JPH04115155A - 非接触による電流密度測定プローブ - Google Patents

非接触による電流密度測定プローブ

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JPH04115155A
JPH04115155A JP23338090A JP23338090A JPH04115155A JP H04115155 A JPH04115155 A JP H04115155A JP 23338090 A JP23338090 A JP 23338090A JP 23338090 A JP23338090 A JP 23338090A JP H04115155 A JPH04115155 A JP H04115155A
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Koji Kanbara
蒲原 康二
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公雄 加藤
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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】 の 本発明は、試料の局所部分に生じさせた誘導電流密度を
測定する方法および装置、とくに超伝導体の臨界電流値
を測定する方法および装置に関する。
粒迷」1( 超伝導体は、その特異な性質より広く研究され、また応
用されてきている。そのため、超伝導体の物理的性質、
とくにその臨界電流、臨界温度を精度よく知ることが特
に重要になってきている。
超伝導体の臨界電流を非接触で測定する従来の装置の1
つが第5図に示されている。この装置は、互いに逆向き
に巻かれた一対のピックアップコイル51を直列に接続
し、その一対のピックアップコイルを包囲してリング状
の超伝導体試料52を設置し、一対のピックアップコイ
ル51および試料52を包囲してその一対のピックアッ
プコイルとほぼ同軸に外部コイル53を設置し、外部コ
イル53により時間的に変化する磁場を生じさせ、試料
のリングの内部領域を遮断しかつ変化する磁場とともに
発達する超伝導電流を試料に生じさせ、超伝導体試料の
臨界電流値に達したときのピックアップコイルの電圧が
ほぼゼロになった時点の外部コイルにより生じた磁場の
大きさから相関的に超伝導体試料の臨界電流値を測定す
るものである。
他の臨界電流を非接触で測定する方法として、スクイド
(SQ旧口)磁束計があり、その装置の略示図が第6図
に示されている。このスクイド磁束計は、超伝導ワイヤ
のサーチコイル61とそれに接続されたコイル62、ス
クイド素子63、コイル64とそれに接続された増幅器
65、超伝導ホルダー66、および低温槽67から成る
ものである。
この磁束計を利用して、超伝導体の臨界電流の測定は次
のように行われる。まず、試料を超伝導状態にし、かか
る試料全体に磁場を印加する。磁場は、試料の表面から
侵入するが、その磁場分布は試料の臨界電流密度に依存
している。この分布は磁場を取り去っても保持されるこ
とから、前記サーチコイルを試料表面に近接させ、その
表面付近の磁場分布を測定する。そして、その測定され
た磁場分布より臨界電流密度を導出する。
上記方法は非接触によるものであるが、試料の直接端子
を設は臨界電流を測定する方法として、四端子法がある
。この方法は、試料に端子を設け、その端子を介して輸
送電流を試料に流し、試料内での電位降下を試料に設け
た電圧端子により測定するものである。
また、超伝導体の臨界電流密度を導出する方法として、
試料の磁化曲線を観測し、適切な超伝導体内での電流分
布を仮定し、臨界電流密度を得る方法がある。
が ゛ よ゛と る 第5図に示す装置により、臨界電流密度を測定する方法
は、試料を所定の形状に加工しなければならない、した
がって、大形の試料や試料のいろいろな部分について臨
界電流密度を測定する必要がある場合に、かかる方法を
採用できない。
第6図に示すスクイド磁束計は、試料の各部分について
臨界電流密度等を測定できるが、その測定を行うために
は試料全体を磁化させる必要がある。そのため、測定時
まで安定した磁化のための磁場を形成しなければならな
い。
さらに、外部磁場は試料の表面全体から侵入するから、
それに伴う誘導電流による発熱は試料全体から発するこ
とになる。したがって、この発熱による試料の破壊を阻
止するためには、外部磁場の強さ、磁場の印加時間に制
限が加わざるを得ない。
四端子法は、試料に直接端子を設けなければならなず、
また試料に輸送電流を流すことから、その大きさに限度
がある。さらに、試料の各部分についての測定が殆ど不
可能である。
試料について磁化曲線を観測する方法は、磁化過程の一
週期を通じて、試料全体を所定の温度に保つ必要がある
また、上記いずれの方法も、異方性をもつ試料、すなわ
ち試料内を流れる電流が方向により異なる試料に対して
、電流密度の測定ができない。
そこで、本発明の目的は、試料を加工することなく、試
料に非接触で試料を流れる電流密度をバイアス磁場内で
安定した測定を行える方法および装置を提供することで
ある。
本発明の他の目的は、試料の各部分について電流密度を
試料に非接触で測定する方法および装置を提供すること
である。
さらに、本発明の目的は、試料の大きさの大小に拘わら
ず電流密度を非接触で測定する方法および装置を提供す
ることである。
さらに、本発明の他の目的は、異方性のもつ試料に対し
ても電流密度を非接触で測定する方法および装置を提供
することである。
るt・めの 上記目的を達成するために、本発明の非接触による電流
密度の測定方法は、励磁コイルおよび検出コイルを試料
に対し近接配置する工程と、前記試料の限定した部分内
に電流を誘導する磁場を生じさせるために、前記励磁コ
イルを付勢する工程と、前記誘導電流により形成された
磁場を前記検出コイルにより検出する工程と、前記検出
コイルにより検出された信号から誘導電流の密度を導出
する工程とから成る。
ここで、前記励磁コイルにより形成される磁場の最大値
および最小値を変化させるために、前記励磁コイルに三
角波電流を供給してもよく、また正弦波電流してもよい
本発明の非接触で試料の電流密度を測定するための反射
型プローブは、近接した試料の限定した部分内に誘導電
流を生じさせるための磁場を形成する励磁コイルと、該
励磁コイルの内側に配置され、前記誘導電流により形成
される磁場を検知する検知コイルとから成り、前記励磁
コイルおよび前記検知コイルの軸線方向が共に前記試料
の面に対して垂直となるものである。
本発明の非接触で試料の電流密度を測定するための透過
型プローブは、近接した試料の限定した部分内に誘導電
流を生じさせるための磁場を形成する励磁コイルと、前
記誘導電流により形成される磁場を検知する検知コイル
とから成り、前記励磁コイルは前記試料の表面近傍でそ
の軸線方向が前記試料の面に対して垂直となるように配
置され、前記検知コイルは前記試料の反対側近傍でその
軸線が前記励磁コイルの軸線と一致するように配置され
るものである。ここで、検知コイルは共軸に配置された
逆向きに接続された一対のコイルであることが望ましい
上記2つのプローブにおいて、前記励磁コイルは、局所
的空間分布をもつ励磁磁場を形成するために、共軸に配
置された一対のコイルであることか望ましい。
本発明の非接触で異方性をもつ試料の電流密度を測定す
るための反射型プローブは、試料内に電流を誘導するた
めの磁場を形成する励磁コイルと、該励磁コイル内で上
下に配置され、前記誘導電流により形成される磁場を検
知する一対の検知コイルとから成り、前記励磁コイルお
よび前記検知コイルの軸線方向が共に前記試料の面に平
行となるものである。
本発明の非接触で異方性をもつ試料の電流密度を測定す
るための透過型プローブは、一対のコイルが共軸に配置
され、試料内に誘導電流を生じさせるための磁場を形成
する励磁コイルと、前記誘導電流により形成される磁場
を検知する検知コイルとから成り、前記励磁コイルが、
前記試料の片側近傍でその軸線方向が前記試料の面に対
して平行となるように配置され、前記検知コイルが、前
記試料の反対側近傍でその軸線が前記励磁コイルの軸線
と平行になるように配置されるものである。
本発明の超伝導体の臨界電流値測定装置は、前l己反射
型プローブと、該プローブの励磁コイルを作動させる励
磁電源と、前記プローブの検知コイルに接続され、検知
された電圧を増幅する検出用増幅器と、該検出用増幅器
により増幅された信号から超伝導体の臨界電流値を算出
する処理器とから成るものである。
本発明の超伝導体の臨界電流値測定装置は、透過型プロ
ーブと、該プローブの励磁コイルを作動させる励磁電源
と、前記プローブの検知コイルに接続され、検知された
電圧を増幅する検出用増幅器と、該検出用増幅器により
増幅された信号から超伝導体の臨界電流値を算出する処
理器とから成るものである。
ここで、前記検出用増幅器が積分器であることが望まし
い。
1吐 本発明に従えば、励磁のための磁場は、局所的空間分布
を有し、そのため試料の限定された部分にその磁場を印
加でき、したがってその限定された部分について誘導電
流を生じさせることができる。
夾JIJL 第1a図は本発明に従う反射型プローブ1の先端部の略
示断面図を示す、プローブ1の軸線に沿って位置する芯
ロッド2の先端を取り巻くように検知コイル3が巻かれ
ている。そして、その検知コイル3の外側で検知コイル
3を取り巻くように、すなわち共軸に一対の励磁コイル
4(4aおよび4bン (直径が3M#1程度)が巻か
れている。この一対のコイルは同一形状、同−巻き数か
らなるが互いに逆向きに構成されている。
このように励磁コイルを一対のコイルから構成すること
により、局所的空間分布をもった磁場を形成できるとと
もに、検知コイルが励磁コイルが形成する磁場成分を感
じないようにすることができる。
ロッド2、検知コイル3、および励磁コイル4の先端が
同一平面と成るようにして、全体を(第1a図において
一点鎖線で示すように)モールドして一体にする。この
ように検知コイル、励磁コイルを一体化することにより
、試料の下方空間での構造によらず、プローブを試料に
対して相対的に移動させることができる。
プローブ1の先端を基板上5に形成された試料層6に近
接配置する。そして一対の励磁コイル4aおよび4bに
、試料層6上に所望に磁場を形成するのに必要な電流を
流す、上述したように、励磁コイル4は局所化された磁
場を形成することがら、試料層6の限定された一部につ
いてのみ磁場を印加できる。
励磁コイル4には試料層6に誘導電流を生じさせるため
に時間変化する電流を流すが、比較的微弱な臨界電流を
もつ試料に対しては正弦波電流を流すことが望ましいが
、比較的大きな臨界電流をもつ試料に対してはLCR放
電によて電流を流すことが望ましい。
このような断続的に変化する電流を励磁コイルに流すと
、通電状態では励磁コイルはその抵抗のため発熱するが
、非通電状態ではく自然〉冷却される。したがって、励
磁コイルの加熱と冷却とが交互になるため、短時間に非
常に大きな電流が流れることにより励磁コイルが安定動
作ができない温度まで上昇しても、次に冷却され、動作
全体として励磁コイルの発熱を抑制でき、励磁コイルに
大きな電流を流すことができる。また、試料層において
も、非超伝導状態では励磁コイルが通電しているとき誘
導電流が発生し発熱するが、次の非通電時に冷却される
ため、発熱を抑制でき大きな磁場を印加できる。
第1b図および第1c図に本発明の他の実施例である透
過型プローブが示されている。第1b図のプローブは、
試料層6上の近傍でロッド2の先端を取り巻くように巻
かれた一対の励磁コイル4a、4bと、試料層6の下側
近傍でロッド2′の先端を取り巻くように巻かれた検知
コイル3とから成り、両コイルは共軸になるように配置
される。
励磁コイル4の動作は第1a図の反射型の励磁コイルと
全く同じである。
このような検知コイルを試料層6の下方に配置した透過
型プローブは超伝導体の臨界温度を測定する時に適して
おり、次のとおり測定が行われる。
試料層6を超伝導状態に成るまで冷却し、試料層6の温
度を徐々に上げながら励磁コイル4により磁場を印加す
る。試料層6が超伝導状態にあるときは励磁コイルの磁
場は試料層6を貫通できないので、検知コイル3は磁場
を検知しない。そして、ちょうど、試料層6が臨界温度
に達したとき励磁コイルに磁場は試料層6を貫通するた
め、検知コイル3は磁場を検知する。すなわち、検知コ
イル3が磁場を検知したときの温度が臨界温度となる。
第1C図のプローブは、基本的に第1b図のものと同じ
であるが、検知コイルが一対のコイル3a、3bから成
る点で異なる。このように、検知コイルを対としたのは
、試料層6を回り込んできた磁場の影響が無視できない
とき、試料層6に近いコイル3aが遠いコイル3bより
も強く磁場を感知することを利用して、試料層6に生じ
た磁場を他の磁場から判別するためである。
プローブ1に所望の電流を流すと磁場が試料層6の局所
化された部分に浸透し、その部分に誘導電流が生じ、そ
の誘導電流がまた磁場を形成する。
検知コイル3はかがる磁場を誘導起電力として検知する
第2図は、上述したプローブを利用した、試料の電流密
度測定装置の略示ブロック図を示す、この図で、コイル
20は上記プローブと異なる形状をしているが、これは
説明のためで、実際は第1a図、第1b図、第1c図の
プローブ、または以下で説明する他のプローブが利用さ
れる。励磁電源21は励磁コイル20aに接続されその
コイルを付勢する。励磁コイル20aに流れる電流値の
データは演算部23に送られる。検出用増幅器22は検
知コイル20bに接続されている。その増幅器22は好
適には積分器であり、したがって、増幅器22により得
られるデータは試料6に誘導された磁場ということにな
る。そのデータも演算部23に送られる。演算部23お
よびデータ処理部24は、励磁電源21および増幅器2
2がらのデータから電気抵抗、臨界電流、臨界温度を導
出するためデータを演算処理す□る。
次に、本発明を利用した超伝導体の臨界電流値、臨界温
度、電気抵抗率の測定方法を説明する。
たとえば、Y系およびBi系の絶縁基板7上に超伝導体
の薄膜の試料層6を形成し、励磁コイル4および検知コ
イル3から成る透過型プローブ1(第1a図を参照)を
試料層に近接配置する。そして、試料層を超伝導状態と
なるまで冷却する。
次に、第4図の下方に示すような電流を励磁コイルに流
す、このとき、試料層には励磁コイル4が形成する磁場
を遮断するように誘導電流は流れ、その誘導電流が形成
する磁場が検知コイル3により検知される(第4図に検
知コイルが検知した電圧を示す)。
誘導電流が臨界電流以下であるときは、検知コイル3に
より検知される磁場は、励磁コイル4により常に同じ大
きさで、かつ同じパターンの磁場が形成される場合、そ
の大きさもパターンも同じものとなる。しかし、誘導電
流が臨界電流に達すると、その瞬間から検知コイル3に
より検知される磁場のパターンが共通波形から逸脱し始
める。
ところで、試f)層6が十分に薄いと見なせるとき、誘
導電流はコイルの軸線と試料層6との交点を中心として
半径値を変数とする電流密度で同心円状に流れる微小円
電流の集合として扱うことができ、励磁コイル4と同一
の半径位置において最も高い電流密度をもち、その内側
では零の電流密度となり、その外側では逆n乗に比例し
て減衰するという仮定のもとで、次の式が成り立つ。
He= (1/2n)jcD ここで、Heは、誘導電流が臨界電流に達したときの上
記用の中心での外部磁場、すなわち励磁コイル4が形成
する磁場、jcは臨界電流、Dは試料層の厚さとする。
この式を用いて臨界を流を導出する。
透過型プローブによる測定方法は前述したとおりである
臨界温度は、上記反射型プローブを利用するときは次の
とおりに測定する。すなわち、試料層6を超伝導状態ま
で冷却し、温度を徐々に上げながら励磁コイル4から磁
場を印加し誘導を流を生じさせ、その都度検知コイル3
により誘導電流による磁場を検知する。試料層が臨界温
度に達したとき、印加磁場は試料層を貫通するので検知
コイルは磁場をほとんど検知しなくなる。そのときの温
度が臨界温度となる。なお、透過型の場合は、臨界温度
のとき、磁場は試料層を貫通するので検知コイルが磁場
を検知したときが臨界温度ということになる。
電気抵抗率は次のように導出する。すなわち、励磁コイ
ルにより、たとえば正弦波磁場を試料層に印加したとき
検知コイルはその磁場に応答した磁場を検知する。その
とき、試料層の厚さおよび抵抗率を仮定して、それが励
磁磁場に応答して発生するはずの磁場を計算し、検知磁
場と比較し、正しい抵抗率を試料層の厚さとともに求め
る。
以上のように、本発明に従うと、試料の所望の部分につ
いて電気抵抗、超伝導体の臨界電流値等を測定すること
ができる。したがって、プローブを移動することにより
、またはマトリックス的に配置することにより試料表面
全体について測定することもでき、これにより電気抵抗
、あるいは臨界電流値の分布図を作ることができる。
第3a図は方向別分析用反射型プローブを、第3b図は
方向別分析用透過形プローブを示す。
第3a図のプローブは、軸線方向が試料層6の面と平行
となる励磁コイル34と該励磁コイル34内で上下に併
置される一対の検知コイル33a、33bとから構成さ
れる。励磁コイル34は矩形の形状で、その側面が試料
層6の面と平行となるように配置される。この励磁コイ
ル34が付勢されると、試料層6の表面上に励磁コイル
34・を流れる電流と反対方向の電流が誘導される。し
たがって、電流の流れる方向に差異のある試料について
所望の方向に誘導電流を流したいときに、このプローブ
を利用することができる。
一対の検知コイル41aおよび41bは同一形状、同−
巻き線のものであり対称的に配置されが、励磁コイル3
4により形成される磁場により誘導されるそれぞれの信
号が互いに相殺されるように接続されている。したがっ
て、励磁コイル34により誘導された電流による磁場は
主にコイル33bにより検知され、検出用増幅器に出力
される。
第3b図は、方向別分析用透過型プローブを示す、第3
a図のプローブとの違いは、検知コイル33が試料層6
の下方に配置されて入る点である。
そしてその検知コイルは1つから構成されている。
この動作は、前述した透過型プローブと同じである。
光jレケタU1 発明は、試料を加工することなく、試料に非接触で試料
を流れる電流密度をバイアス磁場内で安定した測定を行
える。
また、本発明は、試料の各部分について電流密度を試料
に非接触で測定することができる。
さらに、本発明は、試料の大きさの大小に拘わらず電流
密度を非接触で測定することができる。
さらにまた、本発明は、異方性のもつ試料に対しても電
流密度を非接触で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第1a図は、本発明の反射型プローブの部分断面図であ
る。 第1b図は、本発明の透過型プローブの部分断面図であ
る。 第1c図は、本発明の他の透過型プローブの部分断面図
である。 第2図は、本発明のプローブを利用した電流密度測定装
置の略示ブロック図である。 第3a図は、本発明の方向別分析用反射型プローブの斜
視図である。 第3b図は、本発明の方向別分析用透過型プローブの断
面図である。 第4図は、励磁コイルに印加する電流および検知コイル
が検知した電圧を示すグラフである。 第5図は、従来の超伝導体の臨界電流測定装置を示す。 第6図は、スクイド磁束計を示す。 [主要符号の説明] 1・・・プローブ     2.2′・・・ロッド3.
33・・・検知コイル 4.44・・・励磁コイル 6・・・試料層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、非接触で試料の電流密度を測定するためのプローブ
    装置であって、 近接した試料の限定した部分内に誘導電 流を生じさせるための磁場を形成する励磁 コイルと、 該励磁コイルの内側に配置され、前記誘 導電流により形成される磁場を検知する検 知コイルと、 から成り、 前記励磁コイルおよび前記検知コイルの 軸線方向が共に前記試料の面に対して垂直 である、ところのプローブ。 2、非接触で試料の電流密度を測定するためのプローブ
    であつて、 試料内に電流を誘導するための磁場を形成 する励磁コイルと、 該励磁コイル内で上下に配置され、前記誘 導電流により形成される磁場を検知する一対の検知コイ
    ルと、 から成り、 前記励磁コイルおよび前記検知コイルの軸 線方向が共に前記試料の面に平行である、ところのプロ
    ーブ。 3、非接触で試料の電流密度を測定するためのプローブ
    であつて、 近接した試料の限定した部分内に誘導電流 を生じさせるための磁場を形成する励磁コイルと、 前記誘導電流により形成される磁場を検知 する検知コイルと、 から成り 前記励磁コイルは、前記試料の片側近傍で その軸線方向が前記試料の面に対して垂直となるように
    配置され、 前記検知コイルは、前記試料の反対側近傍 でその軸線が前記励磁コイルの軸線と一致するように配
    置されるプローブ。 4、請求項1または3記載のプローブであつて、前記励
    磁コイルが共軸に配置された逆向 きに接続された一対のコイルから成る、と ころのプローブ。 5、請求項3記載のプローブであつて、 前記検知コイルが共軸に配置された一対の コイルから成る、ところプローブ。 6、非接触で試料の電流密度を測定するためのプローブ
    であつて、 一対のコイルが共軸に配置され、試料内に 誘導電流を生じさせるための磁場を形成する励磁コイル
    と、 前記誘導電流により形成される磁場を検知 する検知コイルと、 から成り 前記励磁コイルは、前記試料の片側近傍で その軸線方向が前記試料の面に対して平行となるように
    配置され、 前記検知コイルは、前記試料の反対側近傍 でその軸線が前記励磁コイルの軸線と平行になるように
    配置されるプローブ。 7、請求項1、2、3または6記載のプローブであって
    、 前記励磁コイルは、三角波電流が供給され ることで付勢される、ところのプローブプローブ。 8、請求項1、2、3、または6記載のプローブであっ
    て、 前記励磁コイルは、正弦波電流が供給され ることで付勢される、ところのプローブ。 9、超伝導体の臨界電流値測定装置であつて、請求項1
    または2記載のプローブと、 該プローブの励磁コイルを作動させる励磁 電源と、 前記プローブの検知コイルに接続され、検 知された電圧を増幅する検出用増幅器と、 該検出用増幅器により増幅された信号から 超伝導体の臨界電流値を算出する処理器と、から成る装
    置 10、超伝導体の臨界電流値測定装置であって、請求項
    3または6記載のプローブと、 該プローブの励磁コイルを作動させる励磁 電源と、 前記プローブの検知コイルに接続され、検 知された電圧を増幅する検出用増幅器と、 該検出用増幅器により増幅された信号から 超伝導体の臨界電流値を算出する処理器と、から成る装
    置。 11、請求項9または10記載の装置であって、前記検
    出用増幅器が積分器である、ところ の装置。
JP2233380A 1990-09-05 1990-09-05 非接触による電流密度測定プローブ Expired - Lifetime JPH0820418B2 (ja)

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