JPH0727725A - 超伝導体の交番磁界損失の比色検出用測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多数の超伝導体被検体をその交流損失に関し
て短時間で測定することのできる測定装置を提供する。 【構成】 円筒状リング（１１）は軸方向長さを有し、
該軸方向長さは少なくとも被検体ホルダ（１）の軸方向
長さを有し、中央円筒領域（３）の他方の側には別の円
筒領域（２）が続いており、該別の円筒領域（２）は被
検体ホルダ（１）の最小直径と最大直径との間の直径を
有し、リング（１１）の嵌装された状態では片側の開放
されたリング空間（２２）が存在し、該リング空間（２
２）には、接触する材料と化学的に反応しない誘電流体
が充填されており、熱抵抗は被検体ホルダ（１）、リン
グ（１１）およびリング空間（２２）に存在する流体か
らなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、任意の周波数の交番磁
界における超伝導体の交番磁界損失を比色検出するため
の測定装置であって、超伝導被検体を有し、該超伝導被
検体は被検体ホルダに装着されており、該被検体ホルダ
は円筒体であり、該円筒体の材料は低い熱伝導率を有
し、前記被検体ホルダは中央円筒領域では他の円筒領域
におけるよりも小さな直径を有し、円筒体のジャケット
面には電気加熱装置が載置されており、該加熱装置に測
定すべき被検体が少なくとも１層巻き付けられており、
被検体ホルダのすぐ近傍には温度測定装置と熱抵抗が配
置されており、該熱抵抗は被検体と冷却浴液により接続
されている測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】交番磁界における超伝導体のエネルギー
散逸を測定することは超伝導体の使用に対して非常に重
要である。

【０００３】被検体の電磁固有特性に基づいた種々の測
定技術がある。ここに記載された比色法は非常に感度が
高く、さらに熱的調整時間が非常に短いためとくに優れ
ている。本発明の比色法は実質的に従来公知の比色法と
は、液体ヘリウム浴液の蒸発率が測定される点で異な
る。

【０００４】この測定の際にはヘリウムの蒸発が測定さ
れるのではなく、被検体の僅かな温度上昇が測定され
る。この温度上昇が損失に対する尺度である。この目的
のために、被検体は真空室内に置かれ、熱抵抗を介して
液体ヘリウム浴液と接触される。

【０００５】Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６１
（３），１９９０年３月、Ｃ．ＳｃｈｍｉｄｔとＥ．Ｓ
ｐｅｃｈｔ著、９８８−９９２頁、“ａｃ ｌｏｓｓ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｎ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｔｔ ｒａ
ｎｇｅ”には、図１に示された測定法と測定構成の原理
が記載されている。

【０００６】この測定法はケーブル損失の測定に初めて
使用された。この測定法は十分な精度を示す。平衡時定
数は僅か数秒である。

【０００７】本発明の方法の主たる利点は測定領域の大
きなことである。熱抵抗の値を変化するだけで、測定領
域を複数のオーダにわたって変化することができる。

【０００８】５０Ｈｚ交流適用に対するＮｂＴｉ／Ｃｕ
Ｎｉ超伝導体を１０Ｅ−８Ｗ以下の感度で測定すること
ができた。

【０００９】被検体の準備は時間がかかり、また真空の
問題が発生し得るものである。測定自体は迅速に正確か
つ容易に実施できても、被検体に対する準備作業は多数
の被検体を測定すべき場合、非常に時間がかかる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、多数
の超伝導体被検体をその交流損失に関して短時間で測定
することのできる測定装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、ジャケット面に温度測定装置が嵌め込まれており、
該温度測定装置は当該ジャケット面と面状に結合してお
り、被検体コイルよりも大きな直径を有する円筒領域が
前記中央円筒領域の一方の側に続いており、当該円筒領
域の上に円筒状リングが密に嵌装されており、当該リン
グの材料は冷却作用により被検体リングの材料と同じ
か、またはそれよりも強く収縮し、前記円筒状リングは
軸方向長さを有し、該軸方向長さは少なくとも被検体ホ
ルダの軸方向長さを有し、中央円筒領域の他方の側には
別の円筒領域が続いており、該別の円筒領域は被検体ホ
ルダの最小直径と最大直径との間の直径を有し、リング
の嵌装された状態では片側の開放されたリング空間が存
在し、該リング空間には、接触する材料と化学的に反応
しない誘電流体が充填されており、熱抵抗は被検体ホル
ダ、リングおよびリング空間に存在する流体からなるよ
うに構成して解決される。

【００１２】そのために被検体は熱伝導率の小さな円筒
体に巻き付けられる。被検体のすぐ下方には電気加熱ワ
イヤからなるコイルが配置される。このコイルにより被
検体は所定のように加熱することができ、これは較正に
用いる。被検体の温度測定装置を介して加熱が制御され
る。幾何学的理由から炭素抵抗は加熱コイルの下方に配
置される。しかしこの構成に起因する誤差は許容でき
る。被検体自体の温度測定は構造コストを極端に高め、
操作を非常に複雑にすることとなるから、連続測定を甘
受し得る所要時間で実施することはもはや不可能であ
る。

【００１３】被検体、加熱コイルおよび温度測定装置
は、比較的小さな直径を有する中央円筒領域に従来のよ
うに配置される。

【００１４】巻き付けられた本体には少なくともコイル
体の高さを有する中空円筒リングが嵌め込まれる。コイ
ル体は本体の下部において円筒状ジャケット面に、その
材料の強力な冷却収縮により密に当接しており、本体の
中央部および上部と共にリング空間を形成している。こ
のリング空間には測定のために化学的および物理的に適
切な流体が充填されている。被検体と液体ヘリウム浴液
との間の熱抵抗を本体または被検体ホルダ、液体および
中空円筒リングが形成する。被検体、収縮されたリング
および測定のために充填された液体はその自由表面を液
体ヘリウムにより囲まれている。

【００１５】従属請求項に記載された材料は測定装置に
使用されるものであり、測定装置の有利な構成を示す。

【００１６】被検体ホルダはファイバグラス−エポキシ
ドからなる。これの中央円筒部には準備加工された炭素
抵抗が温度測定装置としてジャケット面のすぐ下に嵌め
込まれ接着されている。うず電流損失を回避するため、
または少なくとも無視できる程度に抑圧するため、炭素
抵抗の銅線路は除去され、細いマンガニンワイヤが導電
性エポキシ樹脂により抵抗層に直接接着されている。マ
ンガニンワイヤは誘導電圧を回避するため、被検体本体
の切り込みで撚り合わされ、接続ソケットまで導かれ
る。同じように、加熱ワイヤは所定の直径を有するマン
ガニンワイヤからなる。接続ワイヤも同様に切り込みで
撚り合わされ、ソケットまで導かれる。ソケットは管の
上に配置されており、この管は被検体本体と同心に固定
結合され、測定装置に対する機械的ホルダとして用いら
れる。

【００１７】中空円筒ならびに被検体ホルダの中央円筒
領域と上部円筒領域との間のリング空間には液体、低粘
度の機械オイルが充填されている。この機械オイルは測
定に対する化学的および物理的周辺条件を満たす。被検
体はいずれの場合でも完全にオイルに浸漬される。この
構成によって固有の真空容器が不要となり、したがい測
定コストが格段に低減される。

【００１８】被検体の巻き付けは単に数分を要するだけ
である。前記の文献に示された測定法による実際の測定
は迅速に経過する。測定装置を同心に取り巻く超伝導ソ
レノイドが搬送缶に適合すれば、交番磁界損失測定は液
体ヘリウム用のこの通常の搬送缶で実施することができ
る。前記のソレノイドにより、測定のために重畳された
均一磁界を有する交番磁界が形成される。

【００１９】測定を高いバックグラウンド磁界で実施す
る必要のない通常の適用例に対しては、固有の低温保持
装置は必要ない。使用される（後で説明する）ソレノイ
ドは４８ｍｍの外径を有し、最大２．５Ｔの磁界を形成
する。測定パネル全体は非常に小さな質量を有するか
ら、液体ヘリウムの温度への冷却は数分で行われる。短
時間で十分な感度で連続して被検体を測定することがで
きる。

【００２０】従来の比色測定と比較して、簡単な装置測
定構成により使用されるヘリウムの量は格段に低減され
る。したがいコストも格段に低減する。

【００２１】本発明の実施例が図面に示されており、以
下説明する。

【００２２】

【実施例】被検体はこれまで専ら、高電流超伝導体技術
に対する導体部分である。したがって、エネルギー供給
網で通常の周波数（すなわち５０または６０Ｈｚ）ない
しは電力装置で通常の周波数帯域を有する交番磁界が測
定装置にて、交番磁界損失を検出するために形成され
る。具体的なプランニングおよび超伝導体を備えた設備
の部分的実現は、発電機、電動機、電力変換器、電流制
限器等の構成群および電子信号構成群ないし通信技術構
成群である。後者は意図する使用に依存して比較的に高
い周波数の重畳された交番磁界で測定される。

【００２３】図１の被検体ホルダ１または本体１は、異
なる直径を有する３つの円筒領域２、３、４からなる。
これら円筒領域は共通の軸線５を有する。中央領域２は
最も小さな直径３を有する。ジャケット面のすぐ下方で
は、温度測定装置６が切り込み２６に嵌め込まれており
接着されている（図２）。温度測定装置６は準備加工さ
れた炭素抵抗であり（図４参照）、後で詳細に説明す
る。

【００２４】炭素抵抗６の組込の後に処理された円筒ジ
ャケット面の上に加熱装置７が設けられている。加熱装
置は直径０．１ｍｍの加熱ワイヤを巻き付けた１つの層
からなる。加熱ワイヤはマンガニンからなり、エポキシ
ドが含浸され回転しながら硬化されている。これにより
加熱コイル７は外部に向かっては完全に平坦な表面が得
られる。加熱コイル７の２つの線路８は撚り合わされ、
切り込み内を被検体ホルダ１の軸線５方向に導かれてい
る。ここから線路は４極ソケット９に対して同心に導か
れ、これに鑞付けされている。

【００２５】中央領域３を介して被検体１０は単層また
は複数に巻き付けられる。これによりこの領域３の全軸
長が覆われる。下部領域４は、少なくとも巻き付けられ
たホルダ領域と同じである直径４を有する。これの上に
円筒状の管部材１１が載置される。この管部材はテフロ
ン製であり、下部領域４で被検体ホルダ１に密に当接し
ており、上方へ少なくとも本体１の端部まで達してい
る。残りの領域によりリング状空間２２は形成されてお
り、この空間には低粘度の機械オイルが充填されてい
る。これにより被検体１０はいずれにしろ完全にその中
に浸漬される。

【００２６】低い熱伝導率を有する非金属材料からなる
管部材１２は被検体ホルダ１に同心に当接しており、自
由端部は４極ソケット９により閉鎖されている。管部材
は同時に被検体ホルダ１に対する機械的保持部として用
いられる。管部材の中ではそれぞれ２つの電気線路８、
１３がソケット９に導かれ、そこでソケット９の相応の
ピンに鑞付けされている。これらの線路は図示されてい
ない信号処理および加熱装置７の電流源に対するもので
ある。外側の管壁には液体ヘリウムの温度測定用のさら
に別の温度測定装置１８が設けられている。両方の温度
測定装置６、１８により液体ヘリウムと被検体との間の
重要な温度差が測定される。

【００２７】このように準備された測定装置は次に測定
のために、内部へ土台２５の上へ摺動され、そこで同心
の凹部２４を介して被検体ホルダの底部に所定の位置で
保持される。土台２５は超伝導体ソレノイド１４のグラ
スファイバ強化プラスチックからなる（図３参照）。ソ
レノイド１４は電流リード線５を介して電流供給部と接
続されている。これは試料交換の際も接続されたままで
あり、したがって分解する必要はない。この磁石１４に
より所定の波形ないし所定の周波数領域における交番磁
界成分を有する均一磁界を形成することができる。その
ために装置全体は液体ヘリウムを有する缶１６に浸漬さ
れる。図３は単にその閉鎖部１７を有する缶１６の付け
根だけを示す。測定装置の所要空間については図３およ
び図１に重要な外側寸法が示されている。

【００２８】図４は測定装置のために準備加工された炭
素抵抗６を示す。右半分は元の状態を、左半分は市販さ
れている炭素抵抗６を準備加工した状態を示す。これは
１００Ωの公称抵抗値を有するアレン−ブラッドリー炭
素抵抗である。４．２Ｋの際にこの抵抗は約１０００Ω
の抵抗値を有する。測定に使用するためそのセラミック
外皮１９と炭素層２０の一部が全長にわたってセグメン
ト状に扁平に面取りされている（図４参照）。元の錫め
っきされた銅ワイヤ端子２１は直径０．１ｍｍのマンガ
ニンワイヤにより置換されている。というのは錫めっき
された銅ワイヤ端子は交番磁界で大きな損失を産むから
である。残った錫は完全にエッチング除去される。２つ
のマンガニンワイヤ端部は導電性エポキシ樹脂により炭
素層２０のそれぞれの端面に接着される。薄い絶縁層の
施された２つのマンガニンワイヤ１３は次に、導体を取
り囲む面が印加される交番磁界に対してできるだけ垂直
にならないように撚り合わされる。この面により誘導電
圧が形成され得るからである。

【００２９】このように準備加工された炭素抵抗６はそ
の扁平端面を外側にして、被検体ホルダ１の中央領域３
の切り込み２６の中に置かれ、位置を固定するため接着
される。

【００３０】測定装置の性能を以下、測定方法に基づい
て説明する（図５も参照）。

【００３１】第１の実験ステップで較正曲線が記録され
る。この曲線は試料支持体１にある温度センサ６のオー
ム抵抗経過を加熱能力に依存して示す。ヘリウム温度Ｔ
１も同様に既知であるから、重要な温度差の経過ΔＴを
プロットすることができる。

【００３２】温度センサ６自体は較正する必要はない。
温度の関数としての抵抗値のおおよその経過は、被検体
１０の温度が許容領域内を経過することを保証するため
にだけ必要である。

【００３３】本来の測定は所望の周波数および振幅の交
番磁界を印加し、試料ホルダ１の炭素抵抗６のそれぞれ
の抵抗値を測定することにある。これらの値から前もっ
て求めた較正曲線を用い、相応する損失電力が算出され
る。この方法は測定領域に応じて約２から５％の領域の
精度を提供する。

【００３４】測定精度を高めるべき場合、交番磁界によ
る各測定点記録ごとにこの点を磁界なしで、しかし加熱
装置７により相応の温度ないし温度センサ６の相応の抵
抗値まで加熱して記録しなければならない。これにより
達成される測定精度は１％以下の誤差である。

【００３５】測定装置の使用可能な測定領域は、熱抵抗
および許容される測定可能な最大および最小温度差によ
り定められる。測定可能な最小温度差が１０ｍＫであ
り、測定可能な最大温度差が１Ｋの場合、測定領域は２
桁のオーダである。さらに大きな温度差も測定可能であ
るが、しかしこれはもはや使用できるものではない。許
容される最大温度差は、実際の測定の際に試料温度の変
動がどの程度許容されるかに依存する。一般的に交流損
失は僅かしか温度に依存せず、計算で補正することがで
きる。

【００３６】基本的に、ヘリウム浴液の温度Ｔ１が変化
しても試料温度Ｔ２を一定に保持することができる。
４．２Ｋ以下に低下させることはヘリウム浴液を所定の
圧力に排気することにより簡単にできる。この圧力、延
いてはヘリウム温度は、試料温度が常に同じ値に留まる
ように調整する。しかし測定コストを高めることになる
この手段はほとんどの場合必要ない。

【００３７】測定装置の構造は、流し込みによる測定の
場合に重要である。被検体ホルダ内の温度プロフィル
は、加熱装置または被検体で同じ電力が散逸する場合に
は正確に同じものではない。

【００３８】図２のｂは、測定装置の中央円筒領域３で
の半径方向温度プロフィルを、同じ電力における交番磁
界によるエネルギー散逸とヒータ７を投入接続した際の
エネルギー散逸の両方の場合について示す。測定された
温度は、同じ電力における較正測定の場合よりもやや高
い。これは熱源の位置が異なるためである。そのため補
正が必要である。

【００３９】付加的実験で、細い加熱ワイヤを巻き付け
た０．４ｍｍの銅ワイヤによって超伝導試料を置換し
た。したがってこの場合試料は交番磁界ではなくオーム
加熱で加熱した。この試料の損失電力を組み込んだ加熱
コイルの電力と同じ測定温度で比較することにより所要
の補正量が得られる。この補正量は２．１％±０．３％
であった。すなわち交番磁界損失は２．１％だけ、同じ
温度に調整されたオーム加熱の場合よりも高い。

【００４０】測定装置の最適化は、測定装置がそのため
に設計された所定の試料形式に対してだけ行うことがで
きる。種々の試料は装置の種々異なる感度または種々異
なる最小試料直径を必要とする。というのは太い試料を
小さな半径に曲げることはできないからである。

【００４１】装置の感度 ΔＴ／Ｑ＝Ｒｔｈ （Ｒｔｈ＝熱抵抗） は重要なパラメータである。感度は測定可能領域を定め
る。感度は実施例では５５Ｋ／Ｗである。所定の試料に
対しては、ΔＴ／Ｑが比較的に大きいかまたは小さい場
合が有利である。

【００４２】試料の有する損失が小さければ小さいほ
ど、ΔＴ／Ｑは大きくなければならない。そのためには
ナイロンのような熱伝導率の小さな材料を使用しなけれ
ばならない。試料の直径を低減すると同様にΔＴ／Ｑは
大きくなる。係数１０、すなわちΔＴ／Ｑが約５００Ｋ
／Ｗまでは実施可能である。

【００４３】高い損失を有する試料に対してΔＴ／Ｗを
低減することは簡単にできる。そのためには比較的に大
きな伝導率を有する材料、比較的に大きな直径の試料支
持体および比較的に薄い外側円筒を使用すればよい。

【００４４】所定の試料支持体では感度をある程度変化
させることができる。すなわち、外側スリーブないしリ
ング１１に対して異なる材料を使用するのである。２つ
の材料、ナイロンとテフロンについて検出した。

【００４５】 ナイロンスリーブ 太さ６ｍｍ：ΔＴ／Ｑ＝９４Ｋ／Ｗ テフロンスリーブ 太さ０．６ｍｍ：ΔＴ／Ｑ＝３４Ｋ
／Ｗ これは係数３の変化を意味する。

【００４６】試料支持体のコアを取り出し可能にしても
感度を低下することができる。これにより軸への比較的
良好な熱放出が可能である。

【００４７】実施例では ΔＱ＝ΔＴ／Ｒｔｈ＝５μＷ の出力分解能が得られた。ここでＲｔｈ＝５５Ｋ／Ｗで
あり、温度分解能は±０．２５ｍＫである。

【００４８】熱調整時間は、加熱出力を印加または遮断
した際の温度変換に対する時定数から得られる。この熱
調整時間は、一定の加熱卯出力を取り去った後、液体ヘ
リウムの温度に指数的に降下するために重要である。

【００４９】実施例ではこの時定数は約２．５秒であ
る。交番磁界の印加後の５つの時定数で、温度は１％以
下の誤差で最終値になる。このことは非常に短い間隔で
の測定点の記録を意味する。

【００５０】比較のためもう一度、ヘリウム浴液の蒸発
率を測定する比色法を参照する。この場合相応する時定
数は、数分以上の領域にある。このことは非常に時間が
かかることを意味する。

【００５１】

【発明の効果】本発明により、多数の超伝導体被検体を
その交流損失に関して短時間で測定することのできる測
定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の概略図である。

【図２】本発明の中央円筒領域の断面図および半径方向
の温度経過を示す線図である。

【図３】測定装置の概略図である。

【図４】炭素抵抗の概略図である。

【図５】測定の基本を示す図である。

【符号の説明】

１ 被検体ホルダ ２、３、４ 領域 ５ 軸線 ６ 温度測定装置 ７ 加熱装置 ９ ソケット １０ 被検体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 任意の周波数の交番磁界における超伝導
   体の交番磁界損失を比色検出するための測定装置であっ
   て、超伝導被検体（１０）を有し、 該超伝導被検体は被検体ホルダ（１）に装着されてお
   り、 該被検体ホルダは円筒体であり、 該円筒体の材料は低い熱伝導率を有し、 前記被検体ホルダ（１）は中央円筒領域（３）では他の
   円筒領域におけるよりも小さな直径を有し、 円筒体のジャケット面には電気加熱装置（７）が載置さ
   れており、 該加熱装置に測定すべき被検体（１０）が少なくとも１
   層巻き付けられており、 被検体ホルダ（１）のすぐ近傍には温度測定装置（６）
   と熱抵抗が配置されており、 該熱抵抗は被検体（１０）と冷却浴液により接続されて
   いる測定装置において、 前記ジャケット面に温度測定装置（６）が嵌め込まれて
   おり、 該温度測定装置は当該ジャケット面と面状に結合してお
   り、 被検体コイル（１０）よりも大きな直径（４）を有する
   円筒領域（４）が前記中央円筒領域（３）の一方の側に
   続いており、 当該円筒領域（４）には円筒状リング（１１）が密に嵌
   装されており、 当該リングの材料は冷却作用により被検体リングの材料
   と同じか、またはそれよりも強く収縮し、 前記円筒状リング（１１）は軸方向長さを有し、 該軸方向長さは少なくとも被検体ホルダ（１）の軸方向
   長さを有し、 中央円筒領域（３）の他方の側には別の円筒領域（２）
   が続いており、 該別の円筒領域（２）は被検体ホルダ（１）の最小直径
   と最大直径との間の直径を有し、 リング（１１）の嵌装された状態では片側の開放された
   リング空間（２２）が存在し、 該リング空間（２２）には、接触する材料と化学的に反
   応しない誘電流体が充填されており、 熱抵抗は被検体ホルダ（１）、リング（１１）およびリ
   ング空間（２２）に存在する流体からなることを特徴と
   する測定装置。
2. 【請求項２】 被検体ホルダ（１）はグラスファイバ−
   エポキシ樹脂またはナイロンまたはそのほかの非金属材
   料からなる請求項１記載の測定装置。
3. 【請求項３】 温度測定装置（６）は炭素抵抗（６）で
   あり、 該炭素抵抗のジャケット面は一部の領域で炭素層（２
   ０）まで面取りされて扁平になっており、 該炭素抵抗（６）は被検体ホルダ（１）に、ジャケット
   面の扁平領域が被検体ホルダ（１）の中央円筒領域
   （３）内に位置するように嵌め込まれ、熱伝導性のエポ
   キシ樹脂により接着されており、 所定の太さの２つのマンガニンワイヤ（１３）が炭素層
   （２０）から直接、外部に印加される交番磁界による誘
   導性電圧成分が無視できるほど小さく保持されるように
   引き出されている請求項２記載の測定装置。
4. 【請求項４】 中央円筒領域（３）に設けられた加熱装
   置（７）は、ジャケット面に巻き付けられ、エポキシ樹
   脂の充填されたマンガニンワイヤまたは非強磁性材料の
   別の抵抗ワイヤからなる請求項３記載の測定装置。
5. 【請求項５】 それぞれ撚り合わされた２つのリード線
   （８、１３）が炭素抵抗（６）および加熱装置（（７）
   から溝に接着されて被検体ホルダ（９）の軸（５）方向
   に導かれ、少なくとも４極ソケット（９）と鑞付けされ
   ており、 ソケットは管（１２）に組み付けられており、 該管は軸方向に被検体ホルダ（１）に強固に結合されて
   いる請求項４記載の測定装置。
6. 【請求項６】 リング空間（（２２）の充填に使用する
   流体は低粘度のオイルであり、 該オイルは液体ヘリウムの温度において低い熱伝導率を
   有し、 試料交換の際に特別に注意して取り扱う必要がない請求
   項5記載の測定装置。