WO2006059497A1 - 超電導体の臨界電流密度測定方法及び装置 - Google Patents

超電導体の臨界電流密度測定方法及び装置 Download PDF

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Yousuke Fukumoto
Teruo Matsushita
Edmund Soji Otabe
Masaru Kiuchi
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
    • G01R33/1238—Measuring superconductive properties
    • G01R33/1246—Measuring critical current

Definitions

  • the present invention relates to a method of measuring the critical current density of a superconductor, and more particularly to an improved method of third harmonic voltage analysis and an apparatus used therefor.
  • a superconductor Since a superconductor has zero electrical resistance at a temperature below the critical temperature, it has a force that can flow a much larger current than commonly used copper and gold wires. Depending on the material, there is a limit to the current that can flow, and the maximum value is called the critical current. And, in general, superconductors with high critical current are more useful in engineering.
  • the critical current density is the critical current per unit area obtained by dividing the critical current by the cross-sectional area of the superconductor.
  • a third harmonic voltage analysis method is considered promising as a method for nondestructively and noncontactly evaluating the superconducting characteristics of a superconductor. This method is a method in which a coil is placed on a sample made of a superconductor, an alternating current is supplied to it, and a third harmonic component of a voltage induced in the coil is measured and analyzed to obtain a critical current density. .
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-207526
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-69674
  • an object of the present invention is to provide a simple and highly accurate method and apparatus for measuring critical current density of a superconductor, which is an improvement of the conventionally proposed third harmonic voltage analysis method.
  • an alternating current is supplied to a coil disposed in the vicinity of a superconductor, and the alternating current and the third harmonic induction voltage induced in the coil by the alternating current are detected.
  • a method of measuring the critical current density of the superconductor two independent coils are used, and the application of the alternating magnetic field and the measurement of the induction voltage are performed by different coils. It is a current density measurement method.
  • Another aspect of the present invention is a coil disposed in the vicinity of a superconductor, a means for passing an alternating current thereto, and a third harmonic induction voltage induced in the coil by the alternating current and the alternating current.
  • a device for measuring the critical current density of the superconductor which comprises means for detecting a coil, a coil for applying an alternating magnetic field and a coil for measuring an induction voltage are provided separately. It is a current density measuring device.
  • it is possible to apply a larger alternating current magnetic field than in the conventional method 'product it is possible to measure a larger critical current density, and it is also possible to increase the distance between the sample and the coil. It becomes.
  • the measurement of the induced voltage is performed more effectively, the sensitivity is improved and the measurement of a small critical current density is also possible. Then, by using such a method and apparatus, for example, the productivity of the superconducting wire can be improved and the quality can be ensured.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a conventional method of applying an AC magnetic field and measuring an induced voltage.
  • FIG. 2 is an explanatory view of a method of applying an AC magnetic field and measuring an induced voltage according to the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing the relationship between the third harmonic induction voltage and the current obtained by the conventional measurement method.
  • FIG. 4 is a view showing the relationship between the third harmonic induction voltage and the current obtained by the measurement method of the present invention.
  • the present invention measures the critical current density of a superconductor by the third harmonic voltage analysis method. I cos (co t) current in small coils on the surface of a sufficiently wide superconductor film
  • the coil has a third high V cos (3 co t +))
  • an alternating magnetic field is generated from the coil and applied to the superconductor.
  • the superconductor completely reflects the magnetic field, but when the ac magnetic field becomes large, the shielding is not perfect and the opposite side ac magnetic field force is also generated. If this is observed with the voltage at both ends of the same coil, the third harmonic component will generate a signal when the shielding is broken when the AC magnetic field is shielded.
  • the magnitude of the AC magnetic field and the critical current density have a direct proportional relationship, and the magnitude of the AC magnetic field can be evaluated.
  • This technique is superior to the four-terminal method in that measurement is relatively easy and that it is possible to measure nondestructively because terminals do not need to be connected to a superconductor.
  • it can be measured in a non-contact manner, for example, it is easy to use in the field of manufacturing a superconducting wire.
  • local information about the size of the coil can be obtained, it is possible to identify, for example, a portion where the critical current density of the superconducting wire is degraded.
  • a coil which is disposed in the vicinity of the superconductor, is a means for flowing an alternating current and applying a magnetic field to the superconductor. It is characterized in that a coil (coil for measuring an induction voltage) independent of (a coil for applying an alternating magnetic field) is used.
  • the coil for applying the alternating magnetic field and the coil for measuring the induction voltage may be disposed in the vicinity of each other, but the coil for applying the alternating magnetic field is arranged inside the coaxial, and the coil for measuring the induction voltage is provided outside thereof. It is preferable that the configuration is arranged.
  • a coil for applying an alternating magnetic field is disposed outside the coaxial, and A configuration in which a coil for measuring the induction voltage is disposed on the side is also preferable.
  • a coil with a small number of turns using a thick wire is used as a coil for applying an alternating magnetic field, and a coil using a thin wire is used as a coil for measuring an induction voltage.
  • a coil with a large frequency pickup coil is used. Then, since the voltage induced to the pickup coil is composed of the fundamental wave component and the third harmonic component force, only the third harmonic component is separated and measured using, for example, a lock-in amplifier.
  • FIG. 1 cross-sectional view for explanation
  • a coil 2 is disposed on a superconductor 1, and application of an alternating magnetic field and measurement of an induced voltage are performed by one coil.
  • a cancel coil is separately provided (not shown), and the structure is complicated.
  • a coil for generating an alternating magnetic field and a coil for measuring an induction voltage are separately prepared.
  • a coil group is disposed above the superconductor 1.
  • the pickup coil 3 for measuring the induction voltage is arranged outside the coaxial, and the coil 4 for applying an alternating magnetic field is arranged inside.
  • the device becomes simple and the sensitivity is improved.
  • the method 'device of the present invention simplifies the structure because it eliminates the need for the conventional cancel coil. Furthermore, no measurement procedure for cancellation is required. Also, since the sensitivity is improved, the distance between the superconductor and the measurement coil can be increased as compared with the conventional one, and the characteristics of the wire can be evaluated at high speed.
  • FIG. 1 an experiment using a conventional measurement method apparatus in which a coil 2 is disposed on a superconductor 1 and application of an AC magnetic field and measurement of an induction voltage are performed by the coil 2
  • a coil group in which a pickup coil 3 for measuring an induction voltage is disposed outside the coaxial and a coil 4 for applying an alternating magnetic field is disposed above the superconductor 1 as shown in FIG.
  • Measurement of Method ⁇ We conducted an experiment using the device.
  • the measurement was performed as follows.
  • the signal from the function synthesizer is amplified by the bipolar power supply to generate an alternating current.
  • the AC current is applied to the coil 4 for applying an inner AC magnetic field shown in FIG. 2 to generate an AC magnetic field.
  • the lock-in amplifier measures the voltage induced in the pickup coil 3 for measuring the induction voltage, which is disposed outside.
  • 3f which is three times the frequency f of the function synthesizer
  • 3f is input to the lock-in amplifier as a reference signal. This enables the lock-in amplifier to measure the component of the third harmonic of the applied AC magnetic field.
  • FIG. 3 shows the relationship between the third harmonic induction voltage and the current obtained by the conventional measurement method (the method and apparatus of FIG. 1), and in principle, a voltage can be generated at a low magnetic field. In order to be affected by the force noise that should not rise, the voltage is measured at a small level, and it is not constant.
  • Fig. 4 is based on the method of the present invention, and it is confirmed that the accuracy is significantly increased compared to Fig. 3 which is not affected by noise when the voltage is not measured in principle. it can.
  • the threshold can be accurately determined by actually performing measurement using the method of the present invention.
  • a simple and highly accurate method of measuring critical current density of a superconductor and an apparatus therefor which is an improvement of the conventionally proposed third harmonic voltage analysis method.
  • Powerful method ⁇ The device can be effectively used to improve the productivity and control the quality of various products using superconductors, such as superconducting wires.

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Abstract

　本発明の課題は、従来提案されている第三高調波電圧解析法を改良した、簡便で精度の高い、超電導体の臨界電流密度測定方法及び装置を提供することにある。本発明は、超電導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、交流電流及び交流電流によりコイルに誘起される第三高調波誘導電圧を検出することにより、超電導体の臨界電流密度を測定する方法において、独立した二つのコイルを用い、交流磁界の印加と誘導電圧の測定を別々のコイルで行うことを特徴とする超電導体の臨界電流密度測定方法、及びそのための測定装置である。

Description

明 細 書
超電導体の臨界電流密度測定方法及び装置
技術分野
[0001] 本発明は、超電導体の臨界電流密度の測定方法に関し、特に第三高調波電圧解 析法の改良法とそれに用いる装置に関する。
背景技術
[0002] 超電導体は、臨界温度以下に冷却すると、電気抵抗がゼロの超電導状態になると いう性質を有するので、理工学上色々の応用が考えられる。臨界温度としては、出来 るだけ高いものが利用し易ぐ液体窒素下で超電導状態が得られる、いわゆる高温 超電導体も見出されてきた。そして、超電導応用機器としては、例えば、超電導磁石 、大容量送電ケーブル、変圧器、限流器、高感度磁気センサーがあり、既に実用化 されているちのちある。
[0003] 超電導体は臨界温度以下の温度で電気抵抗がゼロになるので、通常用いられる銅 線や金線と比べて、はるかに大きな電流を流すことが可能ではある力 しかし、超電 導体の素材によって、流せる電流には限界があり、その最大値は臨界電流と呼ばれ ている。そして、一般的には、臨界電流の高い超電導体の方が工学的には有用であ る。
[0004] 実際に超電導体を応用する場合には、さまざまな温度や磁界中での臨界電流特性 を知る必要がある。超電導体の臨界電流を測定する方法としては、四端子法、磁ィ匕 緩和法、 Campbell法等色々な方法が知られている力 最も良く用いられている方法 の一つが、超電導体に電流端子と電圧端子の四つの電極を付け、通電電流を流し て電圧を測定する四端子法である。この方法では、流れる電流が大きくなり臨界電流 を超えると、超電導体からは電圧が発生するので、それを測定することによって臨界 電流密度の評価が可能となる。しかしながら、この方法は、超電導体を加工する必要 があり、その際の超電導特性の劣化が問題となる。
なお、臨界電流密度とは、臨界電流を超電導体の断面積で割った、単位面積当た りの臨界電流のことである。 [0005] 超電導体の超電導特性を、非破壊的に非接触で評価する方法として、第三高調波 電圧解析法が有望視されている。この方法は、超電導体からなる試料の上にコイル を設置し、それに交流電流を流し、そのコイルに誘導される電圧の第三高調波成分 を測定'解析し、臨界電流密度を求める方法である。この方法では、試料に直接電流 を流す必要がないので、試料をカ卩ェする必要がなぐ且つ、非接触であるから広い 面積にわたって次々と測定することも可能であり、便利な方法である。しかしながら、 これまで提案されて ヽる第三高調波電圧解析法 (特許文献 1)では、一つのコイルで 交流磁界の印加と誘導電圧の測定を行って 、るため、感度の点とノイズの点で問題 かあつた。
[0006] 第三高調波電圧解析法におけるノイズの問題を解決するために、交流磁界の印加 と誘導電圧の測定のためのコイルとは別に、キャンセルコイルを用いる方法も提案さ れている（特許文献 2)。し力しながら、この方法では、キャンセルコイルを用いるが故 に、測定装置が煩雑となり、また、キャンセルのための測定手順も必要となり不便であ る。更に、一つのコイルで交流磁界の印加と誘導電圧の測定を行うので、感度が悪く ノイズも入りやす ヽという問題があった。
特許文献 1：特開 2003 - 207526号公報
特許文献 2 :特開 2004— 69674号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 超電導製品を製造する際には、正確な臨界電流密度の測定が必要である。また、 その製品の生産性の向上や品質の管理の面からも、簡便で精度の高い臨界電流密 度の測定方法及び装置は欠かせないものであり、より良い方法と装置の開発が望ま れていた。従って、本発明の課題は、従来提案されている第三高調波電圧解析法を 改良した、簡便で精度の高い、超電導体の臨界電流密度測定方法及び装置を提供 することにある。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明は、超電導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び 該交流電流により該コイルに誘起される第三高調波誘導電圧を検出することにより、 該超電導体の臨界電流密度を測定する方法にお!、て、独立した二つのコイルを用 い、交流磁界の印加と誘導電圧の測定を別々のコイルで行うことを特徴とする超電導 体の臨界電流密度測定方法である。
[0009] 本発明の他の態様は、超電導体の近傍に配置されたコイルとそれに交流電流を流 す手段と、該交流電流及び該交流電流により該コイルに誘起される第三高調波誘導 電圧を検出する手段とからなる、該超電導体の臨界電流密度を測定する装置におい て、交流磁界印加用のコイルと誘導電圧測定用のコイルを、別々に設けたことを特徴 とする超電導体の臨界電流密度測定装置である。
発明の効果
[0010] 本発明によれば、従来提案されて!ヽる第三高調波電圧解析法を改良した、簡便で 精度の高い、超電導体の臨界電流密度測定方法とそのための装置が提供される。そ して、従来の方法'製品に比べ、より大きな交流磁界を印加することが可能であるの で、より大きな臨界電流密度を測定することができ、試料とコイルの距離を大きく取る ことも可能となる。また、誘導電圧の測定がより効果的に行われるので、感度が良くな り、小さな臨界電流密度の測定も可能となる。そして、かかる方法'装置を利用するこ とにより、例えば、超電導線材の生産性の向上、品質の確保が図られる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]従来の交流磁界の印加と誘導電圧の測定方法の説明図である。
[図 2]本発明の交流磁界の印加と誘導電圧の測定方法の説明図である。
[図 3]従来の測定方法により得られた、第三高調波誘導電圧と電流との関係を示す 図である。
[図 4]本発明の測定方法により得られた、第三高調波誘導電圧と電流との関係を示 す図である。
符号の説明
[0012] 1 超電導体
2 コイル
3 誘導電圧測定用のピックアップコイル
4 交流磁界印加用のコイル 発明を実施するための最良の形態
[0013] 本発明は、第三高調波電圧解析法によって、超電導体の臨界電流密度を測定す るものである。十分広い超電導体薄膜の表面上で小さなコイルに I cos ( co t)の電流
0
を流し、表面に対して垂直な磁界を加えると、コイルに V cos (3 co t+ Θ )の、第三高
3 3 調波電圧が誘導されることが知られている。そして、具体的には、超電導体の近傍、 例えば、超電導体の上側に小さいコイルを配置し、これに交流電流を流し、該コイル に誘起される電圧の第三高調波成分を測定すると、ある閾値電流から電圧が発生す ることから、この超電導体の臨界電流密度が評価できる（例えば、前記特許文献 1参 照)。
[0014] コイルに交流電流を流すことによって、コイルから交流磁界が発生して超電導体に 印加される。交流磁界が小さいときには、超電導体は、磁界を完全に反射するが、交 流磁界が大きくなると遮蔽が完全でなくなり、反対側力 交流磁界力もれる。これを同 じコイルの両端の電圧で観測すると、その第三高調波成分は、交流磁界が遮蔽され ているときにはほとんど信号が無ぐ遮蔽が破れた時点で信号が発生することになる 。この交流磁界の大きさと臨界電流密度は正比例の関係があり、交流磁界の大きさ 力 臨界電流密度を評価することができる。
[0015] この技術は、四端子法に比べて、測定が比較的簡便である点と、端子を超電導体 に接続する必要が無いので、非破壊的に測定できる点で優れている。また非接触で 測定することができるので、例えば、超電導線材を製造する現場で利用しやすい。さ らにコイルの大きさ程度の局所的な情報が得られるので、例えば、超電導線材の臨 界電流密度が劣化している部分を特定することができる。
[0016] 本発明においては、第三高調波誘導電圧を検出'測定するための手段として、超 電導体の近傍に配置され、交流電流を流し超電導体に磁界を印加するための手段 であるコイル (交流磁界印加用のコイル）とは独立したコイル (誘導電圧測定用のコィ ル)を用いることが特徴である。交流磁界印加用のコイルと誘導電圧測定用のコイル は、お互いに近傍に配置されておれば良いが、交流磁界印加用のコイルが同軸の 内側に配置され、その外側に誘導電圧測定用のコイルが配置された構成のものが好 ましい。あるいは、また、交流磁界印加用のコイルが同軸の外側に配置され、その内 側に誘導電圧測定用のコイルが配置された構成のものも好ましい。
[0017] 一般的に、交流磁界印加用のコイルとしては、太い電線を用いた巻き数が少ないコ ィル (マグネット）が用いられ、誘導電圧測定用のコイルとしては、細い線を用いた卷 き数が多いコイル（ピックアップコイル）が用いられる。そして、ピックアップコイルに誘 導された電圧は、基本波成分と第三高調波成分力 成っているので、第三高調波成 分のみを、例えば、ロックインアンプを用いて分離し計測する。
[0018] 以下、図面を用いて説明する。従来は、図 1 (説明のための断面図）に示すように、 超電導体 1の上にコイル 2が配置されており、一つのコイルで交流磁界の印加と誘導 電圧の測定をしていた。また、基本波成分を誘導電圧から減少させることと、ノイズを 減らすために、キャンセルコイルを別に設けており（図示せず）、構造が煩雑になって いた。更に、従来のものでは、基本波成分を誘導電圧から差動させる、というキャンセ ルの手順が必要となるという煩雑さがあった。実際に測定を行ってみると、交流電流 を通電させるための電源のノイズの影響を直接受け、従って、ノイズが大きいという問 題点がある。
[0019] 本発明では、従来、交流磁界を発生させるコイルと誘導電圧を測定するコイルが一 つだったものを、独立に準備する。例えば、図 2 (説明のための断面図）に示すように 超電導体 1の上方にコイル群を配置する。コイルの形状を工夫して、同軸の外側に 誘導電圧測定用のピックアップコイル 3を、内側に交流磁界印加用のコイル 4を配置 する。このようにすることにより、装置が簡便となり、感度が向上する。また、本発明の 方法'装置では、従来用いていたキャンセルコイルを必要としなくなるので、構造が簡 便になる。更に、キャンセルのための測定手順は不要となる。そして、また、感度が向 上するので、従来のものよりも超電導体と測定コイルとの距離を離すことができ、高速 で線材の特性評価を行うことができるようになる。
実施例
[0020] 図 1に示した様に、超電導体 1の上にコイル 2が配置されており、コイル 2で交流磁 界の印加と誘導電圧の測定を行う従来型の測定方法'装置を用いる実験と、図 2に 示した様に、超電導体 1の上方に、同軸の外側に誘導電圧測定用のピックアップコィ ル 3を、内側に交流磁界印加用のコイル 4を配置したコイル群を用いる本発明の測定 方法 ·装置を用いた実験を行った。
[0021] 測定は次のようにして行われた。ファンクションシンセサイザーからの信号を、バイポ ーラ電源により増幅して交流電流を発生させる。この交流電流を、図 2に示した内側 交流磁界印加用のコイル 4に通電して、交流磁界を発生させる。このとき、外側に配 置して 、る誘導電圧測定用のピックアップコイル 3に誘起される電圧の測定を、ロック インアンプにより行う。なお、第三高調波誘導電圧を測定するために、ファンクション シンセサイザーの周波数 fの 3倍の 3fを、参照信号としてロックインアンプに入力して いる。これにより、ロックインアンプでは、印加交流磁界の 3倍高調波の成分を測定で きるようになる。最近のファンクションシンセサイザ一は、このように高調波成分を測定 可能にするように、二つの周波数を同時に出力できるようになっているものもあり、測 定は簡便に行うことができる。
[0022] この測定を、交流磁界の小さいところ力も大きいところまで行った。図 3は、従来の 測定方法 (図 1の方法'装置）により得られた、第三高調波誘導電圧と電流との関係 を示しており、原理的には、低い磁界のところでは電圧が出てこないはずである力 ノ ィズの影響を受けるために、微小ではあるが電圧が測定されており、更に一定になつ ていない。これに対して、図 4は、本発明方法によるものであり、原理的に電圧が測定 されないところでは、ノイズの影響を受けにくぐ図 3に比べて格段に精度が増すこと を確認することができる。また、交流磁界が大きくなり、超電導体の反対側まで磁界が 達すると電圧が急激に大きくなるところでも、スムーズに電圧が立ち上がつていること がわかる。このことから、実際に本発明の方式を使って測定を行うことにより、閾値を 正確に定めることが可能であることがわかる。
[0023] 以上の結果、本発明の場合は、従来型に比べて測定の際のノイズが軽減され、臨 界電流密度の測定において精度が増すことが確認された。
産業上の利用可能性
[0024] 本発明によれば、従来提案されて!ヽる第三高調波電圧解析法を改良した、簡便で 精度の高い、超電導体の臨界電流密度測定方法とそのための装置が提供される。 力かる方法 ·装置は、超電導体を利用した各種の製品、例えば、超電導線材の、生 産性の向上や品質の管理のために有効に用いることができる。

Claims

請求の範囲
[1] 超電導体の近傍に配置したコイルに交流電流を流し、該交流電流及び該交流電 流により該コイルに誘起される第三高調波誘導電圧を検出することにより、該超電導 体の臨界電流密度を測定する方法において、独立した二つのコイルを用い、交流磁 界の印加と誘導電圧の測定を別々のコイルで行うことを特徴とする超電導体の臨界 電流密度測定方法。
[2] 独立した二つのコイル力 同軸の内側に配置された交流磁界印加用のコイルと、外 側に配置された誘導電圧測定用のコイルとから構成されている請求項 1記載の超電 導体の臨界電流密度測定方法。
[3] 独立した二つのコイル力 同軸の外側に配置された交流磁界印加用のコイルと、内 側に配置された誘導電圧測定用のコイルとから構成されている請求項 1記載の超電 導体の臨界電流密度測定方法。
[4] 超電導体の近傍に配置されたコイルとそれに交流電流を流す手段と、該交流電流 及び該交流電流により該コイルに誘起される第三高調波誘導電圧を検出する手段と からなる、該超電導体の臨界電流密度を測定する装置において、交流磁界印加用 のコイルと誘導電圧測定用のコイルを、別々に設けたことを特徴とする超電導体の臨 界電流密度測定装置。
[5] 交流磁界印加用のコイルが同軸の内側に配置され、誘導電圧測定用のコイルが同 軸の外側に配置されて!ヽる請求項 4記載の超電導体の臨界電流密度測定装置。
[6] 交流磁界印加用のコイルが同軸の外側に配置され、誘導電圧測定用のコイルが同 軸の内側に配置されて!、る請求項 4記載の超電導体の臨界電流密度測定装置。
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