JPH0296678A - 超電導観測用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は超電導特有の現象を簡便に実現し、間近に観測
することができる超電導観測用装置に関するものである
。

〈従来の技術〉 従来よシ超電導特有の現象、例えば超電導体が臨界温度
（以下、Ｔｃと呼ぶ）で電気抵抗が零となる特性を観測
するには、超電導体を冷却するための装置としてクライ
オポンプ、超電導体に一定の電流を流すための電流発生
装置、超電導体に生じる電圧変化を検出するための微少
電圧測定装置が用いられている。

また、超電導体に磁界全印加した際の電気抵抗変化を観
測するには、磁界発生用コイルに電流を流すための電流
発生装置と、この電流量を変化させ磁界の強さを変化さ
せるための電流制御装置が上記した装置に加えて用いら
れる。また、電流発生装置、微少電圧測定装置及び電流
制御装置をコントロールし、電気信号を処理するために
、これラバパーソナルコンピューターとＧＰＩＢｔ−介
して接続されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかし、上記した従来の超電導体がＴｃで電気抵抗が零
となる現象を観測する方法や、超電導体に磁界を印加し
た際の電気抵抗変化を観測する方法では、大がかシな冷
却装置や、電流発生装置、微少電圧測定装置、電流制御
装置が独立して必要となる。さらに、これらの装置をコ
ントロールし、電気信号を処理するために、パーソナル
コンピューターとこれらの装置’１ＧＰＩＢで接続する
必要がある。このように上記の何台もの装置を用いて超
電導特有の現象を観測する従来の方法では、全体として
高価なものとなり、超電導教育用として一般的に用いる
ことが難しい。

本発明は上記の点に鑑みて創案されたものであり、超電
導特有の現象を簡便に実現し、１じかに観測することが
できる超電導観測用装置を提供することを目的としてい
る・ 〈課題を解決するための手段〉 上記の目的を達成するため、本発明の超電導観測用装置
は、超電導体と、この超電導体を臨界温度以下に保つ手
段と、上記の超電導体に磁界を印加する手段と、上記の
超電導体に所定の電流を供給する手段と、上記の超電導
体が臨界温度以下で電気抵抗が零となる現象、臨界電流
以下で超電導状態が壊れる現象及び弱磁界において超電
導状態が壊れて抵抗が生じる現象を観測する手段とを備
えてなるように構成しており、また、本発明の好ましい
実施態様にあっては超電導観測用装置は、超電導体と、
これに直流あるいは交流電流を流子ための電流発生回路
と、上記の超電導体に生じた電圧変化を検出するための
電圧増幅回路と、上記の超電導体に磁界を印加するため
の磁界印加回路と、上記の超電導体を臨界温度以下に冷
却するだめの容器と、上記の超電導体の温度を検出する
ためにこの超電導体近傍に設置された温度センサと、上
記の電流発生回路、上記の電圧増幅回路及び上記の磁界
発生回路を制御し、信号処理をするためのマイクロプロ
セッサと、上記の電圧増幅回路からのアナログ信号を上
記のマイクロプロセッサに入力するためにデジタル信号
に変換するためのアナログ−デジタル変換回路と、上記
のマイクロプロセッサからの直流電流発生のためのデジ
タ）Ｌ／（：Ｊ号を上記の電流発生回路にアナログ信号
として入力するための第１のデジタル−アナログ変換回
路と、上記のマイクロプロセッサからの磁界発生のため
のデジタル信号を上記の磁界発生回路にアナログ信号と
して入力するための第２のデジタル−アナログ変換回路
と、上記の超電導体に流す電流を交流電流とするための
正弦波発振回路と、上記の超電導体に流す電流を直流あ
るいは交流電流に切り換えるための第１のアナログスイ
ッチと、上記の超電導体に生じた交流電圧成分に含まれ
る直流成分を除くためのコンデンサと、このコンデンサ
に続いて設けられた交流電圧を直流電圧に変換するため
の交流−直流電圧変換回路と、上記の電圧増幅回路から
の電圧を直流上記のアナログ−デジタル変換回路に入力
するかあるいは上記のコンデンサ及び上記の交流−直流
電圧変換回路全通して入力するか全切り換えるための第
２のアナログスイッチと、上記のマイクロプロセッサか
ら出力されたデータ、文字、図形信号を表示するための
外部表示装置とを具備してなるように構成している。

く作用〉 超電導体は次の特徴を持っている。第一に、Ｔｃで電気
抵抗が零の超電導状態に転移する（抵抗−温度特性）。

第二に超電導体に流れる電流が臨界電流（以下Ｉｃとい
う）を越えると超電導状態が壊れる（電流−電圧特性）
。第三に弱結合を内部に含む超電導体（例えば、セラミ
ック超電導体など）は、弱い磁界において超電導状態が
壊れ、抵抗が生じる（抵抗−磁界特性）。

これらの超電導特有の現象を観測するために、まず抵抗
−温度特性においては、正弦波発振回路と電圧−電流変
換回路つ１シミ流発生回路を用いて交流電流を超電導体
に流しておき、液化ガス等で徐々に超電導体を冷却する
。このとき超電導体の温度変化は超電導体近傍に設置し
た温度センサで測定され、超電導体の抵抗変化は、超電
導体に生じた電圧変化を電圧増幅回路で検出・増幅した
後、コンデンサによシ交流電圧に重畳する直流電圧成分
（超電導体が不均一に冷却された場合に生じる熱起電力
）を除き、これに続く交流−直流電圧変換回路（以下Ａ
Ｃ−ＤＣ変換回路という）で交流電圧を直流電圧に変換
し、アナログ−デジタル変換回路（以下、Ａ−Ｄ変換回
路という）でデジタルＧＪＩ’に変換した後、マイクロ
プロセッサで演算することにより得られる。この結果は
、マイクロプロセッサによシリアルタイムに外部表示装
置に抵抗の温度変化として表示される。

次に、電流−電圧特性においては、正弦波発振回路と第
１のＤ−Ａ変換回路を第１のアナログスイッチで切り換
え超電導体に流す電流を交流から直流とし、マイクロプ
ロセッサから出力したデジタル信号金箔１のデジタル−
アナログ変換回路（Ｄ−Ａ変換回路）でアナログ信号に
変換し、電流発生回路を用いて、液化ガスによりＴｃ以
下に冷却された超電導体に流す直流電流を零から徐埼に
増加させ、超電導体に生じた電圧変化を３ＦＥＮ幅回路
で検出・増幅し、この電圧が直接Ａ−Ｄ変換回路に入力
されるよう第２のアナログスイッチで切り換えておき、
Ａ−Ｄ変換回路でデジタル信号に変換した後、マイクロ
プロセッサで演算する。

これにより、電流値が臨界電流（以下、Ｉｃという）を
越えると超電導状態が壊れ電圧が生じる様子をリアルタ
イムに外部表示装置に表示する。

次に、抵抗−磁界特性においては、液化ガスによりＴｃ
以下に冷却された超電導体にマイクロプロセッサ及び第
１のＤ　−Ａ変換回路及び電流発生回路を用いてＩｃ以
下の直流電流を流しておき、マイクロプロセッサ及び第
２のＤ−Ａ変換回路及び磁界発生回路及び磁界発生用コ
イルを用いて超電導体に零から徐々に磁界を印加し、あ
る大きさの磁界で超電導状態が壊れて生じる電圧を上記
と同様に電圧増幅回路で検出・増幅し、Ａ−Ｄ変換回路
を通した後、マイクロプロセッサで演算し、ある大きさ
の磁界で超電導状態が壊れて抵抗が生じる様子を外部表
示装置に表示する。

〈実施例〉 以下、本発明全実施例を挙げて詳細に説明する。。

本発明の一実施例において用いる超゛１ｎ導体は酸化物
超１ｎ導体の焼結体音用いており、次の工程により作製
した。

まず、酸化イツトリウム（ＹｚＯａ）、炭酸バリウム（
ＢａＣＯ３）、酸化銅（ＣｕＯ）の粉末ヲＹ：Ｂａ：Ｃ
ｕ＝１：２：３のモＡ／比となるｊ５１ｃ秤量し、メノ
ウ乳鉢で粉砕・混合した微粒子を９００℃、５時間空気
中で仮焼成した。次に再び粉砕・混合し、均一な微粒子
（１μｍ以下）からなる粉体を作製し、加圧力１〜３．
５　ｔｏｎ／ｃｄにて厚さ０．５〜１．ＯｆｆのＩＣ１
１角のベレツ）ｌを作製しし 本焼成−１約１００℃／ｈｒで５００℃まで降温し、５
００℃で１時間保持した後１００℃／　ｈ　ｒで１００
℃まで降温し取り出した。次に、このベレット１に電子
ビーム蒸着法を用いて金属マスクで電極に以外の部分を
マスキングしてＴｉを約１μ毎蒸着し、第２図（（ｌｉ
）　　に示すように電流電極２及び電圧電極３を形成し
た。次にダイシング装置を用いてこれを幅Ｑ、７１’ｌ
に切断し、棒状試料４を作製した（第２図（Ｃ））。こ
れと白金薄膜温度センサ５をＩＣパッケージ台６に第２
図（ｄ）及び（ｅ）に示すようにＡｇペースト７を用い
て固定した。Ａｇペーストを用いたのは熱伝導性が良好
であり、かつ低温でも接着力に優れているためであり、
この２点を満足すれば特にＡｇペーストに限らない。更
に、ＩＣパッケージ台６の電流及び電圧電極用の内部端
子８と電流電極２及び電圧電極３°はＡｇペーストとＣ
ｕワイヤー９を用いて接続した。白金薄膜温度センサ５
とＩＣパッケージ台６の温度センサ用内部端子１０とは
Ａｕワイヤｌｌをボンディングして接続した。次に、Ｉ
Ｃパッケージ台６に裏面の周囲部に樹脂１３を塗布した
ガラス板１４を載せ加圧した状態で窒素雰囲気中で１１
０℃、１時間続いて１５０℃、１時間加熱しＩＣパッケ
ージ台６を封止した（第２図（ｆ））。このパッケージ
したサンプルの外部端子１２に外部回路全リードワイヤ
ーで接続した。

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図でち
ゃ、同図において、２１はパッケージサンプル、２２は
真空デユア−１２３はガラス管、２４は第１のＤ−Ａ変
換回路、２５は第１のアナログスイッチ、２６は正弦波
発振回路、２７は電流発生回路、２８は電圧増幅回路、
２９はコンデンサ、３０は交流−直流変換回路、３１は
第２のアナログスイッチ、３２はＡ−Ｄ変換回路、３３
は第２のＤ−Ａ変換回路、３４は磁界発生回路、３５は
磁界発生用コイＩし、３６はマイクロプロセッサ、３７
ｕＥＬデイスプレイである。

上記のような構成において、抵抗−温度特性の観測は次
のようにして行なった。

第１図において、前述のようにして作製したパッケージ
したサンプル２１をガラス管２３に入れておき、正弦波
発振回路２６と電流−電圧変換回路つまり電流発生回路
２７全用いて超電導体に±１０ｍＡの交流電流を流した
。次に、このガラス管２３を液体窒素を入れた真空デユ
ア−（保冷容器）２２に浸した。超電導の温度変化は白
金薄膜温度センサ５を用いて測定し、その結果はマイク
ロプロセッサ３６に入力した。この時、超電導体の電圧
変化（室温では±１ｍＶ）を電圧増幅回路２８で１ｍＶ
が５Ｖ程度になるようゲイン５０００で増幅し、交流電
圧成分に重畳する直流電圧成分（超電導体が不均一に冷
却された場合に生じる熱起電力）を除去するために１０
μＦのコンデンサ２９全通した後、交流電圧を交流−直
流電圧変換回路３０で直流電圧に変換し、Ａ−Ｄ変換回
路３２でデジタル信号に変換しマイクロプロセッサ３６
に入力した。この入力した信号をマイクロプロセッサ３
６で演算処理して抵抗変化とし、先に得られた温度変化
と合わせてＥＬデイスプレィ３７に抵抗−湿度特性とし
てリアルタイムに表示した（第３図）。これにより超電
導体の抵抗は温度の低下と共に徐々に減少し、Ｔｃば８
２にであることが観測された。

電流−電圧特性の観測は次の様にして行なった。

まず、抵抗−温度特性の観測の場合と同様の冷却方法で
超電導体’ｊｚＴｃ以下（７７Ｋ）に冷却し超電導状態
とした。次に、超電導体に直流電流を流し、この大きさ
を変化させるために、マイクロプロセッサ３６からの信
号により第１のアナログスイッチ２５を正弦波発振回路
２６から第１のＤ−Ａｆｆ換回路２４にＩ７１シ換えた
後、マイクロプロセッサ３６からデジタル信号を出力し
、第１のＤ　−Ａ変換回路２４で直流電圧に変換し、電
流発生回路２７ｔ−用いて超電導体に０〜１５０ｍＡま
で徐々に直流電流を流し、この時超電導体の電圧増幅回
路２８によシゲイン２５００で増幅し、この電圧が直接
Ａ−Ｄ変換回路３２に入力されるように第２のアナログ
スイッチ３１で切り換えておき、Ａ−Ｄ変換回路３２で
デジタル信号に変換しマイクロプロセッサ３６に入力し
た。この信号をマイクロプロセッサ３６で演算処理し電
流を変化さぞたときの様子をリアルタイムにＥＬデイス
プレィ３７に表示した（第４図）。これによシミ流値が
８０ｍＡを越えると超電導状態が壊れ電圧が生じＩｃは
約８０ｍＡであることが観測された。

抵抗−磁界特性の観測は次の様にして行なった。

筐ず、電流−電圧特性の観測の場合と同様の冷却方法で
超電導体を７７Ｋに冷却し超電導状態とした。次に、マ
イクロプロセッサ３６からデジタル信号を出力し、第１
のＤ−Ａ変換回路２４で直流電圧に変換し、電流発生回
路２７を用いて超電導体に１００ｍＡの直流電流を流し
た。次に、超電導体に磁界を印加するため、マイクロプ
ロセッサ３６からデジタル信号を出力し、第２のＤ　−
Ａ変換回路３３で直流電圧に変換し、この電圧を磁界発
生回路３４（電流−電圧変換回路として機能する）で磁
界発生のための電流に変換し、この電流を磁界発生用コ
イル３５に流し、超電導体にＯ〜２０　Ｇａｕｓｓ　’
ｌで徐々に磁界を印加した。この時超電導体の電圧変化
を電圧増幅回路２８によシゲイン１０００で増幅し、Ａ
−Ｄ変換回路３２でデジタル信号に変換しマイクロプロ
セッサ３６に入力した。この信号をマイクロプロセッサ
３６で演算処理し、磁界を変化させたときの様子をＥＬ
デイスプレィ３７にリアルタイムに表示しり（第５図）
。これにより、約５　Ｇａｕｓｓで超電導状態が壊れ抵
抗が生じることが観測された。

なお、上記実施例においては、超電導体としてＹ−Ｂａ
−Ｃｕ酸化物の焼結体を用いたが、本発明はこれに限定
されるものではなく、液化ガスで超電導状態にすること
ができる超電導体であればよい。例えばスプレーパイロ
リシス法で作製したＹ　−Ｂ　ａ　−ＣｕＭ電導厚膜や
スッパタ法で作製したＹ−Ｂａ−Ｃｕ薄膜などを用いる
ことができる。

また、上記実施例においては、外部表示装置としてＥＬ
デイスプレィを用いたが、本発明はこれに限、定される
ものではなく、例えば液晶ディヌプレイ、プラズマデイ
スプレィ、ＣＲＴ、ＬＥＤ等を外部表示装置として用い
ても良い。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明の超電導観測用装置を用いれば、
超電導特有の現象を大がかりで高価な測定装置を何台も
用いずに簡便に実現し、間近に観測することができるた
め、中学、高校の理科教育や大学、企業の超電導教育に
用いることができるばかりでなく簡便な高温超電導体の
特性測定装置としても用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の超電導観測用装置の構成を
示すブロック図、第２図（ａ）乃至（ｆ）ｆ′ｉそｎぞ
れ本発明の一実施例で用いられる超電導特性観測用サン
プルの作製工程を示す図、第３図は本発明の超電導観測
用装置によ勺観測された超電導体の抵抗−温度特性を示
す図、第４図は本発明の超電導観測用装置によシ観測さ
れた超電導体の電流−電圧特性を示す図、第５図は本発
明の超電導観測用装置により観測された超電導体の抵抗
−磁界特性を示す図である。 １、ベレット、　２．電流ｉｌＦ極、　３．１！圧電極
、４、棒状試料、　５．白金薄膜温度センサ、６、ＩＣ
パッケージ台、　７．Ａｇペースト、８、電流及び電圧
電価用内部端子、　９．Ｃｕワイヤー　　１０．温度セ
ンサ用内部端子、　１１゜Ａｕワイヤー　　１２．外部
端子、　１３．樹脂、１４、ガラス板、　２１．パッケ
ージサンプル、２２、真空デエアー　　２３．ガラヌ管
、　２４゜第１のＤ−Ａ変換回路、　２５．第１のアナ
ログスイッチ、　２６．正弦波発振回路、　２７゜電流
発生回路、　２８．電圧増幅回路、　２９゜コンデンサ
、　３０．ＡＣ−ＤＣ変換回路、３１、第２のアナログ
スイッチ、　３２．Ａ−Ｄ変換回路、　３３．第２のＤ
　−Ａ変換回路、３４、磁界発生回路、　３５．磁界発
生用コイル、３６、マイクロプロセッサ、　３７．ＥＬ
デイスプレィ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超電導体と、 該超電導体を臨界温度以下に保つ手段と、 上記超電導体に磁界を印加する手段と、 上記超電導体に所定の電流を供給する手段と、上記超電
   導体が臨界温度以下で電気抵抗が零となる現象、臨界電
   流以下で超電導状態が壊れる現象及び弱磁界において超
   電導状態が壊れて抵抗が生じる現象を観測する手段と を備えてなることを特徴とする超電導観測用装置。 ２、超電導体と、該超電導体に直流あるいは交流電流を
   流すための電流発生回路と、 上記超電導体に生じた電圧変化を検出するための電圧増
   幅回路と、 上記超電導体に磁界を印加するための磁界印加回路と、 上記超電導体を臨界温度以下に冷却するための容器と、
   上記超電導体の温度を検出するために該超電導体近傍に
   設置された温度センサと、上記電流発生回路、上記電圧
   増幅回路及び上記磁界発生回路を制御し、信号処理をす
   るためのマイクロプロセッサと、 上記電圧増幅回路からのアナログ信号を上記マイクロプ
   ロセッサに入力するためにデジタル信号に変換するため
   のアナログ−デジタル変換回路と、上記マイクロプロセ
   ッサからの直流電流発生のためのデジタル信号を上記電
   流発生回路にアナログ信号として入力するための第１の
   デジタル−アナログ変換回路と、 上記マイクロプロセッサからの磁界発生のためのデジタ
   ル信号を上記磁界印加回路にアナログ信号として入力す
   るための第２のデジタル−アナログ変換回路と、 上記超電導体に流す電流を交流電流とするための正弦波
   発振回路と、上記超電導体に流す電流を直流あるいは交
   流電流に切り換えるための第１のアナログスイッチと、 上記超電導体に生じた交流電圧成分に含まれる直流成分
   を除くためのコンデンサと、 該コンデンサに続いて設けられた交流電圧を直流電圧に
   変換するための交流−直流電圧変換回路と、 上記電圧増幅回路からの電圧を直接上記アナログ−デジ
   タル変換回路に入力するかあるいは上記コンデンサ及び
   上記交流−直流電圧変換回路を通して入力するかを切り
   換えるための第２のアナログスイッチと、 上記マイクロプロセッサから出力されたデータ、文字、
   図形信号を表示するための外部表示装置と、 を備えてなることを特徴とする超電導観測用装置。