JP2010101680A - Ｓｑｕｉｄセンサの磁束トラップ解除方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＳＱＵＩＤセンサを加熱して超伝導状態を壊し、磁束トラップを解除していた。このため、解除時にＳＱＵＩＤセンサに熱ストレスがかかるので、特性が変化し、あるいは破損してしまうことがあるという課題を解決する。
【解決手段】 ＳＱＵＩＤセンサに上部臨界磁場以上の磁場を印加して超伝導状態を壊し、磁束トラップを解除するようにした。ＳＱＵＩＤセンサに熱ストレスがかかることがないので、ＳＱＵＩＤセンサの特性が変化し、また破損することがない。

【選択図】 図１

Description

本発明は、微小磁束測定に用いられるＳＱＵＩＤ(Superconducting QUantum Interference Device)センサに発生する磁束トラップを解除する方法およびその装置に関するものである。

ＳＱＵＩＤセンサ(Superconducting QUantum Interference Device、超伝導量子干渉素子)は超伝導体のリングの１箇所または２箇所にジョセフソン接合を有する素子であり、生体が発生する微小磁界等を測定するために用いられる。

超伝導体は、通常の状態ではマイスナー効果のためにその内部に磁束が侵入することはできない。しかし、第２種超伝導体では、磁束の一部を超伝導体の内部に取り込むことができる。この取り込まれた磁束は、磁束量子として超伝導体内部に存在する。

超伝導体内部の磁束量子がある値を越えると、磁束トラップという不安定な状態が発生する。磁束トラップが発生するとＳＱＵＩＤセンサの動作が不安定になり、磁束を測定することができなくなる。

そのため、磁束トラップが発生したことを検出すると、ヒータ等を使用し超伝導状態を壊して磁束量子を超伝導体外部に逃がして磁束トラップを解除し、再度超伝導状態に戻さなければならない。

図３に、磁束トラップ解除の概念図を示す。図３（Ａ）はＳＱＵＩＤセンサの状態を表した図であり、１０はＳＱＵＩＤセンサ、１１はこのＳＱＵＩＤセンサ１０内に発生した磁束量子である。この磁束量子１１の密度が一定値以上になると磁束トラップが発生する。磁束トラップが発生すると、超伝導状態を壊して磁束量子を外部に逃がし、磁束トラップを解除しなければならない。

図３（Ｂ）は磁束トラップを解除する装置の概念図である。１２はヒータであり、ＳＱＵＩＤセンサ１０に近接して配置されている。このヒータ１２は電源１３で駆動される。スイッチ１４をオンにするとヒータ１２に電流が流れるので、ＳＱＵＩＤセンサ１０は暖められて超伝導体が壊れる。このため、磁束量子１１は矢印で示すようにＳＱＵＩＤセンサ外部に逃げ、磁束トラップが解除される。磁束トラップが解除されるとスイッチ１４をオフにして冷却し、再度超伝導状態に戻す。このようにして、磁束トラップを解除することができる。

図４に、磁束トラップ解除機能付きのＳＱＵＩＤセンサを用いた磁束計測装置の構成を示す。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図４において、２０はピックアップコイルであり、測定すべき磁束を検出する。ピックアップコイル２０の出力は入力コイル２１により、ＳＱＵＩＤセンサ１０に入力される。なお、１０ａ、１０ｂはジョセフソン接合部である。

ＳＱＵＩＤセンサ１０にはバイアス電流源２２、出力部２３、磁束トラップ判定部２４が接続される。バイアス電流源２２は、ＳＱＵＩＤセンサ１０にバイアス電流を供給する。出力部２３は、ＳＱＵＩＤセンサ１０の出力から磁束の強さを表す出力信号を生成する。磁束トラップ判定部２４は、ＳＱＵＩＤセンサ１０の出力から磁束トラップが発生しているかどうかを判定する。

２５はヒータ部であり、ヒータ１２、電源１３、およびスイッチ１４で構成される。スイッチ１４は磁束トラップ判定部２４の出力によって制御される。

このような構成において、磁束トラップ判定部２４はＳＱＵＩＤセンサ１０の出力から磁束トラップが発生しているかどうかを判定し、磁束トラップが発生しているとスイッチ１４をオンにして超伝導状態を壊して磁束トラップを解除し、スイッチ１４をオフにして再度超伝導状態に戻す。

特許文献１には、このような磁束トラップ解除装置を具備した磁束計測装置が記載されている。図５を用いて、この発明の概略を説明する。

ＳＱＵＩＤセンサ３０には、バイアス電流源３１から交流バイアス電流が印加される。被測定磁界はピックアップコイル３２で検出され、入力コイル３３を経てＳＱＵＩＤセンサ３０に入力される。このため、ＳＱＵＩＤセンサ３０は交流バイアス電流に応じたパルスを出力する。

このパルスはカウンタ回路３３に入力され、このカウンタ回路３３の出力は被測定磁界に比例する計数出力として外部に出力される。カウンタ回路３３の出力は、正パルス用カウンタ３４ａ、負パルス用カウンタ３４ｂで構成されるパルス発生頻度測定回路３４に入力される。正パルス用カウンタ３４ａ、負パルス用カウンタ３４ｂは、それぞれＳＱＵＩＤセンサ３０が発生する正パルス、負パルスをカウントする。

正パルス用カウンタ３４ａ、負パルス用カウンタ３４ｂのカウント値は判定回路３５に入力される。判定回路３５はこれらのカウンタの出力から磁束トラップが発生しているかどうかを判定し、その結果を制御回路３６に通知する。

制御回路３６は、判定回路３５から磁束トラップ発生の通知を受けるとヒータ３７を制御し、磁束トラップを解除する。

磁束トラップがない状態では、バイアス電流源３１が供給する交流バイアス電流は正負対称に変化するように調整されているので、正パルスと負パルスの発生頻度は一致する。磁束トラップが発生するとＳＱＵＩＤセンサ３０の特性が変化し、正パルスと負パルスの発生頻度は一致しなくなる。パルス発生頻度測定回路３４は正パルスと負パルスの発生頻度を測定し、この測定結果に基づいて判定回路は磁束トラップが発生しているかどうかを判定する。
特開平５−３１２９２９号公報

しかしながら、このような磁束トラップ解除機能付き磁束計測装置には、次のような課題があった。図４、図５の磁束計測装置はいずれもＳＱＵＩＤセンサの近辺にヒータを設置して、磁束トラップが発生するとこのヒータでＳＱＵＩＤセンサを暖め、超伝導状態を壊して磁束トラップを解除し、再度超伝導状態に戻す構成である。

しかし、ＳＱＵＩＤセンサは薄膜で製作されているので、急激な温度変化は大変なストレスになる。そのため、ヒータを使用した磁束トラップ解除を数回行うとＳＱＵＩＤセンサの特性が変化して測定精度が低下し、またＳＱＵＩＤセンサが破損してしまうという課題があった。

また、ＳＱＵＩＤセンサに近接して配置されたヒータで暖めるので、ＳＱＵＩＤセンサ内部の温度分布を均一にすることは難しい。そのため、超伝導状態が壊れない部分が発生して磁束トラップを完全に解除することができないという課題もあった。さらに、ＳＱＵＩＤセンサ内部の配線などの影響で解除できない磁束トラップが残ってしまうという課題もあった。

従って本発明の目的は、磁場を用いて磁束トラップを解除することにより、ＳＱＵＩＤセンサにストレスを与えることなく磁束トラップを解除することができるＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除方法およびその装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
ＳＱＵＩＤセンサに発生する磁束トラップを解除する方法であって、
前記ＳＱＵＩＤセンサに磁場を印加し、この磁場によって前記ＳＱＵＩＤセンサの超伝導状態を壊して、前記磁束トラップを解除するようにしたものである。ＳＱＵＩＤセンサにストレスをかけないで磁束トラップを解除できる。

請求項２記載の発明は、
ＳＱＵＩＤセンサに発生する磁束トラップを解除する装置であって、
所定の強さの磁場を発生し、前記ＳＱＵＩＤセンサにこの発生した磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁場発生部に磁場を発生させ、また磁場の発生を停止させる制御部と、
を具備したものである。ＳＱＵＩＤセンサにストレスをかけないで磁束トラップを解除できる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
前記制御部は、
前記ＳＱＵＩＤセンサの出力が入力され、この入力された値に基づいて前記ＳＱＵＩＤセンサに磁束トラップが発生しているか否かを判定して、磁束トラップが発生したと判定したときに、前記磁場発生部に磁場を発生させるようにしたものである。磁束トラップ解除の回数を少なくすることができる。

請求項４記載の発明は、請求項２若しくは請求項３記載の発明において、
前記磁場発生部は、
磁場を発生するコイルと、
前記コイルに流れる電流を供給する電流源と、
前記コイルに電流を流すか否かを制御するスイッチと、
を具備したものである。磁場発生部の構成を簡単にできる。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２、３および４の発明によれば、ＳＱＵＩＤセンサに磁場を印加することにより、磁束トラップを解除するようにした。

磁束トラップ解除時にＳＱＵＩＤセンサに熱ストレスをかけることがないので、ＳＱＵＩＤセンサの特性が変化し、破損することがなくなるという効果がある。

また、ＳＱＵＩＤセンサは小型なので、比較的簡単にＳＱＵＩＤセンサに均一磁場を印加することができる。従って、ＳＱＵＩＤセンサ全体の超伝導状態を壊すことができるので、確実に磁束トラップを解除することができるという効果もある。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除方法を模式的に表したものである。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図１において、４０はＳＱＵＩＤセンサ１０に近接して配置されたコイル、４１はコイル４０に電流を供給する電流源、４３はコイル４０と電流源４１の間の線路中に配置されるスイッチである。

図１（Ａ）は通常の磁束計測時の状態を表した図である。スイッチ４２はオフにされているので、コイル４０には電流が流れず、磁場は発生しない。ＳＱＵＩＤセンサ１０内に磁束量子１１は発生しているが磁束トラップは発生しておらず、測定に支障はない。

同図（Ｂ）は、ＳＱＵＩＤセンサ１０内に発生した磁束トラップを解除するときの状態を表した図である。磁束トラップを解除するために、スイッチ４２をオンにする。コイル４０には電流源４１から電流が供給されるので、矢印４３の方向に磁場が発生する。このため、ＳＱＵＩＤセンサ１０には強磁場が印加される。なお、この強磁場は直流磁場、交流磁場のいずれであってもよい。

強磁場が印加されると、ＳＱＵＩＤセンサ１０内の磁束量子１１が増加し、ＳＱＵＩＤセンサ１０の超伝導状態は壊される。そのため、磁束量子１１は外部に逃げる。一定時間後にスイッチ４２をオフにすると、磁場４３は消失する。ＳＱＵＩＤセンサ１０には強磁場が印加されなくなるので、再び超伝導体に復帰する。

第２種超伝導体は、外部磁界が下部臨界磁場以上になると磁場が超伝導体内に侵入する。この磁場が侵入した領域は超伝導状態が壊れ、常伝導体になる。超伝導体と常伝導体の界面を大きくした方がエネルギーが小さくなり安定するので、侵入した磁場は可能な最小単位に分散する。これが磁束量子である。

外部磁場が強くなるに従って超伝導状態が壊れる領域が増加し、上部臨界磁場に達すると全体が常伝導体になる。すなわち、上部臨界磁場以上の強磁場をかけることによっても、ＳＱＵＩＤセンサの超伝導体を壊して、磁束トラップを解除することができる。

この実施例では温度ではなく磁場でＳＱＵＩＤセンサ１０の超伝導状態を壊して磁束トラップを解除するようにした。このため、ＳＱＵＩＤセンサ１０には熱ストレスが加わることがないので、ＳＱＵＩＤセンサ１０の特性が変化し、また破損することがなくなる。

また、ＳＱＵＩＤセンサ１０は小さいので、比較的簡単に均一磁場をかけることができる。そのため、ＳＱＵＩＤセンサ１０全体の超伝導状態を壊すことができるので、確実に磁束トラップを解除することができる。さらに、配線などがあっても影響されることがない。

図２に本発明に係るＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除装置の構成を示す。なお、図１および第４図と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図２において、５０は磁場発生部であり、コイル４０、電流源４１、およびスイッチ４２で構成される。スイッチ４２のオンオフは磁束トラップ判定部２４で制御される。磁場発生部５０は、ＳＱＵＩＤセンサ１０に上部臨界磁場以上の強磁場を印加する。磁束トラップ判定部２４は制御部に相当する。

次に、この実施例の動作を説明する。測定すべき磁束はピックアップコイル２０で捕捉され、入力コイル２１を介してＳＱＵＩＤセンサ１０に入力される。バイアス電流源２２は、ＳＱＵＩＤセンサ１０に必要なバイアス電流を供給する。また、出力部２３はＳＱＵＩＤセンサ１０の出力を磁束信号に変換し、外部に出力する。

磁束トラップ判定部２４は、ＳＱＵＩＤセンサ１０の出力信号から磁束トラップが発生しているかどうかを判定する。この磁束トラップ判定部２４は、例えば図５のパルス発生頻度測定回路３４と判定回路３５と同等の構成を有しており、ＳＱＵＩＤセンサ１０の出力から磁束トラップが発生しているかどうかを判定する。

磁束トラップ判定部２４は、磁束トラップが発生していると判定すると、スイッチ４２をオンにする。コイル４０に電流が流れ、上部臨界磁場以上の強磁場がＳＱＵＩＤセンサ１０に印加される。このため、ＳＱＵＩＤセンサ１０の超伝導状態は壊され、磁束量子が外部に逃げて磁束トラップが解除される。

磁束トラップが解除されるか、所定の時間後に、磁束トラップ判定部２４はスイッチ４２をオフにする。コイル４０には電流が流れなくなり、ＳＱＵＩＤセンサ１０には磁場が印加されなくなる。そのため、ＳＱＵＩＤセンサ１０は超伝導状態に復帰して磁束計測が可能になる。

なお、この実施例では磁場発生部５０をコイル４０、電流源４１、およびスイッチ４２で構成したが、他の構成であってもよい。要は、磁場の発生、停止を制御でき、かつ上部臨界磁場以上の磁場をＳＱＵＩＤセンサ１０に印加できる構成であればよい。

また、磁束トラップ判定部２４の構成は前述したものに限られることはない。要は、ＳＱＵＩＤセンサ１０に磁束トラップが発生しているかどうかを判定でき、この判定結果によって磁場発生部５０を制御できる構成であればよい。

また、ピックアップコイル２０、入力コイル２１、バイアス電流源２２、出力部２３は磁束測定に必要な構成であり、本発明の目的である磁束トラップの解除とは直接関係はない。従って、ＳＱＵＩＤセンサ１０の特性に応じて任意の構成を選択することができる。

さらに、本発明ではＳＱＵＩＤセンサに熱ストレスをかけることがないので、磁束トラップ解除の回数に制限はない。そのため、磁束トラップが発生しているか否かに関わらず、一定時間毎にＳＱＵＩＤセンサ１０に強磁場を印加して磁束トラップ解除を行うことができる。

すなわち、磁束トラップ判定部２４をタイマに置き換えることができる。この場合、タイマが制御部に相当する。このようにすることにより、構成を大幅に簡単にすることができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 従来の磁束トラップ解除の概念図である。 従来の磁束トラップ解除装置を具備した磁束計測装置の構成図である。 従来の磁束トラップ解除装置を具備した磁束計測装置の構成図である。

符号の説明

１０ ＳＱＵＩＤセンサ
１１ 磁束量子
２０ ピックアップコイル
２１ 入力コイル
２２ バイアス電流源
２３ 出力部
２４ 磁束トラップ判定部
４０ コイル
４１ 電流源
４２ スイッチ
４３ 磁場
５０ 磁場発生部

Claims (4)

1. ＳＱＵＩＤ(Superconducting QUantum Interference Device)センサに発生する磁束トラップを解除する方法であって、
   前記ＳＱＵＩＤセンサに磁場を印加し、この磁場によって前記ＳＱＵＩＤセンサの超伝導状態を壊して、前記磁束トラップを解除するようにしたことを特徴とするＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除方法。
2. ＳＱＵＩＤセンサに発生する磁束トラップを解除する装置であって、
   所定の強さの磁場を発生し、前記ＳＱＵＩＤセンサにこの発生した磁場を印加する磁場発生部と、
   前記磁場発生部に磁場を発生させ、また磁場の発生を停止させる制御部と、
   を具備したことを特徴とするＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除装置。
3. 前記制御部は、
   前記ＳＱＵＩＤセンサの出力が入力され、この入力された値に基づいて前記ＳＱＵＩＤセンサに磁束トラップが発生しているか否かを判定して、磁束トラップが発生したと判定したときに、前記磁場発生部に磁場を発生させるようにしたことを特徴とする請求項２記載のＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除装置。
4. 前記磁場発生部は、
   磁場を発生するコイルと、
   前記コイルに流れる電流を供給する電流源と、
   前記コイルに電流を流すか否かを制御するスイッチと、
   を具備したことを特徴とする請求項２若しくは請求項３記載のＳＱＵＩＤセンサの磁束トラップ解除装置。

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