在超导发现约七十五年后，人们又恢复了对它的兴趣。很长一段时间来，对金属材料在超低温下的性质具有浓厚兴趣的主要是固体物理学家。可是现在，超导在工业上也引起了关注。在许多领域中，无论从核聚变研究到发电站，还是从医院到计算机中心，都在进行着深入的具有商业性应用的研究工作。本文着眼于对超导将来的展望。

应用与新发展

在不远的将来，超导将进入商业应用，这一必然趋势使工业界对其感兴趣。超导应用的主要障碍在于超导电性仅仅在超低温下才具备。因此每种应用中的超导部分必须封闭在一个低温恒温器——一个超冷冷却器内。亏得在致冷技术方面已取得的成就、使人们能制造出便宜、致密、相对不需维修的致冷机，它在致冷温度约为10 K时能连续工作。可是，超导的大部分应用要求温度在4 K以下。虽然用于生产液氦的现代机器比卡梅林 · 翁尼斯在进行其开拓性工作时所用的要好得多。（卡梅林 · 翁尼斯是1911年第一个发现超导的荷兰科学家——译注）。但这种机器仍适用不了超小型超导的应用。

一种能使超导体产生超导效应的方法是，通过外部扰动把电子或声子从原来的平衡状态中带出来。例如，戴佛特（Delft）的克莱威克（Klapwijk）和摩伊（Mooij）已经发现，通过微波辐照能提高超导的转变温度Tc。此外，通过增加微波或激光的功率也能使超导体进入一个常态和超导交错的非均匀状态。虽然对某些超导体（Ⅱ型材料）施加一个静磁场能产生类似的效应，但电磁场的影响是完全不同的，而且若要对此作出细微的阐释也并非可能。

超导最明显的应用在电子工程方面：超导导线能无损耗地传送电能。使用电磁体还可获取更高的能量效率：由于没有热损耗，导线可做得更细，这样就可用更致密、因而效率更高、更便宜的结构。可是，在电源电流应用中也有一个隐患：如果电流密度太大或磁场太强，超导状态就会破坏（即库柏对遭到破坏）。特别是对象汞、锌、铅这些普通材料（Ⅰ型超导体），当通过大电流和强磁场时就会出现严重问题。此外，它们还有难以处理的突然丧失超导性的惯态。

可幸的是，还存在其他超导体，如钒、铌和大部分合金（Ⅱ型超导体），它们从一个完全超导状态，经一个兼有常态传导区域和超导区域交替的状态，再逐渐变成正常状态。在中间状态中，只要超导区域互相连接，电流仍能继续无损耗地流动。由于Ⅱ型超导体这种逐渐转变的性质，它们非常适用于具有强磁场和高电流密度场合的应用。

超导在医院中

超导磁线圈也可用于医学。利用核磁共振技术（磁共振显像 - MRI）制成的现代“全身扫描仪”能用来拍摄人体的内部器官，它没有像用X射线拍摄带来的有害副作用。正如人们所知，强磁场对人体无害，用在MRI中磁场的量级一般在3 ~ 4个泰斯拉（泰斯拉用T表示，即3 T ~ 4 T）。作为比较，地球的磁场大约在0.5×10-4T左右，差不多比用在MRI中的弱100，000倍。要产生3 T至4 T的磁场，用传统的软铁芯电磁铁需要巨大的功率，量级大约在100千瓦左右，而且它的软铁架要几百吨重。用超导线圈产生这样的磁场只要消耗极少量的能量，也就是仅需要消耗冷却到温度4 K所用的能量。

超导磁体的研究与技术

为了控制绕圆形轨道运动的相对论粒子束，高能物理研究人员也在研究超导磁体的应用。在美国一个为建造巨大的2×20 TeV的“超级超导碰撞器”（SSC）规划已达到了先进水平（1 TeV=1012eV=1.6×10-7J）。在日内瓦欧洲原子核研究组织（CERN）正在设计一台2×10 TeV的大型强子碰撞器，它长27公里，超导磁线圈磁通密度10 T。

在其他研究领域内，超导磁体也已成了常用装置，在固体物理、材料及半导体研究中，尤其在强磁场测量方面，超导磁体是主要的辅助装置。尼迈津（Nijmegen）有一个装备很好的磁体实验室，它向来自整个欧洲的研究人员开放，用以进行特强磁场的测量。人们常用所谓的混合系统来产生最强的磁场。在混合系统中，超导线圈内部有一个较普通的铜制线圈，工作时这个线圈产生大量的热，因此必须提供源源不断的零度冷却水，对线圈进行冷却。直到前不久，混合磁体产生的29 T的磁场还保持着世界纪录。最近一个能产生30.2 T的系统已在日本投入使用。

高梯度磁力分离（HGMS）是一种利用超导磁体进行分离的方法，它可用于医疗和其他方面。人们可用化学疗法或放射疗法通过杀死有毒细胞来治疗骨髓癌。但通常还要把健康的细胞植入骨髓中（一般取自亲属身上）。为了防止异体排斥，还需再植入患者本人的健康细胞，但是，在移植之前必须把所有的毒细胞全部去除干净。用最近研究出的技术治疗骨髓癌时，我们可有选择地使肿瘤细胞包上一层单克隆抗体，骨髓和微小的可塑磁球被混合在一起（磁球尺寸约为3×10-6米，有一层紧紧粘附于单克隆抗体的抗体）。结果，肿瘤细胞被封闭在微小磁球内，这样通过磁分离就能把肿瘤细胞几乎全部除去。

磁分离

为了处理垃圾、污物，有人也提出用超导线圈最终对所有的铁磁材料或顺磁材料进行过滤。近几年来，尼迈津综合大学（Catholic University of Nijmegen）的研究人员已把高梯度磁分离方法（HGMS）用于很多场合，其中有清除燃煤火力发电厂中的灰烬、纯化地下水中的含铁量，等等。由于以二硫化铁形式存在的硫原子被束缚在铁原子上，因此也可用磁分离方法脱去煤粉中的硫。磁分离还可在提炼场附近纯化由化学方法化合的矿石和煤。这样就能减少因燃烧而引起的污染，并且使就工业厂家范围如何小规模地利用这一技术再度成了吸引人的议题。

能量研究

超导磁体的最广应用在能量方面，从变压器到磁流体动力（MHD）发电机，都有它的应用。为了继续对JET（Joint European Torus）核聚变规划中的项目进行研究，正在计划使用1 ST的超导磁体。在用于特殊超导体试验的设备方面，人们已从瑞士维里津（Villingen）的SULTAN中得到了令人鼓舞的结果，由ECN设计的一台8 T试验机已在Smit-Nijmegen制成。

迄今为止，超导线圈几乎全部用铌钛合金制成，临界温度为18 K，临界磁场为23 T。对更强的磁场，铌三锡给我们展示了美好的前景。所存在的主要问题是材料本身的性能。铌三锡非常易碎，用通常的方法不能把它拉成导线。可是，ECN已发展了一种新工艺，在铌管内装入Nb Sn2粉末，然后把管子放入铜模内，把铜模拉成导线并绕制成所需的线圈，把线圈放入炉内加热，这样，由Nb Sn2粉末和管壁上的锯组成的铌三锡线圈就制成了。

超导计算机

在所有应用中，最引人注目的也许要算是超导“约瑟逊”（Josephson）计算机的前景。计算机的运算能力在很大程度上由运算速度决定，计算机以这个速度完成各种单一工作。可是，运算速度恰恰受逻辑元件的控制时间限制，而且也受电子信号的传播速度限制。在1微秒内（10-9秒内，即十亿分之一秒内）电子信号大约传播15厘米。在运算能力最大的超导计算机中，像Cray X-MP，—个运算以最快的速度被分成能同时处理的各部分，即进行同步运算。而且，各组成元件的连接长度被缩小到1米以内，每个循环所需时间达到12毫微秒。

因此，只有使各种元件互相靠得更近，才有可能进一步提高运算速度。为了达到每个循环的时间为1毫微秒，几百万个组成元件必须集中在一个不超过10厘米见方的盒子里。原则上，用照相平板印刷技术这是可以做到的，但是，用普通的半导体元件，给予这小盒子的能量就要大到几十千瓦。由于用通常的冷却方法再也不能把产生的热量散发掉，计算机就会变得又红又热，然后开始熔化。

用导通时间为6微微秒（1微微秒=1×10-12秒）的超导约瑟逊转换器可使产生的热量最小。而且，功能如同开关和存储元件的约瑟逊接头在大约1毫伏的电压下就能工作，不像通常需要5伏电压。因此，一个有几百万个导通元件的大型计算机所消耗的功率将不超过2瓦。

整个约瑟逊计算机的所有基本电路在七十年代就设计和试制了。而且，现在的照相平板印刷技术又非常先进，因此，满足小型化要求不再成为一个问题。可是，在计算机线路中、出错的单元会机械地产生坚硬的金属夹条和氧化层，它们甚至在反复的加热和冷却后也丝毫无损。这个氧化层的厚度不超过几微米（10-6m），但只要有一处短路，整个电路就会报废。这类问题实在太多，即使在计算机巨头IBM公司也屡见不鲜，IBM公司引以自豪的约瑟逊工程在八十年代初暂停了。可是，近几年来，超导计算机的研究又取得了新的进展，尤其在日本。美国也正在继续加紧对超导计算机的研究。一种由斯潘瑞（Sperry）公司发展起来的、用阳极氧化电镀法在铌上有选择地“长出”氧化层的方法可能是导致商业性应用的关键。然而，人们依然怀疑超导计算机是否会受到普遍使用。

约瑟逊元件对磁场极其敏感，可用它制成超导灵敏测量仪。例如，一处地方正在制造用于射电天文学和研究地球磁场的约瑟逊元件。人们还在考虑用人体产生的磁场作为依据，进行医疗检查：如将来的磁力心动计录器至少会像今天的心电图一样，在医疗中占据重要的地位。可是另一方面，约瑟逊元件和军事应用也极其有关。它们非常适合于探测空间目标（即适合于星球大战计划）和探测海底潜艇。

近几年来一个超导计算机的有力竞争者已经出现。用砷化镓（GaAs）制成的半导体元件在出人意料的情况下被发现了。在砷化镓晶粒和砷化镓铝晶粒（部分镓原子被铝取代的砷化镓晶粒）分界面上的电子具有极好的可动性。事实上，这些电子如同处在一个气雾状态，在二维平面内能不受阻力地运动。日本人已成功地应用了这个技术，制造出导通时间为12微微秒（12×10-12s）的晶体管。当然砷化镓电子线路的巨大优点是用这个线路的计算机能直接在室温下工作。这—点在维护困难的环境尤为重要，如在卫星中就显得特别重要。

根据美国人估计，到九十年代，卫星通信将扩大到现在的12，000 ~ 15，000倍。超导计算机除了用于大规模研究中心外，还将用于太空。当然，如果里根的星球大战计划付诸实施，那么，高速、灵慧的超导计算机将是必不可少的。然而，我们不能认为超导计算机仅仅是为了星球大战计划。

“试验出知识”这是卡梅林 · 翁尼斯在他实验室门上的题词。在民用领域内，这位坚毅的开拓者的格言依然是闪光的座右铭，可是，在军事战场，信奉其他的什么格言或许是更合适吧？

（Endeavour，1986年第3期）