XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

В последние годы происходит интенсивное использование кри­огенных температур в различных областях техники. Криогеника позволяет по-новому решать задачи в таких традиционных обла­стях, как связь, радиотехника, оптоэлектроника, фотоника. Глубокое охлаждение и явление сверхпроводимости являются чрезвычайно эффективны­ми для дальнейшего улучшения характеристик кабельных линий связи и придания им новых свойств, таких как низкое затухание, полная электромагнитная защищенность, экстремально низкие те­пловые шумы.

Сверхпроводящие коаксиальные миниатюрные линии исследо­вались с 1960 г. Вначале рассматривалось их применение в широкополосных линиях задержки, запоминающих устройствах ЭВМ, рециркуляторах импульсов. И лишь с 1970 г. нача­лось изучение возможностей использования сверхпроводящих ли­ний в системах связи. Работы начались примерно одно­временно в СССР и Японии, а затем — в ФРГ и Франции. В двух последних странах проводились только расчетно-теоретические ис­следования и компьютерное моделирование.

Разработки в промышленно развитых странах сверхпроводя­щих линий электропередачи (СП ЛЭП) до недавнего времени за­трагивали только вопросы передачи энергии. Большая техническая сложность СП ЛЭП заключается в том, что помимо пе­редачи электрической энергии необходимо обеспечить прокачку хладоагента, поддержание высокого вакуума на всем протяжении линии, передачу больших потоков информации для управления, при одновременном повышении надежности энергосистемы в целом.

Есть два пути передачи информации: либо на каждом неболь­шом участке выводить данные из криогенной оболочки наружу, в теплую зону, и уже затем передавать их по отдельной линии связи, либо передавать ее внутри криогенной оболочки. Для кабеля связи, размещаемого в криогенной оболочке, могут быть исполь­зованы миниатюрные сверхпроводящие коаксиальные пары, по­зволяющие передавать мощные сигнальные потоки в СП ЛЭП.

Кроме передачи «собственной» информации, необходимой для нормального функционирования энергосистемы, сверхпроводящие пары, проложенные внутри оболочки, охлажденной до криогенных температур, могут быть ис­пользованы для образования огромного числа каналов связи общего назначения. В результате СП ЛЭП может быть превращена в комплексную энергетически-информационную линию передачи. Представляет интерес и промежуточное решение, когда сверхпро­водящий кабель связи прокладывается рядом, в одной траншее с силовым сверхпроводящим кабелем, и оба они «питаются» от об­щих криогенных станций.

До сих пор ведутся работы по созданию и внедрению сверхпроводящего энер­гетически-информационного кабеля, состоящего из силового и свя­зного кабелей, находящихся в общей криогенной оболочке. В 1974 г. была испытана первая модель сверхпроводящей коаксиальной линии связи, предназначенной для размещения сверхпроводящей ЛЭП в криогенной оболочке. В 1975—1977 гг. изготовлен первый опытный образец энергетически-информационного сверхпроводящего кабеля (ГСПК-50) длиной 50 м. Он был сделан следующим образом. На сверхпроводящий силовой кабель были уложены три высокочастотные сверхпроводящие пары (кабель связи): две для связи и одна для телеметрии. Затем на комбинированный (силовой и связной) сверхпроводящий кабель наложили криогенную оболочку. В 1978—1980 гг. проведены его комплексные испытания. А к 1988 разработана, изготовлена и исследована модель линии связи для опытного участка сверхпроводящей ЛЭП длиной 1 км. Наряду с малыми сопротивлением и затуханием сверхпроводники при низких температурах обладают еще таким замечательным свойством, как полное экранирование электромагнитного поля. Это обусловлено тем, что в режиме сверхпроводимости поле в толщу металла почти не проникает. Кроме того, при низких температурах существенно снижаются потери в диэлектрике, в силу чего ЭМ энергия по такому кабелю проходит с весьма малыми потерями и затуханием.

В табл. 1 представлены данные о конструктивных элементах сверхпроводящих коаксиальных пар, описанных вначале. Наибольшее разнообразие конструкций имеется у пар типа 1 (табл. 1). К этому типу относятся коаксиальные пары с волн новым сопротивлением 50 и 75 Ом, диаметром по изоляции 0,87—1,5 мм и изоляцией из фторопластов различных типов. Внешний проводник может быть выполнен в виде монолитной свинцовой трубки, сформован из свинцового листа или по­лучен напылением в вакууме; внутренний проводник— проволока из ниобия. В основном это опытные образцы, предназ­наченные для различных криоэлектронных устройств.

Второй тип пар представлен фактически одной конструкцией, но тщательно отработанной для серийного выпуска. Изоля­ция выполнена из полиэтилена или фторполимеров, а проводни­ки — из освинцованных медных материалов. К третьему типу относятся пары с волновым сопротивлением 50 и 75 Ом и изоля­цией из фторопласта Ф-4Д и Ф-4МБ. Для изготовления про­водников применены проволока и фольга из ниобия. Были использованы серийно выпускаемые материалы, но они подверга­лись обработке, сделавшей их более пригодными для работы на СВЧ. В результате получены сверхпроводящие коаксиальные пары с проводниками из ниобия и исследованы их характеристики: регулярность волнового сопротивления по длине, затухание в частотной области 0,1—16 ГГц и в температурном диапазоне 4,2— 10 К. Исследования показали пригодность этих пар для линий связи. Ниже рассмотрены характеристики описанных пар.

Таблица 1

Тип пар	Внутренний проводник	Высокочастотная изоляция	Внешний проводник	Защитная оболочка	Волновое сопротивление, Ом
1	Проволока из ниобия, 0,45 и 0,26 мм	Политетра­фторэтилен, фторэтилен-пропилен, 1,5 и 0,87 мм	Монолитная тру­бка из свинца тол­щиной 0,3—0,5 мм	Отсутствует или обмотка фторопла­стовой лентой. На­ружный диаметр 1,5—2,5 мм	50 75
2	Медная про­волока, покры­тая свинцом, 0,48 мм	Фторэтилен-пропилен, 1,58 мм	Сформованная встык трубка из медной лепты тол­щиной 0,1 мм, по­крытой свинцом	Обмотка поли­эфирной лептой. Наружный диа­метр 2 мм	50
3	Проволока из ниобия, 0,47 и 0,27 мм	Политетра­фторэтилен, фторэтиленпро-пилен, 1,5 мм	Сформованная внахлест трубка из ниобиевой фольги толщиной 0,013 мм	Оплетка из не­ржавеющей сталь­ной проволоки ди­аметром 0,1 мм, об­мотка лентой из фторопласта. На­ружный диаметр 2 мм	50 75

Первые экспериментальные образцы сверхпроводящих кабелей для линий связи были изготовлены и исследованы в Японии и СССР. Но эти кабели принципиально отличались друг от друга. В Японии разрабатывался специали­зированный сверхпроводящий кабель (СПК), в СССР — комбинированный сверхпроводящий энергетически-информационный кабель (СПЭИК).

Эффект сверхпроводимости объясняется следующим образом. Электрический ток в металле – это поток электронов через кристаллическую решетку проводника. С увеличением температуры возрастает хаотическое движение атомов решетки, происходит столкновение электронов с ними и увеличивается сопротивление проводника. При уменьшении температуры наоборот, колебание атомов решетки уменьшается, и создаются более благоприятные условия прохождения потока электронов и, наконец, при температурах, близких к абсолютному нулю, колебания практически прекращаются и проявляется эффект сверхпроводимости. Для каждого металла и сплава существует своя критическая температура перехода ТК, при которой возникает явление сверхпроводимости. Причем сверхпроводимость проявляется и исчезает довольно резко скачком при достижении критической температуры. Однако свойством сверхпроводимости обладают далеко не все металлы. Например, такие лучшие электрические проводники, как медь, серебро, золото, не становятся сверхпроводниками и во всем диапазоне температур не наблюдается резкого скачка изменения сопротивления. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель (набор проводов, изолированных и защищённых оболочкой). Кабель имеет физические разъёмы. Кроме кабеля физической средой передачи данных может быть земная атмосфера или космическая пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

Сейчас имеются большие перспективы на развитие этого направления.

С 16 по 20 сентября 2007 года в Брюсселе состоялась всеевропейская конференция EUCAS-2007 по проблемам изучения и использования явления сверхпроводимости. Состоявшуюся конференцию без преувеличения можно назвать съездом победителей. EUCAS-2007 зафиксировал очередной триумф человеческой мысли, который возможно станет ключом к решению глобальных энергетических и экологических проблем на планете в XXI веке.

Человечество стоит на пороге очередного технологического прорыва, способного перевернуть привычный всем нам мир. Масштабы новой индустриальной революции могут сравнится с тем, как изменился образ жизни людей после обнаружения замечательных свойств полупроводников.

Ученые всей земли долго бились над проблемой практического применения сверхпроводимости, и, похоже, что этот вопрос успешно разрешился. Человечество «оседлало» сверхпроводимость. Это явление все чаще используется в современной электронике, энергетике, промышленности и медицине.

Согласно данным известного в Европе консорциума Conectus, специально созданного в целях изучения и пропаганды возможностей коммерческого использования явления сверхпроводимости , международный рынок оборудования, использующего это явление к 2010 году составит 5 млрд. $ и вырастит до 38 млрд. $ к 2020 году.
На сегодняшний день основные сферы применения сверхпроводимости - это медицинские установки магнитно-резонансной терапии (именно в этих аппаратах впервые удалось эффективно использовать явление) и электроника. К 2020 году ситуация изменится. Сверхпроводимость будет широко использоваться в энергетике, промышленности, на транспорте и гораздо шире в медицине и электронике.

Выделяют три больших области использования сверхпроводников:

· различные материалы: пленочные проводники, сверхпроводящие магниты и пр.;

· микротехника: микроволновые устройства, сверхчувствительные системы обнаружения магнитных полей (SQUID), цифровая электроника, искусственные биологические системы;

· макротехника: силовые кабели, электрические системы и сети, генераторы и двигатели.

Потенциальная выгода от широкого использования явления сверхпроводимости 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.

Распространению сверхпроводимости , не в последнюю очередь, способствуют жесткие ограничения на выбросы парниковых газов, установленные Киотским протоколом. Например, Европа должна уменьшить выбросы газов на 8% к 2012 году по сравнению с 1990 годом. Финские ученые подсчитали, что эту задачу можно было бы выполнить при широком применении сверхпроводимости на электростанциях и в системах передачи и распределения энергии, что дало бы возможность снизить количество сжигаемого топлива, не уменьшив выработку электроэнергии. Одним словом, сверхпроводники должны найти свое широкое применение уже в ближайшем будущем и стать неотъемлемой частью мировой промышленности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Алфеев В. Н. Радиотехника низких температур. — М.: Сов. радио, 1966.-368 с.

Гроднев И. И., Левинов К. Г., Гальперович Д. Я. Сверхпроводящие ка­бельные линии связи. — Электросвязь, 1974.

Наман Н. Миниатюрные сверхпроводящие коаксиальные линии передачи. ТИИЭР, 1973.

Интернет: http://www.energyland.info.

Сверхпроводящие линии связи [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://mirznanii.com/a/122671/sverkhprovodyashchie-kabeli – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 19.12.2022)

Создание сверхпроводящие линии связи [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: http://www.kp-info.ru/images/File/2010%202%203-10.pdf – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 19.12.2022)

Классификация сверхпроводящих линий связи [Электронный реcурc]. – Режим доcтупa: https://works.doklad.ru/view/m9j2duEmVrY/all.html – зaгл. c экрaнa (дaтa обрaщения: 19.12.2022)

Код для цитирования: Скопировать