JPH0820418B2 - 非接触による電流密度測定プローブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 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。

従来技術 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（SQUID）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
子を設け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。

発明が解決しようとする課題 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
一周期を通じて、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。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明に関連した非接触
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。

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
る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。

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、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、前記反射
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。

作用 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。

実施例 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）（直径が3mm程度）が巻かれている。
この一対のコイルは同一形状、同一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７の上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から、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（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
か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22か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、試料層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
記円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電流を導出する。

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
磁場を印加し誘導電流を生じさせ、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33aおよび33bは同一形状、同一巻き
線のものであり対称的に配置されが、励磁コイル34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3a
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。

発明の効果 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プの部分断面図であ
る。 第1b図は、本発明の透過型プロープの部分断面図であ
る。 第1c図は、本発明の他の透過型プロープの部分断面図で
ある。 第２図は、本発明のプロープ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プの斜視
図である。 第3b図は、本発明の方向別分析用透過型プロープァの断
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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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り、 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。
2. 【請求項２】非接触で試料の電流密度を測定するための
   プローブであって、 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、 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. 【請求項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、 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、 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。
4. 【請求項４】請求項３に記載のプローブであって、 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、ところのプローブ。
5. 【請求項５】非接触で試料の電流密度を測定するための
   プローブであって、 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、
   ところのプローブ。
6. 【請求項６】超伝導体の臨界電流値測定装置であって、 請求項１または２に記載のプローブと、 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
7. 【請求項７】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５に記載のプローブと、 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。
8. 【請求項８】請求項６または７に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。