Введение

ВВЕДЕНИЕ

После открытия ВТСП материалов (1986 г.) в СССР была принята Государственная научно-техническая программа "Высокотемпературная сверхпроводимость", были выделены дополнительные средства для развития исследований и разработок по ВТСП, и впервые в практике финансирования науки в стране был применен принцип конкурсного отбора работ (система грантов). Диапазон исследований был существенно расширен. Все это позволяло сохранять лидерство в этой научно-технической области до начала 90-х годов. После развала Советского Союза финансирование Программы было сокращено более чем в 150 раз, что в первую очередь затруднило проведение прикладных исследований как наиболее ресурсоемких.

Тем не менее, в России сохранился довольно высокий уровень исследований и разработок по сверхпроводимости. Достаточно активно работают ведущие научно-инженерные коллективы, использующие уникальные экспериментально-стендовые базы. В Минатоме сохранено опытно-промышленное производство НТСП и ВТСП технических материалов. Именно это позволяет России в современных условиях оставаться одним из участников таких престижных международных проектов, как международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER) и сверхпроводниковый ускоритель "Большой адронный коллайдер" (LHD). "Сверхпроводниковое" сообщество России активно привлекается зарубежными партнерами к выполнению исследований и разработок по контрактам, в том числе, и с ведущими научными центрами и лабораториями США и Западной Европы.

Как и в ведущих странах мира, в результате развития фундаментальных и прикладных исследований по сверхпроводимости в России разработаны многочисленные конструкции сверхпроводящих токонесущих элементов для гелиевого и азотного уровней температур. В промышленности переход от низкотемпературных сверхпроводников к высокотемпературным несет в себе возможность повышения рабочих температур сверхпроводящих устройств вплоть до азотных, замены жидкого гелия на жидкий азот, очевидное упрощение системы криостатирования и сокращение в сотни раз связанных с этим эксплуатационных расходов. Кроме того, ВТСП - устройство более устойчиво к внешним возмущениям, а криогенная система азотного уровня более надежна в эксплуатации. Важным положительным фактором, позволяющим существенно упростить конструкцию высоковольтной изоляции, является высокая диэлектрическая прочность жидкого азота, сравнимая с диэлектрической прочностью трансформаторного масла.

Необходимость криостатирования сверхпроводникового оборудования создает благоприятные возможности для повышения его надежности. При криогенных температурах не возникают температурные градиенты, и соответствующие термомеханические напряжения (в медных обмотках градиенты температуры достигают 80 – 100К), практически отсутствует старение высоковольтной изоляции. Поскольку сверхпроводниковые устройства часто функционируют в сочетании с полупроводниковыми преобразователями, то можно улучшить рабочие параметры последних при температурах, близких к азотным, расположив оба устройства в едином криостатируемом объеме.

Таковы многообещающие перспективы практического использования сильноточных сверхпроводниковых технологий, связанные с изменением одной из основных составляющих этой технологии – переходом от низкотемпературных к высокотемпературным сверхпроводникам. Но за прошедшие годы и вторая их составляющая – криогенная техника не стояла на месте. Может быть, наиболее яркой демонстрацией этого прогресса служат системы (локальные или автономные) криостатирования с широким спектром температур, начиная с гелиевых. Разработаны компактные микроохладители, обладающие большим ресурсом безостановочной работы, их надежность приближается к надежности домашнего холодильника. Именно успехи в криогенной технике сделали возможным широкое (около 15 тыс. установок) распространение в клиниках магниторезонансных томографов с магнитами гелиевого уровня температур, привели к созданию первых промышленных сверхпроводниковых магнитных сепараторов и малых сверхпроводниковых накопителей энергии для бесперебойного снабжения ответственных потребителей.

Сильноточные сверхпроводниковые технологии ныне вышли на уровень, который дает возможность создания нового поколения электроэнергетического оборудования, существенно превосходящего оборудование традиционного (резистивного) исполнения за счет более высокой эффективности. Вполне реально уменьшить в два-три раза массогабаритные показатели и, соответственно, материалоемкость и энергозатраты на изготовление, повысить надежность и срок службы, создать энергосистемы с качественно новыми характеристиками, приемлемыми для электроэнергетики XXI столетия. Необходимо отметить экологическую безупречность сверхпроводникового электрооборудования, при меньшей капитальной стоимости в массовом производстве и цене сверхпроводника, не превышающей 20 долл. за 1 кА×м.

Основными задачами исследований и разработок по сильноточной сверхпроводимости являются:

·  развитие научных основ технологии ВТСП-материалов с высокими эксплуатационными параметрами;

·  исследования и разработки по совершенствованию конструкций, параметров и технологии длинномерных промышленных проводов и массивных изделий из сверхпроводников с высокими токонесущими способностями;

·  изучение электродинамики материалов и устройств и развитие принципов их конструирования для расширения областей их применения;

·  исследования и разработки по созданию сверхпроводящих магнитных систем и сверхпроводникового оборудования нового поколения, превышающего по своим техническим и экологическим показателям оборудование традиционного исполнения для нужд различных отраслей промышленности, военной техники, медицины и науки, включающих в себя разработку конструкций ВТСП электромоторов мощностью десятки кВт, токоограничителей, линий электропередач, токовводов и накопителей энергии.

Исследования в области слаботочной сверхпроводимости имеют как фундаментальный, так и прикладной аспект и концентрируются, в основном, в следующих направлениях:

·  пассивные элементы для СВЧ электроники (фильтры, резонаторы, переключатели, ограничители, фазовращатели);

·  пассивные приемные устройства (болометры);

·  эффект Джозефсона и активные сверхпроводящие устройства на основе джозефсоновских контактов.

В России, на настоящий момент, фактически по каждому из перечисленных выше направлений созданы замкнутые технологические циклы, позволяющие на основе развитой технологической базы и разработанных методов проектирования изготавливать макеты приборов и прототипы устройств, нацеленных на конкретные применения. Широкое применение устройств на основе ВТСП сдерживается вследствие нерешенности целого ряда фундаментальных проблем. Основные трудности в изготовлении устройств лежат в области технологии, поскольку вследствие малости длины когерентности ВТСП материалов проблема получения и исследования воспроизводимых по своим параметрам объектов требует детального развития технологии роста эпитаксиальных ВТСП пленок и многослойных структур, методов их структурирования и контроля свойств границ на атомарном уровне. Ряд из этих проблем был успешно решен. Решение технологических задач позволило проводить фундаментальные, экспериментальные и теоретические исследования, направленные на изучение механизмов транспорта нормального и сверхпроводящего токов в изучаемых структурах и изготовить на ростовых бикристаллических подложках квантовые интерферометры, с рекордными для 77 К параметрами. Более того, эти интерферометры были успешно использованы при разработке и конструировании устройств для визуализации магнитного потока ВТСП - сканеров, ВТСП - магнитометров, ВТСП систем для биомедицинских исследований, ВТСП устройств для приема сверхслабых сигналов. Были также спроектированы и экспериментально созданы совместно с Центром ядерных исследований в г. Юлихе (Германия) простейшие ВТСП цифровые микросхемы на базе быстрой одноквантовой логики. Продемонстрирована работоспособность устройств в области температур 10-50 К.

Созданные ВТСП микросхемы семейства быстрой одноквантовой логики фактически являются первыми в мире цифровыми ВТСП устройствами. Разработанные методы их проектирования и оптимизации легко обобщаются на микросхемы большего уровня интеграции. Прогресс в этом направлении сдерживается трудностями изготовления массивов джозефсоновских переходов с воспроизводимыми параметрами. Именно на их преодолении и концентрируются в настоящее время основные усилия сотрудников отечественных лабораторий. Разработка интегральных приемников мм и субмм диапазона является одним из перспективных направлений в электронике, где ученым России принадлежат ведущие позиции.

Существенный прорыв в использовании сверхпроводниковых технологий возможен в результате использования сверхпроводниковых усилителей для базовых станций мобильной телефонной связи. Рынок мобильных телефонов переживает сейчас период взрывного роста. В настоящее время используется более миллиарда мобильных телефонных аппаратов и более полумиллиона базовых приемопередающих станций, покрывающих большую часть территории Европы, Америки, Юго-Восточной Азии. Для повышения площади, покрываемой одной станцией, необходимо увеличить чувствительность входных усилителей и уменьшить шумы вне полосы сигнала. Обе задачи могут быть решены при использовании сверхпроводниковых компонентов. Криогенный блок, содержащий сверхпроводниковые компоненты, позволяет значительно уменьшить шумы и наводки, увеличивает емкость каналов в условиях города и существенно расширяет площади покрытия в сельской местности.

Чувствительность базовых станций может быть значительно улучшена с использованием криогенного усилителя на сверхпроводящих квантовых интерферометрах (сквидах). Такой усилитель может быть изготовлен из того же сверхпроводникового материала, что и сверхпроводящий входной фильтр и может быть легко интегрирован с ним, значительно улучшив параметры всей системы. Такой криогенный входной блок может быть дополнен быстрым сверхпроводниковым АЦП. Лидерами в разработке и создании, как усилителей, так и АЦП, являются Институт радиотехники и электроники РАН и МГУ. Они достигли наименьших значений шумовой температуры сквид усилителя в гигагерцовом диапазоне частот, как с использованием традиционных сверхпроводников (ниобий), так и высокотемпературных сверхпроводников. При устойчивом финансирования этих работ из отечественных источников можно рассчитывать на создание полностью сверхпроводникового криогенного блока базовых станций сотовой связи с параметрами, существенно превышающими имеющиеся в настоящее время на зарубежном рынке.

Несмотря на достаточно прочные позиции, занимаемые российскими научными коллективами в сверхпроводниковой электронике, их лидирующее положение в Европе начинает постепенно утрачиваться. Недостаточность финансирования работ ведет как к серьезному сдерживанию развития технологической базы исследований, так и к фактическому переносу их центра из России в зарубежные страны, где ведущие сотрудники лабораторий вынуждены проводить все большую часть своего времени. Последнее обстоятельство вызвано не только материальным положением ученых, но, зачастую, невозможностью реализации отечественных разработок на быстро морально и физически стареющей отечественной материальной базе.

В области физических исследований по сверхпроводимости активно ведутся фундаментальные работы, публикующиеся в ведущих российских и зарубежных научных журналах. За 2002 год направлены в печать более 120 работ, сделано около 70 докладов на Российских и Международных конференциях. Следует отметить, что работы выполнены на высоком теоретическом и экспериментальном уровне, соответствующем мировому. Необходимо отметить новизну и оригинальность подходов к решению различных научных и прикладных проблем. Результаты, полученные при изучении вихревых структур, транспортных и высокочастотных свойств в магнитных полях, закладывают базу для поиска оптимальных решений при разработке сильноточных конструкций и высокочастотных приборов. Разностороннее изучение эффекта Джозефсона дает возможность адекватно описывать динамическое и диссипативное поведение сверхпроводников и искусственно приготовленных сверхпроводящих структур и использовать эти системы в сверхпроводниковой электронике и СВЧ-технике.

Одновременно с разработкой новых технологий изготовления технических сверхпроводников проводится изучение электродинамики сверхпроводников, что является основой разработки сверхпроводящих материалов для различных приложений и методов расчета конкретных сверхпроводящих устройств. Фундаментальные исследования электродинамики ВТСП ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Пока нет полного количественного понимания тех механизмов, которые формируют токонесущую способность и вольтамперные характеристики ВТСП. До конца не ясны влияния температурных флуктуаций и анизотропии свойств ВТСП на величину критического тока. Экспериментально обнаружен ряд электродинамических и тепловых неустойчивостей вихревого состояния в ВТСП (макротурбулентность, дендритная неустойчивость, коллапс намагниченности, различные типы плавления вихревой решетки, термический депиннинг). Требует выяснения роль этих неустойчивостей в формировании токонесущей способности ВТСП, потерь и шумов в них. В настоящее время изучаются механизмы развития термомагнитных неустойчивостей и распространения нормальной зоны в ВТСП. Оказалось, что данные явления для ВТСП и НТСП существенно отличаются. Различные процессы достаточно хорошо изучены для коротких ВТСП образцов (пленки, короткие проволоки, катушки малого размера) и для этих систем может быть проведен расчет условий стабильной работы и динамики перехода в нормальное состояние. Вместе с тем они практически не изучены для больших (по сравнению с характерными тепловыми и электродинамическими масштабами) образцов ВТСП и достаточно крупных ВТСП устройств.

Интенсивно ведутся работы в области химии ВТСП сверхпроводников. Выполнены фундаментальные исследования и технологические разработки, направленные на синтез новых сверхпроводящих фаз и оптимизацию условий их синтеза, а также на расширение представлений о физико-химических процессах, сопутствующих получению текстурированной крупнокристаллической керамики с требуемыми для конкретных применений микроструктурой и электромагнитными параметрами, а также монокристаллов и химических методов (МОCVD) получения тонких пленок ВТСП и многослойных структур с участием сверхпроводников, в том числе токонесущих элементов.

Проведены исследования по поиску, синтезу и исследованию физико-химических свойств новых соединений с высокотемпературной сверхпроводимостью и систем на их основе, в том числе:

·  изучены фундаментальные связи «состав - структура - свойство» и их использование для осуществления направленного синтеза новых поколений ВТСП и выяснение роли состава, структурных факторов и условий синтеза в возникновении ВТСП;

·  получена фундаментальная физико-химическая информация о системах, образованных компонентами сверхпроводящих материалов, включающая результаты изучения новых и уточнение уже исследованных фазовых диаграмм, равновесных условий образования СП-фаз, их катионной и кислородной нестехиометрии, термодинамических и структурных параметров, оптимизации условий термообработки.

Разработаны физико-химические основы технологии получения монокристаллов, порошков, керамик и пленок на основе ВТСП, в том числе:

·  создана технология получения сверхпроводящей керамики с микроструктурой, обеспечивающей наилучшие механические и электрофизические параметры, в первую очередь критический ток и его стабильность в высоких магнитных полях;

·  получены текстурированные керамические материалы с использованием новых вариантов расплавных технологий, проведено изучение и оптимизация межкристаллитных контактов в сверхпроводящей керамике;

·  разработаны методы получения монокристаллов и получены монокристаллы Y-123, Bi-2212 и Nd-201 ВТСП высокого качества;

·  создана экономичная технология извлечения щелочноземельных элементов из различных видов минерального сырья с целью обеспечения производств СП-материалов;

·  разработаны новые методы контроля и диагностики основного и примесного состава СП-материалов;

·  разработаны технологии получения сверхпроводящих пленочных материалов для криоэлектроники и электротехники больших токов, в первую очередь на основе методов химического осаждения из газовой фазы (включая получение новых летучих соединений и изучение их термической устойчивости и летучести) на металлические подложки, получены многослойные структуры с применением сверхпроводников;

·  проведен поиск новых, эффективных оксидных и металлических подложечных материалов, разработана технология нанесения буферных подслоев, изучено взаимодействие сверхпроводящих пленок с материалами подложек и изолирующими слоями.