JP2004117082A - 超電導線材の臨界電流特性を測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久電流モードのコイル用線材特性の評価においても測定精度が高く、かつ測定時に線材表面に傷が入ることがなく、かつ測定感度が高い超電導線材の臨界電流特性の測定方法および装置を提供する。
【解決手段】測定対象である長尺状の超電導線材３０を渦巻状に巻線したパンケーキコイル１と金属線を巻線したキャンセルコイル２とを相互誘導が生じるように配置し、パンケーキコイル１に通電したときにパンケーキコイル１に発生するインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌと、キャンセルコイル２に発生する逆極性の誘導電圧Ｖ２とを加算することにより電圧Ｖ_Ｌをキャンセルした状態で、超電導線材３０の両端電圧を測定することで超電導線材３０の臨界電流特性を測定する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導線材の臨界電流特性を測定する方法および装置に関し、特に長尺状の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温超電導線材の臨界電流特性の評価をする場合、線材の端部またはその一部だけを測定する場合と、線材全長に亘り測定する場合との２種類がある。長尺状の線材を測定する場合、たとえば以下の特許文献１（特開平１０−２３９２６０号公報）に開示された方法および装置が用いられる。
【０００３】
図５は、特開平１０−２３９２６０号公報に開示された超電導線材の臨界電流特性を測定する装置を示す模式図である。図５を参照して、測定装置１１０は、冷却槽１０７と、サプライリール１１１と、巻き取りリール１１２と、電極部１１３、１１４と、演算・制御用コンピュータ１１７と、測定部１１８とを主に備えている。
【０００４】
サプライリール１１１に巻付けられた長尺状の超電導線材１０１は、巻取りリール１１２によって巻取られる。そしてサプライリール１１１と巻取りリール１１２との間にて、超電導線材１０１は冷却槽１０７内の液体窒素１０８中に浸漬される。これにより、超電導線材１０１の一部が液体窒素にて冷却されて超電導状態とされる。電流源１０６に電気的に接続された複数の電極１１４のそれぞれが超電導線材１０１の表面に押し付けられることにより超電導線材１０１に一定の電流が流される。この通電状態において、電圧計１０３に電気的に接続された複数の電極１１３の各々を超電導線材１０１の表面に押し付けることにより電圧が測定される。この後、サプライリール１１１と巻取りリール１１２とを回転させることによって超電導線材１０１を移動させ、超電導線材１０１の別の部分にて上記と同様にして電圧が測定される。このようにして測定された複数領域の電圧値より臨界電流特性が求められる。この臨界電流特性は、普通、電界強度（Ｖ／ｃｍ）により決定され、通常、１０^−６Ｖ／ｃｍでの電流で決定される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３９２６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の測定装置では、冷却槽１０７の長さに限界があるため線材１０１の長さがたとえば５ｍ程度でありそれより長くすることは困難である。また、測定電圧は計測器に測定限界があるため通常１μＶ程度である。このため、測定できる電界強度（電圧／線材長さ）には限界がある。永久電流モードでは普通１０^−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度を測定する必要があるが、従来の測定装置では、上記の理由により１０^−８Ｖ／ｃｍ程度の電界強度の測定が限界であった。このため、永久電流モードのコイル用線材特性を評価する場合、従来の測定方法では、測定精度が低く評価できないという問題点があった。
【０００７】
また従来の測定装置では、電極１１３、１１４を線材１０１に押し付けるために線材１０１表面に傷が入り劣化する危険性があるという問題点もあった。
【０００８】
さらに、電圧端子１１３が接触型であるため、はんだ付けに比べて測定感度が低いという問題点もあった。
【０００９】
それゆえ本発明の目的は、永久電流モードのコイル用線材特性の評価においても測定精度が高く、かつ測定時に線材表面に傷が入ることがなく、かつ測定感度が高い超電導線材の臨界電流特性の測定方法および装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法は、測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状に巻線した第１コイルと金属線を巻線した第２コイルとを相互誘導が生じるように配置し、第１コイルに通電したときに第１コイルに発生するインダクタンス成分の電圧と、第２コイルに発生する逆極性の誘導電圧とを加算することにより第１コイルのインダクタンス成分の電圧をキャンセルした状態で、超電導線材の両端電圧を測定することで超電導線材の臨界電流特性を測定することを特徴とするものである。
【００１１】
また本発明の超電導線材の臨界電流特性を測定する装置は、第２コイルとポテンショメータとを備えている。第２コイルは、測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状に巻線した第１コイルとの間で相互誘導が生じるように配置されており、かつ金属線を巻線したものである。ポテンショメータは、第１コイルに通電したときに第１コイルに発生するインダクタンス成分の電圧と、第２コイルに発生する逆極性の誘導電圧とを加算することにより第１コイルのインダクタンス成分の電圧をキャンセルするために第２コイルの両端に電気的に接続され、かつ中点タップを持つものである。ポテンショメータにより第１コイルのインダクタンス成分の電圧をキャンセルした状態で、超電導線材の両端電圧を測定することで超電導線材の臨界電流特性を測定できるように、この測定装置は構成されている。
【００１２】
本発明の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法および装置によれば、測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状にした状態で臨界電流特性を測定することができる。このため、超電導線材を直線状態として臨界電流特性を測定する従来例よりも、小型な装置で長尺の超電導線材の臨界電流特性を測定することが可能となる。よって、装置を従来例よりも大型化することなく永久電流モードに必要な１０^−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度（電圧／線材長）を測定することが可能となる。
【００１３】
また、測定対象である超電導線材のインダクタンス成分の電圧をキャンセルして超電導線材の臨界電流特性を測定することができる。このため、永久電流モードのような１０^−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度を高い測定精度で測定することが可能となる。
【００１４】
さらに、測定時に超電導線材に電極端子を押し付ける必要がないため、測定時に超電導線材表面に傷が入ることもなく、測定感度も高くすることができる。
【００１５】
上記の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法において好ましくは、測定対象である長尺状の超電導線材は、近似的に（Ｂｉ_ＸＰｂ_１−Ｘ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｙで表わされる相を含む酸化物超電導体を、銀を主体とする材質よりなる金属被覆材で被覆した構成を有する。
【００１６】
本発明の測定方法は、このような構成の超電導線材の測定に適している。
上記の超電導線材の臨界電流特性を測定する装置において好ましくは、第１コイルの一方端末とポテンショメータの端末とが電気的に接続されており、第１コイルの他方端末とポテンショメータの中点タップとの各信号を増幅して出力するための直流アンプがさらに備えられている。
【００１７】
このような構成を備えることにより、第１コイルのインダクタンス成分の電圧をキャンセルすることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施の形態における超電導線材の臨界電流特性を測定する装置の構成を概略的に示す模式図である。図１を参照して、本実施の形態の測定装置１０は、パンケーキコイル（第１コイル）１と、キャンセルコイル（第２コイル）２と、ポテンショメータ（電位差計）３と、直流アンプ４と、直流安定化電源６と、液体窒素断熱容器７とを主に有している。
【００２０】
パンケーキコイル１は、図２に示すような多芯線構造の超電導線材３０を、たとえばステンレス製の円盤のエッジ上にポリイミドテープなどの絶縁テープにより電気絶縁しながら渦巻状に巻線してなるコイルである。なお、図２に示す多芯線構造の超電導線材３０は、複数本の酸化物超電導体（超電導フィラメント）３１を金属被覆材３２で被覆した構成を有している。酸化物超電導体３１は、たとえば、近似的に（Ｂｉ_ＸＰｂ_１−Ｘ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｙで表わされる相を含む酸化物超電導体よりなっている。また金属被覆材３２は、たとえば銀を主体とする材質よりなっており、具体的には銀シースである。
【００２１】
またキャンセルコイル２は、たとえば０．２ｍｍφのエナメル銅線を金属あるいは絶縁の巻枠に所定の巻数で巻線したものである。これらのパンケーキコイル１とキャンセルコイル２とは、互いに相互誘導が生じるように、液体窒素断熱容器７内に配置される。この液体窒素断熱容器７内には、液体窒素が充填可能であり、その液体窒素によりパンケーキコイルとキャンセルコイルとは冷却可能である。
【００２２】
パンケーキコイル１の抵抗測定用に高温超電導線材の巻始めと巻終りに電圧タップ（引出し線）が設けられており、パンケーキコイル１の巻始めと巻終りの両端に直流安定化電源６が電気的に接続されている。一方、キャンセルコイル２の巻始めと巻終りにポテンショメータ３が電気的に接続されている。
【００２３】
このポテンショメータ３は、パンケーキコイル１に通電したときにパンケーキコイル１に発生するインダクタンス成分の電圧と、キャンセルコイル２に発生する逆極性の誘導電圧とを加算することにより、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧をキャンセルするためにキャンセルコイル２の両端に電気的に接続されており、かつ中点タップを有している。
【００２４】
またパンケーキコイル１の一方端末とポテンショメータ３の端末とが電気的に接続されており、パンケーキコイル１の他方端末とポテンショメータ３の中点タップとが直流アンプ４に電気的に接続されている。
【００２５】
次に、本実施の形態における超電導線材の臨界電流特性の測定方法について説明する。
【００２６】
まず、測定しようとする長尺状の酸化物超電導線材３０（図２）を用いてパンケーキコイル１が準備される。このパンケーキコイル１は、キャンセルコイル２と相互誘導が生じるように液体窒素断熱容器７内に配置される。そして液体窒素断熱容器７内に液体窒素が充填され、パンケーキコイル１とキャンセルコイル２とが冷却されて超電導状態とされる。
【００２７】
この状態で、直流安定化電源６によりパンケーキコイル１に電流Ｉが流される。このとき、パンケーキコイル１の巻始めと巻終りとの両端に接続された電圧タップに発生する電圧をＶ１とする。パンケーキコイル１への通電により、パンケーキコイル１およびキャンセルコイル２を貫くように磁束が発生し、これによりキャンセルコイル２の巻線端末には、レンツの法則によりパンケーキコイル１で発生する磁束を打消そうとする誘導起電力（誘導電圧）が発生する。この電圧の一部Ｖ２がポテンショメータ３により検出される。
【００２８】
このパンケーキコイル１の電圧Ｖ１には、コイルのインダクタンスをＬとするとＬ×ｄＩ／ｄｔの電流スイープ速度に比例するインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌと、超電導線材３０に一定以上の電流を流すと発生する抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒとが含まれている。一方、キャンセルコイル２の電圧Ｖ２は、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌと比例する逆符合（逆極性）の電圧となる。
【００２９】
このため、ポテンショメータ３によりキャンセルコイル２の電圧Ｖ２の大きさを調整し、Ｖ２＝−Ｖ_Ｌとし、そのキャンセルコイル２の電圧Ｖ２をパンケーキコイル１の電圧Ｖ１に加算することにより、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌがキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルされ、パンケーキコイル１の抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒだけが残る。このパンケーキコイル１の抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒをパンケーキコイル１の線材長で割ることにより、電界強度が算出され、この電界強度により超電導線材の臨界電流特性を評価することができる。
【００３０】
次に、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌをキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルする方法について詳細に説明する。
【００３１】
パンケーキコイル１に直流安定化電源６により通電すると、その電流値Ｉに対するパンケーキコイル１の抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒの変化は、図３に示すようになる。つまり、図３を参照して、パンケーキコイル１に流す電流Ｉが小さいときは、超電導線材は超電導であるため、抵抗成分による電圧Ｖ_Ｒは０となる。このため、パンケーキコイル１に流す電流Ｉが小さいときには、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌのみが測定されることになる。
【００３２】
このため、パンケーキコイル１に流す電流Ｉが小さいとき（抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒが０のとき）に、パンケーキコイル１の電圧Ｖ１を測定し、ポテンショメータ３によりキャンセルコイル２の電圧Ｖ２の大きさを調整し、Ｖ２＝−Ｖ１とすれば、Ｖ２＝−Ｖ_Ｌとすることができる。よって、そのキャンセルコイル２の電圧Ｖ２をパンケーキコイル１の電圧Ｖ１に加算することにより、パンケーキコイル１のインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌをキャンセルすることができる。このように、パンケーキコイル１の通電当初にポテンショメータ３を調整し、インダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌをキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルして出力が０になるように調整することで、抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒを正確に測定することが可能となる。
【００３３】
また、この方法では、パンケーキコイル１に流す電流値Ｉを変化させながら、インダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌの変化分だけがキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルされる。
【００３４】
ここで、パンケーキコイル１に通電する電流値Ｉを一定値にキープして異なる電流値毎に何点かの電圧を測定することも可能である。この場合、パンケーキコイル１に流す電流Ｉとパンケーキコイル１の抵抗成分による電圧Ｖ_Ｒとの関係は図４に示すようになる。しかし、この方法による場合、抵抗成分による電圧Ｖ_Ｒが非常に小さいため、パンケーキコイル１に流す電流Ｉの微小なふらつきによってもインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌが出てしまい、このインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌが抵抗成分のＶ_Ｒよりも桁違いに大きいため、抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒを正確に測ることができない。また、この方法により抵抗成分の電圧Ｖ_Ｒの変化を正しく測ろうとすると、非常に多くの電流値Ｉ毎に測定しなければならず、それぞれを安定に測るためには大変な時間と労力が必要である。
【００３５】
そこで、本願発明者らは、パンケーキコイル１に流す電流値Ｉを順次変化させながら、その電流値の変化に伴うインダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌの変化分のみをキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルする方法を考えた。よって、このキャンセルをするためには、上述したように、パンケーキコイル１の通電当初に、インダクタンス成分の電圧Ｖ_Ｌをキャンセルコイル２の電圧Ｖ２によりキャンセルして出力が０になるようにポテンショメータ３を調整する必要がある。
【００３６】
なお、本実施の形態では、測定対象が変わるごとに、パンケーキコイル１を交換する必要がある。
【００３７】
また、測定対象として図２に示すように多芯線構造の酸化物超電導線材について説明したが、測定対象は、１本の酸化物超電導体（超電導フィラメント）を金属被覆材で被覆した単芯線構造の酸化物超電導線材であってもよい。
【００３８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法および装置によれば、測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状にした状態で臨界電流特性を測定することができる。このため、超電導線材を直線状態として臨界電流特性を測定する従来例よりも、小型な装置で長尺の超電導線材の臨界電流特性を測定することが可能となる。よって、装置を従来例よりも大型化することなく永久電流モードに必要な１０^−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度（電圧／線材長）を測定することが可能となる。
【００４０】
また、測定対象である超電導線材のインダクタンス成分の電圧をキャンセルして超電導線材の臨界電流特性を測定することができる。このため、永久電流モードのような１０^−１０Ｖ／ｃｍの微小な電界強度を高い測定精度で測定することが可能となる。
【００４１】
さらに、測定時に超電導線材に電極端子を押し付ける必要がないため、測定時に超電導線材表面に傷が入ることもなく、測定感度も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における超電導線材の臨界電流特性を測定する装置の構成を概略的に示す模式図である。
【図２】測定対象である酸化物超電導線材の構成を示す部分断面斜視図である。
【図３】パンケーキコイルに通電したときの電流値と抵抗成分による電圧Ｖ_Ｒとの関係を示す図である。
【図４】電流を一定値にキープしてパンケーキコイルに通電したときの電流Ｉと抵抗成分による電圧Ｖ_Ｒとの関係を示す図である。
【図５】従来の超電導線材の臨界電流特性を測定する装置の構成を概略的に示す模式図である。
【符号の説明】
１　パンケーキコイル、２　キャンセルコイル、３　ポテンショメータ、４　直流アンプ、６　直流安定化電源、７　液体窒素断熱容器、１０　臨界電流特性の測定装置。

Claims (4)

1. 測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状に巻線した第１コイルと金属線を巻線した第２コイルとを相互誘導が生じるように配置し、前記第１コイルに通電したときに前記第１コイルに発生するインダクタンス成分の電圧と、前記第２コイルに発生する逆極性の誘導電圧とを加算することにより前記第１コイルの前記インダクタンス成分の電圧をキャンセルした状態で、前記超電導線材の両端電圧を測定することで前記超電導線材の臨界電流特性を測定することを特徴とする、超電導線材の臨界電流特性を測定する方法。
2. 測定対象である長尺状の前記超電導線材は、近似的に（Ｂｉ_ＸＰｂ_１−Ｘ）_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_Ｙで表わされる相を含む酸化物超電導体を、銀を主体とする材質よりなる金属被覆材で被覆した構成を有することを特徴とする、請求項１に記載の超電導線材の臨界電流特性を測定する方法。
3. 測定対象である長尺状の超電導線材を渦巻状に巻線した第１コイルとの間で相互誘導が生じるように配置された、金属線を巻線した第２コイルと、
   前記第１コイルに通電したときに前記第１コイルに発生するインダクタンス成分の電圧と、前記第２コイルに発生する逆極性の誘導電圧とを加算することにより前記第１コイルの前記インダクタンス成分の電圧をキャンセルするために前記第２コイルの両端に電気的に接続され、かつ中点タップを持つポテンショメータとを備え、
   前記ポテンショメータにより前記第１コイルの前記インダクタンス成分の電圧をキャンセルした状態で、前記超電導線材の両端電圧を測定することで前記超電導線材の臨界電流特性を測定できるよう構成されていることを特徴とする、超電導線材の臨界電流特性を測定する装置。
4. 前記第１コイルの一方端末と前記ポテンショメータの端末とが電気的に接続されており、
   前記第１コイルの他方端末と前記ポテンショメータの前記中点タップとの各信号を増幅して出力するための直流アンプをさらに備えたことを特徴とする、請求項３に記載の超電導線材の臨界電流特性を測定する装置。

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