книги / Ниже 120 по Кельвину

раллельно существующим из Москвы в Крым и на Кав­

торого откачан воздух, через равные промежутки уста­ новлены сильные электромагниты. Железная платфор­ ма с пассажирами летит вперед, так как электромагни­ ты включаются последовательно друг за другом. Уче­ ный даже создал модель магнитного туннеля.

В настоящее время разрабатывается скоростной транспорт с двумя типами магнитной подвески: электро­ магнитной и электродинамической. При электромагнит­ ной подвеске вагон как бы сидит верхом на тяговом рель­ се и охватывает с боков феррорельсы (рис. 23). При по­ даче тока в катушки электромагнитов создаются силы притяжения между электромагнитами и феррорельсами, они и поднимают экипаж. Большим недостатком являет­ ся неустойчивость подвески: при малых зазорах электро­ магниты стремятся «прилипнуть» к феррорельсам, при больших вагон может опуститься на полотно. (Заметим:

141

Рис. 23. Электромагнитная подвеска поезда

устанавливается сверхпроводящий магнит, омываемый жидким гелием (рис. 24). На путевом полотне уклады­ ваются плиты из алюминия или другого проводящего металла. При движении поезда мощное магнитное поле сверхпроводящего магнита наводит в путевых плитах (их можно заменить контурами из меди или алюминия) сильные вихревые токи, их магнитное поле как бы от­ талкивает экипаж. Образуется солидный воздушный за­ зор 10—15 см — противообледенительная система в этом случае не нужна. Вертикальные составляющие от­ талкивающих плит нужны для стабилизации вагона в поперечном направлении. Однако подъемная сила и си­

пресс, подобно самолету, должен использовать колеса. Еще недостаток: вихревые токи стремятся затормозить состав. Потребуется также защита пассажиров от силь­ ных магнитных полей.

Для движения поездов используется линейный двига­ тель переменного тока. Принцип его действия такой же,

142

Рис. 24. сМекгродинпмическая подвеска поезда

как у обычной электрической машины, но статор как бы разрезан и распластан вдоль пути, а ротором является сам поезд. Если в обычной машине образуется магнит­ ное поле, которое вращается и увлекает за собой ротор, то здесь магнитная волна бежит вдоль пути и «тянете за собой ротор-экипаж. Скорость движения обеспечива­ ется регулированием частоты тока, питающего путевую трехфазную статорную обмотку. Линейный двигатель в принципе может обеспечить любую скорость движения, с его помощью можно преодолевать крутые подъемы, он не имеет вращающихся частей, бесшумен. Если исполь­ зуется синхронный линейный двигатель, то роторное по­ ле обеспечивает тот же сверхпроводящий магнит, если асинхронный, то ротор — просто кусок проводящего ме­ талла в днище вагона.

Такая система очень дорога, но зато решается очень сложная проблема снабжения токам летящего на боль­ шой скорости поезда. Дешевле обращенный линейный двигатель: в этом случае статорные обмотки размещены на экипаже, «ротором» в асинхронном варианте служит

143

просто алюминиевый рельс с подложкой из стали для уменьшения сопротивления магнитному потоку. (Этот линейный двигатель изображен на рис. 24, 25). Расчеты показывают: поезда на электромагнитной подвеске мо­ гут быть использованы в городе, на пригородных лини­ ях, для доставки пассажиров в аэропорт; на электроди­ намической подвеске — для междугороднего сообще­ ния со скоростями 400—500 км/ч.

Транспорт будущего уже приобретает черты реально­ сти на небольших опытных линиях. Под Москвой, в Ра­ менском, на эстакаде длиной 600 м испытываются экспе­ риментальные вагоны массой 14 т с электромагнитной подвеской, созданные ВНИИПИгипротрубопровод. У плотины Киевской ГЭС расположен полигон, где обка­ тываются линейные тяговые двигатели. Строится экспе­

горный курорт Цакнадзор, за 20 минут — к берегам Се­

тен и Дёрпен развил скорость 412 км/ч. Уже выполнено свыше 2 тыс. подобных «полетов». Вот некоторые дан­ ные поезда: масса 122 т, длина 54 м, пассажировместимость 196 человек. Пуск его в эксплуатацию намечен на ближайшие годы.

Электродинамическая подвеска наиболее успешно раз­

опытной линии в Миядзаке развил скорость 516 км/ч. Б начале 1987 г. на 7-километровой трассе, подвешенной на 20-<метровых опорах, испытывался поезд «Маглев» (сокращение от «магнитная левитация»). За 42 с он до­ стигает скорости 400 км/ч. Поезд будущего будет иметь 10—14 вагонов, в каждом 44 места. Движение осущест­

475 км они будут преодолевать за 66 мин, при этом за­ траты энергии уменьшатся в 5 «раз по сравнению с авиа­ ционными перевозками. Провозная способность —

144

ропорт. Поезд на электромагнитной подвеске, разрабо­ танный авиакомпанией ДЖАЛ, парит на высоте 2 мм над поверхностью. Он демонстрировался на всемирных выставках «ЭКОПО-85» в Цукубе (Япония) и на «ЭКСПО-86» «Человек в движении» в Ванкувере (Кана­ да). На последней выставке около японского павильона была сооружена 450-метровая трасса. 40-местный поездвагон развивал скорость 40 км/ч.

Энтузиасты утверждают: поезда на магнитной под­ веске самые безопасные, так как состав движется без пересечений с другими видами транспорта и охватывает путевую структуру, не потребляют дефицитное жидкое топливо, экономно расходуют энергию, не зависят от погоды, не шумят, не вибрируют, в них нет подвижных и потому быстроизнашивающихся частей, им не нужна смазка, путь является «вечным», не нужна большая по­ лоса отчуждения, стоимость в 2 раза дешевле, чем мет­ ро, эстакады прекрасно вписываются в любой пейзаж.

Более трезвомыслящие инженеры возражают: нуж­ ны огромные капитальные затраты на сооружение эста­ кад, станций, депо, устройств сигнализации и связи, на энергоснабжение.

Как бы то ни было, уже не за горами время, когда, возможно, появится броская реклама, вынесенная в за­ головок этого раздела.

ТАКИЕ УНИКАЛЬНЫЕ СКВНДы

Февраль 1983 г. Во Дворце культуры Института атомной энергии имени И. В. Курчатова отмечалось восьмидесятилетие известного советского ученого триж­ ды Героя Социалистического Труда А. П. Александрова. Сотрудники разыграли веселый спектакль «Легенды, бы­ лины и анекдоты об А. П.». Но что это? Со сцены на А. П. Александрова, сидящего в первом ряду, направ­ ляется труба со СКВИДом (сокращение по первым бук-

вам английского названия — «сверхпроводящее кванто­ вое интерференционное устройство»). Улавливаются магнитные поля сердца и мозга ученого и после обработки ЭВМ печатает данные о юбиляре: «Александров Ана­ толий Петрович, должность — директор, хобби — пре­ зидент АН СССР, медицинские противопоказания — прыжки с шестом». И даже его мысли: «И кой черт придумали эти юбилеи».

Не будем мистифицировать читателя, отделим шутку от научной истины. СКВИД действительно с расстояния нескольких метров снял информацию и построил магнитокардиограмму и магнитоэнцефалограмму ученого.

Как работает СКВИД? Чтобы познакомиться с прин­ ципом его действия, надо знать некоторые свойства сверхпроводников.

Если поместить кольцо из сверхпроводника во внеш­ нее магнитное поле, а потом охладить кольцо до темпе­ ратуры ниже критической и снять это магнитное поле, то в цепи по закону Фарадея будет наведена ЭДС, по­ явится ток. Поскольку кольцо стало сверхпроводящим, то и ток будет сверхпроводящим.' Возникший магнитный поток окажется как бы «замороженным» в кольце. Один из создателей теории сверхпроводимости Ф. Лондон з 1950 г. показал, что магнитный поток при этом не может иметь произвольное значение, а равен целому числу квантов. (Магнитное поле, так же как и другие физиче­ ские поля, квантуется, то есть может быть раздроблено

природу и меняется скачками. Квант магнитного потока равен 2,07• 10“п Т-см2.

В 1961 г. квантование магнитного потока было дока­ зано опытным путем.

Годом позже случилось необычное в истории науки: аспирант Кембриджского университета Брайан Джозефсон «на кончике пера» открыл два эффекта, которые ста­ ли называться его именем и принесли автору лавры лау­ реата Нобелевской премии.

Стационарный эффект Джозефсона: если два сверх­ проводника разделить очень тонкой пленкой изолятора (1,5—4 )-10”9 м), то при отсутствии напряжения течет, «туннелирует» сверхпроводящий ток. (Заметим для срав­

146

нения — в обычных электрических цепях ничего подоб­ ного не происходит. Если имеется изолирующий участок, то тока нет, даже если есть напряжение. При повыше­ нии напряжения наступает электрический пробой изоля­ тора.) «Слабую сверхпроводимость» можно создать не только изоляционной пленкой, но и точечным контактом, тонкопленочным сужением, просто слабым касанием двух сверхпроводников и другими способами. Б. Джозефсон предсказал, что критический ток через переход будет причудливым образом зависеть от внешнего магнитного потока.

Нестационарный эффект Джозефсона: если к перехо­ ду со слабой сверхпроводимостью приложить постоянное напряжение, то избыток энергии электроны отдают в ви­ де излучения на весьма высоких частотах. Чем больше приложенное напряжение, тем выше частота электро­ магнитных колебаний.

Американские физики вскоре экспериментально поцтвердили стационарный эффект Джозефсона. В 1964 г. ученые из Харькова — в будущем лауреаты Ленинской премии И. М. Дмитриенко, В. М. Свистунов, И. К. Янсон — сумели первыми доказать существование и друго­ го эффекта Джозефсона. Эксперимент был необычным: удалось уловить мощность излучения всего 10"и Вт.

Эффекты Джозефсона очень быстро стали использо­ ваться на практике. Так, на основе нестационарного эф­ фекта Джозефсона создаются генераторы СВЧ с пере­ стройкой частоты с помощью напряжения.

В 1964 г. Р. Яклевицем, Дж. Лембом, А. Силвером, Дж. Мерсеро был создан первый СКВИД. В основе при­ бора — сверхпроводящее кольцо с контактами Джозеф­ сона, входная и выходная аппаратура. При каждом из­ менении внешнего магнитного поля ток в цепи принима­ ет такое значение, что суммарный магнитный поток, про­ никающий внутрь кольца, равен целому числу квантоз. При этом меняется ток или напряжение. Поскольку квалт потока — очень малая величина, то удается измерять магнитное поле примерно в миллиард раз более слабое, чем магнитное поле Земли. Появилась ранее казавшая­ ся недостижимой возможность повысить точность магнит­ ных измерений более чем в 10 тыс. раз.

Существуют два типа СКВИДов: на постоянном токе с двумя джозефсоновскими контактами и высокочастот­ ный с одним.

Ознакомимся с устройством высокочастотного СКВИДа (рис. 25). Дьюар, заполненный жидким гелием, выполняется из стекла или другого немагнитного мате­ риала. В нем размещается сверхпроводящее кольцо о джозефсоновским переходом, вторичная катушка входно­ го трансформатора магнитного потока, колебательный контур. Последний питается от высокочастотного гене­ ратора. Приемная катушка, на которую воздействует из­ меряемое магнитное поле, вызывает сверхпроводящий ток (и соответствующий магнитный поток) во вторич­ ной катушке, расположенной в криостате, — так работа­ ет трансформатор магнитного потока. Вторичная катуш­ ка, сверхпроводящее кольцо, колебательный контур ин­ дуктивно связаны. Входной сигнал через трансформатор магнитного потока воздействует на сверхпроводящее кольцо, при этом изменяется состояние колебательного контура. Сигнал с него подается на усилитель высокой частоты, он является выходом прибора.

Основное назначение СКВИДа— магнитные измере­ ния. Так, с помощью аппаратуры со СКВИДом, уста­ новленной на самолете, можно на большой территории вести разведку полезных ископаемых, например, алмазов, нефти или природного газа, поскольку практически лю­ бое тело имеет слабую нама1ниченность, а точность из­ мерения магнитного потока СКВИДом 10-12 Т. Магнито­ метры, в частности, успешно применялись при геофизи­ ческих работах в Якутии, Казахстане, на Украине. Сок­ ращено время измерений, существенно снижена трудоем­ кость работ.

Имеются наблюдения: магнитное поле вдоль разло­ мов земной коры изменяется за несколько дней до зем­ летрясений. Не окажутся ли полезными СКВИДы для их предсказания?

Квантовый магнитометр СКИФ-1 используется для контроля технологических процессов при изготовлении особо чистых металлов.

Так ка(к ток — источник магнитного поля, то с по­ мощью СКВИДа можно измерять и очень малый ток — до 10-12 А. Ток связан с напряжением всем известным законом Ома — появилась возможность весьма точно из­ мерять и напряжения. Так, в компенсационной схеме, а которой измеряемое напряжение сравнивается с эталон­ ным и в качестве нуль-органа использован СКВИД, точ­ ность измерения напряжения 10“15 В.

148

Несколько лет назад во Всесоюзном НИИ метроло­ гии имени Д. И. Менделеева на основе нестационарного' эффекта Джозефсона создан новый Государственный первичный эталон ЭДС. Если облучать переход со сла­ бой сверхпроводимостью от генератора накачки с резо­ нансной частотой, близкой к частоте излучения перехо­ да, то частота последнего как бы подтягивается, синхро­ низируется с внешней частотой. В этих условиях, даже когда на переходе случайно меняется ток, а он поступа­ ет от стабилизированного источника, то и напряжение на нем по-прежнему остается неизменным: джозефсоновский контакт работает как стабилизатор. Стабильность напряжения на переходе определяется стабильностью частоты. Ниже рассказывается, насколько точно выра­ батывают частоту квантовые генераторы. ЭДС поддер­ живается с точностью 10~8В, что в сотни раз выше, чем в прежнем эталоне напряжения.

Экономический эффект от новшества —2 млн. руб. по приборостроительной промышленности. Но гораздо боль­ шая прибыль будет получена от повышения точности из­ мерений в бесчисленных электрических цепях.

Коснемся лишь измерений на высоковольтных лини­ ях. Электротехники знают: чем выше напряжение на электропередаче, тем меньше ток при той же передавае­ мой мощности и поэтому ниже потери энергии. Но с ро­ стом напряжения резко возрастает стоимость высоко­ вольтного оборудования. Повышение точности измере­ ния на 1% — это снижение запасов электрической проч% ности на 1% и уменьшение стоимости оборудования И4 0,3%. По данным американских специалистов, увеличе­

149

ние тбчности измерения напряжения только на одной ли­ нии 220 кВ ведет к экономии 400 тыс. долларов в год. А подобных электропередач в нашей стране немало.

С помощью контактов Джозефсоиа создаются при­ емники излучения для радиотелескопов и оптических те­ лескопов, ставятся опыты по уточнению фундаменталь­ ных физических величин, например, постоянной Планка и массы электрона. Физики пытаются искать гравитаци­ онные волны и кварки, определяют магнитную восприим­ чивость многих веществ, измеряют сверхнизкие темпе­ ратуры. В некоторых экспериментах чувствительность СКВИДов почти приблизилась к пределу, поставленному самой природой, который определяется принципом не­ определенности Гейзенберга для любых квантовомехани­ ческих систем.

Вычислительная техника — еще одна возможная об­ ласть использования эффектов Джозефсоиа. Сверхпро­ водник имеет два четких, резко отличных друг от друга состояния — сверхпроводящее и нормальное. На этом принципе еще в 1955 г. создан криотрон — миниатюрный переключающий элемент. Одному состоянию криотрона соответствуют «0», другому — «1», поэтому на регистре из криотронов можно, например, хранить двоичные чис­ ла. Однако разработчики ЭВМ вскоре выяснили, что обычный криотрон не имеет больших преимуществ перед «теплыми» полупроводниковыми элементами.

Эффекты Джозефсоиа возродили интерес к криотро­ ну. Криотрои с джозефсоновским контактом обладает высоким быстродействием, чрезвычайно малым потреб­ лением мощности, ничтожными размерами. Появилась возможность создания больших запоминающих устройств с очень быстрой выборкой чисел и команд. Существует, например, проект фирмы ИБМ — сверхсовременной ЭВМ на этих элементах с жидким гелием объемом с кубик Рубика, производительностью свыше 250 млн. операции в секунду, запоминающими устройствами на 64 млн. бит, потребляемой мощностью всего 7 Вт.

...Опыт со СКВИДом на юбилее академика А. П. Александрова — это не только демонстрация уникальной чувствительности прибора. Магнитокардиограмма несет гораздо больше информации о работе сердца, чем обыч­ ная кардиограмма. С помощью СКВИДа удается иссле­ довать состояние плода в утробе матери, дать нужные ре­ комендации, если замечены отклонения в его развитии.

150