（凝聚态物理专业论文）超导磁悬浮涡旋电流理论及实验验证.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 超导磁悬浮有着广阔的应用前景，而决定悬浮系统应用价值的关键因素是悬 浮力。目前，有关悬浮力探索大致可分为实验和理论两个领域。有关实验研究已 经取得了丰富的成果，基本澄清了超导磁悬浮力的一些表现特征，但实验上仅是 对观测数据的统计总结，缺乏明确的理论模型给予指导。尽管目前在理论研究方 面已提出不少模型，但多数边界设置与实际应用的超导磁悬浮特征相去甚远，理 论研究明显滞后，同时也凸现了理论研究之迫切。 本文通过详细分析超导磁悬浮特征，论述了各理论模型与实际应用情况存在 的偏离。这种偏离主要体现在两方面：第一，将超导体视为一个整体与外磁场相 互作用，忽略了超导体内部涡旋电流的微观特征；第二，边界设置问题。由于应 用于磁悬浮的均为第二类超导体，其对外磁场的响应呈现动态变化，设置边界却 严重抑制了超导体对外磁场的动态响应。为了避免以上缺陷，文中取自然边界， 并将涡旋电流作为独立的微磁场源，每个涡旋电流元产生一个磁矩元与永磁体相 互作用，运用基本电磁场关系确定每个微涡旋产生的悬浮力，经过严格推导，在 整个超导体内进行叠加可求解总悬浮力尼。 为了验证v c 理论模型的可靠性，我们运用f o r t r a n 语言对f ：进行理论计算， 与实验结果进行比较。在计算过程中，各参数设置严格按照实验中给定的相应数 值，通过g l 方程修正后的计算结果与实验符合甚佳，从而验证了v c 模型能恰 当反映出超导磁悬浮特征。 从悬浮力的计算结果可以看出，v c 理论计算曲线总是和磁滞回线的第二条 线相吻合，这是磁滞现象造成的。根据计算结果，我们对磁滞的来源提出了新观 点，即超导磁悬浮磁滞可能来源于超导体内的“电磁感应”成份。由于“电磁感 应 总是阻碍磁通量发生变化，超导磁悬浮力第一条曲线中包含着这种电磁感应 产生的阻碍力，而第二条曲线的反向相对运动所产生的感应电流抵消了第一条曲 线的影响，仅仅留下v c 产生的悬浮力。在后续的工作中，我们将通过进一步分 析建立磁滞解析公式，以期从理论上圆满解决超导磁悬浮及其磁滞问题。 关键词：超导磁悬浮，涡旋电流，理论模型，自然边界 郑州人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o nh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，a n d t h e l e v i t a t i o nf o r c ei st h ek e yf a c t o ri ni t sa p p l i c a t i o n a tp r e s e n t , t h el e v i t a t i o nf o r c ei s s t u d i e db o t he x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l y t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e s ，w h i c hh a v e c l a r i f i e ds o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o nf o r c e ，a r e f r u i t f u l b u tt h e ya r eo n l yt h es t a t i s t i c a ls u m m a r yo fo b s e r v a t i o n a ld a t a , l a c k i n g t h e o r e t i c a lm o d e l sf o rg u i d a n c e 。o fc o u r s e ，t h e r eh a v eb e e nan u m b e ro fm o d e l s p r o p o s e db yt h e o r e t i c a ls t u d i e s h o w e v e r , m o s to f t h e s em o d e l s b o u n d a r ys e t sa r en o t i nc o n f o r m i t yw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o ns a t i s f a c t o r i l y o b v i o u s l yt h e o r e t i c a ls t u d i e s h a v el a g g e df a rb e h i n d ；h e n c ef u r t h e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c hi si nb a dn e e d f i r s to fa l l ，w ed i s c u s st h ed e v i a t i o n sb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lm o d e l sa n dt h e a c t u a l s i t u a t i o ni nt h i sp a p e r , w i t had e t a i l e da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o n w ef i n dt h a tt h ed e v i a t i o n sa r em a i n l ye m b o d i e d i nt w oa s p e c t s ：f i r s t l y , t r e a t i n gt h es u p e r c o n d u c t o ra saw h o l ew h i l ei ti si n t e r a c t i n g w i t ht h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，t h e yn e g l e c t e dt h em i c r o - f e a t u r e so fv o r t e xc u r r e n t s i nt h e s u p e r c o n d u c t o r ；s e c o n d l y , t h eb o u n d a r y c o n d i t i o n s e t t i n gi s s u e t h e s u p e r c o n d u c t o ru s e di nm a g n e t i cl e v i t a t i o ni st y p ei is u p e r c o n d u c t o r , w h o s er e s p o n s e t ot h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sad y n a m i cp r o c e s s ，b u tt h eb o u n d a r ys e t t i n gs e r i o u s l y s u p p r e s s e st h i sd y n a m i cp r o c e s s i no r d e rt o a v o i dt h e s es h o r t c o m i n g s ，t h ev o r t e x c u r r e n te l e m e n t sm o d e l ( v cm o d e l ) i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h ev cm o d e lw h e r e w eu s et h en a t u r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n ，v o r t e xc u r r e n t s ，w h i c hg e n e r a t es m a l l m a g n e t i cm o m e n t si n t e r a c t i n gw i t hm a g n e t i cf i e l d ，a r e t h eb a s i cu n i t si nt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ns u p e r c o n d u c t o ra n dm a g n e t i cf i e l d h e n c e ，w ec a ng e tt h e s u p e r c o n d u c t o r sl e v i t a t i o nf o r c ef zb ys u m m i n gt h el e v i t a t i o nf o r c eo fe v e r yv o r t e x i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ev cm o d e l ，w ec a l c u l a t et h ef zb y f o r t r a nl a n g u a g e ，a n dc o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t s w es e tt h e p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t s ，a n df i n dt h a tt h er e s u l t s ，w h i c ha g er e v i s e d b yg lt h e o r y , c o r r e s p o n dw i t ht h ee x p e r i m e n t sp e r f e c t l y s ow ea r ec o n f i r m e dt h a t l l 郑州大学硕士学位论文a b s t r a c t t h ev cm o d e lc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i c l e v i t a t i o np r o p e r l y t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h et u l l eg i v e nb yt h ev cm o d e la l w a y s m a t c h e sw e l lw i t ht h es e c o n dl i n ei nt h eh y s t e r e s i sl o o pw h i c hi sc a u s e db yh y s t e r e s i s p h e n o m e n o n b a s e do nt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t s ，w ep r o p o s ean e w v i e wo nt h eo r i g i n o fh y s t e r e s i s ，t h a th y s t e r e s i sm a yb ear e s u l to f t h e “e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n i nt h e s u p e r c o n d u c t o r b e c a u s et h e e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n a l w a y si m p e d e st h ec h a n g e o ft h em a g n e t i cf l u x e s ，t h ef i r s tc u r v ew o u l dc o n t a i nt h ef o r c eg e n e r a t e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n w h i l et h er e v e r s em o t i o no ft h es e c o n dl i n ec o u n t e r a c tt h e e f f e c tg e n e r a t e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ，o n l yl e a v i n gl e v i t a t i o nf o r c e ，w h i c h i sg i v e nb yt h ev cm o d e l i nt h ef o l l o w - u pw o r k ，w ew i l le s t a b l i s ht h ef o r m u l af o r h y s t e r e s i st h r o u g hf u r t h e ra n a l y s i s ，h o p i n g t og e tas a t i s f a c t o r ys o l u t i o nf o rt h e h y s t e r e s i sp r o b l e ma n dm a g n e t i cl e v i t a t i o np r o b l e mo fs u p e r c o n d u c t o r k e yw o r d s ：s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o n ，v o r t c xc u r r e n t s ，t h e o r e t i c a lm o d e l ， t h en a t u r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n i l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果j 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 日期：年月日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 日期：年月 日 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 自从1 9 1 1 年昂纳斯【l j 发现超导以来，特别是高温超导体发现以来，对于超 导体应用的研究一直强烈吸引着人们的注意力。由于超导体的独特物理性质，超 导体在很多应用方面，尤其是在电力和悬浮力方面，与常规导体和常规磁悬浮相 比具有无与伦比的优点。 随着近几年超导悬浮列车的发展，超导磁悬浮也逐渐成为超导应用研究的一 个热点。由于决定悬浮系统应用价值的关键因素是悬浮力，超导磁悬浮亦主要针 对悬浮力与各因素之间关系进行研究。目前，有关探索大致可分为实验和理论两 个领域。通过实验人们发现，悬浮力大小主要依赖于超导体自身特征和磁场强度 分布；理论方面，虽然已经建立了临界态模型，抗磁性模型，磁偶极子模型等理 论模型，但其条件和参数设置与实际应用状况都存在一定差别。 与磁悬浮实验研究的丰富成果相比，对应的理论研究明显滞后，这更加凸现 了理论研究的迫切性和必要性。如果能够建立一套准确描述超导磁悬浮力的理 论，为超导体的磁悬浮实验研究提供强有力的理论依据，就可以有效解决相关实 际应用问题，使超导磁悬浮能够更快、更广泛的应用到现实生活中。 本文根据实际应用，取超导体自然边界，建立了涡旋电流元模型。我们将涡 旋电流作为独立的磁场源与永磁体相互作用，这样即可用基本电磁场理论建立悬 浮力的计算公式，进而描述超导磁悬浮力特征，以及随各参数的变化。同时，我 们认为超导体的磁滞现象，是由于磁通量变化在超导体内引发的感生电流所引起 的，进而影响了超导体的悬浮特性。 最后通过f o r t r a n 编程计算，对涡旋电流元理论进行验证。在计算过程中， 各个参数完全按照实验的设定。从悬浮力计算值与实验值的比较结果看，我们的 理论结果与实验结果吻合得非常好。进一步证明了涡旋电流元模型的可行性。 如果实验上能够测量出超导体表面的微悬浮力分布，以及单位面积的微涡旋 数目等参数，结合超导磁悬浮涡旋电流元计算的理论值，就可以确定超导涡旋电 流密度。对理论和实验结果进行反演，以确定超导体内部在超导态的精细电磁结 构，进而深入开展超导透析技术研究。以期为研究超导态电磁结构乃至超导电性 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 的微观机理提供理论和技术支持。 1 2 超导的研究历史进程 1 9 11 荷兰物理学家h k o n n e s 发现第一种超导体汞( h g ) 以后，凝聚态物 理学的一个主要研究领域一超导物理学从此诞生。早期超导工作的历史可以在文 献2 ，3 1 中找到。在超导被发现之后，许多物理学家企图建立解释这一现象的理论。 1 9 3 4 年，c a s i m i r 和g o r t e r 提出二流体( 超导电子流体、正常电子流体) 模型，解释了许多超导电现象。 1 9 3 4 年一1 9 3 6 年，g o r t e r 、c a s i m i r 和r u t g e r s 发展了解释超导现象的热力 学理论。 1 9 3 5 年e l o n d o n 和h l o n d o n 兄弟基于二流体模型建立伦敦方程，预言了 超导体表面的磁场穿透现象，较好地解释了完全抗磁性及零电阻现象，为超导电 性电动力学奠定了基础。 1 9 5 0 年，p i p p a r d 提出“非局域效应”及“相干长度”的概念，发展了伦敦 理论。g i n z b u r g 和l a n d a u 在朗道二级相变理论的基础上，建立了京茨堡一朗道 方程，成为影响很大的超导唯象理论。该理论后来发展为具有微观理论基础的 g i n z b l 】培l a n d a u w a b r i k o s o v - - - g o r k o v ( g l a g ) 超导理论。 1 9 5 7 年，j b a r d e e n ，j n c o o p e r 和j l s c h r i e f f e r 发表了大家熟知的b c s 理 论【4 1 。 b c s 理论以量子力学为基础，认为超导体中的电荷载流子是库伯( c o o p e r ) 电子对，库珀电子对是由自旋相反且被长程相互作用联系在一起的两个电子组成 的。在超导态下，它们作为一种具有单动量的群体出现，这就是我们熟知的宏观 量子态。因为电阻来自载流子的散射，而超导态中的所有载流子具有相同的动量， 这就解释了零电阻现象。打开库伯电子对的能量称为能隙，它是温度的函数。在 临界温度时能隙消失，引起库伯电子对的解体，这样就解释了在疋上由超导态 向正常态( 非超导态) 的转变。b c s 理论已经为许多实验所证实。该理论能很 好解释低t c 金属和合全的超导行为。关于b c s 理论的渊源可在l c o o p e r 所写 的论文【5 】中找到。 1 9 6 2 年约瑟夫森( b r a i nd j o s e p h s o n ) 研究了由两块超导体之间夹层极薄的 绝缘层( 1 0 巧米的量级) 构成的s i s 结，观察到如下的物理现象：在结两端所加的电压 2 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 为零时，有很小的直流电流通过结，这是超导电子对( 库伯对) 的隧道电流。流过结 的这一超导电流存在一临界值，它与磁场有关。这一现象表明，超导电流能够穿 过绝缘层而不引起电压降。夹在两超导体之间的绝缘层也具有了超导电性。这种 现象被称为约瑟夫森效应，它的发现为超导体的微观应用提供了理论依据。 但是当八十年代高温超导体发现以来，b c s 理论遇到了困难，其可以用库 伯电子配对来解释常规超导，但却无法对高温超导作出完全的解释。比如说，当 结合能增加的时候，常规超导的t c 会提高，库伯电子对结合得越紧密，则超导 体的转变温度就越高。但是，与这些金属性超导体相比，在高温超导材料( 比如 铜酸盐) 中增加电子的结合能，其结果只会适得其反转变温度变得更低，而 不是人们希望看到的室温目标。 几十年来，高温超导的微观机制一直是超导研究的一个热点和难点，尽管也 有很多理论模型的提出，但都无法完全合理的解释高温超导体。 在超导材料研究方面，己经被发现的超导体总数已超过5 0 0 0 种。以研究的 超导体主体而言，经历了一个从一元系到二元系、三元系，以至多元系的过程。 在1 9 1 1 1 9 3 2 年间，以研究元素超导体为主，除h g 外，又发现了象p b ，s n ，i n ，t a , n b 和t i 等众多的金属元素超导体。在1 9 3 2 1 9 5 3 年间，则发现了许多具有超导 电性的合金，以及n a c l 结构的过渡金属碳化物和氮化物，t c 得到进一步的提高。 在1 9 5 3 1 9 7 3 年间，发现一系列a 1 5 型( 卜钨结构) 超导体和三元系超导体，如发 现了疋 1 7 k 的v 3 s i 和n b 3 s n 等第1 i 类超导体，它们不仅具有高临界温度而且 具有较高的临界电流和临界磁场。这一发现开始了超导强电应用的研究。 自此以后直至1 9 8 6 年，虽然有许多金属、合金和一些化合物材料被发现是 超导体，但疋的升高是很慢的。事实上，直到1 9 8 6 年初，就在发现一种新的超 导体之前，疋的最高纪录还只是n b 3 g e 的2 3 4 k 【6 j 。由于所有这些低温超导体都 必须工作在近于液氦温度，这就限制了它的应用。然而，到1 9 8 6 年4 月超导研 究有了突破性进展。瑞士苏黎士i b m 实验室的科学家伯诺兹( j g b e d n o r z ) 和穆勒 ( k a m u l l e 0 观察到在3 5 k 左右l a 2 x b a x c u o v 化合物的可能超导转变现象1 7 j 。这 一发现立即引起国际学术界轰动，b e d n o r z 和m t i l l a r 公布他们的发现之后，美国 休斯顿大学的朱经武和吴茂昆协作小组【8 1 以及中国科学院物理研究所赵忠贤【9 】等 分别独立地在液氮温区观察到y b a 2 c u 3 0 x 中显示超导迹象，全世界从此掀起了 高温超导研究热潮。 3 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 8 7 年，m i c h e l 等人制备了不含稀土元素的疋为2 0 k 的超导体b i s r - c u o 。 1 9 8 8 年1 月，h 。m a e d a 等人在此类化合物的基础上添加c a 元素发现了疋在液氮 温度以上的高温超导体b i s r - c a c u o 。与其它超导体不同，b i 系超导体在液氮 温区存在两个超导相，其转变温度分别为l1 0 k 和8 5 k ，其中8 5 k 相称为低温相， 1 1 0 k 相称为高温相，化学式分别为b i 2 s r 2 c a c u 2 0 s ( b i ，2 2 1 2 ) 和 b i 2 s r 2 c a e c u 3 0 o ( b i - 2 2 2 3 ) 。 第二种不含稀土元素的高温超导体t i b a - c u o ，于1 9 8 8 年2 月在美国的 a r k a n s a s 大学被成功制备出来。它的初始转变温度t c o n s e t 约为9 0 k ，零电阻温 度疋为8 1 k 。后来在此基础上添加c a 元素制成了t i b a c a - c u o 体系，其初始 转变温度为1 2 0 k ，零电阻温度为1 0 0 k ，大大高于已发现的含稀土元素的高温超 导体的疋值。 1 8 0 。匕 _ vb a - c a - c u - o # h b b n a c m o 壤s c l 酗o i 饼 d m p b 。，啦。翌2 k 霉l a d h - c m u 二 m w n t s l 酞q t 2 i i ) 0 # t i n d e ri j r u m 图l 。1 超导材料研究进展 1 9 9 3 年，p u t i l i n t l 0 1 发现另一类不含稀土元素超导体h g b a 2 c u 0 4 + s ( t c = 9 5 k ) ， 添加c a 后其转变温度为1 3 0 k ，经过高压合成处理后，h g b a 2 c u 0 4 乜的转变温度 高达1 5 0 k 。在压力为1 5 m p a 时疋高达1 6 4 k 。该结果使入们在超导研究中首次 使用氟氢烃普通制冷，打破了液氮的制约，法国国家科研中心宣布在h g b a c a c u o 4 蛐 o f移1暑墨。品基a|1_誊一lt螽二i瞄量芑；冒妄孑缸a；玩 郜州大学顼学位论立第一章绪论 体系中出现了2 3 0 - 2 7 0 k 超导现象。图( 1 1 ) 显示了超导体发现的时间历程。 进入2 l 世纪以来，人们对于超导新材料的探索又取得了丰富的成果。 2 0 0 1 年3 月1 日，n a t u r e 周刊报道，日本发现了具有超导电性，临界温 度3 9 k 的m g b 2 超导体。这是当时发现的具有最高临界温度非铜氧化物高温超导 体。从此，在世界范围内开始了对m g b 2 超导电性的研究热潮，井已制出超导线 材。 2 0 0 8 年4 月2 5 日，n a t u r e n 砷 报道，日本又发现了超导临界温度达至u 2 6 k 的l 丑0 l 。f , f e a s 超导体，晶格结构见图( 12 ) 。这是铜氧化物之外的另一类高温 超导体。新型超导体的发现掀起了又一轮的超导研究热潮，短短的几个月时间内， 科学家就通过掺杂高压等手段，得到了更高t c 的f e 基超导体：s m f e a s o i 。f x t e = 4 3 k 1 1 3 1 ；l a 0 1 ff e a s ，t c = 4 3 k i 4 1 ；高压制备的无氟l n f e a s o h ，t e - 5 5 k t l 5 】； n 替代部分g d 的g d i - x t h x f e a s o ，t e - 5 6 k 。 图i2f c 基超导体的品格结构示意图 同时h 基超导体的发现，也为新型超导材料和高温超导的微观机制的探索提 供了新的途径和方法。 高温超导材料作为举世瞩目的一种新材料，其实用化对社会生活的各个方面 产生了深远的影响，如能源工业、交通运输、通讯工程、医疗器械、计算机产业 等。近年来，高温超导材料领域的研究和开发工作有很大进展，虽然在理论方面 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 无重大突破，仍是百家争鸣的局面，但在新材料开发及实用化方面发展迅速。目 前，经济实力雄厚的国家均对超导材料的研究和应用投以重资。尤其美、日，政 产研相结合共同推动高温超导材料的实用化进程。在日本新材料领域的国家级关 键技术中，第一项即是高温超导材料。专家们普遍认为，在本世纪初可初步形成 规模产业。超导材料的研究和制备技术的迅猛发展，将为它的实际应用提供越来 越多的选择。 随着新型超导材料的不断发现，以及临界温度的提高，人们对于超导体实际 应用的研究也非常关注，尤其是高温超导体。根据超导体应用性质的不同，我们 可以将超导体的应用分为：弱电方面、强电方面、超导磁悬浮方面。 1 3 超导在弱电和强电方面的应用 弱电方面主要用超导体制成小尺度的器件，如：超导量子干涉器件( s q u i d ) ， 计算机的逻辑元件，精密仪器仪表等。这里重点介绍一下s q u i d 。 超导量子干涉器( s q u i d ) 原理【1 7 】： 用超导材料将2 个约瑟夫森结并联起来，构成超导环路，这是一种新型的 图1 3 双节直流量子干涉仪器件示意 图i 为约瑟夫节 簟绻s o u t o 图1 4 单结射频量子干涉器件及电 路示意图 超导微电子器件，它就是超导量子干涉器( s q u i d ) ，如图( 1 3 ) 所示。s q u i d 是英文“s u p e r c o n d u c t i n gq u a n t u mi n t e r f e r e n c ed e v i c e ”的词首字母缩写词。 超导量子干涉器分成两大类：一类为直流供电方式，称作直流量子干涉器件 ( d cs q u i d ) ，如图( 1 3 ) 所示。在双结s q u i d 中，两个弱连接未被超导路径 短路，因此可以观测直流i - v 特性。在工作情况下，器件被电流偏置于略大 于临界电流i c 的数值上，并可测量器件两端电压，故而得名。另一类是射频供 电方式，称作射频量子干涉器件( r f s q u i d ) ，如图( 1 4 ) 所示。它是由一个 6 mo 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 单结超导环所构成，即单结s q u i d ，这时超导路径短路，因此电压响应是把超 导环耦合到一射频偏置的储能电路( 谐振槽路) 上而得到的，故而得名。下面我们 用双结的直流量子干涉器件为例说明s q u i d 的工作原理。主要根据是，超导环 中包含的总磁通量必须满足量子化条件，即穿过超导环中的总磁通量只能取磁 通量子的整数倍，即 = n o o 式中，磁通量子o = h 2 e = 2 0 7 1 0 。1 5 ( m ) ，这时超导电流达到最大值。 超导量子干涉器的主要功能是测量磁场。它是利用测量相应的最大超导电流 i m a x 的变化达到测量外界磁通量外的微小变化的目的，从而测量出外界磁场。 原则上它适用于能转换成磁信号的所有物理量的测量。 超导量子干涉器件除上述主要应用外，在大地磁测方面，通过同时测量磁场 涨落和电场涨落来探测石油、地热资源及地震活动。在超导计算机中，超导量子 干涉器能作为开关逻辑元件，用于逻辑电路及存储器上。 强电方面主要指用超导体制成大尺度的超导器件，如超导磁铁、电机、电缆 等，用于超导发电、超导输电、超导贮能、超导电磁推进、超导磁场净化等等。 超导发电：超导体用于发电的装置目前有磁流体发电，超导电机发电，热核 聚变发电三种。磁流体发电是一种高效、低污染、单机容量大，直接将热能转变 为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需要把热能转化为机械能再转化为 电能，效率最高也只有3 3 3 6 。磁流体发电是让煤( 石油，天然气) 加氧化剂， 添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场，是热能直接转化为电能。磁流体一蒸 汽联合循环发电装置最高效率达到5 5 ，但这种发电方式目前遇到的困难时当磁 感强度在1 5 t 以上时，磁流体的铁芯逐渐处于饱和，磁场强度很难再提高。于是 人们就想到超导体，如果利用超导磁体，那么就很容易在较小的体积内产生强度 为几十特的磁场，而且消耗的励磁功率很小。超导发电机发电是利用超导体制造 发电机磁极绕组，不仅可大大增加发电机的极限输出容量，而且效率高、体积小 质量小，可节约大量电能和金属材料。超导体还可以帮助科学家建立核聚变发电 系统，这种发电系统是以氢做燃料的，起反应温度与太阳的温度一样高。从理论 上讲这种能源是取之不尽的，在实践上，关键问题是如何生成足够大的磁场控制 7 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 剧烈的热核反应，超导材料将能够解决这个问题。 超导输电：超导电缆【1 8 】是采用无阻和具有高电流密度的超导材料作为其载 流导体，当超导体处在超导态时，其直流电阻可视为零，因此电缆本体的焦耳热 损耗几乎为零。在交流运行状态下，超导电缆虽然会产生交流损耗，但只要电缆 长度超过一定值后，电缆的交流损耗和低温冷却所需的电能消耗仍将比常规电缆 低约5 0 左右。计算表明，同等尺寸的超导电缆的输送容量将比常规铜电缆高3 5 倍【1 9 1 。 因此，超导电缆具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，是解决大容量、 低损耗输电的重要途径之一。随着大城市用电量的日益增加，需要将大量电能输 往城市负荷中心，而采用高压架空线将电能输往密集的城市负荷中心，由于诸多 因素的影响，会遇到很大困难。在这种情况下，采用超导输电电缆就具有明显的 优势。超导电缆在结构上还可以使其磁场集中在电缆内部，防止对环境的电磁污 染。高温超导电缆电流密度要比常规电缆约高2 个数量级，而损耗( 包括冷却系统 损耗) 仅为常规电缆的5 0 左右，因此它在电力领域有广泛的应用前景。 超导贮能：为了利用电力负荷的峰值和低值的差解决高峰期用电的紧张状 态，现在越来越多的地方应用蓄能的方法来调节电力负荷。用超导材料制成的贮 能线圈，能以次能的形式将电能大量贮存起来，并具有密度大、损耗小的特点。 超导电磁推进：超导电磁推进装置是在船体内安装一个超导磁体，它会在海 水中产生一个强大的磁场，同时，在船体两侧安装一对强大的电机，使海水在两 极间产生大的电流。由于磁场和海水中电流的相互作用，海水会在船后对船产生 一个强大的推力，这时海水和电极相当于转子和电枢，利用与电机相同的原理就 可推动船体的前进。 利用高温超导磁分离进行污水处理：这是r e b c o 超导块材的最新应用。日本 i s t e c 宣布开发出使用超导块材进行处理工厂废水和污水的系统，该系统利用 y b c o 超导块材产生的强磁场( 2 t 一3 t ) 对污水进行处理，并取得显著的效果。该 处理系统利用超导制造高磁场，依靠磁力来除去磷。利用电阻几乎为零的超导块 材不仅可以抑制电费成本，而且与使用不纯物质沉淀的方式相比，其设备的占地 面积仅为1 1 0 。由于该系统可以连续运转，因而能除去污水中8 5 以上的磷。与 以往采用巨大净化设备、利用药物的沉淀法相比，可减少成本2 0 ，设备占地面 8 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 积减少9 0 ，建设费减少3 0 。该系统日污水处理量约为2 万吨左右。 1 4 超导磁悬浮的应用 自o n n e s 发现第一种超导金属h g 之后很长一段时间，人们都是只把超导体归 结为电阻为零的“理想导体 。直到1 9 3 3 年，m e i s s n e r 和o c h s c n f c l d 发现超导体 的“完全抗磁效应 2 0 】，即磁场不能进入处于超导态的超导体内，称之为“迈 斯纳效应 。从此，人们才认识到，超导体不只是电阻为零的理想导体，同时是 一个具有完全抗磁性的新的物态。这两个基本特性是判断一种物态是否是超导态 的基本判据。 理想的超导体具有完全抗磁性，不能实现自主稳定悬浮。由于实际高温超导 体内存在各种缺陷，可以对穿过于其中的磁力线产生钉扎作用。因此，当超导体 与永磁体发生相对运动时，超导体内可以感应出较大的电流。从而产生较大的洛 仑兹力阻止相对运动，使其相对位置保持不变，使永磁体能够稳定的悬浮于其上 l ，l c v i t a t i o n ) 【2 1 1 ，或稳定的悬挂于( s u s p e n s i o n ) 其下【2 2 1 。由于这两种现象本质相同， 统称为悬浮情况。我们将研究这种由高温超导块材和永磁体组成的悬浮系统，并 称其为高温超导永磁悬浮系统。 高温超导永磁悬浮系统主要应用在磁力轴承和磁悬浮列车上。 首先介绍一下磁悬浮轴承。高温超导悬浮轴承是由充分冷却处于超导态的高 温超导体( h t s ) 及附近的永久磁铁组成，h t s 和p m 之间没有直接的实际接触。 这种非接触轴承的优点是无摩擦，无磨损，无需润滑【2 3 1 。由于其具有自稳定性 而无需反馈控制系统，因而可长期工作。另外由于高温超导悬浮轴承的损耗非常 低，运行时发热很小，使维持轴承旋转所需的能量相对很低。与目前的主动磁性 轴承相比，i - i t s 悬浮轴承是无需电子控制的被动方式。因此也可节省电力消耗， 减少了会失效的复杂部分，使其变得更加可靠。由于h t s 轴承无需润滑剂，这在 极端化学和热条件下是一个很大的优点，可用于光电及风力涡轮，低温涡轮泵， 空间冷却器，月球望远镜等【2 4 1 。i - i t s 的磁阻低，可用于空气压力敏感探测器，其 低损耗可用于敏感陀螺仪、激光偏转扫描仪【2 5 1 、精度高的比重计、隧道扫描显 微镜、偏光计等。 磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力， 9 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 通过直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行( 悬浮间隙约1 厘米) 。其研 究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监 测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标 志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点， 有着“零高度飞行器的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具，特别适合 城市轨道交通。 高温超导磁悬浮列车的独特优势：除磁悬浮列车系统共有的技术特点外，高 温超导磁悬浮还有以下独特优势： ( 1 ) 固有的自稳定磁悬浮特性，悬浮和导向不需要主动控制。 ( 2 ) 悬浮和导向不需要车载电能，只需用无公害液氮( 7 7 k ) 冷却，空气 中7 8 是氮气，容易获得且价廉。液氮的价格是液氦( 4 2 k ) 的1 5 0 1 1 0 0 ， 不仅比低温超导磁浮制冷系统成本低很多，而且系统重量减轻，结构大大简化。 ( 3 ) 无启动噪音。低温超导磁浮车在启动时处在轮轨运行状态，噪音较大。 ( 4 ) 浮高度可调( 1 5 m m - - 5 0 m m ) ，可用于从静止至低、中、高速的运行， 应用面将更广。 ( 5 ) 整体系统及运行成本较低，结构较为简单，操作和维修简便。 2 0 0 0 年1 2 月3 1 日下午2 点2 6 分在西南交通大学超导技术研究所实验室研 制成功世界上第一辆载人“高温超导磁悬浮实验车”。该车全部采用国产y b a c u o 高温超导体块材，利用车载液氮低温容器进行液氮( 一1 9 6 c ) 制冷。在整车悬浮 高度2 0 毫米时，悬浮总重量为6 3 5 公斤。在承载5 人时的悬浮高度大于2 0 毫米， 永磁导轨表面磁感应强度1 2 特斯拉，直线电机推进，全自动控制。整车在长1 5 5 米的钕铁硼永磁导轨上自动运行十分平稳，至今已经约4 0 0 0 0 人乘坐，载人运行 5 0 0 多公里，系统性能基本如初。 随着常规能源的消耗，人们对于磁悬浮轴承和磁悬浮列车这些高效、环保、 节能的产生了更多的期待，同时，也使超导悬浮系统的实验和理论研究显得非常 必要。 1 5 超导悬浮理论和应用研究概述 超导磁悬浮的研究即超导悬浮力的研究，有关探索可分为实验和理论两个方 面。通过实验人们发现，悬浮力大小主要依赖于超导体自身特征和磁场强度分布， 1 0 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 同时得出了悬浮力与各因素之间的关系；在超导理论方面【2 6 1 ，人们也已经进行 了大量的研究，如：抗磁性模型，磁化模型，不变场梯度近似模型，b e a n 临界 态模型以及磁偶极子模型等等，引用频率最高的是b e a n 模型。上述各个模型都 有其特长，但与实际的应用都存在一定的差距。 超导磁悬浮的应用研究已经取得了突破性的进展，如2 0 0 0 年1 2 月3 1 日下 午2 点分，西南交通大学超导技术研究所研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮 实验车口7 。3 1 ： 同时高温超导磁悬浮轴承研究也取得了重要的突破。但超导磁悬浮理论研究 研究明显滞后。对超导磁悬浮应用，一直缺乏一个完善的理论体系作为指导。随 着常规能源的短缺，高效节能的超导悬浮已经引起了人们的关注。这必将吸引更 多的学者投身到超导磁悬浮研究中来。更好的促进超导磁悬浮理论的研究，为超 导磁悬浮的应用打下坚实的理论基础。 同时，新型f e 基高温超导体的发现，可能会为超导磁悬浮的研究提供新的 途径。 高温超导自1 9 8 6 年被发现以来已有2 1 年的历史，去年的世界超导工业峰会 把2 0 0 6 年定为高温超导技术大规模应用元年。我国近期在高温超导电缆、高温 超导电机、高温超导限流器、高温超导磁场储能器等一系列项目取得了很好的成 果，这为进一步大力开展高温超导技术在节能减排方面的工作打下了良好的技术 基础、积累了实际经验、培养了队伍。我国高温超导导线的研发和产业化也有了 长足的进展，达到了世界先进水平，为今后开展高温超导技术的大规模应用提供 了材料的保证。再加上我国电力产业发展迅速、节能减排的紧迫性、必要性已成 共识，高温超导技术的大规模应用有可能在我国得到首先实现。 然而也要清醒地看到，我国在相关方面的投入与发达国家相比还有很大差 距。发达国家对高温超导技术的投入来自3 个方面：政府，大型跨国公司，风险 投资基金创业板股票市场。而我国除政府支持外还没有很多的其它资金来源。 据了解，美国和日本政府每年大约有5 0 0 0 万美元用来支持高温超导技术，韩国 科技部每年约有5 0 0 万美元用来支持高温超导的电力应用。按g d p ，美国是中 国的6 倍，日本是中国的2 倍，而韩国不到中国的1 3 。这样来看，我国高温超 导技术的支持力度至少应该是每年6 0 0 0 万人民币( 如果与日、韩相比每年可以 有1 亿人民币以上)