JPH0823574B2 - 超電導体の磁気特性測定方法 - Google Patents

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海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、また測定に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、測定効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、超電導体の測定対象面に対し
て、局所領域に限定した測定用磁束を前記測定対象面側
から印加し、該測定用磁束の磁場強度を変化させたとき
の前記測定対象面近傍における該測定対象面に平行な方
向または該測定対象面の法線方向の磁場強度の変化を前
記測定対象面側で磁場検出素子により測定するに際し
て、前記測定用磁束を印加する手段として、発生磁場の
向きが互いに逆向きの一対のコイルを同軸配置して用い
ることを特徴とするものである。

［作 用］ 本発明の測定法の原理を以下に説明する。

超電導材料はその臨界温度T_c以上の温度Ｔでは通常の
導体（常電導体）であり、Ｔ＜T_cでは超電導体になる。
超電導材料では試料にＴ＞T_cで磁場を与えてから冷却を
開始するとＴ＞T_cからＴ＜T_c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＞T_cでは試料の透磁率μが真空中の透磁率μ_０
に等しいが、Ｔ＜T_c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H_c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_０（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＝
０であるからＭ＝−Ｈであり、一般に反磁場係数が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H_c1まではマイスナー状態で
あるが、更に磁場Ｈを上げてＨ＞H_c1になると磁化はマ
イスナー状態より不完全となる。これはボルテックスを
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H_c1からH_c2に近付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H_c1と下部臨界磁場H_c2との間
の状態を混合状態と呼び、上部臨界磁場H_c1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）は測定用磁束を印加する
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（以降、測定用磁束と呼
ぶ）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場検出素子（以降、
センサー呼ぶ）（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2a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の磁界中に超電導体３
を配置する、即ち、超電導体３の測定対象面に対してそ
の測定対象面側から測定用磁束を印加すると、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H_c2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、測定対象面近傍の、磁石１の磁極面
中央部直下の領域Ａで該測定対象面の法線方向の磁束ま
たはそこから半径方向にずれた領域Ｂで該測定対象面に
平行な方向の磁束をセンサーで検出し、印加磁場の強度
（測定用磁束の磁場強度）を変化させたときの領域Ａま
たは領域Ｂの磁場強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に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て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、本発明による測定方法では、超電導体の
測定対象面に対する測定用磁束の印加と、磁場検出素子
による測定対象面近傍における予め定められた方向の磁
場の測定とが、測定対象面側で行われるため、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。また測定用磁束を印加する手段とし
て、発生磁場の向きが互いに逆向きの一対のコイルを同
軸配置して用いたので、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、零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Ｉ、その電流密度をＪとすると、Ｂ＝μ₀
I或はrotB＝μ₀ 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］ 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ソレノイドコ
イル11が測定用磁束を印加する手段として構成されてい
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が磁場検
出素子として構成されており、コイル11とセンサー12a
と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プロッターなど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の励磁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。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ておい
た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12
cは、測定中にコイル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等に基づく誤差を
減じることができる。第3d図は小径ソレノイドコイル11
aの外周に大径ソレノイドコイル11b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コイル11c,
11d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引火する磁場
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,11f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mm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］ 超電導体の励磁特性を測定に用いた測定プローブはコ
イルの外径12mm、内径6mm、長さ50mm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図に示すような
ものである。

また測定した超電導体試料はBi₂Sr₂CaCu₂O₈＋Ｘの酸
化物超電導体で、寸法は、厚さ0.8mm、半径50mm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20Gaussであることがわかる。

また、混合状態になる磁場強度22Gaussから電流密度
は約120A/cm²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］ コイルの形状は測定例１のものと同じでセンサーの指
向性が90゜異なる第3a図のようなプローブを用いて同様
に測定を行った。また超電導体試料は測定例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22Ga
uss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12mm、内径3mm、長さ3
mm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YBa₂CuO₇＋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8Gaussで、試料に残留した磁場の磁
束密度は6Gauss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
示す通りである。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11A/cm²であった。

［測定例６］ 超電導体の特性測定に用いた装置は測定例５と同じで
ある。また用いた超電導体はBi₂Sr₂CaCu₂O₈＋Ｘの酸化
物超電導体（臨界電流密度1000A/cm²）である。この試
料に様々な大きさの磁場を印加し、残留した磁場の大き
さを測定した。その結果を第９図に示す。これより残留
磁場強度の増加は３つの直線（A,B,C）で近似できるこ
とがわかる。

［測定例７］ 測定例４と同様の測定を様々な特性の試料について行
なった。ここで第９図の直線Ｂに相当する直線の傾き
と、臨界電流密度の関係について第10図に示すような結
果が得られた。図から明らかなとおり、両者の関係はう
まく直線近似することができる。これよりこの直線Ｂの
傾きを調べれば超電導体の特性を推定できることがわか
る。また直線Ａの傾きからも特性を評価できるが、測定
値が小さいため誤差が大きく、また直線Ｃの部分では試
料の厚さの影響を大きく受けるので、厚さの効果を考慮
しなければならない。

［発明の効果］ 以上に述べたように本発明によれば、超電導体の測定
対象面に対する測定用磁束の印加と、磁場検出素子によ
る測定対象面近傍における予め定められた方向の磁場の
測定とが、測定対象面側で行われるため、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。また測定用磁束を印加する手段として、発
生磁場の向きが互いに逆向きの一対のコイルを同軸配置
して用いたので、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】

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、第９図は測定例６の測定結果を示す線
図、第10図は測定例７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、1
1:ソレノイドコイル、12:センサー、21:励磁系、22:測
定系。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超電導体の測定対象面に対して、局所領域
   に限定した測定用磁束を前記測定対象面側から印加し、
   該測定用磁束の磁場強度を変化させたときの前記測定対
   象面近傍における該測定対象面に平行な方向または該測
   定対象面の法線方向の磁場強度の変化を、前記測定対象
   面側で磁場検出素子により測定するに際して、前記測定
   用磁束を印加する手段として、発生磁場の向きが互いに
   逆向きの一対のコイルを同軸配置して用いることを特徴
   とする超電導体の磁気特性測定方法。