高温超导体的应用

随着高温超导材料工艺技木研究不断取得新成果，高温超导材料的应用也日益成为科学家们争相研究的热点课题。尽管高温超导体在某些方面（如在强电方面）的应用距低温超导体还有一定差距，但高温超导体在应用上的前途无疑更加光明。尽管用高温超导体制备的电子器件在性能上要比用低温超导体制备的电子器件要差一些，但比非超导器件所能达到的水平高得多。高温超导体对中国等发展中国家来讲，意义更加重大，以高温超导体制备的量子干涉器件将会用于油田、探矿、医学电子仪器、实验室电子仪器，以及军事等许多领域，发挥着重大的作用。

超导磁悬浮列车

火车的发展，经历了几个历史时期。

最早是以烧煤为动力的蒸汽机车，后来是以烧油为动力的内燃机车，再后来出现了以电力为动力的电力机车，它虽然改变了机车自带燃料的运行方式，通过电线输送电能，可以获得较大的运行速度。但由于它仍需依靠轮子与线路的接触，受摩擦因素的影响，所以极限时速不超过 300 千米，有没有

其他办法可以提高火车的运行速度？答案是肯定的。那就是 80 年代末就已经

研制并试验运行的超导悬浮列车，其试验运行时速已经达到了 500 千米。利用超导技术的磁悬浮列车，不靠车轮在轨道上行走，也不靠空气的浮

力飞行，而是利用超导电磁铁磁场与另一磁场产生强大的斥力，使列车“飘浮”在线路的上方驱动前进，是一种无轮、无翼、无须自带燃料的新型列车。

超导磁悬浮列车的运动，是由线路和车体组成的一种特殊电动机——直线电动机产生的，这种电机由旋转电动机演变而来。旋转电动机的外壳，是一个呈封闭形的圆筒结构，镶嵌在感应电动机定子槽中的线圈，接通交流电后形成旋转磁场，产生感应电流的转子导线在磁场中受到电磁力作用，便跟着旋转的磁场在圆筒内转动。如果圆筒的半径为无穷大，圆形定子成为带状定子，那么当将转子沿轴线切开而成一矩形运动体时，这种旋转磁场就变成直线前进的磁场，转子也就变成直线运动了。所谓无轮无翼的“火车”，就是以线路的路基和列车的车体组成直线感应电动机的定子和转子。旋转电动

机依靠两端的轴承，支撑保持定子与转子间的一定间隙，而直线电动机则是依靠磁悬浮，利用磁极同性相斥的原理，把可动的同名极转子（列车的车体），在磁力的作用下无依无靠地“飘浮”在定子（线路）上方。强大的斥力，是由安装在列车车体底部的几乎没有磁阻的超导电磁铁，与线路路基上装设的由外部供电的线圈和铝质封闭环所产生的强大磁场形成的。给线路上的线圈供电后，车体“飘浮”起来，同时直线感应电动机驱动列车前进。

超导磁悬浮列车可把车体做成倒凹字形，超导电磁铁装置在两边的凸出部分，以保持车体在轨道的中心位置。当车体发生偏移时，左右两侧的磁场失去平衡，产生的导向力可使车体自动恢复平衡状态。转子线圈放在凹进部分的一侧或两侧，线路上面有一导轨，做成凸字形，中间凸出部分竖立在线路的中央，它的一侧或两侧安装着直线电动机的定子线圈。凸字形的下半部分两侧台阶面上铺设线圈或铝环，与车体两侧凸出部分的超导电磁铁组成产生悬浮力的磁场。一凸一凹，正像正反扣着一个模子，使磁悬浮列车沿着“轨道”稳稳当当地运动。

由于超导磁悬浮列车在悬浮状态下运行，不与“轨道”接触，这就大大减轻了振动和噪音，而且也没有脱轨倾覆的危险，是一种安全、舒适、快速、高效的比较理想的交通工具。最近，用液氮致冷的超导体研制成功，必将加速磁悬浮列车进入实用阶段。

海洋开发

随着高温超导研究的发展，它的应用范围涉及科技领域的许多方面，海洋研究专家们正在把海洋科技与超导“联姻”。例如，超导推进船模型的问世，就为超导技术的应用带来诱人的前景。

海洋资源大体可以分为海底矿物、海水溶解物和海洋生物三类。就海底矿物资源来说，目前除石油和天然气可以通过油气管道直接开采之外，其他矿物如锰结核、镍、钻等矿石均需深海开采机开采。但由于水下动力源无法解决，目前只能进行科研考察。而一旦采用超导技术，以其无电能损耗和特大电流等特性，只需几只电瓶就可以满足在深海长时间工作的需要，使海底矿藏开采得以顺利实施。

随着高能物理科学技术的发展，各先进国家越来越重视核能的开发利用。海洋里有着丰富的铀、锂等水溶解资源，都是核聚变的重要元素。据专家们估算，如果让这些元素通过核聚变燃烧，所释放出来的能量相当于 300 个地球的海域那样大小的油库燃烧的能量。但要从海洋里提取这些核能资源又谈何容易，需要经过大量的海水处理程序，比起沙里淘金不知要难多少倍，所以到目前为止，从海洋提取这类核资源其实还是一句空话。如果采用超导磁分离方式构成组合系列采集设施，情况就大不相同。因为超导磁分离可使海水中不同的物质按其等离子结构形式各走各的通行道，就像我们的交通规则，人走人行道，车走车行道，否则就“此路不通”。因此超导磁分离可做到只对某种元素开“绿灯”，从而能绝对顺利地获取这种元素。

人们大多对“磁场”以及它的作用并不陌生，超导技术就可布成一种奇妙的磁场，非常有利于促进海洋生物的生长速度。日本曾对一个对虾池布设了超导电场，结果产量增长 3 倍。尽管目前的试验成本远远超过了产值，但科学家相信前程无量。超导量子干涉仪还可监测大范围鱼群生长状况，从而可以建立人为鱼群生态管理和最佳鱼情环境。此外，大马哈鱼和黄鱼等回游性鱼类和信鸽一样，体内都有各自的“磁性导航仪”，而超导技术恰恰具备

检测这种微磁场的能力。因而利用超导传感器就可跟踪这些鱼种，对其活动情况可了如指掌，尤其当了解到怀卵期鱼种的活动区时，可立即定为禁捕区，保护它们安全产下幼鱼，而建立回游性渔业生产跟踪管理机构。

超导计算机

自 1979 年美国 IBM、IEEE 提出超导计算机设想以后，美国开始研制，最早的克雷巨型计算机核心部分已使用了超导元件。后来由于实用化遥遥无期，1983 年 IBM 宣布停止开发超导计算机。日本通产省于 1982 年着手执行开发超导计算机的大型计划，有富士通、日本电气、日立三家公司参加。经过近 9 年的努力，富士通已开发出 8 位的超导微处理器，日立也已开发出 4 位超导微处理器，居于世界最前列。

已制成的超导微处理器速度达到 IGIPS（相当于每秒可执行 10 亿条指令）。尽管比硅器件微处理器快 10 倍以上，但目前并行处理已开始被采用，利用并行处理同样可提高速度，使超导计算机速度快这一优点逊色不少。可是在需要串行处理的场合，它仍能大显身手。首先，可装在导弹头部，用以超高速处理 CCD（电荷耦合软件）所获得的大量图像信息；其次，可以装在通用计算机上，使之与巨型计算机相当；第三，可在天文学领域用以即时处理不知何时才发生的超新星爆发所产生的电磁波；第四，可在医疗领域用以探测人的心脏和脑所发生的微弱磁场。

但是，目前还不能把超导计算机作为大型计算机使用。不是因为它的速度、运算能力不够，而是因为同它配套使用的存贮器容量太小。日本电气开发的超导计算机存贮器目前只能达到 4K 容量，而一般计算机用的存贮器芯片已达到 4M 容量。

要使超导计算机实用化，需要克服两大障碍。首先是系统设计人员不积极，他们不愿意采用液氦冷却，因为这样会大大提高成本不利于竞争。固然超导计算机速度快具有吸引力，但不少人宁愿通过采用并行处理式来提高速度。另外，他们还认为约瑟夫逊大规模集成电路芯片内部配线、芯片之间的配线等也都存在不少问题。其次便是人手不足。现在日本从事超导计算机研究的人员剩下不过 50 人左右。虽然 90 年代超导计算机还难商品化，但 21 世纪初，这种情况将发生变化。这是因为那时高温超导体将达到实用水平，而超导计算机相对硅器件计算机的优点也更加突出。首先，超导元件功耗极少，只有硅器件的百分之一至千分之一。硅器件随着微细化和高集成化，因发热而引起误动作的问题越来越严重。加上微细化后，硅芯片中各元件靠得更近，通过各元件的信号相互干扰也将引起严重问题。

在电子器件中常把速度的倒数同功耗的乘积作为综合评价器件的指标。该值越小越好。超导器件同硅和化合物半导体相比，该值要小三个数量级，可见其性能之佳。

其次，那时也会出现并行处理的超导计算机，其速度将达到 300GFLOPS

（即达到每秒执行 3000 亿次浮点运算）以上，仍可比硅器件的并行处理机快

10 倍以上。

由于超导计算机有光明前景，美国贝尔实验室和麻省理工学院又于 1989 年发起成立“超导电子学共同研究企业实体”，重新进行约瑟夫逊元件研究。

超导天线

1994 年 3 月，我国科技界传出喜讯：我国在世界首次研制成功了适用于航天通讯的超导天线。这种天线的全称叫“高温超导圆极化微带天线”，它

的功率分配器和馈电电路均用超导材料制成，工作效率与以前使用的银膜圆极化天线相比，整整提高了三倍。

与普通金属天线相比，高温超导圆极化微带天线和侧馈电 H 天线具有效率高、噪音低，易于实现小型等优点。它具有的高性能指标，显示了将高温超导应用于航天通讯和其他通讯领域所具有的优越性和广阔的应用前景。这是高温超导材料在微波通讯领域走向实际应用所迈出的重要一步。

超导线材

日本于 1994 年制成了一条长 1080 米长的高温超导线材，这在当时是世界上最长的。输电线路所需线材长度为 500～100 米，而这根超导线材已达到并超过了这一标准。

制成长高温超导线材所采用的方法是，把铋、锶、钙、铜的粉末填入细银管，再把它轧制成截面为 3×0.2 毫米的带状材料后加以烧结。用此办法制成的线材在绝对温度过度 K 时呈超导状态，临界电流密度为每平方厘米 4020 安培。

以上所提到的仅仅是超导应用研究的几个领域，其余科学家研究的领域还要宽广得多。这时值得一提的是，从一开始，中国高温超导材料的研究就位居世界前列。80 年代末期以来，中国在高温超导的研究和应用方面一直处在世界先进水平，如在提高体材料的载流能力和制备高质量的超导薄膜方面；在量子干涉器件的制作以及将这种器件应用到地磁测量方面；在高温超导体粉料的制备以及发展金属、有机化学气相沉积制膜技术方面；在确定高温超导材料的晶体结构以及铋系、铊系材料的系统研究等方面都做出了许多高水平的工作。目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用三个主要方向发展，在世界各国的共同努力下，超导材料造福人类的时代一定会到来。