JPH04168384A - 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】 ［産業上の利用分野コ 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
測定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
て、超電導体の臨界電流また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ても測定できるわけではない
。例えば（１）の方法ては試料が大きくなると電極の形
成が難しく、測定に要する電流が非常に大きくなるため
に測定か困難になる。

また、電極の発熱により測定が正確にできない。

このため、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しなければならず、試料を破壊する
ことなく測定することは不可能である。

また（２）の方法では例えばコイルなどの磁場発生源と
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
にするために測定毎にこれらの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、測定結果に対する超電導体の
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
ず簡単に、かつ、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対し
て、直流磁場に交流磁場が重畳された測定用磁場を印加
し、該測定用磁場の印加中及び／又は印加後に、前記超
電導体の測定用磁場が印加される同一面側に配置された
磁場検出素子によって、前記超電導体表面付近の磁場強
度を測定するものである。

［作　用］ 本発明の測定法の原理を以下に説明する。

超電導体はその臨界温度Ｔｃ以上の温度Ｔては通常の導
体（常電導体）であり、ＴくＴＣの温度で超電導体とな
る。超電導材料では試料にＴ〉Ｔｃの温度で磁場を与え
てから冷却を開始するとＴ＞ＴｃからＴ＜Ｔｃへ通過す
る瞬間に試料内の磁束が完全に排除されて完全反磁性体
の振る舞いを示し、これはＴ＞Ｔｃては試料の透磁率μ
か真空の透磁率μ。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か起きるわけであるが、この変化に
は限界があり、外部磁場か臨界磁場Ｈｃを越えると外部
磁場に対抗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十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
に反磁場係数か０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０から上げてＨｃｌま
ではマイスナー状態であるが、更に磁場を上げて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
貫通し始めるからであり、磁場ＨがＨｃｌからＨｃ２に
近づくにつれてこの磁束量子の密度が増加し、Ｈ＞　Ｈ
ｃ２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Ｈｃ２と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
えは下部臨界磁場Ｈｃ２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持つ。

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が測定対象の超電導体３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１の軸線に沿ってほぼ平
行なヒーム状の磁束を生している。この磁束の状態は、
磁石１の端面付近に指向性をもった磁気センサー２を置
くことにより検知することができる。

次に、状態（ｂ）のように磁石１をたんたん超電導体３
に近づけてゆき、磁石１の磁場により超電導体が混合状
態になると、磁束の一部は超電導体３に侵入してゆくこ
とになる。そして、このような状態から磁場を取り去っ
ても、状態（Ｃ）のように超電導体３には磁束の一部が
残留することになる。そこてこの残留した磁束による超
電導体３の表面の磁場強度を磁気センサー２により測定
することで、超電導体３の磁気特性を測定することがで
きる。

また、超電導体３に磁場を印加している場合、印加磁場
は超電導体３の作用を受けるため、超電導体３を磁束が
貫通するまでは、超電導体３表面での磁場は超電導体３
表面と平行な磁場成分しか持ちえない。そこで、状態（
ｂ）のように超電導体３表面上に置いた磁気センサー２
で、磁場印加中に超電導体３表面の磁場強度を測定する
ことで、超電導体３に磁束が貫通した時の磁場強度を知
ることができ、これより超電導体の磁気特性を測定する
ことができる。

更に、本発明では、交流磁場成分を測定用印加磁場に重
畳することによって、超電導体の臨界電流密度を規定す
ると言われるいわゆるウィークリンク等による作用を強
調させることができ、臨界電流密度の非常に小さい超電
導体の特性差を明確にすることか可能になる。交流磁場
中では超電導体は交流損失を生しることはよく知られて
いるが、印加磁場を段々と強くしていくと、印加磁場は
交流成分をもつことになる。この際、更に交流磁場成分
を重畳することにより、超電導体の交流損失を明確にす
ることができる。交流成分を重畳しない場合でも交流損
失は徐々に大きくなるが、交流成分を重畳すると、交流
損失はあるオフセットをもって段々と大きくなる。この
ため、交流成分を重畳した場合の方か直流成分のみの場
合に比へて交流損失が大きくなり、特性の悪い超電導体
では小さな印加磁場でも残留磁場が生しることになる。

また、交流成分は連続的に印加されているため、交流損
失により超電導体か発熱して臨界電流密度が下がること
も考えられる。これらのことから、交流成分を重畳する
ことによって、特性の悪い超電導体の特性差を明確化す
ることが可能となる。

直流磁場に交流磁場が重畳された測定用磁場を超電導体
表面に印加するには、磁石に永久磁石を用いる場合には
それを離れた場所から少し振動させなから超電導体表面
に近づけることで行なうことかてぎ、また、磁石として
励磁コイルを用いる場合には励磁コイルを超電導体表面
に軽く押し当てた状態て励磁電流をコイルに流すことて
行うことかできる。

上述したように本発明による測定方法では測定プローブ
ともい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、測定か非常に簡便であり、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
磁場の作用領域か超電導体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か小さく、高い精
度の測定か可能である。

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、以下にいくつかの実施例を図面と共に説明する。

［実施例］ 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持つホール素子などのセ
ンサー１２か取り付けられ、両者で測定プローブを構成
している。コイル１１は交流成分を重畳することかでき
る直流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、電流値に応した磁束密度で軸線方向の
磁束を生じる。このコイル１１は図示の通り超電導体表
面に軽く押し当てられている。磁気センサー１２の検出
出力は増幅器、電圧計、ＸＹレコーダなどの記録装置を
含む測定計２２に人力されている。励磁系２１及び測定
系２２は記録制御系２３に制御される。

この装置による測定は以下の２つの方法のどちらである
いは両方によって行われる。

方法１　測定プローブを超電導体３の表面の測定すべき
位置に軽く押し当てた状態で、コイル１１にある値の交
流成分を重畳した励磁電流を流し、適当な時間の後に励
磁電流を切り、すばやく磁気センサー１２により、残留
した磁束による超電導体３の表面の磁場強度を測定する
。次に先はどより大きな値の励磁電流を流して同じく磁
気センサー１２により残留した磁束による超電導体３０
表面の磁場強度を測定する。このように旨で段々と励磁
電流を大きくしてゆき、その都度残留した磁場強度を測
定することにより、超電導体３における残留磁場の増加
する様子を検知し、これにより超電導体の磁気特性を評
価する。

方法２：測定プローブを超電導体３の表面の測定すべき
位置に軽く押し当てた状態で、コイル１１にある値の交
流成分を重畳した励磁電流を流し、適当な時間の後に（
励磁電流を切らないで）すばやく磁気センサー１２ａに
より、超電導体３の表面の磁場強度を測定する。次に、
先はどより大きな値の励磁電流を流して同じく磁気セン
サー１２により超電導体３の表面の磁場強度を測定する
。このようにして段々と励磁電流を大きくしてゆき、そ
の都度超電導体表面の磁場強度を測定し、超電導体３０
表面の磁場の増加する様子を検知することによって超電
導体の磁気特性を評価する。

また、測定に用いるプローブの他の実施例は第３ａ〜３
ｄ図に示すとおりである。すなわち第３ａ図はコイル１
１の代わりに永久磁石１３を用いたものであり、永久磁
石１３の端面付近に磁気センサー１２ａが配置されてい
る。第３ｂ図は小径ソレノイドコイルＩｌａ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、磁気センサー１２ａは小
径ソレノイドコイルｌｌａの下端に配置されている。こ
の第３ｂ図の例では超電導体に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３Ｃ図は同径のソレノ
イドコイルｌｌｃ、ｌｉｄを平行に密着配置して互いの
磁場発生の向きを逆にした例であり、磁気センサー１２
ａは２つのコイル＋１ｃ、ｌｉｄの接合部下端付近に配
置されている。これもまた超電導体に印加する磁場の領
域を積極的に狭くした例である。第３ｄ図は互いに磁場
の向きが逆になるように２つの扁平なドーナツ状コイル
ｌｉｅ、Ｉｌｆを同軸上に適当な間隔をあけて重ねて配
置したものであり、下方のコイルｌｌｆの下端に磁気セ
ンサー１２ａか配置されている。この例は小型てしかも
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、直径数ｍｍ以下のコイルや永久磁石を
用いることは、本発明の効果をより一層犬きなものにす
るものであり、このことによって、印加磁場領域を更に
小さくでき、超電導体表面で局所領域毎に磁気特性のば
らつきを調べることが可能である。

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
ル外径１８ｍｎ＋コイル、内径３ｍｍ、厚さ３５＋ｎｍ
のドーナツ状コイルを２つ重ねた第３ｄ図のような形状
のものであり、２つのコイルの間には３ａｍの隙間がも
うけである。なおコイルの巻き数は１２２巻きである。

測定した超電導体試料はＢｉ２５ｒ２ＣａＣｕ２０Ｙの
酸化物超電導体であり、寸法は１００口×０３ｔで、ス
テンレス板に銀を介して積層されたものである。この試
料を液体窒素を用いて冷却し、コイルにより磁場を与え
、前述の方法１に従って残留磁場の増加する様子を測定
した。磁場強度はホール素子により測定した。また重畳
した交流成分は５０Ｈｚで正弦波形であり、その電流の
大きさは０．ｌＡ　（ビークルビーク間）である。その
結果を第４図に示す。

第４図では、交流成分を重畳しない場合の測定結果も併
せて示しである。両者ともコイル電流がある値を超える
まではコイル電流の増加に比例して残留磁場強度が増加
し、その後飽和するが、交流磁場を重畳した場合は直流
磁場のみの場合よりも磁場が残留し始める時のコイル電
流が小さく、またその増加の割合が多生縁やかに（交流
６Ｒ場を重畳した場合の直線の傾きしく直流磁場のみの
場合の直線の傾きＬ’　）なっている。

［測定例２］ さまざまな臨界転流密度Ｊｃの試料に測定例１と同様に
コイルによりｊｆｌ場を印加し、その後方法１に従って
超電導体表面の残留磁場か増加する割合（第４図のの直
線り又はし°の傾きに相当する）を調べた。測定条件は
測定例１と同しである。この測定結果を第５図に示す。

これより臨界電流密度Ｊｃの低い試料はど残留磁場増加
の割合（第４図の傾き）が小さく、臨界電流密度Ｊｃの
高い試料はど大きいことがわかる。このことから、残留
磁場の増加の様子を調へることによって試料の特性差の
判定か可能であり、臨界電流密度Ｊｃを推定できること
がわかる。さらに、交流成分を重畳した場合と直流磁場
のみの場合とを比較すると、交流成分を重畳した方が臨
界電流密度ＪｃＯ値による直線の傾き（残留磁場の増加
の割合）の差が大きく、臨界電流密度Ｊｃか小さくなる
程、交流成分を重畳した場合の方が残留磁場の増加が緩
やかになる傾向かある。このことから、交流成分を重畳
することによって、ウィークリンクか問題になるような
臨界電流密度Ｊｃの小さい試料における特性差か明らか
にできることかわかる。

［測定例３］ 測定１と同し測定プローブにより、超電導体に磁場を印
加しているときの超電導体表面の磁場の増加する様子を
前述の方法２に従って調べた。重畳した交流成分の性質
、大きさは測定例１と同じであり、用いた試料も測定例
１と同しである。その結果を第６図に示す。また交流成
分を重畳していない場合の測定結果も併せて示す。−兎
６図から、超電導体表面の磁場は直線的にあるコイル電
流のところまでふえてゆくことがわかる。また交流磁場
を重畳した場合は直流磁場のみの場合より直線部分の傾
きが緩やかであることかわかる。

［測定例４］ さまざまな臨界電流密度Ｊｃの試料について測定例３と
同様に方法２に従って測定を行ない、超電導体表面の磁
場の増加か直線からはずれる時のコイル電流（第６図の
点Ａ又はＡ′に相当するコイル電流）を調べた。測定方
法は測定例２と同しである。その結果を第７図に示す。

第７図から臨界電流密度Ｊｃの低い試料はと超電導体表
面の磁場の増加が直線からはずれる時のコイル電流は小
さく、そして臨界電流密度Ｊｃの高い試料はど大きいこ
とかわかる。即ち、測定磁場を印加しながら超電導体表
面の磁場を測定し、コイル電流の増加に比例して超電導
体表面の磁場が増加しなくなるときのコイル電流を調べ
ることにより、試料の特性差の判定が可能であり、臨界
電流密度Ｊｃを推定できることがわかる。さらに、交流
成分を重畳した場合と直流成分のみの場合を比較すると
、交流成分を重畳した方が、比例関係か成立しなくなる
ときのコイル電流の値が小さく、臨界電流密度Ｊｃの小
さな試料はど交流成分を重畳いる場合とそうでない場合
の差が大きくなる。このことから、交流成分を重畳する
ことによって、ウィークリングか問題になるような臨界
電流密度Ｊｃの小さな試料の特性差を明らかにできるこ
とがわかる。

［発明の効果コ 以上に述へたように本発明によれば、測定プローブとも
いうべき磁場を印加するためにコイルまたは永久磁石と
磁場検出センサーか超電導体に対して同一面側に配置さ
れるため、測定か非常に簡単てあり、大きな超電導体で
も破壊することなく磁気特性の測定を行うことか可能で
ある。また磁場発生源による磁場の作用領域が超電導体
の局所領域に限定されるため、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。

さらに本発明によれば印加磁場に交流成分が重畳されて
いるため、ウィークリンク等による影響を強調させるこ
とができ、臨界電流密度の非常に小さい超電導体の特性
差を明確にすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１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Ｏ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〜３ｄ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図はコイル電流と超
電導体表面の残留磁場強度との関係を示す線図、第５図
は臨界電流密度と、残留磁場強度の増加の割合との関係
を示す線図、第６図はコイル電流と超電導体表面の磁場
強度との関係を示す線図、第７図は臨界電流密度とコイ
ル電流との関係を示す線図である。 ［主要部分の符号の説明］ １．１３・・・・・・磁石 ２．１２ａ・・・磁場検出センサー ３・・・・・・・・・・−・・・超電導体試料１１・・
・・・・・・・・・・・・・ソレノイドコイル２１・・
・・・・・・・・・・・・・励磁系２２・・・・・・・
・・・・・・・・測定系代理人　弁理士　佐　藤　正　
年 第１図 第２図 第３図 第３Ｑ図　第３ｂ図　第３ｃ図　第３ｄ図０．０１　　
　　　　　　０．１　　　　　　　　　　１　　　　　
　　　　　１０コイル電流、Ａ 第４図 第７図 磁場強度、　Ｇａｕｓｓ 直線の傾き

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超電導体表面の局所領域に対して、直流磁場に交流磁場
   が重畳された測定用磁場を印加し、該測定用磁場の印加
   中及び／又は印加後に、前記超電導体の前記測定用磁場
   が印加される同一面側に配置された磁場検出素子によっ
   て、前記超電導体表面付近の磁場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。