JP4579107B2 - 連続型磁束観察装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は連続型磁束観察装置および方法に関する。例えば、電力用ケーブル、マグネット、モータ、発電機などの機器に用いる長尺の超電導体線材の欠陥の非破壊検査や臨界電流密度の評価装置などの連続型磁束観察装置および方法に関する。

従来、超電導体において、その内部に、例えばクラックなどの欠陥が存在する場合、磁界が強くなると外部磁束が超電導体に侵入して超電導の性能が劣化することが知られている。そのため、超電導体の磁気特性の異常の有無を非破壊的に検査する方法が強く求められている。
特許文献１には、超電導体の表面に自発磁化の方向が膜面に垂直な縞状磁区構造を有する磁性薄膜を密着させ、磁界をかけた状態で偏光光を入射し、磁気光学効果により超電導体表面で観察される磁区模様の幅から磁束密度分布を求める超電導体の磁気的内部性状検出装置が記載されている。
非特許文献１には、幅１０ｍｍで２０ｃｍから２０ｍ程度の長尺の超電導線材を２つのリール間に張架して、その中間部を液体窒素槽にホール素子アレイセンサとともに沈めて冷却し、超電導線材をリール間で１０ｍｍ／ｓで連続搬送して、超電導線材の表面を非接触走査し、ホール素子センサから磁界中の臨界電流分布を測定する装置が記載されている。
特開平３−２６７７８２号公報（図１） 「スーパーコンダクダー・サイエンス・アンド・テクノロジー」（Superconductor Science and Technology）（イギリス）、２００４年、第１７巻、ｐ．Ｓ２８１−Ｓ２８４

しかしながら、上記のような従来の磁束観察装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、磁性薄膜を超電導体の表面に着脱して測定するので、非破壊的な検査を行うことができるものの、長尺の試料を効率的に測定できる構成を備えていない。また、観察されるのが磁区模様であるため、磁束密度分布に換算するのに磁区幅を算出する複雑な画像処理が必要となり、１回の測定に時間がかかるという点でも長尺の試料を効率よく連続的に測定することができないという問題がある。
また、垂直磁性膜を用いているため、測定分解能が磁区の大きさに依存するという問題もある。例えば、高温超電導体の線材などでは、分解能が１０μｍ〜数ｍｍ程度になってしまう。ここで空間分解能は外部磁界の増加とともに低下してしまう。試料端よりも内側に位置する欠陥の観察には高い磁界が必要となるため数ｍｍ以下の欠陥は検出することができないという問題がある。
非特許文献１に記載の技術では、ホール素子アレイにより試料を走査するため、連続的な非破壊検査を行うことができるものの、測定分解能がホール素子アレイの大きさに依存し、数ｍｍのオーダとなってしまう。
また非特許文献１の装置のホール素子アレイの部分をより分解能の高い磁気光学膜を利用した手段に置き換えることも考えられるが、非特許文献１の観察を行う場合、液体窒素槽内に設置するので、液体窒素を透過する光を観察することになるため、鮮明な画像を取得して高精度な観察を行うことが困難であるという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、長尺の超電導体からなる試料であっても、一定温度下の磁束密度分布を長手方向に連続して効率的に測定することができる連続型磁束観察装置および方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、超電導体からなる長尺の試料を観察位置に搬送し、前記試料の長手方向に沿って一定領域ごとに順次、磁束観察を行う連続型磁束観察装置であって、前記観察位置に前記試料を間欠的に搬送する試料搬送手段と、前記観察位置に搬送された前記試料を一定温度に調整し、保持する試料冷却保持部と、前記観察位置の試料面に垂直方向に磁界を発生する磁界発生部と、磁気光学効果により磁束密度分布を反射光の偏光分布に変換する、膜の面内に磁化容易軸を有する面内磁化磁気光学膜、または磁化容易軸を有しない常磁性磁気光学膜と、該面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜を、前記試料搬送手段による搬送動作に同期して前記試料の表面に着脱できるようにした磁気光学膜保持部と、前記面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜に直線偏光した光を照射する照明光学系と、該照明光学系により前記面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜に照射された前記光の反射光による偏光分布を観察する偏光観察手段と、前記試料冷却保持部を温度制御することにより、前記試料を前記観察位置で前記一定温度に設定する冷却機構とを備え、該冷却機構が、前記試料冷却保持部に対する搬送方向の上流側と下流側とに、それぞれ前記試料を前記一定温度よりも低温に冷却する前置冷却部と後置冷却部とを備える構成とする。
この発明によれば、超電導体からなる試料が試料搬送手段により間欠的に試料冷却保持部上の観察位置に搬送されて停止される。その際、試料は、冷却機構の温度制御により試料冷却保持部を介して一定温度に冷却される。そして、磁気光学膜保持部により、膜の面内に磁化容易軸を有する面内磁化磁気光学膜、または磁化容易軸を有しない常磁性磁気光学膜を試料の表面に着脱する。いずれの磁気光学膜でも、磁気光学効果により磁界発生部で発生された磁界の垂直成分に応じて磁気光学膜に照射される直線偏光した光の偏光方向を回転するので、照明光学系により直線偏光光を入射することで磁束密度分布に対応した偏光分布が形成される。この偏光分布を偏光観察手段により観察する。観察終了後、磁気光学膜保持部を試料から離間させ、試料搬送手段により、隣接の未観察領域の試料を観察位置に移動して、上記動作を繰り返す。それにより一定磁界中の一定温度で、試料表面の磁束密度分布をその長手方向に沿って順次連続的に観察することができる。
面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜は垂直方向の磁束密度に応じてファラデー回転角が変わるから、例えば垂直磁性膜の磁区の大きさを測る場合に比べて、分解能が高い磁束密度の観察を行うことができる。
また、冷却機構により試料を試料冷却保持部上で温度制御するので、観察する部分を効率的に温度制御することができ、試料全体を温度制御する場合に比べて短時間かつ安定的な温度制御を行うことができる。
ここで、偏光観察手段は、例えば偏光顕微鏡などを採用することができ、それにより、磁束密度分布に対応する偏光分布が、磁束密度に応じた輝度分布を有する濃淡画像として観察される。
また、試料冷却保持部の上流側と下流側とに、それぞれ配置された前置冷却部と後置冷却部とにより、試料を試料冷却保持部での一定温度より低温に冷却するので、試料を通じた外部からの伝熱の影響を遮断することができる。そのため、試料冷却保持部の温度を安定制御することができる。
また、試料冷却保持部での温度制御を、昇温手段を用いて行うことができるので、例えばヒータなどの簡素な機構を用いて迅速に制御することができる。
また、試料が、観察位置の上流側で、観察時の温度より冷却されるので、試料はあらかじめゼロ磁界中で冷却されるため前置冷却部から観察位置までの間の磁界により、磁束が侵入する影響を受けにくくなり、磁界中冷却の影響を排除することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の連続型磁束観察装置において、前記前置冷却部、前記後置冷却部および前記試料冷却保持部が、前記冷却機構により伝導冷却される構成とする。
この発明によれば、前置冷却部、前記後置冷却部および前記試料冷却保持部が、冷却機構により伝導冷却されるので、寒剤を供給して、冷却する場合に比べて、長時間の観察が容易となる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２のいずれかに記載の連続型磁束観察装置において、前記磁界発生部が、電磁マグネットからなり、前記試料の観察位置の中心が、前記電磁マグネットの磁界の中心軸上で前記電磁マグネットの端部から離間して配置されるとともに、前記前置冷却部が、前記電磁マグネットの径方向の端部から外部側に離間して配置された構成とする。
この発明によれば、試料の観察位置の中心が電磁マグネットの磁界の中心軸上で電磁マグネットの端部から離間して配置され、前置冷却部を電磁マグネットの径方向の端部から外部側に離間して配置される。そのため、前置冷却部から観察位置までの搬送路を電磁マグネットの径方向端部および上端部からそれぞれ離間する設定とすることができ、例えば試料冷却保持部を電磁マグネット内に配置し試料が電磁マグネットのコイル部を貫通する場合のようにコイル端部への近接部で磁界が大きくなる領域が観察前の領域に印加されてしまうことがない。その結果、試料に測定磁界よりも高い磁界が印加されることを防ぐことができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の連続型磁束観察装置において、前記磁界発生部が、電磁マグネットからなり、前記冷却機構は、前記電磁マグネットを伝導冷却する構成とする。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の連続型磁束観察装置において、前記偏光観察手段が、前記面内磁化磁気光学膜または前記常磁性磁気光学膜上の偏光分布を輝度分布として撮像する撮像部と、該撮像部により取得された輝度分布データを磁束密度分布データに変換するデータ変換部とを備える構成とする。
この発明によれば、撮像部により取得された輝度分布データが、データ変換部により磁束密度分布データに変換されるので、これら磁束密度分布データの画像処理により試料の欠陥などを高精度に解析することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の連続型磁束観察装置において、前記データ変換部により得られた磁束密度分布データから、電流分布特性を算出する構成とする。
この発明によれば、磁束密度分布データから、高分解能の電流分布特性を算出することができる。
ここで、電流分布特性は、等電流分布、電流密度分布および臨界電流密度分布などの電流分布特性を挙げることができる。

請求項７に記載の発明では、超電導体からなる長尺の試料を観察位置に搬送し、前記試料の長手方向に沿って一定領域ごとに順次、磁束観察を行う連続型磁束観察方法であって、前記試料を前記観察位置の上流側で第１の温度に冷却し、前記観察位置に搬送された前記試料を、前記第１の温度より高温の第２の温度に昇温させた状態で、試料面の垂直方向に磁界を作用させ、前記試料の表面の磁束密度分布を、磁気光学効果により反射光の偏光分布に変換する、膜の面内に磁化容易軸を有する面内磁化磁気光学膜、または磁化容易軸を有しない常磁性磁気光学膜により観察し、前記試料を、前記観察位置の下流側で前記第２の温度より低温の第３の温度に冷却してからより下流に搬送する方法とする。
この発明によれば、長尺の試料を、観察位置の上下流で、観察時の第２の温度より低温の第１、第３の温度とするので、試料を通じた外部からの伝熱の影響を遮断することができる。そのため、観察位置の試料を第２の温度に安定制御することができる。
また、第２の温度への温度制御が昇温制御となるので、例えばヒータなどの簡素な機構により迅速に制御することができる。
また、試料が、観察位置の上流側で、第２の温度より低い第１の温度に冷却されるので、そこから観察位置までの間の磁界により磁束侵入の影響を受けにくくなり、観察時のノイズを低減することができる。
ここで、第１の温度と第３の温度とは、異なっていてもよいが、冷温源を共通化するためには、同一温度であることが好ましい。

本発明の連続型磁束観察装置によれば、冷却機構により一定温度に温度制御された試料冷却保持部上で試料を間欠的に搬送して一定領域ごとに温度の平衡を取りつつ観察するので、長尺の試料であっても磁気光学膜を用いて効率的に測定することができるという効果を奏する。
本発明の連続型磁束観察方法によれば、観察位置に搬送する試料を観察位置の温度より低温とするので、観察位置に到達する前に磁束侵入の影響を受けにくくなるため測定精度を向上することができるとともに、長尺の試料を介した外部からの伝熱の影響を低減することにより観察位置の試料の温度が安定制御しやすくなり、測定効率を向上することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の概略構成について説明するための模式的な断面説明図である。図２は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の主要部の構成について説明するための模式的な断面説明図である。図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置に用いる磁気光学膜保持部の概略構成について説明するための平面説明図およびそのＡ−Ａ断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の制御手段の概略構成について説明するための機能ブロック図である。

本実施形態の連続型磁束観察装置１は、長尺に形成された超電導線材７（試料）を長手方向に沿って一定領域ごとに順次、磁束観察を行うことができるものであり、例えば、電力用ケーブル、マグネット、モータ、発電機などの機器に用いる長尺の超電導体線材の欠陥の非破壊検査、臨界電流特性の評価などに好適なものである。

超電導線材７としては、例えば、厚さ方向に約１００μｍの金属基板層の上に、それぞれ数μｍ程度の中間層、超電導層、安定化層などを順次積層してなるテープ状の線材を採用することができる。超電導線材７の幅は、例えば、１０ｍｍ、５ｍｍ幅などを採用することができる。超電導層としては、適宜の第２種超電導体を採用することができる。例えば、Ｙ１２３系、Ｓｍ１２３系などの超電導体を採用することができる。

連続型磁束観察装置１の概略構成は、図１に示すように、線材供給部２、線材巻取り部４、磁束観察部３、撮像部５、照明光学系５０および制御手段６からなる。
線材供給部２と線材巻取り部４とは、磁束観察部３の両側に対向して設けられ、超電導線材７を磁束観察部３に挿通して図示左方向に間欠的に搬送するための試料搬送機構を構成している。

線材供給部２は、超電導線材７を挿通するための管状の開口部において磁束観察部３の側部の開口３ｂと気密に接続された筐体２ａと、その内部に、超電導線材７を巻いた線材リール２ｂ、線材リール２ｂから斜め上方に巻き出された超電導線材７を巻き掛けて図示右方向に搬送方向を変えるとともに超電導線材７を張架するテンションロール２ｅとを備えてなる。
線材リール２ｂは、回転軸２ｃにより図示紙面垂直軸回りに回転可能に保持されている。
回転軸２ｃの図示奥行き方向には、超電導線材７への張力を適正に保つためのクラッチ２ｇを介して、超電導線材７を間欠駆動するための駆動モータ２ｄが接続されている。駆動モータ２ｄとしては、例えば、速度制御が容易なパルスモータなどを採用することができる。
またテンションロール２ｅの回転軸上には、ロータリーエンコーダ２ｆが設けられており、後述する制御手段６により超電導線材７の現在位置を検出できるようになっている。

線材巻取り部４は、超電導線材７を挿通するための管状の開口部において磁束観察部３の側部の開口３ｃと気密に接続された筐体４ａと、その内部に、磁束観察部３を通って図示右側に搬送される超電導線材７を巻き掛けて斜め下方向搬送方向を変えるとともに超電導線材７を張架するテンションロール４ｅと、テンションロール４ｅで張られた超電導線材７を巻き取るための線材リール４ｂとを備えてなる。
線材リール４ｂは、回転軸４ｃにより図示紙面垂直軸回りに回転可能に保持されている。
回転軸４ｃの図示奥行き方向には、超電導線材７への張力を適正に保つためのクラッチ４ｇを介して、超電導線材７を間欠駆動するための駆動モータ４ｄが接続されている。クラッチ４ｇ、駆動モータ４ｄとしては、クラッチ２ｇ、駆動モータ２ｄと同様の構成を採用することができる。

駆動モータ２ｄ、４ｄは、それぞれ後述する制御手段６に接続され、互いに協調して制御される。例えば、線材供給部２から線材巻取り部４に向けて超電導線材７を搬送する場合、駆動モータ４ｄは、超電導線材７を間欠搬送するために回転のオンオフや速度制御を行うが、駆動モータ２ｄは、そのタイミングに協調して適宜逆回転され、クラッチ２ｇにより一定トルク以上でスリップすることで、超電導線材７の搬送を安定させるための適度のバックテンションを加えることができるようになっている。また、駆動モータ２ｄ、４ｄの役割を逆転させれば、まったく同一条件で、線材巻取り部４から線材供給部２へ超電導線材７を搬送することもできるようになっている。

線材リール２ｂ、４ｂの外径は、超電導線材７の長さに応じて適宜の大きさとすることができるが、本実施形態では、直径３００ｍｍとしている。これにより、超電導線材７は約５００ｍの長さを巻き取ることが可能である。

磁束観察部３は、図２に示すように、両側に線材供給部２、線材巻取り部４との接続する開口を備える以外、外部から気密に保たれ、外部と断熱された空間を形成する筐体３ａと、その内部に、冷凍機１０（冷凍機構）、線材冷却部１１Ａ（前置冷却部）、線材冷却部１１Ｂ（後置冷却部）、電磁マグネット１９（磁界発生部）、線材ガイド押え部１８、線材保持部１３、線材押え部２２Ａ、２２Ｂ、および磁気光学（以下、ＭＯと略称する）膜ホルダ１２（磁気光学膜保持部）を備えてなる。
筐体３ａの上部には、ＭＯ膜ホルダ１２の表面を観察するためのガラス製の観察窓２７が設けられている。
筐体２ａ、３ａ、４ａは、互いに連通する３室を形成しているが、装置稼働時には、これらの内部は不図示の真空ポンプにより真空引きされるようになっている。

冷凍機１０は、磁束観察部３内を搬送される超電導線材７および磁束観察部３の内部の部材を伝導冷却する冷却機構である。冷凍機１０の方式は、特に限定されないが、本実施形態では、初段冷凍部１０ａ、２段目冷凍部１０ｂを備える２段式のＧＭ（ギフォード・マクマフォン）冷凍機を採用している。

線材冷却部１１Ａ、１１Ｂは、それぞれ、開口３ｂ、３ｃの近傍で超電導線材７と当接して、超電導線材７を一定温度Ｔ_１に冷却するための部材で、それぞれ伝導冷却部２５Ａ、２５Ｂを介して、２段目冷凍部１０ｂと接続されている。温度Ｔ_１は、超電導線材７の磁束観察を行う温度Ｔ_２より、低温に設定される。本実施形態では、それぞれに約２０Ｋの温度差を設けている。例えば、Ｔ_２＝４０Ｋの場合、Ｔ_１＝２０Ｋである。
線材冷却部１１Ａ、１１Ｂは、超電導線材７の搬送速度に応じて十分な接触時間を確保することができるように、超電導線材７の搬送方向に沿って、適宜の接触面積に設定する。そして、安定接触させるために、鉛直方向の接触位置をテンションロール２ｅ、４ｅよりやや上側に設け、超電導線材７の裏面側から当接して、斜め下方から搬送され、斜め下方に巻き取られる超電導線材７を線材冷却部１１Ａ、１１Ｂ間で略水平方向に張架する。このため、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂの超電導線材７との接触部は、滑らかな湾曲面として形成される。
線材冷却部１１Ａ、１１Ｂの材質は、熱伝導性と、超電導線材７に対する摺動特性が良好であれば、どのような金属でもよいが、本実施形態では銅の表面に金を蒸着した構成を採用している。

電磁マグネット１９は、超電導線材７のテープ面（試料面）に垂直方向に磁界を発生させるもので、２段目冷凍部１０ｂの上部に当接され伝導冷却される。電磁マグネット１９のコイル部へ電流を供給する電流リード２８、２８は、外部からの熱流入の原因となるため、筐体３ａの外部で初段冷凍部１０ａにより冷却されている。
本実施形態では、最大１００ｍＴの磁界が印加できる構成とされる。これは、１０ｍｍ幅の超電導線材７の内部まで磁束を侵入できる磁界の大きさである。

線材ガイド押え部１８は、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂの間に張架された超電導線材７の搬送をガイドするとともに、停止に線材保持部１３により挟持して押えるための表面が平滑な円板状部材である。そして、電磁マグネット１９のコア部を介して２段目冷凍部１０ｂと熱的に接続されている。そのため、温度は略Ｔ_１とされている。
線材ガイド押え部１８の材質は、表面に金が蒸着された銅を採用することができる。

電磁マグネット１９のコア部の上方に相当する線材ガイド押え部１８の中央部には、上面が線材ガイド押え部１８と同一面上に整列した円板状の線材保持部１３（試料冷却保持部）が、断熱層１４を介して埋め込まれている。

線材保持部１３と、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂとの間の線材ガイド押え部１８上には、超電導線材７の搬送と停止とに同期して上下し、下降時には、線材保持部１３との間で超電導線材７を挟持して押える線材押え部２２Ａ、２２Ｂが設けられている。
線材押え部２２Ａ、２２Ｂは、それぞれ昇降機構２４により上下する昇降アーム２３により上下動される。
昇降機構２４は、例えば、後述する制御手段６により制御される不図示のモータと接続されたカムを採用することができる。
また、特に図示しないが、線材押え部２２Ａ、２２Ｂ、昇降アーム２３などは、適宜のサーマルアンカーなどにより、線材ガイド押え部１８と同程度の温度に冷却されている。

線材保持部１３は、少なくとも電磁マグネット１９による磁界中心の一定領域に設定される観察位置において、超電導線材７を一定温度Ｔ_２で保持するための部材である。
温度Ｔ_２は、断熱層１４を介して隣接する線材ガイド押え部１８の温度より高いため、温度Ｔ_２に保つための昇温手段として、断熱層１４との間に制御手段６により断続制御されるヒータ１５が埋設されている。線材保持部１３の内部には、制御手段６による温度制御に用いるための温調用温度計１６が配置されている。
線材保持部１３は、断熱層１４を介すものの、より低温の線材ガイド押え部１８に隣接するので中心位置から周辺部に向けて温度降下しやすくなっている。そのため、線材保持部１３の大きさは、隣接する観察領域を線材保持部１３上に保持することができるように、搬送方向には、観察領域幅の少なくとも３倍以上の長さを有することが好ましい。
線材保持部１３の材質は、表面に金が蒸着された銅を採用することができる。

断熱層１４は、２段目冷凍部１０ｂに熱的に接続された線材ガイド押え部１８に対する熱伝導を抑制し、線材保持部１３の温度制御を容易にするために設けられている。断熱層１４の材質は、例えば非磁性ステンレス鋼などを採用することができる。

ＭＯ膜ホルダ１２は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＯ膜２６を保持し、線材保持部１３上に搬送された超電導線材７上に、その搬送動作に同期して着脱するための部材である。本実施形態では、線材保持部１３の外径よりも短く、超電導線材７の幅よりもわずかに大きい矩形状の保持板１２ａの中央に円孔を形成してＭＯ膜２６を取り付け、保持板１２ａの４隅を４本の支持アーム１２ｃにより上方から上下動可能に支持する形態とされる。これにより、ＭＯ膜２６を線材保持部１３上の超電導線材７に適宜圧力で押圧し、ＭＯ膜２６を超電導線材７の表面に密着させることができる。そのため、超電導線材７の表面における磁界を正確に測定できる。
ＭＯ膜ホルダ１２は、特に図示しないが、熱的にはサーマルアンカーにより線材保持部１３と接続されることで、温度Ｔ_２に近い温度とされており、超電導線材７、線材保持部１３と当接したとき、迅速に温度Ｔ_２に平衡するようになっている。
ＭＯ膜ホルダ１２の材質は、表面に金が蒸着された銅を採用することができる。

支持アーム１２ｃは、その上部で、昇降機構２１により上下動される昇降アーム２０（図２参照）に接続されている。昇降機構２１は、昇降機構２４と同様の機構を採用することができる。
昇降アーム２０は、ＭＯ膜ホルダ１２の上方では、図３（ａ）に示すように、上方からＭＯ膜２６を観察できる大きさの切欠きが設けられている。

ＭＯ膜２６は、観察位置に搬送した超電導線材７に侵入した磁束を磁気光学効果利用して観察するためのものである。本実施形態では、外形が、超電導線材７上の矩形状の観察領域を内側に含む円形に成形され、厚さ方向には、超電導線材７に当接する側から、反射層、磁性膜層、透明基体層からなる。
そのため、ＭＯ膜２６に偏光光を入射すると、ＭＯ膜２６の磁性膜層の磁化に応じて、ファラデー効果により偏光方向が回転し、反射層で反射されて戻る際にさらに偏光方向が回転することにより、磁束密度分布に応じて偏光方向が大きく回転した反射光とされる。そのため、磁束密度分布が偏光分布として観察される。
磁性膜層を形成する材質としては、膜の面内に磁化容易軸を有する適宜の面内磁化磁性膜を採用することができるが、例えば、Ｂｉ置換磁性ガーネット膜を採用することができる。具体的な材質の例としては、例えば、「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス」（Japanese Journal of Applied Physics）、２００５年、第４４巻、第４Ａ号、ｐ．１７３４−１７３９、に開示されたものをすべて採用することができる。また、磁性膜層として、磁化容易軸を有しない常磁性膜を採用することもできる。例えば、ＥｕＳ、ＥｕＳｅ、ＥｕＯなどのＥｕカルコゲナイドを採用することができる。
これら面内磁化磁性膜または常磁性膜の分解能は磁化の最小単位と同等なので、分解能が磁区の大きさで規制される垂直磁性膜に比べて格段に高い分解能を備える。

撮像部５は、図１に示すように、磁束観察部３の観察窓２７の上方に配置され、観察窓２７を介して直線偏光した光をＭＯ膜２６に照射してその反射光５ｇを偏光観察する偏光顕微鏡５ａと、偏光顕微鏡５ａにより観察される画像を撮像して輝度分布データを取得するＣＣＤ５ｂとからなる。
照明光学系５０は、例えば、白色光源からなる光源５０ａを集光レンズ５０ｂにより集光して偏光子５０ｃを透過させることにより偏光顕微鏡５ａに直線偏光した照明光５０ｄを供給する手段であり、偏光顕微鏡５ａの側方に設けられている。
偏光顕微鏡５ａは、磁束観察部３の外部に配置されるので、観察領域の範囲を観察する視野を有し、少なくともＭＯ膜２６から観察窓２７までの距離だけ離して配置できる焦点距離を備えるものであれば、どのような偏光顕微鏡でもよい。例えば、対物レンズ５ｃ、撮像レンズ５ｆを備え、その間の光路上に、照明光５０ｄを対物レンズ５ｃに入射させてＭＯ膜２６上に導くとともに、ＭＯ膜２６からの反射光５ｇを透過させるビームスプリッタ５ｄと、反射光５ｇの偏光分布を磁束密度分布に対応した明暗に変換する偏光子５ｅとを備える構成を採用することができる。
ＣＣＤ５ｂは、必要な分解能に応じて適宜の画素サイズのＣＣＤを用いる。例えば、本実施形態では、観察領域が２０００×２０００ピクセルで、１ピクセル当たり１２ビットとなるようなデータが取得できる。
ＣＣＤ５ｂは、制御手段６と接続され、輝度分布データを制御手段６に送出する。

制御手段６の概略構成は、図４に示すように、データ処理部３０、搬送制御部３６、冷却制御部３７からなる。これらは、ハードウェアを組み合わせた構成としてもよく、各部を独立した機器により実現してもよいが、本実施形態では、各部の機能をコンピュータにロードされたプログラムにより実現している。

データ処理部３０は、ＣＣＤ５ｂから送出された輝度分布データをＭＯ膜２６のファラデー効果の特性に応じて磁束密度分布に変換するデータ変換部３１と、データ変換部３１により得られた磁束密度分布から等電流分布を算出する電流分布解析部３２と、データ変換部３１により得られた磁束密度分布から臨界電流密度分布を算出する電流密度分布解析部３３と、これらのデータを記憶する記憶部３４とからなる。
記憶部３４に格納されたデータは、画像やグラフなどに加工された状態で、モニタ８に表示できるようになっている。

搬送制御部３６は、駆動モータ２ｄ、４ｄ、クラッチ２ｇ、４ｇ、昇降機構２４、２１、電磁マグネット１９などと接続され、それぞれを協調制御し、超電導線材７を間欠的に搬送して、超電導線材７を一定幅ずつ観察位置に搬送するとともに、所定タイミングで電磁マグネット１９に一定の磁界を印加して磁束観察を行うものである。超電導線材７の現在位置はロータリーエンコーダ２ｆにより検出する。

冷却制御部３７は、冷凍機１０の初段冷凍部１０ａ、２段目冷凍部１０ｂにそれぞれ温度設定を行い、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂを温度Ｔ_１に設定し、温調用温度計１６の出力に応じて線材保持部１３を温度Ｔ_２に制御するものである。
なお、搬送制御部３６、冷却制御部３７に対する設定値の入力などの操作は、制御手段６に接続される、例えば、キーボードなどの操作部９により行う。

次に、本実施形態の連続型磁束観察装置１の動作について、磁界観察の手順を中心に説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の観察位置近傍の試料の温度分布について説明するための模式的なグラフである。横軸は試料の長手方向の位置を示し、縦軸は試料の温度を示す。図６は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の観察例を示す出力サンプルである。図７（ａ）は、本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の試料の長手方向の連続的な観察例について説明するための出力サンプルである。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すのと同一の測定試料をホール素子アレイ法で測定した比較例の出力サンプルである。

連続型磁束観察装置１で行う磁束観察としては、例えば、超電導線材７の欠陥の位置や臨界電流特性を調べるために、超電導線材７の温度を一定にして、超電導線材７に垂直に貫通する方向の磁界の磁束密度を変化させ、超電導線材７の内部への磁束の侵入の様子を観察し、そのときの、磁束密度分布、等電流分布、臨界電流密度分布Ｊｃなどを測定することが挙げられる。
超電導線材７が正常な第２種超電導体であれば、臨界温度以下で磁界が排除されるので磁束は貫通することができない。その結果、超電導線材７の幅方向の端部で磁束密度分布が上昇し、印加される磁界の磁束密度の上昇とともに両端部から少しずつ磁束が侵入する。ただし、超電導線材７の内部に欠陥があると、その部分からの磁束の侵入が起こりやすくなり、等電流分布や臨界電流密度分布にも異常が現われる。
このような欠陥の評価では１０μｍ程度の大きさの欠陥でも問題となるため、１μｍ以下の分解能で観察できることが好ましい。

まず、図１に示すように、線材リール２ｂから引き出された超電導線材７がテンションロール２ｅ、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂ、テンションロール４ｅにより一定の張力で張架された状態で、線材リール４ｂに巻き掛けてセットする。このとき、超電導線材７は、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂ間では、線材ガイド押え部１８、線材保持部１３上に水平移動可能に渡されている。
一方、冷却制御部３７により、初段冷凍部１０ａ、２段目冷凍部１０ｂの冷却温度がそれぞれ設定される。また、ヒータ１５が作動される。
それにより、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂ、電磁マグネット１９、線材ガイド押え部１８などが温度Ｔ_１、線材保持部１３が温度Ｔ_２に設定される。例えば、Ｔ_１＝２０Ｋ、Ｔ_２＝４０Ｋとする。

このため、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂにより超電導線材７が温度Ｔ_１に冷却され、相対的に高温の線材供給部２、線材巻取り部４に置かれた超電導線材７から伝熱しても、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂにより遮熱され、それぞれの間で、外部の温度の影響を遮断することができる。そのため、線材供給部２、線材巻取り部４に収納された長尺の超電導線材７のすべてを観察時の温度に一度の冷却して保持しなくてもよいという利点がある。
ヒータ１５により加熱されなければ、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂの間の超電導線材７はやがて熱平衡に達して温度Ｔ_１になる。

次に、搬送制御部３６により、駆動モータ２ｄ、４ｄを駆動して超電導線材７を線材リール４ｂに巻き取り、超電導線材７の最初の観察領域を観察位置まで移動する。このとき、線材冷却部１１Ａと超電導線材７とは搬送時間内に温度平衡に達する程度の接触面積があるため、磁束観察部３に搬送される超電導線材７は温度Ｔ_１となっている。
また搬送制御部３６は、昇降機構２４、２１を駆動して、線材押え部２２Ａ、２２Ｂ、ＭＯ膜ホルダ１２をそれぞれ下降させ、それぞれ線材ガイド押え部１８、線材保持部１３との間で超電導線材７を挟持する。

このとき、線材押え部２２Ａ、２２Ｂ、ＭＯ膜ホルダ１２は、搬送方向の移動を阻止するとともに、超電導線材７を適宜押圧する。その結果、超電導線材７が線材保持部１３とＭＯ膜２６との間に密着して挟持され、超電導線材７の裏面が線材ガイド押え部１８、線材保持部１３に、超電導線材７の表面が保持板１２ａ、ＭＯ膜２６にそれぞれ密着される。そのため、ＭＯ膜２６により表面の磁界によるファラデー効果を正確に観察することができる。また、それぞれの部材の間で速やかに温度平衡が実現される。
図５は、このときの超電導線材７の温度分布を模式的に示している。図中の領域Ｐ_１Ｐ_２、Ｐ_６Ｐ_７は、それぞれ線材冷却部１１Ａ、１１Ｂとの当接領域、領域Ｐ_３Ｐ_５は、観察領域を含む線材保持部１３の中心部に対応する。点Ｐ_４は、観察位置の中心を示す。
つまり、点Ｐ_１、Ｐ_７の外側では、それぞれ線材供給部２、線材巻取り部４の内部温度から温度Ｔ_１まで急峻に降下し、領域Ｐ_１Ｐ_２、Ｐ_６Ｐ_７で温度Ｔ_１となり、その中間で、領域Ｐ_３Ｐ_５で温度Ｔ_２となる山形の昇温領域が形成されている。

この状態で、電磁マグネット１９により磁界を印加する。磁界は、観察領域で超電導線材７のテープ面に垂直方向に印加される。
超電導線材７の観察位置は、線材保持部１３、線材ガイド押え部１８を隔てて、電磁マグネット１９の端部から電磁マグネット１９の外部側に離間して配置されているので、電磁マグネット１９のコイル部からの距離に依存する磁束密度は離間距離に応じて減衰されている。
例えば、電磁マグネット１９を中空構造として、コイル部の内側の磁界を横切るように超電導線材７を搬送することを考えると、中空部の中央部で磁束密度が最低となり、径方向の外側に向かって磁束密度が増大することになる。この場合、超電導線材７は観察領域の外側で、強い磁界を受けて、それが残留し、観察位置に移動されたときに残留磁束密度が存在し、臨界電流特性を正しく検出することができなくなってしまう。
これに対して本実施形態の配置では、磁束密度はコイル部の中心軸上で最大となり、径方向の外側に向かって減衰する傾向を有する。そのため上方への離間距離を適宜に設定することで、観察領域内で磁束密度が最大となり、かつ磁束密度分布が径方向（水平方向）に平坦な磁束密度分布とすることができる。また、線材冷却部１１Ａも電磁マグネット１９の径方向の端部から外部側に離間しているので、線材冷却部１１Ａから観察位置に向かう搬送路上でも、観察位置より強い磁界を通過することなく搬送される。

また、搬送方向に平坦な磁束密度であったとしても、観察領域の外側で、超電導線材７が観察位置の温度より高温である場合、第２種超電導体では磁束を排除する能力が落ちるから、磁束がより侵入しやすくなる。そのため、観察領域の外部磁界が超電導線材７に侵入して残留したまま次の測定が行われて、ゼロ磁界冷却を前提とした臨界電流特性の算出を困難にしてしまう。
本実施形態では、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂや線材ガイド押え部１８などにより磁界が及ぶ磁束観察部３内の広い範囲で、超電導線材７の温度がＴ_２より低い温度Ｔ_１とされているので、このような磁界中冷却の影響を排除することができるという利点がある。

超電導線材７に一定温度Ｔ_２で磁界が印加されると、磁界の大きさや欠陥の存在などにより、一部の磁束が排除されることなく試料内部に侵入する。
その磁束によりＭＯ膜２６の磁化がキャントされ、直線偏光光が照射されると、ファラデー効果を受ける。すなわち磁束密度に対応する磁化方向の回転に応じて、偏光光の偏光方向が、ファラデー効果の非相反性を反映して、その２倍の角度だけ回転する。このため、偏光顕微鏡５ａで観察すると、磁束密度の大きさに応じた輝度分布を有する画像が取得される。
この画像をＣＣＤ５ｂにより撮像し、輝度レベルに応じた輝度分布データをデータ処理部３０に送出する。

撮像が終了すると、電磁マグネット１９の磁界の印加を停止し、線材押え部２２Ａ、２２Ｂ、ＭＯ膜ホルダ１２を上昇させて、ＭＯ膜２６を超電導線材７の上方に離間させ、隣接する観察領域に超電導線材７を搬送する。そして、上記を繰り返す。
このとき、隣接する観察領域の超電導線材７は、図５に示すように、温度Ｔ_２よりわずかに降下した温度であり、最悪でも温度Ｔ_１以上である。そのため、以下の工程では、ＭＯ膜ホルダ１２を降下させてから温度平衡に達するまでの時間はきわめて短く、しかも各観察領域で略一定している。したがって間欠的な測定であっても、熱的な条件の乱れが少なくなるので、順次連続的に観察を続けることができる。
本実施形態では、観察領域の温度安定時間、すなわち測定時間間隔は、１０ｓ／ｃｍを達成している。すなわち、測定領域の搬送方向幅Ｌが１０ｍｍのとき、温度平衡に要する時間は１０ｓである。

次に、データ処理部３０の動作について簡単に説明する。
データ変換部３１に送出された、輝度分布データは、観察領域の大きさにトリミングされ、予め記憶された輝度と磁束密度との対応関係（キャリブレーションデータ）に基づいてデータ変換される。すなわちＣＣＤ５ｂにより読み取られた輝度データが１対１に磁束密度データに変換される。
このため、１０ｍｍ×１０ｍｍの観察領域を、２０００×２０００ピクセル１２ビットの画像として撮像することにより、０．５μｍ単位の分解能が得られる。
図６（ａ−１）、（ｂ−１）は、磁束密度が、それぞれ、２０ｍＴ、５０ｍＴにおける輝度分布データの出力サンプルである。また、図６（ｃ−１）は、図６（ｂ−１）の状態から磁界の印加を停止した場合の磁束の残留状態における輝度分布データの出力サンプルである。図中のＷは、超電導線材７の幅寸法を示す。
図６（ａ−１）、（ｂ−１）のいずれでも、中間部に高輝度の部分が見られるのが分かる。また、図６（ｃ−１）によれば、残留状態にも同じ場所に高輝度の部分が現われている。

電流分布解析部３２では、データ変換部３１から送出された磁束密度データを、ビオサバールの法則、キルヒホッフの法則などに基づいて、電流値に換算し、等電流分布を計算する。この計算はＦＦＴを用いて波数空間で行うことにより短時間で処理され、図６（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）のようなグラフをモニタ８で観察することができるようになっている。
図６（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）は、それぞれ図６（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）のデータから算出した等電流分布である。上記の高輝度部は、電流分布としてもＢ部のように特異的な分布を示していることが分かる。

電流密度分布解析部３３では、データ変換部３１から送出された磁束密度データを、予め設定された臨界電流モデルとマックスウェルの方程式により計算される。

本実施形態の連続型磁束観察装置１によれば、図６に示すように、特定の観察領域のデータの詳細を得ることは当然であるが、これらのデータを、超電導線材７の搬送方向に沿って連続的に取得することができるので、超電導線材７の全線長にわたって、欠陥の検査をリアルタイムに行うことができる。例えば、磁束密度分布、等電流分布、臨界電流密度分布などに異常検出の閾値を設定し、取得したデータや演算結果から合否判定を行い、不合格部分について記録する、といった評価装置として用いることもできる。
図７（ａ）は、測定された長尺の場合の出力サンプルの一例を、先頭部（図示左側）から１００ｍｍ分だけ示している。測定条件は、Ｔ_２＝４０Ｋ、磁束密度５０ｍＴである。
試料の先頭部分には明らかに磁束の侵入が大きい異常部が見られるが、図示左側では、磁束の侵入は端部から略一定の範囲に限られていることが容易に分かる。
一方、図７（ｂ）は、同一試料を、ホール素子アレイ法により測定した比較例である。なお、この出力サンプルでは、図７（ａ）とは逆に、磁束が貫通する領域が低輝度で表示されている。測定条件は、Ｔ_１＝７７Ｋ、磁束密度２０ｍＴである。
この場合、分解能が低いので、図７（ａ）で観察される細かい変化が平均化されてしまうことがよく分かる。

このように、本実施形態の連続型磁束観察装置１によれば、線材保持部１３上の観察位置で、一定領域範囲を一定温度Ｔ_２に温度制御しするので、間欠的に搬送される隣接する一定領域が温度Ｔ_２との温度差が少なくなるため、一定領域ごとに短時間で温度平衡に達することができる。そのため、長尺の試料であっても、順次効率的な測定を行うことができる。

なお、上記の説明では、Ｔ_２＞Ｔ_１の場合で説明したが、超電導線材７が観察位置に到達する前に、観察位置での磁界よりも強い磁界を通過せず、その間で、超電導線材７の温度がＴ_２を超えない場合にはＴ_２＝Ｔ_１であってもよい。

また、上記の説明では、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂがそれぞれ温度Ｔ_１の場合の例で説明したが、温度Ｔ_２より低温であれば、線材冷却部１１Ａ、１１Ｂの間では異なる温度であってもよい。つまり、線材冷却部１１Ａが温度Ｔ_１であり、線材冷却部１１Ｂが温度Ｔ_３（ただし、Ｔ_３＜Ｔ_２）であってもよい。この場合、試料は観察位置の上流側で第１の温度Ｔ_１、観察位置で第２の温度Ｔ_２、観察位置の下流側で第３の温度Ｔ_３となっている。

また、上記の説明では、データ処理部３０により、磁束密度データを算出する例で説明したが、偏光顕微鏡５ａで取得した画像の濃淡から、目視で磁束密度分布を観察する場合には、データ処理部３０を備えなくてもよい。

また、上記の説明では、冷却機構は伝導冷却を行う冷凍機１０を用いた例で説明したが、最終的な冷却部分を伝導冷却するものであれば、冷却源が寒剤を用いた構成としてもよい。

また、上記の説明では、超電導線材７を線材供給部２から線材巻取り部４に搬送する場合の例で説明したが、必要に応じて、線材巻取り部４から線材供給部２に超電導線材７を搬送してもよい。その場合、前置冷却部、後置冷却部は、それぞれ線材冷却部１１Ｂ、１１Ａとなる。

本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の概略構成について説明するための模式的な断面説明図である。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の主要部の構成について説明するための模式的な断面説明図である。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置に用いる磁気光学膜保持部の概略構成について説明するための平面説明図およびそのＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の制御手段の概略構成について説明するための機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の観察位置近傍の試料の温度分布について説明するための模式的なグラフである。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の観察例を示す出力サンプルである。 本発明の実施形態に係る連続型磁束観察装置の試料の長手方向の連続的な観察例について説明するための出力サンプル、および同試料をホール素子アレイ法で測定した比較例の出力サンプルである。

符号の説明

１ 連続型磁束観察装置、２ 線材供給部（試料搬送機構）、２ｂ、４ｂ 線材リール、２ｄ 回転制御機構、２ｅ、４ｅ テンションロール、２ｆ ロータリーエンコーダ、３ 磁束観察部、４ 線材巻取り部（試料搬送機構）、２ｄ、４ｄ 駆動モータ、５ 撮像部、５ａ 偏光顕微鏡、５ｂ ＣＣＤ、５ｇ 反射光、６ 制御手段、７ 超電導線材（試料）、１０ 冷凍機（冷却機構）、１０ａ 初段冷凍部、１０ｂ ２段目冷凍部、１１Ａ 線材冷却部（前置冷却部）、１１Ｂ 線材冷却部（後置冷却部）、１２ ＭＯ膜ホルダ（磁気光学膜保持部）、１３ 線材保持部（試料冷却保持部）、１５ ヒータ、１８ 線材ガイド押え部、１９ 電磁マグネット（磁界発生部）、２０、２３ 昇降アーム、２１、２４ 昇降機構、２２Ａ、２２Ｂ 線材押え部、２５Ａ、２５Ｂ 伝導冷却部、２７ 観察窓、２６ ＭＯ膜（磁気光学膜）、３０ データ処理部、３１ データ変換部、３２ 電流分布解析部、３３ 電流密度分布解析部、３６ 搬送制御部、３７ 冷却制御部、５０ 照明光学系、５０ｄ 照明光（直線偏光した光）

Claims (7)

1. 超電導体からなる長尺の試料を観察位置に搬送し、前記試料の長手方向に沿って一定領域ごとに順次、磁束観察を行う連続型磁束観察装置であって、
   前記観察位置に前記試料を間欠的に搬送する試料搬送手段と、
   前記観察位置に搬送された前記試料を一定温度に調整し、保持する試料冷却保持部と、
   前記観察位置の試料面に垂直方向に磁界を発生する磁界発生部と、
   磁気光学効果により磁束密度分布を反射光の偏光分布に変換する、膜の面内に磁化容易軸を有する面内磁化磁気光学膜、または磁化容易軸を有しない常磁性磁気光学膜と、
   該面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜を、前記試料搬送手段による搬送動作に同期して前記試料の表面に着脱できるようにした磁気光学膜保持部と、
   前記面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜に直線偏光した光を照射する照明光学系と、
   該照明光学系により前記面内磁化磁気光学膜または常磁性磁気光学膜に照射された前記光の反射光による偏光分布を観察する偏光観察手段と、
   前記試料冷却保持部を温度制御することにより、前記試料を前記観察位置で前記一定温度に設定する冷却機構とを備え、
   該冷却機構が、
   前記試料冷却保持部に対する搬送方向の上流側と下流側とに、それぞれ前記試料を前記一定温度よりも低温に冷却する前置冷却部と後置冷却部とを備えることを特徴とする連続型磁束観察装置。
2. 前記前置冷却部、前記後置冷却部および前記試料冷却保持部が、前記冷却機構により伝導冷却されることを特徴とする請求項１に記載の連続型磁束観察装置。
3. 前記磁界発生部が、電磁マグネットからなり、
   前記試料の観察位置の中心が、前記電磁マグネットの磁界の中心軸上で前記電磁マグネットの端部から離間して配置されるとともに、
   前記前置冷却部が、前記電磁マグネットの径方向の端部から外部側に離間して配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の連続型磁束観察装置。
4. 前記磁界発生部が、電磁マグネットからなり、
   前記冷却機構は、前記電磁マグネットを伝導冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の連続型磁束観察装置。
5. 前記偏光観察手段が、
   前記面内磁化磁気光学膜または前記常磁性磁気光学膜上の偏光分布を輝度分布として撮像する撮像部と、
   該撮像部により取得された輝度分布データを磁束密度分布データに変換するデータ変換部とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の連続型磁束観察装置。
6. 前記データ変換部により得られた磁束密度分布データから、電流分布特性を算出することを特徴とする請求項５に記載の連続型磁束観察装置。
7. 超電導体からなる長尺の試料を観察位置に搬送し、前記試料の長手方向に沿って一定領域ごとに順次、磁束観察を行う連続型磁束観察方法であって、
   前記試料を前記観察位置の上流側で第１の温度に冷却し、
   前記観察位置に搬送された前記試料を、前記第１の温度より高温の第２の温度に昇温させた状態で、試料面の垂直方向に磁界を作用させ、
   前記試料の表面の磁束密度分布を、磁気光学効果により反射光の偏光分布に変換する、膜の面内に磁化容易軸を有する面内磁化磁気光学膜、または磁化容易軸を有しない常磁性磁気光学膜により観察し、
   前記試料を、前記観察位置の下流側で前記第２の温度より低温の第３の温度に冷却してからより下流に搬送することを特徴とする連続型磁束観察方法。

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