日本开发超导产业技术的途径 ——超导产业技术开发恳谈会的中间报告概要

发布时间：88年12月26日

OHM编辑部编译张东峰

前言

8月24日，以东京大学名誉教授“山村昌”为委员长，并由学术界和产业界有识之士组成的“超导产业技术开发恳谈会的中间报告”在通产省工业技术院举行。

中间报告的内容是围绕着超导的国内外形势和动向，今后的研究课题及其展望，应采取什么样政策。这个报告可以说是今后超导技术开发的指导方针。

超导物质临界温度的上升是科学家们长期以来所做的美梦。去年以来，世界的研究机构的研究取得了突破性进展，终于发现了临界温度超过液体氮温度的物质。此后，各国科研人员为使临界温度向高温化发展而日夜奋战。

日本超导产业技术开发恳谈会是超导物质取得如此重大成就后，去年4月作为工业技术院长的私人咨询机构而设立的。该会一直在研讨应该研究什么课题。

这次中间报告的基本构想可归纳为如下三点：

鉴于超导的基础领域的科研成果有可能给产业和社会带来巨大的冲击作用，必须充分调动产（产业）、学（大学及科研机构）、官（政府）三方优秀科研人员的积极性，开展以基础理论为重点的研究活动。

推动超导研究的国际合作和国际交流，对国际上作出自己的贡献。

三、今后要继续把出现今天这样惊人科研成果的竞争与协调合作的良好环境保持下去

第一章关于超导物质的研究动向

一、临界温度的飞跃性的提高

超导体自从1911年被发现后，到了1973年才对Nb₃Ge有过23.2 k的记录。在这段时间，临界温度虽然一点一点的提高，但自从1973年以来的10多年中，却没有提高。打破这种状况的是美国国际商用机器公司[IBM]“苏黎世”研究所的研究人员暗示氧化物系超导物质存在的可能性。包括IBM在内，至今已取得了五次突破。

各国科研机关都在研究更高温的超导物质及其可能性问题，约10个研究机关的报告如下：鹿儿岛大学[15℃]南斯拉夫“扎古雷伯”大学［10℃］、休斯敦大学[-48°C]美国ECD公司［7°C］、印度国立物理研究所［26℃］莫斯科大学［35℃］、日本电子技术综合研究所［65℃］住友电气工业公司［27°Cl这些成果对在常温的超导体的存在虽然能抱有希望，然而，目前在其再现性和稳定性方面仍还存在着问题，尚未取得作为超导物质的可靠的证据。

二、临界电流密度的提高

关于氧化物超导体技术革新的第二个重要侧面是临界电流密度的提高。到目前为止，最大的临界电流，77 K时，Ba₂YCu₃O₇的单结晶溅射薄膜是2×10⁶/安培/cm²［日本电话电报公司］，利用飞溅及真空蒸镀的

多晶体薄膜是10⁸A/cm²［IBM］和斯坦福大学了。然而，这些都是零磁场之下的记录。如果附加磁场，其磁感应强度达到1特斯拉，它的临界电流就会恶化二位数左右。

目前，新超导材料还处于初期阶段。去年以来，各国的研究人员都把这个领域列为重点研究对象，从而掀起了世界规模的竞争。日本也通过学会或讨论会的形式，及时进行了情报的交流。可以说，1987年是竞争与协作搞得最好、取得的成绩也是显著的一年。

第二章超导今后研究课题及展望

有关超导的问题已从基础到应用的广泛领域做过了调查，但就新氧化物系而言，目前处于基础研究阶段。就当前的基础研究来说，应进行有重点的研究。在应用领域，这里所列举的都是以前认为可作为超导应用领域的那些项目，但随着对新氧化物系研究的进展，除了目前所列举的领域以外，预料将会想出各种新的利用方法和应用形式。

一、发现超导新理论的研究

1957年提出了说明超导原理的BCS理论。据该理论说，金属里的每两个电子成一对，即电子对键。凡是属于BCS理论的物质，如果使电子和晶格的相互作用得以加强，电子和晶格系就变成不稳定，结果使开发高温超导体发生了困难。有些人认为，用氧化物系材料已出现了90 K级的高温超导体，现在有必要以新理论来取代BCS理论提出的电子对键理论。

随着今后实验研究的推移，也有可能出现新提案。为此，有必要对超导的机理作理论性研究，还为了知道优质的多晶体、单晶体的合成，以及用这些材料对超导有密切相关的原理，必须通过精确细致的实验进行研究。

解释清楚新理论，对探索具有更高临界温度的物质是极为重要的研究。例如，这对弄清常温超导是否可能发生具有决定性作用。

二、高温超导材料和常温超导材料的探索

氧化物超导体的出现对材料研究产生了巨大的影响。在这个研究成果的基础上，今后应把研究重点放在探索更高温，甚至与常温超导有关的基础性材料。

另外，由于超导的应用范围非常广泛，不同领域所要求的物质也不同，所以对物性参数方面的要求也将是各式各样的。在这样情况下，从多种多样超导物质系统中，对其原材料能进行挑选也同样是重要的。

1.新氧化物系统

对于新氧化物系统超导材料，必须通过确实靠得住的实验手段后，以客观的态度去确证超导现象。还有必要使不稳定的物质能稳定下来。对过去一直在探索的物质系统以外，目前对新的稳定的高温超导物质的可能性探讨研究范围还不能说是广泛的，今后探索更为广泛的物质系统是重要的。

为此，① 从物性理论的立场去解释清楚原理，② 在把物性这个因素充分考虑在内的原子或分子水平的基础上，确立用人工手段合成材料的新技术。

具有上述条件的基础上，在新材料设计方针的指导下，追求更高的临界温度，探索由新结构或新元素组成起来的新材料。

2.有机物系统

一开始研究有机物系统，就把提高其临界温度作为奋斗目标，但到目前为止，有机物超导体达到的临界温度远远低于氧化物超导体的临界温度。不过，有机物系统的超导体与新氧化物系统的相比，具有成分固定及处理过程是常温等优点。今后仍要探讨有机物系统的高温超导的可能性。为此，一方面要继续搞原来的研究，另一方面也应把研究和发现氧化物超导体超导现象的经验作为一面镜子，深入探索有机物质。

3.金属间化合物系统和合金系统

在金属间化合物系统和合金系统的物质中，有一部分已实用化了，但与氧化物超导物质相比，其临界温度仍处于低温领域。即使已超导化的氧化物超导体实用后，根据应用的需要和超导的机械及电气特性考虑，很有可能还要继续用它。为此，今后为了改善超导特性，就要利用人工晶格的合成法或超高磁场这些极限环境去研究探索新材料。

三、超导材料的加工及处理技术（略）

四、在电子设备中的应用

1.器件的加工和制作技术

在电子领域中，要求其加工尺寸精确到超微。为此，必须开发平版印刷［lithography］和蚀刻［etching］等微细加工技术。在平版印刷方面，原来作为大规模集成电路［LSI］技术确立的也能大量利用。但由于对偶电子间的距离短，有必要开发更微细的加工技术。还有，由于蚀刻用气体的种类不同，也许有必要新的“雷齐斯托电阻合金”［Resisto］材料。

在蚀刻方面，最简便的是喷溅蚀刻，它的各方异性强，但选择性不强，有希望能在比较早的达到实用化。但如果把氧化物超导体作为LSI的一部分使用，就要求对其它材料（绝缘体、半导体、金属）具有选择性。为此，就需要开发离子蚀刻技术，这时使用的化合物具有挥发性是重要的，但目前在这方面的基础资料还不多。

由于新氧化物超导体的对偶电子间的距离比原来的短，特别是在隧道阻挡界面的结晶的紊乱预料对隧道效应的影响大。为此有必要确立具有优异可靠性，再现性，精度等的新器件（元件）制作技术。还有确立半导体与新氧化物超导体的接合技术。

2.切线及安装技术

随着高集成电路趋向于微细化，配线电阻的增大也成为重大问题了，它不仅影响了发热和延迟了传播速度，而且还降低了信号传输质量。如果超导体用于芯片配线或安装配线，就能无损耗和无分散的传输。

另外，以前一直都利用在液化氦温度领域工作的铌系统超导体来制作约瑟夫逊器，而当改用在液化氮温度领域工作的新氧化物超导体制作约瑟夫逊器件时，其电路的构成技术与原有的技术有许多共用的地方，但考虑到在高发使用时，杂音多等情况，有必要根据新氧化物超导体的特征参数的基本数据，重新估价一下电路的结构等。

3.开发和探索有新功能的器件

与原有的金属超导体相比，氧化物高温超导体具有：① 临界温度高。② 由于能隙大，有可能与半导体能接合。③ 对导电体有影响的载体（空穴或电子）浓度低，有可能对它进行控制。④ 在构成元素中，能包括磁性元素。期望今后能出现如下新功能元件。

① 超导晶体管

现在的半导体晶体管已具有能控制电极的超导晶体管了。与原来的半导体晶体管相比，它具有能进行超高速工作的可能及还能_封不动利用原有的电路结构和系统结构等优点。

具有代表性的超导晶体管应该是：① 在金属基区晶体管领域换成超导体，形成双极型的超导晶体管，② 用超导体制作源（极）漏（极）电极，用栅压能把在两电极间移动的超导电流控制得住的场效应型晶体管等。为此，需要开发出新元件。

② 超导计测元件

如果利用氧化物高温超导体制作利用超导体磁通干涉效果的精密计测元件［SQuiD］，那就能制成具有高精度和高灵敏度的超微型元件。这就有可能检测出微小空间磁场的分布，微弱磁场的变动，微波等。遥感和脑电波的精密计测及通讯信息网也将跨入更高度先进行列。为评价超导器件的工作，就要有微微秒以下

［Sub Pico］领域的超高速测定方法。

③ 具有新功能的超导元件

有待于开发的有：① 利用光和超导体相互作用的光功能超高速元件。② 利用新氧化物超导体能隙大小的新功能元件。③ 利用磁通量子的新功能元件。④ 利用吸收磁性元素的新功能元件。⑤ 利用低载波电流的新功能元件。

上述新功能元件都必须利用超导材料才有可能开发出来，而且在开发过程中，出现的技术突破都意味着把超导体的用途进一步扩大了。

五、能量系统

在电力设备和核聚变中，应用超导磁体技术的好处在于：（ⅰ）输电损耗极少，输电密度高，能大容量输电。（ⅱ）能形成强磁场。利用超导材料制造的设备与其它同规模的机器相比具有：（ⅰ）工作效率高，机器损耗少。（ⅱ）小型化。（ⅲ）轻量化。（iv）系统容量增大。这些条件使机器的造价成本低廉化，大幅度扩大了机器的电力系统设备的利用率。但要开发出具有上述优点的各种超导电力应用机器，不仅要开发超导体，而且还有开发各种技术课题。

1.超导发电机

① 在发电机的励磁线圈使用超导线材的超导发电机，由于发电机损耗下降，不仅比现用机的效率提高了，而且也将对电力系统的稳定度能大为提高。为此，目前在日本、美国，苏联，西德，法国等国家都在扎扎实实地搞基础研究。

② 由于超导发电机具有：（ⅰ）对于100万KW级以下的电力规模也估计很有可观的经济效益，目前已有可能逐步应用于电力系统。（ⅱ）不仅能提高效率，而且对提高电力系统的稳定度效果大，这有助于解决近来出现的不稳定供电状态，（ⅲ）超导发电机用的线材能承受住高速旋转和强磁场下的扰乱。

由于超导发电机能用的线材，在广泛的其它能量系统领域也能用上，所以开发这种线材的课题就显得很紧迫了。

③ 开发超导发电机要注意的事项是：（ⅰ）开发合金系、化合物、氧化合物系的具有低损耗且高电流密度的实用超导线材。（ⅱ）在临界温度以下进行冷却时，转子要具有特殊的构造，为此要建立这方面的有关技术。

2.超导电力储存

① 超导电力储藏装置也可认为是可用于系统稳定化等方面的用途，但把电力作为磁能储存的超导电力储藏就需要用超大型超导线圈，为此，要支持强大的电磁力，降低建设成本。超导电力储藏的特点是高效率。因电力变换器要用可控硅、其敏感度要高。还不能使电力系统的短路容量增加。

关于超导电力储藏，日美两国都在搞1 ~5 GWh 规模系统的概念设计。并对这种技术的可行性和经济性在进行评价。

② 如果用氧化物系统高温超导材料的实用线材开发出来的话，就有可能在液化氮温度的系统结构能出现。为此，断热结构就能简化，而且由于冷冻系统的效率提高，预料成本将减少。

3.超导电力电缆

① 因交流架空的输电线成本低、它作为大容量输电方式已在被广泛使用，但它也有缺点，如土地的利用面广，感应障碍、电波障碍、影响城市环境的美观等。为此，都市近郊居民强烈要求把输电线移到地下去。

目前在研究开发的大容量地下输电线有：（ⅰ）具有经济性的浸油电缆。（ⅱ）用六氟化硫[SF₆]绝缘的管道中使用的电缆。预料将来的理想的输电方式是超导电力电缆，它的优点是输电损耗极少，而且因输电密度高，所需线宽小。如果要用长距离电缆输电时，直流输电缆是适宜的。

② 虽然目前各国都对超导电力电缆在进行基础研究，但因为对输电距离的全长都要进行冷却，其费就用高了，所以大规模的研究开发目前未展开。

③关于超导电力电缆当前要研究的技术课题有：（ⅰ）开发低损耗的交流用线材。（ⅱ）研讨稳定而且容易制造和施工用的电缆结构。（ⅲ）为了提高经济性，就必须使极为重要的冷却系统达到高效率化。

④ 如果使用氧化物系统的高温超导材料的实用交流用线材被开发出来，由于（ⅰ）断热结构简化、（ⅱ）冷却系统的高效率化和简化、超导电力电缆的成本就有可能大幅度下降，这也将给实用化提供了有利条件。

4.超导变压器

利用超导电缆等建立超导电力系统时，就要引进超导变压器。如果开发出在液化氮温度就能用氧化物系统超导线材（交流用）的话，提高冷却效率和绝缘性就有条件了。

5. 核聚变等用的超导磁体

① 超导磁体的特点是，使用少量的电损耗就能在大空间制造强磁场，而且还能扩大磁体线圈的电流密度。但用以往的超导材料的磁体必须在液化氨温度下使用，而且还要有高价的极低温容器和冷却装置。

② 超导磁体应用方面的开发一直在进行，但开发的主要对象是：（ⅰ）不用超导就不行的机器。（ⅱ）没有竞争对手的机器或装置，如磁场闭合型核聚变炉，磁流体动力发电机，磁悬浮列车、高能粒子加速器等。

③ 通过上述领域的开发研究结果，已出现有竞争对手的机器和装置也朝着超导化方向发展的倾向，如核磁共振的交流器已商品化，而且迅速普及广。

④ 由于出现了在液化氮温度下可能使用的氧化物系统超导材料，超导磁体应用机器的成本就降低，其应用领域就将进一步扩大。

另外，由于氧化物系统的超导材料的临界磁场比原来用的超导材料强得多，因而有可能实现强磁场磁体，而原有超导磁体是不可能的，这可能有助于开辟新的应用领域。

6.情报、医疗、运输系统等

① 超高速计算机

由于超导元件能实现高速的转换作用，将来有可能其转换动作比微微秒还短。而且使用超导配线就有可能以最佳方式高速传送信号。由于不会因电阻而引起发热，在极低温下的热杂音也是很小，还能缩小信号振幅和控制电力的消耗。

预料超高速计算机的周环时间将达1毫微秒甚至更短。充分利用电力低损耗这个优点，就能高密度地安装芯片。预料这种超高速计算机的体积只要有10厘米立方左右，就能发挥出相当于原有那种体积庞大的超大规模计算机的作用，换句话说，等于把庞大体积容纳于10厘米立方的体积里。

这种超高速计算机要达到实用化，就要在安装，冷却，检查方式，输入出结构等多方面领域里集成高度先进技术。

② 医疗系统

利用核磁共振的磁共振断层摄影装置［MRI］的超导化是超导材料在医疗系统实用的典型例子，通往医疗的磁力世界不会仅仅是MRI，在心磁仪、脑波仪、肺磁仪等的传感器的应用，还有在理化用的超导核磁共振装置等的分析和信息处理机器、小型机器人用的小型发动机及电源，磁蒸汽浴等治疗领域的磁场。

③ 磁悬浮铁道（线性电动机驱动车辆）

超导磁悬浮铁道是把对悬浮，向导、推进起作用的超导磁铁装在车辆内，而在轨道里设置着悬浮用的和推进及向导用的两种类的永久性电导线圈。这种类型的铁道是不利用车轮与铁轨之间摩擦力的非粘着式的驱动。由于用非接触方式支持和导向车辆，所以就能实现高速运输系统，也不会出现转动骚音、发生的音只不过是空气动力学方面的风的音声。而且由于运行时对轨道方面产生的冲击很小，车辆的振动也极小，地面设施的维修几乎是不必要，车辆方面除冷冻设备和补助车轮外，没有什么磨损要素，维修费可大大减少了。

超导磁悬浮铁道用的超导线圈的开发课题应该是把超导线圈装在车辆内这个条件下，谋求它的轻量化，高磁通势化，断面的扁平化等。对包括线圈和冷冻机在内的磁铁系统方面的研究重点是开发装在车辆内冷冻机和低温恒温器的热侵入量的减少和轻量化，另外，车厢客室内的磁屏蔽也是开发课题。

对氧化物超导材料开发是设法使冷冻装置简单化，以此达到轻量化和降低成本。这可利用具有完全反磁性的磁屏蔽材料，以降低电费，磁屏蔽用材料在其它领域也有应用的可能。

④ 电磁推进船舶

超导电磁推进船舶是靠装在船体的磁铁和给海水通电的电流之间的相互作用而得到了推进力的，因而这种船舶就没有像靠螺旋桨推进的旋转设施了。

推进力的大小是与给海水通电的电流值及磁场的强度成正比例。因海水的电阻大，所以要在海水里通电，就必须用大电力。如果想达到实用的推进效率，10 ~ 20特斯拉左右的强磁场是不可缺少的，这就是第一个技术课题。此外，随着海水通电而引起的电解也是个问题，即由于电解作用电极就损耗、氯气就发生，环境就受到污染。对这个问题要有一整套的解决方案。

⑤ 宇宙系统

宇宙与超导的关系大致上可分为两个侧面，第一是积极利用高真空，极低温，微小重力这个宇宙环境的特点生产超导材料，在地球上的材料加工处理，就不可避免地要受到沉淀、对流、与容器的接触、静压、排气等的影响，这躭无法得到不受上述影响的状态下取得制造加工处理有关的基本数据，第二是能应用宇宙系统，它具有在极低温环境下的有利面。低频超导传感器与其它的磁性传感器相比，灵敏度、频率反应，波幅、线性等方面优秀。在成本、可靠性、小型化方面也已达到了在宇宙用已没有问题的水平。

如果能开发出更高性能的低频超导传感器，预料它将作为微波、红外线传感器、观测用激光器、通信用接收机使用。利用强磁场的有：飞翔体发射装置等的能量推进系统和利用超导磁铁的宇宙飞船观测等。开发能量推进系统的技术包括强磁场的发生地和其支持结构的轻量化。

第三章各国的超导动向

去年三月，美国物理学会，日本物理学会，日本应用物理学会先后召开了。第18次低温物理学国际会议也在京都召开了。从研究报告的状况及向学会杂志投稿的论文篇数看、日美两国是势均力敌，日本在基础研究方面所作的贡献比以前增多了，各国关于超导的动向如下：

一、美国的动向

1.美国在超导研究方面在世界上积累了最多的科研资料和科研成果的国家。在里根总统的积极支持下，超导研究正在得到加强，去年会计年度内政府给超导研究拨给了好几千万美元。

去年7月底，里根在联邦协商会议上强调超导研究要进一步加强和面向商业化，并提出了促进超导研究的方案。最近的法案规定超导研究的重点不仅仅是基础理论，而且还包括超导体的制造和加工技术，还拨了具体的预算款项。

2.美国对日本的超导研究寄予很大关心，里根在联邦协商会议上说，在平等互惠的条件下，要求日本也来参加研究。

二、欧洲各国的动向

1.英国：英国政府对产（产业）、官（政府），学（大学及研究机关）的研究倡议给予大力支持并拨了好几百万英镑的经费，产业界也提供了资金。政府也与企业界对话，从而加强对超导体的研究体制。

2.西德：1988年，政府计划给超导研究拨好几千万马克的经费。西德超导研究中心“卡尔苏卢埃”原子能中心在1987年度制定了材料开发和稳定性等的评价在内的好几个项目科研计划。

3.中国的动向

中国在世界超导研究中也居于领先地位的国家之—。中国科学院已对超导研究的人才和设备进一步加强了，北京大学也在积极开展超导研究工作。

第四章对超导研究应采取什么措施

一、积极推进超导研究开发

1.国家在研究开发中的任务和作用

① 长期以来超导技术的基础研究主要是以大学和国立研究所为中心进行，并已取得了重大科研成果。今后也应继续调动他们的积极性从事研究工作。

② 在应用领域的研究重点应放在低温物理、材料的物性研究、材料制成加工技术等基础性研究。

③ 在开发利用超导技术的系统技术方面，国家要投资大量资金，仅靠力量的话，风险性太大了。以国家为主要进行的基础研究重点应包括：

① 通过对高温超导物质的物性评价弄清超导结构。② 开发高温和常温超导材料（新氧化物系和有机化合物系）。③ 开发高温超导材料的加工和处理技术。④ 有关超导新功能元件的基础理论研究。⑤ 开发包括超导发电机在内的超导电力应用技术。⑥ 调查有关其它方面的利用技术，确保资源、试验、评价方法的标准化问题。

二、整备有关超导体的研究开发体制

1.国立研究所的运作。

国立研究所积累了长期对超导有关的基础研究资料，而且它与产业界、政府、大学等都有广泛联系，作为超导研究的中心地点是合适的。与国外研究人员的共同研究地点也是理想的。

2.大学的基础研究要深化

这次超导研究等一连串科研成果的出现证明在大学里的基础研究发挥了非常重要作用。文部省曾制定了“特定领域研究”，其中一些项目成为掀起世界范围的超导研究热的导火线。在超导技术的许多科研项目仍期望于大学，为此，政府和产业界应在经费方面大力支持，大学有了充分的经费，就能对超导研究拨专款，就有可能使研究深化下去。政府和产业界也应积极参与科研计划活动并给予指导。

3.利用多方的设计研究力量

除了对国立研究所和大学委托设计研究之外，政府也应调动民间对超导研究的积极性，有些科研项目也可委托民间机构去研究，实现官民一齐上阵的科研路线。

4.各科研机构的合作

科研的经验和成果应在各科研机构之间进行交流、形成举国上下一体的研究体制，在研究人员间也应该有密切联系。

5.为提高民间的科研效率应整备研究体制

自从氧化物超导材料被发现后，民间力量也投入到超导研究，有的业种已成立或正在成立研究小组。目前的研究开发多半都是现有技术的应用。

随着今后关于物质研究的进展，就需要开发新材料和新的加工处理技术，而这又涉及到电子和陶瓷等各种材料产业，这种研究开发对个别企业甚至一个大企业来说，冒的风险太大了。

为此，对材料的研究开发，产业界应联合起来，大家出钱，出人才，甚至邀请海外学者参加，这种共同研究体制的威力大，而且在新材料的研究开发竞争中，才能显示出威力。

6.超导研究开发与专利

对超导技术有关而申请的专利，审查和审判要迅速化，而且也应与国际上的专利制度相协调起来。

三、实行国际合作和国际交流

由于超导技术对产业和社会将带来好处，甚至对极为广泛的产业的发展影响很大。对整个人类来说，超导技术是等于开辟了新边疆，它对整个人类的进步的贡献是极大的。