CN88101049A

CN88101049A - 利用约瑟夫逊器件的磁力计

Info

Publication number: CN88101049A
Application number: CN88101049.9A
Authority: CN
Inventors: 中根英章; 西野∴一; 长谷川晴弘
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1988-09-28
Also published as: KR880010333A; EP0280282A2; EP0280282B1; EP0280282A3; KR910003449B1; DE3882551T2; US4906930A; CN1014933B; DE3882551D1

Abstract

一个用以检测弱磁场的SQUID由一个探测信号磁通的传感线圈，和一个与传感线圈磁耦合以产生一个相应于来自传感线圈的交连磁通的周期性电压的超导环构成。来自SQUID的周期性电压被放大并取出。取出的周期性电压由一个相敏检测放大器同步检测。经同步检测的信号被转换成一个光信号，光信号然后反馈到SQUID。反馈光信号被置于低温环境中的超导光电晶体管转换成电信号。相应于来自超导光电晶体管的电信号的磁通由一反馈线圈反馈到超导环。

Description

本发明涉及磁力计，更具体地说，涉及利用约瑟夫逊（Josephson）器件的磁力计，这种磁力计特别适于检测弱磁场。

在所涉及的技术领域中，利用约瑟夫逊器件的磁力计被称为超导量子干涉器件（以后称为SQUID）磁力计。传统的磁力计的代表是直流SQUID磁力计和射频SQUID磁力计。直流SQUID磁力计是这样一种装置，其中超导环（包括两个约瑟夫逊结和一个电感器）交连的磁通量随流过超导环的最大超导电流的变化以直流电流的形式显示出来。（参着美国专利4，389，612和4，567，438）。射频SQUID磁力计是这样一种装置，其中，与超导环（包括一个约瑟夫逊结和一个电感器）交连的磁通量随流过超导环的最大超导电流的变化以交流电流的形式显示出来。在任何一种传统的SQUID磁力计中，构成磁力计关键的SQUID是无源器件，它检测与超导环交连的磁通量。利用约瑟夫逊结的SQUID被浸入液氦中，输出信号通过一条电缆送到处于室温下的数据处理器及测量电路中。SQUID测量很微弱的磁通量，约瑟夫逊器件的输出信号本身也很微弱。因此，在室温下从SQUID送到测量电路的信号是很微弱的信号，例如大约1uv。因此，传统的SQUID磁力计一直受到室温下的热噪声的限制。

此外，“IEEE Trans.on Electron Devices，”ED27，NO.10（1980），PP.1896-1908中讨论了一种检测弱磁场用的磁力计。在这种磁力计中，来自磁场检测装置（例如直流SQUID）的电压信号由同步放大器放大并进行相敏检测，其检测输出被反馈回检测器件。

上述先有技术没有考虑通过电路接地线加到磁力计电路或检测器件上的噪声的影响。特别是，当在交流电源下操作磁力计电路时，就存在一个问题，即磁力计由于交流电源线的噪声会产生误动作。

为了解决这个问题，日本专利公报NO.82872/1985.NO.35378/1986和NO77772/1986中公开了若干种磁力计，其中易于受噪声影响的磁通量检测器件及其外围电路由光绝缘装置相连以便将它们电绝缘。

这些先有技术设备采用了脉宽调制（PWM）以将电信号转换为光信号。然而，它们没有考虑到由PWM调制器部分产生的脉冲噪声加在磁通量检测装置上的影响，即误动作问题。

此外，先有技术的磁力计应用了光纤或类似的装置作为反馈电路，因此在那部分的响应速率没有问题。然而，由于电气元件分别与置于光纤两端的光电转换器和电光转换器相连，这就存在一个问题，由于有电气元件，光纤的高速传输特性不能满意地显现出来。

本发明的第一个目的是提供一种利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中在电光转换器和光电转换器中产生的噪声被减小以防止误动作。

本发明的第一个目的是提供一种利用约瑟夫逊器件的磁力计，它包含一个高响应速率的反馈电路。

上述第一个目的通过一个具有约瑟夫逊器件的磁力计来实现，该磁力计包括一个检测信号磁通量的传感线圈;一个超导环，它与上述传感线圈磁耦合，以产生一个相应于来自上述传感线圈的交连磁通量的周期性电压，该超导环由一个电感器和至少一个约瑟夫逊结构成;放大来自上述超导环的周期性电压的装置;放大由上述放大装置放大的周期性电压的一个预定频率分量的同步检测放大器装置;将同步检测放大器放大的信号转换成光信号的第一光电转换装置;传输来自上述第一光电转换装置的光信号的第一光传输装置;接收来自上述第一光传输装置的光信号并将其转换成电信号的超导光电晶体管，把相应于上述超导光电晶体管电信号的磁通量与上述超导环交连的反馈线圈;由铌或高临界温度氧化物超导体制成的上述传感线圈超导环和超导光电晶体管被置于低温环境中。

由超导材料制成的光电转换器以这种方式工作，即超导临界电流和器件的电阻根据液氦中4.2K的低温时的光输入而变化。因此，在光电转换过程中产生的噪声就只是4.2K时器件本身的热噪声和电源分布电阻器的热噪声。因而，就能够防止如在先有技术中的光电转换器产生的脉冲噪声，300K时的热噪声及半导体产生的噪声，此外，由于磁力计不受噪声的影响，就消除了误动作问题。

上述第二个目的通过一个利用约瑟夫逊器件的磁力计来实现，该磁力计包括一个检测信号磁通量的传感线圈;一个超导环，它与上述传感线圈磁耦合，以产生一个相应于上述传感线圈的互连磁通的周期性电压，该超导环由一个电感器和至少一个约瑟夫逊结构成;放大来自上述超导环的周期性电压的装置;把上述放大装置放大的周期性电压转换成光信号的电光转换装置;根据预定频率将来自上述电光转换装置的光信号进行同步检测的同步检测装置;传输来自同步检测装置的光信号的第二光传输装置;接收来自第二光传输装置的光信号并将其转换成电信号的超导光电晶体管;将相应于来自上述超导光电晶体管的磁通量与上述超导环交连的反馈线圈;上述传感线圈，超导环及超导光电晶体管被置于低温环境中。

在本发明中，由于外电路的信号处理完全采用光信号进行，这样就可以防止外电路的噪声，例如电源噪声。此外，由于反馈也是采用光信号进行的，响应速度特别高。

参照附图及下面的详细描述能更好地理解本发明的其它目的和优点。

图1是本发明一个实施例的示意图;

图2是交连磁通和直流SQUID输出电压的关系;

图3和图4分别是本发明的另一个实施例;

图5示出了一个超导光电晶体管的电压-电流特性;

图6是一个超导光电晶体管的剖面图;

图7和图8各示出了本发明的另一个实施例。

下面按实施例详细说明本发明：

实施例1

图1所示的实施例是这样的，磁力计的反馈电路由光绝缘器，例如光纤108连接。

本实施例利用超导光电晶体管106作为光电转换器，它被置于反馈电路中的光电绝缘器的低温部分。因此，可以降低转换器产生的噪声，也可防止磁力计的误动作。更准确地说，由超导光电晶体管构成的光电转换器以这种方式工作，超导临界电流和器件的电阻随液氦中4.2K的低温时的光输入而变化。这种情况下产生的噪声只是4.2K时器件的热噪声和电源分布电阻的热噪声。因此，可以防止300K时的热噪声，处于300K时半导体的噪声等，这样，磁力计工作就不会出现由于噪声而产生的误动作。

如图1所示，一个检测信号磁通的传感器线圈104与直流SQUID103磁合。与处于低温环境101中的传感线圈104交连的信号磁通被输入到直流SQUID103中。直流SQUID103由一稳压电流源提供一固定电流偏置。在这种情况下，配电电阻123也产生热噪声。因此，为减小此噪声，配电电阻也置于低温环境101中。加有固定偏置电流的直流SQUID产生一个相应于交连磁通的周期电压。此周期电压的周期成为量子化磁通Φ。（2.07×10^-15Wb）。交连磁通和SQUID的输出电压之间的关系示于图2中。周期电压信号由电池供电的前置放大器107放大，并送到同步检测放大器109。同步检测放大器109放大已放大的周期电压信号的f分量。同步检测放大器109由振荡器111供给f频率的信号。放大后的信号送到积分器112并由112积分。由发光二极管或半导体激光器构成的电光转换器将来自积分器112的信号转换成光信号。这样获得的光信号通过光纤108被引入处于低温环境中由超导光电晶体管106构成的光电转换器中。如图6所示，超导光电晶体管结构为由超导材料制成的源极131和漏极132置于半导体沟道133上。它是这样一种器件，源-漏超导临界电流及其极间电阻随着向沟道上发射光而改变。图5举例解释了超导光晶体管的特性。（1）表示没有光照时的特性，（2）表示有光照时的特性。当给这种器件加一适当的偏置电流时，其电阻与投射光强成化例地变化，且流过其中的电流可得到控制。超导光电晶体管106把光信号转换成电信号，以将反馈电流加到反馈线圈105上并使得到的磁通与直流SQUID103互连。在图2所示的互连磁通和输出电压的关系中，当与直流SQUID103互连的外磁通是零时，磁通ΦX保持在图2中的a点。当外互连磁通存在时，磁通偏离a点，在这种情况下，输出电压增加。这种输出电压的变化由同步检测放大器109检测，输出电压的变化通过电光转换器110和光电转换器106作为磁通由反馈线圈105反馈给直流SQUID，进而校正从a点的偏离。这样，可以在输出端124提供一个与交连磁通成比例的电压。根据此实施例，与先有技术中的反馈电路不同，可以从直流SQUID103周围去掉噪声源，作为热噪声源的电阻器被置于低温环境中。这些都使得磁力计可用作噪声很低的高灵敏度磁力计。

图3是对图1所示实施例的修改。其中，从前置放大器107到同步检测放大器109的信号传输同反馈电路一样，是以光信号的形式进行确。前置放大器107的输出由发光二极管或半导体激光器构成的光电转换器110′转换成光信号，光信号通过光纤108′输入到由光电二极管构成的光电转换器113中。由光电转换器113产生的电信号被送到同步检测放大器109中。根据图3的实施例，由导线产生的噪声（例如利用导线将直流SQUID的输出电压引入同步反馈放大器109而产生的噪声）可被消除，这样就能进一步降低噪声以防止误动作。

实施例2

在图4所示实施例中，来自积分器112或前置放大器107的要转换的电信号由电光转换器110或110′转换成数字光信号，这些光信号通过光纤108或108′传送到超导光电晶体管106或光电转换器113。在图4的配置中，数字信号并行传输。在这种情况下，高速传输是可行的，并且动态范围很宽。同样可以使用一根光纤108或108′进行数字信号的串行传输。特别是，由于超导光电晶体管106构成光电转换器以产生反馈电流，因此，噪声很低且可以防止误动作。

在本实施例的情况下，直流SQUID103与反馈回路间的连线由光纤制成，因而，传入低温槽中的热量要小于利用导线材料做连线的情况。

实施例3

图7示出了本发明的另一实施例，在此实施例中，直流SQUID反馈回路的运行是由光信号执行的。直流SQUID的输出电压由前置放大器107放大，并由发光二极管或半导体激光器110′转换成光信号。这点与图3的实施例相同。本实施例与图3实施例的不同点在于，外电路的信号处理完全是以光信号为基础。更具体地说，由光纤108′输入外电路的光信号被输入光调制器140，光调制器140根据来自振荡器111的振荡频率为f的信号调制光信号。被调制的光信号由光放大器141放大。“第一届光电子学会议，OEC′86 Post deadline Papers technical digest，D-11-2（1986）”中对这种光放大器进行了讨论。经光放大器141放大的光信号被送入光定向耦合器143。此处，预先将光放大器的时间常数定得远大于（一个数量级或更大）调制频率的时间常数。这样，光放大器141起积分作用。因此，可用光调制器140和光放大器141进行光信号的相敏检测。进行相敏检测并进入光定向合器的光信号由光电晶体管149取出一部分作为输出信号。此外，剩余的光信号被输入光定向耦合器144。振荡器111驱动发光二极管成半导体激光器150以产生振荡频率为f的光信号。光定向耦合器144将来自发光器件150的光信号和来自光定向合器143的信号叠加，输出信号通过光纤108送到处于低温槽101中的超导光晶体管106中。在低温槽101的后续运行同图3实施例相同。

根据本实施例，外电路的信号处理完全用光信号进行，因此，可以防止例如电源噪声的外电路噪声。此外，由于反馈是用光信号进行的，因此可使响应速率很高。

实施例4

图8所示实施例将直流SQUID103的输出信号加到输出检测装置146上。此输出检测装置146由超导量子干涉仪构成，它将上述信号进行放大。要加到输出检测装置146的偏置电流由超导光电晶体管147在振荡器111的频率上进行调制。光信号通过光纤155送入超导光电晶体管106。这样，输出检测装置146的输出就是一系列脉冲，这些脉冲由前置放大器107放大。由于照这样直流SQUID103的输出经由同样的超导量子干涉仪构成的输出检测器件146放大，信噪比增大了。前置放大器107的放大输出由发光器件151，例如发光二极管或半导体激光器，转换成光信号。而后，光信号被引出并由光纤152送加到光放大器145。光放大器145由振荡器111提供一电源电压，并与振荡器111同步。由此，它作为图7中的同步检测器140工作。光放大器145的一部分输出由光定向合器144转向并由光检测器153作为电信号取出。剩余部分由光纤155送入处于低温槽101中的超导光电晶体管106。超导光电晶体管106将输入的光信号转换成电信号，并将后者提供给反馈线圈105。反馈线圈105将超导光电晶体管的电信号作为磁通反馈回直流SQUID103。反馈过程同前述一样进行。这样，直接反馈光信号，因此，响应速率大大增加。此外，低温环境和外电路由光纤相连，因此，可以防止如电源噪声等噪声。

Claims

1、利用约瑟夫逊器件的磁力计包括：

检测信号磁通的传感线圈；

与上述传感线圈磁耦合，以从上述传感线圈中产生一个相应于交连磁通量的周期性电压的超导环，该超导环由一个电感器和至少一个约瑟夫逊结构成；

放大来自上述超导环的周期性电压的放大装置；

放大由上述放大装置放大的周期性电压的一个预定频率分量的同步检测放大装置；

将上述同步检测放大装置放大的信号转换成光信号的第一电光转换装置；

传输来自上述第一电光转换装置的光信号的第一光传输装置；

接收来自上述第一光传输装置的光信号并将其转换成电信号的超导光电晶体管；

把相应于上述超导光电晶体管的电信号的磁通量与上述超导环交连的反馈线圈；

由铌或高临界温度氧化物超导体制成的上述传感线圈，超导环和超导光电晶体管被置低温环境中。

2、根据权利要求1的利用约瑟夫逊器件的磁力计在上述放大装置和上述同步放大装置间进一步包括：

将上述放大装置放大的周期性电压转换成光信号的第二光电转换装置;

将来自上述第二电光转换装置的光信号进行传输的第二光传输装置;

接收来自上述第二光传输装置的光信号并将其转换成电信号的光电转换装置，此电信号被送入上述同步检测放大装置。

3、根据权利要求1的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中上述超导环由一个电感器和两个约瑟夫逊结构成，并通过置于低温环境中的配电电阻加一个固定偏流。

4、根据权利要求2的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中，从上述第一电光转换装置到上述超导光电晶体管的传输和从上述第二电光转换装置到上述光电转换装置的传输是利用数字化光信号进行的。

5、利用约瑟夫逊器件的磁力计包括：

检测信号磁通的传感线圈;

一个与上述传感线圈磁耦合，以产生一个相应于上述传感线圈的互连磁通的周期性电压的超导环，该超导环由一个电感器和至少一个约瑟夫逊结构成;

放大来自上述超导环的周期性电压的放大装置;

将上述放大装置放大的周期性电压转换成光信号的电光转换装置;

根据预定频率对来自上述电光转换装置的光信号进行同步检测的同步检测装置;

传输来自同步检测装置的光信号的第二光传输装置;

接收来自第二光传输装置的光信号并将其转换成电信号的超导光电晶体管;

将相应于来自上述超导光电二极管的磁通量与上述超导环交连的反馈线圈;

上述反馈线圈，超导环及超导光电二极管置于低温环境中。

6、根据权利要求5的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中上述超导环由一个电感器和两个约瑟夫逊结构成，并由置于低温环境中的配电电阻提供一固定偏流。

7、根据权利要求5的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中上述同步检测装置包括：

以预定频率振荡的振荡装置;

接收来自上述第一光传输装置的光信号并根据上述预定频率对上述光信号进行相敏检测的相敏检测装置;

接收上述来自相敏检测装置的光信号并将上述光信号分成两个方向的光定向合器;

将来自上述第一定向光耦合器光信号的一部分转换成电信号并将此信号作为输出信号送出的装置;

由上述振荡装置驱动的光发射装置;

接受来自上述光发射装置的光信号和来自上述第一定向光耦合器的另一部分光信号并迭加两部分光信号的第二光定向耦合器，迭加的信号输送到第二光传输装置。

8、根据权利要求7的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中上述超导环由一个电感器和两个约瑟夫逊结构成，并由处于低温环境中的配电电阻提供一固定偏流。

9、根据权利要求5的利用约瑟夫逊器件的磁力计，其中;

上述超导环由一个电感器和两个约瑟夫逊结构成，并由处于低温环境中的配电电阻提供一固定偏流;

与上述超导环的输出磁合的第二超导环置于上述超导环和上述放大装置之间，它由一个电感器和两个约瑟夫逊结构成，并由置于低温环境中的配电电阻和第二超导光电晶体管提供偏置;

上述同步检测装置包括：

在预定频率振荡的振荡装置;

接收来自第一光传输装置的光信号并以预定频率同步地放大该信号的光放大装置;

接收来自上述光放大装置的光信号并将其分成两个方向的光定向合器，该光定向合器将其分开了的光信号的一部分作为输出信号送出，并将另一部分送至第二光传输装置;

由上述振荡装置驱动的光发射装置;

将来自上述光发射装置的光信号传输至上述第二超导光电晶体管的第三光传输装置。