JP2004069674A - 超伝導体の電流・電圧特性測定方法及び装置 - Google Patents

超伝導体の電流・電圧特性測定方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の課題は、大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材、および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体の電流・電圧特性とその分布を、いかに非破壊的かつ非接触で測定するかである。
【解決手段】超伝導体の直上に配置したコイルに交流電流を流し、該電流及び該電流によりコイルに誘起される第3高調波誘導電圧とを検出することにより超伝導体の臨界電流密度を求める方法を用い、該交流電流の周波数を変化させて臨界電流密度を複数回測定することによって、超伝導体の電流・電圧特性を測定する。駆動コイルの近傍に配置された検出コイルに誘起される基本波誘導電圧の測定から臨界電流密度を測定する方法を用いても、該交流電流の周波数を変化させて臨界電流密度を複数回測定することによって、超伝導体の電流・電圧特性を測定することができる。
【選択図】  図4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材、および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体における、電流と電圧の関係(電流・電圧特性)を、非破壊的かつ非接触で評価する測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体は、限流器、超伝導マグネット、軸受け等、さまざまな電力機器への応用が期待されている。超伝導体の電流・電圧特性は、これらの電力機器に応用したときの超伝導体の性能を決める重要な特性であり、特に、高温超伝導酸化物においては、電流・電圧特性がなだらかであることが知られているため、さまざまな応用において、重要な役割を果たす。
【0003】
限流器においては、系統事故時の常伝導転移挙動を左右するため、機器設計に必要であり、超伝導マグネットおよび軸受けにおいては、磁束クリープによる超伝導電流の減衰を決めることから、マグネットにおける永久電流モード運転および軸受けにおける長期運転のために必要不可欠である。これらの大面積・大型の超伝導体を、さまざまな電力機器に応用するため、超伝導体の電流・電圧特性とその分布を非破壊的に非接触で、かつ簡便に評価する方法の開発が望まれていた。
【0004】
また、超伝導体の電流・電圧特性は、超伝導試料の均一性を表わすパラメーターであり、試料が均一であればあるほど、電流・電圧特性が急峻であることが知られている。従って、超伝導テープ線材や限流器用の導体等の製造工程において、その電流・電圧特性を評価すれば、プロセスの評価が可能となり、製造技術へのフィードバックをかけることができる。
【0005】
(1)超伝導体の電流・電圧特性を評価するのに最もよく用いられている方法の一つは、超伝導体に電流端子と電圧端子の4つの電極を付け、通電電流を流して電圧を測定する4端子法である。しかし、この方法を用いるためには、超伝導体を加工する必要があり、そのときの超伝導特性の劣化が問題となる。また、臨界電流以上に通電電流を流す必要があるため、急激な熱の発生等で超伝導体を壊してしまう恐れもある。
【0006】
電流・電圧特性を非破壊的に評価するのに最もよく用いられている方法の一つは、直流磁化を測定する方法であるが、これは、小さな超伝導体全体の平均的な電流・電圧特性しか評価することができない。
【0007】
(2)超伝導膜の局所的な臨界電流密度の分布を評価する方法として、超伝導膜直上に配置したコイルに流す交流電流I=Icos2πft(fは交流電流の周波数、tは時間)とコイルに生じる第3高調波誘導電圧(の振幅)Vを測定する方法がすでに提案されている。これは、Iをゼロから増加して行き、Vが大きく生じ始めるときの交流電流値I=Ithから臨界電流密度Jcを評価する方法である(下記非特許文献1参照)。
【0008】
同様の方法として、コイルに生じる第3高調波誘導電圧を測定するかわりに、駆動コイルと超伝導膜を挟んで対称の位置に検出コイルを配置し、駆動コイルに流す交流電流値Iと検出コイルに誘起される基本波誘導電圧を測定する方法もある(下記非特許文献2参照)。なお、検出コイルを駆動コイルと共巻きにして、基本波誘導電圧の変化を測定することでも、臨界電流密度を評価することができる(下記非特許文献3参照)。
【0009】
また、同様な方法で、超伝導厚膜、バルク材について、IとVの関係を詳細に解析して臨界電流密度を測定する方法がすでに提案されている(下記非特許文献4参照)。
【0010】
しかし、これらの方法では、超伝導体の臨界電流密度を測定できるのみで、電流・電圧特性までは評価できなかった。
【0011】
【非特許文献1】
J. H. Claassen, M. E. Reeves and R. J. Soulen, Jr., ”A contactless method for measurement of the critical current density and critical temperature of superconducting films”, Rev. Sci. Instrum. 62, 996 (1991).
【非特許文献2】
H. Hochmuth and M. Lorenz, ”Inductive determination of the critical current density of superconducting thin films without lateral structuring”, Physica C 220, 209 (1994).
【非特許文献3】
H. Hochmuth and M. Lorenz, ”Side selective and non−destructive determination of the critical current density of double−sided superconducting thin films”, Physica C 265, 335 (1996).
【非特許文献4】
馬渡康徳、山崎裕文、中川愛彦、「超伝導薄膜,バルク材における臨界電流密度と第三高調波誘導電圧」、第66回2002年度春季低温工学・超電導学会講演概要集
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材、および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体の電流・電圧特性とその分布を、いかに非破壊的かつ非接触で測定するかである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本願発明は、上記課題を達成するために以下の解決手段を採用する。
(1)超伝導膜の直上に小さなコイルを配置し、該コイルに交流電流を流し、このコイルに流れる電流Iと、この電流によりコイルに誘起される第3高調波誘導電圧Vとを測定する。Iをゼロから増加して行き、Vが大きく生じ始めるときの交流電流値Ithから臨界電流密度Jcを評価するのは、上記非特許文献1と同様である。
【0014】
(2)別法として、超伝導膜の直上に小さな駆動コイルを配置し、該駆動コイルに交流電流を流し、このコイルに流れる電流Iと、この電流により駆動コイルと超伝導膜を挟んで対称の位置に配置された検出コイルに誘起される基本波誘導電圧Vを測定する。Iをゼロから増加して行き、Vが大きく生じ始めるときの交流電流値Ithから臨界電流密度Jcを評価するのは、上記非特許文献2と同様である。また、検出コイルを駆動コイルと共巻きにし、Vの変化が生じるときの交流電流値Ithから臨界電流密度Jcを評価することもできる(上記非特許文献3参照)。
【0015】
(3)コイルの電流値がIth付近のとき、超伝導体に誘起される電界(の振幅)は、コイルの作る交流磁界をHcos2πft、超伝導膜の厚さをd、真空の透磁率をμとすると、ほぼE=4μfdで与えられる。即ち、電界Eで駆動させたときに電流密度Jcの超伝導電流が流れることがわかる。従って、周波数fを変化させ、Eを変化させて、臨界電流密度Jcを複数回測定し、Jcの周波数依存性を測定することによって、電流密度と電界の関係(電流・電圧特性)を評価することができる。このことは、第3高調波誘導電圧を用いる方法(上記(1))と基本波誘導電圧を用いる方法(上記(2))の両者に当てはまる。
【0016】
【実施の態様】(1)超伝導膜に流れる電流密度が、臨界電流密度Jcに等しいか、より小さいときに抵抗ゼロ、それより大きいときに抵抗無限大という臨界状態モデル(電流・電圧特性が無限に急峻)によれば、第3高調波誘導電圧は、V=μfIthG(I/Ith) と表わされる。ここに、Gは、コイルの形状と巻き数、超伝導膜に対する配置のみで決まるスケール関数である。従って、周波数fを変化させて、V/fをIに対して測定すると、周波数によらず、全く同じ曲線が得られるはずであり、Ithから計算される臨界電流密度Jcは、全く同じになるはずである。
【0017】
(2)しかし、実際の超伝導体においては、超伝導膜に流れる電流密度が臨界電流密度Jcより小さいときでも微小な電圧が発生しており、また、電流密度がJcより少し大きくなっても、すぐに非常に大きな抵抗(電圧)が発生するわけではなく、電流・電圧特性は、臨界状態モデルよりもなだらかである。このため、超伝導膜に流れる電流密度は駆動する電界によって決まり、通常、臨界電流密度Jcを電界の関数として定義している。
【0018】
(3)第3高調波誘導電圧測定法において、V/f対I曲線を周波数fを変化させて複数回測定した場合、全く同じ曲線が得られるわけではなく、超伝導体の電流・電圧特性を反映した変化が生ずる。そして、Ithから計算される臨界電流密度Jcも電流・電圧特性を反映して変化する。このため、V/fをIに対して測定し、IthからJcを測定することを、周波数fを変化させ、駆動する電界E=4μfdを変化させて、複数回行なえば、電流・電圧特性を評価することができる。
【0019】
(4)ここでは、第3高調波誘導電圧の測定から超伝導膜の電流・電圧特性を測定する方法を示したが、駆動コイルの近傍に配置された検出コイルに誘起される基本波誘導電圧の測定から超伝導膜の電流・電圧特性を測定することもできる。また、厚さの厚いバルク材等においても、上記特許文献4に記載の方法による臨界電流密度の測定を周波数を変えて複数回行えば、同様に、電流・電圧特性を評価することができる。
【0020】
【実施例】
図1は、コイルに流した交流電流(実効値)I/√2に対する、コイルに生じた第3高調波誘導電圧(実効値)V/√2を周波数fで割った値の特性図であり、周波数を200Hzから20kHzまで変化させて複数回測定している。この図から、Ithの周波数依存性を得ることができる。なお、この特性図のデータは、1センチ角、厚さd=550nmの超伝導YBaCu7−d膜において、液体窒素温度77.3Kで測定したものである。
【0021】
この実験に用いたコイルでは、交流磁界H(A/m)=62,000×I(A)で既知であるため、超伝導体にかかる電界E=4μfdは、各周波数において簡単に計算することができる。また、臨界電流密度Jcは、Ithに比例し、その比例係数は、実験または計算により容易に求めることができる。
【0022】
図1のデータにおいて、(第3高調波誘導電圧/周波数)=0.05μV secとなる点で、各々の周波数に対してIthを決め、それからJcを計算した。各周波数に対して、電界E=4μfdを計算し、この両者から求めた電流・電圧特性(電流密度と電界の関係)を図1の挿入図に示す。高温超伝導酸化物においてよく観測される、冪乗の電流・電圧特性(E〜J)に近い特性が得られ、n=28と計算されたが、細かく見ると冪乗からのずれが観測された。このずれの原因について調べたところ、第3高調波誘導電圧を測定する際のノイズに起因することがわかったため、そのノイズを低減する工夫を行なった。
【0023】
図2に、ノイズ低減用のキャンセルコイルを含む測定回路の模式図を示す。キャンセルコイルは、試料コイルと同一仕様で製作したコイルであり、臨界電流密度及び臨界電流の大きい(試料薄膜とは別の)超伝導薄膜の直上に配置されているため、試料コイルとほぼ等しい電気抵抗、インダクタンスを有する。発振器及び電力増幅器を用いて、試料コイル及びそれと直列に接続したキャンセルコイルに周波数fの交流電流を流し、それらのコイルに発生した第3高調波誘導電圧を測定するわけであるが、図に示すように、A点の電圧からB点の電圧の2倍を減じた電圧を測定すれば、発振器及び電力増幅器に起因する高調波ノイズ電圧を有効に除去することができ、試料コイルの直下に配置された試料薄膜に起因する信号電圧Vのみを正確に測定することができる。
【0024】
図3に、図2の測定回路を用いて測定した、I/√2対V/√2fの特性図を示すが、この図では、周波数を100Hzから20kHzまで変化させて複数回測定している。なお、この特性図のデータは、1センチ角、厚さd=250nmの超伝導YBaCu7−d膜において、液体窒素温度77.3Kで測定したものである。図3のデータにおいて、V/√2f=0.05μV sec となる点で、各々の周波数に対してIthを決め、それからJcを計算した。各周波数に対して、電界E=4μfdを計算し、この両者から求めた電流・電圧特性(電流密度と電界の関係)を図4に示す。ノイズ低減の効果で、ほぼ冪乗の電流・電圧特性(E〜J)が観測され、n=20.8と計算された。なお、図4の挿入図には、同じ電流・電圧特性を線形スケールで示している。
【0025】
【発明の効果】本願発明によれば、コイルに流す交流電流Iとコイルに生じる第3高調波誘導電圧Vの関係を、周波数fを変化させて複数回測定し、Vが大きく生じ始めるときの交流電流値Ithの周波数依存性を調べることによって、局所的な電流・電圧特性を評価することが可能になる。こうして、大面積超伝導膜や超伝導テープ線材を電力機器に応用する上で重要な特性である電流・電圧特性を正しく評価することができる。
【0026】
また、超伝導バルク材のように厚さが厚い場合でも、IとVの関係を、周波数fを変化させて複数回測定することによって、電流・電圧特性を評価することが可能になる。
超伝導体の上でコイルを走査させて測定を行えば、電流・電圧特性の分布を評価することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】超伝導薄膜において、コイルに流した交流電流I/√2に対する、コイルに生じた第3高調波誘導電圧V/√2を周波数fで割った値の特性図である。周波数を200Hzから20kHzまで変化させて複数回測定している。挿入図は、このデータから計算された電流・電圧特性を示す。
【図2】第3高調波誘導電圧のノイズ低減用のキャンセルコイルを含む測定回路の模式図。
【図3】図2の測定回路を用いて測定した、I/√2対V/√2fの特性図。周波数を100Hzから20kHzまで変化させて複数回測定している。
【図4】本発明によって評価された、超伝導薄膜の電流・電圧特性。本図はログスケール、挿入図は線形スケールで表示している。

Claims (12)

  1. 超伝導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び該交流電流により該コイルに誘起される第3高調波誘導電圧を検出することにより、該交流電流の周波数における該超伝導体の臨界電流密度を測定する工程と、該周波数と異なる周波数において、該工程を複数回行なうことによって、超伝導体の電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  2. 請求項1に記載された超伝導体の電流・電圧特性測定方法において、上記超伝導体の電流・電圧特性は、上記第3高調波誘導電圧の振幅をV、上記交流電流の周波数をf、上記交流電流をIとしたときに、V/fをIに対して測定することにより求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  3. 請求項1に記載された超伝導体の電流・電圧特性測定方法において、上記コイルに誘起される第3高調波誘導電圧を検出する際に、該コイルとは別体の該コイルと同一仕様で作製されたキャンセルコイルを上記超伝導体よりも高い臨界電流を有する別の超伝導体の近傍に配置して、第3高調波誘導電圧のノイズを低減することを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載された超伝導体の電流・電圧特性測定方法において、上記コイルを該超伝導体の各点に配置することにより、上記超伝導体の局所的な各点における電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  5. 超伝導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び該コイルの近傍に配置された検出コイルに誘起される基本波誘導電圧の変化を検出することにより、該交流電流の周波数における該超伝導体の臨界電流密度を測定する工程と、該周波数と異なる周波数において、該工程を複数回行なうことによって、超伝導体の電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  6. 請求項5に記載された超伝導体の電流・電圧特性測定方法において、上記超伝導体の近傍に配置したコイル及び上記検出コイルを該超伝導体の各点に配置することにより、上記超伝導体の局所的な各点における電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定方法。
  7. 超伝導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び該交流電流により該コイルに誘起される第3高調波誘導電圧を検出することにより、該交流電流の周波数における該超伝導体の臨界電流密度を測定する工程と、該周波数と異なる周波数において、該工程を複数回行なうことによって、超伝導体の電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
  8. 請求項7に記載された超伝導体の電流・電圧特性測定装置において、上記超伝導体の電流・電圧特性は、上記第3高調波誘導電圧の振幅をV、上記交流電流の周波数をf、上記交流電流をIとしたときに、V/fをIに対して測定することにより求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
  9. 請求項7に記載された超伝導体の電流・電圧特性測定装置において、上記コイルに誘起される第3高調波誘導電圧を検出する際に、該コイルとは別体の該コイルと同一仕様で作製されたキャンセルコイルを上記超伝導体よりも高い臨界電流を有する別の超伝導体の近傍に配置して、第3高調波誘導電圧のノイズを低減することを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
  10. 請求項7ないし9のいずれかに記載された超伝導体の電流・電圧特性測定装置において、上記コイルを該超伝導体の各点に配置することにより、上記超伝導体の局所的な各点における電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
  11. 超伝導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び該コイルの近傍に配置された検出コイルに誘起される基本波誘導電圧の変化を検出することにより、該交流電流の周波数における該超伝導体の臨界電流密度を測定する工程と、該周波数と異なる周波数において、該工程を複数回行なうことによって、超伝導体の電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
  12. 請求項11に記載の超伝導体の電流・電圧特性測定装置において、上記超伝導体の近傍に配置したコイル及び上記検出コイルを該超伝導体の各点に配置することにより、上記超伝導体の局所的な各点における電流・電圧特性を求めることを特徴とする超伝導体の電流・電圧特性測定装置。
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