(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムによる冷却手段、超伝導磁石、磁場形成手段、温度調整手段、及び磁場調整手段を備えたＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用い、
試料を固定し前記ＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置に挿入可能なロッドと、
前記試料の電気抵抗又はホール電圧を測定する測定手段とを備え、
前記測定手段には、ロッドの複数の試料、温度センサ、測定用ホール素子を任意に切り替えて測定可能なスイッチ手段を備えたことを特徴とするＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【請求項２】
前記測定手段には、電気抵抗測定用プログラム、又はホール効果測定用プログラムを備え、前記温度調整手段及び磁場調整手段の作動と関連させて前記プログラムを作動し、電気抵抗又はホール効果を自動的に測定することを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【請求項３】
前記測定手段には、前記温度調整手段の調整により温度変化に対応した電気抵抗、及び前記磁場調整手段の調整により磁場変化に対応した電気抵抗を測定する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【請求項４】
前記測定手段には、デジタル電圧計及び定電流電源を備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【請求項５】
前記測定手段には、交流抵抗ブリッジを備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【請求項６】
前記ＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置には、超伝導磁石励磁用電源の出力端子と超伝導磁石との間に直列にシャント抵抗を接続し、該シャント抵抗接続部の電位差から磁場を読みとる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種材料の磁場中における電気抵抗、ホール効果を測定し、或いはその両方を測定するための磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置に関し、特に従来から広く用いられているＭＰＭＳの磁化測定装置を用いることにより、特別の液体ヘリウム実験装置を用いる必要がなく、簡易な手段により各種材料の磁場中における電気抵抗及びホール効果を測定することができるようにしたＭＰＭＳ磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、室温以下２Ｋ程度までの低温における磁場中電気抵抗及びホール効果の測定は、大型電磁石のギャップ内に細い液体ヘリウムデュワーを挿入するか、超伝導磁石が組み込まれた大型デュワーを用いて行われてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の装置において、電磁石を利用したシステムは非常に重く大型とならざるをえず、発熱が大きいため、エネルギー利用効率の面で好ましくない。また細いデュワーは液体ヘリウムのもちが悪く、長時間にわたる実験は不可能であり、また、操作に熟練を要する。
【０００４】
超伝導磁石を用いたシステムにおいては、上記電磁石に関係する問題はほとんどないが、熱容量の大きな超伝導磁石を４．２Ｋまで冷却するためには、大量の液体ヘリウムを必要とする。そのため、実験を行うたびに、室温の超伝導磁石を４．２Ｋに冷やすのは、液体ヘリウムおよび時間の無駄である。
【０００５】
一方、非常に多くの固体物性の研究室では、米国Quantum Design社のＭＰＭＳ（Magnetic Property Measurement System）という磁化測定装置（以下、「ＭＰＭＳ磁化測定装置」と略称する。）を所有しており、この装置には基本的に常時液体ヘリウムが満たされている。したがってこのＭＰＭＳ磁化測定装置を磁場中電気抵抗およびホール効果測定に用いることができれば、いつでも手軽に測定が行え研究効率が高まるだけでなく、液体ヘリウムの無駄も発生しない。
【０００６】
したがって本発明は上記着想に基づいて、市販され広く使用されており、常時液体ヘリウムが満たされている磁化測定装置を利用して、手軽に磁場中電気抵抗及びホール効果を測定することができる電気抵抗及びホール効果測定装置を提供することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る発明は、前記課題を解決するため、液体ヘリウムによる冷却手段、超伝導磁石、磁場形成手段、温度調整手段、及び磁場調整手段を備えたＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用い、試料を固定し前記ＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置に挿入可能なロッドと、前記試料の電気抵抗又はホール電圧を測定する測定手段とを備え、前記測定手段には、ロッドの複数の試料、温度センサ、測定用ホール素子を任意に切り替えて測定可能なスイッチ手段を備えたことを特徴とするＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、前記測定手段には、電気抵抗測定用プログラム、又はホール効果測定用プログラムを備え、前記温度調整手段及び磁場調整手段の作動と関連させて前記プログラムを作動し、電気抵抗又はホール効果を自動的に測定することを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置としたものである。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、前記測定手段には、前記温度調整手段の調整により温度変化に対応した電気抵抗、及び前記磁場調整手段の調整により磁場変化に対応した電気抵抗を測定する手段を備えることを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置としたものである。
【００１１】
また、請求項４に係る発明は、前記測定手段には、デジタル電圧計及び定電流電源を備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置としたものである。
【００１２】
また、請求項５に係る発明は、前記測定手段には、交流抵抗ブリッジを備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置としたものである。
【００１３】
また、請求項６に係る発明は、前記ＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置には、超伝導磁石励磁用電源の出力端子と超伝導磁石との間に直列にシャント抵抗を接続し、該シャント抵抗接続部の電位差から磁場を読みとる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のＳＱＵＩＤ素子を検出器とする磁化測定装置を用いた磁場中電気抵抗、ホール効果測定装置としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、また市販され広く使用されており、常時液体ヘリウムが満たされている磁化測定装置としてＭＰＭＳ磁化測定装置を用い、磁場中電気抵抗又はホール効果或いはその両方を測定する装置を開発した。この装置においては、ＭＰＭＳ磁化測定装置側には一切改造を必要とせず、ＭＰＭＳ磁化測定装置において用いる磁化測定用のロツドの代わりに、電気抵抗およびホール電圧測定用のロツドを挿入し、一部の部材を付加し、制御用プログラムを用いるのみで実施することができる。
【００１５】
本発明の実施例をより具体的に説明すると、図１に示す磁場中電気抵抗及びホール効果測定装置においては、従来から上記のようにＭＰＭＳ磁化測定装置と称して広く用いられている磁化測定装置１が用いられ、この装置においては、内部の液体ヘリューム容器２に開口３から試料を装着したロッドを出し入れすることができるようになっている。
【００１６】
この磁化測定装置１は、通常は前記開口３から挿入するロッドに固定した磁性試料によって発生する微小磁場を、超伝導体のジョセフソン効果を応用したＳＱＵＩＤ素子で検出することができるようになっており、磁性物質の磁化率、磁化曲線、及び超伝導体試料のマイスナー効果の測定等を行うことができるようになっている。
【００１７】
磁化測定装置１は、主として容器２内に挿入した試料の微小磁場の測定値を入力して処理する為の、パソコンを用いた磁化測定装置用制御装置４を備えている。この磁化測定装置用制御装置４においては更に、上記測定における所定条件の設定のために、少なくとも磁化測定装置１に設けた磁気計測部８、温度計測部１０等から計測データを取り込み、磁気調整部９で所定の磁場の状態を維持し、温度調整部１１で所定の温度状態を維持することができるようになっている。なお、前記磁気計測部８においては、超伝導磁石に流す電流に所定の係数を掛けることにより磁場を計算することができる。
【００１８】
このような従来から用いられている磁化測定装置１を用い、本発明においてはこの磁化測定装置１の開口から挿入するロッドとして磁場中電気抵抗・ホール電圧測定用のロッド５を用い、このロッド５に試料を装着して容器２内に挿入する。ロッド５は扁平な試料に対して磁場を垂直に印可できるような試料台を備えている。ロッド５のコネクター６と後述する作用を行うスイッチシステム１２とを専用のケーブル１３で接続する。なお、図中には４線測定の１チャンネル分のみが示されているが、実際にはより多くのチャンネルを搭載したものが用いられる。
【００１９】
このスイッチシステム１２にはデジタル電圧計１４と低電流電源１５が接続され、電気抵抗・ホール電圧測定制御装置１６によって制御可能となっている。電気抵抗・ホール電圧測定制御装置１６はスイッチシステム１２によってロッド５に装着した複数の試料を選択することができ、またロッド５の各所に設けた複数の温度センサを切り替えて計測データを取り込むことが可能となっており、更にロッド５に固定した磁場測定用ホール素子の選択を行うことができるようになっている。このような切り替えや選択は、電気抵抗・ホール電圧測定制御装置１６に記録されたプログラムソフトによって自動的に測定することが可能である。
【００２０】
上記のような装置を用い、本発明においては磁場を固定して電気抵抗の温度変化を測定すること、温度を一定に保ちながら電気抵抗の磁場による変化を測定すること、ホール効果を測定すること、そのほか各種の測定を行うことができる。以下これらについて図２〜図４の作動フローに基づいて説明する。
【００２１】
上記装置を用いて磁場を固定して、電気抵抗の温度変化を測定するには、例えば図２に示す作動フローに沿って測定を行うことができる。即ち、磁場を所定値に固定した状態で電気抵抗の温度による変化を測定する処理に際して、最初、通常は磁化測定の制御に用いているＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータで磁場を必要な値にセットし、更に望みの温度変化をプログラムする（ステップＳ１）。
【００２２】
次いで本装置側のコンピュータとしての、図１に示す電気抵抗・ホール電圧測定制御装置１６で電気抵抗測定用プログラムを起動し、測定条件等を入力して測定を開始する（ステップＳ２）。その後ＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータとしての図１に示す磁化測定装置用制御装置４の温度プログラムをスタートさせる（ステップＳ３）。次いで本装置側のコンピュータで温度を測定しながら各温度での電気抵抗を測定する（ステップＳ４）。このような電気抵抗の測定を継続することにより、温度変化に対応した電気抵抗特性を測定することができる（ステップＳ５）。このようにして本装置では温度を独自にモニターしており、試料空間の温度変化を検知して自動的にデータを取得していくことができる。
【００２３】
次に、温度を所定値に保ちながら電気抵抗の磁場による変化の測定を行う処理に際しては、例えば図３に示すように、最初ＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータで温度をセットし、望みの磁場変化をプログラムする（ステップＳ１１）。次いで本装置側のコンピュータで電気抵抗測定用プログラムを起動し、温度を入力して測定を開始する（ステップＳ１２）。その後ＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータの磁場プログラムをスタートする（ステップＳ１３）。次いで本装置側のコンピュータで各磁場での電気抵抗を測定し（ステップＳ１４）、磁場変化に対応した電気抵抗特性を測定する（ステップＳ１５）。このようにして本装置では、磁場を独自にモニターしており、試料空間の磁場変化を検知して自動的にデータを出力することができる。
【００２４】
次に、ホール効果の判定処理に際しては、例えば図４に示すように、最初ＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータ上で温度を特定値に一定にした上で、磁場を変化させるプログラムを組む（ステップＳ２１）。このときの磁場の変化のさせ方は、例えば測定に用いる最高磁場をＨ０とするとき、−Ｈ０、−０．９Ｈ０、−０．８Ｈ０のように−Ｈ０から始めて０．１Ｈ０刻みで増やしていき０Tを通過して＋Ｈ０まで増加させるようにする。
【００２５】
次いで、所望の温度範囲での各温度の磁場変化プログラムの作成を終了したか否かの判別を行い（ステップＳ２２）、そのプログラムの作成が終了していないと判別されたときには、更に他の温度での磁場変化プログラムを組み（ステップＳ３０）、再び元のステップＳ２２に戻り、上記作動を繰り返す。
【００２６】
上記ステップＳ２２において、所望の温度範囲での各温度の磁場変化プログラムの作成を終了したと判別したときには、本装置側のコンピュータ上でホール効果測定用プログラムを起動し、測定条件を入力して測定を開始する（ステップＳ２３）。その後ＭＰＭＳ磁化測定装置側のコンピュータ上でプログラムをスタートする（ステップＳ２４）。次いで、本装置のコンピュータ側で試料のホール電圧端子からの信号を測定し、その値を磁場の関数として直線でフィットする（ステップＳ２５）。
【００２７】
次いで、測定値は直線でフィットできたか否かを判別し（ステップＳ２６）、直線でフィットできたと判別されたときにはステップＳ３１に進み、その直線の傾きからホール係数を求める。前記ステップＳ２６で測定値が直線でフィットできないと判別されたときには、磁場が＋Ｈと−Ｈの時のホール電圧の差をとって２で割る操作を行う（ステップＳ２７）。
【００２８】
次いでこのような操作を行った値が直線でフィットできたか否かを判別し（ステップＳ２８）、これが直線でフィットできたときにはステップＳ３１に進み、前記と同様にその直線の傾きからホール係数を求める。また、その判別で直線でフィットできないと判別されたときには、試料が異常ホール効果を示していると判定する（ステップＳ２９）。このようにしてホール係数の温度変化を測定することができる。
【００２９】
以上、直流法を用いた標準的な測定システムについて述べたが、この変形として、デジタル電圧計１４と定電流電源１５の組み合わせの代わりに交流抵抗ブリッジを用いたシステムでもよい。その際には後者の方が一般的によりよいＳ／Ｎ比を得ることができる。ただし高コストとなるが、従来の測定装置の前記欠点の多くを解消することができる。
【００３０】
また、標準的なシステムよりもさらにコストダウンを測るために、試料ホルダー上のホール素子を省略することもできる。この場合には、ＭＰＭＳ磁化測定装置側の超伝導磁石励磁用電源の出力端子と超伝導磁石の間に、直列にシャント抵抗を入れ、そこに生ずる電圧から磁場を読みとる。この場合は、本装置側の測定プログラムに対し、ユーザーが磁場の初期値を入力する必要がある。さらにＭＰＭＳ磁化測定装置側にシャント抵抗を接続すると作業を行わなければならず、ＭＰＭＳ磁化測定装置側に一切の改造を必要としない前記のものよりは手数を要することとなる。
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、市販され広く使用されており、常時液体ヘリウムが満たされているＭＰＭＳ磁化測定装置を利用して、手軽に、且つ安価に磁場中電気抵抗及びホール効果を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の全体のシステム構成を示すシステム概要図である。
【図２】本発明の装置を用いて磁場固定下における、電気抵抗の温度による変化の測定処理を行う際の作動フロー図である。
【図３】本発明の装置を用いて温度一定下における、電気抵抗の温度による変化の測定処理を行う際の作動フロー図である。
【図４】本発明の装置を用いてホール効果の判定処理を行う際の作動フロー図である。
【符号の説明】
１  ＭＰＭＳ磁化測定装置
２  容器
３  開口
４  磁化測定装置用制御装置
５  ロッド
６  コネクター
８  磁気計測部
９  磁気調整部
１０  温度計測部
１１  温度調整部
１２  スイッチシステム
１３  測定用ケーブル
１４  デジタル電圧計
１５  定電流電源
１６  電気抵抗・ホール電圧測定制御装置
【図１】
0003769610.tif 000002
【図２】
0003769610.tif 000003
【図３】
0003769610.tif 000004
【図４】
0003769610.tif 000005