超导

超导之谜

超导现象及其主要特性

一、什么是超导体

到目前为止，科学家已发现某些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度T c 以下，会出现零电阻的现象，我们称这些材料为超导体。同时，科学家们还发现，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度T c 外，还有一个临界磁场强度H c ，当外界磁场超过H c 时，即使用低于T c 的温度也不可能获得超导态。此外，在生物体中也发现有超导现象存在。 超导现象首先是由荷兰Leiden 大学学者Kamerlingh Onnes （卡末林·昂尼斯）在1911年发现的。早在1908年，Leiden 实验室就掌握了He （氦）气的液化技术，He 在一个大气压下液化时，温度为4.2K ，Onnes 将这一低温技术成果用来研究Hg （水银）导线的电阻随温度变化的规律。他测得样品在温度为4.2K 时，电阻骤降为零。当时，所有的理论都无法圆满地解释金属导体这种非零温下的零电阻效应。几乎经历了半个世纪，这个谜

才得到解答。 二、超导的主要特性 超导现象有许多特性，其中最主要的有五个，即零电阻效应，完全抗磁性效应（Meissner 效应），二级相变效应，单电子隧道效应，约瑟夫森（Josephson ）效应。下面，将分别加以介绍。 1. 零电阻效应 零电阻是超导体的一个最基本的特性。图3-1是金属电阻与温度的关系曲线，在T >T c 时，R 与T 成直线关系。当温度降低时，这种线性关系会失去，从而出现偏离线性的情况。当T 达到临界温度T c 时，电阻R 突然变为零。由经典理论可知，金属中的电阻是由晶格热振动对自由电

子定向漂移的散射所引起的。金属原子容易失去其外层电子而变成带正电的离子，这些离子在金属中有规则地呈周期性排列，形成晶格。在晶格中，正离子只能在平衡位置附近作热振动。当自由电子在外电场作用下进行定向运动时，自由电子各向同性的热运动与沿电场力方向的定向运动就叠加在一起，称为定向漂移。定向漂移的电子将和作热振动的正离子发生碰撞。碰撞中，产生两个结果：一是自由电子在碰撞时把定向漂移的能量传给正离子，使正离子的热振动加剧；二是自由电子在碰撞中，改变了原运动方向，被称为散射。我们可以用日常观察到的碰撞来说明这种散射及能量交换效果。当你观察台球运动时，常会看到图3-2所示的情况：球A 与球B 碰撞后，改变了自己原来的运动方向。

O T

图3-1 在T c 处，R 陡降为0

'B '

B 碰撞改变球的运动方向

图3-2

球A 将它全部的动能交给球B 图3-3

C

如果A 、B 两球的质量相等，且B 球开始静止不动，则当A 与B 正碰时，球A 将变为静止，球B 则以A 球的入射速度前进，如图3-3所示，球A 将自己的运动能全部交给了球B 。在金属中，正是类似的效果使自由电子的定向漂移受到阻碍，通常讲的金属中的电阻指的就是这个意思。什么时候电阻才可能为零呢？按照经典理论，只有当温度T=0K ，即为绝对零度时晶格才停止热振动，不再散射电子，电阻才为零，我们称此理论为零温零电阻论。在较高温度时，电阻与温度成直线关系，于是由经典理论应得到图3-4所示的R -T 直线。显然用这条直线是无法解释超导的非零温零电阻现象的。

再看看量子理论能否解释。根据谐振子的量子理论，即使T=0K ，晶格仍有零点振动能。因此，电阻不能为零。图3-5是按量子理论得到的R -T 关系曲线，其中T =0K 时R ≠0；在T 较小时，R T ∝5。由此可见，量子理论也无法解释超导的非零温零电阻效应。

2. 完全抗磁性效应（Meissner 效应） 1933年，德国学者Meissner （迈斯纳）和Ochsenfeld （奥奇森菲尔德）观察到，磁场中的锡样品冷却为超导体时，能排斥磁场进入样品内部，这一现象称为完全抗磁性效应或Meissner 效应。迈斯纳效应是超导体根本的特性。早期曾有人认为超导体是一种导电率σ等于无穷大的导体，即用纯电学的观点去看超导体。实际上，这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。电学中有一个欧姆定律，它反映了电压V ，电流I 和电阻R 之间的关系：V =IR 。如果用场的观点来表示，则欧姆定律有一定微分形式 E j ρρσ=

其中，j 是电流密度矢量，E 是电场强度，σ是电导率。此外，由电磁学 的麦克斯韦方程

可知，若将超导看成是

σB 应满足方程 始条件决定。即超导体内，如果t =0时，有磁场B ，则以后磁场B 的大小和方向皆不改变；如果t =0时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。根据以上的结论，我们可以设计两个实验，如图3-6所示，如果认为超导志体是σ→

∞的普通导体，则应出现图3-6（a ）的结果，即超导体内有无磁场，完全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。

图3-4 经典理论的R-T 直线

但实验结果表明图3-6（a ）的情况并未出现。相反，实验结果是图3-6(b)所示的情况。无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内部最后均无磁场。超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的本质特性。磁悬浮现象就是超导体具有完全抗磁性的证明，见图3-7。

依据超导体的零电阻和迈斯纳效应，可以把超导体分成两类，即第I 类超导体和第II 类超导体。零电阻和迈斯纳效应同时出现的超导体，只具

有一个临界磁场，称之为第I 类超导体，见图3-8（I ）；具有两个临界磁场的超导体，其体内能出现超导相和正常相的界面，我们称它为第II 类超导体，见图3-8（II ）和图3-9。

3. 二级相变效应 1932年，荷兰学者Keesom 和Kok 发现，在超导转变的临界温度T C 处，比热出现了突变。Keesom-Kok 实验表明，在超导态，电子对比热的贡献约为正常态的3倍（见图3-10）。在水变成冰的相变中，体积改变了，同时伴有相变潜热，这类相变称为一级相

变。如果发生相变时，体积不变化，也无相变潜热，而比热、膨胀系数等物理量却发生变化，则称这种相变为二级相变。正常导体向超导体的转

变是一个二级相变。后面将会讨论这一相变的微观过程。

σ→∞，导体内磁场

超导体抗磁性

与过程有关 与过程无关

图3-6 (a) 图3-6 (b)

H

图3-8 第I ，II 类超导体 正 常 相 图3-9 混合态

4. 单电子隧道效应 1960年，美国技术员Giaever （吉埃瓦）从事元件A1-A12O 3-A1的隧道效应实验室研究，这是普通导体中的量子隧道效应。Giaever 在工余去一所工业专科学校听物理课，从老师那里获悉了超导能隙的概念，年轻的技术员立即觉察到用自己的实验方法能测量这个能隙的宽度Δ。他没费多 少时间就证实了自己的想法，从而发现了超导的单电子隧道效应。

隧道效应是微观运动中所特有的，在宏观运动中没有这一现象。例如，在地球引力场中，一个小球要越过一个高坡，必须使其动能E 0满足

E mv mgh 0022=>

如果E mgh 0≤，则小球是不可能越过这一高坡的（见图3-11），高坡就像一堵墙，称为势垒。对于微观粒子，情况就不一样了。譬如，当一个电子在势垒下运动时，电子可以借助真空，从真空吸收一个虚光子，使自己的能量增大而越过势

垒，电子一旦越过势垒，便将虚光子送还给真空。同时，电子的能量也返回到原来的值，图3-12示意了这一过程。微观粒子就是凭借高超惊人的魔术戏法穿过势垒的，量子理论称它为隧道效应。在Al-Al 2-O 3-Al 元件中，普通金属Al 之间的绝缘层A12O 3相当于一个势垒,一般不能导电,但量子隧道效应可产生微小电流（见图3-13）。如果换成超导-氧化物-超导元件,则由于超导的能带存在能隙,能隙的下面是满带,上面是空带,满带中的能级被电子全部填充,无空位能级,空带

图3-11 小球在引力场中运动

C/γTc

3

2 1

图3-10 Keesom-Kok 实验

图3-12 电子从势垒中穿过 图3-13 隧道效应

Δ

未加外电压时无隧道效应 eV

图3-14 图3-15

满带空带

中的能级一个电子也没有,故未加外电压时（见图3-14）无隧道效应。因为左边的电子穿过势垒后,在右边没有空位能级容纳它。当外加电压使eV

图3-15和图3-16表示的是电流出现前、后的电压值与能隙宽度Δ的关系。以上公式中的e 是电子的电量数值。

5. 约瑟夫森效应（双电子隧道效应） 1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验物理研究生，20岁的约瑟夫森（Josephson ）提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称直流

约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。 我们可以把基本粒子按其自旋的大小分为两类：一类自旋为半整数，称为费密子，例如电子、质子、中子、它们的自旋都是1/2，为半整数；另一类自旋为整数，称为玻色子，例如，光子自旋为1，电子对的自旋为零，故它们都是玻色子。电子对成为玻色子后不再遵从泡利不相容原理，

即同一能级上容纳的玻色子数不受任何限制。所以在零压下，电子对可以通过势垒。图3-17和图3-18表示零电压下电子与电子对的不同行为。两个超导体中夹有一薄绝缘层的元件被称为约瑟夫森结（Josephson ），利用约瑟夫森结可制成超导量子干涉仪（SQUID ），用它测量磁感应强度能精确到10-7T ，测电压精确到10-6V 。在超导的应用部分，我们将向读者较详细地介绍SQUID 的构造、原理及应用。

三、高温超导体的发现

上面讨论了超导的特性，在超导的诸多特性中，人们最感兴趣的是超导的临界温度。提高超导临界转变温度T c ，是科学家们努力追求的主要目标。这里有一张简表，记载着科学家们为此奋斗70年的漫长历史（见表3-1）。

从表中看到，自1911年出现第一个超导体水银到1973年出现合金超导体锗三铌，前后的时间长达62年，但临界温度T C 总共只提高了20K 左

eV

图3-16

单电子无法通过 图3-17 双电子隧道效应

图3-18

表3-1

物质T C/K 观察时间

Hg 4.2 1911(荷兰)

Nb 9.2 1930

V3Si 17.1 1954

NbSn 18.1 1954

Nb3Al0.75Ge0.25 20.5 1967

Nb3Ga 20.3 1971

Nb3Ge 23.2 1973

SrTiO3-5 0.55 1964

TiO 2.3 1964

NbO 1.25 1964

MnWO3 6.7 1964

Ag7O8X 1.04 1966

Li1+x Ti 2-x O4 13.7 1973

BaPb1-x Bi x O313 1975

(TMTSF)2X 1 1980

(BEDT-TTF) ReO4 2 1983

(BEDT-TTF) I2 8 1985

BaSrCuO 30 1986 (瑞士)

36 1986 (美国）

40.2 1986（美国）

SrLaCuO 48.6 1987(中国)

98 1987（美国）

YbaCuO 100以上1987（中国）

110 1987（中国）

BaYSrO 113 1987(日本)

YbaSrCuO 338 1987(日本)

YbaSeSrCuO 308 1987(苏联)

YbaCuO 280 1987(苏联)

右，平均每年增长1/3（K）；1964年开始在金属氧化物中寻找超导材料，到1975年，临界温度只达到13K，远不及锗三铌。后来美国Bell贝尔实验室一个叫William.L.Mcmilam（威廉.L. 麦克米兰）的人提出：金属超导临界温度上限值为30（K），这一断言使一部分科学家对金属材料失去信心。1980年以后有人开始转向在有机材料中发现超导体，美国的霍普金斯（Hopkins）研究小组首先合成了一种有机材料（TMTSF）2X，它在T C=1时成为超导体。其中TMTSF的分子式为

X则可以是ReO4，C1O4，PF4，TaF6 ,AsF6等。此后，短短5年中，有机超导材料临界温度提高到8（K）。尽管有机超导体的临界温度还有待进一步大幅度地提高，但有机材料易加工成型，易于人工合成，价格便宜，重量轻，故仍然具有不可抗拒的诱惑力。

CH3 Se Se CH3

C C

C == C

C C

CH3Se Se CH3

明知山有虎，偏向虎山行。在攀登科学技术高峰的道路上，总有一些不畏艰险，勇闯禁区的开拓者。1986年4月，正当提高金属、合金有机材料的临界温度都遇到困难的时候，瑞士学者缪勒和西德学者柏努兹发现多相氧化物或称为陶瓷材料超导，激起人们对新陶瓷材料的高度热情，在不到一年时间内，中国、日本，美国等竞相努力，使陶瓷超导体的临界温度提高到300K 以上。1987年初，中国的赵忠贤获得SrLaCuO 的超导临界温度为48.6K ，短短数月内就又提高至近300K ，平均每月增长50K ！出现了超导史上空前振奋人心的局面。1987年9月在日本召开的第18届国际低温物理会议披露：日本的高温超导体YBaSrCuO （钇钡锶铜氧）的T C 为338K ；苏联的高温超导体YBaScSrCuO （钇钡锶钪铜氧）的T C 为308K ；美国的高温超导体YbBaCuO （钇钡铜氧）的T C 为280K 。

不过，目前这些高温超导材料的稳定性及可重复性尚不理想。与此同时，超导体材料的制造、应用及超导元件的开发也应运而生。科学家们预言：10年或者稍长一点的时间之内，超导的应用将成为现实，人类正满怀喜悦地跨入伟大的超导时代！

超导的微观机制

一、金属超导的BCS 理论

从超导现象的发现到第一个超导微观理论的建立，大约经过了半个世纪。1957年，美国Illinois （依利诺斯）大学的J.Bardeen （巴丁），L.N.Cooper （库珀）和J.R.Schrieffer （施里弗）提出了第一个超导微观理论，简称BCS 理论。1972年，他们3人荣获诺贝尔物理学奖。

首先介绍一点能谱知识。从电学中，大家知道，愈靠近正电荷的地方，电势愈高。一个带正电的离子周围的电势分布，可由图3-19中的电势曲线表示。电子带负电，它在正电荷附近具有负的电势能，图3-20表示的是电子的势能曲线，这是一条向下凹的曲线。在金属中，正离子以一定的周期规则排列，金属界面远离带电粒子，由于整个金属是中性的，故可以认为界面净电场为零。因此，电子在金属界面的电势能可取为0。为简单起见，把电子在金属中的势能曲线以一维形式表示出来，如图3-21所示。若将曲线底部的波浪简化为直线，则得到一方势阱。金属中的电子在晶格中运动的最简单模型，就是电子在一个方势阱中的运动（见图3-22）。按照量子理论，N 个电子在势阱中分别处在什么样的能量状态呢，结论是：

图 图

1.电子只能处在阱中一些分立的能级上。

2.由于电子是费密子，所以它遵守泡利不相容原理。即同一能级上，至多只能容纳两个自旋相反的电子。

依据这两个结论。N 个电子在金属方势中，从低能级向高能级依次填充，最后第N 个电子占据第N/2[或(N+1)/2]个能级，我们把这个能级叫做费密能级εF 。费密能级以下，全部能级都为电子填满，称为满带；费密能级以上全部能级都空着，没有电子，称为空带。整个金属的能带实际上是半满半空的，称为导带，图3-24表示金属中电子能带的分布情况。有外加电压时，电子在电场力作用下被加速，获得能量约为eV 的数量级，eV 又称为电子伏特（leV ≈1.6×10-19 J ）。费密能级以下，距εF 较远的电子无法接受外电场给它的能量，因为其上面的能级已被其它电子填满，没有空位供它占有。只有费密能级附近的电子可接受外电场的能量，产生定向漂移，形成电流。同时晶格热振动的能量也足以使作定向漂移的电子产生散射，形成电阻。

但是，如果存在某种机制，使得费密能级附

近的电子形成为电子对，即使两个自旋相反、动

量相反的电子结为一个整体，则情况就会大不一

样。电子对是玻色子，它可以不遵守泡利不相容

原理，同一能级上可容纳的电子对数目不受任何

限制。于是，大量的电子对将在费密能级附近占

有同一基态能级，形成一个稳定的状态，这称为玻色子凝聚。似乎玻色子之间有一种吸引力，使

玻色子们相互吸引，凝聚在一起。物理上又称为

玻色-爱因斯坦凝聚（见图3-24）。下面，进一步讨论费密子和玻色子按能量状态的粒子数分布。如果阅读有困难，读者可以不看这一部分。

量子统计理论指出：费密子都服从Fermi-Dirac （费密-狄拉克）分布。 设εF 为电子的费密能量，n F 为处在ε能量状态的电子数，则有

其中，T 是温度，k

-23JK -1，不难证明

+

x

图3-21晶格中电子的势能曲线 图3-22 方势阱

金属中电子能带的分布 图3-23

图3-24 玻色-爱因斯坦凝聚

如果电子自旋的两个方向都包括进去，则当T →0时

能级分布图（图3-23）就是根据这些数字画的。

像光子、电子对这样的玻色子都服从Bose-Einstein （玻色-爱因斯坦）统计

这里，εF =μ是负数，因为当T →0时，对于ε=0的粒子数

若εF ≥0，会出现n B

n B 恒为非负的数，要求εF 必须为负数。现在，已有εF <0，则对于ε=0的基态，只要|εF | <

，则

上式表明ε=0

色-爱因斯坦凝聚。

与电子之间存在着电斥力，它们如何约束在一起，形成电子对呢？BCS 理论认为，自由电子穿过金属格点时，电子与正离子间的静电引力将使格点产生畸变。带负电的电子路径吸引着周围的正离子；同时，离子间的斥力又产生恢复力。于是，格点上的离子在平衡位置附近作振动，由于离子比电子重许多，故格点??

???=><=)(,1)

(,0)(,2F F F F n εεεεεε

振动比电子运动慢。因此，电子穿过格点后，相当长的时间内，正离子仍紧靠在一起，形成一个净正电荷区，这个净正电荷区能吸引另一个电子，于是，以格点振动为媒介束缚着一对电子，这对电子被称为Cooper 对（库珀对），见图3-25。反之，当正离子相互离开时，会形成一个净负电荷区，能对两电子产生斥力，如图3-26所示那样。最后，Cooper 对电子好像被一根弦连在一起，来回振动，弦的大小约为1.8×10-7m 。组成库珀对的两个电子，动量和自旋方向正好相反，超导体中的导电性是由库珀对的质心定向运动产生的，图3-27表示的是自旋相反，动量相反的一对电子，C 是电子对的质心。库珀对是一个玻色子，它的自旋为0。在低温下，电子对还能产生B-E 凝聚。金属中参与导电的单个电子全部配成库珀对后，将使金属由正常态向超导态转变，这是一个二级相变。结合成库珀对的电子是处在费密能级附近的电子，如果用一个动量空间来描述这些

电子对，则它们将在一个费密动量球面上（见图3-28）。 BCS 理论成功地解释了电子成对的机制及相变过程，由此还知道了金属超导体的

能谱在费密能级处会出现一个能隙Δ。能隙是相邻两个能级间的能量间隔，处在能隙中

的能态，在量子理论中是不容许存在的。一般情况下，晶格热振动能kT <<Δ，由于出现

了能隙，晶格的热能不可能使处于超导相的库珀对产生散射，故库珀对电子必须一次接受相当于Δ这么大的能量，才能跃迁到能隙

上面的能级中去，否则它拒绝接受。概括以上讨论，可得到BCS 理论的3个观点：

1.在一定温度下，金属中参与导电的电子结成库珀对，这是一个相变过程；

2.库珀对电子凝聚在费密面附近；

3.费密面以上将出现一个宽度为Δ的能隙。

c 图3-27自旋相反，动量相反的一对电子

图3-29 车围受阻 动量空间费密面上的库柏对 图3-28

图3-30无人问津的车畅通无阻

BCS 理论依据以上3点，便能圆满解释超导体的零电阻效应。为了使读者对超导的零电阻机制有直观的理解，我们不妨先打个比喻。图3-29表示的是：有一零售车，车上销售的商品价廉物美，一元钱一件。当这辆车穿过一条贸易街市时，顾客们纷纷围上，于是在销售车与顾客之间进行着频繁的物币交换，车被围得水泄不通，这时，我们说车遇到了很大的阻力，难以前进。如果换一辆批发车来销售，一千件物品包装在一起，一整包至少要一千元才能成交。这时，在批发车与单体消费者之间无交换发生，批发车的商品无人问津，此车将畅通无阻地穿过这条街（见图3-30）。

以上这个生活中的现象与超导体中的零电阻现象可以说十分相似。现在我们来看图3-31，在普通导体中，单个电子在晶格中穿过时，作热振动的晶格将以能量kT 与单个电子进行碰撞，实现能量的交换。电子很容易接受这一热振动能，因为它的量级与eV 相当，这正和零售车的情况相同：在单个电子与晶格之间进行着大量的能量交换，因此电子定向运动受到阻碍。然而，如果我们也能象批发车那样，把众多单个电子集中打成一大包，那么要改变大包电子的能量，就不容易甚至完全不可能了。BCS 理论就是首先让电子配成库珀对，然后借助玻色-爱因斯坦凝聚将电子对打成一大包，当成批的电子对集体在晶格中作定向运动时，晶格热振动能量kT 就显得太小，故无法再同电子对们交换能量。从能隙观点来看，由于kT<<Δ，所以电子对吸收kT 的能量是不可能跃迁到空带上去的，因此它干脆拒绝接受这一能量，正如卖批发的拒绝零售一样。于是，成包的电子对在通过晶格时，不会遇到任何阻力，它的电阻实际上等于0。

BCS 理论还能成功地解释超导的单电子隧道效应和约瑟夫森效应，后面讨论超导量子干涉仪SQUID 时，再作详细分析。

二、有机超导的Little 机制

1964年，美国斯坦福（Stanford)大学的W.A.Little （莱特尔）提出：在有机超导中，另有一种形成库珀对的机制—侧链极化的机制。图3-32的中间是一条由碳原子构成的长链，称为碳脊，碳原子C 是4价的。C 原子在碳脊链上用去了3价，剩下的1价与H 原子结合，于是在碳脊两侧，形成了由氢原子排列成的侧链。图中，矩形方框表示H 原子，其中打细点的部分，是H 原子的电子云分布。

当一电子沿碳脊运动时，侧链H 原子

被极化，电子云被排斥到距碳脊较远处，所以在碳脊中心附近区域形成一个净正电荷区。这个净正电荷区可以吸引另一个电子，构成库珀对。Little 指出，由

图3-32 Little 机制示意图

有电阻

有kT 能量交换

晶格零电阻无能量交换

晶格

图3-31 单个电子与电子对集团经过晶格运动情况

于侧链电子云比格点灵活得多，且电子质量远小于晶格中离子的质量，因而，从原则上讲，可以使临界温度提高到室温以上，尽管Little的思想至今仍有争论，但它使人们对于研究有机超导材料产生了浓厚的兴趣。顺便指出的是，1944年，美国生物学家厄兰格和加塞把细胞的电极放置在神经纤维的不同点上，测得神经冲动的强度、时间和传播速度;80年代初，生化学家詹姆斯·麦克阿瑟利用重组DNA技术制成了分子生物芯片，从而很多人证实了在室温下生物具有超导现象。

三、高温超导理论研究现状

高温超导的实验研究成果日新月异，但是，关于高温超导的理论却进展缓慢。这是因为高温超导材料的成分是多元的，结构复杂。其中既有金属键，又有共价键和离子键，这说明超导材料是由多种形式的混合键结合成的晶体。美国Bell

实验室用高倍电子显微镜拍下了

YBaCuO超导体的晶体结构，见图

3-33。

至今，高T c超导材料主要有以下4

种：

https://www.wendangku.net/doc/a7263165.html,-Sr-Cu-O T c≈35K；

2.Bi-Br-Ca-O T c≈80K；

3.Y-Ba-Cu-O T c≈90K；

4.Ti-Ba-Ca-Cu-O T c≈120K。

实验发现高T c超导体的主要性质有：

1.晶体结构有强低维特点，3个晶

格常数相差3～4倍；

2.输运系数具有很大的各向异性；

3.磁场穿透深度较大；

4.相干长度较短或者库珀对的空间局域性较强；

5.载流子浓度较低，且为空穴型导电；

6.隧道实验表明电子对存在；

7.迈斯纳效应不完全；

8.同位素效应弱甚至无。

如何从理论上解释这些实验结果，显然不是一件容易的事。但是，科学家们仍作了许多探讨和设想，提出了种种理论，其中有6种较为典型，具有代表性：

1.BCS理论它的困难在于无法解释弱同位素效应及空穴型导电；

2.共振价键理论（RVB）它是由Anderson（安德森）提出的，他认为电子由强相关联定域在各个格点附近，相邻的两个格点上的两个电子自旋相反，形成单重态共价键，通过掺杂驱动使之在空间流动并保持配对关系。大量定域电子理论，与晶格振动无关，可以解释弱同位素效应；

3.双极化子机制这种机制认为正负离子交替排列的复式晶格中有极化电场存在，因而产生了电声作用，即电子在晶体中运动，使晶体产生畸变并携带畸变一起运动，我们把它看成是一个等效粒子，称为极化子或穿外衣的电子。两个极化子靠近时，畸变合一，形成双极子。双极化子流动产生超导态。

4.激子机制这是一种低维的理论，它将超导体视为是一种金属-半导体-金属式的三明治。金属层中的电子波通过隧道穿入半导体层时，在半导体中形成空穴，于是产生了电子-空穴束缚对，称为激子。同时，两电子由空穴联系在一起，形成Cooper对。类似地，在半导体-金属-半导体型的结构中将形成空穴对。

5.等离子体机制如果将固体看成是正离子背景下的电子气，则当电子密度有起伏时，可形成一种电荷密度波（C.D.W)，这种元激发称为Plasmon（等离激元）。两个电子可以借助Plasmon产生引力，形成电子对。这是一种严格的二维理论，否则不易实现Plasmon交换。

6.杂质跃迁掺杂使半导体禁带中出现杂质能级，杂质能级与价带或导带之间的跃迁，正好能发射能量相当于0.leV的Plasmon，这些Plaamon可以在电子之间实现交换。

但尽管如此，也还是没有一种理论能得到大家的一致公认。谁能最后揭开高T C超导之谜，谁就将是科学王国中的佼佼者。

超导的意义及应用

一、材料是生产的物质基础

材料在生产中占有重要地位，特别是新材料和具有优异性能的材料。历史上，三次大的工业革命，无不以新材料作为其基本条件和先导。原子能、核能应用，火箭、卫星及太空技术的应用，都需要以材料科学的发展作为前提。每当人类掌握或使用一种新的材料时，工业、科技和生活就会发生深刻的变化。

人类最初使用的材料是天然石头或经过简单加工的石器，历史上称之为石器时代。人类从使用工具起便进入了文明时期，因为从石头到石器，随之就是工艺、文字。石器有一定的加工外形，这就是最早的艺术，锋利的石器可以在树皮上刻写符号，这就产生了文字。石器时代之后，接着是青铜和铁器时期，它标志着人类已学会掌握并使用金属材料，这是一个影响深远且统治人类社会的时间最长的时期。从奴隶社会、封建社会直到资本主义社会，它都在发挥着重要作用，甚至今天，也不可能完全离开金属材料。铁器时代的到来，为以后的工业革命打下了坚实的物质基础，并创造了数千年的繁荣与文明。很难设想，如果没有金属材料，机器化和电气化革命会是一个什么样子！真空管电子技术早已为人类掌握，但是把电子时代推向高峰的，却是半导体材料与器件的问世。从60年代造出第一个晶体管以后，电子时代才跨入它最光辉夺目的时期。上面这些历史事实，充分证明了材料及其应用技术在生产发展中的重要地位。

今天，随着陶瓷高温超导体的发现及其材料器件的试制，可以想象，一旦这一新材料、新技术被广泛应用到各个生产领域和科学技术研究中去，那么无疑将会把各种工业，包括机械、电子、电力、交通、能源和医疗、军事等方面的生产推进到一个崭新的水平，整个世界和人类的将会发生一次重大的改变，伴随而来的一定是一系列的工业大革命。这正是今天的科学家们为陶瓷高温超导体的发现而感到惊喜的真正原因。

二、超导技术的主要应用

自36年前，世界上第一个磁感应强度超过6T的超导体问世以来，人们对超导技术的发展日趋关注。1986年，在美国巴尔的摩召开的超导应用会议，肯定了进行超导国际协作的重要性。已有数百个实验室在对超导技术进行深入研究，有许多方面已进入实用技术阶段。

超导技术用于电力输送，可以节省大量能源；用于医疗上的核磁共振成像系统，可以在不接触人体的条件下，检查人体的种种疾病；用于分离技术，可以将小到病毒大到矿石的颗粒分离出来；用于电子计算机，可以大幅度地缩小体积，提高计算速度，降低成本；用于交通，可以制成磁悬浮车；用于测量，

可以制成超导核磁共振断层摄像仪（MRI ）和超导量子干涉仪。此外，在一些科学研究装置中，从小型磁体到同步加速器等大规模系统的磁体，都可用超导磁体，都可用超导磁体取而代之。这样，既可以提高设备的效率，又可以节省能源，减少体积。1984年，美国费密国立加速器研究所制成了命名为“双质子”的超导质子同步加速器，以内径80cm ，长6m 的马鞍形磁体为主体的约1200个超导磁体被安置在7km 长的圆周上，它能对质子进行加速，使之具有800GeV 的高能。为了和§3.1的联系起来讨论，我们将结合超导的特性分别介绍一些超导技术的主要应用。

1、零电阻的应用 在工业生产及科学技术研究中，往往需要大电流和强磁场。仅仅依靠普通的导体及磁体是无法做到这一点的，其主要原因是所有导体都具有电阻，并且电阻随温度升高而增大。例如，一个5×103kw 功率的环形电流只能产生强度为地磁场100倍的磁场，况且，线圈中的电阻要产生大量的热量，这个装置每分钟需要用3064吨水来冷却，方能避免受热而引起的爆炸。普通电磁铁一般至多能产生3T 的磁感应强度，要超过这一数值是相当困难的。 零电阻效应能使我们获得大电流和强磁场。瑞士的一个等离子体研究所的陀螺仪中有一绕组采用超导线圈，它能产生8T 的磁感应强度。此外，在许多装置或仪器中，都有超导线圈与超导磁体的应用，如：单极发电机，磁场闭合型核聚变炉，电力贮存装置电感脉冲电源，船用电力推进器和电磁推进器，磁分离器，介子癌照射装置，核磁共振断层摄影装置，高分辨电子显微镜，NMR 分析器，高能电子检测器，磁石电子存储环，SOR ，磁搅拌器，磁流体发电，强磁场化学反应装置……等等。 与我们关系最密切的水对航行、发电和日常生活有着极为重要的作用，但污染后的水是极有害的。由于水中有污染物太微小，所以常规的过滤方法无法分离它们，而超导磁分离却能分离这些水中污染物。任何物质都会受到强磁场的吸引，不同的物质所受

的力的大小不同，根据这一简单原理，麻省理工学院的亨利·费尔博士设计了一个能产生旋转磁场的装置，用它来分离混在水中的细菌、化合物、尘埃等极微小的物质。超导体产生的强磁场分离器像筛子一样，能将水中所有的杂质吸引且分离出去，其速度远比普通过滤装置快几百倍。超导磁分离技术还可以用于燃料加工及燃料使用前的杂质清除。图3-34表示的是美国麻省理工学院的超导磁分离装置。

零电阻效应还有两个直接应用，一是用来制作超导电缆，见图3-35。它是一根内壁镀了一层超导薄膜的管子，管内流过温度为77K 的液氮，电流能无电阻损耗地沿超导薄膜流动。若用它来输电，造价与普通电缆相当。目前，超导薄膜的电流密度可达106A ·（cm ）-2。第二个应用是：由于零电阻对应有一个临界磁场或临界温度，因此，可以利用零电阻出现时正常态到超导态的转变，制成转换元件，如速调管、磁通泵、红外线检测器和超低温反应器等。

图3-34 超导磁分离器装置

2、完全抗磁性的应用 利用超导体的完全抗磁性，可制成磁封闭系统，超导陀螺、磁轴承、超导重力仪等，图3-36是一个超导轴承的原理装置图，转轴悬浮在超导轴承-超导线圈中，无摩擦的超导轴承是机械中最理想的构件，它的应用会使许多机械面目为之一新。 磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果，它具有安全、舒适、高速的优点，其它交通工具是无法与之相比的。图3-37是磁悬浮车的原理模型图，车身底部截面呈凹形，装有超导电磁体，导轨是铝质的，截面呈凸形。列车前进时，车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起感应电流，感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场，使车身悬浮在导轨上。世界上第一辆磁悬浮列车是在英国的伯明翰制成的，它长6m ，一次可载40人，时速达500km ，而火车

的极限时速公为300km 。

3、量子隧道效应的应用 如果说前面介绍的是超导的强电技术应用，那么下面我们将讨论超导的弱电技术应用。利用超导的约瑟夫森效应可以制成精密

测量元件、SQUID 及转换元件，可用它们来

检测微小位移、微小磁场或者是作电压、电流的标准计测仪器。超导电子器件具有体积小、无热损耗的优点，超导计算机具有微型化、巨型化和计算速度高的优点，如约瑟森结的开关速度为晶体管的1000倍！如果用超导电子元件取代晶体管元件，将会给电子工业又带来一次大的更新换代的革命。 最后还得补充一点：超导技术在国防上的

应用也是不容忽视的。超导在军事指挥、军事侦察、军事测量以及军事武器等方面均可得到

重要的应用，例如，利用强电强磁制成的电磁

炮就是用电磁力来加速炮弹的。目前普通的电

磁装置已能把重453gr 弹丸加速到4km ·s -1。如果采用超导技术可大大提高其速度，使其能拦截洲际导弹。

三、超导量子干涉仪（SQUID ）的构造原理及其应用

1962年，Josephson 提出，超导体-绝缘体-超导体结会出现零电压的超导电流，称为直流约瑟夫效应。如果在结上加一电压V ，则超导电流将是频率v =2eV/h 的交变电流，又称为交流约瑟夫森效应。利用前者可制成磁强计和灵敏检流计，利用后者能测量常数h/e .

约瑟夫森结含义很广，超导体之间的点接触[图3-38（a)],超导体中间夹金属 N 2

超导薄膜 内壁镀有超导薄膜的管子 图3-35

]

图3-36 超导轴承

图3-37 磁悬浮列车

导轴

绝缘 薄层或夹绝缘介质都可以称为约瑟夫森结。超导量子干涉仪（SQUID ）通常由两个约瑟夫森结组成。 1、SQUID 的构造 图3-38（b ）是通常用的SQUID 的构造简图。在圆柱形的石英管上，先蒸发出一层10mm 宽的Pb 膜，再蒸发出一层Au 膜在下方用作分流电阻；然后溅射两条Nb 膜，待其氧化后再蒸发出一层T 形Pb 膜。这样在Pb 膜和Nb 膜的交叉处形成两个Nb-NbO x -Pb 结，即约瑟夫森结。

在交叉处的约瑟夫森结中, Nb 膜的宽度为150μm ，T 型Pb 膜的宽度为50μm ，见图3-38（c ），管的一端有电压和电流引线。

2. SQUID 的简单原理 先讨论一个结的情况。对于直流约瑟夫森效应，前面已用能谱图作了解释。因为库珀对是玻色子，故它能通过隧道效应穿过势垒。当V ≠0时，库珀对从结的一侧贯穿到另一侧，必须将多余的能量释放出来，即发射一个频率为v 的光子，其中

v eV h

=2 相当于电子对穿过结区时，将在结区产生一个沿与结区平面平行的方向传播的、频率为v 的电磁波，表明在结区有一交变的电流分布（见图3-39）。

I 写成

??

? ??+-=0222sin ηx t h eV i i c λππ

1mm

50μm

150μm

(a)点结 (b) SQUID 构造 (c)交叉处的约瑟夫森结

图3-38

超导 绝缘 超导

v = 0

图3-39 结区的交变电流

ν=0 h ν S S 结区 x

或 i i eV h t p h x c =-+?? ???sin 220πη π

2h =η，p h =2πλ称为德布罗意关系式，η0是初位相。现在，给结区加一垂直于纸面向外的磁场B ，由于释放的光子或电磁波与磁场会产生相互作用，因此根

据电磁理论中的最小耦合原理，应将动量p 换成p e c

A -2，其中A 是磁场沿x 方向的矢势。于是

i i eV h t p h x e ch

Ax c =-++?? ???sin 220? 因此，B 的大小或A 的大小将影响电流i 的相位，决定其x 轴向的分布，我们利用一组i 沿x 轴的分布曲线图来说明这种影响（见图3-40）。总之，由于磁场在交变电流中起着位相作用，而波的频率η

eV 2又相当大，故磁场的一个微小变化也会导致一个显著的位相改变，使得电流也有一个相当大的变化。

如果使用两个结，利用两个电流的相干作用，效果会更好，会使电流的值更大。这和光学中用双缝加强光度比用单缝的效果要好一样。SQUID 就是根据这一原理设计而成的。

3. SQUID 的应用

(1)SQUID 用作磁强计，可精确到107-T 。为了对这个量级有所理解，可以列举一些例子。

地磁场的磁感应强度为103T ；环境磁噪声的磁感应强度为10-4～10-1T ；人们的肺、心、脑都有一定的生物磁感应强度，分别为10-1T 、10-2T 和10-5T 。由此可见，比脑磁场还弱100倍的磁场，SQUID 都能准确地测量出来。

(2)用作磁场梯度计。测量微弱磁场时，

必须消除强磁场的干扰。为此，可设计一个形如图3-41的线圈，其中A 2和A 3绕向相反。均匀的地磁与噪声磁在A 2、A 3中产生的磁通会互相抵消，对A 1不产生影响。而非均匀的待测磁场在A 2、A 3中不会抵消，因而对A 1有影响。用SQUID 测出的A 1的磁通便无地磁和噪声的干扰。 （3）用作低温温度计。它是利用核磁化率在10-5K 的低温时与温度成正比设计而成

图 3-40 I 沿x 轴的分布曲线图

2 3

图 3-41 线圈

的。用SQUID测出核磁化率α就可测定温度。

（4）用作检流计。将待测的电流引入超导线圈，利用SQUID测出电流产生的磁通，从而确定电流的大小，且能精确到10-9A。改装成电压计精确可达10-16V。

此外，SQUID还可以用作超低频信号的接收器，进行水下、地下的深处通讯联系。

利用SQUID可测量磁悬超导铌棒的微小振动。当铌棒振幅为10-18cm时，其磁场波动能立即被SQUID测出。

附：高温超导陶瓷的制作工艺

一、干法

1将Y2O3、BaO或BaCO3、Ba(NO3）2及CuO的粉末按原子比Y：Ba：Cu=1:2:3混合，在130℃的温度焙烘24小时后再充分研磨。

2在空气中进行400℃下2小时，800℃下4小时的预烧，然后进行第二次粉碎，再用压机压成圆饼状样品。

3将样品置于管式炉中，在1000℃下烧结6小时以上，再使之自然冷却至室温，最后烧成的样品呈黑色。

二、湿法

1将Y2O3溶于HNO3，Ba（NO3）和Cu（NO3）2溶于水，按Y：Ba：Cu=1:2:3的比例配制混合液，再用草酸混合，成为草酸盐沉淀。

2草酸盐沉淀经过滤、洗涤、烘干后，再灼烧，压成样品。

3再在940℃下烧10小时，然后，从940℃到400℃通O212小时，最后自然冷却而成。

三、电子束蒸发

1、用三个金属靶同时蒸发，衬底用蓝宝，MgO，ZrO2，SrTiO3等，衬底要加热至200℃。

2、将所制的膜在850℃的O2中退火2小时便成。

美国IBM公司托马斯．华生研究中心使用外延法在SrTiO3衬底上制备超导膜。

此外，还有直流磁控溅射和单晶生成等工艺。

超导原理

超导原理 超导的发生，是核外电子运动所引起的物质特性明显的变化的结果：在很低的温度下，价电子运转在固定的平面上，达到临界温度，运转速率更低。核心习惯于常温下的核外电子快速运转，低速运转的电子形成了核外电子的缺失。核心就挪用相邻核心的外电子，接着形成所有核心连续地挪用相邻电子——形成外电子公用。核心把公用的电子当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力去顺势输运它，让其在自己身边流过，于是就形成了电子流——超导电流。 核心把外来（公用）的电子流当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力（原子核吸引核外电子使电子绕核运转的力）去顺势输运它，让其在自己身边流过，在顺序排列的原子核库仑力的接力输送下，电子直截在其间畅通无阻，于是超导电流不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。在顺序排列的原子核库仑力的接力输送下，电子直截在其间畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。 正因为超导电流获得了核心的输运力，所以它能像核外电子那样永恒不断的运动，流速均衡、电阻为零，保持永恒的电流。 尽管库伯对理论获得了诺贝尔奖，也实在不敢恭维，首先，两个电子如何能紧密结成对？这直接违背同性相斥的自然原理。其次，超导体的电流走的不是匀速直线，必定有能量损失，所谓理论连核心的输运力都没有想到、没有提到，说的再复杂，再冠冕堂皇,不符合自然能量守恒法则肯定不是事实。 由于超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动，伴

生着很强的电磁波，伴生着极强的磁场。磁共振成像的磁场就是由超导原理提供。 物质的超导特性与温度密切相关，而且极具规律。再一次为核外电子的运转线路、速率决定物质的各种特性；线路、速率的变化改变物质特性的论点提供了有力的例证。 超导的抗磁性 超导时大量电子在物体内均衡畅通地在核心边流动，成了核外电子的组成部分，大量电子的定向流动伴生着很强的磁场。外磁场会干扰电子的定向运动，所以伴生的磁场必须把外磁场抵制在外，于是就形成了很强的抗磁性。 实验表明，金属物体（第一类超导体）在超导时，外磁场从超导体内完全排出，表现出很强的抗磁性，又称迈斯纳效应。若外磁场太强，干扰电子不能形成整齐的定向运动，即使到了临界低温，超导也不能发生。这种情况正好映证以上讲的电—磁伴生现象。 同样，内磁场强的物体也难以发生超导，铁磁性或反铁磁性金属因其内部结构元的排列使得部分价磁力叠加，内磁场较强，阻止电子直线定向流动，因而不具有超导性能。而且磁性物质的微粒——杂质也会阻断核外电子共用，影响超导发生。 第二类超导体 大自然往往是戏剧性的展示其风采，近些年发现的超导材料并不是在传统上被认为良导体的金属及其合金中，而是在常态下导电性能很差的氧化物体系的陶瓷中，这就是所谓第二类超导体。

高温超导储能系统

高温超导储能系统 一、什么是超导储能系统？ 超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统部件组成。 超导储能系统可用于调节电力系统峰谷（例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网），也可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性： （1）超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%； （2）超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）； （3）由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统； （4）超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； （5）超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。 目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家（例如美国、日本、德国等）在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐。 二、开发超导储能系统的必要性 由于电力系统的“电能存取”这一环节非常薄弱，使得电力系统在运行和管理过程中的灵活性和有效性受到极大限制；同时，电能在“发、输、供、用”运行过程中必须在时空两方面都达到“瞬态平衡”，如果出现局部失衡就会引起电能质量问题（闪变），瞬态激烈失衡还会带来灾难性电力事故，并引起电力系统的解列和大面积停电事故。要保障电网安全、经济和可靠运行，就必须在电力系统的关键环节点上建立强有力的电能存取单元（储能系统）对系统给与支撑。基于以上因素，电能存取技术越来越受到各国能源部门和电力部门的重视。 超导储能系统由于其存储的是电磁能，这就保证超导储能系统能够非常迅速

超导材料

一、超导材料 有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失，超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以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上，在中国每年的电力损失达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；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在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产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。 二、能源材料 能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。太阳能电池材料是新能源材料，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。 三、智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。 四、磁性材料 磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。1．软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（μ=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。2．永磁材料（硬磁

高温超导材料的特性与表征

四川理工学院 材料物理性能 高温超导材料论文 【摘要】 在本实验中我们的主要目的是通过通过氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。 关键词： 超导体零电阻温度完全磁效应磁场 一、引言： 1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。

但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。 本实验中，我们通过对氧化物超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮的原理；掌握液氮低温技术。 二、原理： 物理原理： 1.超导现象及临界参数 (1)零电阻现象 1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。 临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度。 （2）MERSSNER效应 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。 3）超导体分类 超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。 纯金属材料的电阻特性 纯金属材料的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。ρ=ρL（T）+ρ R，其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρ r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。 半导体材料电阻温度特性 ρi=1/nie(μe+μp) 本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关, 因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。 实验仪器及其原理：

磁共振成像系统原理和功能结构

磁共振基本原理 第一章 主要讲述电荷、电流、电磁、磁感应方面的基本概念。这里将介绍余下章节中将提到的大量的词汇。你可以快速复习这些概念，但是要注意关键定义和一些重要的概念，因为这些概念有可能在考试中出现。同时也包括一些对向量和复数关系的解释。如果你有工程师的背景就请略过这些章节，否则请多花些时间研究2D、3D向量，振幅和相位、矢量和复数方面的知识。矢量在MRI中有极其重要的作用，因此现在多花些时间学习是值得的。 静电学研究的是静止的电荷，在MRI中几乎没有太大意义。我们以此作为开场白主要是因为电学和磁学之间有密切的关系。静电学与静磁场非常相似。最小的电荷存在于质子(正)和电子(负)中，集中在很小的一团或以量子形式存在。虽然质子比电子重1840倍，但是他们有同样幅度的电荷。电荷的单位是库仑，是6.24*1018个电子的总和,这是一个非常大的数量。一道闪电包含10到50个库仑。一个电子或质子的电荷为±1.6*10-19库仑。 与一个粒子所拥有的分离的电荷不同，电场是连续的。关键的概念是相同的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。同时，你应该知道电场强度与电荷呈线形变化，和电荷的距离的平方成反比。换句话说，如果总的电荷数增加，电场的强度也会增加，与电荷的距离越远，电场强度越弱。 将相同的电荷拉近，或将不同的电荷分开都需要能量。当出现这种情况时，粒子就有做功的势能。就象拉开或压缩一个弹簧一样。这种做功的势能叫电动力（emf）。当一个电荷被移动，并做功时，势能可以转化成动能。每单位电荷的势能称电势能，它是电荷相对于电场的位置的函数（1/d2）。 电荷位于周边，它尽量要处于一个舒服的位置，但这也不是一件容易做到的事。它不断地运动、做功。运动的电荷越多，每个电荷做功越多，总功越大。运动的电荷叫做电流。电流的测量单位为安培（A）。第一个电流图描绘的是电池产生直流电（DC）。电厂里的发电机产生的是变化的电压，也称为交流电（AC）。 在通常情况下，电子在电流中的运动并不是没有阻力的。它们遇到各种类型的阻力。电路中阻碍电流流动的特点叫做阻抗。共有三种类型的阻抗，即电阻、电感、电容。如果电流的做功产生热量，阻抗就叫电阻；如果能量能产生磁场，阻抗即电感；如果能形成电场即电容。这三种阻抗在MRI中均有不同的作用，后面的章节将详细讨论。电流在电路中流动会做功，在单位时间内电流的总做功量称为功率。 磁学是物质的基本特性，就象电荷与质量一样。物质的磁性特点很大一部分是由电子的结构和运动决定的。非磁性的物质有非常小的排列方向紊乱的、结构紊乱的磁区，它们相互抵消。永磁体有大量的几乎排列方向一致磁区。排列越一致，磁场越强。 *备注：现在被称为土耳其的国家曾经认为天然磁体有磁性是很神秘的。几千年前，土耳其被称为Magnesia，这就是磁性这一词的由来。 当一种物质放在磁场中变的有磁性的程度被称为磁敏感性。真空的磁敏感性定义为0。如内

超导材料的性能与应用综述

超导材料的性能及应用综述 班级：10粉体（2）班学号：1003012003 姓名：徐明明 摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用 一、超导现象的发现及发展 1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。 一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表

超导磁储能系统(SMES)及其在电力系统中的应用

高温超导磁储能系统及在电力系统中的应用 一、超导磁储能基本原理 1、什么是超导磁储能系统？ 超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施，一般由超导线圈、低温容器、制冷装臵、变流装臵和测控系统部件组成。 超导储能系统可用于调节电力系统峰谷（例如在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来，而在电网运行处于高峰时，将储存的电能送回电网），也可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。超导储能系统具有一系列其它储能技术无法比拟的优越性： （1）超导储能系统可长期无损耗地储存能量，其转换效率超过90%； （2）超导储能系统可通过采用电力电子器件的变流技术实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）； （3）由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，因此可将超导储能系统建成所需的大功率和大能量系统； （4）超导储能系统除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长； （5）超导储能系统在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。 目前，超导储能系统的研究开发已经成为国际上在超导电力技术研究开发方面的一个竞相研究的热点，一些主要发达国家（例如美国、日本、德国等）在超导储能系统的研究开发方面投入了大量的人力和物力，推动着超导储能系统的实用化进程和产业化步伐。 2、储能工作原理 SMES在电力系统中的应用首先是由Ferrier在1969年提出的。最初的设想是将超导储能用于调节电力系统的日负荷曲线。但随着研究的深入，人们逐渐认识到调节现代大型电力系统的日负荷曲线需要庞大的线圈，在技术和经济上存在着困难。现在，SMES在电力系统应用中的研究重点主要着眼于利用SMES四象限的有功、无功功率快速响应能力，提高电力系统稳定性、改善供电品质等。超导磁能储存的概念最开始来自于充放电时间很短的脉冲能量储存，大规模能量储存开始于电器元件，其原理就是电能可以储存在线圈的磁场中。如果线圈是由超导材料制成，即保持在临界温度以下，即使发生变化，电流也不会发生衰减。线圈卸载荷，可以将电流释放回电路中去。 电流I循环储存在线圈中的能量E为

磁共振成像系统中的磁屏蔽

磁共振成像系统中的磁屏蔽 赵喜平郑崇勋 本文作者赵喜平先生西安交通大学生物医学工程研究所博士研究生第四军医 大学西京医院磁共振室工程师郑崇勋先生西安交通大学生物医学工程研究所所长教授博士导师 关键词: MRI 磁屏蔽磁屏蔽材料 磁体是磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging MRI)系统的重要组成部分 无论是超导磁体还是永磁体或常导磁体其作用都是为MRI设备提供静磁场 B0但是由于它的磁力线将向空间各个方向散布即形成所谓的杂散磁场就有可能干扰周围环境中那些磁敏感性强的设备使其不能正常工作另一方面磁体周围环境的变化也会影响磁场的均匀程度由此可见在磁共振成像系统中磁场与环境的相互影响是一个不容忽视的问题目前广泛采用安装磁屏蔽的办法来解决本文首先介绍磁屏蔽的概念和分类然后讨论有关磁屏蔽的计算以及 制做屏蔽体可采用的最佳材料 一磁屏蔽 所谓磁屏蔽(Magnetic Screen或Magnetic Shield)就是用高饱和度的铁磁性材料来包容特定容积内的磁力线它不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均 匀性的影响同时又能大大削减磁屏蔽外部杂散磁场的分布以英国牛津公司 HELICON磁体(1.5T)为例安装磁屏蔽体后这种磁体的中心至5高斯线之距离在x y轴上可由9.2m内缩至4.2m z轴上则由11.6m缩小至5.8m5高斯线内缩幅度达5m左右因此增加磁屏蔽是一种极为有效的磁场隔离措施 磁屏蔽的原理可借助并联磁路的概念来说明如图1所示将一个磁导率很大的软磁材料罩壳放在外磁场中则罩壳壁与空腔中的空气就可以看作并联磁路由于空气的磁导率μ接近于1而罩壳的磁导率在几千以上使得空腔的磁阻比罩壳壁的磁阻大很多这样一来外磁场的绝大部分磁感应通量将从空腔两侧的罩壳壁内通过进入空腔内部的磁通量是很少的这就达到了磁屏蔽的目 的在MRI中磁屏蔽既起到保护空腔内磁场不被其它外界因素干扰的作用又限制腔内磁场以杂散磁场的方式向周围环境中散布

高温超导体基本特性的测量

高温超导体基本特性的测量 1911年，荷兰物理学家昂尼斯（H.K.Onnes）发现，利用液氮把汞冷却到4.2K左右时，水银的电阻率突然有正常的剩余电阻率减小到接近零，以后在其它的一些物质中也发现了这一现象。由于这些超导体的临界温度T C很低，人们称这些需在液氦温区运行的超导体为低温超导体。1986年6月，贝德诺（J.G..Bednorz）和缪勒（K.A.Muler）发现金属氧化物Ba-La-Cu-o 材料具有超导电性，其超导起始转变温度为35K，在13K达到零电阻，这一发现时超导体的研究有了突破性的进展，随后美中科学家分别独立地发现了Y-Ba-Cu-O体系超导体，起始温度92K以上，在液氮温区，以后的十年间，还发现其他系超导体，常压下T C最高达133K，这些T C高于液氮温度的氧化物超导体称为高温超导体。 一、实验目的 1．（利用直流测量法）测量超导体的临界温度； 2．观察磁悬浮现象； 3．了解超导体的两个基本特性—零电阻和迈斯纳效应。 二、实验仪器 测量临界温度和阻值的成套仪器、迈斯纳效应成套仪器、计算机、CASSY传感器 三、实验原理 1．零电阻现象 处于绝对零度的理想的纯金属，其规则排列的原子（晶格）周期场中的电子的状态是完全确定的，因此电阻为零。温度升高时，晶格原子的热振动会引起电子运动状态的变化，即电子的运动受到晶格的散射而出现电阻Ri。然而，通常金属中总是含有杂质的，杂质对电子的散射会造成附加的电阻。在温度很低时，例如在4.2K以下，晶格散射对电阻的贡献趋于零，这时的电阻完全由杂质散射所引起的，我们称之为剩余电阻Rr，它几乎与温度无关。所以总电阻可以近似表达为 R=Ri(T)+Rr （1） 当温度下降到某一确定Tc（临界温度）时，物质的直流电阻率转变为零的现象被称为零电阻效应。临界温度Tc是由物质自身的性质所确定参量。如果样品结构规整且纯度非常高，在一定温度下，物质由常规电阻状态急剧的转变为零电阻状态，称之为超导态。如果材料化学成分不纯或晶体结构不完整等因素的影响，超导材料由常规电阻状态转变为零电阻状态是在一定的温度间隔中发生的。如图1，我们把温度下降过程中电阻温度曲线开始从直线偏离出的温度的温度称为起始转变温度。我们将电阻缓慢地变化部分（常规电阻状态下）拟合成直线Ⅰ，将电阻急剧变化部分拟合成直线Ⅱ，直线Ⅰ与直线Ⅱ的交点所对应的电阻为正常态

GRS超导治疗系统

GRS超导治疗系统 GRS超导治疗系统是目前国际上治疗泌尿生殖感染的新技术，突破了传统治疗模式的局限，不直接接触患病部位，通过超导能量直接穿透病变组织屏障，快速全面杀灭体内各种病原体，达到有效治愈的目的。 GRS场效治疗系统，专业治疗慢性前列腺炎、前列腺增生，具有不住院、不开刀、不插管、无创伤、无痛苦、无副作用等特点。 GRS螺旋超导治疗仪治疗原理： 利用GRS产生强大的电能，驱使组织细胞内带电离子产生移动补充其丢失的电位从而达到修补人体生物电场的作用。这一过程包括： 热效应： GRS使体内发热，发热程度因电流密度而异。在高温70C时使蛋白产生不可逆变性，能治疗前列腺增生。45C、46C、47C进对有引起细菌和生物体能起到杀灭和抑制作用前列腺及其他炎症。 排毒效应： GRS补充细胞的电特性，吸附白细胞的能力加强，细菌被灭杀或抑制生长，并扩张前列腺中各种腺管，增强其代谢功能。治疗中可见脓状物随尿液排出体外。 生物效应： GRS可以诱导机本体内部的某些理化过程及生理效应，促进与恢复病变细胞、组织的正常生理功能及细胞活力的提高，并有利于药物的吸收，以达到治疗的目的。 GRS治疗后，配合联合用药7-10天，可使前列腺治疗更迅速、更彻底，特别针对久治不愈的顽固性前列腺炎效果非常明显。98%前列腺炎患者被完全治愈，并且性功能都有不同程度的提高。该疗法完全符合世界卫生组织极力推广的无创、无痛、非介入治疗模式。 GRS超导治疗系统五大优势

优势一： 治疗时不插管，安全舒适，并避免可尿道感染的机会。 优势二： 治疗时无并发症和后遗症，是其他多种治疗方法无法比拟的。 优势三： “非介入，无痛，无创伤”的治疗方式，是世界卫生组织极力提倡的治疗方式，并深受患者欢迎。优势四： 治疗电磁波穿透力强，直达深部病变组织，松懈粘连组织，疏通闭塞的前列腺导管口，彻底清除炎症及毒素，达到标本兼治。 优势五： 治疗时间短、见效快，对慢性盆腔炎、附件炎、良性前列腺增生的临床症 状一般1——2次即有明显效果，慢性前列腺炎治疗仅需3——5 次。 治疗特色： 由于热疗使炎症组织的通透性增加，药物更易扩散，组织的吸收及代谢更好，从而达到综合治疗炎症的目的。临床反映对前列腺炎和前列腺炎效果显著。这种利用生物物理的方式达到治疗目的非手术疗法在治疗过程中几乎不对患者构成损伤和痛。 治疗效果： 治疗精确、灭菌全面、疗程更短、杜绝复发。 诊疗范围： 龟头炎、急慢性尿道炎、睾丸附睾炎、精囊炎、膀胱炎等泌尿生殖感染疾病

超导磁共振成像系统中的低温技术

超导磁共振成像系统中的低温技术 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一种生物磁学核自旋成像技术。十多年来，随着超导、低温、磁体、射频及计算机图像处理等高新技术的发展，MRI已成为当今医学领域最先进的诊断设备之一。按照MRI系统主磁体磁场的产生方式，通常将其分为永磁型、常导型（阻抗型）、混合型和超导型四类。由于超导型MRI具有场强高、功耗小（磁体基本无功耗）、磁场均匀稳定和系统信噪比高等优点，近年来发展非常迅速。本文首先介绍超导MRI 成像系统的磁场建立过程及其失超的概念，然后讨论超导磁体的低温保障技术。 超导环境的建立 同阻抗型磁体一样，超导型磁体也由线圈的电流产生磁场。两者的差别主要是线圈的材料不同：前者用普通铜线绕制，而后者由超导线绕成。目前所用超导材料主要是铌钛与铜的多丝复合线，它的工作温度为4.2K（-269℃），即一个大气压下液氦的温度。因此，超导线圈必须浸泡在液氦里才能正常工作。MRI磁体超导环境的建立通常需要下述步骤： 磁体低温容器抽真空 超导磁体一般在CFRP或GFRP支撑结构下依次装有环形真空绝热层、液氮容器和液氦容器，超导线圈置于液氦容器之中。各容器都有非常好的绝热性能和密封性能。可见超导磁体的制造工艺是相当精细的。 真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，其保冷性能主要决定于它的真空度。因此，抽真空的质量直接关系到超导磁体运行后的经济性能。磁体安装完毕后，一般在现场对其抽真空，但有些厂家的产品出厂前就已抽毕。 真空绝热层抽真空的过程可分为两步。首先用旋片式机械泵抽吸约4h，使内部压力降至10Pa （1mbar）以下。紧接着改用涡轮分子泵，将内部压力抽至10-3Pa（10-5mbar）。要达到这样低的压力，涡轮分子泵需连续运转数十小时，有时长达数日。此间一旦出现断电情况，就有可能前功尽弃。因此，真空绝热层抽真空前MRI系统的不间断电源应该安装就绪，以便将涡轮分子泵与其相连，断电后就有足够的时间来关闭磁体上的真空阀。达到所需的真空度后，应及时关闭插板阀，以免漏气。 磁体预冷 磁体预冷是指用Coldhead（制冷机冷头）和cryogen（液氮、液氦）将磁体冷屏和超导线圈温度分别降至其工作温度的过程。由于上述容器与致冷剂的温差相当悬殊，磁体的预冷常常需要消耗大量液氮和液氦。下面以牛津公司UNISTA T磁体（1T、1.5T和2.0T）为例来介绍磁体的预冷过程。 在实施预冷前，先检查磁体液氦液位计是否正常。充灌液氮要使用绝热管线，并严防其冻裂。液氦的灌注则使用专用的真空虹吸管。另外，预冷时磁体的所有排气管道均应畅通，并保持磁体室通风良好。 液氮预冷比较简单。首先按低温操作的有关规定连接好液氮杜瓦瓶和磁体液氮输入口，并保持杜瓦瓶内20~25kPa（0.2~0.25bar）的过压力。在这一压力的驱动下，随着输液管道的接通，液氮便缓缓注入磁体液氮容器。但是由于开始时容器内温度较高，大量液氮将被蒸发，液氮的蒸发使容器内的温度得以降低。一旦液面计有了读数，就表明该容器内温度已降至77.4K，即

超导材料基础知识介绍

超导材料基础知识介绍 超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 ①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 ②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 ③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 ①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 ②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 ③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic 称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶

超导型磁共成像系统

超导型磁共振成像系统 Superconductor MRI 1 范围 本标准规定了超导型磁共振成像系统的产品分类及组成、技术要求、试验方法、标志等要求。 本标准适用于超导型磁共振成像系统（以下简称MRI ）。 2 规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后的修改单（不包括勘误的内容）或修改版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T191-2000 包装储运图示标志 GB/T1.1-2000 标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写规则。 3 分类与型号 3.1 分类 3.1.1按管理分类属第Ⅲ类医疗器械 医用磁共振设备。 3.1.2按主磁场的结构划分属于超导型磁共振成像系统，按使用结构形式划分属于开放式(半开放式)磁共振成像系统。按用途分属于通用型磁共振成像系统。 3.2 结构 超导型磁共振系统由磁体系统、成像系统、病床系统、电源系统、冷却系统、控制系统六大系统组成。 4 技术参数 4.1 静磁场强度(共振频率)偏差 其标称值应不大于6 1050-?，超导型 4.2 信噪比 应大于100dB 4.3 图像的几何畸变 应不大于5% 4.4 图像的均匀性 应不小于75% YZB/川 —2006

4.5 磁场的均匀性 应不大于6 1050-? 4.6 磁场的稳定性 不大于6 10125.0-?/h 。 4.7 高对比度空间分辨率 应不大于2 mm 4.8 层厚 大于5 mm 时其误差不大于±1mm 4.9 定位与层间距 切片的定位偏差应不大于±3mm 。层间距的偏差不大于±1mm 或小于20%。两者取大值。 4.10 伪影 叠影伪影的讯号应小于实际信号值的5%。 5 试验方法 5.1.1 扫描条件记录应注意：脉冲序列、扫描参数、回波时间TE 、重复时间TR 、溶液的自旋-晶格驰豫时间（纵向驰豫时间）1T 、溶液的自旋-自旋驰豫时间(横向驰豫时间)2T 、翻转角、图像视场FOV 、数据采集矩阵大小、射频线圈负载特性、模型的描述、像素贷款和三维尺寸、接受线圈通道3dB 带宽等，层厚及数量、采集次数、射频功率的设置、图像处理。 5.1.2 使用常规的临床诊断扫描序列和重建程序。 5.1.3 环境温度应在22℃±4℃。 5.2 共振频率 用特斯拉计置于磁场等中心位置测量 5.3 信噪比 5.3.1 模型要求 模型应由产生均匀信号的材料组成，其(头)体成像平面的最小尺寸为10 cm(20 cm)或规定区域的85%，两者取大值。单层切片时，其切片方向上的厚度至少为层厚的两倍，（多层切片时，厚度至少为成像数量再加上两倍的最大层厚度），模型的截面应是封闭的，可以是圆的，也可以是方的。模型中的填充材料的15T TR ?≤。模型材料为透明的有机玻璃，填充液配方:1L 水，3.6g 氯化钠 NaCl 和1.955g 五水硫酸铜 4CuSO ·O H 25 5.3.2 试验方法 把模型置于负载的射频接收线圈中心，TE 应在临床范围内选择。负载后RF 线圈的参数应无变化。在图像平面内FOV 应不大于射频线圈最大线形尺寸的110%，用自旋回波脉冲序列(第一回波)， YZB/川 —2006

超导电现象与超导体

超导电现象与超导体 超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁感线的现象，这类物质称为超导体． 1911年，荷兰物理学家昂里斯发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象．水银电阻随温度变化的实验曲线如图1所示．从图中可以看到，当温度T＞T1时，水银具有通常的导电性，处于正常态；当T＜T2时，水银的电阻完全消失，进入超导态．T1是从正常态向超导态转变的拐点处的温度，称为起始转变温度．T2是电阻完全消失的温度，称为零电阻温度．以后，人们又相继发现了28种元素在常压下、15种元素在高压下，具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性，其电阻率随温度的变化也有类似于图1的曲线． 超导体的理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个独立而又相互联系的基本性质，常用来作为确定物质是否具有超导性的判据． 理想导电性处于超导态下的超导体的电阻极小，在目前的测量精度内测不出来，说明其电阻率的上限为10-27Ω·m，仅为室温下铜的电阻率（1.67×10-8Ω·m）的千亿亿分之一，完全可以视为零．美国麻省理工学院在磁场中放上用超导材料做成的环，待环冷却至超导态后把磁场撤消，由于电磁感应在环中激起感应电流，经过两年半时间的观测，没有发现环中电流所激发的磁场有明显的衰减，说明电流无明显衰减．因此，可以设想，超导体内部一旦有电流通过，几乎会永远流下去．电流流动时没有能量损失，这样就可以把目前输电线路上损失掉的30%的能量节约下来，减少变电设备上的巨大投资和由于高压输电引起的火灾、触电等事故．如果把发电机的统组线圈换成超导体，就可做成体积小、重量轻、噪音低、功率大的发电机．利用超导体，日本在1987年还研制出了效率很高的容量为72千伏安的世界上最大的交流变压器，效率达98%． 因为超导体没有因线圈过热而被烧坏的担忧，可以通过强电流，（不能超过临界电流密度，即能够维持超导态，在超导体中流过的最大电流密度J c）以产生数十万高斯的磁场．可用它做成体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高、易于启动、能长期运转、能量损失极少的超导磁体．例如要造一个能产生10万高斯的强磁场，要用内径为0.9m的螺线管，若采用铜线并用水冷却，所需消耗的功率为6万千瓦，冷却水用量为每秒10吨．若采用液氦温度的超导体，只需消耗10千瓦的功率来制造液氦，仅是利用铜导体的六千分之一；若采用液氮温区的超导体，则更省得多．这些超导磁体可用于高能加速器、受控热核反应等需要强磁场的地方，或储存能量，或利用它所产生的磁场梯度大的特点净化废水等．超导磁体还可用于

高温超导实验报告

高温超导材料的特性与表征实验报告 10物理小彬连 摘要 本实验对高温超导体的超导转变曲线进行了测量，测量得到其起始转变温度，临界温度，零电阻温度；进行了低温温度计的标定，证明了硅二极管温度计和温差电动势在一定范围内随温度变化的线性关系；通过高温超导的磁悬浮演示了解高温超导体的两个独有的特性：混合态效应和完全抗磁性，并测量得出磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线。 关键词高温超导体超到临界参数零电阻现象完全抗磁性磁悬浮力一、引言 1911年，荷兰物理学家卡末林－昂纳斯（H.K.Onnes，1853—1926）用液氦冷却水银线并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是所谓的零电阻现象或超导电现象。自从低温超导体发现以来，科学家们对超导电性现象（微观机制）和超导技术以及超导材料进行了大量的研究。 在超导技术开发时代，世界各国科学家相机取得了突破性进展，研制出临界温度高于液氮温度的氧化物超导体，又称为高温超导体。超导研究领域的系列最新进展，为超导技术在个方面的应用开辟了十分广阔的前景。超导电性的应用十分广泛，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机、超导微波器件等，还可以用于计量标准。 本实验目的：通过在低温条件下测量高温超导体的电阻温度曲线和低温温度计的比对，了解高临界温度超导材料的基本特性及测试方法，了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电效应，掌握低温物理实验的基本方法：低温的获得、控制和测量。 二、实验原理 1．超导现象及临界参数 1）零电阻现象(如下图） 超导现象：电阻突然跌落为零，或称零电阻现象，并将具有此种超导电是的物体称作超导体（只有直流电情况下才有零电阻现象）

超导材料的特性及应用

浅谈超导材料的超导特性及应用 摘要：作为一种新型材料，超导材料越来越广泛地应用到各个领域，人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导材料的应用有着巨大的潜力和发展前景，这是不容置疑的。超导的实用前景似乎既近既远，近者，在人类的生活中已得到了超导电技术带来的好处，如医用的核磁共振成像的超导磁体；同时，在电子器件上的应用，近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、储能及平衡电网方面的应用。在总结超导电性的同时，本文将就超导材料的应用作简要的介绍。 关键字：超导、特性、应用、前景 1、超导材料的超导特性 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零电阻，这一现象称为“超导现象”，将具有超导性的物质，称为超导体，超导体如钛、锌、铊、铅、汞等，在超导状态，当温度降至温度（超导转变温度）时，皆显现出某些共同特征。1.1电阻为零。一个超导体环移去电源之后，还能保持原有的电流。有人做过实 验，发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减。 1.2完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的， 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。 2、超导材料的应用 2.1 超导应用的巨大潜力 超导态是物质的一种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质。工业、国防、科研上用的大功率发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，也能测量人的脑磁图和心磁图。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯的质量。 因此，超导体显示了巨大的应用潜力。 2.2 超导材料在强电方面的应用