/cm2，海恩（Heine）等人也报道了部分熔融织构法制备的Bi2212银包套Jc（4.2K，25T）约为104A/cm2。这些工作表明，弱连接并不是超导体的本征特性，因而大大促进了人们在强电应用方面的研究。目前，英国牛津公司（Oxford）以将Tc氧化物超导体作为依靠致冷机提供低温的常规超导磁铁的电流引线。由此大大减少了进入低温室的热量（小于銅导线的百分之一）。现在高Tc铜氧化物超导体电流引线已逐步商品化，用于磁共振成像（MRI）、加速器及实验室使用的低温超导体上。采用银包套方法制备的超导线材（Bi系材料），已能得到长度大于1km的Jc（77K）约为104A/cm2的样品。研究表明，银包套截面只有20%（主要是靠近银的区域）承载电流。利用Bi线材制备的超导磁体在4.2K，20K，77K分别得到4T，1T及0.6T的磁场，但有关超导磁体的应用还需要较长的一段时间。美国洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）国家实验室的吴（Wu）等人在Ni合金基带上用离子束辅助沉积IBAD（ion beam assisted deposition）方法生长钇稳定氧化锆（YSZ）缓冲层，在用脉冲激光沉积（PLD）方法沉积YBCO膜，得到了高质量的厚膜（1.2m），其Jc（75K，0T）约为1.3*106 A/cm2，Jc（75K，9T）=105 A/cm2（H//ad），2000 A/cm2（H//c）。此外，美国休斯敦大学的周本初等人用光辅助的MOCVD方法制备了1.4m的YBCO厚膜，其Tc为91K，Jc（77K）约为8*105 A/cm2。在尝试将Tc铜氧化物超导体用于电力传输以及限流器（current fault limiter）方面也做了大量研究，显示了比铜导线的优越性，但这方面的工作需要较长的时间证明其可靠性。利用高Tc铜氧化物超导体，人们还制造了人体尺寸的磁屏蔽室，其性能优于常规的坡莫合金（Permalloy），这对利用SQUID测量人脑磁信号是十分有用的。采用熔融织构等方法制备的YBCO块材可用于磁悬浮，也可利用其较大的剩余磁矩用作磁体。最近，一个给人印象很深的磁悬浮实验是日本的相扑运动员土佐野海（Tosanoumi）（重量142Kg）被200块熔融织构的YBCO块材和Nd-Fe-B永磁体间产生的磁悬浮力托在空中的演示。此外在超导磁贮能SMES（superconducting magnetic energy storage）、发电机、直流电动机、变压器等方面也做了大量的工作，取得了令人鼓舞的进展。但总的来说，对于高Tc铜氧化物超导体，弱电方面的应用会更快些。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

2)      弱电应用

弱电应用的基础是高质量的超导薄膜加工技术，特别是约瑟夫逊结构的制备。目前人们以能制备出质量较高的YBCO及TI系薄膜，约瑟夫逊结（主要是双晶结和台阶结）的制备技术也比较成熟。此外，在大面积膜及双面膜的制备方面也取得了很大进展。德国慕尼黑技术大学已得到直径为9英寸的大面积YBCO薄膜，这些为高Tc铜氧化物超导体的弱电应用提供了很好的基础。

高Tc铜氧化物超导体较早的得到了广泛应用的器件之一就是SQUID，尽管开始低频的L/f噪声很大，但经过不懈的努力，噪声已大大降低。著名的SQUID专家克拉克（J.Clarke）认为高Tc铜氧化物超导体SQUID将很快在一些应用中取代低温超导体SQUID，并且高TcSQUID的精度能胜任心磁研究的要求，并接近脑磁研究的要求。美国超导公司已开始出售高TC铜氧化物超导体SQUID。在日本，超导传感器实验室以制备出用于医学研究的16通道SQUID。SQUID将广泛应用于医学、探矿、探伤、扫雷及基础研究等方面。在蜂窝式电话滤波器（cellular telephone filrers）方面，高Tc铜氧化物超导体也很有用武之地，与常规的滤波器相比，插入损耗大大减小，通带边很陡，且尺寸减小很多。美国超导技术公司（STI）的哈蒙德（Hammond）认为，高Tc铜氧化物超导体的分格式电话接收滤波器将有很大市场。早些时候，高Tc滤波器不能满足基地站发射器的功率（10~100W）的要求，最近的五极发射滤波器能在2GHz下承受20W功率。高Tc滤波器的研究已引起人们（包括工程界人士）广泛的重视，利用致冷机提供低温环境的高Tc滤波器已接近商品化。在核磁共振（NMR）系统中，用高Tc铜氧化物超导体制成的线圈替代铜rf探测线圈，也大大提高了系统的信噪比。将高Tc用于谐振腔、三端器件（超导晶体管）、延尺线及计算机等方面也做了很多工作。超导微波器发展的新趋势是集成化，即将几个元件集成在一起而发挥作用，大面积超导薄膜是这一工作的基础。值得一提的是，美国海军实验室1989年开始了高温超导体空间实验项目（HTSSE），对高Tc超导体在微波器件的应用方面起到了很大的促进作用，遗憾的是早些时候的实验中，HTSSE-1没有进入预定轨道，1996年HTSSE-II（带有高Tc滤波器、天线及信号处理子系统等）已进行卫星搭载实验。

如上所术，高Tc铜氧化物超导体的应用前景是十分光明的，它将对社会和我们的生活产生巨大的影响。

二、低温技术

人们自1877年液化了氧，获得－183℃的低温后就开始发展低温技术。随后，氮、氢等气体相继液化成功。到1908年液化了氢，获得了－269℃的低温，使所有“永久性”气体都得到液化。1950年，用绝热去磁法获得0.0114K的低温，后来又用核去磁法开辟了μK范围晶格温度的新研究领域。60年代出现稀释制冷机，可以较长时间保持mK温区，使低温物理研究有了很大的进步。当今，以超低温为基础的微型制冷、绝热、低温材料、低温密封以及真空、低温测量等方面的技术和物理过程研究进展甚快，特别是高临界温度氧化物超导材料的迅猛发展，又给低温物理和低温技术以强大的推动力。下面就低温技术的一些基础知识略加介绍。

 

1.低温下温区的划分及主要制冷手段

人们常用“冷”、“深冷”、“低温”、“超低温”和“极低温”等术语描述低的温度，但是这些术语的含意往往是不明确的或者是带有主观性的。为避免混乱，国际制冷学会（IIR）于1971年对0℃以下温区进行划分，并正式向全世界建议：

                 T  ＞120K        为冷冻温区              

120K ＞T＞0.3K        为低温温区

T＜0.3K        为超低温温区

1)冷冻温区的主要制冷手段
 
①基于相变原理的制冷。利用氨、氟里昂等工作介质的相变性质，可以制冷。通常用一个电动压缩机压缩工作介质，使其成为液体，从而产生放热反应，放出的热量被水或周围空气带走。然后将这部分工作介质通过节流阀减压汽化，汽化时要吸收大量的热从而可以实现制冷。例如用氟利昂 －12为工作介质可以获得－30℃的温度，用氟利昂－14甚至可以得到－128℃的低温。这种制冷方法已广泛用于电冰箱、去湿机、空气温度调节装置以及各种冷库。由于氟利昂－12等对大气臭氧层有严重的破坏作用，国际上正处于寻找新的工质及新的制冷途径的关键时刻。图5.0-8为这种相变制冷循环的原理

 

 

 

 

 

 

 

 

图5.0－8  相变制冷循环

 

 

 

 

②电制冷。利用半导体材料的－帕尔贴效应，可以取得制冷效果。目前这种制冷方法主要用于医学和生物学领域。例如外科用的降温帽、降温毯、眼科用的白内障摘除器，以及医学、生物学领域广泛使用的冷冻切片机等。温度通常在－50℃以上。

2)低温温区的主要制冷手段。

①等焓节流。1853年焦耳（T.P.Joule）和汤姆孙（W.Thomson）进行了有名的多孔塞实验。当气体通过绝热的多孔塞而降低压力时，获得制冷效果。焦耳-汤姆孙实验为等焓过程，因此通常称这种过程为等焓节流。图5.0-9是林德循环示意图，它利用等焓节流，使空气冷却至80K附近。

②等熵膨胀。实用上已证明等熵膨胀是一种非常有效的制冷方法，广泛地用于气体液化器中。特别是对焦耳-汤姆孙转换温度低的氦气、氢气，通过等熵膨胀与等焓节流可以成功地获得20.3K的液态氢和4.2K的液态氦。图5.0-10为等熵膨胀与等焓节流结合进行的克劳德制冷循环示意图。
 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图5.0-9 林德制冷循环示意图                 图5.0-10  克劳德制冷循环示意图

 

③低温液体抽气降温。选定低温液体后，若要获得低于其沸点的温度，可以将低温液体置于真空绝热的容器内，通过抽气机降低液体的蒸汽压力，达到降温目的。例如液氮，通过抽气很容易将温度由77K降至氮的三相点63.14K附近；对于液氦，使用抽速为40000升/分的抽气机，可以降温至0.8K。目前使用抽气的方法所能达到的最低温度是0.3K，这是通过对氦的同位素 3He液化后抽气降温达到的。

3)超低温温区的获得

①磁制冷。1926年乔克（Giaugue）和拜德（Debue）各自独立的提出某些顺磁场盐在液氦温度下借助于强磁场，使电子自旋磁矩的排列从无序变为有序，然后再将磁盐绝热，撤去磁场，顺磁盐湿度降低。图5.0-11给出了磁制冷实验步骤示意图。用这种办法能达到的最低温度为0.001K。另外，利用类似的原理对核自旋磁矩进行磁制冷，可以获得更低的温度。近年来分兰赫尔辛基技术大学利用铜的核自旋去磁，达到了5×10－8 K，这是迄今人类所获得的最低温度。

②帕末朗丘克制冷。帕末朗丘克（Pomeran-Chuk）于1950年提出， 3He 溶解曲线有一最小值为0.32K。当温度低于这个最小值，沿着溶解曲线对3He 液体与固体混合物进行绝热压缩时，可以产生制冷效应。阿努弗拉耶夫（Anufriyev）在1965年首先用实验作了证实。目前这种方法达到0.001K附近的温度范围。

③ 3He -4He稀释制冷。1951年伦敦（H.London）提出了3He在4He中稀释可以制冷的新理论，1965年达斯（Das）等首先制成3He -4He稀释制冷机。目前已达到的最低温度是2mK，这个温度虽然没有达到磁制冷的水平，但是由于稀释制冷机具有连续制冷的能力，因此发展速度很快，应用范围也大大超过磁制冷。
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


图5.0-11磁制冷实验原理。

 

 

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