JPH07198770A - 改良された非接触超伝導臨界電流測定プローブ装置及び方法 - Google Patents

改良された非接触超伝導臨界電流測定プローブ装置及び方法

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JPH07198770A
JPH07198770A JP5353596A JP35359693A JPH07198770A JP H07198770 A JPH07198770 A JP H07198770A JP 5353596 A JP5353596 A JP 5353596A JP 35359693 A JP35359693 A JP 35359693A JP H07198770 A JPH07198770 A JP H07198770A
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coil
coils
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JP5353596A
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Kimio Kato
公雄 加藤
Koji Kanbara
康二 蒲原
Kazutoshi Soma
一俊 相馬
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Tokyo Kogyo KK
Original Assignee
Tokyo Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の局所的電流密度および超伝導体の臨界
電流密度を、非接触で測定するための高感度プローブ装
置および方法を提供する。 【構成】 試料を挟んで上下に直列に連結された、誘導
電流を生じさせるための磁場を形成する一対の励磁コイ
ルと、励磁コイルの外側に配置され試料を挟んで上下に
直列に連結された、誘導電流により形成される磁場を検
知する検知コイルと、励磁コイルによる検知コイルでの
誘導起電力を自動キャンセルするための、励磁コイルの
外部に位置し、上下に直列に連結された打ち消しコイル
とから成る改良型プローブ。それぞれのコイルはすべて
同軸に配置されている。試料が存在するときと存在しな
いときとの起電力の差を純粋な試料出力とし、それから
試料の磁化の振る舞いを求め、試料の性質を算出してい
く。上記改良型プローブにより、励磁磁場の強度が増加
し、試料の感じる磁場の均一性も向上したことより、検
出感度が飛躍的に向上した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の局所部分に生じ
させた誘導電流密度を測定する装置および方法、とくに
超伝導体の臨界電流密度を測定する装置および方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】超伝導体は、その特異な性質より広く研
究され、また応用されてきている。そのため、超伝導体
の物理的性質、特にその臨界電流を精度よく知ることが
特に重要になってきている。
【0003】超伝導体の臨界電流を非接触で測定する従
来の装置の1つが図5に示されている。この装置は、互
いに逆向きに巻かれた一対のピックアップコイル51を
直列に接続し、その一対のピックアップコイルを包囲し
てリング状の超伝導体試料52を設置し、一対のピック
アップコイル51および試料52を包囲してその一対の
ピックアップコイルとほぼ同軸に外部コイル53を設置
し、外部コイル53により時間的に変化する磁場を生じ
させ、試料のリングの内部領域を遮断しかつ変化する磁
場とともに発達する超伝導電流を試料に生じさせ、超伝
導体試料の臨界電流値に達したときのピックアップコイ
ルの電圧がほぼゼロになった時点の外部コイルにより生
じた磁場の大きさから相関的に超伝導体試料の臨界電流
値を測定するものである。
【0004】臨界電流を非接触で測定する他の方法とし
て、スクイド(SQUID)磁束計があり、その装置の略示図
が図6に示されている。このスクイド磁束計は、超伝導
ワイヤのサーチコイル61とそれに接続されたコイル6
2、スクイド素子63、コイル64とそれに接続された
増幅器65、超伝導ホルダー66、および低温槽67か
ら成るものである。この磁束計を利用して、超伝導体の
臨界電流の測定は次のように行われる。まず、試料を超
伝導状態にし、かかる試料全体に磁場を印加する。磁場
は、試料の表面から侵入するが、その磁場分布は試料の
臨界電流密度に依存している。この分布は磁場を取り去
っても保持されることから、前記サーチコイルを試料表
面に近接させ、その表面付近の磁場分布を測定する。そ
して、その測定された磁場分布より臨界電流密度を導出
する。
【0005】さらに他の非接触による測定装置は、特開
平4−115155号に開示されている。図3及び4
は、それぞれ該発明による反射型プローブ及び透過型プ
ローブの断面図である。図3の反射型プローブ30は、
近接した試料36の限定した部分内に誘導電流を生じさ
せるための磁場を形成する、逆向きに接続された一対の
励磁コイル34及び35と、該励磁コイルの内側に配置
され、前記誘導電流により試料に形成される磁場を検知
する検知コイル33とから成り、前記励磁コイルおよび
前記検知コイルの軸線方向が共に前記試料の面36に対
して垂直となるよう配置されるものである。一方、図4
の透過型プローブ40は、近接した試料の限定した部分
内に誘導電流を生じさせるための磁場を形成する、逆向
きに接続された一対の励磁コイル44及び45と、前記
誘導電流により形成される磁場を検知する検知コイル4
3とから成り、前記励磁コイルは前記試料の表面近傍で
その軸線方向が前記試料の面46に対して垂直となるよ
うに配置され、前記検知コイルは前記試料の反対側近傍
でその軸線が前記励磁コイルの軸線と一致するように配
置されるものである。超伝導体の臨界電流密度は以下の
方法で測定する。図3の反射型プローブ30に所望の電
流を流すと磁場が試料層36の局所化された部分に浸透
し、その部分に誘導電流が生じ、その誘導電流がまた磁
場を形成する。検知コイル33はかかる磁場を誘導起電
力として検知する。この誘導電流が臨界電流に達する
と、その瞬間から検知コイル33により検知される磁場
のパターンが共通波形から逸脱し始める。その時の励磁
磁場と試料の厚さから臨界電流を算出する。
【0006】上記のそれぞれの方法は非接触によるもの
であるが、試料に直接端子を設け臨界電流を測定する方
法として、四端子法がある。この方法は、試料に端子を
設け、その端子を介して輸送電流を試料に流し、試料内
での電位降下を試料に設けた電圧端子により測定するも
のである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図5に示す装置によ
り、臨界電流密度を測定する方法は、試料を所定の形状
に加工しなければならない。したがって、大形の試料や
試料のいろいろな部分について臨界電流密度を測定する
必要がある場合に、かかる方法を採用できない。
【0008】図6に示すスクイド磁束計は、試料の各部
分について臨界電流密度等を測定できるが、その測定を
行うためには試料全体を磁化させる必要がある。そのた
め、測定時まで安定した磁化のための磁場を形成しなけ
ればならない。
【0009】さらに、外部磁場は試料の表面全体から侵
入するから、それに伴う誘導電流による発熱は試料全体
から発することになる。したがって、この発熱による試
料の破壊を阻止するためには、外部磁場の強さ、磁場の
印加時間に制限が加わざるを得ない。
【0010】図3及び図4に示す装置では、試料の感じ
る磁場が励磁コイルと試料面との距離に依存して増減す
るため、試料表面の平坦化加工工程が必要となり、しか
も厳密な位置合わせ作業が必要となる。
【0011】四端子法は、試料に直接端子を設けなけれ
ばならなず、また試料に輸送電流を流すことから、その
大きさに限度がある。さらに、試料の各部分についての
測定が殆ど不可能である。
【0012】そこで、本発明の目的は、試料を加工する
ことなく且つ非接触で、試料を流れる電流密度を安定し
て測定するための方法および装置を提供することであ
る。
【0013】本発明の他の目的は、試料の各局所部分に
ついての電流密度を試料に非接触で測定する方法および
装置を提供することである。
【0014】さらに、本発明の他の目的は、超伝導体の
臨界電流値のより高感度な測定装置及び方法を与えるこ
とである。
【0015】さらにまた、本発明の他の目的は、試料の
厳密な位置合わせが不要な電流密度の測定装置及び方法
を与えることである。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の非接触で試料の電流密度を測定するための
プローブは、試料を挟んで上下に直列に連結された、試
料の限定された部分内に誘導電流を発生させるための磁
場を形成する一対の励磁コイルと、励磁コイルの外側に
配置され、試料を挟んで上下に直列に連結された、上記
誘導電流により形成される磁場を検知する検知コイルと
から成り、励磁コイルおよび検知コイルの軸線方向が共
に試料の面に対して垂直となるものである。
【0017】上記一対の励磁コイルは共軸に配置され、
同じ向きに巻かれた同一仕様のコイルであることが望ま
しい。同様に、一対の検知コイルは共軸に配置され、且
つ該軸線は励磁コイルの軸線と同軸であることが望まし
い。また、上記検知コイルは、同じ向きに巻かれた同一
仕様のコイルであり且つ試料の近傍に配置されているこ
とが望ましい。
【0018】ここで、本発明のプローブは、励磁コイル
の直径と上下コイルの間隔とが、試料に対し均一な磁場
を与える関係を満たすように選択されているものであ
る。
【0019】また本発明のプローブは、励磁コイルの外
側に同軸に配置され、試料を挟んで上下に直列に且つ共
軸に連結された、検知コイルに発生する励磁磁場による
電圧を打ち消すための打ち消しコイルを含んでもよい。
その場合、打ち消しコイルは、試料の作る磁束を感じな
い程度に試料から離れて配置されていることが望まし
い。
【0020】励磁コイルにより形成される磁場の最大値
及び最小値を変化させるために、励磁コイルに三角波電
流を供給してもよく、また正弦波電流を供給してもよ
い。
【0021】本発明の超伝導体の臨界電流値測定装置
は、上記プローブと、前記検知コイルに発生する励磁磁
場による電圧を打ち消すための可変相互インダクタンス
系と、プローブの励磁コイルを作動させる励磁電源と、
プローブの検知コイルに接続され、検知された電圧を増
幅する検出用増幅器と、検出用増幅器により増幅された
信号から超伝導体の臨界電流値を算出する処理器とから
成るものである。ここで、上記プローブは、上記打ち消
しコイルを含んでも、含まなくてもよい。検出用増幅器
は積分器であることが望ましい。
【0022】本発明の非接触による超伝導体の臨界電流
値測定方法は、上下の励磁コイル及び検知コイルの間に
試料を、コイルの軸線と試料面が垂直になるように且つ
上下のコイルから等距離の位置に近接配置する工程と、
試料の磁化が十分に飽和するような大きさの且つ振幅が
一定の交流励磁電流を励磁コイルに供給する工程と、試
料が無いときの検知電圧がゼロボルトになるように打ち
消しコイルまたは可変相互インダスタンス系を調節する
工程と、金属試料の磁化測定から装置定数を算出する工
程と、超伝導体試料の磁化測定から上記装置定数を使っ
て、飽和磁化を算出する工程と、試料の磁化曲線を使っ
て、飽和磁化に対応する電流密度を求める工程とから成
るものである。
【0023】ここで、本発明による方法は、上記試料中
に超伝導物質と通常金属とが混在するとき、超伝導体の
磁化を分離するために、周波数を十分低くして通常金属
による磁化の影響を除外する工程をさらに含むことがで
きる。
【0024】
【作用】本発明に従えば、励磁のための磁場は、局所的
空間分布を有し、そのため試料の限定された部分にその
磁場を印加でき、したがってその限定された部分につい
て誘導電流を生じさせることができる。
【0025】
【実施例】図1は、本発明に従う改良型非接触プローブ
の好適実施例の断面図を略示したものである。プローブ
1の軸線に沿って位置する上下2本の芯ロッド2、11
の先端を取り巻くようにそれぞれ励磁コイル3、10が
巻かれている。これらの励磁コイルは直列に連結され、
好適には同じ向きに巻かれた同一仕様のコイルである。
また、その励磁コイル3、10の外側で励磁コイルを取
り巻くように、試料6に近接して、且つ共軸に上下一対
の検知コイル5、8が巻かれている。この一対の検知コ
イルは直列に連結され、好適には同じ向きに巻かれた同
一仕様のコイルである。さらに、上記励磁コイル3、1
0の外側で励磁コイルを取り巻くように、試料6から離
れて、且つ共軸に上下一対の打ち消しコイル4、9が巻
かれている。この一対の打ち消しコイルは直列に連結さ
れ、検知コイルとは逆向きで好適には同じ向きに巻かれ
た同一仕様のコイルである。ただし、これらの打ち消し
コイル4、9は後述する可変相互インダクタンス系を使
用するときには省略してもよい。
【0026】ロッド2、励磁コイル3、および検知コイ
ル5の先端が同一平面と成るように、全体を(図1にお
いて一点鎖線で示すように)モールドして一体化する。
ロッド11、励磁コイル10、および検知コイル8につ
いても同様にモールドする。このように検知コイル、励
磁コイルを一体化することにより、プローブを試料に対
して相対的に移動させることができる。
【0027】プローブ1の励磁コイル3、10の直径
と、上下のプローブの間隔との比は選択可能であって、
各試料に対して、所望の均一な磁場を付勢するよう調節
できる。一般に、試料が経験する磁場は、励磁コイルに
近づくにつれ増大するような位置の関数であるが、本発
明においては、試料は、適性に上下コイルに挟まれてい
る状態であり、言わばコイル内部にあるようなものなの
で、多少上下に移動しても試料が感じる磁場は一定であ
る。
【0028】試料は、上下の励磁コイル及び検出コイル
の間に、コイルの軸線と試料面が垂直になるように且つ
上下のコイルから等距離の位置に近接配置される。励磁
コイル3、10に、試料層6上に所望の磁場を形成する
よう電流を流す。励磁コイル3、10は局所化された磁
場を形成することから、試料層6の限定された一部につ
いてのみ均一な磁場を印加できる。
【0029】励磁コイル3、10には試料層6に誘導電
流を生じさせるために時間変化する電流を流す。比較的
微弱な臨界電流をもつ試料に対しては正弦波電流を流す
ことが望ましいが、比較的大きな臨界電流をもつ試料に
対してはLCR放電によって電流を流すことが望まし
い。
【0030】このような断続的に変化する電流を励磁コ
イルに流すと、通電状態では励磁コイルはその抵抗のた
め発熱するが、非通電状態では(自然)冷却される。し
たがって、励磁コイルの加熱と冷却とが交互になるた
め、短時間に非常に大きな電流が流れることにより励磁
コイルが安定動作ができない温度まで上昇しても、次に
冷却され、動作全体として励磁コイルの発熱を抑制で
き、励磁コイルに大きな電流を流すことができる。ま
た、試料層においても、非超伝導状態では励磁コイルが
通電しているとき誘導電流が発生し発熱するが、次の非
通電時に冷却されるため、発熱を抑制でき大きな磁場を
印加できる。
【0031】図2は、上述したプローブを利用した、試
料の電流密度測定装置の好適実施例の略示ブロック図で
ある。可変相互インダクタンス系25は、一方で、プロ
ーブ20の励磁コイル21、23及び検知コイル22、
24に接続され、他方で、励磁電源26及び磁化信号処
理系28に接続されている。可変相互インダクタンス系
25は、検知コイル22、24に発生する、励磁コイル
21、23の作る励磁磁場による誘導起電力を自動キャ
ンセルする。励磁電源26は、可変相互インダクタンス
系25を介して励磁コイル21、23に接続され、その
コイルを付勢する。励磁コイル21、23に流れる電流
値のデータは演算部29に送られる。検出用増幅器28
は、可変相互インダクタンス系25を介して検知コイル
22、24に接続されている。その増幅器28は好適に
は積分器であり、したがって、増幅器28より得られる
データは試料6に誘導された磁場ということになる。そ
のデータも演算部29に送られる。演算部29およびデ
ータ処理部30は、励磁電源26および増幅器28のデ
ータを演算処理し、電流密度、電気抵抗、臨界電流等を
導出する。また、制御部を設け、データ処理部30から
の信号により、励磁電源26及び可変相互インダクタン
ス系25を制御してもよい。図2の実施例において使用
するプローブには、図1の打ち消しコイル4、9が含ま
れていても、いなくてもよい。
【0032】次に、本発明による超伝導体の臨界電流値
の測定方法を説明する。上記打ち消しコイル又は可変相
互インダクタンス系により、励磁コイルが作る磁場によ
る検知コイルでの起電力は完全にキャンセルされ、出力
電圧は純粋に試料が作る磁場による検知コイルにおける
起電力のみになる。
【0033】この状態でまず、通常金属、好適には平板
の金属の磁化を測定する。励磁電流として時間変化する
正弦波電流を励磁コイルに供給すると、試料表面には交
流的に変化する磁化Mが生じる。平板金属の場合、磁化
Mは、M∝σDωと表され、試料の導電率σ、厚さD及
び角振動数ωの積に比例する。さらに、出力Vは磁化M
に比例することから、V−ωのグラフの傾きから出力V
と磁化Mの比例定数Rを装置定数として算出することが
できる。
【0034】次に、超伝導体試料の磁化を測定する。超
伝導体の場合、磁化Mの最大振幅は臨界電流密度JC
決まることより、出力Vは飽和磁化M0(JC)に比例する
関係が得られる。ここで、上述の装置定数Rを用いて、
V=4RM0なる関係式が導かれる。この式から飽和磁
化M0を求め、試料の磁化曲線から対応するJCを導出す
る。
【0035】また、この方法は、試料中に通常金属と、
超伝導体が混在する場合に応用することができる。上述
したように、金属の磁化はωに比例しているが超伝導体
の磁化は周波数に依存していないため、ωを十分小さく
とれば、金属の磁化の影響を除外でき、超伝導体からの
出力のみを分離することができる。
【0036】さらに、通常金属の抵抗率測定に上記方法
を応用できる。励磁電流の周波数を高くすることによ
り、信号を大きくすることもできる。
【0037】さらにまた、上記方法では、試料位置によ
る試料経験磁場の変動が小さいので、励磁磁場対励磁電
流の関係式の更生が容易になる。
【0038】以上のように、本発明に従うと、試料の所
望の部分について、超伝導体の臨界電流値等を測定する
ことができる。したがって、プローブを移動することに
より、またはマトリックス的に配置することにより試料
表面全体について測定することもでき、これにより臨界
電流値の分布図を作ることができる。
【0039】
【効果】本発明の改良型プローブにより、試料を加工す
ることなく且つ非接触で、電流密度を測定することが可
能になった。
【0040】本発明の改良型プローブによって、励磁磁
場の磁場強度が従来のものの約2倍となり、検出感度が
向上した。
【0041】本発明の改良型プローブによって、試料が
感じる磁場が非常に均一化され、試料のZ方向の位置精
度はあまり問題ではなくなった。
【0042】本発明の超伝導臨界電流測定装置によっ
て、出力されるのは、試料の作る磁場による誘導起電力
のみとなり、検出レベルが従来の約4倍に向上した。
【0043】本発明の新局所臨界電流測定法により、測
定時間が短縮され、試料の分離も容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の改良型プローブの部分断面図
である。
【図2】図2は、本発明のプロープを利用した電流密度
測定装置の略示ブロック図である。
【図3】図3は、従来の反射型プローブの部分断面図で
ある。
【図4】図4は、従来の透過型プローブの部分断面図で
ある。
【図5】図5は、従来の超伝導体の臨界電流測定装置を
示す。
【図6】図6は、従来のスクイド磁束計を示す。
【符号の説明】
1 改良型プローブ 2 芯ロッド 3 励磁コイル 4 打ち消しコイル 5 検知コイル 6 試料層 8 検知コイル 9 打ち消しコイル 10 励磁コイル 11 芯ロッド
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年6月17日
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 非接触で試料の電流密度を測定するため
    のプローブであって、 試料を挟んで上下に直列に連結された、該試料に誘導電
    流を生じさせるための磁場を形成する一対の励磁コイル
    と、 該励磁コイルの外側に配置され試料を挟んで上下に直列
    に連結された、前記誘導電流により試料の形成する磁場
    を検知する検知コイルと、から成り、 前記励磁コイルおよび前記検知コイルの軸線方向が共に
    前記試料の面に対して垂直である、ところのプローブ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のプローブであって、 前記一対の励磁コイルが共軸に配置され、同じ向きに巻
    かれた同一仕様のコイルであるところのプローブ。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のプローブであって、 前記一対の検知コイルが共軸に配置され、且つ該軸線は
    前記励磁コイルの軸線と同軸であるところのプローブ。
  4. 【請求項4】 請求項3記載のプローブであって、 前記一対の検知コイルは、同じ向きに巻かれた同一仕様
    のコイルであり且つ試料の近傍に配置されているところ
    のプローブ。
  5. 【請求項5】 請求項4記載のプローブであって、 前記励磁コイルの直径と上下コイルの間隔とが、試料に
    対し均一な磁場を与える関係を満たすように選択されて
    いるところのプローブ。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のプローブであって、さら
    に、 前記励磁コイルの外側に同軸に配置され、試料を挟んで
    上下に直列に且つ共軸に連結された、検知コイルに発生
    する励磁磁場による電圧を打ち消すための打ち消しコイ
    ルを含むプローブ。
  7. 【請求項7】 請求項6記載のプローブであって、 前記打ち消しコイルは、試料の作る磁場を感じない程度
    に試料から離れて配置されているところのプローブ。
  8. 【請求項8】 請求項1から7記載のプローブであっ
    て、 前記励磁コイルは、三角波電流が供給されることで付勢
    される、ところのプローブ。
  9. 【請求項9】 請求項1から7記載のプローブであっ
    て、 前記励磁コイルは、正弦波電流が供給されることで付勢
    される、ところのプローブ。
  10. 【請求項10】 超伝導体の臨界電流値測定装置であっ
    て、 請求項1から7記載のいずれかのプローブと、 前記検出コイルに発生する励磁磁場による電圧を打ち消
    すための可変相互インダスタンス系と、 該プローブの励磁コイルを作動させる励磁電源と、 前記プローブの検知コイルに接続され、検知された電圧
    を増幅する検出用増幅器と、 該検出用増幅器により増幅された信号から超伝導体の臨
    界電流値を算出する処理器と、から成る装置
  11. 【請求項11】 請求項10記載の装置であって、前記
    検出用増幅器が積分器である、ところの装置。
  12. 【請求項12】 請求項10または11記載の装置を使
    って超伝導体の臨界電流値を測定する方法であって、 上下の前記励磁コイル及び前記検知コイルの間に試料
    を、該コイルの軸線と試料面が垂直になるように且つ上
    下のコイルから等距離の位置に近接配置する工程と、 試料の磁化が十分に飽和するような大きさの且つ振幅が
    一定の交流励磁電流を前記励磁コイルに供給する工程
    と、 試料が無いときの検知電圧がゼロボルトになるように前
    記打ち消しコイルまたは可変相互インダクタンス系を調
    節する工程と、 金属試料の磁化測定から装置定数を算出する工程と、 超伝導体試料の磁化測定から上記装置定数を使って、飽
    和磁化を算出する工程と、 試料の磁化曲線を使って、前記飽和磁化に対応する電流
    密度を臨界電流密度として求める工程と、から成る方
    法。
  13. 【請求項13】 請求項12記載の方法であって、試料
    中に超伝導物質と通常金属とが混在するとき、さらに超
    伝導体の磁化を分離するために、周波数を十分低くして
    通常金属による磁化の影響を除外する工程を含む、とこ
    ろの方法。
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