Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 [ 100 ] 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

вые устройства. Часть из них, например сверхпроводниковые болометры и стробоскопические приставки к осциллографам, выпусканась маными партиями преимущественно небольшими фирмами. При этом использовался в основном сверхпроводник Nb/AIOyNb.

Широко ведутся сегодня работы, направленные на создание и исследование тонких пленок высокотемпературных и низкотемпературных сверхпроводниковых материалов, необходимых для малошумящих смесительных приемных устройств субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов волн, а также однофотонных детекторов пикосекундного временного разрешения ИК- и дальней ИК-областей, предназначенных соответственно для радиоастрономии, спутникового и наземного дистанционного контроля состояния озонового слоя и загрязнения верхних слоев атмосферы, а также для применения в волоконной оптике, электронике, спектроскопии быстропротекающих процессов и исследований свойств вещества. В рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель - проф., д. ф.-м. н. Г. И. Гольцман, Московский педагогический государственный университет) на основе пленок сверхпроводника NbN созданы смесители терагерцового диапазона частот с шумовой температурой 1000 К на частоте гетеродина 1 ТГц и 2000 К на частоте 2,5 ТГц. Полоса преобразования смесителя составила 4,5 ГГц.

Необходимость криостатирования НТСП-электроники на гелиевом уровне температур являлась не единственным препятствием практическому освоению сверхпроводниковых электронньгх устройств. Бьша и еще причина - отсутствие соответствующей технологии, особенно для числовой сверхпроводниковой электроники, надежного, с контролируемыми параметрами производства разнообразных элементов, имеющих высокую плотность компоновки в многослойных системах. Тем не менее открытие ВТСП-материалов и совершенствование техники криостатирования на гелиевом, а тем более на азотном уровне температур, стали мощным стимулом как самих разработок по сверхпроводниковой электронике, так и их практического использования в телекоммуникационной, приборной, компьютерной и медицинской технике.

Сверхпроводниковую электронику принято подразделять на три подобласти: пассивные сверхпроводящие элементы, СКВИД-электроника (сверхпроводящие квантовые интерферометрические устройства) и цифровая техника с большим количеством, как правило, джозефсоновских переходов.

Смена низкотемпературных сверхпроводников высокотемпературными важна с точки зрения не только рабочих температур пассивных

СВЧ-устройств, но и расширения рабочего диапазона частот до сотен гигагерц. При этом использование сверхпроводимости приводит к малым потерям, практическому отсутствию дисперсии сигнала, возможности управлять параметрами устройств за счет изменения реактивных или резистивных свойств под внешним воздействием. Это распространяется на широкий спектр пассивных СВЧ-устройств: линии передач, линии задержек, полосовые фильтры, амплитудные и фазовые модуляторы, переключатели и ограничители СВЧ-мощности, малогабаритные антенны, как приемные, так и передающие, резонаторы и др. Разработаны, успешно испытаны и начали эксплуатироваться сверхпроводниковые спутниковые системы связи, миниатюризированные и с повышенной пропускной способностью; системы связи с подвижными объектами (сотовой связи) третьего поколения, в которых применяются ВТСП-фильтры СВЧ-диапазона с уникальными характеристиками: шириной полосы пропускания 20 МГц, потерями на проход менее 0,5 дБ, затуханием вне полосы 85 дБ, крутизной сююнов частотной характеристики 100 дБ/МГц и рабочей температурой 60 К. Кроме того, созданы системы перестраиваемых ВТСП-фильтров для локационной техники.

Здесь уместно отметить, что криостатирование подобных устройств обеспечивается микроохладителями, масса которых - единицы или десятки килограмм, а срок непрерывной работы до 40...50 тыс. ч. Отметим также, что основным рабочим ВТСП-веществом современной сверхпроводниковой электроники является соединение YBajCUjO.

В СКВИД-электронике используется непревзойденная чувствительность СКВИДов (10 * Тл/ГГц) к изменению магнитного потока. Благодаря этому СКВИДы находят применение в прецизионных приборах, измеряющих предельно малые токи, напряжение и изменение магнитного потока. По этим параметрам можно оценивать многообразные свойства и явления - от перемещения в пространстве до химического превращения. Технология ВТСП-СКВИДов быстро совершенствуется. Из-за проблемы температурных шумов НТСП-СКВИДы, работающие при 4,2 К, будут всегда иметь определенное преимущество перед СКВИДами, функционирующими при азотных температурах, но область использования ВТСП-СКВИДов значительно расширяется за счет упрощения эксплуатационных проблем. В этой связи весьма интересными представляются разработки нового поколения магнитометрических систем неразрушающего контроля, необходимых, в первую очередь, атомной, авиационной и космической промышленности. Весьма перспективно развиваемое в



последнее время направление медицинской диагностики - магнитокар-диография и магнитоэнцефалография.

В области цифровой, или дискретной, сверхпроводниковой электроники происходит постоянный рост числа элементов на одном чипе, и по-прежнему заветной целью является создание устройств с тактовой частотой более 100 ГГц и энерговыделением на один вентиль менее 0,1 мкВт. В наши дни все большее практическое применение находит квантовый стандарт Вольта (V = hf/2e, где h - постоянная Планка, / -частота, е - заряд электрона), получаемый методом интеграции 10 джо-зефсоновских переходов на одном чипе. Он обеспечивает напряжение V= 10 ± 10 в. в то же время в космическом эксперименте на спутнике ARGOS, наряду с пассивными сверхпроводниковыми элементами, ис-пытывались сверхпроводниковые цифровые подсистемы, обеспечивающие более чем 100-кратное снижение потребления мощности при 10-кратном увеличении быстродействия и 10-кратном уменьшении массы по сравнению с современными полупроводниковыми системами на основе кремния или арсенида галлия.

Низкое поверхностное сопротивление тонких пленок ВТСП позволяет также воплощать миниатюрные пассивные СВЧ-фильтры, создание которых на медных пленках с приемлемыми характеристиками не представляется возможным. Использование ВТСП-фильтров в базовых станциях систем сотовой связи позволяет значительно увеличить чувствительность и избирательность приемных частей и, следовательно, уменьшить мощность излучения мобильных терминалов и увеличить время их работы от автономного источника питания. В рамках раздела Магнитные и сверхпроводящие материалы (руководитель - ст. н. с, к. ф.-м. н. В.А.Сухов, Московский энергетический институт) на основе материала YBajCujOy. успешно реализован фильтр 4-го порядка с центральной частотой 1,77 ГГц и полосой пропускания 20 МГц. При этом собственная добротность резонансного звена составляла 7ООО... 10ООО, а вносимые потери фильтра не превышали 0,5...0,3 дБ при температуре 20 К.

Будущее

Есть предел повышению критической температуры сверхпроводящего перехода? Этот вопрос волнует сегодня всех, кто работает в области материаловедения сверхпроводников. Парадоксально, что на этот вопрос бьшо гораздо проще ответить 20 лет назад, чем теперь. Правда, ответ был бы неправильным. До открытия ВТСП существовали

серьезные теоретические расчеты, обосновывающие невозможность повышения критической температуры выше 30...40 К. Открытие ВТСП и последующее изучение их свойств, открытие высоких значений критической температуры в фуллеренах и других органических материалах показали, что сегодня отсутствуют серьезные основания считать, что критические температуры сверхпроводящих материалов не могут быть существенно повышены по сравнению с уровнем, существующим сегодня. Более того, история сверхпроводимости в XX в. показала, что природа все еще значительно многообразнее, чем наши представления о ней.

Однако история развития сверхпроводниковых технологий в конце XX в. показала, что высокие значения критической температуры еще не обеспечивают возможности практического использования сверхпроводника. Важным компонентом успеха является и совершенствование материаловедческих аспектов сверхпроводящих материалов, т. е. технологии их производства и реализации в конкретных изделиях.

Вряд ли процесс широкой интеграции в промышленность нового оборудования, основанного на применении сверхпроводимости, будет взрывным, скорее, он будет эволюционным, но с заметной скоростью нарастания. Широкое применение сверхпроводникового электротехнического оборудования как при генерации электроэнергии, так и при ее транспортировке и потреблении позволит увеличить эффективность использования электроэнергии на 5...7%, а, следовательно, практически на эту же величину сократить потребление первичных энергоносителей, которыми преимущественно являются органические топлива. В результате уменьшится выброс парниковых газов в атмосферу, снизится общая нафузка на окружающую среду. Совершенно очевидно, что преобразующее значение новой технологии не ограничивается экономией первичных энергоносителей. Представляется, что такое преобразование непосредственно коснется всех областей деятельности, где в больших масштабах находит применение электротехническое оборудование, -электроэнергетики, машиностроения, металлургии, горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, наземного, морского и воздушного фанспорта, атомной промышленности.

Безусловно, что наиболее ощутимый эффект принесет комплексное использование сверхпроводникового оборудования, например, полностью состоящая из сверхпроводникового оборудования электростанция или распределительная подстанция. Тогда будет более дешевой электроэнергия, более надежной работа оборудования и более благоприятной экологическая ситуация. Но и отдельные виды сверхпроводникового обо-



рудования - трансформаторы, токоограничители и индуктивные накопители - могут значительно улучшить ситуацию в существующих энергосистемах и сетях, увеличив их устойчивость, надежность и пропускную способность.

В индустриально развитых странах существуют специальные, финансируемые правительствами программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий в различных областях деятельности. Такие программы есть в США, Японии и в более скромных масштабах в Европейском сообществе. Как правило, еще на ранней стадии к их реализации привлекается частный капитал будущих производителей и пользователей оборудования. Им передаются научно-технические разработки государственных научных организаций, а сами исследования курируются национальными лабораториями. Таким образом, осуществляется плановая коммерциализация одной из важнейших критических технологий XXI столетия в развитых странах.

По оценкам Всемирного Банка, объем продаж сверхпроводникового оборудования возрастет в мире с 2 в 2000 г. до 244 млрд долл. в 2020 г. (рис. 8.19). Иными словами, за 20-летний период ожтздается почти 100-кратный рост объема продаж сверхпроводящих материалов, технологий и устройств на их основе.

Приведем пока немногочисленные примеры практического использования устройств на основе сверхпроводимости.

Сверхпроводящие кабели. Датские исследователи, промышленность и поставщики электроэнергии установили мировой рекорд. Впервые в

мире сверхпроводящие провод-

$, млрд. долл.


1995

2000

2010

2020

Годы

Рис. 8.19. Рынок сверхпроводникового электротехнического оборудования по прогнозу Всемирного Банка:

1 - весь мир; 2 - США, Европа, Япония; 3 - США; 4 - Япония; 5 - Европа

ники вышли из лаборатории в действующую электросеть. Это произоишо на датской электростанции Amager Koblingsstation. С февраля 2001 г. специалисты из фирм Copenhagen Energy , NKT Cables , NKT Research* и Технического университета работали по установке трех кусков (каждый длиной 30 м) сверхпроводящего кабеля в электросеть Amager Koblingsstation напряжением 30 кВ. Сейчас сверхпроводящий провод стал частью по-

требительской электросети. Этот проект - демонстрационный, призванный доказать, что сверхпроводящие кабели готовы включиться в соревнование с традиционными. Первые включения показали, что временами наблюдаются довольно большие флуктуации в мощности и напряжении. Первоначально сверхкабели возьмут на себя лишь 20 % мощности этой сети, а позднее нагрузка будет постепенно увеличена , - заявил руководитель проекта Svend Koming из Copenhagen Energy. Фактически будут исследованы не только сверхкабели, но и система охлаждения до температуры -160 °С. Если испытания пройдут успешно, то на следующем этапе кабель будет включен в более длинный участок сети 4...6 км. Конечно, сверхкабели позволят экономить электроэнергию. Кроме того, они будут меньшего диаметра и массы по сравнению с традиционными.

Компания Pirelli Cables & Systems North Атепса объявила, что она намерена изготовить, установить и испытать ВТСП-кабель на подстанции электрической компании Detroit Edison (DTE), которая обеспечивает электроэнергией свыше 2 млн потребителей в штате Мичиган. Pirelli уже имеет гибкий трехфазный кабель с соединительными и оконечными устройствами на ток 2400 А при напряжении 24 кВ и систему его охлаждения. Предварительно Pirelli вложила 25 млн долл. собственных средств в разработку технологии ВТСП-кабелей, включая 15 млн долл., вложенных в программы American Superconductors по разработке сверхпроводящих проводов. Siemens (ФРГ) провела предварительные эксперименты с конструкцией кабеля ПО кВ/400 MB А с диэлектриком, на-ходащимся при низких температурах. Теперь отделение Siemens, занимающееся ВТСП-кабелями, вошло в состав Pirelli, и эта разработка станет частью общей программы. В европейском проекте Pirelli, выполняемом совместно с Electricite de France, будет разработан, исследован и испытан 30...50-метровый опытный образец-прототип высоковольтного ВТСП-кабеля для подземной прокладьси в исследовательском центре EDF Les Renardiers близ Парижа. Pirelli специально разработала ленточный ВТСП-проводник, соответствующий техническим требованиям к электрическим сетям Европы.

ВТСП-кабели разрабатывает и датский консорциум, включающий фирмы NKT Cables и Nordic Superconductors Technology* (NST).

Собственную внутреннюю программу по созданию ВТСП-проводни-ков и кабелей имеет компания В1СС Superconductors* (Wrexham, Великобритания). Президент компании V. Bland убежден, что в ближайшие 8-10 лет возможно полномасштабное использование ВТСП-кабе-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 [ 100 ] 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка