JP2009270916A - 臨界電流測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】テープ状の被測定物において超電導性が悪い部分があったときに、抵抗発生による被測定物の破壊を防いで、安定した測定が可能な臨界電流測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る臨界電流測定装置１は、一対の電流電極１１、１２を有し、その一方と他方とが、テープ状の被測定物５０に対して長手方向に所定の離間距離の地点で接触し、前記被測定物に定電流を供給する定電流供給部１０と、前記電流電極の内側に配された一対の電圧電極２１、２２を有し、前記定電流に基づいて前記被測定物に発生する電圧を検出する電圧検出部２０と、前記電圧及び前記定電流に基づいて前記被測定物の臨界電流を算出する演算部４０と、を少なくとも備え、前記電流電極の外側に、一対の監視電圧用電極３１、３２が配されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物超電導テープからなる被測定物について、臨界電流を測定する臨界電流測定装置に関する。

酸化物超電導テープの通電評価法として、最も一般的なのが四端子法による測定があり、酸化物超電導テープに限らず普及しているが、１００ｍを超えるような長尺テープを測定するには冷却容器の制限があるため、難しい（例えば、非特許文献１参照）。
前記特許文献１に記載の技術を応用し、Reel to Reelでテープを冷却容器に送りながら、四端子法で測定する方法として、例えば特許文献１、特許文献２に記載の技術がある。この方法を用いることによりテープの長さ制限が無くなり、連続的な臨界電流測定が可能となる。

イットリウム系酸化物超電導テープの通電評価で用いられる四端子法は、図３に示すように、一対の電流電極１００ａ、１００ｂの内側に一対の電圧電極１０１ａ、１０１ｂを配置し、該電圧電極１０１ａ、１０１ｂ間で発生する電圧Ｖ_１から臨界電流値を求める。この方法は、超電導性が長さ方向に限りなく安定であれば問題無いが、部分的な超電導層の結晶性の不均一性等により、局所的に臨界電流値が低下する部分Ａがある場合、この不均一な部分Ａが電圧電極と電流電極との間にあると、図４に示すように、臨界電流値の基準電圧Ｖ_１ が発生する前に抵抗が発生し、Ｖ_Ａ が数ミリボルトにもなり、テープが焼損・破壊してしまうおそれがある。また、テープを破壊するとテープ表面の銀層が剥がれ、電極側に入りこみショートするなど、以降の測定にも支障が出る。

また、測定時に酸化物超電導テープや電極を冷却する場合、前記特許文献１に記載の冷却方法を用いると、空気中の湿気が氷、霜となって酸化物超電導テープに付くことにより、超電導層が分解されてしまい、臨界電流に大きな影響を与える。また、電極やリールに氷、霜が付着し、電極と酸化物超電導テープの間に氷が入り込むと、酸化物超電導テープを破壊する虞がある。
特許第３１７１１３１号公報 特許第３３６０６８２号公報 http://www.molecularscience.jp/research/index.html

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、テープ状の被測定物において超電導性が悪い部分があったときに、抵抗発生による被測定物の破壊を防いで、安定した測定が可能な臨界電流測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の臨界電流測定装置は、一対の電流電極を有し、その一方と他方とが、テープ状の被測定物に対して長手方向に所定の離間距離の地点で接触し、前記被測定物に定電流を供給する定電流供給部と、前記電流電極の内側に配された一対の電圧電極を有し、前記定電流に基づいて前記被測定物に発生する電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧及び前記定電流に基づいて前記被測定物の臨界電流を算出する演算部と、を少なくとも備え、前記電流電極の外側に、一対の監視電圧用電極が配されていることを特徴とする。
本発明の請求項２に記載の臨界電流測定装置は、請求項１において、装置全体が樹脂からなる筐体内に配され、該筐体の内部が窒素ガスパージされていることを特徴とする。

本発明では、電流電極の外側に、一対の監視電圧用電極を配して被測定物の電圧を監視している。これにより一対の電圧電極よりも外側において超電導性が悪い部分があったときに、所定の電流値で超伝導電流を遮断することで、抵抗発生による被測定物の破壊を防ぐことができ、安定した測定が可能な臨界電流測定装置を提供することができる。

以下、本発明に係る臨界電流測定装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の臨界電流測定装置の一構成例を模式的に示す図である。
この臨界電流測定装置１は、一対の電流電極１１、１２を有し、その一方（電流電極１１）と他方（電流電極１２）とが、テープ状の被測定物に対して長手方向に所定の離間距離の地点で接触し、前記被測定物に定電流を供給する定電流供給部１０と、前記電流電極１１、１２の内側に配された一対の電圧電極２１、２２を有し、前記定電流に基づいて前記被測定物に発生する電圧を検出する電圧検出部２０と、前記電圧及び前記定電流に基づいて前記被測定物の臨界電流を算出する駆動演算制御部４０（演算部）と、を備える。

そして本発明の臨界電流測定装置１は、前記電流電極１１、１２の外側に配された一対の監視電圧用電極３１、３２を有し、被測定物の電圧を監視する電圧監視部３０を備えたことを特徴とする。
本発明では、電流電極１１、１２の外側に、一対の監視電圧用電極３１、３２を配して被測定物の電圧を監視している。これにより一対の電圧電極２１、２２よりも外側において超電導性が悪い部分（例えば、部分的な超電導層の結晶性の不均一性等により局所的に臨界電流値が低下し、電圧電極２１、２２間より先に電圧が発生する部分）があったときに、所定の電流値で超伝導電流を遮断することで、抵抗発生による被測定物の破壊を防ぐことができ、安定した測定が可能となる。

本発明の臨界電流測定装置１において、前記テープ状の被測定物は、例えば酸化物超電導テープ５０である。
酸化物超電導テープ５０は、例えば図２に示すように、テープ状の金属基板５１と、該金属基板５１の表面に成膜された中間層５２と、該中間層５２上に成膜されたキャップ層５３と、該キャップ層５３の表面に成膜された酸化物超電導薄膜５４と、該酸化物超電導薄膜５４上に成膜された銀コーティング層５５と、から構成される。

金属基板５１としては、強度及び耐熱性に優れた、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｇ等の金属又はこれらの合金を用いることができる。特に好ましいのは、耐食性及び耐熱性の点で優れているステンレス、ハステロイ、その他のニッケル系合金である。
中間層５２はＩＢＡＤ法によって形成する。この中間層５２を形成する材料としては、ＹＳＺ、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ_３、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７等を挙げることができ、その他、パイロクロア構造、希土類−Ｃ構造、ペロブスカイト型構造又は蛍石型構造を有する適宜の化合物を用いることができるが、中でもＹＳＺ又はＧｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７を用いることが好ましい。

キャップ層５３はＣｅＯ_２ 層で構成する。また、このＣｅＯ_２ 層５３は、全てがＣｅＯ_２ からなる必要はなく、Ｃｅの一部が他の金属原子又は金属イオンで一部置換されたＣｅ−Ｍ−Ｏ系酸化物を含んでいてもよい。
酸化物超電導体膜５４の材料としては、ＲＥ−１２３系酸化物超電導体（ＲＥＢａ_２ Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ：ＲＥはＹ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ等の希土類元素）を用いることができる。ＲＥ−１２３系酸化物として好ましいのは、Ｙ１２３（ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ ：以下では「ＹＢＣＯ」という。）又はＳｍ１２３（ＳｍＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−Ｘ 、以下では「ＳｍＢＣＯ」という。）である。

このような酸化物超電導テープ５０は、送りリール２から送り出され、巻き取りリール３へと順次巻取られる。また、酸化物超電導テープ５０の走行途中には複数のローラ４が配されており、酸化物超電導テープ５０の走行を補助している。これらの送りリール２、巻き取りリール３及びローラ４はともに回転可能であり、駆動演算制御部４０に接続されている。
駆動演算制御部４０は送りリール２及び巻き取りリール３に信号を与え、送りリール２及び巻き取りリール３を回転させる。また、駆動演算制御部４０は、送りリール２及び巻き取りリール３に信号を与えることにより、酸化物超電導テープ５０に加わる張力を適宜調整することができる。

定電流供給部１０は、一対の電流電極１１、１２と、電流源１３を有し、定電流を酸化物超電導テープ５０に供給する。
電流電極１１、１２は、その一方（電流電極１１）と他方（電流電極１２）とが、酸化物超電導テープ５０に対して長手方向に所定の離間距離の地点で接触している。
電流電極１１、１２は、上部電流電極１１ａ、１２ａと、下部電流電極１１ｂ、１２ｂと、を備えており、図１に示すように上部電流電極１１ａ、１２ａと下部電流電極１１ｂ、１２ｂとで酸化物超電導テープ５０を挟み込むような形になる。
電流源１３は、酸化物超電導テープ５０に一定値の電流を流すことができる。電流源１３は、駆動演算制御部４０に接続されており、電流源１３より得られたデータは、駆動演算制御部４０に送られる。

電圧検出部２０は、電流電極１１、１２の内側に配された一対の電圧電極２１、２２と、電圧計２３とを有し、前記定電流に基づいて酸化物超電導テープ５０に発生する電圧を検出する。
電圧電極２１、２２は、上部電圧電極２１ａ、２２ａと、下部電圧電極２１ｂ、２２ｂとを備えており、図に示すように上部電圧電極２１ａ、２２ａと下部電圧電極２１ｂ、２２ｂとで酸化物超電導テープ５０を挟み込むような形になる。
電圧計２３は、上部電圧電極２１ａ及び下部電圧電極２１ｂと、上部電圧電極２１ｂ及び下部電圧電極２２ｂとの間の電位差を計測することができる。電圧計２３は、駆動演算制御部４０に接続されており、電圧計２３より得られたデータは、駆動演算制御部４０に送られる。

駆動演算制御部４０は、前記電圧及び前記定電流に基づいて前記酸化物超電導テープ５０の臨界電流を算出する。
駆動演算制御部４０は電流源１３及び電圧計２３と接続されているため、電流源１３及び電圧計２３で得られたデータから、さまざまな演算を行なうことができる。また、後述するように測定時において酸化物超電導テープ５０の電圧を監視し、所定の電流値で超伝導電流を遮断するなどの制御も行う。

電圧監視部３０は、電流電極１１、１２の外側に配された一対の監視電圧用電極３１、３２と、監視電圧用電圧計３３とを有し、測定時における酸化物超電導テープ５０の電圧を監視している。
監視電圧用電極３１、３２は、上部監視電圧電極３１ａ、３２ａと、下部監視電圧電極３１ｂ、３２ｂとを備えており、図１に示すように上部監視電圧電極３１ａ、３２ａと下部電圧電極３１ｂ、３２ｂとで酸化物超電導テープ５０を挟み込むような形になる。
監視電圧用電圧計３３は、上部監視電圧電極３１ａ及び下部監視電圧電極３１ｂと、上部監視電圧電極３２ａ及び上部監視電圧電極３２ｂとの間の電位差を計測し、酸化物超電導テープ５０の電圧を監視している。監視電圧用電圧計３３は、駆動演算制御部４０に接続されており、監視電圧用電圧計３３より得られたデータは、駆動演算制御部４０に送られる。

そして、臨界電流測定時において、一対の電圧電極２１、２２よりも外側において超電導性が悪い部分（例えば、部分的な超電導層の結晶性の不均一性等により局所的に臨界電流値が低下し、電圧電極２１、２２間より先に電圧が発生する部分）があったときに、駆動演算制御部４０は、所定の電流値で超伝導電流を遮断する。これにより、抵抗発生による酸化物超電導テープ５０の破壊を防ぐことができ、安定した測定が可能となる。

また、この臨界電流測定装置１は、冷却槽５を備えている。冷却槽５には液体窒素等の冷却材６が満たされている。液体窒素は酸化物超電導テープ５０及び電極を冷却するためのものである。

そして、本発明の臨界電流測定装置１では、装置全体が樹脂からなる筐体７内に配され、該筐体７の内部が窒素ガスパージされている。
液体窒素等の冷却材６を用いて酸化物超電導テープ５０を冷却する場合、空気中の湿気による水や氷に注意しなければならない。すなわち、空気中の湿気が氷、霜となって酸化物超電導テープ５０に付くことにより、超電導層が分解されてしまい、臨界電流に大きな影響を与える。また、電極やリールに氷、霜が付着し、電極と酸化物超電導テープ５０の間に氷が入り込むと、酸化物超電導テープ５０を破壊する虞がある。

そこで本発明では、装置全体を樹脂からなる筐体７内に配した状態で、窒素ガスを流し込み、該筐体７の内部を窒素ガスパージしている。これにより筐体７内の湿度を下げることができる。そして空気中の湿気が氷、霜となって酸化物超電導テープ５０に付くことを防止し、超電導層の分解、酸化物超電導テープ５０の破壊を防止することができる。また、連続測定におけるリスクを回避して、安定した測定を可能とする。具体的には、筐体７内の湿度を１０％以下に下げて測定を行うことが好ましい。
前記筐体７を構成する樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばアクリル板等が用いられる。

次に、このように構成された臨界電流測定装置１を用いて酸化物超電導テープ５０の臨界電流値を測定する方法について説明する。
まず、一定長さの酸化物超電導テープ５０を用意する。酸化物超電導テープ５０を図１で示されるように配置する。これにより、酸化物超電導テープ５０は、上部電流電極１１ａと下部電流電極１１ｂとに挟まれる。また、酸化物超電導テープ５０は、上部電圧電極２１ａと下部電圧電極２１ｂとに挟まれる。さらに、酸化物超電導テープ５０は、上部監視電圧電極３１ａと下部監視電圧電極３１ｂとに挟まれる。
また、図１中の左側に位置する電極部でも酸化物超電導テープ５０が上部電流電極１２ａと下部電流電極１２ｂに挟まれ、かつ酸化物超電導テープ５０が上部電圧電極２２ａと下部電圧電極２２ｂとに挟まれる。さらに、酸化物超電導テープ５０は、上部監視電圧電極３２ａと下部監視電圧電極３２ｂとに挟まれる。

このような状態で、電流源１３から所定の電流が酸化物超電導テープ５０に流される。このときの上部及び下部電圧電極２１ａ及び２１ｂと、上部及び下部電圧電極２２ａ及び２２ｂとの間の電位差が電圧計２３により計測される。
電流源１３及び電圧計２３より得られたデータは、演算部（駆動演算制御部）４０へ送られる。そして、演算部（駆動演算制御部）４０において所定の演算処理が行われることにより、酸化物超電導テープ５０の臨界電流が測定される。

上記測定中において、電流電極１１、１２の外側に配された監視電圧用電極３１、３２で酸化物超電導テープ５０の電圧を計測、監視する。すなわち、上部及び下部監視電圧電極３１ａ及び３１ｂと、上部及び下部監視電圧電極３２ａ及び３２ｂとの間の電位差が監視電圧用電圧計３３により計測される。そして、電圧電極２１、２２よりも外側において超電導性が悪い部分（例えば、部分的な超電導層の結晶性の不均一性等により局所的に臨界電流値が低下し、電圧電極２１、２２間より先に電圧が発生する部分）があったときに、駆動演算制御部４０は、所定の超伝導値で電流を遮断する。これにより、抵抗発生による酸化物超電導テープ５０の破壊を防ぐことができ、安定した測定が可能となる。

また、装置全体が筐体７内に配され、該筐体７の内部を窒素ガスパージしているので、筐体７内の湿度を下げることができる。これにより空気中の湿気が氷、霜となって酸化物超電導テープ５０に付くことを防止し、超電導層の分解、酸化物超電導テープ５０の破壊を防止することができる。また、連続測定におけるリスクを回避して、安定した測定を可能とする。

以上、本発明の臨界電流測定装置について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明は、酸化物超電導テープについて臨界電流を測定する臨界電流測定装置に広く適用可能である。

本発明に係る臨界電流測定装置の一例を模式的に示す図。 本発明に係る臨界電流測定装置により測定される被測定物（酸化物超電導テープ）の一例を模式的に示す分解斜視図。 四端子法による測定方法を説明するための模式図。 基準電圧Ｖ_１ と電圧Ｖ_Ａ との関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 臨界電流測定装置、２ 送りリール、３ 巻き取りリール、４ ローラ、５ 冷却槽、６ 冷却材、７ 筐体、１０ 定電流供給部、１１、１２ 電流電極、１３ 電流源、２０ 電圧検出部、２１、２２ 電圧電極、２３ 電圧計、３０ 電圧監視部、３１、３２ 監視電圧用電極、３３ 監視電圧用電圧計、４０ 演算部（駆動演算制御部）、５０ 被測定物（酸化物超電導テープ）。

Claims (2)

1. 一対の電流電極を有し、その一方と他方とが、テープ状の被測定物に対して長手方向に所定の離間距離の地点で接触し、前記被測定物に定電流を供給する定電流供給部と、
   前記電流電極の内側に配された一対の電圧電極を有し、前記定電流に基づいて前記被測定物に発生する電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧及び前記定電流に基づいて前記被測定物の臨界電流を算出する演算部と、
   を少なくとも備え、
   前記電流電極の外側に、一対の監視電圧用電極が配されていることを特徴とする臨界電流測定装置。
2. 装置全体が樹脂からなる筐体内に配され、該筐体の内部が窒素ガスパージされていることを特徴とする請求項１に記載の臨界電流測定装置。

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