JPH0814614B2 - 超電導磁界測定装置 - Google Patents

超電導磁界測定装置

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JPH0814614B2 JP1170306A JP17030689A JPH0814614B2 JP H0814614 B2 JPH0814614 B2 JP H0814614B2 JP 1170306 A JP1170306 A JP 1170306A JP 17030689 A JP17030689 A JP 17030689A JP H0814614 B2 JPH0814614 B2 JP H0814614B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は粒界に弱結合を有する超電導体の磁気抵抗効
果を利用する磁界の測定に於て、バイアス磁界の印加に
より超電導磁気抵抗効果の高感度範囲を利用する超電導
磁界測定装置に関するものである。
<従来の技術> 従来、磁界の検出や測定には、半導体又は磁性体材料
を用いた磁気抵抗素子が一般的に利用されていた。特に
高電子移動度の半導体であるInSb,InAs等での形状効
果,強磁性体金属であるFe−Ni,Co−Ni等の配向効果を
用いた素子が実用化されている。
また、酸化物超電導体の弱結合による超電導体の磁気
抵抗効果を利用し微弱な磁界の検出や測定を行う超電導
磁界測定装置も開発されている。
<発明が解決しようとする課題> 以上の半導体や磁性体材料を用いた磁気抵抗素子は、
測定する磁界の強さが小さいとき、磁界の変化に対する
磁気抵抗素子の変化が小さいため、永久磁石などでバイ
アス磁界を印加してその磁気抵抗素子の感度や、その直
線性の良い範囲に移して感度を向上させる方法がとられ
ているが、微弱な磁界を正確に測定することは難しかっ
た。また超電導体の磁気抵抗効果を用いるものは、その
出力電圧に10Hz以下の低周波のゆらぎ現象があり、直流
又は10Hz以下の周波数のバイアス電流を用いた測定では
微弱な磁界の測定が困難であった。
本発明は従来の磁界測定装置がもっていた課題を解消
し、高い精度で効率よく磁界を測定する超電導磁界測定
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> 前記の磁界測定に関する課題を解決するのは超電導体
の磁気抵抗効果を、その特有のゆらぎ周波以上の周波数
で利用する超電導磁界測定装置である。つまり、粒界に
弱結合をもつ超電導体の両端近くへ一対の電流電極と電
圧電極を設けた超電導磁気抵抗素子は、外部電源から電
流電極を通して印加されたバイアス電流値で決る一定値
上の強さの磁界が印加されたとき超電導体は常電導状に
遷移し、その遷移点から急速に増大する電気抵抗値と、
それに比例した出力電圧が電圧電極から出力される。
上記の超電導磁気抵抗素子にその固有のゆらぎ周波数
に影響されない高い周波数の交流バイアス磁界も印加
し、その超電導磁気抵抗素子の出力と、交流バイアス磁
界発生信号をロックインアンプに入力することで、その
素子の出力から交流バイアス磁界による成分をとり出
し、その出力を超電導磁気抵抗素子の特性と比較して、
外部磁界の強さを測定するものである。
なお、上記の超電導磁気抵抗素子を高感度の磁界の強
さの範囲にするための直流バイアス磁界印加手段も設け
ることで測定を便利にしている。
<作 用> 超電導磁気抵抗素子に対し、同一の方向に交流磁界発
生用コイルと直流磁界発生用コイルの2つのコイルを設
けることで、その素子の高感度部を用い精度の良い磁界
測定を行なうものである。
コイルの交流磁界発生で、その素子の電圧電極に発生
する出力は、その磁界発生信号とロックインアンプに入
力し、精度よく、交流磁界による成分のみ測定できる。
又、その素子に既知の強さの直流磁界を印加するコイル
からの磁界の強さを変え、前記ロックインアンプの出力
を変えて微弱磁界の高感度の測定を可能にしている。
<実施例> 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第2図に示した超電導磁気抵抗素子14は本実施例で使
用した素子14を詳細に説明するものである。第2図は、
非磁性の基板1上に、微小な酸化物超電導体粒子が極く
薄い絶縁膜を介するか、ポイント状で結合する弱結合の
集合体からなる超電導膜2を形成し、膜2を機械的加工
でミアンダ状にした上、チタン(Ti)を蒸着法で、電流
電極3a,3bと電圧電極4a,4bを形成し、超電導磁気抵抗素
子14を形成している。第2図(a)は素子14の正面図
で、この素子を使用するとき電流電極3a,3bに定電流電
源5を接続し、電圧電極に出力電圧測定器を接続するこ
とを示している。第2図(b)は素子は断面図である。
第3図は、第2図の超電導膜2を、スプレーパイロリ
シス法で作製する装置の概要を示している。酸化物高温
超電導体材料の代表的なものの一つであるY−Ba−Cu−
O系の超電導体のときは、原料のY(NO3・6H2O,Ba
(NO3及びCu(NO3・3H2Oを所定の組成比(YBa2
Cu3)に秤量し、水溶液7にし、スプレーガン9の容器
8に入れ、圧縮空気をパイプ10から送り、スプレーガン
9から小量ずつ噴霧11にして、ヒーター12で約600℃に
加熱した基板13に吹きつけ熱分解によりセラミック化し
ている状態を示した。
以上の超電膜は厚さ約10μmにし空気中での熱処理を
行った。
上記超電導膜は、他の組成にしてもよく、作製条件を
変えたり他の作製方法を用いてもよい。又膜厚は1から
10μmの間で良好な結果を得た。
以上のようにして、第2図のような構成にした超電導
磁気抵抗素子14は、第1図に示したように、同一方向に
バイアス磁界を印加する2つのコイル14と15の中央部に
セットし、磁気ノイズのない磁気シールド室内で測定し
た。
コイル15には交流電源に接続し、コイル16は直流電源
に接続して、それぞれ交流磁界と直流磁界を素子14に印
加できる状態にしてある。(コイルの電源の図示は省略
した。) 以上の構成による素子14の出力特性の1例を示したの
が第4図である。この図は超電導磁気抵抗素子14の電流
電極3を介し10mAのバイアス電流を流した状態で、コイ
ル16を用いて直流バイアス磁界を印加し、素子14の出力
を測定したものである。この縦軸は素子の出力で、横軸
は直流バイアス磁界の強さを示している。
次の第5図は、第4図で説明した超電導磁気抵抗素子
14の測定条件に於て、横軸のように直流バイアス磁界を
変えたとき、素子の出力に含まれる雑音の大きさをその
周波数別に縦軸に示している。
第5図から、素子14からのノイズは印加磁界の強さで
の変化は少なく、数Hz以下の低周波数でのノイズが大き
いことを示し、直流や低周波磁界により精密な磁界測定
が困難なことを示している。
本発明は、上記の超電導磁気抵抗素子14の特性に対
し、次に述べるような構成の超電導磁界測定装置により
直流又は低周波で変化する磁界も素子14のノイズに影響
されることなく、正確に測定するものである。
本発明の1実施例の交流波形を示したのが第6図であ
る。この第6図も第1図の構成にして、コイル15により
1KHzで±100mGaussの正弦波を印加してある(第6図
(a)の波形)。
以上のようにコイル15に交流電流を流した状態に於て
コイル16に、所定の電流を流し、第4図で説明した内容
のグラフ図である第7図のA,B,C,D及びE点になる直流
バイアス磁界を印加したとき対応して発生する素子14の
交流出力波形が第6図の(b),(c),(d),
(e)及び(f)になることを示している。
以上の出力信号と交流磁界発生信号とをロックインア
ンプに入力し、1KHz成分のみを狭帯域で抽出するため、
ノイズの実効値を低く押えることが可能になる。
上記のロックインアンプの概要を、第8図のブロック
図で示した。素子14の電圧電極4からの出力は差動増幅
器で20倍に増幅され、ロックインアンプに入力される。
一方参照入力として、前記正弦波発生器の1KHz信号が用
いられる。
ロックインアンプの原理は次のようになっている。入
力信号Vs,参照信号Vrを次のように表わす。
Vr=Acos(ωrt+θ) ……(1) Vs=cos(ωst) ……(2) ここでA:定数,ωr:参照信号の角速度,θ:位相角,
ωs:入力信号の角速度である,上の2つの信号をPhase
Sensitive Detector(位相比較器)で乗算すると、次の
信号Vpsdになる。
ここでωrとωsが等しいから(3)式の第2項が直
流成分になる。又、ローパスフィルターで(3)式の第
1項の交流成分を除くので、ローパスフィルターからの
出力VLPは次のようになる。
こゝでVLPを最大にするには、参照信号と入力信号の
位相差を零にするようロックインアンプを調整すればよ
いことになる。以上のようにして交流印加磁界による周
波数成分のみを直流電圧として取出すことができる。
コイル16に流す直流電流値を変えたときの直流バイア
ス磁界の強さを横軸にし、縦軸にロックインアンプの出
力にし、測定の結果を記入したのが第9図である。第9
図では印加した直流磁界による動作点の微分磁気感度が
ロックインアンプ出力として測定されているが、直流磁
界が零の近くでは前述したように超電導磁気抵抗素子の
出力特性から出力波形は第6図(c)(d)(e)のよ
うになり、本実施例では線形領域が存在した。この線形
領域を用いロックインアンプのローパスフィルターの時
定数を100m secとすることで、直流から数Hzの磁界を0.
1mGaussの分解能で測定することができた。
以上が実施例についての説明であるが、本発明は実施
例により限定されるものでなく、超電導磁気抵抗素子へ
のバイアス電流の大きさ,印加する交流バイアス磁界の
強さ,周波数,又は、印加する直流バイアス磁界の印加
の有無、又は、その強さの変化により磁界測定の範囲や
精度の変更が可能なものである。
又、実施例で2つのコイルで説明したバイアス磁界
も、1つのコイルに直流と交流を流す方式にしてもよ
い。更に、ロックインアンプのローパスフィルターの時
定数を変えることで数Hz以上で変化する磁界を測定する
ことも可能にできる。
構成も、超電導磁気抵抗素子と同じ基板上にバイアス
磁界印加用コイルを薄膜で形成し、磁気測定の安定化
と、作製の簡易化を図ることもできる。
<発明の効果> 本発明は、弱結合粒界を有する酸化物高温超電導体か
らなる超電導磁気抵抗素子がもつ数Hz以下の固有の低周
波数ノイズの影響を除き、かつ、線形領域の出力特性が
得られるので、微弱な磁界も高い分解能での測定が可能
になる超電導磁界測定装置である。
又、素子やコイルの小型化が可能であり微小磁界の空
間的分布も測定可能であり医療や非破壊検査など種々の
分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の概要斜視図、第2図は実施
例の超電導磁気抵抗素子の構造図、第3図はスプレーパ
イロリシスによるセラミック作製法の説明図、第4図は
実施例の超電導磁気抵抗素子への直流バイアス磁界−出
力特性図、第5図は第4図の素子の直流バイアス磁界−
ノイズ特性図、第6図は直流バイアス磁界の強さ−出力
波形図、第7図は第6図の動作点を示す図、第8図はロ
ックインアンプのブロック図、第9図は本発明の実施例
の直流磁界−ロックインアンプ出力特性図である。 1,13……基板,2……超電導膜,3……電流電極,4……電圧
電極,5……定電流電源,6……電圧計,7……水溶液,8……
容器,9……スプレーガン,10……パイプ,11……噴霧,12
……ヒーター,14……超電導磁気抵抗素子,15……交流バ
イアス磁界用コイル,16……直流バイアス磁界用コイ
ル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−138770(JP,A) 特開 昭57−71504(JP,A) 特開 昭57−187671(JP,A) 特開 昭55−134369(JP,A) 桜井,霜田:「応用エレクトロニクス」 PP.240−244裳華房1984年3月25日発行

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弱結合粒界を有する酸化物高温超電導体か
    らなる磁気抵抗素子を用いた超電導磁界測定装置におい
    て、 外部磁界の測定を行うのに用いる出力信号を発生させる
    ために印加する交流バイアス磁界を、前記酸化物高温超
    電導体固有のゆらぎ周波数以上の周波数の交流バイアス
    磁界として前記磁気抵抗素子に印加する交流バイアス印
    加手段を設けたことを特徴とする超電導磁界測定装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の超電導体磁界測定装置に
    おいて、前記交流バイアス印加手段によって前記磁気抵
    抗素子に印加する交流バイアス磁界の方向に直流バイア
    ス磁界を印加する直流バイアス印加手段を設けたことを
    特徴とする超電導磁界測定装置。
JP1170306A 1989-06-30 1989-06-30 超電導磁界測定装置 Expired - Fee Related JPH0814614B2 (ja)

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