JP2004157092A - Ｓｑｕｉｄの温度制御装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＳＱＵＩＤの動作温度を精確に制御する。
【解決手段】ＳＱＵＩＤ（１１、２１）自体が超伝導転移温度以下で優れた温度センサになり得ることに着目し、ＳＱＵＩＤの制御回路をＤＣ結合とし、変調方式を採用することにより、ＳＱＵＩＤの出力自体を温度センサとしても動作させる。この方法は、ＳＱＵＩＤからの出力を磁束によるものか、温度によるものか区別する必要があるが、ＤＣ結合の変調方式により解決するものである。
ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータ（４５、７７）により過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御装置（４３，７３）であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御装置である。
【選択図】 図５
【解決手段】ＳＱＵＩＤ（１１、２１）自体が超伝導転移温度以下で優れた温度センサになり得ることに着目し、ＳＱＵＩＤの制御回路をＤＣ結合とし、変調方式を採用することにより、ＳＱＵＩＤの出力自体を温度センサとしても動作させる。この方法は、ＳＱＵＩＤからの出力を磁束によるものか、温度によるものか区別する必要があるが、ＤＣ結合の変調方式により解決するものである。
ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータ（４５、７７）により過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御装置（４３，７３）であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御装置である。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気測定等に使用される超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ；ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ）の温度制御に関する発明であり、より詳しくはＳＱＵＩＤ自体を温度センサーとして使用して、温度制御を行う装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導量子干渉素子、即ちＳＱＵＩＤ、は通常超高感度の磁束計として使用されており、超伝導リングには磁束が磁束量子の単位で出入りするという特徴を利用して、地磁気の５０００万分に１以下の磁場を検出することができる。このためＳＱＵＩＤは従来の磁気センサと比較して３桁以上の感度を有する。かかるＳＱＵＩＤは磁束計としての使用される他、例えば微小変位形、微小電流計、微小電圧計等にも使用されているが、これらの場合においても測定量は一度磁束に変換して検出される。
【０００３】
ＳＱＵＩＤを例えばヘリウム冷凍機等の冷凍機を用いて冷却し稼動させる方法は、例えば液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を使わずにＳＱＵＩＤの使用が可能なので、取り扱いが容易で実用上優れた方法である。例えば、高温超伝導材料を使用するＳＱＵＩＤの場合は、一般には液体窒素の使用も可能なように、液体窒素温度（７７Ｋ）に最適化されている。この場合の温度偏差は±２ケルビン以下が要求されている。ＳＱＵＩＤを安定に動作させ、高いパフォーマンスを発揮させるためには、温度の制御が特に重要である。冷凍機の能力を制御することのみによって温度制御を行う方法も稀に使用されている。しかし、冷凍機を使用した場合の冷却温度は、冷凍機の圧縮機の温度と冷凍能力に依存するため、温度を極めて正確に維持しつつＳＱＵＩＤを安定に動作させることは難しい。
【０００４】
このため従来の温度制御技術においては、図７に示すように、ヘリウム冷凍機等の冷凍機１０２を用いてＳＱＵＩＤ１０１の周囲を動作温度以下に低温度化し、ＳＱＵＩＤ１０１の近傍に配置したヒータ１０５および温度センサ１０３と温度制御部１０４とを組み合わせて、ＳＱＵＩＤ１０１を所望の一定温度に制御する温度制御法が用いられている。温度センサとしては一般に例えば銅コンスタンタンまたはクロメルアルメル等からなる熱電対または白金等からなる抵抗温度計が使用される。この場合、ヒータ１０５および温度センサ１０３はＳＱＵＩＤ１０１に隣接して配置し、温度センサの出力を導線にて温度制御部１０４の入力に接続し、温度制御部１０４の出力によりヒータ１０５の加熱条件を制御してＳＱＵＩＤ１０１の温度を所定の温度に制御する。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｋｏｅｌｌｅ， Ｒ．Ｋｌｅｉｎｅｒ， Ｆ．Ｌｕｄｗｉｎｇ， Ｅ．Ｄａｎｔｓｋｅｒ， Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ， ”Ｈｉｇｈ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．７１，６３１（１９９９）．
【非特許文献２】
Ｒ．Ｈｏｈｍａｎｎ， Ｈ．−Ｊ．Ｋｒａｕｓｅ， Ｈ．Ｓｏｌｔｎｅｒ， Ｙ．Ｚｈａｎｇ， Ｃ．Ａ．Ｃｏｐｅｔｔｉ， Ｈ．Ｂｏｕｓａｃｋ， Ａ．Ｉ，Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ， Ｍ．Ｉ．Ｆａｌｅｙ， ”ＨＴＳ ＳＱＵＩＤ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ ｆｏｒ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，７，３７０２，（１９９７）
【非特許文献３】
Ｄ．Ｆ．Ｈｅ， Ｘ．Ｈ．Ｚｅｎｇ， Ｈ．−Ｊ．Ｋｒａｕｓｅ， Ｈ．Ｓｏｌｔｅｒ， Ｒｕｄｅｒｓ ａｎｄ Ｙ．Ｚｈａｎｇ， “Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＳＱＵＩＤｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ７７Ｋ ｗｉｔｈ １ＧＨｚ ｌｕｍｐｅｄ−ｅｌｅｍｅｎｔ ｔａｎｋ ｃｉｒｃｕｉｔｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７２， ｐｐ９６９−９７１， １９９８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、温度制御のために通常の温度センサ１０３を用いる方法は、例え温度センサ１０３とＳＱＵＩＤ１０１とを可能な限り隣接して配置したとしても、温度センサ１０３とＳＱＵＩＤ１０１本体との間に少なくとも一定の間隔が存在するため、正確にＳＱＵＩＤ本体の温度を測定することはできない。さらに、温度センサによる測定行為そのものが、例えば測定対象である微小な磁束等に影響を及ぼすこともある。また、冷凍機の能力を制御して温度を安定化させることはより難しい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＱＵＩＤ自体が超伝導転移温度以下で優れた温度センサになり得ることに着目し、ＳＱＵＩＤの制御回路をＤＣ結合とし、変調方式を採用することにより、ＳＱＵＩＤの出力自体を温度センサーとしても動作させるものである。この方法は、ＳＱＵＩＤからの出力を磁束によるものか、温度によるものか区別する必要があるが、ＤＣ結合の変調方式により解決するものである。
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御装置であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御装置である。
【０００８】
また、本発明は、前記ＳＱＵＩＤの出力がプリアンプを介して前記ヒータの温度を制御する温度制御回路に接続される温度制御装置であり、または、前記温度制御回路は前記ＳＱＵＩＤの出力を基準のＤＣ電圧と比較する比較手段を有する温度制御装置であり、または前記プリアンプの出力がローパスフィルタを介して前記比較手段に入力される温度制御装置であり、または前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである温度制御装置である。
【０００９】
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、前記ＳＱＵＩＤとプリアンプを介して接続されている磁束測定部と、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路とを有する磁束計である。
【００１０】
また、本発明は、前記磁束測定部は前記ＳＱＵＩＤと共に磁束−ロックループを形成する磁束計であり、または前記ＳＱＵＩＤの出力が前記プリアンプを介して前記温度制御回路に接続される磁束計であり、または前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである磁束計である。
【００１１】
本発明はＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、測定される磁束は交流信号による磁束変調手段を有する磁束測定部により測定され、温度制御は前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路により行なわれる磁束計である。
【００１２】
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御方法であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用するため、前記ＳＱＵＩＤの出力電圧を検出するステップを有する温度制御方法である。
【００１３】
そして、本発明はさらに前記出力電圧を増幅するステップと、増幅された前記出力電圧を基準のＤＣ電圧と比較するステップを有する温度制御方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。ＳＱＵＩＤには直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤと無線周波数で動作するｒｆＳＱＵＩＤがある。
【００１５】
直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤにおいては、図１（Ａ）に示されているように、超伝導材料で作成したループ１１の途中に２つのジョセフソン接合１２が設けられている。例えば、高温超伝導材料を使用したＳＱＵＩＤの場合には、典型的な超伝導ループは厚さが１μｍ以下の薄膜で形成されている。
【００１６】
ＳＱＵＩＤは磁界を検出するための最も敏感なセンサである。ＳＱＵＩＤの基本的な構造は、幅が例えば３μの１個または２個の超伝導的に弱い接合、即ちジョセフソン接合１２、を有する、例えば厚さが０．２μｍのＳＱＵＩＤリング１１によって形成されている。
【００１７】
図１（Ａ）は直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤを示しており、ＳＱＵＩＤリング１１の相対する側部に２つのジョセフソン接合１２を有する。この場合ｄｃＳＱＵＩＤは直流電源（図示せず）からの電流入力部１３を通して、直流電流（Ｉｂ）によってバイアスされている。また、直流電流（Ｉｂ）に低周波電流を重畳した（Ｉｂ＋低周波数電流）によってバイアスされる場合もある。
【００１８】
一方図２（Ａ）に示す交流で動作するｒｆＳＱＵＩＤのＳＱＵＩＤリング２１は、１個のジョセフソン接合２２を有し、このリング２１は図２（Ａ）に示すように、ｒｆコイル２３およびコンデンサ２４を含むタンク回路２５との誘導的結合によって生ずる無線周波数電流によってバイアスされる。タンク回路２５はｒｆＳＱＵＩＤへの電力供給部２６のコイル２７と誘導的に結合されており、コイル２７には電流入力部２８から交流電流Ｉｒｆが供給される。
【００１９】
図１（Ｂ）および図２（Ｂ）は、それぞれｄｃＳＱＵＩＤおよびｒｆＳＱＵＩＤのＩＶ曲線１６、１７および２９、３０を示している。図１（Ｂ）に示すようにｄｃＳＱＵＩＤのＩＶ曲線は、ＳＱＵＩＤのリング１１を貫くように適用される外部磁束（図１ｂにおいてはｎΦ０および（ｎ＋１／２）Φ０）によって変化する。（Ｂ）の場合、バイアス電流Ｉｂが一定で磁束がｎΦ０から（ｎ＋１／２）Φ０に変化すると、出力電圧はΔＶ変化する。このように、ｄｃＳＱＵＩＤが臨界電流よりもほんの少し大きい一定の電流によりバイアスされている場合、ｄｃＳＱＵＩＤの電圧はリングを貫く内部磁束Φの変化に従って変化する。ｄｃＳＱＵＩＤにおいて出力電圧Ｖは磁束の増加により周期的に変化しその周期はΦ０である。なおΦ０は磁束量子である。このような現象は、図１（Ａ）のリング１１における２つの分枝Ａおよび分枝Ｂをそれぞれ流れる電流間に現れる量子論的干渉効果の結果生ずるものである。ここで、ｎはＳＱＵＩＤに入る磁束の本数を示す。
【００２０】
ｒｆＳＱＵＩＤの場合のＩＶ曲線は図２（Ｂ）に示すように脈動しながら増加する。しかし磁束（Φ）と出力電圧Ｖとの関係は図２（Ｃ）に示すようにｄｃＳＱＵＩＤの場合と同様に周期的に変化する。
【００２１】
ＳＱＵＩＤを用いた磁束計においては、一般的に公知のいわゆる零−検出回路（ｚｅｒｏ−ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が使用される。零−検出回路は、外部磁界が変化した場合、ＳＱＵＩＤリングの磁束変化を打ち消すような電流を流してＳＱＵＩＤに入る磁束の変化を零にするように動作させる回路であり、磁束を打ち消すために流した電流により磁界の変化を検出する検出器である。この場合ＳＱＵＩＤ中の磁束は、リングからの出力電圧を積分回路を介して戻るように結合することにより、磁束の変化を補償することにより一定に即ち零に保たれる。このように、ＳＱＵＩＤは磁束−ロックループ、即ちＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）内で動作することになる。ＦＬＬを使用することにより、積分器４９の出力電圧は適用された磁束の変化に比例する。
【００２２】
図３に示すように、ｄｃＳＱＵＩＤの臨界電流ＩｃおよびＩＶ曲線は、温度Ｔにより変化する。低温においてＩｃはより大きくなる。図３において、Ｔ１はＴ２より温度が低く、このため、Ｔ１での臨界電流Ｉｃ１はＴ２での臨界電流Ｉｃ２よりも大きい。ｄｃＳＱＵＩＤが一定電流Ｉｂによりバイアスされている場合、ＳＱＵＩＤのｄｃ出力電圧Ｖｓは温度がＴ１からＴ２に変化するとＶ１からＶ２に変化する。
従って、他の環境条件に変化がなければｄｃＳＱＵＩＤのｄｃ電圧Ｖｓから、ＳＱＵＩＤの温度の変化を知ることができる。
【００２３】
図４（Ａ）は温度により変化するｄｃＳＱＵＩＤの臨界電流Ｉｃを示す。臨界電流Ｉｃは絶対温度の変化により、ほぼ直線的に変化する。図４（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤが一定電流５８０μＡでバイアスされている場合の温度と出力電圧の関係を示す。図４（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧Ｖｓが絶対温度の変化によりほぼ直線的に変化する状態を示す。
【００２４】
従って、ｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧Ｖｓの検出により、ｄｃＳＱＵＩＤ本体の温度または温度変化を検出することができる。従って、ｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧と所定の基準電圧との差分を用いてｄｃＳＱＵＩＤの近傍に設けたヒータ４５の加熱を制御することにより、ｄｃＳＱＵＩＤの温度を一定に制御することが可能である。ヒータとしては従来からこの技術分野において使用されてきたものを使用することができる。例えば、絶縁基板上に形成されたＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｗ等の金属薄膜を使用することも可能であるが、特に薄膜に限定されるものではない。
【００２５】
上記原理に基づきｄｃＳＱＵＩＤの温度制御を実現するためには、特別のｄｃＳＱＵＩＤ読出し回路が必要とされる。図５はｄｃＳＱＵＩＤを使用する場合の読出し回路４２および温度制御回路４３のブロック図を示す。
【００２６】
通常のｄｃＳＱＵＩＤに関しては２種類の結合、即ちトランス結合とＤＣ結合が存在する。しかし、トランス結合においては、ｄｃＳＱＵＩＤのＤＣ信号はトランスを通過しないため、本発明の温度制御には使用されない。本発明のＤＣ結合においてはｄｃＳＱＵＩＤのＤＣ信号もまた増幅される。温度制御回路において、ＤＣ電圧はｄｃＳＱＵＩＤの動作温度を調整するために使用される。
【００２７】
図５はｄｃＳＱＵＩＤを用いた場合の磁束計の温度制御における一実施の形態を示す。図５に示す実施の形態においては、ｄｃＳＱＵＩＤの読み出しにはＳＱＵＩＤ自体４１によるセンサとプリアンプ４６との結合が使用される。図５に示す本発明による温度制御装置は、少なくともＳＱＵＩＤ部６５、ＳＱＵＩＤの読み出し回路４２、そして温度制御回路４３により構成される。読み出し回路６５は外部磁束を検出し、温度制御回路４３はＳＱＵＩＤ自体の温度を検出することによりヒータ４５の加熱条件を制御し、ＳＱＵＩＤ自体を一定温度に維持する。
【００２８】
ＳＱＵＩＤ部６５は、ＳＱＵＩＤリング４１、ＳＱＵＩＤリング４１に設けられた２つのジョセフソン接合６３、６４、そして超伝導リング４１と磁気的に結合するフィードバックコイル４４を含む。そして超伝導リング４１は入力部６７からバイアス回路（図示せず）により電流Ｉｂが常時バイアスされている。
【００２９】
ＳＱＵＩＤ読み出し回路４２は、ＳＱＵＩＤ部６５と組合わされて、読み出し部６２に外部磁束に対応する出力信号を出力する。即ちＳＱＵＩＤ読み出し回路４２は、ＳＱＵＩＤ部からの出力を増幅するプリアンブ４６、プリアンブ４６と直列に接続された増幅器４７を含む。典型的には、プリアンブ４６の増幅率は約１０００倍、増幅器４７の増幅率は約１００倍が望ましい。さらに、読み出し回路４２は発振器５２、乗算機能を有する位相検出器４８、フィードバック抵抗５４、抵抗５１、５６、増幅器４９および積分コンデンサ５０を含み、増幅器４９と積分コンデンサ５０によって積分器６６が形成されている。読み出し部６２はさらに抵抗５４フィードバック路５７を介してコイル４４と接続されている。
【００３０】
発振器５２は典型的には数１０ｋＨｚの周波数で発振する。発振器５２からの変調用の交流電流は、抵抗５６およびライン５５を介してフィードバックコイル４４に伝えられ、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力における温度による効果と外部磁場による効果を分離するために、コイル４４を介して磁界を生成し、外部磁場（外部磁場の変化分）の変調を行う。発振器５２はまた位相検出器４８と接続されている。
【００３１】
ＳＱＩＵＤ部のＳＱＵＩＤリング４１を超伝導状態に転移させると、図１（Ｃ）に示すように、ＳＱＵｌＤからの出力はＳＱＵＩＤリング１１と鎖交する磁束に対してΦ。を周期として電圧変化する。ＳＱＵＩＤの動作点が例えば図１（Ｃ）のＡ点に設定されている場合、発振器５２から出力される例えば数１０ｋＨｚの変調信号を基に、ＳＱＵＩＤリング１１には変調フィードバックコイル４４を介して、変調信号に対応する数１０ｋＨｚの正弦波の変調磁束が加えられる。外部磁束が変動すると、ＳＱＵＩＤ６５の出力における動作点が移動し（例えばＡ‘点）、出力電圧の位相は変化する。
【００３２】
これら外部磁束の増減に対応して位相の変化した出力信号を、プリアンプ４６でおよそ１０００倍大きさに増幅した後、さらに増幅器４７によりおよそ１００倍に増幅し、乗算器４８および発振器５２により位相検波する。位相検出器４８は発振器５２の位相に対し所定の角度だけ位相のずれた（一般には同期した）信号のみを出力するので、その出力を積分器６６により積分することによって、磁界の変化をＤＣ電圧に変換することができ、外部磁束の変化に対応した変化量を得ることができる。
【００３３】
この変化量をフィードバック抵抗５４を介して変調フィードバックコイル４４によってＳＱＵＩＤリング４１に帰還させる。このフィードバック電流が帰還抵抗５４を流れることによって発生する電圧が外部磁界の変化量を示す。この電圧を取り出すことにより磁束の変化量を計測することができる。
【００３４】
即ち、外部磁界の増減に対応してＳＱＵＩＤリング４１内の磁束Φが増減すると、増減に対応したＳＱＵＩＤ部６５の出力信号が生じ、位相検出器４８、発振器５２そして積分器６６によって、外部磁界の増減に対応するＤＣ電圧が生成できる。このＤＣ出力電圧に対応する電流がフィードバック抵抗５４を介してフィードバック路５３からフィードバックコイル４４に流れて制御磁束を生成する。この制御磁束は、ＳＱＵＩＤリング４１と交差する外部磁束を打ち消して常に同じ動作点に固定するように制御される。このため、超伝導リング４１内の磁束は常に一定に保たれる。
【００３５】
検出された外部磁束の変化分は積分器によって加算されるので外部磁束の大きさに比例した電流が出力として得られる。かかる回路は一般にＦＬＬ回路と呼ばれており、磁束がロックされた状態からの外部磁界の変化量を、フィードバック電流が流れることによって発生する出力電圧から読み出すことができる。
【００３６】
従って、外部磁束による変化量は、高周波信号の位相ずれとして表れるので、交流成分を処理することにより測定することができる。
【００３７】
一方、温度変化による出力変化分は高周波成分を除くことによって得ることができる。従って、その典型的な実施の形態を示す温度制御回路４３は、プリアンプ４６の出力と接続される入力部６８を有し、高周波成分を遮断するローパスフィルタ６０、温度設定の基準となるＤＣ電圧源５９、そして一方の入力がローパスフィルタ６０に他方の入力がＤＣ電圧源５９と接続され、その差分に応じてヒータ４５への入力電流を制御する積分器５８を用いて形成することができる。積分器５８の出力はライン６１を介してヒータ４５に接続される。なお、温度制御回路４３は、温度センサとしても使用されるＳＱＵＩＤからの出力信号から高周波成分を除いてＳＱＵＩＤの温度変化を検出し、検出された温度を設定温度と比較して、ヒータに適切な電流を供給可能なものであれば良く、図５に示す温度制御回路４３に特に限定されるものではない。
【００３８】
以下にこの温度制御回路４３の動作を述べる。ＳＱＵＩＤ部６５の温度が設定温度より低くなると、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧を増幅するプリアンプ４６のＤＣ電圧は、ＤＣ電圧源５９が規定する基準のｄｃ電圧より低くなる。その結果、プリアンプ４６のＤＣ電圧と基準のｄｃ電圧の差分を積分する積分器（ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）の出力電圧はより高くなる。その結果、ヒータ４５はより大きなパワーを生成し、ＳＱＵＩＤ部６５の温度を高くする。逆にＳＱＵＩＤ部６５の温度が設定温度より高くなると、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧に対応するプリアンプ４６のＤＣ電圧と基準のｄｃ電圧の差が小さくなる。その結果、ヒータ４５のパワーは小さくなる。この方法によって、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の温度を安定化することができ、動作温度は温度制御ユニットのＤＣ電圧によって制御することが可能となる。
【００３９】
ＳＱＵＩＤがロックされた状態の場合、即ち補償する電流を流すことにより、外部磁束に関係する出力電圧を零または一定の状態にした場合、ＳＱＵＩＤ部６５からのＤＣ電圧は温度によってのみ変化することになる。ＳＱＵＩＤ部６５がロックされた状態の場合、超伝導リング４１を通過する磁束は一定に保たれる（例えば磁束が零の状態等）ので、ＳＱＵＩＤ部のＤＣ電圧はＳＱＵＩＤ部６５に適用される外部磁束によっては変化しない。
【００４０】
この方法は一般に測定の安定度が高いといわれているｒｆＳＱＵＩＤについて使用することも可能である。図６はｒｆＳＱＵＩＤに関するブロック図であり、ｒｆＳＱＵＩＤを用いた本発明に係る温度制御装置の一実施の形態を示す。図６に示すようにこの温度制御装置は、ｄｃＳＱＵＩＤの場合と同様に、ＳＱＵＩＤ部９６、ＳＱＵＩＤの読み出し回路７２、そして温度制御回路７３を用いて構成される。基本的な動作原理はｄｃＳＱＵＩＤと同様である。
【００４１】
ＳＱＵＩＤ部９６は、１個のジョセフソン接合９７を有するＳＱＵＩＤリング４１、ＳＱＵＩＤリング７１と磁気的に結合する帰還コイル７４を含む。そしてＳＱＵＩＤリング７１は誘導的に結合されたタンク回路７６によりバイアスされている。タンク回路７６はさらに読み出し回路７２と結合するコイル７５と誘導的に結合されている。
【００４２】
ｒｆＳＱＵＩＤの読み出し回路７２は、コイル７５およびタンク回路７６を介してＳＱＵＩＤ部９６を制御し、読み出し部８４に外部磁束に対応する出力信号出力を出力する。読み出し部８４は抵抗８８、ライン８９、９１を介してコイル７４と接続されている。ＳＱＵＩＤ読み出し回路７２は、ＳＱＵＩＤリング７１に臨界電流よりも少し大きい所定のバイアス電流を供給するための電力源となるＲＦ発振器８５を有し、方向性結合器７８を介してＳＱＵＩＤ部９６のコイル７５に所定のＲＦ電流を供給する。ＲＦ発振器８５は一般に例えば数１０ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚの高周波信号を発生する。
【００４３】
ＳＱＵＩＤ部からの出力は、方向性結合器７８を介してｒｆ増幅器７９に伝えられる。ｒｆ増幅器７９はミクサ８０に接続されＲＦ発振器８５からの出力とミキシングされる。ミクサ８０からの出力が超伝導リングと交差する磁束の大きさに対応する出力を形成する。ミクサ８０を用いることにより、高周波信号の振幅と位相を検出することができる。ミクサ８０からの出力は増幅器８１によって増幅され、位相検波器８２に入力される。読み出し回路７２はさらに、ｄｃＳＱＵＩＤ読み出し回路４２と同様に機能する、低周波発振器８６、乗算機能を有する位相検出器８２、フィードバック抵抗８７、抵抗８８、積分器８３が形成される。
【００４４】
低周波発振器８６は数１０ｋＨｚの周波数で発振する。発振器８６からの変調用の交流電流は抵抗８７およびライン９０、９１を介してコイル７４に供給され、ｒｆＳＱＵＩＤ部９６の出力の温度による効果と外部磁場による効果を分離するために、コイル７４を介して磁界を生成し、外部磁場の変調を行う。
【００４５】
位相検出器８２は低周波発振器８６の周波数と同期した信号のみを出力させることにより、外部磁束の変化分に対応する変調部分の交流成分を取出す。
【００４６】
積分器８３の出力はフィードバック抵抗８８を介してＳＱＵＩＤ部９６に戻され、フィードバックコイル７４によって帰還させる。このフィードバック電流がフィードバック抵抗８８を流れることによって読み出し部８４に発生する電圧がＳＱＵＩＤ部９６に加えられた外部磁界の変化量を示す。そしてこの電圧を取り出すことにより電界変化量を計測することができる。低周波発振器８７の出力はまた、ライン９１を通ってフィードバックコイル７４に接続され、外部磁束の変化を検出するための交流磁界を発生する。この部分の動作は先に記載したｄｃＳＱＵＩＤの動作と共通する。
【００４７】
温度制御回路７３は増幅器８１の出力と接続され、高周波成分を遮断するローパスフィルタ９２、温度設定の基準となるＤＣ電圧源９３、そして一方の入力がローパスフィルタ９２に他方の入力がＤＣ電圧源９３と接続され、その差分に応じてヒータ７７への入力電流を制御する積分器９４を有する。この部分の動作も先に記載したｄｃＳＱＵＩＤの動作と共通する。
【００４８】
上記ＳＱＵＩＤによる上記温度制御装置を使用した場合、ＳＱＵＩＤの動作温度変化は０．１ケルビン以下となり、顕著な温度安定性が得られることがわかった。そしてこの動作温度は図５および図６のＤＣ電源電圧５９、９３を変化させることにより容易に調整することができる。本発明による温度制御装置を用いることにより、ＳＱＵＩＤシステムが朝から夕方まで８時間以上ロック状態に留まることができることがわかった。
【００４９】
冷凍機を用いて低温化される高Ｔｃ−ｄｃＳＱＵＩＤシステム、および冷凍機によるＳＱＵＩＤのために特に適切である、ｄｃＳＱＵＩＤおよびｒｆＳＱＵＩＤを使用した磁束測定回路を開発した。この測定回路において、ＳＱＵＩＤとプリアンプの間の導線抵抗の影響を除くために、ＳＱＵＩＤとプリアンプ間にｄｃ結合が使用された。冷凍機の温度変化の影響を低減するために、変調ＦＬＬ（磁束ロックループ）が使用された。この冷凍機によって冷凍される読み出し電子回路による高Ｔｃ−ｄｃＳＱＵＩＤシステムは、ＳＱＵＩＤ部を長時間一定の温度に維持することが可能である。本発明においては、ＳＱＵＩＤ以外の温度センサは不要となり、かつ高精度で長時間、冷凍機の温度を安定化させることができるようになり、冷凍機を用いてＳＱＵＩＤを安定して稼動させることが可能となった。
【００５０】
以上本発明のいくつかの実施の形態について図示しまた説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種々の変形が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はｄｃＳＱＵＩＤの基本構造を示し、（Ｂ）はそのＩＶ特性を示し、（Ｃ）は外部磁束に対するｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧の変化を示す。
【図２】（Ａ）はｒｆＳＱＵＩＤの基本構造を示し、（Ｂ）はそのＩＶ特性を示し、（Ｃ）は外部磁束に対するｒｆＳＱＵＩＤの出力電圧の変化を示す。ＩｒｆとＶｒｆは、無線線周波数信号の振幅である。
【図３】ｄｃＳＱＵＩＤのＩＶ特性とその温度変化を示す。
【図４】（Ａ）はｄｃＳＱＵＩＤの温度と臨界電流の関係を示す。（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤにおける温度と出力電圧の関係を示す。
【図５】ｄｃＳＱＵＩＤを用いた場合の、磁束計とその温度制御回路のブロック図を示す。
【図６】ｒｆＳＱＵＩＤを用いた場合の、磁束計とその温度制御回路のブロック図を示す。
【図７】従来技術によるＳＱＵＩＤの温度制御回路の概略をブロック図で示す。
【符号の説明】
１１ … ＳＱＵＩＤリング
１２ … ジョセフソン接合
１３ … 電流入力部
１４、１５ … 出力部
１６ … 外部磁束がｎΦ０の時のｄｃＳＱＵＩＤのＩ‐Ｖ曲線
１７ … 外部磁束が（ｎ＋１／２）Φ０の時のｄｃＳＱＵＩＤのＩ‐Ｖ曲線
１８ … 磁束に対する電圧変化
２１ … ＳＱＵＩＤリング
２２ … ジョセフソン接合
２３ … ｒｆコイル
２４ … コンデンサ
２５ … タンク回路
２６ … 電力供給部
２７ … コイル
２８ … 入力部
２９ … 外部磁束が（ｎ＋１／２）Φ０の時のＩ−Ｖ曲線
３０ … 外部磁束がｎΦ０の時のＩ−Ｖ曲線
３１ … ｒｆＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ曲線
４１ … ＳＱＵＩＤリング
４２ … ＳＱＵＩＤの読み出し回路
４３ … 温度制御回路
４４ … フィードバックコイル
４５ … ヒータ
４６ … プリアンプ
４７ … 増幅器
４８ … 位相検出器
４９ … 増幅器
５０ … 積分コンデンサ
５１、５４、５６ … 抵抗
５２ … 発振器
５３ … フィードバック路
５５ … ライン
５７ … フィードバック路
５８ … 積分器
５９ … ＤＣ電圧源
６０ … ローパスフィルタ
６１ … ライン
６２ … 読み出し部
６３、６４ … ジョセフソン接合
６５ … ＳＱＵＩＤ部
６６ … 積分器
６７ … 入力部
６８ … 入力部
７１ … ＳＱＵＩＤリング
７２ … 読み出し回路
７３ … 温度制御回路
７４ … フィードバックコイル
７５ … コイル
７６ … タンク回路
７７ … ヒータ
７８ … 方向性結合器
７９ … ＲＦ増幅器
８０ … ミクサ
８１ … 増幅器
８２ … 位相検出器
８３ … 積分器
８４ … 読み出し部
８５ … ＲＦ発振器
８６ … 低周波発振器
８７ … 抵抗
８８ … フィードバック抵抗
８９、９０、９１、９５ … ライン
９２ … ローパスフィルタ
９３ … ＤＣ電源
９４ … 積分器
９６ … ＳＱＵＩＤ部
９７ … ジョセフソン接合
１０１ … ＳＱＵＩＤ
１０２ … 冷凍機
１０３ … 温度センサ
１０４ … 温度制御部
１０１ … ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気測定等に使用される超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ；ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅ）の温度制御に関する発明であり、より詳しくはＳＱＵＩＤ自体を温度センサーとして使用して、温度制御を行う装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超伝導量子干渉素子、即ちＳＱＵＩＤ、は通常超高感度の磁束計として使用されており、超伝導リングには磁束が磁束量子の単位で出入りするという特徴を利用して、地磁気の５０００万分に１以下の磁場を検出することができる。このためＳＱＵＩＤは従来の磁気センサと比較して３桁以上の感度を有する。かかるＳＱＵＩＤは磁束計としての使用される他、例えば微小変位形、微小電流計、微小電圧計等にも使用されているが、これらの場合においても測定量は一度磁束に変換して検出される。
【０００３】
ＳＱＵＩＤを例えばヘリウム冷凍機等の冷凍機を用いて冷却し稼動させる方法は、例えば液体窒素や液体ヘリウムなどの冷媒を使わずにＳＱＵＩＤの使用が可能なので、取り扱いが容易で実用上優れた方法である。例えば、高温超伝導材料を使用するＳＱＵＩＤの場合は、一般には液体窒素の使用も可能なように、液体窒素温度（７７Ｋ）に最適化されている。この場合の温度偏差は±２ケルビン以下が要求されている。ＳＱＵＩＤを安定に動作させ、高いパフォーマンスを発揮させるためには、温度の制御が特に重要である。冷凍機の能力を制御することのみによって温度制御を行う方法も稀に使用されている。しかし、冷凍機を使用した場合の冷却温度は、冷凍機の圧縮機の温度と冷凍能力に依存するため、温度を極めて正確に維持しつつＳＱＵＩＤを安定に動作させることは難しい。
【０００４】
このため従来の温度制御技術においては、図７に示すように、ヘリウム冷凍機等の冷凍機１０２を用いてＳＱＵＩＤ１０１の周囲を動作温度以下に低温度化し、ＳＱＵＩＤ１０１の近傍に配置したヒータ１０５および温度センサ１０３と温度制御部１０４とを組み合わせて、ＳＱＵＩＤ１０１を所望の一定温度に制御する温度制御法が用いられている。温度センサとしては一般に例えば銅コンスタンタンまたはクロメルアルメル等からなる熱電対または白金等からなる抵抗温度計が使用される。この場合、ヒータ１０５および温度センサ１０３はＳＱＵＩＤ１０１に隣接して配置し、温度センサの出力を導線にて温度制御部１０４の入力に接続し、温度制御部１０４の出力によりヒータ１０５の加熱条件を制御してＳＱＵＩＤ１０１の温度を所定の温度に制御する。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｋｏｅｌｌｅ， Ｒ．Ｋｌｅｉｎｅｒ， Ｆ．Ｌｕｄｗｉｎｇ， Ｅ．Ｄａｎｔｓｋｅｒ， Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ， ”Ｈｉｇｈ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ”， Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．７１，６３１（１９９９）．
【非特許文献２】
Ｒ．Ｈｏｈｍａｎｎ， Ｈ．−Ｊ．Ｋｒａｕｓｅ， Ｈ．Ｓｏｌｔｎｅｒ， Ｙ．Ｚｈａｎｇ， Ｃ．Ａ．Ｃｏｐｅｔｔｉ， Ｈ．Ｂｏｕｓａｃｋ， Ａ．Ｉ，Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ， Ｍ．Ｉ．Ｆａｌｅｙ， ”ＨＴＳ ＳＱＵＩＤ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｊｏｕｌｅ−Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ ｆｏｒ Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，７，３７０２，（１９９７）
【非特許文献３】
Ｄ．Ｆ．Ｈｅ， Ｘ．Ｈ．Ｚｅｎｇ， Ｈ．−Ｊ．Ｋｒａｕｓｅ， Ｈ．Ｓｏｌｔｅｒ， Ｒｕｄｅｒｓ ａｎｄ Ｙ．Ｚｈａｎｇ， “Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＳＱＵＩＤｓ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ ７７Ｋ ｗｉｔｈ １ＧＨｚ ｌｕｍｐｅｄ−ｅｌｅｍｅｎｔ ｔａｎｋ ｃｉｒｃｕｉｔｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． Ｖｏｌ．７２， ｐｐ９６９−９７１， １９９８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、温度制御のために通常の温度センサ１０３を用いる方法は、例え温度センサ１０３とＳＱＵＩＤ１０１とを可能な限り隣接して配置したとしても、温度センサ１０３とＳＱＵＩＤ１０１本体との間に少なくとも一定の間隔が存在するため、正確にＳＱＵＩＤ本体の温度を測定することはできない。さらに、温度センサによる測定行為そのものが、例えば測定対象である微小な磁束等に影響を及ぼすこともある。また、冷凍機の能力を制御して温度を安定化させることはより難しい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＳＱＵＩＤ自体が超伝導転移温度以下で優れた温度センサになり得ることに着目し、ＳＱＵＩＤの制御回路をＤＣ結合とし、変調方式を採用することにより、ＳＱＵＩＤの出力自体を温度センサーとしても動作させるものである。この方法は、ＳＱＵＩＤからの出力を磁束によるものか、温度によるものか区別する必要があるが、ＤＣ結合の変調方式により解決するものである。
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御装置であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御装置である。
【０００８】
また、本発明は、前記ＳＱＵＩＤの出力がプリアンプを介して前記ヒータの温度を制御する温度制御回路に接続される温度制御装置であり、または、前記温度制御回路は前記ＳＱＵＩＤの出力を基準のＤＣ電圧と比較する比較手段を有する温度制御装置であり、または前記プリアンプの出力がローパスフィルタを介して前記比較手段に入力される温度制御装置であり、または前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである温度制御装置である。
【０００９】
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、前記ＳＱＵＩＤとプリアンプを介して接続されている磁束測定部と、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路とを有する磁束計である。
【００１０】
また、本発明は、前記磁束測定部は前記ＳＱＵＩＤと共に磁束−ロックループを形成する磁束計であり、または前記ＳＱＵＩＤの出力が前記プリアンプを介して前記温度制御回路に接続される磁束計であり、または前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである磁束計である。
【００１１】
本発明はＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、測定される磁束は交流信号による磁束変調手段を有する磁束測定部により測定され、温度制御は前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路により行なわれる磁束計である。
【００１２】
本発明は、ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御方法であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用するため、前記ＳＱＵＩＤの出力電圧を検出するステップを有する温度制御方法である。
【００１３】
そして、本発明はさらに前記出力電圧を増幅するステップと、増幅された前記出力電圧を基準のＤＣ電圧と比較するステップを有する温度制御方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。ＳＱＵＩＤには直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤと無線周波数で動作するｒｆＳＱＵＩＤがある。
【００１５】
直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤにおいては、図１（Ａ）に示されているように、超伝導材料で作成したループ１１の途中に２つのジョセフソン接合１２が設けられている。例えば、高温超伝導材料を使用したＳＱＵＩＤの場合には、典型的な超伝導ループは厚さが１μｍ以下の薄膜で形成されている。
【００１６】
ＳＱＵＩＤは磁界を検出するための最も敏感なセンサである。ＳＱＵＩＤの基本的な構造は、幅が例えば３μの１個または２個の超伝導的に弱い接合、即ちジョセフソン接合１２、を有する、例えば厚さが０．２μｍのＳＱＵＩＤリング１１によって形成されている。
【００１７】
図１（Ａ）は直流で動作するｄｃＳＱＵＩＤを示しており、ＳＱＵＩＤリング１１の相対する側部に２つのジョセフソン接合１２を有する。この場合ｄｃＳＱＵＩＤは直流電源（図示せず）からの電流入力部１３を通して、直流電流（Ｉｂ）によってバイアスされている。また、直流電流（Ｉｂ）に低周波電流を重畳した（Ｉｂ＋低周波数電流）によってバイアスされる場合もある。
【００１８】
一方図２（Ａ）に示す交流で動作するｒｆＳＱＵＩＤのＳＱＵＩＤリング２１は、１個のジョセフソン接合２２を有し、このリング２１は図２（Ａ）に示すように、ｒｆコイル２３およびコンデンサ２４を含むタンク回路２５との誘導的結合によって生ずる無線周波数電流によってバイアスされる。タンク回路２５はｒｆＳＱＵＩＤへの電力供給部２６のコイル２７と誘導的に結合されており、コイル２７には電流入力部２８から交流電流Ｉｒｆが供給される。
【００１９】
図１（Ｂ）および図２（Ｂ）は、それぞれｄｃＳＱＵＩＤおよびｒｆＳＱＵＩＤのＩＶ曲線１６、１７および２９、３０を示している。図１（Ｂ）に示すようにｄｃＳＱＵＩＤのＩＶ曲線は、ＳＱＵＩＤのリング１１を貫くように適用される外部磁束（図１ｂにおいてはｎΦ０および（ｎ＋１／２）Φ０）によって変化する。（Ｂ）の場合、バイアス電流Ｉｂが一定で磁束がｎΦ０から（ｎ＋１／２）Φ０に変化すると、出力電圧はΔＶ変化する。このように、ｄｃＳＱＵＩＤが臨界電流よりもほんの少し大きい一定の電流によりバイアスされている場合、ｄｃＳＱＵＩＤの電圧はリングを貫く内部磁束Φの変化に従って変化する。ｄｃＳＱＵＩＤにおいて出力電圧Ｖは磁束の増加により周期的に変化しその周期はΦ０である。なおΦ０は磁束量子である。このような現象は、図１（Ａ）のリング１１における２つの分枝Ａおよび分枝Ｂをそれぞれ流れる電流間に現れる量子論的干渉効果の結果生ずるものである。ここで、ｎはＳＱＵＩＤに入る磁束の本数を示す。
【００２０】
ｒｆＳＱＵＩＤの場合のＩＶ曲線は図２（Ｂ）に示すように脈動しながら増加する。しかし磁束（Φ）と出力電圧Ｖとの関係は図２（Ｃ）に示すようにｄｃＳＱＵＩＤの場合と同様に周期的に変化する。
【００２１】
ＳＱＵＩＤを用いた磁束計においては、一般的に公知のいわゆる零−検出回路（ｚｅｒｏ−ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が使用される。零−検出回路は、外部磁界が変化した場合、ＳＱＵＩＤリングの磁束変化を打ち消すような電流を流してＳＱＵＩＤに入る磁束の変化を零にするように動作させる回路であり、磁束を打ち消すために流した電流により磁界の変化を検出する検出器である。この場合ＳＱＵＩＤ中の磁束は、リングからの出力電圧を積分回路を介して戻るように結合することにより、磁束の変化を補償することにより一定に即ち零に保たれる。このように、ＳＱＵＩＤは磁束−ロックループ、即ちＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）内で動作することになる。ＦＬＬを使用することにより、積分器４９の出力電圧は適用された磁束の変化に比例する。
【００２２】
図３に示すように、ｄｃＳＱＵＩＤの臨界電流ＩｃおよびＩＶ曲線は、温度Ｔにより変化する。低温においてＩｃはより大きくなる。図３において、Ｔ１はＴ２より温度が低く、このため、Ｔ１での臨界電流Ｉｃ１はＴ２での臨界電流Ｉｃ２よりも大きい。ｄｃＳＱＵＩＤが一定電流Ｉｂによりバイアスされている場合、ＳＱＵＩＤのｄｃ出力電圧Ｖｓは温度がＴ１からＴ２に変化するとＶ１からＶ２に変化する。
従って、他の環境条件に変化がなければｄｃＳＱＵＩＤのｄｃ電圧Ｖｓから、ＳＱＵＩＤの温度の変化を知ることができる。
【００２３】
図４（Ａ）は温度により変化するｄｃＳＱＵＩＤの臨界電流Ｉｃを示す。臨界電流Ｉｃは絶対温度の変化により、ほぼ直線的に変化する。図４（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤが一定電流５８０μＡでバイアスされている場合の温度と出力電圧の関係を示す。図４（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧Ｖｓが絶対温度の変化によりほぼ直線的に変化する状態を示す。
【００２４】
従って、ｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧Ｖｓの検出により、ｄｃＳＱＵＩＤ本体の温度または温度変化を検出することができる。従って、ｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧と所定の基準電圧との差分を用いてｄｃＳＱＵＩＤの近傍に設けたヒータ４５の加熱を制御することにより、ｄｃＳＱＵＩＤの温度を一定に制御することが可能である。ヒータとしては従来からこの技術分野において使用されてきたものを使用することができる。例えば、絶縁基板上に形成されたＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｗ等の金属薄膜を使用することも可能であるが、特に薄膜に限定されるものではない。
【００２５】
上記原理に基づきｄｃＳＱＵＩＤの温度制御を実現するためには、特別のｄｃＳＱＵＩＤ読出し回路が必要とされる。図５はｄｃＳＱＵＩＤを使用する場合の読出し回路４２および温度制御回路４３のブロック図を示す。
【００２６】
通常のｄｃＳＱＵＩＤに関しては２種類の結合、即ちトランス結合とＤＣ結合が存在する。しかし、トランス結合においては、ｄｃＳＱＵＩＤのＤＣ信号はトランスを通過しないため、本発明の温度制御には使用されない。本発明のＤＣ結合においてはｄｃＳＱＵＩＤのＤＣ信号もまた増幅される。温度制御回路において、ＤＣ電圧はｄｃＳＱＵＩＤの動作温度を調整するために使用される。
【００２７】
図５はｄｃＳＱＵＩＤを用いた場合の磁束計の温度制御における一実施の形態を示す。図５に示す実施の形態においては、ｄｃＳＱＵＩＤの読み出しにはＳＱＵＩＤ自体４１によるセンサとプリアンプ４６との結合が使用される。図５に示す本発明による温度制御装置は、少なくともＳＱＵＩＤ部６５、ＳＱＵＩＤの読み出し回路４２、そして温度制御回路４３により構成される。読み出し回路６５は外部磁束を検出し、温度制御回路４３はＳＱＵＩＤ自体の温度を検出することによりヒータ４５の加熱条件を制御し、ＳＱＵＩＤ自体を一定温度に維持する。
【００２８】
ＳＱＵＩＤ部６５は、ＳＱＵＩＤリング４１、ＳＱＵＩＤリング４１に設けられた２つのジョセフソン接合６３、６４、そして超伝導リング４１と磁気的に結合するフィードバックコイル４４を含む。そして超伝導リング４１は入力部６７からバイアス回路（図示せず）により電流Ｉｂが常時バイアスされている。
【００２９】
ＳＱＵＩＤ読み出し回路４２は、ＳＱＵＩＤ部６５と組合わされて、読み出し部６２に外部磁束に対応する出力信号を出力する。即ちＳＱＵＩＤ読み出し回路４２は、ＳＱＵＩＤ部からの出力を増幅するプリアンブ４６、プリアンブ４６と直列に接続された増幅器４７を含む。典型的には、プリアンブ４６の増幅率は約１０００倍、増幅器４７の増幅率は約１００倍が望ましい。さらに、読み出し回路４２は発振器５２、乗算機能を有する位相検出器４８、フィードバック抵抗５４、抵抗５１、５６、増幅器４９および積分コンデンサ５０を含み、増幅器４９と積分コンデンサ５０によって積分器６６が形成されている。読み出し部６２はさらに抵抗５４フィードバック路５７を介してコイル４４と接続されている。
【００３０】
発振器５２は典型的には数１０ｋＨｚの周波数で発振する。発振器５２からの変調用の交流電流は、抵抗５６およびライン５５を介してフィードバックコイル４４に伝えられ、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力における温度による効果と外部磁場による効果を分離するために、コイル４４を介して磁界を生成し、外部磁場（外部磁場の変化分）の変調を行う。発振器５２はまた位相検出器４８と接続されている。
【００３１】
ＳＱＩＵＤ部のＳＱＵＩＤリング４１を超伝導状態に転移させると、図１（Ｃ）に示すように、ＳＱＵｌＤからの出力はＳＱＵＩＤリング１１と鎖交する磁束に対してΦ。を周期として電圧変化する。ＳＱＵＩＤの動作点が例えば図１（Ｃ）のＡ点に設定されている場合、発振器５２から出力される例えば数１０ｋＨｚの変調信号を基に、ＳＱＵＩＤリング１１には変調フィードバックコイル４４を介して、変調信号に対応する数１０ｋＨｚの正弦波の変調磁束が加えられる。外部磁束が変動すると、ＳＱＵＩＤ６５の出力における動作点が移動し（例えばＡ‘点）、出力電圧の位相は変化する。
【００３２】
これら外部磁束の増減に対応して位相の変化した出力信号を、プリアンプ４６でおよそ１０００倍大きさに増幅した後、さらに増幅器４７によりおよそ１００倍に増幅し、乗算器４８および発振器５２により位相検波する。位相検出器４８は発振器５２の位相に対し所定の角度だけ位相のずれた（一般には同期した）信号のみを出力するので、その出力を積分器６６により積分することによって、磁界の変化をＤＣ電圧に変換することができ、外部磁束の変化に対応した変化量を得ることができる。
【００３３】
この変化量をフィードバック抵抗５４を介して変調フィードバックコイル４４によってＳＱＵＩＤリング４１に帰還させる。このフィードバック電流が帰還抵抗５４を流れることによって発生する電圧が外部磁界の変化量を示す。この電圧を取り出すことにより磁束の変化量を計測することができる。
【００３４】
即ち、外部磁界の増減に対応してＳＱＵＩＤリング４１内の磁束Φが増減すると、増減に対応したＳＱＵＩＤ部６５の出力信号が生じ、位相検出器４８、発振器５２そして積分器６６によって、外部磁界の増減に対応するＤＣ電圧が生成できる。このＤＣ出力電圧に対応する電流がフィードバック抵抗５４を介してフィードバック路５３からフィードバックコイル４４に流れて制御磁束を生成する。この制御磁束は、ＳＱＵＩＤリング４１と交差する外部磁束を打ち消して常に同じ動作点に固定するように制御される。このため、超伝導リング４１内の磁束は常に一定に保たれる。
【００３５】
検出された外部磁束の変化分は積分器によって加算されるので外部磁束の大きさに比例した電流が出力として得られる。かかる回路は一般にＦＬＬ回路と呼ばれており、磁束がロックされた状態からの外部磁界の変化量を、フィードバック電流が流れることによって発生する出力電圧から読み出すことができる。
【００３６】
従って、外部磁束による変化量は、高周波信号の位相ずれとして表れるので、交流成分を処理することにより測定することができる。
【００３７】
一方、温度変化による出力変化分は高周波成分を除くことによって得ることができる。従って、その典型的な実施の形態を示す温度制御回路４３は、プリアンプ４６の出力と接続される入力部６８を有し、高周波成分を遮断するローパスフィルタ６０、温度設定の基準となるＤＣ電圧源５９、そして一方の入力がローパスフィルタ６０に他方の入力がＤＣ電圧源５９と接続され、その差分に応じてヒータ４５への入力電流を制御する積分器５８を用いて形成することができる。積分器５８の出力はライン６１を介してヒータ４５に接続される。なお、温度制御回路４３は、温度センサとしても使用されるＳＱＵＩＤからの出力信号から高周波成分を除いてＳＱＵＩＤの温度変化を検出し、検出された温度を設定温度と比較して、ヒータに適切な電流を供給可能なものであれば良く、図５に示す温度制御回路４３に特に限定されるものではない。
【００３８】
以下にこの温度制御回路４３の動作を述べる。ＳＱＵＩＤ部６５の温度が設定温度より低くなると、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧を増幅するプリアンプ４６のＤＣ電圧は、ＤＣ電圧源５９が規定する基準のｄｃ電圧より低くなる。その結果、プリアンプ４６のＤＣ電圧と基準のｄｃ電圧の差分を積分する積分器（ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ）の出力電圧はより高くなる。その結果、ヒータ４５はより大きなパワーを生成し、ＳＱＵＩＤ部６５の温度を高くする。逆にＳＱＵＩＤ部６５の温度が設定温度より高くなると、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の出力電圧に対応するプリアンプ４６のＤＣ電圧と基準のｄｃ電圧の差が小さくなる。その結果、ヒータ４５のパワーは小さくなる。この方法によって、ｄｃＳＱＵＩＤ部６５の温度を安定化することができ、動作温度は温度制御ユニットのＤＣ電圧によって制御することが可能となる。
【００３９】
ＳＱＵＩＤがロックされた状態の場合、即ち補償する電流を流すことにより、外部磁束に関係する出力電圧を零または一定の状態にした場合、ＳＱＵＩＤ部６５からのＤＣ電圧は温度によってのみ変化することになる。ＳＱＵＩＤ部６５がロックされた状態の場合、超伝導リング４１を通過する磁束は一定に保たれる（例えば磁束が零の状態等）ので、ＳＱＵＩＤ部のＤＣ電圧はＳＱＵＩＤ部６５に適用される外部磁束によっては変化しない。
【００４０】
この方法は一般に測定の安定度が高いといわれているｒｆＳＱＵＩＤについて使用することも可能である。図６はｒｆＳＱＵＩＤに関するブロック図であり、ｒｆＳＱＵＩＤを用いた本発明に係る温度制御装置の一実施の形態を示す。図６に示すようにこの温度制御装置は、ｄｃＳＱＵＩＤの場合と同様に、ＳＱＵＩＤ部９６、ＳＱＵＩＤの読み出し回路７２、そして温度制御回路７３を用いて構成される。基本的な動作原理はｄｃＳＱＵＩＤと同様である。
【００４１】
ＳＱＵＩＤ部９６は、１個のジョセフソン接合９７を有するＳＱＵＩＤリング４１、ＳＱＵＩＤリング７１と磁気的に結合する帰還コイル７４を含む。そしてＳＱＵＩＤリング７１は誘導的に結合されたタンク回路７６によりバイアスされている。タンク回路７６はさらに読み出し回路７２と結合するコイル７５と誘導的に結合されている。
【００４２】
ｒｆＳＱＵＩＤの読み出し回路７２は、コイル７５およびタンク回路７６を介してＳＱＵＩＤ部９６を制御し、読み出し部８４に外部磁束に対応する出力信号出力を出力する。読み出し部８４は抵抗８８、ライン８９、９１を介してコイル７４と接続されている。ＳＱＵＩＤ読み出し回路７２は、ＳＱＵＩＤリング７１に臨界電流よりも少し大きい所定のバイアス電流を供給するための電力源となるＲＦ発振器８５を有し、方向性結合器７８を介してＳＱＵＩＤ部９６のコイル７５に所定のＲＦ電流を供給する。ＲＦ発振器８５は一般に例えば数１０ＭＨｚ〜数１００ＭＨｚの高周波信号を発生する。
【００４３】
ＳＱＵＩＤ部からの出力は、方向性結合器７８を介してｒｆ増幅器７９に伝えられる。ｒｆ増幅器７９はミクサ８０に接続されＲＦ発振器８５からの出力とミキシングされる。ミクサ８０からの出力が超伝導リングと交差する磁束の大きさに対応する出力を形成する。ミクサ８０を用いることにより、高周波信号の振幅と位相を検出することができる。ミクサ８０からの出力は増幅器８１によって増幅され、位相検波器８２に入力される。読み出し回路７２はさらに、ｄｃＳＱＵＩＤ読み出し回路４２と同様に機能する、低周波発振器８６、乗算機能を有する位相検出器８２、フィードバック抵抗８７、抵抗８８、積分器８３が形成される。
【００４４】
低周波発振器８６は数１０ｋＨｚの周波数で発振する。発振器８６からの変調用の交流電流は抵抗８７およびライン９０、９１を介してコイル７４に供給され、ｒｆＳＱＵＩＤ部９６の出力の温度による効果と外部磁場による効果を分離するために、コイル７４を介して磁界を生成し、外部磁場の変調を行う。
【００４５】
位相検出器８２は低周波発振器８６の周波数と同期した信号のみを出力させることにより、外部磁束の変化分に対応する変調部分の交流成分を取出す。
【００４６】
積分器８３の出力はフィードバック抵抗８８を介してＳＱＵＩＤ部９６に戻され、フィードバックコイル７４によって帰還させる。このフィードバック電流がフィードバック抵抗８８を流れることによって読み出し部８４に発生する電圧がＳＱＵＩＤ部９６に加えられた外部磁界の変化量を示す。そしてこの電圧を取り出すことにより電界変化量を計測することができる。低周波発振器８７の出力はまた、ライン９１を通ってフィードバックコイル７４に接続され、外部磁束の変化を検出するための交流磁界を発生する。この部分の動作は先に記載したｄｃＳＱＵＩＤの動作と共通する。
【００４７】
温度制御回路７３は増幅器８１の出力と接続され、高周波成分を遮断するローパスフィルタ９２、温度設定の基準となるＤＣ電圧源９３、そして一方の入力がローパスフィルタ９２に他方の入力がＤＣ電圧源９３と接続され、その差分に応じてヒータ７７への入力電流を制御する積分器９４を有する。この部分の動作も先に記載したｄｃＳＱＵＩＤの動作と共通する。
【００４８】
上記ＳＱＵＩＤによる上記温度制御装置を使用した場合、ＳＱＵＩＤの動作温度変化は０．１ケルビン以下となり、顕著な温度安定性が得られることがわかった。そしてこの動作温度は図５および図６のＤＣ電源電圧５９、９３を変化させることにより容易に調整することができる。本発明による温度制御装置を用いることにより、ＳＱＵＩＤシステムが朝から夕方まで８時間以上ロック状態に留まることができることがわかった。
【００４９】
冷凍機を用いて低温化される高Ｔｃ−ｄｃＳＱＵＩＤシステム、および冷凍機によるＳＱＵＩＤのために特に適切である、ｄｃＳＱＵＩＤおよびｒｆＳＱＵＩＤを使用した磁束測定回路を開発した。この測定回路において、ＳＱＵＩＤとプリアンプの間の導線抵抗の影響を除くために、ＳＱＵＩＤとプリアンプ間にｄｃ結合が使用された。冷凍機の温度変化の影響を低減するために、変調ＦＬＬ（磁束ロックループ）が使用された。この冷凍機によって冷凍される読み出し電子回路による高Ｔｃ−ｄｃＳＱＵＩＤシステムは、ＳＱＵＩＤ部を長時間一定の温度に維持することが可能である。本発明においては、ＳＱＵＩＤ以外の温度センサは不要となり、かつ高精度で長時間、冷凍機の温度を安定化させることができるようになり、冷凍機を用いてＳＱＵＩＤを安定して稼動させることが可能となった。
【００５０】
以上本発明のいくつかの実施の形態について図示しまた説明したが、本発明の技術的範囲を逸脱せずに、種々の変形が可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はｄｃＳＱＵＩＤの基本構造を示し、（Ｂ）はそのＩＶ特性を示し、（Ｃ）は外部磁束に対するｄｃＳＱＵＩＤの出力電圧の変化を示す。
【図２】（Ａ）はｒｆＳＱＵＩＤの基本構造を示し、（Ｂ）はそのＩＶ特性を示し、（Ｃ）は外部磁束に対するｒｆＳＱＵＩＤの出力電圧の変化を示す。ＩｒｆとＶｒｆは、無線線周波数信号の振幅である。
【図３】ｄｃＳＱＵＩＤのＩＶ特性とその温度変化を示す。
【図４】（Ａ）はｄｃＳＱＵＩＤの温度と臨界電流の関係を示す。（Ｂ）はｄｃＳＱＵＩＤにおける温度と出力電圧の関係を示す。
【図５】ｄｃＳＱＵＩＤを用いた場合の、磁束計とその温度制御回路のブロック図を示す。
【図６】ｒｆＳＱＵＩＤを用いた場合の、磁束計とその温度制御回路のブロック図を示す。
【図７】従来技術によるＳＱＵＩＤの温度制御回路の概略をブロック図で示す。
【符号の説明】
１１ … ＳＱＵＩＤリング
１２ … ジョセフソン接合
１３ … 電流入力部
１４、１５ … 出力部
１６ … 外部磁束がｎΦ０の時のｄｃＳＱＵＩＤのＩ‐Ｖ曲線
１７ … 外部磁束が（ｎ＋１／２）Φ０の時のｄｃＳＱＵＩＤのＩ‐Ｖ曲線
１８ … 磁束に対する電圧変化
２１ … ＳＱＵＩＤリング
２２ … ジョセフソン接合
２３ … ｒｆコイル
２４ … コンデンサ
２５ … タンク回路
２６ … 電力供給部
２７ … コイル
２８ … 入力部
２９ … 外部磁束が（ｎ＋１／２）Φ０の時のＩ−Ｖ曲線
３０ … 外部磁束がｎΦ０の時のＩ−Ｖ曲線
３１ … ｒｆＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ曲線
４１ … ＳＱＵＩＤリング
４２ … ＳＱＵＩＤの読み出し回路
４３ … 温度制御回路
４４ … フィードバックコイル
４５ … ヒータ
４６ … プリアンプ
４７ … 増幅器
４８ … 位相検出器
４９ … 増幅器
５０ … 積分コンデンサ
５１、５４、５６ … 抵抗
５２ … 発振器
５３ … フィードバック路
５５ … ライン
５７ … フィードバック路
５８ … 積分器
５９ … ＤＣ電圧源
６０ … ローパスフィルタ
６１ … ライン
６２ … 読み出し部
６３、６４ … ジョセフソン接合
６５ … ＳＱＵＩＤ部
６６ … 積分器
６７ … 入力部
６８ … 入力部
７１ … ＳＱＵＩＤリング
７２ … 読み出し回路
７３ … 温度制御回路
７４ … フィードバックコイル
７５ … コイル
７６ … タンク回路
７７ … ヒータ
７８ … 方向性結合器
７９ … ＲＦ増幅器
８０ … ミクサ
８１ … 増幅器
８２ … 位相検出器
８３ … 積分器
８４ … 読み出し部
８５ … ＲＦ発振器
８６ … 低周波発振器
８７ … 抵抗
８８ … フィードバック抵抗
８９、９０、９１、９５ … ライン
９２ … ローパスフィルタ
９３ … ＤＣ電源
９４ … 積分器
９６ … ＳＱＵＩＤ部
９７ … ジョセフソン接合
１０１ … ＳＱＵＩＤ
１０２ … 冷凍機
１０３ … 温度センサ
１０４ … 温度制御部
１０１ … ヒータ
Claims (12)
- ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御装置であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御装置。
- 前記ＳＱＵＩＤの出力がプリアンプを介して前記ヒータの温度を制御する温度制御回路に接続される請求項１記載の温度制御装置。
- 前記温度制御回路は前記ＳＱＵＩＤの出力を基準のＤＣ電圧と比較する比較手段を有する請求項２記載の温度制御装置。
- 前記プリアンプの出力がローパスフィルタを介して前記比較手段に入力される請求項３に記載の温度制御装置。
- 前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである請求項１から４のいずれか１項に記載の温度制御装置。
- ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、前記ＳＱＵＩＤとプリアンプを介して接続されている磁束測定部と、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路とを有する磁束計。
- 前記磁束測定部は前記ＳＱＵＩＤと共に磁束−ロックループを形成する請求項６記載の磁束計。
- 前記ＳＱＵＩＤの出力が前記プリアンプを介して前記温度制御回路に接続される請求項７記載の磁束計。
- 前記ＳＱＵＩＤはｄｃＳＱＵＩＤまたはｒｆＳＱＵＩＤのいずれかである請求項７または８記載の磁束計。
- ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御する前記ＳＱＵＩＤを用いる磁束計であって、測定される磁束は交流信号による磁束変調手段を有する磁束測定部により測定され、温度制御は前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用する温度制御回路により行なわれる磁束計。
- ＳＱＵＩＤをその近傍に配置したヒータにより過熱して温度制御するＳＱＵＩＤの温度制御方法であって、前記ＳＱＵＩＤ自体を温度センサとして使用するため、前記ＳＱＵＩＤの出力電圧を検出するステップを有する温度制御方法。
- さらに前記出力電圧を増幅するステップと、
増幅された前記出力電圧を基準のＤＣ電圧と比較するステップを有する請求項１１に記載の温度制御方法。
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