CC BY
63
МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА ИННОВАЦИОННОМУ РАЗВИТИЮ СТРАНЫ
Н. А. Севостьянова
Внедрение результатов исследований в области физики низких температур
Физика низких температур - это раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97 0С или 90,19 0К). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого - в твердое. Поэтому получение, поддержание и изучение явлений в области физики низких (криогенных) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей. В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из сжиженных газов. Техника низкотемпературного ожижения позволяет получать из воздуха чистые газы, сжижая их. Чистый кислород применяется в медицине, авиации и ракетно-космической технике, для сварки и резки стали, в доменных печах и бессемеровских конвертерах (для повышения выхода стали). Инертные газы, такие как неон и аргон, широко применяемые в электрических лампах всех видов и при электросварке, в чистом виде могут быть получены только низкотемпературными (криогенными) методами. За последние годы физика низких температур достигла огромных успехов.
При понижении температуры в свойствах веществ начинают проявляться особенности, связанные с наличием взаимодействий, которые при обычных температурах завуалированы тепловым движением атомов. При низких температурах такое движение практически подавлено, что позволяет обнаружить огромное число макроскопических явлений, имеющих квантовую природу: существование гелия в жидком состоянии вплоть до абсолютного нуля температуры (0 0К), сверхтекучесть, сверхпроводимость и др. Применение явлений, возникающих при низких температурах, велико.
Самым фундаментальным и перспективным в области физики низких температур стало открытие явления сверхпроводимости, в т. ч. высокотемпературной сверхпроводимости - резкого падения электрического сопротивления материалов при достижении ими определённой температуры, называемой критической. Потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости
338
очевидна: радикальное снижение потерь электроэнергии при ее выработке и передаче, уменьшение в разы размеров генерирующего оборудования и двигателей, создание новых электронных приборов, разработка сверхмощных электромагнитов для научных исследований и промышленности, разработка новых направлений в медицине, использование эффекта левитации на железной дороге.
В настоящее время использование явления сверхпроводимости приобретает все большее практическое значение. Сверхпроводники проводят ток практически без потерь, если поддерживать их при сверхнизких температурах, поэтому они представляют собой идеальный материал для изготовления электромагнитов. В медицине широко используется такая медико-диагностическая процедура, как электронная томография. Она проводится на сканере, использующем принцип ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сверхпроводящие электромагниты создают поле, позволяющее врачам получать высокоточные образы тканей человеческого тела в разрезе без необходимости прибегать к скальпелю.
Наиболее широкое реальное применение сверхпроводимость находит при создании крупных электромагнитных систем. Сверхпроводящие катушки используются для установок термоядерного синтеза, пузырьковых водородных камер, крупных ускорителей элементарных частиц. Явление сверхпроводимости используется при разработке турбогенераторов, трансформаторов, электродвигателей, топологических генераторов, жестких и гибких кабелей, коммутационных и токоограничивающих устройств, магнитных сепараторов, транспортных систем и др. Так как сверхпроводник не пропускает магнитный поток, т. е. экранирует электромагнитное излучение, то это используется в микроволновых устройствах при создании установок для защиты от излучения при ядерном взрыве. С помощью сверхпроводимости стало возможным создавать сверхточные измерители напряженности магнитного поля - СКВИДы размером порядка десятков и сотен микрон. С помощью СКВИДов ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела, получают магнитограммы практически от всех органов человеческого тела без непосредственного контакта. Так, удается получить магнитограмму плода беременной женщины и рано обнаружить отклонения в ритме сердца плода, назначить лечение, уменьшающее повреждение мозга ребенка и устраняющее его умственную отсталость. Кроме того, СКВИДы используются в геологии и геофизике: поиск полезных ископаемых, изучение геологического строения земной коры, прогноз землетрясений; в материаловедении: неразрушающий контроль материалов, конструкций; в военной
339
технике: обнаружение магнитных аномалий, в частности, глубинных подводных лодок; в научных исследованиях; в связи и навигации.
Наибольшее применение сверхпроводники нашли в настоящее время в области создания сильных магнитных полей. Из сверхпроводников второго рода изготавливаются разнообразные провода и кабели, используемые для изготовления обмоток сверхпроводящих магнитов, с помощью которых получают значительно более сильные поля (более 20 Тл), чем при использовании железных магнитов. Они являются и более экономичными.
Еще одно применение сверхпроводников - создание подшипников и опор без трения. На эффекте Мейснера может быть основано создание, например, новых видов транспорта на магнитной подушке, в котором будут полностью отсутствовать потери на трение о колею дороги. Комбинация полупроводниковых и сверхпроводящих приборов позволяет создать сверхбыстрые ЭВМ на переходах Джо-зефсона (нестационарный туннельный эффект в контакте сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник). Время переключения такой системы составляет около 10-12с.
В настоящее время большого внимания заслуживает использование технологии криоконсервирования генетического материала (в животноводстве), технология замедления всхожести семян и корнеплодов путем низкотемпературной обработки (растениеводство). Созданы хранилища, позволяющие длительное время сберегать части ткани, человеческие органы для трансплантации, клетки, плазму крови, криоэмбрионы, материнское молоко, спинной мозг и другие живые биологические ткани.
Для направленной терапии низких температур жидкий азот используется в дерматологических направлениях: удаление бородавок, папиллом, лечение псориаза, рожистых воспалений, опухолей кожи (базилиомы). Анестезирующие и коагулирующие свойства низких температур, их способность вызывать глубокую деструкцию опухолевой ткани применяются для лечения опухолей мозга, в оториноларингологии, офтальмологии, пульмонологии, урологии, челюстно-лицевой хирургии, для лечения рака молочной железы и шейки матки: приостановление развития опухоли, уменьшение боли, кровотечения. Криометод применяют при лечении болезни Паркинсона (разрушают отдельные участки мозга), эпилепсии, болевых синдромах головы (этот метод обладает и обезболивающим действием), при лечении тяжёлых форм невралгии тройничного нерва. Криобиопсия позволяет без тяжёлых повреждений тканей и кровопотерь произвести анализ новообразований.
340
С исследованиями в области физики низких температур связаны надежды на преодоление глобальной энергетической дилеммы, связанной с постоянным ростом энергопотребления и с необходимостью радикально сокращать выбросы углекислого газа, чтобы предотвратить изменения климата. Это решается путём создания генераторов с обмотками из сверхпроводящих материалов. В России в рамках Комиссии при Президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики России инициирован проект «Сверхпроводниковая индустрия» как часть проекта «Инновационная энергетика» по приоритетному направлению «Энергоэффективность». Российский проект по созданию сверхпроводящего кабеля, над которым работали ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ЭНИН), ОАО «ВНИИ кабельной промышленности» (ВНИИКП), МАИ и ОАО «НТЦ электроэнергетики», обеспечивает высокую токовую нагрузку, малые потери, экологическую чистоту и пожарную безопасность. Кроме того, при передаче большой мощности по такому кабелю при напряжении 10-20 кВ не требуются промежуточные подстанции.
Развитие сверхпроводниковой индустрии имеет общенациональное значение и является важной составной частью перехода на инновационный путь развития экономики страны. Для обеспечения экономической и политической независимости России стратегически необходимо иметь отечественное производство низко- и высокотемпературных сверхпроводящих материалов, сверхпроводниковых устройств и изделий на их основе.
341
