JP3001621B2 - 超電導磁力計 - Google Patents
超電導磁力計Info
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- JP3001621B2 JP3001621B2 JP2259414A JP25941490A JP3001621B2 JP 3001621 B2 JP3001621 B2 JP 3001621B2 JP 2259414 A JP2259414 A JP 2259414A JP 25941490 A JP25941490 A JP 25941490A JP 3001621 B2 JP3001621 B2 JP 3001621B2
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- quantum interference
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、超電導量子干渉素子（SQUID;Super−condu
cting Quantum Interference Device）を利用した超電
導磁力計に関する。
cting Quantum Interference Device）を利用した超電
導磁力計に関する。
（従来の技術） 超電導量子干渉素子は、量子限界におよぶ感度を有す
る磁界センサであり、最高感度を必要とする様々な磁界
計測に応用する研究がなされている。近年では、特に医
療応用に向けた生体磁気計測のための研究が活発になっ
てきている。
る磁界センサであり、最高感度を必要とする様々な磁界
計測に応用する研究がなされている。近年では、特に医
療応用に向けた生体磁気計測のための研究が活発になっ
てきている。
この超電導量子干渉素子を利用した磁力計は、素子単
体の入出力の変換特性が非線形性をもつため、これを線
形化するために信号処理系として磁束ロック回路（FLL;
Flux Locked Loop）といわれる一種の帰還回路を利用す
ることにより実現されている。
体の入出力の変換特性が非線形性をもつため、これを線
形化するために信号処理系として磁束ロック回路（FLL;
Flux Locked Loop）といわれる一種の帰還回路を利用す
ることにより実現されている。
これまでの超電導量子干渉素子を用いたアナログ信号
処理部をもつ磁力計では、磁束検出部、磁束伝達部、そ
して超電導量子干渉素子本体は超電導回路で構成され、
信号処理部には常温の半導体を用いた電子機器が使用さ
れてきた。
処理部をもつ磁力計では、磁束検出部、磁束伝達部、そ
して超電導量子干渉素子本体は超電導回路で構成され、
信号処理部には常温の半導体を用いた電子機器が使用さ
れてきた。
ところが、半導体回路と超電導アナログ回路とは、入
出力インピーダンスや動作レベルの点で整合性が悪いた
めに、従来の超電導磁力計では、磁力計のシステムとし
ての磁束分解能、応答速度の面で、超電導量子干渉素子
単体の本質的な性能を十分に生かすことができず、生体
磁気計測の分野へ応用しようとした場合にも、測定対象
がかなり限られてしまうといった問題を有していた。
出力インピーダンスや動作レベルの点で整合性が悪いた
めに、従来の超電導磁力計では、磁力計のシステムとし
ての磁束分解能、応答速度の面で、超電導量子干渉素子
単体の本質的な性能を十分に生かすことができず、生体
磁気計測の分野へ応用しようとした場合にも、測定対象
がかなり限られてしまうといった問題を有していた。
一方、生体磁気計測等の分野では、超微小磁界の空間
分布を測定できる装置の実現が求められている。しか
し、従来の超電導磁力計では、信号処理部以外の超電導
回路部分は極低温でのみ動作するために極低温容器内に
設置され、また信号処理部は常温に置かれるため、１個
の磁力計が大ががりなものとなり、多くの超電導磁力計
を並べて、磁界の空間分布等を測定することは、かなり
困難を伴うという問題があった。
分布を測定できる装置の実現が求められている。しか
し、従来の超電導磁力計では、信号処理部以外の超電導
回路部分は極低温でのみ動作するために極低温容器内に
設置され、また信号処理部は常温に置かれるため、１個
の磁力計が大ががりなものとなり、多くの超電導磁力計
を並べて、磁界の空間分布等を測定することは、かなり
困難を伴うという問題があった。
（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来の超電導磁力計では、磁束分解
能、応答速度の点で超電導量子干渉素子が本来有する性
能が十分に生かされておらず、また装置自体が大型化し
てしまうといった問題を有していた。
能、応答速度の点で超電導量子干渉素子が本来有する性
能が十分に生かされておらず、また装置自体が大型化し
てしまうといった問題を有していた。
そこで、高磁束分解能を実現した上で応答速度を改善
し、かつ小型化された超電導磁力計の実現が強く望まれ
ている。
し、かつ小型化された超電導磁力計の実現が強く望まれ
ている。
本発明は、このような課題に対処するためになされた
もので、磁束分解能および応答速度に優れ、かつ例えば
空間分布の測定が容易な小型化された超電導磁力計を提
供することを目的としている。
もので、磁束分解能および応答速度に優れ、かつ例えば
空間分布の測定が容易な小型化された超電導磁力計を提
供することを目的としている。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明の超電導磁力計は、磁束検出部と、こ
の磁束検出部で検出された磁束が磁束伝達部を介して印
加され、印加磁束に応じた信号を出力する超電導量子干
渉素子部と、この超電導量子干渉素子部への帰還回路を
含み、該超電導量子干渉素子部からの信号を処理し磁束
強度として出力する信号処理部とを具備する超電導磁力
計において、前記信号処理部を超電導アナログ回路によ
り構成したことを特徴としている。
の磁束検出部で検出された磁束が磁束伝達部を介して印
加され、印加磁束に応じた信号を出力する超電導量子干
渉素子部と、この超電導量子干渉素子部への帰還回路を
含み、該超電導量子干渉素子部からの信号を処理し磁束
強度として出力する信号処理部とを具備する超電導磁力
計において、前記信号処理部を超電導アナログ回路によ
り構成したことを特徴としている。
（作 用） 本発明の超電導磁力計においては、信号処理部とし
て、超電導量子干渉素子と入出力インピーダンスや動作
レベル等の点で整合性に優れる超電導アナログ回路を使
用しているため、磁束分解能や応答速度の点で超電導量
子干渉素子が本来有する性能を十分に生かすことが可能
となり、磁束分解能および応答速度の向上が図れる。ま
た、全体を超電導アナログ回路により構成することによ
って集積化が可能となり、よって装置自体の大幅な小型
化が可能となる。
て、超電導量子干渉素子と入出力インピーダンスや動作
レベル等の点で整合性に優れる超電導アナログ回路を使
用しているため、磁束分解能や応答速度の点で超電導量
子干渉素子が本来有する性能を十分に生かすことが可能
となり、磁束分解能および応答速度の向上が図れる。ま
た、全体を超電導アナログ回路により構成することによ
って集積化が可能となり、よって装置自体の大幅な小型
化が可能となる。
（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
る。
第１図は、本発明の超電導磁力計の一実施例の構成を
示すブロック図である。同図に示す超電導磁力計１は、
磁束検出部10で検出された磁束が、磁束伝達部20を介し
て超電導量子干渉素子部30へと送られるよう構成されて
いる。
示すブロック図である。同図に示す超電導磁力計１は、
磁束検出部10で検出された磁束が、磁束伝達部20を介し
て超電導量子干渉素子部30へと送られるよう構成されて
いる。
上記超電導量子干渉素子部30は、この超電導量子干渉
素子部への帰還回路を含み、かつ超電導アナログ回路に
よって構成された信号処理部40と接続されている。この
信号処理部40は、例えば超電導増幅回路50と超電導位相
敏感検出器60とから主として構成されており、印加磁束
に応じて変化する超電導量子干渉素子部30の例えば電圧
値や電流値等の出力信号が、この信号処理部40によって
上記帰還回路によって線形化されて、磁束強度として出
力される。
素子部への帰還回路を含み、かつ超電導アナログ回路に
よって構成された信号処理部40と接続されている。この
信号処理部40は、例えば超電導増幅回路50と超電導位相
敏感検出器60とから主として構成されており、印加磁束
に応じて変化する超電導量子干渉素子部30の例えば電圧
値や電流値等の出力信号が、この信号処理部40によって
上記帰還回路によって線形化されて、磁束強度として出
力される。
上記信号処理部40における超電導増幅回路50として
は、例えば低雑音かつ飽和レベルの大きな磁束フロー型
ジョセフソン増幅器等が用いられ、また超電導位相敏感
検出器60としては、高速動作が可能な超電導アナログ回
路で構成した位相敏感検出器等が用いられる。
は、例えば低雑音かつ飽和レベルの大きな磁束フロー型
ジョセフソン増幅器等が用いられ、また超電導位相敏感
検出器60としては、高速動作が可能な超電導アナログ回
路で構成した位相敏感検出器等が用いられる。
また、上記超電導量子干渉素子部30および信号処理部
40は、チップ２上に集積されている。これは、信号処理
部40を超電導アナログ回路によって構成したことにより
実現されたものである。なお、磁束検出部10や磁束伝達
部20も含めてチップ２上に集積化することも可能であ
る。
40は、チップ２上に集積されている。これは、信号処理
部40を超電導アナログ回路によって構成したことにより
実現されたものである。なお、磁束検出部10や磁束伝達
部20も含めてチップ２上に集積化することも可能であ
る。
次に、第２図ないし第５図を参照して、この実施例の
超電導磁力計１の具体的な構成例について説明する。
超電導磁力計１の具体的な構成例について説明する。
第２図は、上記超電導アナログ回路で構成した超電導
磁力計１の回路図である。また、第３図はその磁束検出
部10、磁束伝達部20および超電導量子干渉素子部30の一
構成例を、第４図は信号処理部40中の超電導増幅回路50
の一構成例を、第５図は信号処理部40中の超電導位相敏
感検出器60の一構成例をそれぞれ示す図である。
磁力計１の回路図である。また、第３図はその磁束検出
部10、磁束伝達部20および超電導量子干渉素子部30の一
構成例を、第４図は信号処理部40中の超電導増幅回路50
の一構成例を、第５図は信号処理部40中の超電導位相敏
感検出器60の一構成例をそれぞれ示す図である。
超電導量子干渉素子部30は、第３図に示すように、２
個のジョセフソン接合31が設けられた超電導ループ32を
有している。また、磁束検出部10は、例えば磁束検出コ
イル11により構成されており、磁束伝達部20を介して上
記磁束検出コイル11と接続された磁束入力コイル33が、
超電導ループ32に近接して設置されている。
個のジョセフソン接合31が設けられた超電導ループ32を
有している。また、磁束検出部10は、例えば磁束検出コ
イル11により構成されており、磁束伝達部20を介して上
記磁束検出コイル11と接続された磁束入力コイル33が、
超電導ループ32に近接して設置されている。
また、上記超電導ループ32には、端子34から直流のバ
イアス電流が印加される。そして、磁束入力コイル33に
よる印加磁束に応じて、超電導ループ32に発生する電圧
等が出力信号として、信号処理部40へと送られる。ま
た、上記超電導ループの近傍には、後に詳述する信号処
理部40からの変調およびフィードバック用の帰還コイル
41が設置されている。
イアス電流が印加される。そして、磁束入力コイル33に
よる印加磁束に応じて、超電導ループ32に発生する電圧
等が出力信号として、信号処理部40へと送られる。ま
た、上記超電導ループの近傍には、後に詳述する信号処
理部40からの変調およびフィードバック用の帰還コイル
41が設置されている。
信号処理部40中の超電導増幅回路50は、第４図に示す
ように、例えばジョセフソン線路51を有する磁束フロー
型ジョセフソン増幅器52により構成されている。この磁
束フロー型ジョセフソン増幅器52は、変調周波数（100M
Hzで設計）成分のみを増幅するために、その入力回路部
分にインダクタ53およびキャパシタ54で構成されたバン
ドパスフィルタ55が設けられており、また超電導量子干
渉素子部30の直流バイアスはインダクタ53に流れ込まな
いように、キャパシタ56で直流分のみが阻止される。磁
束フロー型ジョセフソン増幅器52の出力は、超電導トラ
ンス57を通して超電導位相敏感検出器（phase sensitiv
e detector:PSD）60へと送られる。
ように、例えばジョセフソン線路51を有する磁束フロー
型ジョセフソン増幅器52により構成されている。この磁
束フロー型ジョセフソン増幅器52は、変調周波数（100M
Hzで設計）成分のみを増幅するために、その入力回路部
分にインダクタ53およびキャパシタ54で構成されたバン
ドパスフィルタ55が設けられており、また超電導量子干
渉素子部30の直流バイアスはインダクタ53に流れ込まな
いように、キャパシタ56で直流分のみが阻止される。磁
束フロー型ジョセフソン増幅器52の出力は、超電導トラ
ンス57を通して超電導位相敏感検出器（phase sensitiv
e detector:PSD）60へと送られる。
また、信号処理部40中の超電導位相敏感検出器60とし
ては、第５図に示すように、例えば４個のジョセフソン
素子61を用いて構成した反転形位相敏感検出器が用いら
れている。
ては、第５図に示すように、例えば４個のジョセフソン
素子61を用いて構成した反転形位相敏感検出器が用いら
れている。
端子63に直流バイアス電流を印加し、端子64より変調
周波数の方形波を入力することによって、４個のジョセ
フソン素子61が方形波の極性にしたがって、２個ずつス
イッチングする。ローパスフィルタ65には、入力信号が
方形波の極性が正の場合（JJ1およびJJ3が短絡、かつJJ
2およびJJ4が開放）には同波形が、極性が負の場合（JJ
1およびJJ3が開放、かつJJ2およびJJ4が短絡）には極性
を反転させた波形が出力され、これがローパスフィルタ
65により平均化されて磁束強度として出力される。ま
た、この出力は、抵抗66を介して、端子64に印加した方
形波を重畳した形で、帰還コイル41から超電導量子干渉
素子部30へと印加される。
周波数の方形波を入力することによって、４個のジョセ
フソン素子61が方形波の極性にしたがって、２個ずつス
イッチングする。ローパスフィルタ65には、入力信号が
方形波の極性が正の場合（JJ1およびJJ3が短絡、かつJJ
2およびJJ4が開放）には同波形が、極性が負の場合（JJ
1およびJJ3が開放、かつJJ2およびJJ4が短絡）には極性
を反転させた波形が出力され、これがローパスフィルタ
65により平均化されて磁束強度として出力される。ま
た、この出力は、抵抗66を介して、端子64に印加した方
形波を重畳した形で、帰還コイル41から超電導量子干渉
素子部30へと印加される。
以上、本発明の一実施例の超電導磁力計１を構成およ
び動作等に基づいて説明をしたが、以降では上記超電導
磁力計１を材料および製造方法の点から説明する。上記
超電導磁力計１の作製は、例えばSi基板（２）上に集積
化技術を用いて行う。
び動作等に基づいて説明をしたが、以降では上記超電導
磁力計１を材料および製造方法の点から説明する。上記
超電導磁力計１の作製は、例えばSi基板（２）上に集積
化技術を用いて行う。
超電導量子干渉素子部30および超電導位相敏感検出器
60に用いるジョセフソン素子31、61には、Nb/Al・Al2O3
/Nb接合を、磁束フロー型ジョセフソン増幅器52に用い
るジョセフソン線路51には、NbN/Nb2O5/Pb合金接合を使
用する。また、各抵抗35、59、66、68、69にはMoを、イ
ンダクタ53にはカイネティックインダクタンスの大きな
NbN薄膜を、キャパシタ54、56、58、67の誘電体にはNb
薄膜表面を陽極酸化して形成したNb2O5を用いる。
60に用いるジョセフソン素子31、61には、Nb/Al・Al2O3
/Nb接合を、磁束フロー型ジョセフソン増幅器52に用い
るジョセフソン線路51には、NbN/Nb2O5/Pb合金接合を使
用する。また、各抵抗35、59、66、68、69にはMoを、イ
ンダクタ53にはカイネティックインダクタンスの大きな
NbN薄膜を、キャパシタ54、56、58、67の誘電体にはNb
薄膜表面を陽極酸化して形成したNb2O5を用いる。
接地電極、超電導トランス57用の薄膜トランス、超電
導量子干渉素子部30の超電導ループ32および磁束入力コ
イル33は例えばNbで形成し、異種超電導体間の接続が必
要な部分には超電導コンタクトを形成する。層間絶縁ま
たは保護層としてはSiOまたはSiO2を用いる。
導量子干渉素子部30の超電導ループ32および磁束入力コ
イル33は例えばNbで形成し、異種超電導体間の接続が必
要な部分には超電導コンタクトを形成する。層間絶縁ま
たは保護層としてはSiOまたはSiO2を用いる。
また、各部の加工は、エッチング法やリフトオフ法に
より行う。なお、超電導磁力計チップの仕上がり寸法
は、例えば1cm×1cm程度とすることができる。
より行う。なお、超電導磁力計チップの仕上がり寸法
は、例えば1cm×1cm程度とすることができる。
上記したような材料および製造方法で作製した超電導
磁力計の応答特性を測定した結果、直流から1MHz程度の
信号に応答し、磁束分解能も0.1fT/Hz1/2以下が得られ
た。
磁力計の応答特性を測定した結果、直流から1MHz程度の
信号に応答し、磁束分解能も0.1fT/Hz1/2以下が得られ
た。
上述したように、この実施例の超電導磁力計１では、
信号処理部40を超電導アナログ回路で構成しているた
め、入出力インピーダンス、動作レベル等の点で超電導
量子干渉素子部30との整合性に優れ、よって磁力計とし
ての磁束分解能、応答速度の面で、超電導量子干渉素子
が本来有する性能を十分に生かすことが可能となる。
信号処理部40を超電導アナログ回路で構成しているた
め、入出力インピーダンス、動作レベル等の点で超電導
量子干渉素子部30との整合性に優れ、よって磁力計とし
ての磁束分解能、応答速度の面で、超電導量子干渉素子
が本来有する性能を十分に生かすことが可能となる。
また、超電導量子干渉素子部30および信号処理部40を
チップ２上に集積化することにより、応答性がより向上
し、これまでよりも高い周波数の信号まで測定すること
が可能になる。
チップ２上に集積化することにより、応答性がより向上
し、これまでよりも高い周波数の信号まで測定すること
が可能になる。
ところで、先にも述べたように超電導量子干渉素子を
利用した超電導磁力計は、他に類を見ないその高い磁界
検出感度のために、脳磁界の測定等の生体磁気計測の分
野で大きな期待が寄せられている。この分野では、磁界
の空間分布の測定が必要であり、超電導磁力計の並列設
置による多チャンネル化が重要な課題になっている。
利用した超電導磁力計は、他に類を見ないその高い磁界
検出感度のために、脳磁界の測定等の生体磁気計測の分
野で大きな期待が寄せられている。この分野では、磁界
の空間分布の測定が必要であり、超電導磁力計の並列設
置による多チャンネル化が重要な課題になっている。
そして、この実施例の超電導磁力計１では、上記集積
化により磁力計自体の大幅な小型化を達成しているた
め、多数の磁力計を並べて、磁界の空間分布の測定を高
い空間分解能で行うことが可能となる。また、最小検出
感度が向上することにより、磁界検出部10である検出コ
イル11の大きさを小さく、または形状を簡単にすること
ができるため、磁界測定の空間分解能を高めることがで
きる。また、応答速度の向上により、これまでの超電導
磁力計では測定できなかった信号の測定が可能になる。
化により磁力計自体の大幅な小型化を達成しているた
め、多数の磁力計を並べて、磁界の空間分布の測定を高
い空間分解能で行うことが可能となる。また、最小検出
感度が向上することにより、磁界検出部10である検出コ
イル11の大きさを小さく、または形状を簡単にすること
ができるため、磁界測定の空間分解能を高めることがで
きる。また、応答速度の向上により、これまでの超電導
磁力計では測定できなかった信号の測定が可能になる。
このように、従来の超電導磁力計に比べて、大きさ、
磁束分解能、応答速度等の面で、大幅に優れる超電導磁
力計を提供することが可能となる。
磁束分解能、応答速度等の面で、大幅に優れる超電導磁
力計を提供することが可能となる。
なお、本発明の超電導磁力計は、上記実施例に限定さ
れるものではなく、例えば超電導材料としてNb、NbN、P
b合金に代えて、酸化物超電導体等を用いることも可能
であり、またフィルム状の基板等を用いることもでき
る。また、チップ上に超電導薄膜によって磁束検出部お
よび磁束伝達部を構成することもできる。
れるものではなく、例えば超電導材料としてNb、NbN、P
b合金に代えて、酸化物超電導体等を用いることも可能
であり、またフィルム状の基板等を用いることもでき
る。また、チップ上に超電導薄膜によって磁束検出部お
よび磁束伝達部を構成することもできる。
また、上記実施例においては、超電導量子干渉素子と
して、２個のジョセフソン接合を有する超電導ループを
用いた、いわゆるdc−SQUIDを使用した例について説明
したが、rf−SQUIDを用いた超電導磁力計にも当然なが
ら適用可能である。
して、２個のジョセフソン接合を有する超電導ループを
用いた、いわゆるdc−SQUIDを使用した例について説明
したが、rf−SQUIDを用いた超電導磁力計にも当然なが
ら適用可能である。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の超電導磁力計によれ
ば、最小検出感度、応答速度を大きく向上させることが
可能となると共に、従来の常温系の電子機器を用いた場
合に比べ、装置全体の小型化が達成される。
ば、最小検出感度、応答速度を大きく向上させることが
可能となると共に、従来の常温系の電子機器を用いた場
合に比べ、装置全体の小型化が達成される。
第１図は本発明の超電導磁力計の一実施例の概略構成を
示すブロック図、第２図は超電導アナログ回路で構成し
た超電導磁力計の回路図、第３図は磁束検出部、磁束伝
達部および超電導量子干渉素子部の具体例を示す図、第
４図は信号処理部内の超電導増幅回路の具体例を示す
図、第５図は信号処理部内の超電導位相敏感検出器の具
体例を示す図である。 １……超電導磁力計、２……Siチップ、10……磁束検出
部、20……磁束伝達部、30……超電導量子干渉素子部、
31、61……ジョセフソン接合、32……超電導ループ、33
……磁束入力コイル、40……信号処理部、41……帰還コ
イル、50……超電導増幅回路、51……ジョセフソン線
路、52……磁束フロー型ジョセフソン増幅器、60……超
電導位相敏感検出器。
示すブロック図、第２図は超電導アナログ回路で構成し
た超電導磁力計の回路図、第３図は磁束検出部、磁束伝
達部および超電導量子干渉素子部の具体例を示す図、第
４図は信号処理部内の超電導増幅回路の具体例を示す
図、第５図は信号処理部内の超電導位相敏感検出器の具
体例を示す図である。 １……超電導磁力計、２……Siチップ、10……磁束検出
部、20……磁束伝達部、30……超電導量子干渉素子部、
31、61……ジョセフソン接合、32……超電導ループ、33
……磁束入力コイル、40……信号処理部、41……帰還コ
イル、50……超電導増幅回路、51……ジョセフソン線
路、52……磁束フロー型ジョセフソン増幅器、60……超
電導位相敏感検出器。
Claims (1)
- 【請求項１】磁束検出部と、この磁束検出部で検出され
た磁束が磁束伝達部を介して印加され、印加磁束に応じ
た信号を出力する超電導量子干渉素子部と、この超電導
量子干渉素子部への帰還回路を含み、該超電導量子干渉
素子部からの信号を処理し磁束強度として出力する信号
処理部とを具備する超電導磁力計において、 前記信号処理部を磁束フロー型ジョセフソン増幅器を用
いた超電導増幅回路及びジョセフソン素子を用いた超電
導位相敏感検出器を含む超電導アナログ回路により構成
したことを特徴とする超電導磁力計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2259414A JP3001621B2 (ja) | 1990-09-28 | 1990-09-28 | 超電導磁力計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2259414A JP3001621B2 (ja) | 1990-09-28 | 1990-09-28 | 超電導磁力計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04136778A JPH04136778A (ja) | 1992-05-11 |
| JP3001621B2 true JP3001621B2 (ja) | 2000-01-24 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3001621B2 (ja) |
-
1990
- 1990-09-28 JP JP2259414A patent/JP3001621B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04136778A (ja) | 1992-05-11 |
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