超导体的物理特性

超导体的物理特性及其军事应用

作者：刘玉超, 李鹏 ,张强收录时间：2011-11-07 阅读次数：221

关键词: 超导体,军事应用

摘要：介绍了超导体的物理特性及超导器件在国内外军事领域上的研究和应用进展。

随着电子技术的不断向高、新、尖发展，超导电子技术便应运而生。超导体具有两个突出的特点：一是超导电性。它可以传导大电流，在较大的空间产生很强的磁场，不消耗或只消耗极少的能量(强电效应)；二是超导体器件对磁场或电磁辐射具有极高的灵敏度(弱电效应)。利用超导的强电效应特点，可以制成高效电动机和发电机、定向能武器、电磁炮、弹射器等。利用超导体对弱磁、弱电辐射的极高灵敏度特性，可以制成体积小、重量轻、超高速、特宽频带、低功耗、低噪声、抗干扰能力强的各种电子器件和系统。

1 超导体的物理特性

所谓超导体，是指电阻为零的物质。1911年德国物理学家海克·坎默林·奥尼斯首先发现世界上有超导物质存在，并认为所有金属都可能具有超导性，但是只有当它们冷却到几K，略高于绝对零度(-273℃)时，才具有超导性。经过科学家们不懈努力，目前，高温超导体发展迅速，已经走出了实验室，进入实际应用阶段。

1.1 零电阻效应

某物质在临界温度时，电阻消失的现象，就是零电阻效应。但是临界温度与物质种类有关，不同的超导体临界温度是不同的。同一物质有无外磁场的影响也是不同的，当物质在外磁场作用时，某临界温度要比没有磁场作用时要低。因此，随磁场的增强，临界温度将降低。只有外磁场小于某一量值时，物质才保持超导体的零电阻效应，这一磁场值称为临界磁场值。

1.2 迈斯纳效应

1933年迈斯纳(Meissenr)在实验中发现了下述事实：把在临界温度以上的锡和铅样品放人磁场中，这时样品内有磁场存在。当维持磁场不变而降低样品的温度转变为超导体后，结果其内部也就没有磁场了。这说明，在转变过程中，在超导体表面产生了电流，这电流在其内部产生的磁场完全抵消了原来的磁场，也就是说磁力线不能穿过超导体物质内部，也就是所谓的迈斯纳效应。这一效应表明，超导体具有绝对的抗磁性。

1.3 约瑟夫逊效应

1962年，约瑟夫逊(B.D.Josephson)发现，在两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成了一个约瑟夫逊结。按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的，这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”，绝缘体的电子能

量不足以使它自己爬过这势垒，所以，宏观上没有电流通过。但是量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量小的电子也能穿过，好像势垒下边有隧道似的，这种电子通过超导体的约瑟夫逊结中势垒隧道而形成的超导电流的现象，叫做约瑟夫逊效应，也叫做超导隧道效应。

2 超导体的军事应用

超导材料在军事方面的应用有着极为广阔的前景。超导材料制造的高速军用电子计算机，可以使信息处理和作战指挥自动化达到新的水准；超导材料制造的探测器可以根据微量的红外辐射，确定敌方导弹、卫星的位置并将其击毁。超导技术这种潜在的军事价值和诱人的经济价值，使得世界范围内围绕超导材料的研究正在进行着一场激烈的角逐。

2.1 超导探测器的军事应用

基于约瑟夫逊效应的超导器件可用来制成磁场和电磁辐射探测器和测量装置，其灵敏度比常规手段高了3～5个数量级，使极微弱的电磁信号都能被采集、处理和传递，实现高精度的测量和对比，可用于探测地雷、潜艇。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力，为作战决策和实施正确及时的指挥提供更强有力的支持。

2.1.1超导量子干涉器

超导量子干涉器结构原理图

超导量子干涉器有很强的磁灵敏度，它可以探测到10-15的微弱磁场，比性能最好的磁场接收器（如感应线圈磁强计和光泵磁强计）的灵敏度高12个数量级。把超导量子干涉器应用在传感器中就成为探测磁场能力极强的超导磁传感器，进而可制作出威力巨大的海战武器，其主要有天基凝视红外焦面阵列探测器、微波和毫米波探测器、磁探测器等,具备一般可见光和红外探测系统所不具备的全天候及穿透烟云的探测能力,并能提供对低特征目标的探测能力,可广泛应用于天文探测、光谱研究、远红外激光接收、军事光学、航天器的相控阵天线、反潜武器和水雷探测等领域。

2.1.2超导磁传感器

超导磁传感器

水雷引信的磁接收器的灵敏度对水雷的作战效能有很大影响，磁接收器的灵敏度越高，捕捉舰船磁场的能力越强。现代各国在军事舰艇建造中广泛采用新的建造技术和新型功能材料，在舰艇消磁方面取得了相当的成果。现代潜艇在消声降噪方面有了长足的进步，如采用新型

功能材料、外表面敷设消声瓦等，某些性能优异的潜艇已经成为了可怕的深海杀手，这使得用声纳等探测工具来探测、跟踪、进攻敌方潜艇的困难增大，难以及时发现并消灭敌方潜艇。然而运用超导磁性水雷，在方潜艇可能出现的海域实施部署，可准确、及时地发现敌方潜艇，从而进行有效地遏制和打击。

2.1.3高温超导滤波器

高温超导滤波器由于具有极其优异的特性，因而可以大幅度提高接收系统灵敏度、信噪比和抗干扰能力，增加雷达系统的探测距离，增加通信系统的通信距离和抗干扰能力，提高导弹系统的制导精确度。目前，国外已将超导微波接收机广泛应用于预警飞机、雷达、电子战设备、导弹制导等，日益受到各国军事部门的重视。

2.2 超导计算机的军事应用

计算机是军队自动化指挥系统的核心设备，其主要任务是对输入其中的各种格式化信息进行自动综合、分类、存储、更新、检索、复制和运算，协助指挥员决策，拟定作战方案，对各种方案进行模拟、比较和优选等。计算机的性能，尤其是运行速度和存储容量，直接关系到指挥、控制、通信与情报系统的性能和效率。超导器件的功耗仅为硅集成电路的几百分之一，为一般晶体管的二千分之一。用超导传输线完成计算机中元器件之间的信号传输具有无损耗和低色散的特点。美国IBM公司研制的一台运算速度为8千万次的超导计算机，体积只有一部电话机大。由于超导计算机的元件运行在无电阻、不发热的情况下，所以可以长时间高效运行，无故障时间比现有计算机长得多。超导计算机作为新一代舰载、车载、机载、星载计算机，用于解决庞大的信息处理和极其复杂的作战管理等问题也有其特殊的意义。

2.3 超导技术的武器应用

正在探索、研制之中的粒子束武器和自由电子激光武器是威力强大的定向能武器，在未来的战略反导武器系统中占有极重要的位置。这两种武器的核心部件是高能加速器。从研制情况看，目前主要有两大技术难题制约着这两种武器的发展和部署使用：一是用常规材料制造的高能加速器的体积过于庞大，重量太重；二是发射时所需要的巨大能量不易解决。超导技术的发展提供了解决上述难题的现实可能性。电磁炮是利用电磁力加速弹丸的现代化电磁发射系统，超导技术不仅可以解决储能问题和减小电磁加速器的体积、重量问题，而且还可以减小导轨的磁损耗和焦耳热损耗，增加弹丸的动能，达到提高电磁炮系统效率的目的。有关专家指出，一旦超导技术有新的突破，电磁炮便能很快投入战场使用，成为各种高速飞行器和装甲目标的克星。

2.4 超导发动机的军事应用

常规武器装备执行作战任务的载体，如地面上的坦克和装甲战车、海上的舰艇和潜艇、空中的作战飞机和直升飞机等以各种热力机械作为动力，存在设备笨重、效率欠高、机动能力受限制以及噪声大、红外特征明显、易于暴露等弱点。超导技术的应用有可能使作战平台的动