JP2006284518A

JP2006284518A - 磁気センサ

Info

Publication number: JP2006284518A
Application number: JP2005108187A
Authority: JP
Inventors: Satoru Hirano; 悟平野; Shigetoshi Oshima; 重利大嶋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）磁気センサ回路において、一定周波数の印加磁場に対する測定対象の応答を検出する場合、印加磁場の周波数が極めて小さい場合でも測定システム全体の感度が劣化せず、外部磁気雑音に強く取り扱いの簡便な高感度ＳＱＵＩＤ磁気センサを提供する。
【解決手段】ＳＱＵＩＤ磁気センサ回路を、一定周波数で振動する磁気信号検出回路５によって磁場を検出し、ＳＱＵＩＤ電圧計７に磁気結合させるように構成する。磁気信号は、振動検出回路５の振動周波数でロックイン検出することが可能となり、印加磁場周波数が超低周波領域にある場合でも、顕著な感度の劣化が生じない。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を用いた高感度測定機器に関するものである。

図２は従来の超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ，ＳＱＵＩＤ）を用いた磁気センサ回路を説明する模式図であり、例えば下記の非特許文献１に記載されている。１はＳＱＵＩＤを表す。

超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１は、超伝導体からなるリングに一つまたは二つのジョセフソン接合を含み、リングに鎖交する磁束の大きさを電圧に変換する素子である。一般にＳＱＵＩＤの磁束−電圧変換係数は非線形であるので、図２が示すように、通常ＳＱＵＩＤをゼロ検出素子として用いたフィードバック・ループ（Ｆｌｕｘ−ｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ，ＦＬＬ回路）により線形応答する磁束計を構成する。２はＦＬＬ回路を表す。ＦＬＬ回路２を構成するエレクトロニクスのドリフト、温度特性などによる影響を受けないようにするため、図２のように変調磁束を印加して位相検波することが多い。

図２が示すように、通常、磁気信号を検出する回路（例えば、コイルや平面回路。以下、まとめて検出コイルという。３は検出コイルを表す）は機械的に固定されている。時間変化する低周波磁気信号を受動的に測定する場合には、このような磁気センサ回路で十分であることが多い。

ところが、図３に示すような、一定周波数の印加磁場に対する測定対象の応答を検出するような能動的測定に応用する場合、印加磁場の周波数が極めて小さく数Ｈｚ以下という超低周波領域になると、様々な原因によって、測定システム全体の感度が悪くなる。このような測定の一例は、非破壊検査に応用する場合であり、例えば下記の非特許文献２に記載されている。

超低周波領域で感度が劣化する原因のひとつとして、ＳＱＵＩＤそのものの低周波ノイズが挙げられ、特にジョセフソン接合の臨界電流のゆらぎや超伝導リングを構成する超伝導薄膜内の磁束量子運動による低周波ノイズが支配的である。このようなノイズは、例えば下記の非特許文献３に記載されている。

印加磁場を参照信号としてロックイン検出する場合でも、参照信号周波数が数Ｈｚ以下という超低周波領域になると、ロックイン・アンプ４を構成するエレクトロニクス自体のドリフト、温度特性などのため、ロックイン検出しても信号雑音比（ＳＮ比）が改善されなくなり、ロックイン検出法の有効性が失われてしまう。

さらに、取り扱いの簡便さ、測定システムの汎用性を高めるために、ＳＱＵＩＤ磁気センサを小型冷凍機に搭載すると、冷凍機そのものから発生する振動などによる低周波ノイズも重畳してしまい、高感度磁気センサであるＳＱＵＩＤを応用する環境はますます悪くなる。

結局、磁気測定システム全体の感度がＳＱＵＩＤ単体の高感度に比べて極めて悪いものとなり、トータルでＳＱＵＩＤを使うメリットが無くなってしまうことが多い。このような問題から、これまで数多くの研究者達によって様々な試みがなされてきたにもかかわらず、実用的な高感度ＳＱＵＩＤ非破壊検査システムの成功例は未だ報告されていないのが現状である。
Ｊ．ＣｌａｒｋｅａｎｄＡ．Ｉ．Ｂｒａｇｉｎｓｋｉｅｄｓ．，ＴｈｅＳＱＵＩＤＨａｎｄｂｏｏｋ，Ｖｏｌ．１，Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ，２００４．Ｎ．Ｋａｓａｉ，Ｙ．Ｈａｔｓｕｋａｄｅ，ａｎｄＨ．Ｔａｋａｓｈｉｍａ，ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．Ｅ８８−Ｃ，Ｎｏ．２，２００５．Ｔ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｈ．Ｈａｙａｋａｗａ，Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉｅｄｓ．，ＶｏｒｔｅｘＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＳＱＵＩＤｓ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００３．

高感度ＳＱＵＩＤ磁気センサ回路において、非破壊検査応用のように一定周波数の印加磁場に対する測定対象の応答を検出する場合、印加磁場の周波数が極めて小さい場合でも測定システム全体の感度が劣化せず、外部磁気雑音に強く取り扱いの簡便なＳＱＵＩＤ磁気センサを実現する。

上記課題の解決は、一定周波数で振動する磁気信号検出回路によって磁場を検出しＳＱＵＩＤに磁気結合させることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁気センサ回路により達成される。磁気信号は、検出回路の振動周波数でロックイン検出することが可能となり、印加磁場周波数が超低周波領域にある場合でも、顕著な感度の劣化が生じない。

従来の技術において、印加磁場周波数が超低周波領域にある場合に感度劣化等の問題が生じる根本原因は検出回路が機械的に固定されているためであり、本発明はその根本原因を取り除くことで実用的な高感度ＳＱＵＩＤ磁気測定システムを実現することが可能となる。

従来の技術において、上述のような問題が生じる根本原因は、検出回路が機械的に固定されているためである。

図１は、本発明の一定周波数で振動する磁気信号検出回路をもつＳＱＵＩＤ磁気センサ回路を説明する模式図である。検出回路は、例えば、コイルや平面回路である。以下、まとめて振動検出回路と呼ぶ。５は振動検出回路を表す。振動検出回路５は、超伝導体・常伝導体どちらでもよい。簡単のため、振動検出回路５が常伝導金属線（例えば銅線）であるとする。

振動検出回路５は、自励発振する振動子６（例えばカンチレバー）上に固定されているとする。振動子６が機械的に振動しているとき、振動検出回路５に局所的空間分布をもつ信号磁場が鎖交すると、振動検出回路５に振動周波数で変調された誘導起電力が生じる。空間的に一様な磁場が鎖交する場合は、誘導起電力は生じない。

この振動検出回路５を、図１のようにＳＱＵＩＤ電圧計７の入力回路に接続すると、入力コイルに生じる電流は振動検出回路５に生じた誘導起電力に比例し、入力コイルと磁気結合されたＳＱＵＩＤ１は、誘導起電力に比例した磁束を検出する。７はＳＱＵＩＤ電圧計を表す。ＳＱＵＩＤ電圧計７の出力は、通常のＦＬＬ回路２で検出される。

空間的に一様な磁場に対し感度を有しないという特徴は、振動検出回路５が環境磁気ノイズに対する耐性が強いことを意味する。

振動検出回路５を含む入力回路全体が超伝導体の場合は、検出回路が振動していない場合でも空間的に一様な磁場に対し感度を有するが、ＳＱＵＩＤ１の磁束−電圧変換係数が磁束に対し周期的であるため、検出磁場の絶対値は不明である。この場合、空間的に一様な環境磁場の影響を抑制するには、振動検出回路５を差動回路（グラジオメータ）とすればよい。

超伝導体・常伝導体いずれの場合でも、一定周波数の印加磁場に対する測定対象の応答を検出する場合には、以下の実施例から明らかなように、振動検出回路５を印加磁場の周波数よりも大きい一定周波数で振動させた場合にその有効性が発揮される。

図４は本発明の一定周波数で振動する磁気信号検出回路をもつＳＱＵＩＤ磁気センサ回路の一実施例を説明する模式図である。

振動子６の振動周波数を、ＦＬＬ回路２の磁場ノイズ特性が平坦（ホワイト・ノイズ特性）である領域（通常、数ｋＨｚから数十ｋＨｚ）にあるように選ぶ。ＦＬＬ回路２の磁束変調周波数は、振動子６の発振周波数よりも高く（この例では数十から数百ｋＨｚ）設定する。測定対象の応答を調べるために印加する磁場の周波数は、ＦＬＬ回路２の周波数帯域内（通常、数Ｈｚから数ｋＨｚ）の任意の値を取ることが出来るが、本発明では、数Ｈｚ程度以下であってもよい。

図５は、これらの周波数とＦＬＬ回路２で駆動されたＳＱＵＩＤ電圧計７の典型的な磁場ノイズ・パワー・スペクトル密度との関係を説明する図である。図５から明らかなように、振動子６の発振周波数でロックイン検出することで、高感度を維持できるという利点をもつことが分かる。

以上詳細に説明したように本発明によれば、非破壊検査応用のように一定周波数の印加磁場に対する測定対象の応答を検出する場合、印加磁場の周波数が極めて小さい場合でも測定システム全体の感度が劣化せず、外部磁気雑音に強く取り扱いの簡便なＳＱＵＩＤ磁気センサを実現することが可能となる。

従来の技術において、印加磁場周波数が超低周波領域にある場合に感度劣化等の問題が生じる根本原因は検出回路が機械的に固定されているためであり、本発明はその根本原因を取り除くことで実用的なＳＱＵＩＤ磁気測定システムの開発を促進するものである。

本発明の振動検出回路をもつＳＱＵＩＤ磁気センサ回路を説明する模式図である。従来のＳＱＵＩＤを用いた磁気センサ回路を説明する模式図である。従来のＳＱＵＩＤを用いた非破壊検査を説明する模式図である。本発明の振動検出回路をもつＳＱＵＩＤ磁気センサ回路の一実施例を説明する模式図である。（実施例１）本発明の振動検出回路をもつＳＱＵＩＤ磁気センサ回路の利点を説明する図である。（実施例１）

符号の説明

１ＳＱＵＩＤ
２ＦＬＬ回路
３検出コイル
４ロックイン・アンプ
５振動検出回路
６振動子
７ＳＱＵＩＤ電圧計

Claims

超伝導量子干渉素子（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱＵａｎｔｕｍＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＤｅｖｉｃｅ，ＳＱＵＩＤ）を用いた磁気センサにおいて、磁気信号入力回路に一定周波数で振動する検出回路を含むことを特徴とする磁気センサ。
自励発振する振動子上に磁気信号検出回路を備える請求項１記載の磁気センサ。
請求項１記載の磁気センサを備える測定機器。