超导的应用

超导体被发现以后，人们就开始广泛研究它的应用，目前主要还是低温超导体应用得较多． 70年代初期，美国科学家提出磁共振用于医学诊断的可能性．稍后，另一位科学 家发表了磁共振成像论文，引起科学界和医学界的广泛重视和浓厚的兴趣，很多公司开始研制磁共振诊断装置． 磁共振是研究物质内部原子状况的一种有效手段，例如医用核磁共振成像仪，可测定生物体中氢原子核以及特定原子核构成的物质，通过核磁共振扫描，检测生物体 组织发生的种种变化，再经过计算机处理，把变化显示出来，从而发现生物体组织的 病变．该仪器对于癌症的诊断极为有效．由于磁共振成像不使用放射线，又不接触人体，所以对人体组织无损害． 使用超导磁体的磁共振成像，除可检测出氢原子以外还可检测出磷、钠等的信息， 这是由于使用超导磁体提高了振频率．此外，使用超导磁体的磁共振成像比使用常规 磁体的磁共振成像还有如下优点：重量轻，磁场稳定性好；磁场强度大，如中心磁场， 前者约为后者的 6倍；成像更为清晰等．由于超导磁共振成像的一系列优点，所以用 它来诊断的病症范围将大幅度扩展，超导磁体共振成像可用于早期诊断肿瘤、脑髓及 心血管疾患，并可用于测量血流、监控医疗过程，还能了解人体的新陈代谢．

　　70年代后期，美国首先推出磁共振成像样机并试用于临床，到80年代，磁共振成 像迅速发展为商品化生产，至今世界上约有 700多台磁共振成像仪，产品生产主要集中于美国和德国，美国约占70%，磁体类型中，超导磁体占了全部产品的95%左右． 超导磁分离，是根据种种物质磁性和密度的差异进行分选的一种方法．由于磁杯 不同的颗粒在磁分离装置的分选空间中受到磁力、机械力不同的作用，将沿不同路径 运动，从而可分别接取磁性产品和非磁性产品． 超导磁体具有不可比拟的低耗能特点，这些都大大降低了分离装置的运行成本， 虽然初始投资略高于常规磁体，但运行成本非常低，预计可降低90%以上．

　　超导贮能与其他贮能技术相比有许多优点，贮能密度大，贮能效率高(90%～95%)， 释放能时没有效率损失． 超导贮能技术有许多重要用途，它在节约电能、提高电网稳定性和调节电力系统 尖峰负荷方面有重要作用；它还可作为宇宙站的电源，也可作为受控热核反应、激光 武器、粒子束武器和电磁轨道炮等的脉冲电源． 将常规发电机的转子以超导线圈替代则形成超导同步发电机．超导发电机与常规 发电机相比，具有以下优点：机械与通风损耗少，虽然增加了冷却系统的功率损耗， 但整个发电系统的损耗只是常规发电机的一半儿，使超导发电机的效率提高0.5%～0. 8%(常规发电机效率98%，超导发电机效率99%)． 超导发电机的体积小、重量轻，只有常规发电机的1/3～1/2，同步电抗小，稳定 性好．由于省去了铁芯，降低了电枢绕组对地绝缘的要求，因此可采取电枢绕组，省去升压变压器，可直接投入已有电网运行．

　　国际上认为，超导同步发电机是未来电站的主力，并争相开展研制工作．已研制 完成的最大容量的为前苏联和法国的30万千瓦发电机．美国和日本并不急于开发百万 千瓦级的发电机，他们已研制完成的发电机容量分别为3万千瓦和5万千瓦．日本计划 研制国内最大的20万千瓦的发电机． 发电站的容量随着电力需求的增长而增长，因此，大功率、长距离、低损耗的输 电技术对提高输电的经济效益是十分重要的，而超导体具有零电阻的特性，可以输送 极大的电流和功率而没有电功率损耗，因此超导输电系统必将带来大的改观．

　　当今世界，提高陆路交通工具的速度对促进国家经济发展和改善人们生活质量是十分重要的．传统的铁路车辆由于车轮和铁轨磨损严重，以及车轮与铁轨的摩擦力，限制了车速．这种机车目前设计速度最高可达274公里/小时，运行平均速度为209公 里/小时，在本世纪 60年代，法国、英国和美国又生产出有轨的气垫机车，城市间运 行速度可达160公里/小时．然而，由于人们对磁悬浮兴趣的增长，现在气垫机车的发展已陷于停顿状态．

　　日本人设计一种电动悬挂系统，该系统使用了由液氦冷却的 (－269℃)铌等超导 物质做成的超导磁体，在 －296℃下它的电阻为零，利用超导磁体的排斥力，从而使 轨道与列车之间形成10～15厘米的空隙．一个小型示范性模型列车创造了517公里/小时的世界记录，其试验轨道长6.5公里，使用的超导材料是NbTi，在液氦下冷却到5K． 磁悬浮列车与传统列车相比有一系列的优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运行克服了恶劣气候(如：雨、雪或冰)的障碍；采用非接触运行，没有机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，大大提高了系统的可靠性；由于只用电能， 对于石油供应紧张的国家更有意义；可节省能源． 1人公里消耗能源只是飞机或汽车 的 1/4；速度极大提高，增加了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度地降 低了噪声和振动，有利于保护环境．

　　粒子加速器是研究宇宙和物质基本问题的主要设备，美国在加速器的建造方面走在世界最前列．随着超导体技术的发展，在1988年美国国家科学基金会批准了建造至 今为止功能最强的粒子加速器——超级超导对撞机(SSC)计划，3年财政预算达32亿美 元．计划1999年将超级超导对撞机投入运行．超级超导对撞机相当庞大，在地下铺设 了长度为53英里的环形管道．超级超导对撞机将把相向的两个质子束加速到光速的99 .9% 以上的速度，超导磁体使质子束弯曲和聚焦以通过弯曲的路径，超导磁体要比普 通铁磁体生产更强的磁场，使质子束行进的曲率半径更小，这样就使环形管道的尺寸小型化．

　　自1962年发现约瑟夫逊效应后，直流超导量子器件和射频超导量子器件相继于19 64年和1967年问世．由超导量子干涉器件构成的测量仪器具有很高的磁场灵敏度、很宽的动态范围和优良的频率响应特性，所以有广泛的用途．利用超导量子干涉器件可 以测出由人的心脏和脑产生的极微弱的信号，也可以测出由潜入海洋的潜艇产生的对 地球磁场的干扰或含油和矿床的地质层中的磁场分布． 从1964年以来，研究工作者已将超导量子干涉器件的极高灵敏度用于进行广泛的 科学研究．它可以测量极小的电压、电流和电阻；可用于寻找油田和地热能源；研究 地震活动；侦察潜艇等．斯坦福大学的科学家用连到 5吨重铝棒上的超导量子干涉器 件来寻找万有引力辐射线．超导量子干涉器件的用途极为广泛，几乎所有使用超导体 的电子仪器都涉及到超导量子干涉器件．随着超导技术的发展，超导量子干涉器件的 应用必然不断地扩大． 许多科学家坚信，未来的超大容量快速计算机一定会用到超导的，也就是使用约 瑟夫逊元件的超高速计算机．前面已经谈过，所谓约瑟夫逊效应就是把两个超导体材料靠得非常紧、离得非常近时，即使它们之间的物质是绝缘的也会有电流流过．可以 简单地讲，运用这个效应的器件就叫做约瑟夫逊元件．通过调节两块超导体间的绝缘 层的厚薄，可以使其电压比某一特定值大时才有电流通过，小时则没有．约瑟夫逊元 件就是利用了这一现象． 这种现象与半导体的二极管是相同的，所以可以用于计算机．但是，约瑟夫逊器 件具有极高的开关速度(是硅器件的 10～100倍)和低功耗(只有硅的千分之一以下)， 因此发热量极小，可以实现体积小、高密集度．例如，日本电气公司开发出了使用约 瑟夫逊元件的新的逻辑电路，其门开关速度达到一万亿分之一秒．

　　此外，超导还可以在辐射探测仪、模拟信号处理器、超导磁屏蔽、电压基准等方面广泛应用．

　　在国防系统方面，超导技术在军事上也可大显身手．在弱电方面，用于水下通信、 潜艇探测、遥感、扫雷等；制成高频微波器件、红外探测器，用于雷达、微波通信及 地面卫星接收机；超导天线及馈线系统，用于导弹和卫星；数字信号和数据处理器等． 在强电方面，主要是利用高电流密度超导材料所产生的强磁场及超导储能线圈可以存 储大量能量的特性作为武器的能源，这样可以减少储能设备的尺寸和重量．美国的“ 星球大战”计划中投入5000万美元进行这方面的研究．研究中使用的低温超导磁体， 估计其储能密度相当高，在微微秒时间内释放出来． 超导强磁体用于舰船推进系统．美国已用低温超导材料制造出试验性的3兆瓦直流电机，用于舰船推进系统并在海中进行了试验．该电机比相同功率传统空冷电机小 33 %．实际上，利用低温超导材料及当前的技术可以使电机的重量进一步减小，例如一台具有3万千瓦的超导单极直流电机仅为现在同样功率的交流电机重量的四分之一． 美国正在研制这类规模的超导电机，日本也在进行小模型的试验研究． 超导电子轨道炮．美国的“星球大战”计划组织支持了该项技术的研究．轨道炮 技术是作为射弹加速器来使用的，它能使抛射物达到极高的速度．这种抛射系统不同 于化学推进系统，前者可达到的末端点的速度不受气体膨胀速度限制而由行进的电磁 脉冲的速度决定，因此可达到很高的速度． 高温超导的应用大多是低温超导应用的延伸，即当前已实用的或可预见年份实用 的低温超导设备与器件中的低温超导材料用高温超导材料替代，以降低成本，扩大超导的应用范围．但高温超导应用遇到的问题较多，现在仍是物理学前沿阵地的富有挑 战性的研究课题．