JP6812534B2 - ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気及び磁気機器を用いる材料の研究及び分析に関し、超伝導体の物理的性質を決定又は制御するために用いられ得る。

超伝導体の性質を制御するための装置が知られている（Frank King, “Finding the critical temperature of a YBCO superconductor using a voltage probe”, Physics Department, The College of Wooster, Wooster, Ohio 44691, USA, 2008年5月8日）。先行技術の装置は、四点パターンに従って超伝導体抵抗を測定する。２つの電流測定線及び２つの電圧測定線が超伝導体に接続されている。これらの線は、複雑なマルチチャンネル装置、例えばケースレー２０００に接続されている。加えて、超伝導体温度を測定するための先行技術の装置は、水と氷とが混じり合ったものが入った容器に配置された温接点及び超伝導体と接触している冷接点を有する熱電対を用いる。熱電対は、ケースレー２０００マルチチャンネル装置のチャンネルのうちの１つに一端が接続されている。超伝導体パラメータを制御するための先行技術のプロセスでは、研究中の試料を、それに接続されている線と共に液体窒素に浸けることを含んでいる。超伝導体及び線の温度は、試料及び線の物理的特性の差異に起因して急激かつ不均一に下降し、その結果、超伝導遷移の細やかな（detailed）曲線が得られず、即ち測定精度及び再現性が限定される。特に超伝導遷移温度の測定精度は±１．１Кであり、いくつかの場合には不十分である。

超伝導体パラメータを制御するための装置が知られている（Daniel Brown and Mihach Milliman, “Measuring the Critical Temperature of YBCO using Meissner effect”, Department of Physics, Wabash College, Crawfordsville, IN 47933, 2008年12月10日）。超伝導体パラメータを測定及び制御するためのそのような装置は、臨界温度のみが測定されることを可能としており、即ち機能性が限定されている。そのような装置の使用はまた、超伝導体がコイルと共に液体窒素に浸けられることが必要であり、このこともまた、上で論じられた装置と同様に、測定精度を限定する。加えて、発振器と増幅器との間のフィードバックが、測定システムを共振状態に維持するための先行技術の装置には設けられ、このことは更なる調整を必要とし、測定結果の精度及び再現性を損ない、全体として装置を操作するプロセスを複雑化する。更に、先行技術の装置では熱電対が温度測定のプロセスにおいて用いられる。熱電対の感度は、低温度領域において劇的に低下すると知られており、このことも更に、測定精度を損なう。

装置の操作を簡略化しつつ、ストリップ型超伝導体のパラメータを決定及び制御する精度を向上させることに加え、測定結果の再現性を向上させることが、本発明の目的である。

上記課題は、発振器の周波数設定素子と発振器のインダクタンスコイルと（即ち、発振器に接続されている）を有する発振器、及び受信器の周波数設定素子と受信器のインダクタンスコイルと（即ち、受信器に接続されている）を有する受信器を備えるストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置によって解決され、発振器のインダクタンスコイル及び受信器のインダクタンスコイルは、それらの間に間隙を伴って配置され、これによりストリップ型超伝導体が該インダクタンスコイルの間に配置されることが可能になり、発振器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域と、受信器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域は、より狭いパス／ストップ帯域幅を有する周波数設定素子のパス／ストップ帯域の少なくとも半分で合致する。

好ましい実施形態では、発振器の周波数設定素子及び受信器の周波数設定素子は狭帯域素子を備える。発振器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域の帯域中心と、受信器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域の帯域中心は、好ましくは、より狭いパス帯域幅を有する周波数設定素子のパス／ストップ帯域幅の１０％以下（好ましくは１％以下）の周波数の間隔があいている。別の実施形態では、発振器の周波数設定素子と受信器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域の帯域中心は、より狭いパス帯域幅を有する周波数設定素子のパス／ストップ帯域幅の１％〜１０％の範囲にある周波数の値、又は０．５％〜１％の範囲にある周波数の値だけ間隔があいている。

好ましい実施形態では、発振器の周波数設定素子及び受信器の周波数設定素子は同型素子を備える。加えて、発振器及び受信器の一部を形成する増幅素子もまた、同型素子を備え得る。発振器の周波数設定素子及び受信器の周波数設定素子は、１０％又は１％以下しか異ならない特性（特に、周波数又は他の特性、例えば電気的、機械的、技術的等の特性）を有し得る。別の実施形態では、発振器の周波数設定素子及び受信器の周波数設定素子は、１％〜１０％の相対的範囲にある値、又は０．５％〜１％の相対的範囲にある値しか異ならない特性を有する。

本発明の課題はまた、上記実施形態の何れにおけるものによっても解決され得、上で論じられたストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置が、ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための測定システムの一部として用いられ得、前記システムは、前記装置に加えて、温度センサを含む温度測定装置を備える。該装置はまた、極低温剤を収容する貯蔵容器を有し得る。そのようなシステムでは、ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置のインダクタンスコイル及び温度センサは、極低温剤を収容する貯蔵容器中に配列され得る。

好ましい実施形態では、温度測定装置は、ストリップ型超伝導体と接触するように構成されたサーミスタを備える。温度測定装置はまた、電流安定器及びミリボルト計を有し得る。電流安定器は、陽極回路におけるソースフォロワと共に精密スタビロトロンに基づいて設けられ得る。インダクタンスコイルは、極低温剤の表面から実質的に少なくとも３０ｍｍ上の距離に配置されている。

発振器のインダクタンスコイルは、一次インダクタンスコイルと称され得、発振器の出力（又は発振器の一部を形成する増幅器の出力）に接続され得る。受信器のインダクタンスコイルは、二次インダクタンスコイルと称され得、受信器の一部を形成する増幅器の入力に接続され得る。

周波数設定素子は、発振器の増幅素子及び受信器の増幅素子のフィードバック回路に含まれる、同一だがわずかに異なる電気的特性をもつ（回路図に応じて）抑制及び／又は伝送の好ましくは狭帯域のフィルタを備え得る。電流安定器は、陽極回路におけるソースフォロワ、及び例えば±０．００１の安定精度を有する精密スタビロトロンに基づいて設けられ得る。

発振器中の増幅素子として用いられる電子装置の入力は有利に接地され、反転入力には更に、出力電圧振幅を制御する抵抗器が設けられる。

超伝導体のパラメータを決定（制御）するための装置の好ましい実施形態では、インダクタンスコイルは、同一の電気パラメータを有するように構成され、同一の狭帯域抑制／伝送フィルタを有するフィードバック回路が設けられた同一の電子装置が、発振器の増幅器及び受信器の増幅器として用いられる。そのような回路図によって発振器受信器システムは共振状態に定常的に維持され、これには雑音信号レベルの低下が伴い、即ち研究中の試料の磁化率の測定精度が向上する。

プロトタイプとは異なり、提案される装置の電気回路は、共振状態にシステムを維持するためのフィードバックを有さない。しかしながら、増幅器回路図及び発振器回路図は、同一の電気特性（又は発振器の周波数帯域及び増幅器の周波数帯域が、帯域幅のうちの最も狭い幅で少なくとも５０％分合致することを可能にする特性）をもつ狭帯域抑制／伝送フィルタを提供するので、発振器及び受信器は同じ周波数で動作し、即ちシステムはフィードバックなしで共振状態にある。

インダクタンスコイルは、極低温剤が入った貯蔵容器中で、極低温剤の表面から実質的に少なくとも３０ｍｍ上の距離に配置されている。インダクタンスコイル及び研究中の試料が、極低温剤の表面から３０ｍｍ上よりも短い距離に配置されている場合、極低温剤の蒸気、特に極低温剤の表面に近い液体窒素の強力な対流（convective stream）への暴露に起因して、該試料は超伝導状態と通常状態との間で入れ替わることになる。この現象は、実施されている測定の精度と、得られた測定結果の再現性との両方に悪影響を及ぼす。

研究中の試料と極低温剤の表面との間の距離がより大きいところ（例えば、４０ｍｍより大きい、又は５０ｍｍより大きい、又は６０ｍｍより大きい）では、測定時間が不当に大きくなる。特に、説明中の装置を実験的に用いると、距離の２５ｍｍ増が、結果として測定時間の６％増をもたらすことがわかる。

電流安定器及びミリボルト計に接続されているサーミスタが、超伝導体と接触している温度感知装置として提案される装置では用いられ得る。

サーミスタ電流安定器は、陽極回路におけるソースフォロワと共に精密スタビロトロンに基づいて設けられ得る。スタビロトロン電圧は、ソースフォロワを通じて流れる電流がフィードバックに起因して実際には変化しないため、高精度で安定した状態に維持される。従って、高度に安定したサーミスタ電流が可能にとなり、ひいては、得られた測定結果の高精度及び高再現性が可能になる。

発振器の増幅器として用いられる電子装置はその入力が接地され得、反転入力には更に、出力電圧振幅を制御する抵抗器が設けられる。増幅電子装置のそのような接続は、それが発振器として用いられることを可能にする。反転入力で設けられる抵抗器は、超伝導体の加熱が発振器振幅の高い値で生じ得、それにより超伝導性が消滅するので、必要とされる発振器の出力電圧振幅が有効になることを可能にする。

従って、一方の回路が磁化率を測定するように意図されているのに対して、他方の回路は同時に温度を測定するように意図されている。ある特定の時間期間、測定が実施されているので、磁化率と時間の関係性、及び温度と時間の関係性が得られる。ひいては、磁化率と温度の関係性が得られる。得られたデータにより、いくつかのパラメータ、特に研究中の超伝導体の超伝導遷移の臨界温度及び幅が、高精度で一度に決定されることが可能になる。加えて、、提案される装置は、装置の組み立て中に定義される測定パラメータを設定する構成要素の使用に起因した設定及び調整を必要としない。従って、提案される装置は、先行技術の装置よりも格段容易に動作する。

本発明は以下の図面によって説明される。

図１は、ストリップ型超伝導体のパラメータを制御するための装置の電気回路を示す。 図２は、超伝導体の磁化率と温度との関係を示す。

ストリップ型超伝導体のパラメータを（決定）制御するためのシステムは、極低温剤１が入った貯蔵容器を備え、温度センサ２並びに２つのインダクタンスコイル３及び４が、超伝導体５を収めるためにそれらの間に間隙を伴って配列される。コイルのうちの一方は発振器６に接続され、もう一方は受信器７に接続される。インダクタンスコイルは、同一の電気パラメータを有するように構成され、極低温剤の表面から５０ｍｍ上の距離に配列される。電流安定器８及びミリボルト計９に接続されるサーミスタは、超伝導体に接触している温度センサとして使用される。同一の電気特性をもつ狭帯域抑制／伝送フィルタ１０を有するフィードバック回路が設けられた同一の電子装置は、発振器の増幅器及び受信器の増幅器として用いられ、一次インダクタンスコイルは発振器の出力に接続され、二次インダクタンスコイルは受信器の入力に接続される。受信器の出力はミリボルト計１１に接続される。

提案されている装置では、電流安定器は、陽極回路中のソースフォロワ及び±０．００１の安定精度を有する精密スタビロトロンに基づき得る。

発振器として用いられる電子装置は有利にその入力が接地され、反転入力には更に、出力電圧振幅を限定する抵抗器１２が設けられる。

提案されている装置は、長さが３ｃｍ、幅が４ｍｍ、及び厚さが０．１ｍｍのストリップ型高温超伝導体のパラメータを制御するために検査されている。超伝導体５は、２つのバッファ層（９ＺｒＯ_２ｘＹ_２Ｏ_３及びСеＯ_２）とＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ７の超伝導層が適用されたステンレス鋼基板リボンとして構成された。超伝導体は、２つのインダクタンスコイル３と４との間に配置された。各コイルは、９０Ｏｈｍの能動抵抗を有した。ＩＣＬ７６５０ＳＣＰＤ超小型回路が、発振器６及び受信器７の増幅器として用いられた。発振器６及び受信器７には、各々が３つの抵抗器及び３つのコンデンサで構成され狭帯域抑制フィルタ１０を有するフィードバック回路が設けられる。フィルタ素子は、±０．０３％の拡散率（spread of rating）を有した。インダクタンスコイル３及び４並びに超伝導体５は、液体窒素の表面から５０ｍｍの距離に、極低温剤１が入った貯蔵容器中で配置された。超伝導体を、液体窒素の表面から３０ｍｍ〜６０ｍｍ上の距離に配置することが有利である。ＣＸ−１０８０−ＳＤサーミスタ２は、超伝導体５の表面と接触している温度センサとして用いられた。サーミスタ抵抗は、ＤＣミリボルト計９及びサーミスタ安定器８によって決定された。

発振器６の増幅器として用いられる電子装置はその入力が接地され、反転入力には更に、出力電圧振幅を制御する抵抗器１２が設けられ、その出力が一次コイル３に接続された。受信器の増幅器として用いられる電子装置は、その反転入力がフィルタ１０を介して出力に接続され、その非反転入力が二次コイル４に接続された。

約１００ｍＶの電圧が、発振器６によって一次コイル３に印加された。装置が動作されると、試料は冷却し、超伝導状態に移った。二次コイル４における（約３ｍＶの）電圧は、おおよそ８０％急に落ちた。電圧は増幅器７に印加され、ミリボルト計１１によって記録された。超伝導体の磁化率は電圧値に従って決定された。超伝導体５の温度は、その表面に接触しているサーミスタ２によって同時に記録された。超伝導体の温度が変化する場合、サーミスタ抵抗は変化するだろう。サーミスタ２の電流は電流安定器８によって一定に設定および維持され、サーミスタにおける電圧低下は、ミリボルト計９によって記録された。このように、サーミスタ抵抗、ひいては超伝導体５の温度が決定された。磁化率と超伝導体の温度の関係が図２で示されている。提示されている関係により、超伝導遷移温度及び幅が決定されることが可能になる。前記関係の分析に基づいて、超伝導遷移パラメータの測定精度が±０．１Кであると結論付けられ得る。測定の再現性もまた±０．１Кであることが、測定のセットの結果を分析することによって分かる。

提示されている装置及びシステムは、超伝導体のプロセスおよび産業生産を発展させるために用いられ、様々な型の超伝導体の温度の高測定精度と動作制御とが同時に可能になるようにする。

Claims (13)

1. ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置であって、
   発振器、前記発振器に接続された周波数設定素子、及びインダクタンスコイルと、
   受信器、前記受信器に接続された周波数設定素子、及びインダクタンスコイルと、を備え、
   前記発振器のインダクタンスコイル及び受信器のインダクタンスコイルは、それらの間に間隙を伴って配置され、それによりストリップ型超伝導体が前記インダクタンスコイルの間に配置されることが可能になり、
   前記発振器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域と、前記受信器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域は、より狭いパス／ストップ帯域幅を有する周波数設定素子のパス／ストップ帯域の少なくとも半分で合致する、装置。
2. 前記発振器の周波数設定素子及び前記受信器の周波数設定素子は、狭帯域素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記発振器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域の帯域中心と、前記受信器の周波数設定素子のパス／ストップ帯域の帯域中心が、より狭いパス帯域幅を有する周波数設定素子のパス／ストップ帯域幅の１％〜１０％の範囲にある周波数の値、又は０．５％〜１％の範囲にある周波数の値だけ間隔があいていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記発振器の周波数設定素子と前記受信器の周波数設定素子は、同じ型の素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記発振器の周波数設定素子と前記受信器の周波数設定素子は、１％〜１０％の相対的範囲にある値、又は０．５％〜１％の相対的範囲にある値だけ、異なる特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 前記発振器及び前記受信器は同じ型の増幅素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
7. 請求項１〜６のうちの何れか一項に記載のストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置と温度センサを含む温度測定装置とを備える、ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための測定システム。
8. 前記ストリップ型超伝導体と接触するように構成されたサーミスタが温度センサとして用いられることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 温度測定装置はまた、電流安定器及びミリボルト計を有することを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
10. 前記電流安定器は、陽極回路中のソースフォロワとともに精密スタビロトロンに基づく、請求項９に記載のシステム。
11. 極低温剤が入った貯蔵容器を有することを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
12. 前記ストリップ型超伝導体のパラメータを決定するための装置の前記インダクタンスコイル及び前記温度センサは、前記極低温剤が入った前記貯蔵容器中に配列されていることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記インダクタンスコイルは、前記極低温剤の表面から少なくとも３０ｍｍ上の距離に配列されている、請求項１２に記載のシステム。

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