JPH0384485A - 超電導体の磁気特性測定方法 - 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
検出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
、超電導体の臨界温度以下における臨界電流又は臨界磁
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、また測定Ｃ要する電流が非常に大きくなる
ため測定が困難になる。

そこで大きな試料の特性を測定するためには試料を適当
な大きさに切断する必要があり、試料を破壊することな
く測定することが不可能である。

また（２）の方法では例えばコイルなどの磁場発生涯と
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
にするためには測定のたびに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、測定結果の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
ず簡便にかつ前記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限定
した磁場範囲内で前記超電導体表面に対しその法線方向
に測定用磁束が作用するように測定用磁場を印加し、該
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
素子を用いて前記超電導体表面付近の磁場の強度を測定
す志ものである。

［作　用］ 本発明の測定法の原理を以下に説明する。

超電導材料はその臨界温度Ｔｃ以上の温度Ｔでは通常の
導体（常電導体）であり、Ｔ＜Ｔｃでは超電導体になる
。超電導材料では試料にＴ＞Ｔｃで磁場を与えてから冷
却を開始するとＴ＞ＴｃからＴくＴｃへ通過する瞬間に
試料中の磁束が完全に排除されて完全反磁性体の振舞い
を示し、これはＴ＞Ｔｅでは試料の透磁率μが真空中の
透磁率μ０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Ｈｅを超えると外部
磁場に対向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。（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＝Ｏ
であるからＭ＝−Ｈであり、一般に反磁場係数がＯ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Ｏから上げてＭＣＩまではマイスナー状態で
あるが、更に磁場Ｈを上げてＨ＞Ｈｃｌになると磁化は
マイスナー状態より不完全となる。これはポルテックス
を形成する磁束量子が超電導体を貫通しはじめるからで
あり、磁場ＨがＨｃｌからＨｃ２に近付くにつれてこの
磁束量子の密度が増加し、Ｈ＞　ＨＣ２になると完全な
常電導相になる。これらの上部臨界磁場Ｈｃｌと下部臨
界磁場Ｈｅ２どの間の状態を混合状態と呼び、上部臨界
磁場Ｈｃｌにおける磁化Ｍの値や例えば下部臨界磁場Ｈ
ｃ２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
して重要な意味をもつ。

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が測定対象の磁性体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。

この状態で、図中に矢印で示す方向の磁束を検出する指
向性をもった磁気検出センサー（例えばホール素子やコ
イルなど）２ａまたは２ｂを磁石１の端面近くに図示の
ように置くと、一方のセンサー　２　ａの検出出力は大
きな値となり、他方のセンサー２ｂの検出出力は極めて
小さくなる。

次に状態（ｂ）のように磁石１の磁界中にその磁束が超
電導体表面の法線方向に作用するように超電導体３が置
かれると、そのマイスナー効果により超電導体の表面付
近の磁界が前述の排除作用をうけ、超電導体表面近くの
磁束が磁石１の磁極から放射状に超電導体表面と平行な
方向に向けられる。この場合、磁石１の磁極面中央部直
下では磁束が殆どなくなり、従って一方のセンサー２ａ
の検出出力は状態（ａ）より極めて小さくなる。またこ
の場合は超電導体表面と平行な磁束の密度は磁場の強さ
に応じて極めて高くなり、従って他方のセンサー２ｂの
検出出力は逆に大きくなる。

磁石１の発生磁場を更に強くすると状態（ｃ）となり、
この状態では超電導体３が前述の混合状態になり、その
磁束排除作用が弱くなって超電導体３に磁束の一部が進
入して行く。これに応じてセンサー２ａの検出出力は増
加し、逆にセンサー２ｂの検出出力は低下する。この磁
場の強度が前述の下部臨界磁場）１ｃｚに達すると磁束
の分布は状態（ａ）　　と同様になる。

このようにして、磁石１の磁極面中央部直下の領域Ａま
たはそこから半径方向にずれた領域Ｂで特定方向の磁束
をセンサーで検出し、印加磁場の強度を変化させて領域
ＡまたはＢの磁束密度の変化を測定することにより、超
電導体３の磁化特性を測定することができる。この場合
の印加磁場の変化は、磁石１に永久磁石を用いる場合は
それを離れた場所から超電導体表面に段々と近付けなが
ら測定し、また磁石１として励磁コイルを用いるときは
励磁コイルを超電導体表面心軽く押当てた状態で励磁電
流をコイルに流し、その電流値を段々と変化させて測定
を行えばよい。

また、前述の本発明の測定方法に従って超電導体にトラ
ップされた残留磁化の大きさを測定するには、超電導体
の磁化特性を所定強度の印加磁場まで測定し、次いで印
加磁場を徐々に減じで零にしたときの残留磁場を測定す
ることによって達成される。

このように、本発明（よる測定方法では、測定プローブ
とも云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（対して同一面側に配
置されるため、測定が非常２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
気特性の測定を行なうことが可能である。また磁場発生
源Ｃよる印加磁場の作用領域が超電導体表面の局所領域
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。

更に、磁場と電流の間には、例えば外部磁場の磁束密度
をＢ、それによって超電導体表面に流れるシート上の遮
蔽電流を■、その電流密度をＪとすると、＋Ｂ＝μ。■
或はｒｏｔＢ＝μ。Ｊのように密接な関係がある。そこ
で超電導体が混合状態になる寸前の超電導体表面の磁場
分布を求めることで、超電導体表面に流れる電流を計算
することができる。

又、残留した磁場の分布を調べることでも同様に超電導
体に流れる電流を求めることができる。

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、以下に幾つかの実施例を図面と共に説明する。

［実施例コ 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もつホール素子などのセ
ンサー１２ａ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、直流または交流の可変励磁
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平行磁束を
生じる。このコイル１１は図示の通りにその軸線を超電
導体３の表面の法線方向に沿わせて超電導体表面に軽く
押当てられている。センサー１２ａの検出出力は増幅器
及びＸＹプロッターなとの記録装置を含む測定系２２に
入力されている。

この装置による測定は以下のようにして行われる。

すなわち、始めに測定プローブを超電導体３から充分遠
くに離した状態でコイル１１のｗＪＦｆｉ電流を徐々に
増加しつつ、センサー１２ａの検出出力を測定する。こ
れは例えば前記記録装置のＸＹプロッタにより励磁電流
に対する印加磁場強度の特性を求めておくためである０
次いで測定プローブを超電導体３の表面の測定すべき位
置に軽く押当てた状態にし、この状態で再びコイル１１
の励磁電流を徐々に増加させながらセンサー１２ａの検
出出力を測定する。この場合の励磁電流の値は先に事前
に測定したおいて印加磁場の強度を与え、またセンサー
１２ａの検出出力は超電導体３のマイスナー効果の作用
を受けた検出磁場の強度を与える。

このようにして超電導体３の磁化特性が測定される。コ
イル励磁電流の充分大きな値まで測定を行い、ついで励
磁電流を徐々に減少させながら測定を続けると測定カー
ブにヒステリシス特性が得られる。印加磁場零に対応す
る励磁電流値における検出磁場の値は残留磁場、すなわ
ち超電導体３にトラップされた残留磁化の大きさを表わ
す。

測定に用いるプローブの他の実施例は第３ａ〜３ｆ図に
示す通りである。すなわち、第３ａ図に示すものはコイ
ル１１の下端面に検出感度の指向性をコイル半径方向に
向けたセンサー１２ｂを取付けたものを示し、第３ｂ図
はコイル１１の代りに永久磁石１３を用いたものである
。第３Ｃ図はコイル１１の下端のセンサー１２ａと同様
の別のセンサー１２ｃをコイル上端に追加設置したもの
で、この追加のセンサー１２ｃは、ｔｉｌｌｌ定中にコ
イル１１の発生磁場を同時検出するためのものである。

このプローブによって測定を行う場合、センサー１２ａ
、ｃから得られる検出出力同士の偏差出力を測定すれば
、測定中の励磁電流の変化専心基づく誤差を減じること
ができる。第３ｄ図は小径ソレノイドコイルｌｌａの外
周に大径ソレノイドコイルｌｌｂ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、これにより超電導
体表面へ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３ｅ図は同径の二つのソレノイドフィルｌｌ
ｃ、ｌｉｄを平行に密着配置して互いの発生磁場の向き
を逆にした例であり、これもまた超電導体表面へ印加す
る磁場の領域を積極的に狭くした例である。第３ｆ図は
互いに磁場の向きが逆になるように二つの扁平なドーナ
ツ状コイル１１ｅ、ｌｌｆを同軸上に適当な間隔を開け
て重ねたものであり、小形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。

本発明においては、直径数■以下のコイルや永久磁石を
用いることに何ら支障はなく、かえって本発明の効果を
大きくするものであるが、このことにより大きな超電導
体の表面の局所領域毎の磁化特性のばらつきを調べるこ
とが可能である。

また本発明では磁場検出センサーの数やセンサーの向き
または磁場発生源の数は限定されるものではない。

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
ルの外径１２ＩＩ１１．内径６　ｍｍ、長さ５０１であ
り、磁気検出センサーとしてホール素子を用いた第３図
心示すようなものである。

また測定した超電導体試料はＢｉ、Ｓｒ、ＣａＣｕｚＯ
，◆Ｘの酸化物超電導体で、寸法は、厚さ０．８　ｍｍ
、半径５０ＩＩＩ１１のディスク状のものである。測定
は第３図に示す方式で前述の通りに印加磁場強度に対す
る検出磁場強度の特性を求め、その測定結果は第４図に
示す通りである。この測定結果から、混合状態になると
きの磁場の磁束密度は約２２　Ｇａｕｓｓであり、最終
的に超電導体試料に残留した磁場の磁束密度は２０　Ｇ
ａｕｓｓであることがわかる。

また、混合状態になる磁場強度２２　Ｇａｕｓｓから電
流密度は約１５０Ａ／ｃ−と求められた。

［測定例２］ 測定例１と同様の測定を、間に超電導体試料の消磁操作
を挟んで試料の半径方向に異なる複数個所について行い
、半径方向の位置における残留磁場の特性のばらつきを
調べた。その結果を第５図に示す。なおこの値は超電導
体試料に残留した磁場の磁束密度の値である。

［測定例３］ 測定例１と同様にして超電導体試料の中心で測定を行な
い、試料に残留した磁場の径方向の磁束密度分布を測定
した。その結果を第７図に示す。

このとことより残留磁化の磁場分布は比較的広いことが
わかる。

［測定例４コ コイルの形状は測定例１のものと同じでセンサ−の指向
性が９０”異なる第３ｂ図のようなプローブを用いて同
様に測定を行った。また超電導体試料測定例１と同じも
のである。測定結果を第６図に示す。印加磁場が約２２
　Ｇａｕｓｓのときに混合状態に入っており、第４図の
結果とよい相関を示した。

［測定例５］ 測定に用いたプローブは、外径１２ｍ＋ａ、内径３■１
、長さ３ｍｍのコイルを二つ重ね、磁気検出センサーと
してホール素子を用いた第３ｆ図に示すようなものであ
る。また超電導体試料はＹＢａ２ＣｕＯ，◆Ｘの酸化物
超電導体である。この試料に対して測定例３と同じよう
にまず試料中心において磁化特性の測定を行なった結果
、混合状態になるときの磁場の磁束密度は８　Ｇａｕｓ
ｓで、試料に残留した磁場の磁束密度は６　Ｇａｕｓｓ
であった。またその後に試料に残留した磁場の径方向の
磁束密度分布を測定した結果は第８図に示す通りであり
、これは第７図と比べるとコイルを二重にした効果が現
れて印加磁場の作用領域がさらに狭くなっており、超電
導体の形状効果の寄与が小さくなっていることがわかる
。そして磁束密度分布から求めた電流密度は１１　Ａ／
ｃｍ２であった。

［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
云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
性の測定を行なうことが可能である。また磁場発生源に
よる印加磁場の作用領域が超電導体表面の局所領域に限
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。

【図面の簡単な説明】

￥Ｓ１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〜３ｆ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図は測定例１の測
定結果を示す線図、第５図は測定例２の測定結果を示す
線図、第６図は測定例４の測定結果を示す線図、第７図
は測定例３の測定結果を示す線図、第８図は測定例５の
測定結果を示す線図である。 （主要部分の符号の説明） １：磁石、２ａ、２ｂ：磁場検出センサー　３：超電導
体試料、１１：ソレノイドコイル、１２：センサー　２
１：励磁系、２２：測定系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　超電導体表面の局所領域に限定した磁場範囲内で前記
   超電導体表面に対しその法線方向に測定用磁束が作用す
   るように測定用磁場を印加し、該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を用いて前記超電
   導体表面付近の磁場の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。