JP2004069674A

JP2004069674A - 超伝導体の電流・電圧特性測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2004069674A
Application number: JP2003111662A
Authority: JP
Inventors: Hirofumi Yamazaki; 山崎　裕文; Yasunari Motai; 馬渡　康徳
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2023-04-16
Also published as: JP3845729B2

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＝Ｉ_０ｃｏｓ２πｆｔ（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_３を測定する方法がすでに提案されている。これは、Ｉ_０をゼロから増加して行き、Ｖ_３が大きく生じ始めるときの交流電流値Ｉ_０＝Ｉ_ｔｈ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_０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_０とＶ_３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_０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_３とを測定する。Ｉ_０をゼロから増加して行き、Ｖ_３が大きく生じ始めるときの交流電流値Ｉ_ｔｈ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_０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_１を測定する。Ｉ_０をゼロから増加して行き、Ｖ_１が大きく生じ始めるときの交流電流値Ｉ_ｔｈ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_１の変化が生じるときの交流電流値Ｉ_ｔｈ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Ｉ_ｔｈ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Ｈ_０ｃｏｓ２πｆｔ、超伝導膜の厚さをｄ、真空の透磁率をμ_０とすると、ほぼＥ_０＝４μ_０Ｈ_０ｆｄで与えられる。即ち、電界Ｅ_０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_０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_３＝μ_０ｆＩ_ｔｈＧ（Ｉ_０／Ｉ_ｔｈ）　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_３／ｆをＩ_０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、Ｉ_ｔｈ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_３／ｆ対Ｉ_０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、Ｉ_ｔｈ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_３／ｆをＩ_０に対して測定し、Ｉ_ｔｈ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_０＝４μ_０Ｈ_０ｆｄ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_０／√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_３／√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、Ｉ_ｔｈ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ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−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_０（Ａ／ｍ）＝６２，０００×Ｉ_０（Ａ）で既知であるため、超伝導体にかかる電界Ｅ_０＝４μ_０Ｈ_０ｆｄ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、Ｉ_ｔｈ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Ｉ_ｔｈを決め、それからＪｃを計算した。各周波数に対して、電界Ｅ_０＝４μ_０Ｈ_０ｆｄ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^ｎ）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_３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_０／√２対Ｖ_３／√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ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−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_３／√２ｆ＝０．０５μＶ　ｓｅｃ　となる点で、各々の周波数に対してＩ_ｔｈを決め、それからＪｃを計算した。各周波数に対して、電界Ｅ_０＝４μ_０Ｈ_０ｆｄ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^ｎ）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_０とコイルに生じる第３高調波誘導電圧Ｖ_３の関係を、周波数ｆを変化させて複数回測定し、Ｖ_３が大きく生じ始めるときの交流電流値Ｉ_ｔｈ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_０とＶ_３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_０／√２に対する、コイルに生じた第３高調波誘導電圧Ｖ_３／√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_０／√２対Ｖ_３／√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

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。
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_３、上記交流電流の周波数をｆ、上記交流電流をＩ_０としたときに、Ｖ_３／ｆをＩ_０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。
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。
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。
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。
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。
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。
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_３、上記交流電流の周波数をｆ、上記交流電流をＩ_０としたときに、Ｖ_３／ｆをＩ_０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。
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。
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。
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。
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。