(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導体を所定形状のブロックに仮想的に分割し、一つのブロックにコイルを配置し、コイルに交流電流を流し、このコイルに流す電流Ｉ０と、この電流によりコイルに誘起される第三高調波誘導電圧Ｖ３とを検出し、所定条件のもとに前記電流Ｉ０と前記電圧Ｖ３との関係を表す所定の演算式から臨界電流密度を求め、コイルの位置を別のブロックに順次移動させて以上の操作を繰り返して各ブロック毎の臨界電流密度の分布を求める超伝導体の臨界電流密度の測定方法において、
上記演算式を（ｉ）小電流０＜Ｉ０−Ｉｃ１＜＜Ｉｃ１の場合：Ｖ３＝（Ｇ１ｆ／Ｊｃ）Ｉｃ１−ｂ（Ｉ０−Ｉｃ１）２＋ｂ，（ｉｉ）大電流Ｉｃ１＜＜Ｉ０＜Ｉｔｈの場合：Ｖ３＝（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）Ｉ０２とし、上記所定条件を、Ｊｃは臨界電流密度、ｆはコイルに流す交流電流の周波数、Ｉｃ１は第三高調波誘導電圧がゼロ以外の値をとり始める閾値、ＩｔｈはＪｃｄに比例する電流値、但し、ｄは超伝導体の厚さ、ｂは０＜ｂ＜１の値をとるパラメータ、Ｇｉ（ｉ＝１，２）はコイルの幾何学的形状や配置などで決まる係数とすることを特徴とする超伝導体の臨界電流密度の測定方法。
【請求項２】
電流検出器と、該電流検出器を介して流れる交流電流によって交流磁場を発生させると共に超伝導体によって誘導される磁束を検出するコイルと、該コイルで検出した誘導電圧から第三高調波誘導電圧を抽出する手段とを備えた超伝導体の臨界電流密度の測定装置において、
請求項１記載の所定条件における前記電流と前記第三高調波誘導電圧から請求項１記載の演算式に基づいて超伝導体の分割ブロック毎の臨界電流密度を求める演算手段を備えたことを特徴とする超伝導体の臨界電流密度の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【００１】
本発明は、大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材、および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体の臨界電流密度の局所的な値とその分布を、非破壊的かつ非接触で評価する測定方法および測定装置に関する。
【従来の技術】
大面積超伝導膜、長尺超伝導テープ線材、および大型超伝導バルク材などの大面積・大型の超伝導体は、限流器、送電ケーブル、軸受など、様々な電力機器への応用が期待されている。超伝導体における臨界電流密度は、これらの電力機器に応用したときの性能を決める重要なパラメータである。高い臨界電流密度が均一に分布した、大面積・大型で高品質の超伝導体の開発・作製を行うために、局所的な臨界電流密度とその分布を非破壊的に非接触で、かつ簡便に評価する方法の開発が望まれていた。
【００２】
【発明が解決しようとする課題】
（１）超伝導体の臨界電流密度を評価するのに最もよく用いられている方法の一つは、超伝導体に電極をつけて電流・電圧特性を測定する四端子法である。四端子法を用いるためには超伝導体を加工する必要があり、そのときの超伝導特性の劣化が問題となる。また、この方法では、比較的小さい超伝導体の臨界電流密度しか評価することができない。臨界電流密度を非破壊的に非接触で評価するのに最もよく用いられている方法の一つは、直流磁化を測定する方法である。これは比較的小さい超伝導体全体の平均的な臨界電流密度しか評価することができない。
（２）超伝導膜の局所的な臨界電流密度の分布を評価する方法として、コイルに流す交流電流とコイルに生じる第三高調波誘導電圧を測定する方法がすでに提案されている。
それは、交流電流を零から増加していき、第三高調波誘導電圧が大きく生じはじめる時の交流電流値Ｉｔｈから臨界電流密度を評価する方法である。（文献［１］：Ｊ．Ｈ．Ｃｌａａｓｓｅｎ，Ｍ．Ｅ．Ｒｅｅｖｅｓ，ａｎｄ  Ｒ．Ｊ．Ｓｏｕｌｅｎ、Ｊｒ．，Ａ  ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ  ａｎｄ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｆ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｆｉｌｍｓ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６２，９９６（１９９１）参照。）
【００３】
しかし、この交流電流値Ｉｔｈは、臨界電流密度Ｊｃと超伝導体の厚さｄの積Ｊｃｄに比例し、ｄが大きい超伝導体においてはコイル電流Ｉ０がＩｔｈに達することが出来ず、Ｊｃの測定が不可能になる場合がある。
（３）また、第三高調波誘導電圧から臨界電流密度を評価する別の方法として、比較的小さな円柱状、あるいは平板状の超伝導体に用いられる方法がある。（文献［２］：Ｃ．Ｐ．Ｂｅａｎ，Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｆｉｅｌｄ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．３６，３１（１９６４）参照。）
この方法では、超伝導体を取り囲むようにコイルを配置する必要があるため、この方法を大面積・大型の超伝導体に用いることはできないし、また、超伝導体全体の平均的な臨界電流密度だけしか評価することができない。すなわち、この方法では、大面積・大型の超伝導体の臨界電流密度を局所的に評価することはできず、臨界電流密度が均一に分布した高品質の超伝導体ができているかどうか調べることは不可能であった。
【００４】
様々な応用が期待される、高い臨界電流密度が均一に分布した大面積・大型の超伝導体の開発・作製を行うために、臨界電流密度の局所的な値がいくらか、また臨界電流密度が均一に分布しているかどうかを非破壊的に評価する方法の開発が必要不可欠である。大面積の超伝導膜の局所的な臨界電流密度とその分布を非破壊的に評価するのに、上記（２）に示されている方法が用いられているが、この方法では、厚さｄが大きくて、（ｄ＞Ｉ０／ｋＪｃ：但し、ｋはコイルの形状や配置などで決まる比例定数。）磁場を遮蔽することができる超伝導体の臨界電流密度を評価することができなかった。
本発明の目的は、これらの問題点に鑑み、大面積膜、長尺線材、バルク材などの大面積・大型超伝導体において、特に厚さが大きい場合の臨界電流密度の局所的な値とその分布を、非破壊的かつ非接触で評価する測定方法および測定装置を提供することにある。
【００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を達成するために以下の解決手段を採用する。
（１）超伝導体を所定形状のブロックに仮想的に分割し、一つのブロックにコイルを配置し、コイルに交流電流を流し、このコイルに流す電流Ｉ０と、この電流Ｉ０によりコイルに誘起される第三高調波誘導電圧Ｖ３とを検出し、所定条件のもとに前記電流Ｉ０と前記電圧Ｖ３との間の関係を表す所定の演算式から臨界電流密度を求め、コイルの位置を別のブロックに移動させて以上の操作を繰り返して各ブロック毎の臨界電流密度の分布を求める超伝導体の臨界電流密度の測定方法において、上記演算式を（ｉ）小電流０＜Ｉ０−Ｉｃ１＜＜Ｉｃ１の場合：Ｖ３＝（Ｇ１ｆ／Ｊｃ）Ｉｃ１−ｂ（Ｉ０−Ｉｃ１）２＋ｂ，（ｉｉ）大電流Ｉｃ１＜＜Ｉ０＜Ｉｔｈの場合：Ｖ３＝（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）Ｉ０２とし、上記所定条件を、Ｊｃは臨界電流密度、ｆはコイルに流す交流電流の周波数、Ｉｃ１は第三高調波誘導電圧がゼロ以外の値をとり始める閾値、ＩｔｈはＪｃｄに比例する電流値、但し、ｄは超伝導体の厚さ、ｂは０＜ｂ＜１の値をとるパラメータ、Ｇｉ（ｉ＝１，２）はコイルの幾何学的形状や配置などで決まる係数とすること。
【００６】
（２）電流検出器と、該電流検出器を介して流れる交流電流によって生じる交流磁場を発生させると共に超伝導体によって誘導される磁束を検出するコイルと、該コイルで検出した誘導電圧から第三高調波誘導電圧を抽出する手段とを備えた超伝導体の臨界電流密度の測定装置において、請求項１記載の所定条件における前記電流と前記第三高調波誘導電圧から上記（１）記載の演算式に基づいて超伝導体の分割ブロック毎の臨界電流密度を求める演算手段を備えたこと。
【００７】
【発明の実施の態様】
本発明は、大型の超伝導体を複数ブロックに仮想的に分割した各ブロック順に、その表面付近に検出用のコイルを配置し、コイルに流す交流電流Ｉ０と、コイルに誘起される第三高調波誘導電圧Ｖ３を測定し、所定の演算式から前記各ブロック毎の臨界電流密度を演算により求める測定方法およびそのための測定装置にある。
具体的には、交流電流Ｉ０を零から増加させていくと、電流Ｉ０がある閾値Ｉｃ１に達するまでは電圧Ｖ３が現れない。これは、交流電流Ｉ０により生じる交流磁場Ｈ０が下部臨界磁場Ｈｃ１より小さい場合、超伝導体に磁束線（渦糸）が侵入することが出来ないからである。すなわち、０＜Ｉ０＜Ｉｃ１のときＶ３＝０である。
一方、Ｉ０＞Ｉｃ１における電流Ｉ０と電圧Ｖ３との関係は、電流Ｉ０の大きさに応じて、次の（１）または（２）式で与えられる。
（ｉ）小電流：０＜Ｉ０−Ｉｃ１＜＜Ｉｃ１（０＜Ｈ０−Ｈｃ１＜＜Ｈｃ１）の場合：
Ｖ３＝（Ｇ１ｆ／Ｊｃ）Ｉｃ１−ｂ（Ｉ０−Ｉｃ１）２＋ｂ，（１）
（ｉｉ）大電流Ｉｃ１＜＜Ｉ０＜Ｉｔｈ（Ｈｃ１＜＜Ｈ０＜Ｊｃｄ）の場合：
Ｖ３＝（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）Ｉ０２                          （２）
ここで、Ｊｃは臨界電流密度、ｄは超伝導体の厚さ、ｆはコイルに流す交流電流の周波数、ｂは０＜ｂ＜１の値をとるパラメータ、Ｇｉはコイルの幾何学的形状や配置などで決まる係数である。
【００８】
検出した電流Ｉ０と電圧Ｖ３の測定値から（１）または（２）式を用いて、臨界電流密度Ｊｃを評価することができる。
この測定装置の測定動作は、超伝導体を加工することなく非接触で行われる。また、微小なコイルを用いて超伝導体の表面を走査させて測定することにより、局所的な臨界電流密度の分布を評価することができる。
なお、既に述べたところであるが、前記文献［１］では、電流Ｉ０が閾値Ｉｔｈより大きい（すなわち、交流磁場Ｈ０がＪｃｄより大きい）場合について、臨界電流密度を測定する方法が示されている。しかし、超伝導体の厚さｄが大きい場合、この条件が満たされなくなることがあり、臨界電流密度を評価することが出来ない。
【００９】
第三高調波誘導電圧は次ようにして導かれる。
ｚ＞０に配置した円形コイルに流れる交流電流Ｉ０ｃｏｓ（２πｆｔ）により，超伝導体表面ｚ＝０にはＨ０ｃｏｓ（２πｆｔ）の磁場が生じる。ここで、ｋをコイルの形状や配置などで決まる比例係数として、Ｈ０＝ｋＩ０と表すことができる。電流振幅Ｉ０が閾値Ｉｃ１＝Ｈｃ１／ｋを超えなければ，磁場は下部臨界磁場Ｈｃ１よりも小さく，超伝導体に磁束線（渦糸）は侵入することができない。この場合、コイルに第三高調波誘導電圧は発生しない。すなわち、Ｉ０＜Ｉｃ１（Ｈ０＜Ｈｃ１）ではＶ３＝０である。
以下、Ｉ０＞Ｉｃ１（Ｈ０＞Ｈｃ１）の場合を考える。臨界状態モデル（文献［２］参照）によれば、超伝導体における磁場Ｈの勾配∂Ｈ／∂ｚの大きさは臨界電流密度Ｊｃに等しい。臨界状態モデルによる磁束線の侵入長（Ｈ０−Ｈｃ１）／Ｊｃが、Ｌｏｎｄｏｎの侵入長λよりも大きく、かつ超伝導体の厚さｄよりも小さい場合を考える。従来の臨界状態モデルと同様に、∂Ｈ／∂ｚ＝±Ｊｃを積分して磁場Ｈ（ｚ，ｔ）の分布が得られる。
｜Ｈ（ｚ，ｔ）｜＜Ｈｃ１の領域では、磁束線が存在することができない。すなわち、磁束密度Ｂは、｜Ｈ｜＜Ｈｃ１ではＢ＝０となる。Ｈ＞Ｈｃ１の場合のＢとＨとの関係式はＢ＝μ０（Ｈ１／ｂ−Ｈｃ１１／ｂ）ｂで与えられ、μ０は真空透磁率、ｂは０＜ｂ＜１の値をとるパラメータである。（文献［３］：Ｅ．Ｈ．Ｂｒａｎｄｔ，Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  ｂａｒｒｉｅｒ  ａｎｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｓｔｒｉｎｇ  ｉｎ  ｔｙｐｅ−ＩＩ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｏｂｔａｉｎｅｄ  ｆｒｏｍ  ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．５９，３３６９（１９９９）参照。）このＢとＨとの関係式は、Ｈ＞＞Ｈｃ１ではＢ＝μ０Ｈと近似され、一方、０＜Ｈ−Ｈｃ１＜＜Ｈｃ１ではＢ＝μ０Ｈｃ１［（Ｈ／Ｈｃ１−１）／ｂ］ｂと近似される。こうして、Ｈ（ｚ，ｔ）の分布からＢ（ｚ，ｔ）の分布が求められ、超伝導体内部ｚ＜０における遮蔽電流密度ｊ（ｚ，ｔ）＝（１／μ０）∂Ｂ／∂ｚの分布が得られる。このｊ（ｚ，ｔ）により発生したコイルの鎖交磁束の時間微分から、コイルに生じる誘導電圧Ｖ（ｔ）が求められる。この誘導電圧をフーリエ展開して、第三高調波成分はＶ３’ｃｏｓ（６πｆｔ）＋Ｖ３”ｓｉｎ（６πｆｔ）と表され、第三高調波の絶対値Ｖ３＝［（Ｖ３’）２＋（Ｖ３”）２］１／２の計算結果は、上の（１）または（２）式で与えられる。
なお、これら（１）および（２）式は、直流バイアス磁場をかけないで、コイルによる交流磁場だけが超伝導体にかかっているものとして導かれた。一方、Ｈｃ１より十分大きな直流バイアス磁場が超伝導体にかかっている状態に交流磁場Ｈ０ｃｏｓ（２πｆｔ）が重畳されれば、Ｉ０の大きさによらず（２）式となる。
（実施例）
【０１０】
本発明の実施例について以下図を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の検出装置のブロック構成図である。
検出装置１０は、定電圧で、固定周波数ｆ（例えば１ｋＨｚ）の基準交流信号を発生する信号発生器１１、前記信号発生器１１の出力電流を増幅する電流増幅器１３、前記出力電流を検出するための抵抗１４、出力電流を測定するマルチメータ１５、交流磁場の発生と誘導電圧検出を兼ねたコイル１６、フィルタ１８、周波数ｆを３倍に逓倍する周波数３倍器１２、３ｆの周波数にロックするロックインアンプ１９、検出した電流および電圧から所定条件のもとで所定演算式に基づいて臨界電流密度を求めるコンピュータ２０とから構成される。
コイル１６に流れる電流Ｉ０は抵抗１４を介してマルチメータ１５により検出される。このマルチメータ１５の検出電流値Ｉ０はコンピュータ２０で基準値と比較されると共に臨界電流密度Ｊｃを求めるために使用される。コンピュータ２０は前記基準値との偏差分ΔＩを信号発生器１１にフィードバックし信号発生器１１の出力電流を基準値に制御する。
コイル１６に流れる電流Ｉ０の周波数ｆは周波数３倍器１２によって検出され、この周波数３倍器１２により３倍の周波数３ｆの信号として出力される。ロックインアンプ１９は周波数を前記３倍の周波数３ｆにロックしてコンピュータ２０に出力する。
【０１１】
コイル１６により検出した誘導電圧は、フィルタ１８およびロックインアンプ１９を介して第３高調波誘導電圧Ｖ３のみが取り出され、コンピュータ２０に入力され、臨界電流密度Ｊｃを求めるために使用される。
検出操作時、大型の超伝導体１７を仮想的に複数ブロックに分割した各ブロック順に、その表面付近にコイル１６を配置し、該コイル１６に信号発生器１１および電流増幅器１３により制御される所定電流を流す。コイル１６により発生した磁束により超伝導体１７に誘導電流が流れる。この誘導電流によって２次磁束が発生し、この２次磁束をコイル１６により誘導電圧として検出する。この誘導電圧のうち、第三高調波誘導電圧のみを抽出する。
コンピュータ２０は、所定条件において、この測定した電流Ｉ０と第三高調波誘導電圧Ｖ３をもとに前記式（１）または（２）から該当ブロックの臨界電流密度Ｊｃを求める。
所定条件としては、Ｊｃは臨界電流密度、ｆはコイルに流す交流電流の周波数、Ｉｃ１は第三高調波誘導電圧がゼロ以外の値をとり始める閾値、ＩｔｈはＪｃｄに比例する電流値、但し、ｄは超伝導体の厚さ、ｂは０＜ｂ＜１の値をとるパラメータ、Ｇｉはコイルの幾何学的形状や配置などで決まる係数とすること。
以下同様に操作して、大型超伝導体１７における分割した他のブロックの臨界電流密度を順次求める。
【０１２】
図２は、コイル１６に流した交流電流Ｉ０に対するコイル１６に生じた第三高調波誘導電圧Ｖ３の特性図である。この特性図のデータは、直径２インチ、厚さｄ＝４００ｎｍの超伝導ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ膜において、液体窒素温度７７Ｋ、周波数ｆ＝１ｋＨｚの条件で求めたものである。
図４は、コイル１６に流した交流電流Ｉ０に対するコイル１６に生じた第三高調波誘導電圧Ｖ３の特性図である。この特性図のデータは、１７ｍｍ×１６ｍｍ、厚さｄ＝６ｍｍの超伝導ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄバルク試料において、液体窒素温度７７Ｋ、周波数ｆ＝１ｋＨｚの条件で求めたものである。
【０１３】
図３は、超伝導薄膜において、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧の平方根Ｖ３１／２の特性図である。図２と図３の電流値および電圧値は同じデータを使用している。図３の０＜Ｉ０＜０．４８ｍＡの領域が、前記（１）式あるいは（２）式が妥当な領域である。すなわち、（２）式のＩｔｈは、０．４８ｍＡ程度である。図３では測定ノイズに埋もれて見にくいが、この０＜Ｉ０＜Ｉｔｈ＝０．４８ｍＡの領域のデータを精密に解析すれば、原理的にはＪｃを求めることができる。図４および図５の方が分りやすいので、次に具体的に説明する。
図４は、超伝導バルク試料において、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧の特性図である。
図５は、超伝導バルク試料において、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧の平方根Ｖ３１／２の特性図である。図４と図５の電流値および電圧値は同じデータを使用している。図５から、第三高調波誘導電圧の平方根Ｖ３１／２と交流電流Ｉ０との関係は線形となっていることがわかる。
前記（２）式は、Ｖ３１／２＝（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）１／２Ｉ０と書き直すことができる。したがって、図４の特性曲線の原点を通る線形依存性は（２）式が正しいことを示しており、また、図５の特性曲線の直線の傾きは（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）１／２に等しい。
（２）式における係数Ｇ２は、コイルの幾何学的形状や配置などが分かれば、それらの数値を計算で求めることが可能である。しかし、最も簡便な方法は、本願発明による方法とは別の方法（例えば、四端子法、直流磁化法など）により臨界電流密度Ｊｃが予めわかっている超伝導体において交流電流Ｉ０と第三高調波誘導電圧Ｖ３とを測定し、係数Ｇ２を決定しておくことである。同じコイルを用いて超伝導体表面からの距離を同じにして測定する限り、そうして決定されたＧ２を用いて、図３の直線の傾き（Ｇ２ｆ／Ｊｃ）１／２と周波数ｆの値から、臨界電流密度Ｊｃを求めることができる。
【発明の効果】
本願発明によれば、コイルに流す交流電流Ｉ０とコイルに生じる第三高調波誘導電圧Ｖ３の測定値から、上記（１）または（２）式を用いて、局所的な臨界電流密度を評価することが可能になる。こうして、大面積・大型超伝導体を電力機器に応用する上で重要なパラメータである各ブロック毎の臨界電流密度を正しく評価することができる。
超伝導体の上でコイルを走査させて測定を行えば、臨界電流密度の分布を評価することが可能である。
その分布の分解能は、コイルの大きさで決まるので、微小なコイルを用いれば、より分解能の高い測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の検出装置のブロック構成図である。
【図２】超伝導薄膜における、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧Ｖ３の特性図である。
【図３】超伝導薄膜における、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧の平方根Ｖ３１／２の特性図である。
【図４】超伝導バルク試料における、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧Ｖ３の特性図である。
【図５】超伝導バルク試料における、コイルに流した交流電流Ｉ０に対するコイルに生じた第三高調波誘導電圧の平方根Ｖ３１／２の特性図である。
【符号の説明】
１０    検出装置
１１    信号発生器
１２    周波数３倍器
１３    電流増幅器
１４    抵抗
１５    マルチメータ
１６    コイル
１７    大型超伝導体
１８    フィルタ
１９    ロックインアンプ
２０    コンピュータ
【図１】
0003937010.tif 000002
【図２】
0003937010.tif 000003
【図３】
0003937010.tif 000004
【図４】
0003937010.tif 000005
【図５】
0003937010.tif 000006