JP2004233231A

JP2004233231A - 低温冷却容器およびそれを用いた磁界分布計測装置

Info

Publication number: JP2004233231A
Application number: JP2003022986A
Authority: JP
Inventors: Etsuhisa Saotome; 悦久五月女; Kazuo Saito; 和夫斉藤; 一正 ▲高▼木; Kazumasa Takagi; Akira Tsukamoto; 塚本　　晃
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】超電導磁界センサの検出ループに非接触の状態で磁性探針を貫通させて固定し、超電導磁界センサと磁性探針を断熱して超電導磁界センサのみを冷却する低温冷却容器およびそれを用いた磁界分布計測装置を提供する。
【解決手段】内部を超電導転移温度以下に冷却可能な冷却容器の内部に一端が位置し、かつ他端が冷却容器の外部に位置する冷却用ブロックの該他端に固定された超電導磁界センサと、冷却容器の外側との間に真空槽を形成する外部容器と、外部容器に固定された磁性探針とを有する低温冷却容器を供する。さらに、外部容器側面に形成されたネジ穴の内部と位置調整用支持部品が接合し、位置調整用支持部品の一端が冷却用ブロックを固定することを特徴とする低温冷却容器を提供する。これにより、位置調整用支持部品を用いて、超電導磁界センサの位置の調節および固定が可能となり、磁性探針が超電導磁界センサの検出ループに非接触の状態で貫通させることが可能となる。冷却時の冷却用ブロックの熱収縮による超電導磁界センサの位置ずれを防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性材料内部の損傷などの欠陥検査や、ノイズ源推定に供する集積回路パターンの磁界分布測定に用いる、磁性探針と超電導磁界センサからなる磁界分布計測装置に係り、超電導磁界センサのみを冷却する低温冷却容器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超電導体を用いた磁界センサには、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）と超電導薄膜コイルの２つがある。ＳＱＵＩＤは、最小１０^−１５テスラまでの微弱な磁場を検出することが可能であり、高感度の磁界センサとして生体磁場計測や非破壊検査など様々な方面で応用され始めている。また、超電導薄膜で構成される平面コイルは、超電導薄膜の抵抗損失が零であることと、高周波損失の原因となる表面抵抗が、１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの周波数帯域において、低抵抗を示す金属材料より３桁以上低い特性を示すことから、低損失の高周波磁界センサとして機能する。
【０００３】
これらの超電導磁界センサを用いた磁界分布計測装置は、被測定物が発する磁束密度や被測定物に電気信号を印加した場合に誘起される磁束密度を計測し、被測定物の表面を走査することで、磁束密度分布を計測する装置である。図２は従来の超電導磁界センサを用いた磁界分布計測装置の一例を示した構成図である。
【０００４】
磁界分布計測装置は、超電導磁界センサ４４、冷却容器、データ表示・解析装置４８、移動ステージ４６で構成される。冷却容器は、内層容器４０と外層容器４１の間を真空層５１で断熱し、内層容器４０の内部に冷媒４２を保持し、内層容器４０底面の外側に固定された超電導磁界センサ４４を冷却して超電導状態を維持する。超電導磁界センサ４４の出力は、センサに接続された信号配線５０を通りセンサ制御回路４９に達して処理され、データ表示・解析装置４８に送られる。移動ステージ４６は、ステージ上に装着した被測定物４５と超電導磁界センサ４４との位置合わせおよび被測定物４５の走査に用いる。上下方向の移動では、被測定物４５と超電導磁界センサ４４との距離が最小となるように調節し、水平方向の移動では、被測定物４５の測定範囲を走査する。移動ステージ４６はステージコントローラ４７によって制御され、データ表示・解析装置４８から命令をステージコントローラ４７に送ることで、磁界測定に同調して移動ステージ４６が移動し、磁界分布を計測することができる。
【０００５】
磁界分布計測装置の重要な性能である空間分解能は、超電導磁界センサ４４と被測定物４５の距離に大きく依存する。しかし、超電導磁界センサ４４と被測定物４５との間には真空層５１および外層容器４１の底部があり、断熱を維持するための真空層５１の厚さおよび真空状態を維持するための外層容器４１の剛性を考慮すると、超電導磁界センサ４４と被測定物４５の距離は１ｍｍ程度までしか短くならない。
【０００６】
そこで、超電導磁界センサ４４と被測定物４５の距離を１ｍｍとした場合の超電導磁界センサ４４に鎖交する磁界分布を調べるため、磁界シミュレーションを行った。被測定物４５は、図３に示す平面基板５４の上に、線幅０．２ｍｍ、隣接する線との間隔０．２ｍｍで配置されたメアンダ状の配線パターン５３である。この配線パターンに１ｍＡの電流を流して、配線パターンから平面に対して垂直方向に１ｍｍ離れた点における磁束密度を計算し、平面に対して、図３のＸ_１−Ｘ_２の方向に走査し、平面基板に垂直な方向の磁界成分の分布を求めた。計算結果を図４に示す。メアンダ状の配線５３は隣接する線に流れる電流の向きが反対であるため、配線の間に基板平面に垂直な磁場が発生する。しかし、図４は配線の間に対応した磁界分布を示していない。よって、断熱した超電導磁界センサを被測定物に近づけて空間分解能を向上させる方法には限界がある。
【０００７】
そこで、超電導磁界センサ４４を被測定物４５に近づける代わりに、図５に示すように高い透磁率を示す軟磁性体で構成される探針（磁性探針）３を用いて、被測定物４５に近づける側の磁性探針３の先端を先鋭化して外部容器５に固定し、他方の端を検出ループ１７に非接触の状態で近接させて超電導磁界センサ４４のみを冷却用ブロック１を用いて冷却することで、被測定物４５近傍の磁界を効率よく超電導磁界センサ４４に導き、磁界分布を計測することができる。このときの空間分解能は、磁性探針３と被測定物４５の間の距離および被測定物４５に近づける側の磁性探針３の先端部の断面積に大きく依存する。磁性探針３は冷却する必要がないため、被測定物４５に近づける時の制限がなく、断熱した超電導磁界センサ４４を被測定物４５に近づける場合と比べ、さらに空間分解能を向上させることができると予想される。
【０００８】
従来、磁性探針を超電導磁界センサに近づけて磁界を効率よく超電導磁界センサに導く手段としていくつかの技術が知られている。
１９９７年６月イクステンデッド・アブストラクツ・オブ第６回インターナショナル・スーパーコンダクティブ・エレクトロニクス・コンファレンス（ＩＳＥＣ’９７）、第３巻、第３９５〜３９８頁にあるＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉計）顕微鏡を用いた実験では、図１０に示すように、磁性探針３をＤＣ−ＳＱＵＩＤ１９の検出ループ１７の内側に開けた穴に固定して冷媒４２中で冷却し、磁性探針３の先端を被測定物４５に移動ステージ４６を用いて近接させることで、磁界を効率よく検出ループ１７に導き、磁性探針３の先端を細くすることで、被測定物４５の静磁場分布において０．１μｍの空間分解能を得たことが記載されている。
【０００９】
２００１年３月アイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・アプライドスーパーコンダクティビティ、第１１巻、第１号、第２２６〜２２９頁にあるＳＱＵＩＤと高透磁率の軟磁性体の探針を用いた実験では、図１１に示すように磁性探針３の一端をＳＱＵＩＤの検出ループ１７表面に近接させ、さらに磁性探針３の周囲を磁気シールド２１で覆うことで、数十Ｈｚの低周波電流を流したプリント配線の近傍磁界を０．３ｍｍの空間分解能で計測したことが記載されている。
【００１０】
２００１年６月イクステンデッド・アブストラクツ・オブ第８回インターナショナル・スーパーコンダクティブ・エレクトロニクス・コンファレンス（ＩＳＥＣ’０１）、第１巻、第１９９〜２００頁にあるＳＱＵＩＤと高透磁率の磁性探針３を用いた実験では、図１２に示すように、ＳＱＵＩＤの検出ループ１７（直径２．２ｍｍ）の内側の絶縁基板１８を削って深さ０．１〜０．２ｍｍの凹部１６を形成し、被測定物４５に近づける側が尖った角柱状の磁性探針３（長さ７ｍｍ、幅０．３ｍｍ、奥行き０．３ｍｍ）の一端が、検出ループ１７を貫通するように位置する構造を形成し、間隔０．２ｍｍで配置された磁性粉末で構成される幅０．１ｍｍの線が識別可能な空間分解能を示したことが記載されている。
【００１１】
特開平９−１１９９１８には、冷媒を保持するクライオスタットの内層容器と外層容器の間の真空槽中に、検査室を設け、検査室内に被検査物と被検査物を走査するステージを設置し、内層容器底面に位置する超電導磁気センサーに被検査物を真空中で近接させることで、間隔２ｍｍの配線パターンに流れる電流を識別することができると記載されている。
【００１２】
特開２０００−２２７４６８には、ＳＱＵＩＤの検出ループの中心軸と同一直線上に磁性材料の探針を立て、探針の先端近傍の磁気情報を集め、かつその磁気情報を探針外部に漏らすことなくＳＱＵＩＤの検出ループに伝達する技術が記載されている。この技術により、従来では不可能であった微小領域の磁気を測定が可能な高空間磁気分解能を達成することができると記載されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
導電性材料内部の傷や損傷などの欠陥を検査する非破壊検査装置において、より細かい欠陥を検出するために、室温環境下で被測定物が発する磁界を０．１ｍｍ以下の空間分解能で計測可能な磁界分布計測が求められている。また、集積回路から放射されるノイズ源の位置およびノイズの伝送経路をより厳密にノイズ源の位置を推定するには、従来の配線近傍の磁界分布計測手段の空間分解能よりも高い分解能での検出が必要であり、非破壊検査装置の場合と同様に、０．１ｍｍ以下の空間分解能が求められている。
【００１４】
超電導磁界センサを用いた磁界分布計測の空間分解能を向上させるには、図５に示すように、被測定物４５に近接させる側の磁性探針３の先端を先鋭化し、他方の端を超電導磁界センサの検出ループ１７に貫通させる必要がある。このとき、センサの空間分解能は磁性探針先端部の形状および先端部断面の面積に大きく依存する。そこで、磁性探針の形状および寸法を検討した結果、比透磁率が１００以上の軟磁性材料を用いた場合、図６に示すように、長さ４ｍｍ、長さ方向に垂直な断面が一辺０．３ｍｍの正方形となる角柱の形状を持ち、被測定物に近接させる側の先端が先端部の断面が一辺０．０１ｍｍ以下の正方形となるように先鋭化された磁性探針に、磁性探針の先端から３ｍｍ離れた位置に直径０．６ｍｍの検出ループを配置した場合、磁性探針により検出した磁界分布は、０．１ｍｍの空間分解能を示すことが分かった。
【００１５】
また、センサの検出効率は磁性探針３と検出ループ１７との位置関係に大きく依存する。そこで、磁性探針３と検出ループ１７の位置と、検出ループ１７に鎖交する磁性探針３が検出した磁界との関係について詳細な検討を計算機シミュレーションにより行った。
【００１６】
図７はシミュレーションのための磁性探針と検出ループおよび被測定物との関係を示し、図８はシミュレーションの結果を示す。ここで被測定物は、平行に配置された配線２５_１、２５_２が絶縁層２６の中に埋め込まれている状態とし、それぞれの配線２５に流れる電流の向きが反対であるとした。また、磁性探針３を配線２５_１、２５_２の中間位置で、紙面の左右方向（Ｘ軸）と直交する面において上下方向（Ｚ軸）の適当な位置に置き、さらに、検出ループ１７を検出ループ１７が作る面がＺ軸と直交するような向きで、検出ループ１７の中心軸と磁性探針３の中心軸が同一直線上となるように配置した。この位置関係で磁性探針３の長さＬをパラメータとして、検出ループ１７に鎖交する磁界の大きさを計算した。ここで、検出ループ１７と磁性探針３の先端部との距離ｄ＝２ｍｍ、線幅Ｗ＝０．１ｍｍ、線間隔ｓ＝０．１ｍｍ、磁性探針３の先端部と配線２５間の距離ｄｚ＝０．０１ｍｍ、磁性探針３の先端部幅０．０１ｍｍ、磁性探針３の太さは一辺が０．３ｍｍの正方形となる角柱とした。図８は、シミュレーションの結果を表す図であり、横軸は磁性探針３の長さＬと検出ループ１７と磁性探針先端部との距離ｄの差（Ｌ−ｄ）を、縦軸はＬ−ｄ＝０のときに検出ループ１７に鎖交する磁束密度の大きさを１とした相対感度を示す。Ｌ−ｄ＞０の条件では、磁性探針３が検出ループを貫通し、Ｌ−ｄ＜０の条件では、磁性探針３が検出ループを貫通していない状態を表す。図８から、検出ループ１７に磁性探針３が貫通すると急激に相対感度が増加することが分かった。さらに、検出ループ１７から磁性探針３が１ｍｍ突き出ている場合は、磁性探針３の検出ループ側の先端が検出ループ１７と同じ位置である場合に比べて３倍の感度を有している。このことから、磁性探針３が検出した磁界を効率よく超電導磁界センサの検出ループ１７に伝えるには、磁性探針３が検出ループ１７を貫通し、検出ループ１７を貫通した部分を長くする必要がある。
【００１７】
さらに、磁性探針３が検出した磁界を効率良く超電導磁界センサに伝えるには、磁性探針が貫通している検出ループ１７は、磁性探針３以外から検出ループ１７に鎖交する意図しない磁界の検出を防止する必要がある。そこで、磁性探針が検出ループに導く磁場の量と、磁性探針以外から検出ループに鎖交する磁場の量を比較し、磁性探針３以外から検出ループ１７に鎖交する磁場に影響を受けない検出ループの条件を検討した。
【００１８】
磁性探針は軟強磁性体であり、磁場が通りやすい性質を持つ。そこで、軟強磁性体の磁場の収集度を調べるため、計算機シミュレーションを用いて、図６に示した形状の磁性探針に、長さ方向に平行となる一様な磁場を印加し、比透磁率μを１から１０００まで変化させたときの磁性探針が収集した磁場を求めた。計算結果を図９に示す。横軸に比透磁率μを、縦軸に、磁性探針が収集した磁場を比透磁率が１の場合に磁性探針が収集した磁場で規格化した磁場収集度を示す。図９から分かるように、比透磁率１００以上では磁場収集度が約８に近づいている。よって、比透磁率１００以上の磁性体を用いる場合、磁性探針が収集する磁場は周りの磁場に比べて最大８倍の密度を持っている事が分かった。
【００１９】
検出ループの感度はループ面積に比例する。検出ループの面積をＳｐ、検出ループを貫通する磁性探針の長さ方向に垂直な断面の面積をＳｔとすると、検出ループにおいて磁性探針以外から検出される磁場を磁性探針から検出される磁場より小さくするためには、
Ｓｐ−Ｓｔ＜Ｓｔ
の条件を満たす必要がある。しかし、上記の検討から磁性探針が収集する磁場は周りの磁場に比べて約８倍の密度を持っていることから、検出ループにおいて磁性探針以外から検出される磁場の影響を小さくするためには、
Ｓｐ−Ｓｔ＜８Ｓｔ
の条件を満たせば良いことが分かる。この条件を図６に示した寸法の磁性探針に当てはめた場合、一辺が０．３ｍｍの正方形を断面とする磁性探針に対して、検出ループの寸法は、直径１ｍｍ以下である必要がある。
【００２０】
上記の検討によって、一辺が０．３ｍｍの正方形を断面とする磁性探針に対して、磁性探針が検出する磁場を主に検出させるには、直径１ｍｍ以下の検出ループが必要であることがわかった。検出ループに磁性探針を貫通させるためには、検出ループの内側に穴をあける必要がある。穴の形成には機械加工を用いるため、加工精度の制限から、穴の直径は０．８ｍｍ以下となる。
【００２１】
さらに、超電導磁界センサ４４を冷却し磁性探針を室温状態で保持するため、磁性探針３と超電導磁界センサ４４は真空層５１で断熱する必要がある。磁性探針の断面は一辺が０．３ｍｍの正方形をであり、対角線の長さは約０．４２ｍｍとなる。このことから、磁性探針３と超電導磁界センサ４４を非接触の状態で固定する場合、磁性探針３と超電導磁界センサ４４の間隔は最も近いところで０．１９ｍｍとなる。
【００２２】
しかしながら、冷却容器を構成する部品は機械加工によって作製されることから、機械加工の誤差範囲（±０．０１ｍｍ〜±０．１ｍｍ）程度の位置ずれが生じる。よって、磁性探針３と超電導磁界センサ４４を固定する位置は、機械加工された複数の部品を組み合わせるため、±０．１ｍｍ以上の誤差を生じる。このことから０．１９ｍｍの間隔を空けて、磁性探針３を超電導磁界センサ４４の検出ループ１７に非接触で、再現性良く貫通させることは困難である。したがって、機械加工による加工誤差程度のずれを補正する工夫が必要である。
【００２３】
また、超電導磁界センサ４４のみを冷却した場合、超電導磁界センサ４４を冷却する冷却用ブロック１が熱収縮により、超電導磁界センサ４４の位置が変化するため、冷却の前後で超電導磁界センサ４４が移動して磁性探針３に接触しないように工夫する必要がある。
【００２４】
図１０を参照して説明した磁性探針３をＤＣ−ＳＱＵＩＤ１９の検出ループ１７の内側に開けた穴に固定して冷媒４２中で冷却し、磁性探針３の先端を被測定物４５に近接させる方法は、被測定物４５も一緒に冷却するため、室温環境での被測定物４５の磁界分布を測定することはできない。
【００２５】
図１１を参照して説明した磁性探針３の一端をＳＱＵＩＤの検出ループ１７の表面に近接させ、さらに磁性探針３の周囲を磁気シールド２１で覆う方法は、検出ループ１７を磁性探針３が貫通していないため、図８に示したように、磁性探針３が検出ループ１７を貫通する場合と比べて感度が低下し、さらに低温に冷却した場合、冷媒４２を保持している内側容器９およびＳＱＵＩＤを固定している冷却用ブロック１が収縮することにより、磁性探針３のＳＱＵＩＤの検出ループ１７に面した端面と検出ループ１７の距離が増加し、さらに感度が低下する。
【００２６】
図１２を参照して説明したＳＱＵＩＤの検出ループの内側の絶縁基板１８を削って凹部１６を形成し、磁性探針３の一端が、検出ループ１７を貫通する方法は、凹部１６の深さが０．１〜０．２ｍｍと浅く、さらに低温に冷却した場合、冷媒４２を保持しているクライオスタット２２およびＳＱＵＩＤを固定しているサファイアロッド２３が収縮することにより、磁性探針３がＳＱＵＩＤの検出ループ１７を貫通している部分が減少する。図８によれば貫通している磁性探針３の長さが０．１〜０．２ｍｍの場合、その長さの変化によって感度が大きく変化するため、外部からの振動や冷却温度の変化により感度の安定性が低下する。また、ＳＱＵＩＤの検出ループ１７の面積と磁性探針３の長さ方向に垂直な断面の面積の比は約４２：１であり、ＳＱＵＩＤの検出ループ１７は、磁性探針３以外から検出ループに鎖交する意図しない磁界を多く検出してしまい、感度が低下する。
【００２７】
特開平９−１１９９１８に示される真空槽中に検査室を設けて内層容器底面に位置する超電導磁気センサに被検査物を真空中で近接させる方法は、磁性探針を必要とせず、冷却した超電導磁気センサを室温環境下の被測定物に近接させることが可能であるが、被測定物が真空中に置かれるため、被測定物の装着が煩雑となり被測定物の大きさが制限される。また、外部からの信号入力が必要な被測定物に対して信号線を外部から真空中へ導入することは困難である。
【００２８】
特開２０００−２２７４６８に示されるＳＱＵＩＤの検出ループの中心軸と同一直線上に磁性材料の探針を立てる方法においても、真空中に被測定物を置くため、同様に被測定物の装着が煩雑となり、被測定物の大きさが制限される。
【００２９】
本発明の目的は、上記従来技術の欠点を克服し、超電導磁界センサの検出ループに非接触の状態で磁性探針を貫通させて固定し、超電導磁界センサと磁性探針を断熱して超電導磁界センサのみを冷却する低温冷却容器およびそれを用いた磁界分布計測装置を提供することである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記課題に対して本発明では、内部を超電導転移温度以下に冷却可能な冷却容器の内部に一端が位置し、かつ他端が冷却容器の外部に位置する冷却用ブロックの該他端に固定された超電導磁界センサと、冷却容器の外側との間に真空層を形成する外部容器と、外部容器に固定された磁性探針とを有する低温冷却容器において、外部容器側面に形成されたネジ穴の内部と位置調整用支持部品が接合し、位置調整用支持部品の一端が冷却用ブロックを固定することを特徴とする低温冷却容器を提供する。外部容器側面と冷却用ブロックと位置調整用支持部品を用いて、超電導磁界センサの位置の調節および固定が可能となり、冷却時の冷却用ブロックの熱収縮による超電導磁界センサの位置ずれを防ぐことができる。
【００３１】
また、本発明においては、前記の低温冷却容器において、冷却用ブロックを冷却容器に接する側と超電導磁界センサに接する側の２つに分離し、両者を変形可能な熱伝導体で接続することを特徴とする低温冷却容器を提供する。これにより、位置調整用支持部品による固定および冷却時の熱収縮によって生じる冷却用ブロック内部の歪みおよび位置調整用支持部品にかかる応力を緩和し、超電導磁界センサの固定に対する安定度が向上する。
【００３２】
さらに、本発明においては、前記の低温冷却容器において、磁性探針を固定する外部容器の側面に、位置調整用支持部品の位置に対応した穴を有し、穴の周囲を真空封止用のフランジで覆うことを特徴とする低温冷却容器を提供する。この構造によって、超電導磁界センサの検出ループの内側に開けた穴の位置と磁性探針の位置を決める磁性探針固定用の穴の位置を合わせることが容易となり、非接触の状態で磁性探針を超電導磁界センサの検出ループに貫通させることが容易に実現できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例によってより工夫された実施形態を含めて説明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術範囲を何ら限定するものではない。
（実施例１）
図１は本発明による低温冷却容器の第１の実施例を模式的に示す断面図である。図１を参照して分かるように、この低温冷却容器は、超電導薄膜コイル２９の内側に貫通した穴２８_１を有する絶縁体基板１８、および超電導薄膜コイルを固定し熱を伝える冷却用ブロック１と、冷却用ブロックを冷却する液体窒素３０および液体窒素を保持する内部容器９と、内部容器９の外側との間に真空層５１を形成する外部容器５と、外部容器５に固定された磁性探針固定用カバー６および、超電導薄膜コイル２９の内側に形成された穴２８_１に接触しないように、超電導薄膜コイル２９を貫通した状態で磁性探針固定用カバー６に固定された磁性探針３と、外部容器５側面に形成されたネジ穴の内部と接合し、冷却用ブロック１に一方の端部が接触した位置調整用支持部品４と、超電導薄膜コイル２９からの計測信号を外部容器５の外部に導く配線２５および配線２５と外部容器５の接合部分の真空漏れを防止する真空封止用シール２７を備えて構成される。
【００３４】
真空を維持するため、外部容器５および内部容器９は溶接により接合され、外部容器５と磁性探針固定用カバー６はＯリング３１を介して接触し固定される。また、磁性探針３と磁性探針固定用カバー６は、シリコンゴムもしくはエポキシ樹脂などの密封性の高い接着剤を用いて、磁性探針固定用カバー６に形成した穴２８_２に固定する。穴２８_２の大きさは、磁性探針３の大きさによるが、磁性探針３が穴２８_２を貫通できる大きさであり、磁性探針３の長さ方向に垂直な断面において最も長い部分の長さより０．２ｍｍ長い直径であることが望ましい。
【００３５】
磁性探針固定用カバー６に用いる材料は、真空による圧力荷重に耐えられる剛性を示し、密封性が高く、高い抵抗率を示す材料が望ましい。本実施例では、マッコールを用いている。
【００３６】
磁性探針３には、比透磁率が１００以上を示す軟磁性体を用いることが望ましく、１００ＭＨｚ以上の高周波磁界を計測する場合は、磁性探針３の形状に加工した構造材を１００ＭＨｚ以上の周波数で比透磁率が６００以上を示すＣｏＮｉＦｅＭｏＣなどの磁性薄膜で覆った構造を用いることが望ましい。
【００３７】
超電導薄膜コイル２９はその内側に、磁性探針３を貫通させるための穴２８_１を有し、その穴２８_１の直径は、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の直径より０．１〜０．４ｍｍ長いことが望ましい。
【００３８】
貫通した磁性探針３が冷却用ブロック１に接触することを防ぐため、冷却用ブロック１の超電導薄膜コイル２９を固定する面において、その面の中心に、超電導薄膜コイル２９の内側に開けた穴２８_１の直径と同じ大きさの穴２８_３を形成する。
【００３９】
位置調整用支持部品４は外部容器５の側面に図１３に示すように配置される。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるＡ−Ａ’面の断面図を示す。図１３（ｂ）に示すように、位置調整用支持部品４は円柱状の冷却用ブロック１の側面に４箇所等間隔かつ、同じ高さの位置に配置される。このとき、配置する位置調整用支持部品４の数は、２箇所以上が望ましいが、位置調節の操作性の点から、図１３（ｂ）に示すような配置が最も好ましい。
【００４０】
位置調整用支持部品４について、図１４に詳細を示す。位置調整用支持部品４は、位置調節用ネジ３２と断熱用球体１５とで構成される。図１４から分かるように、位置調節用ネジ３２が外部容器５の側面に形成されたネジ穴に貫通した状態で接合し、冷却用ブロック１に形成された球状の凹部１６との間に断熱用球体１５を挟むことで冷却用ブロック１を固定している。
【００４１】
位置調節用ネジ３２は、円柱状の構造材の側面にねじ山を形成し、円柱における円形の平面の一方には、ねじ回しで回転が可能なように、プラス（＋）もしくはマイナス（ー）の形状を持った窪みが形成され、他方の面には、ある曲率半径を持った球状の凹部１６を有している。位置調節用ネジ３２を構成する材料は、剛性が高く非磁性の材料が望ましく、銅やステンレスがある。位置調節用ネジ３２の寸法は、外部容器５および冷却用ブロック１の大きさにもよるが、ネジの剛性の維持および外部容器５に形成したネジ穴との接合を維持するため、太さは直径１ｍｍから３ｍｍの間が望ましく、長さは３ｍｍから１０ｍｍの間が望ましい。位置調節用ネジ３２における球状の凹部の曲率半径は、ネジ３２の太さの２分の１以上で３分の２以下であることが望ましい。また、ネジ３２の変形を防ぐためネジ３２の長さと太さの比率は５：１以下が望ましい。
【００４２】
断熱用球体１５は、位置調節用ネジ３２に形成された球状の凹部１６が持つ曲率半径の１倍以上３倍以下の半径を持つ球体が望ましい。断熱用球体１５を構成する材料は剛性が高く、熱伝導率が低い材料が望ましい。そのような材料として石英ガラスがある。
【００４３】
冷却用ブロック１に形成された球面状の凹部１６の曲率半径は、凹部１６と断熱用球体１５との接触面積を減らすことで冷却用ブロックへの熱流入が減るため、断熱用球体１５の半径の２倍以上４倍以下が望ましい。
【００４４】
図１５を用いて、位置調節用ネジ３２を回すことによって、冷却用ブロック１の位置を調節する方法を説明する。図１５（ａ）は、図１３（ｂ）と同様に、冷却用ブロック１が４方向から位置調整用支持部品４によって固定されている構造を示す。位置調整用支持部品４_１および４_３のネジを回して、紙面の右方向にネジを移動させると、位置調整用支持部品４_１が冷却用ブロック１を紙面の右方向に押した状態となり冷却用ブロック１を右方向へ押す力が加わる。位置調整用支持部品４_３を紙面の右方向に移動すると、冷却用ブロック１の内部容器側に固定された部分が支店となり、押された冷却用ブロック１が右方向へ移動する。その結果、冷却用ブロック１における超電導薄膜コイル２９を固定する面が図１５（ｂ）に示すように紙面の右方向に移動することができる。また、位置調整用支持部品４_２および４_４のネジを回して、紙面の上方向にネジを移動させると、同様のメカニズムによって、図１５（ｃ）に示すように紙面の上方向に冷却用ブロック１を移動させることができる。紙面の左方向および下方向においても同様の方法で冷却用ブロック１を移動させることができる。
【００４５】
ここで、図１に示す低温冷却容器において、磁性探針３を超電導薄膜コイル２９に非接触の状態で貫通させ、固定する方法を、図１６を用いて説明する。この固定を行う前には、磁性探針固定用カバー６と磁性探針３の固定および磁性探針固定用カバー６と外部容器５の固定は実施されていない状態であるとする。この固定方法において、作業を容易とするため、図１に示す低温冷却容器の上下を逆にした状態で行うとする。まず、図１６（ａ）に示すように超電導薄膜コイル２９の内側に開いた穴２８_１と冷却用ブロック１に開いた穴２８_３の位置を合わせて、超電導薄膜コイル２９を冷却用ブロック１に固定する。次に、図１６（ｂ）に示すように磁性探針固定用カバー６を被せる。このとき、磁性探針固定用カバー６に開いた磁性探針３を固定する穴２８_２を、実体顕微鏡を用いて観察し、実体顕微鏡の視野の中心と、磁性探針固定用カバー６に開いた磁性探針３を固定する穴２８_２の中心とを合わせる。次に、磁性探針固定用カバー６を取り外し、位置調節用ネジ３２を回して、超電導薄膜コイル２９に開いた穴２８_１の中心が、実体顕微鏡の視野の中心となるように冷却用ブロック１の位置を調節する。位置の調整が終了したら、再度磁性探針固定用カバー６を被せる。このとき、磁性探針固定用カバー６と外部容器５の加工誤差により、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の位置が移動するが、再び実体顕微鏡の視野の中心に、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の中心が合うように、磁性探針固定用カバー６の位置を調節することで、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２と、超電導薄膜コイル２９に開いた穴２８_１の位置を合わせることができる。この状態で、磁性探針固定用カバー６と外部容器５を固定する。
【００４６】
さらに、図１６（ｃ）に示すように磁性探針３を磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２に通す。このとき、超電導薄膜コイル２９に開いた穴２８_１の直径が、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の直径より０．２ｍｍ長いため、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２を通った磁性探針３は、超電導薄膜コイル２９の内側に開いた穴２８_１の側面と接触することなく、超電導薄膜コイル２９を貫通することができる。最後に、磁性探針３の端部が超電導薄膜コイル２９の面に対して１ｍｍ貫通した位置で、シリコンゴムもしくはエポキシ樹脂などの密封性の高い接着剤を用いて固定する。
【００４７】
以上の方法を用いれば、低温冷却容器に使用する部品に加工誤差が生じていても、再現性良く、位置の調整が可能となり、非接触の状態で超電導薄膜コイル２９に磁性探針３を貫通させることが可能になる。
【００４８】
さらに、位置調節用ネジ３２を締めることで、冷却用ブロック１の固定が可能であり、さらに冷却用ブロック１が冷却されて熱収縮が起こっても、位置調節用ネジ３２によってその位置は保持され、冷却用ブロック１の冷却後においても、非接触の状態で超電導薄膜コイル２９に磁性探針３を貫通させることができる。
【００４９】
位置調節用ネジ３２は断熱用球体１５を介して冷却用ブロック１を固定しているため、断熱用球体１５を通して熱が冷却用ブロック１に伝わり冷却用ブロック１の温度を上昇させることが考えられる。そこで、実際に図１に示す構成の低温冷却容器を作製し、外部容器５と内部容器９の間を真空に引き（真空度：１×１０^−６Ｔｏｒｒ）、液体窒素３０を内部容器９に入れて、位置調節用ネジ３２による冷却用ブロック１の固定がある場合とない場合において、冷却用ブロック１における超電導薄膜コイル２９を固定する面の温度と磁性探針固定用カバー６の温度を計測した。その結果、位置調節用ネジ３２による冷却用ブロック１の固定の有無に関わらず冷却用ブロック１の温度が−１９０℃であったのに対し、磁性探針固定用カバー６の温度は１８℃であった。したがって、断熱用球体１５を通して伝わる熱によって冷却用ブロック１の温度が上昇することはなく、断熱用球体１５によって十分な断熱が実現可能である。
【００５０】
なお、本実施例において、超電導薄膜コイル２９を用いているが、この部分をＳＱＵＩＤに置き換えても何ら差し支えない。また、冷却用ブロック１の固定において、冷却用ブロック１と外部容器５との間に熱シールド板などが存在し、直接、位置調整用支持部品４による却用ブロック１の固定ができない場合は、熱シールド板にネジ穴を形成して、位置調整用支持部品４をその穴に接合させることで、冷却用ブロック１と熱シールド板を固定し、さらに外部容器５側面に形成されたネジ穴に接合した位置調整用支持部品４を用いて熱シールド板を固定しても差し支えない。
（実施例２）
本実施例は、実施例１と本質的には同じであるが、冷却用ブロック１の位置調整の自由度をより大きくし、冷却時における冷却用ブロック１にかかる歪みを緩和するように工夫されたものである。
【００５１】
図１７は、本発明による第２の実施形態例である低温冷却容器の断面を模式的に表したものである。図１と対比して分かるように、本実施例２は、冷却用ブロック１が、内部容器９に接する側と超電導薄膜コイル２９に接する側とに分離し、その間を変形可能な熱伝導体１０で接続するとともに、超電導薄膜コイル２９に接する冷却用ブロック１１を固定する位置調節用支持部品４の数が増加している点において実施例１と異なるのみである。
【００５２】
冷却用ブロック１は冷却されると収縮するため、位置調節用支持部品４で固定されていると、冷却時に冷却用ブロック１および位置調節用支持部品４に大きな応力がかかり、位置調節用支持部品４を用いた位置の調整において、断熱用球体の脱落および、位置調整用ネジの変形を招き、位置調整の精度が低下する。そこで、冷却用ブロック１を内部容器に接する側と超電導薄膜コイルに接する側とに分離し、その間を変形可能な熱伝導体１０で接続することで、冷却時の収縮による歪みを熱伝導体１０の変形により緩和し、上記の変形を防止することができる。
【００５３】
変形可能な熱伝導体１０の形状は、応力により容易に変形し歪みを解消するものであれば良く、細い線を多数寄り合わせたものや網目状のシートを丸めて棒状にしたものを用いても差し支えない。熱伝導体１０に用いる材料は、熱伝導率が高く、剛性の低い、銅やアルミニウム、金などが望ましい。また、冷却効率を高めるため、変形可能な熱伝導体１０と冷却用ブロック１１、１２との接続は、冷却用ブロック１１，１２の接続部にネジ穴を開け、熱伝導率が高い材料を用いたネジに熱伝導体１０の一端を巻き付けて、冷却用ブロック１１，１２の接続部のネジ穴に入れてネジを締めることで機械的に固定し、さらに、半田もしくはインジウムなどを溶融させて接続部を覆い、冷却用ブロック１１，１２と熱伝導体１０の接触面積を増加させる。
【００５４】
超電導薄膜コイル２９を固定する冷却用ブロック１１は、分離されて変形可能な熱伝導体１０に接続されたため、図１３に示した、４個の位置調節用指示部品４による固定だけでは充分な安定性が得られない。そこで、図１７に示すように４個一組の位置調節用指示部品４による冷却用ブロック１１の固定を、上下方向にもう一組増やすことで、超電導薄膜コイル２９を固定する冷却用ブロック１１の安定性が大きく向上できる。超電導薄膜コイル２９を固定する冷却用ブロック１１は、位置調節用指示部品４における位置調節用ネジを回すことで、冷却用ブロック１１の応力を受けることなく、容易に位置の調整が可能である。
（実施例３）
本実施例は、上述した実施例２と本質的には同じであるが、磁性探針固定用カバー６の外側に、真空封止用カバー３３を加えた構造を特徴とする低温冷却容器を提供する。これにより、磁性探針固定用カバー６を外部容器５に被せたままで冷却用ブロック１１の位置を調整することができ、超電導薄膜コイル２９と磁性探針３を非接触状態で固定するための位置合わせの再現性を向上させることができる。
【００５５】
図１８には、本発明による第３の実施形態例である低温冷却容器の断面を模式的に表したものである。図１７と対比して分かるように、本実施例３は、磁性探針固定用カバー６が外部容器５に固定されるとともに、位置調整用支持部品４が外部容器５の側面に配置され、さらに真空を保持するための真空封止用カバー３３をその外側に配置している点において実施例２と異なるのみである。
【００５６】
図１６に示す、磁性探針３を超電導薄膜コイル２９に非接触の状態で貫通させて、固定する方法において、超電導薄膜コイル２９の内側に形成された穴２８_１と、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の位置を合わせる時に、一旦被せた磁性探針固定用カバー６を取り外して、超電導薄膜コイル２９の内側に形成された穴２８_１の位置を調整し、再び磁性探針固定用カバー６を被せる方法を取っている。そこで、図１８に示すような構造にすることで、磁性探針固定用カバー６を取り外さずに、超電導薄膜コイル２９の内側に形成された穴２８_１の位置を調整することができる。
【００５７】
磁性探針固定用カバー６は、磁性探針固定用カバー６に開いた穴２８_２の位置が外部容器５に対して動かないように、外部容器５にネジ等の固定部品によって固定される。このとき既に、超電導薄膜コイル２９は冷却用ブロック１１に固定されているものとする。この状態で、外部容器５の側面に形成したネジ穴に接合している位置調整用ネジ３２を回すことによって、磁性探針固定用カバー６に開いた穴の位置と超電導薄膜コイル２９の内側に形成された穴２８_１との位置を同時に観察することができ、両者の位置合わせの作業手順が簡素化できる。
【００５８】
真空封止用カバー３３は、図１８に示すように、円筒の上面および底面に封止のためのリング状の円盤が付加され、外部容器５および磁性探針固定用カバー６をそれぞれＯリング３１を介して固定する構造を有している。真空封止用カバー３３に用いる材料は、ステンレス等、真空による圧力荷重に耐えられる剛性を示し、密封性が高いことが望ましい。
（実施例４）
図１９は、本発明による第４の実施例として、前述した実施例による超電導薄膜コイル２９を含む低温冷却容器を用いた磁界分布計測装置の全体構成としてのブロック図を示す。図１９において、３４は前述した超電導磁界センサを含む低温冷却容器である。図１９に示す磁界分布計測装置は、低温冷却容器３４および低温冷却容器３４を保持する支持体４３と、超電導薄膜コイル２９からの信号配線５０および超電導薄膜コイル２９の制御回路３５と、データ表示装置３６およびデータ解析装置３７と、被測定物４５および移動ステージ４６と、ステージコントローラ４７で構成される。低温冷却容器３４内に設置された超電導薄膜コイル２９の出力は、超電導薄膜コイル２９に接続された信号配線５０を通り制御回路３５に達して、データ解析装置３７で処理され画像化された信号をデータ表示装置３６に送り画像として表示する。移動ステージ４６は、ステージ上に装着した被測定物４５を低温冷却容器３４の底部に固定された磁性探針３の先端に近づけるためと、被測定物４５の走査に用いる。上下方向の移動では、被測定物４５と磁性探針３の先端部との距離が最小となるように調節し、水平方向の移動では、被測定物４５の測定範囲を走査する。移動ステージ４６はステージコントローラ４７によって制御され、データ解析装置３７から命令をステージコントローラ４７に送ることで、磁界測定に同調してステージ４６が移動し、被測定物４５の磁界分布を計測する。
【００５９】
図１９では、被測定物４５がＩＣおよびＬＳＩを搭載したプリント基板であり、ＩＣおよびＬＳＩの間が配線により接続されている状況での計測結果を模式的に示した。この例では、信号入力装置３８に接続されたプリント基板上のＩＣ，ＬＳＩから放射される磁界の様子を矢印で示し、計測結果はデータ表示装置３６に磁界強度の強いところ程濃く表示される状況を示した。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、室温環境下の被測定物が発する磁界を、高感度、高空間分解能で検出する磁界分布計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態例である低温冷却容器の構造図。
【図２】従来の超電導磁界センサを用いた磁界分布計測装置の一例を示した構成図。
【図３】メアンダ状の配線パターンおよびを磁界分布の走査箇所を表す図。
【図４】図３の配線パターンから垂直方向に１ｍｍ離れた点における磁界分布の計算結果。
【図５】磁性探針と超電導磁界センサを組合せた磁界センサの構造を表す模式図。
【図６】磁性探針の形状および寸法を表す図。
【図７】磁性探針が検出ループに貫通する長さと検出ループに鎖交する磁場の関係のシミュレーションを行うための磁性探針と検出ループおよび被測定物との位置関係を表す模式図。
【図８】図７のシミュレーション結果。
【図９】図６に示した形状の磁性探針に、長さ方向に平行となる一様な磁場を印加したときの磁性探針が収集した磁場と磁性探針の比透磁率μの関係を表すシミュレーション結果。
【図１０】磁性探針をＤＣ−ＳＱＵＩＤの検出ループの内側に開けた穴に固定した超電導磁界センサの構造の一例を示す図。
【図１１】磁性探針の一端をＳＱＵＩＤの検出ループ表面に近接させ、さらに磁性探針の周囲を磁気シールドで覆う構造を有する超電導磁界センサの一例を示す図。
【図１２】ＳＱＵＩＤ検出ループの内側の絶縁基板を削って凹部を形成し、磁性探針の一端が、検出ループを貫通するように位置する構造を有する超電導磁界センサの一例を示す図。
【図１３】本発明による第１の実施例である低温冷却容器における位置調整用支持部品の配置を表す図。
【図１４】図１３に示す位置調整用支持部品の詳細な構造および形状を表す図。
【図１５】本発明による第１の実施例において、位置調節用ネジを回すことで、冷却用ブロックが移動することを説明する模式図。
【図１６】本発明による第１の実施例において、磁性探針を超電導薄膜コイルに非接触の状態で貫通させ、固定する方法を説明する模式図。
【図１７】発明による第２の実施例である低温冷却容器の断面を模式的に表す図。
【図１８】本発明による第３の実施例である低温冷却容器の断面を模式的に表す図。
【図１９】本発明による第４の実施例として、前述した実施例による超電導薄膜コイルを含む低温冷却容器を用いた磁界分布計測装置の全体構成としてのブロック構成を表す図。
【符号の説明】
１冷却用ブロック、２超電導センサ、３磁性探針、４位置調整用支持部品、５外部容器、６磁性探針固定用カバー、７真空断熱層、８冷媒、９内部容器、１０熱伝導体、１１超電導センサと接する冷却用冷却用ブロック、１２冷媒と接する冷却用冷却用ブロック、１３真空封止用フランジ、１４熱シールド板、１５断熱用球体、１６凹部、１７検出ループ、１８絶縁体基板、１９ＤＣ−ＳＱＵＩＤ、２０移動ステージ支持体、２１磁気シールド、２２クライオスタット、２３サファイアロッド、２４サファイアロッド支持体、２５配線、２６絶縁層、２７真空封止用シール、２８穴、２９．超電導薄膜コイル、３０．液体窒素、３１．Ｏリング、３２．位置調節用ネジ、３３．真空封止用カバー、３４．低温冷却容器、３５．制御回路、３６．データ表示装置、３７．データ解析装置、３８．信号入力装置、４０．内層容器、４１．外層容器、４２．冷媒、４３．支持体、４４．超電導磁界センサ、４５．被測定物、４６．移動ステージ、４７．ステージコントローラ、４８．測定データ表示・解析装置、４９．センサ制御回路、５０．信号配線、５１．真空、５２．蓋、５３．メアンダ状の配線パターン、５４．平面基板。

Claims

内部を超電導転移温度以下に冷却可能な冷媒保持容器の前記内部に一端が位置し、かつ他端が前記冷媒保持容器の外部に位置する冷却用ブロックの前記他端に固定された超電導磁界センサと、前記冷却容器の外側との間で真空槽を形成する外部容器と、該外部容器に密着した磁性探針固定用カバーと、該磁性探針固定用カバーに開けられた穴に固定された磁性探針を有する低温冷却容器において、前記外部容器側面に形成された複数のネジ穴の内部と複数の位置調整用支持部品が接合し、該位置調整用支持部品の一端が前記冷却用ブロックを固定することを特徴とする低温冷却容器。
請求項１において、前記冷却用ブロックを冷却容器に接する側と超電導磁界センサに接する側の２つに分離し、両者を変形可能な熱伝導体で接続することを特徴とする低温冷却容器。
請求項１または２において、前記外部容器の側面に、前記位置調整用支持部品の位置に対応した穴を有し、前記磁性探針を固定するカバーと前記外部容器とを固定し、さらに前記穴の周囲を真空封止用カバーで覆うことを特徴とする低温冷却容器。
請求項１から３のいずれかに記載の低温冷却容器を用いた磁界分布計測装置。