JP2912003B2 - 超電導体の磁気特性測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は超電導体の磁気特性の測定方法に関するもの
である。

［従来の技術］ 超電導体の特性を測定する方法としてはいろいろな方
法が考えられている。例えば、 （１）超電導体に直流電流を流し、超電導体に発生する
電圧を測定することによって臨界電流密度を求める方
法、 （２）超電導体に静磁場を印加して、漏れてきた磁場を
測定することによって臨界磁場を求める方法、 などがある。いずれの方法も特定形状の測定試料を用
いて、超電導体の臨界電流または臨界磁場を測定するも
のである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしこれら従来の方法は試料形状が限定されるため
に簡単にどの様な形状のものでも測定できるわけではな
い。例えば（１）の方法では試料が大きくなると電極の
形成が難しく、測定に要する電流が非常に大きくなるた
めに測定が困難になる。また、電極の発熱により測定が
正確にできない。このため、大きな試料の特性を測定す
るためには試料を適当な大きさに切断しなければなら
ず、試料を破壊することなく測定することは不可能であ
る。

また（２）の方法では例えばコイルなどの磁場発生源
と磁場検出センサーとの間に超電導体を配置するため、
超電導体の大きさに関わらずこれら３つの位置関係を一
定にするために測定毎にこれらの位置の調整を必要とす
る。また測定用磁場内に包含されるように試料を配置す
るので超電導体に対する磁場発生源による磁場の印加領
域の位置関係が明確でなく、測定結果に対する超電導体
の形状効果を把握できない欠点がある。

本発明の課題は、測定すべき超電導体の形状寸法に拘
らず簡単に、かつ、形状効果を含めて精度よく超電導体
の磁気特性を測定することが可能な方法を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段］ 前記の課題を解決するために、本発明による超電導体
の磁気特性測定方法では、超電導体表面の局所領域に対
して、直流磁場に交流磁場が重畳された測定用磁場を印
加し、該測定用磁場の印加中及び／又は印加後に、前記
超電導体の測定用磁場が印加される同一面側に配置され
た磁場検出素子によって、前記超電導体表面付近の磁場
強度を測定するものである。

［作用］ 本発明の測定法の原理を以下に説明する。

超電導体はその臨界温度Tc以上の温度Ｔでは通常の導
体（常電導体）であり、Ｔ＜Tcの温度で超電導体とな
る。超電導材料では試料にＴ＞Tcの温度で磁場を与えて
から冷却を開始するとＴ＞TcからＴ＜Tcへ通過する瞬間
に試料内の磁束が完全に排除されて完全反磁性体の振る
舞いを示し、これはＴ＞Tcでは試料の透磁率μが真空の
透磁率μ_０に等しいが、Ｔ＜Tcではマイスナー効果によ
りμ＝０となるものとして理解されている。

超電導体に磁場を掛けるとマイスナー効果により内部
に磁束を排除する変化が起きるわけであるが、この変化
には限界があり、外部磁場が臨界磁場Hcを越えると外部
磁場に対抗する内部変化を維持できなくなる。

一般に磁性体中の磁場の強さＨと磁束密度Ｂとの間に
はＢ＝μ_０（Ｈ＋Ｍ）の関係があり、Ｍをその材料の磁
化と呼ぶことは周知の通りである。超電導体中ではＢ＝
０であるからＭ＝−Ｈであり、一般に反磁場係数が０で
ある第２種超電導体の磁化特性は第２図に示す通りであ
り、磁場Ｈを０から上げてHc1まではマイスナー状態で
あるが、更に磁場を上げてＨ＞Hc1になると磁化はマイ
スナー状態より不完全となる。これはボルテックスを形
成する磁束量子が超電導体を貫通し始めるからであり、
磁場ＨがHcからHc2に近づくにつれてこの磁束量子の密
度が増加し、Ｈ＞Hc2になると完全な常電導相となる。
これらの上部臨界磁場Hc1と下部臨界磁場Hc2との間の状
態を混合状態と呼び、上部臨界磁場Hc1における磁化Ｍ
の値や例えば下部臨界磁場Hc2以上の所定強度の外部磁
場で磁化したのちのヒステリシスによる残留磁化の値な
どは超電導体の磁気特性として重要な意味を持つ。

本発明の測定方法の原理は前述のような超電導体の磁
気特性を利用したものであり、これを第１図の基本原理
図と共に以下に説明する。

第１図において、状態（ａ）は磁場発生手段としての
磁石１が測定対象の超電導体３から充分遠い位置にある
状態を示し、その発生磁場は磁石１の軸線に沿ってほぼ
平行なビーム状の磁束を生じている。この磁束の状態
は、磁石１の端面付近に指向性をもった磁気センサー２
を置くことにより検知することができる。

次に、状態（ｂ）のように磁石１をだんだん超電導体
３に近づけてゆき、磁石１の磁場により超電導体が混合
状態になると、磁束の一部は超電導体３に侵入してゆく
ことになる。そして、このような状態から磁場を取り去
っても、状態（ｃ）のように超電導体３には磁束の一部
が残留することになる。そこでこの残留した磁束による
超電導体３の表面の磁場強度を磁気センサー２により測
定することで、超電導体３の磁気特性を測定することが
てきる。

また、超電導体３に磁場を印加している場合、印加磁
場は超電導体３の作用を受けるため、超電導体３を磁束
が貫通するまでは、超電導体３表面での磁場は超電導体
３表面と平行な磁場成分しか持ちえない。そこで、状態
（ｂ）のように超電導体３表面上に置いた磁気センサー
２で、磁場印加中に超電導体３表面の磁場強度を測定す
ることで、超電導体３に磁束が貫通した時の磁場強度を
知ることができ、これより超電導体の磁気特性を測定す
ることができる。

更に、本発明では、交流磁場成分を測定用印加磁場に
重畳することによって、超電導体の臨界電流密度を規定
すると言われるいわゆるウイークリンク等による作用を
強調させることができ、臨界電流密度の非常に小さい超
電導体の特性差を明確にすることが可能になる。交流磁
場中では超電導体は交流損失を生じることはよく知られ
ているが、印加磁場を段々と強くしていくと、印加磁場
は交流成分をもつことになる。この際、更に交流磁場成
分を重畳することにより、超電導体の交流損失を明確に
することができる。交流成分を重畳しない場合でも交流
損失は徐々に大きくなるが、交流成分を重畳すると、交
流損失はあるオフセットをもって段々と大きくなる。こ
のため、交流成分を重畳した場合の方が直流成分のみの
場合に比べて交流損失が大きくなり、特性の悪い超電導
体では小さな印加磁場でも残留磁場が生じることにな
る。また、交流成分は連続的に印加されているため、交
流損失により超電導体が発熱して臨界電流密度が下がる
ことも考えられる。これらのことから、交流成分を重畳
することによって、特性の悪い超電導体の特性差を明確
化することが可能となる。

直流磁場に交流磁場が重畳された測定用磁場を超電導
体表面に印加するには、磁石に永久磁石を用いる場合に
はそれを離れた場所から少し振動させながら超電導体表
面に近づけることで行なうことができ、また、磁石とし
て励磁コイルを用いる場合には励磁コイルを超電導体表
面に軽く押し当てた状態で励磁電流をコイルに流すこと
で行うことができる。

上述したように本発明による測定方法では測定プロー
ブともいうべき磁場を印加するためのコイルまたは永久
磁石と磁場検出センサーが超電導体に対して同一面側に
配置されるため、測定が非常に簡便であり、大きな超電
導体でも測定試料作成のためにそれを破壊することなく
磁気特性の測定が可能である。また磁場発生源による印
加磁場の作用領域が超電導体の局所領域に限られるた
め、測定結果に及ぼす超電導体の形状効果が小さく、高
い精度の測定が可能である。

本発明の特徴と効果を一層明確に理解できるようにす
るため、以下にいくつかの実施例を図面と共に説明す
る。

［実施例］ 第３図に本発明による測定方法の実施に用いられる装
置の概略の構成を示す。第３図の実施例では、測定すべ
き超電導体３に対して測定用磁場を与えるのはソレノイ
ドコイル11である。このコイル11の下端面中央にはコイ
ル11の軸方向に検出感度を持つホール素子などのセンサ
ー12が取り付けられ、両者で測定プローブを構成してい
る。コイル11は交流成分を重畳することができる直流励
磁電源を含む励磁系21から制御された励磁電流の供給を
受け、電流値に応じた磁束密度で軸線方向の磁束を生じ
る。このコイル11は図示の通り超電導体表面に軽く押し
当てられている。磁気センサー12の検出出力は増幅器、
電圧計、XYレコーダなどの記録装置を含む測定計22に入
力されている。励磁系21及び測定系22は記録制御系23に
制御される。

この装置による測定は以下の２つの方法のどちらであ
るいは両方によって行われる。

方法1:測定プローブを超電導体３の表面の測定すべき位
置に軽く押し当てた状態で、コイル11にある値の交流成
分を重畳した励磁電流を流し、適当な時間の後に励磁電
流を切り、すばやく磁気センサー12により、残留した磁
束による超電導体３の表面の磁場強度を測定する。次に
先ほどより大きな値の励磁電流を流して同じく磁気セン
サー12により残留した磁束による超電導体３の表面の磁
場強度を測定する。このようにして段々と励磁電流を大
きくしてゆき、その都度残留した磁場強度を測定するこ
とにより、超電導体３における残留磁場の増加する様子
を検知し、これにより超電導体の磁気特性を評価する。

方法2:測定プローブを超電導体３の表面の測定すべき位
置に軽く押し当てた状態で、コイル11にある値の交流成
分を重畳した励磁電流を流し、適当な時間の後に（励磁
電流を切らないで）すばやく磁気センサー12aにより、
超電導体３の表面の磁場強度を測定する。次に、先ほど
より大きな値の励磁電流を流して同じく磁気センサー12
により超電導体３の表面の磁場強度を測定する。このよ
うにして段々と励磁電流を大きくしてゆき、その都度超
電導体表面の磁場強度を測定し、超電導体３の表面の磁
場の増加する様子を検知することによって超電導体の磁
気特性を評価する。

また、測定に用いるプローブの他の実施例は第3a〜3d
図に示すとおりである。すなわち第3a図はコイル11の代
わりに永久磁石13を用いたものであり、永久磁石13の端
面付近に磁気センサー12aが配置されている。第3b図は
小径ソレノイドコイル11aの外周に大径ソレノイドコイ
ル11bを同軸配置して互いの発生磁場の向きを逆にした
例であり、磁気センサー12aは小径ソレノイドコイル11a
の下端に配置されている。この第3b図の例では超電導体
に印加する磁場の領域を積極的に狭くすることができ
る。第3c図は同径のソレノイドコイル11c,11dを平行に
密着配置して互いの磁場発生の向きを逆にした例であ
り、磁気センサー12aは２つのコイル11c,11dの接合部下
端付近に配置されている。これもまた超電導体に印加す
る磁場の領域を積極的に狭くした例である。第3d図は互
いに磁場の向きが逆になるように２つの扁平なドーナツ
状コイル11e,11fを同軸上に適当な間隔をあけて重ねて
配置したものであり、下方のコイル11fの下端に磁気セ
ンサー12aが配置されている。この例は小型でしかも印
加磁場領域の小さなプローブを形成したものである。

本発明において、直径数mm以下のコイルや永久磁石を
用いることは、本発明の効果をより一層大きなものにす
るものであり、このことによって、印加磁場領域を更に
小さくでき、超電導体表面で局所領域毎に磁気特性のば
らつきを調べることが可能である。

以下に実際に行った測定例を述べる。

［測定例１］ 超電導体の磁気特性の測定に用いた測定プローブはコ
イル外径18mmコイル、内径3mm、厚さ3.5mmのドーナツ状
コイルを２つ重ねた第3d図のような形状のものであり、
２つのコイルの間には3mmの隙間がもうけてある。なお
コイルの巻き数は122巻きである。

測定した超電導体試料はBi₂Sr₂CaCu₂O_Yの酸化物超電
導体であり、寸法は100口×0.3tで、ステンレス板に銀
を介して積層されたものである。この試料を液体窒素を
用いて冷却し、コイルにより磁場を与え、前述の方法１
に従って残留磁場の増加する様子を測定した。磁場強度
はホール素子により測定した。また重畳した交流成分は
50Hzで正弦波形であり、その電流の大きさは0.1A（ピー
ク〜ピーク間）である。その結果を第４図に示す。第４
図では、交流成分を重畳しない場合の測定結果も併せて
示してある。両者ともコイル電流がある値を超えるまで
はコイル電流の増加に比例して残留磁場強度が増加し、
その後飽和するが、交流磁場を重畳した場合は直流磁場
のみの場合よりも磁場が残留し始める時のコイル電流が
小さく、またその増加の割合が多少緩やかに（交流磁場
を重畳した場合の直線の傾きＬ＜直流磁場のみの場合の
直線の傾きＬ′）なっている。

［測定例２］ さまざまな臨界転流密度Jcの試料に測定例１と同様に
コイルにより磁場を印加し、その後方法１に従って超電
導体表面の残留磁場が増加する割合（第４図のの直線Ｌ
又はＬ′の傾きに相当する）を調べた。測定条件は測定
例１と同じである。この測定結果を第５図に示す。これ
より臨界電流密度Jcの低い試料ほど残留磁場増加の割合
（第４図の傾き）が小さく、臨界電流密度Jcの高い試料
ほど大きいことがわかる。このことから、残留磁場の増
加の様子を調べることによって試料の特性差の判定が可
能であり、臨界電流密度Jcを推定できることがわかる。
さらに、交流成分を重畳した場合と直流磁場のみの場合
とを比較すると、交流成分を重畳した方が臨界電流密度
Jcの値による直線の傾き（残留磁場の増加の割合）の差
が大きく、臨界電流密度Jcが小さくなる程、交流成分を
重畳した場合の方が残留磁場の増加が緩やかになる傾向
がある。このことから、交流成分を重畳することによっ
て、ウイークリンクが問題になるような臨界電流密度Jc
の小さい試料における特性差が明らかにできることがわ
かる。

［測定例３］ 測定１と同じ測定プローブにより、超電導体に磁場を
印加しているときの超電導体表面の磁場の増加する様子
を前述の方法２に従って調べた。重畳した交流成分の性
質、大きさは測定例１と同じであり、用いた試料も測定
例１と同じである。その結果を第６図に示す。また交流
成分を重畳していない場合の測定結果も併せて示す。第
６図から、超電導体表面の磁場は直線的にあるコイル電
流のところまでふえてゆくことがわかる。また交流磁場
を重畳した場合は直流磁場のみの場合より直線部分の傾
きが緩やかであることがわかる。

［測定例４］ さまざまな臨界電流密度Jcの試料について測定例３と
同様に方法２に従って測定を行ない、超電導体表面の磁
場の増加が直線からはずれる時のコイル電流（第６図の
点Ａ又はＡ′に相当するコイル電流）を調べた。測定方
法は測定例２と同じである。その結果を第７図に示す。
第７図から臨界電流密度Jcの低い試料ほど超電導体表面
の磁場の増加が直線からはずれる時のコイル電流は小さ
く、そして臨界電流密度Jcの高い試料ほど大きいことが
わかる。即ち、測定磁場を印加しながら超電導体表面の
磁場を測定し、コイル電流の増加に比例して超電導体表
面の磁場が増加しなくなるときのコイル電流を調べるこ
とにより、試料の特性差の判定が可能であり、臨界電流
密度Jcを推定できることがわかる。さらに、交流成分を
重畳した場合と直流成分のみの場合を比較すると、交流
成分を重畳した方が、比例関係が成立しなくなるときの
コイル電流の値が小さく、臨界電流密度Jcの小さな試料
ほど交流成分を重畳いる場合とそうでない場合の差が大
きくなる。このことから、交流成分を重畳することによ
って、ウイークリングか問題になるような臨界電流密度
Jcの小さな試料の特性差を明らかにできることがわか
る。

［発明の効果］ 以上に述べたように本発明によれば、測定プローブと
もいうべき磁場を印加するためにコイルまたは永久磁石
と磁場検出センサーが超電導体に対して同一面側に配置
されるため、測定が非常に簡単であり、大きな超電導体
でも破壊することなく磁気特性の測定を行うことが可能
である。また磁場発生源による磁場の作用領域が超電導
体の局所領域に限定されるため、測定結果に及ぼす超電
導体の形状効果が小さく、高い精度の測定が可能であ
る。さらに本発明によれば印加磁場に交流成分が重畳さ
れているため、ウイークリンク等による影響を強調させ
ることができ、臨界電流密度の非常に小さい超電導体の
特性差を明確にすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本原理を示す説明図、第２図は反磁
場係数０の第２種超電導体の磁化特性を示す線図、第３
図は本発明の実施に用いる測定装置の概略の構成図、第
3a〜3d図は本発明に用いられる種々の形式の測定プロー
ブの構成例を示す説明図、第４図はコイル電流と超電導
体表面の残留磁場強度との関係を示す線図、第５図は臨
界電流密度と残留磁場強度の増加の割合との関係を示す
線図、第６図はコイル電流と超電導体表面の磁場強度と
の関係を示す線図、第７図は臨界電流密度とコイル電流
との関係を示す線図である。 ［主要部分の符号の説明］ 1,13……磁石 2,12a……磁場検出センサー ３……超電導体試料 11……ソレノイドコイル 21……励磁系 22……測定系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01R 33/12 - 33/18 G01N 27/72

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導体表面の局所領域に対して、直流磁
   場に交流磁場が重畳された測定用磁場を印加し、該測定
   用磁場の印加中及び／又は印加後に、前記超電導体の前
   記測定用磁場が印加される同一面側に配置された磁場検
   出素子によって、前記超電導体表面付近の磁場強度を測
   定することを特徴とする超電導体の磁気特性測定方法。