Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Однако не все оказалось так просто. Дело в том, что при протекании тока на вихри, сквозь которые в сверхпроводник проникает магнитное поле, действует сила Ампера в направлении, перпендикулярном и магнитному полю, и току. В результате вся решетка вихрей Абрикосова начинает двигаться. Произведение вектора силы Ампера на вектор перемещения вихря дает работу. Таким образом, движение решетки вихрей происходит с рассеиванием энергии, и снова электрическое сопротивление, уже сверхпроводящей катушки, становится отличным от нуля!

К счастью, движению вихрей можно препятствовать. Для этого достаточно, чтобы в сверхпроводнике содержались микроскопические дефекты. Как правило, они спонтанно возникают в результате термической обработки, при изготовлении сверхпроводящего сплава (илл. 7). Одиночные вихри «зацепляются» за эти дефекты, и вместе с ними останавливается движение всей решетки абрикосовских вихрей. Понятно, что такой механизм не может противостоять любой по величине силе Ампера, однако, пока сила тока не превышает определенного критического значения, электрическое сопротивление сверхпроводящего провода остается равным нулю. Это явление называют пиннингом (от англ. pinning – «закрепление», «пришпиливание»): вихри как бы оказываются «закрепленными» на дефектах. Обычно дефекты вредят, но в данном случае они помогают! Тем не менее наличие дефектов, как будет показано далее, играет и отрицательную роль.

Благодаря явлению пиннинга многие сверхпроводники II рода используются для создания сильных магнитных полей. Это, например, олово-ниобиевый сплав, в котором можно достигать плотности тока вплоть до 10 5A∙см –2(сравните эту величину с несколькими сотнями ампер на квадратный сантиметр для меди). При этом верхнее критическое поле B к2 для этого сплава при низких температурах составляет 25 Тл.

7. Олово-ниобиевый кабель (Nb 3 Sn), состоящий из множества сверхпроводящих нитей, помещенных в медную матрицу. Его диаметр составляет около 4 см. Через полое пространство в центре кабеля проходит охлаждающий его жидкий гелий. По кабелю передается ток 68 кА

Для получения сильных магнитных полей создание сплава с подходящими критическими параметрами необходимо, но недостаточно. Из него еще нужно изготовить кабель! Олово-ниобиевый сплав хрупок, и сделанный из него кабель ломается при малейшем скручивании. Эта проблема была решена путем заполнения медной трубки порошкообразной смесью ниобия и олова. Затем эту трубку растягивают (проволакивают) таким образом, чтобы получить провод, который после этого нагревают. Порошок, плавясь, дает желаемый сплав олова и ниобия. Описанный процесс лежит в основе создания так называемых композитных сверхпроводников. Их получают, просверливая в медной матрице параллельные каналы и вставляя в них сверхпроводящие волокна. Матрица подвергается процедуре волочения, и полученный провод в свою очередь снова вставляется в отверстия следующей матрицы и т. д. Повторив эту процедуру несколько раз, получают кабель, содержащий миллионы сверхпроводящих волокон (илл. 8). Например, в катушке, используемой для международного экспериментального термоядерного реактора ITER (о котором будет рассказано ниже), каждый сверхпроводящий кабель состоит из 900 сверхпроводящих волокон, изготовленных из олово-ниобиевого сплава Nb 3 Sn и 522 медных нитей диаметром 0,8 мм, которые делятся на шесть «лепестков». Каждое из сверхпроводящих волокон состоит из примерно 9000 нитей Nb 3 Sn диаметром несколько микрометров, утопленных в медной матрице. Общее количество нитей в кабеле превышает 8 млн. Конечно, то же самое можно проделать с любым другим сплавом, например ниобиево-титановым сплавом NbTi, более распространенным и менее дорогостоящим, чем сплав Nb 3 Sn.

Для чего же сочетают медные и сверхпроводящие нити? Дело в том, что использование кабеля, состоящего из чистого сверхпроводника, рискованно. Сверхпроводимость может неожиданно в каком-то месте исчезнуть, например, из-за добавленных для пиннинга вихрей дефектов. При этом соответствующий участок кабеля под воздействием протекающего через него сильнейшего тока быстро нагревается, и если выделяющееся тепло не будет вовремя отведено, то весь кабель может целиком перейти в нормальное состояние. Это приведет к катастрофическим последствиям: от серьезного повреждения кабеля до разрушения близлежащих объектов. Наличие меди, хорошего проводника тепла, предотвращает такую катастрофу.