JP2014173846A - Measuring apparatus and measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超伝導量子干渉素子を用いて微小磁場を測定する測定装置及び測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring apparatus and a measuring method for measuring a minute magnetic field using a superconducting quantum interference device.
近年、微小磁場計測は、非破壊検査、地質調査、宇宙物理など、幅広い用途に用いられている。特に、MRI(Magnetic Resonance Imaging)に代表される生体磁気計測の分野では高機能な多チャネル磁気センシングシステムに対する需要が増している。 In recent years, micro magnetic field measurement has been used in a wide range of applications such as nondestructive inspection, geological survey, and space physics. In particular, in the field of biomagnetic measurement represented by MRI (Magnetic Resonance Imaging), there is an increasing demand for a highly functional multi-channel magnetic sensing system.
生体磁気計測を実現するMRIには、超伝導量子干渉素子(Superconductive QUantum Interference Device:SQUID)を利用した磁気センサが用いられている。SQUID磁気センサは、超伝導状態を得るため極低温環境下に置く必要があるものの、非常に高感度な磁気センサとして知られている。 A magnetic sensor using a superconducting quantum interference device (SQUID) is used in MRI that realizes biomagnetism measurement. Although the SQUID magnetic sensor needs to be placed in a cryogenic environment in order to obtain a superconducting state, it is known as a very sensitive magnetic sensor.
図8は、従来技術による超伝導量子干渉素子の機能を説明する図である。
従来技術により微小磁場計測を行う測定装置8は、図8(a)に示すように、超伝導量子干渉素子(SQUID)である磁束検出部80を備えている。磁束検出部80は、超伝導リング800とジョセフソン接合により形成される二つの接合部801で構成される。超伝導リング800は、リング状に形成された金属配線であって、所定の温度以下で超伝導状態に遷移する材料で構成されるものである。接合部801は、非常に薄い常伝導膜または絶縁膜が上下の超伝導体で挟まれるように構成されている。ここで、磁束検出部80に電流源から所定のDC電流を流した状態において、測定対象磁束Φsが超伝導リング800内を鎖交すると、出力電圧Voutにおいて当該磁束Φsが磁束量子Φ0(=2.07×10−15Wb)のn倍(nは整数)となるごとに周期的に変化することが知られている(図8(b))。この出力電圧Voutを測定することで、測定装置8は磁束量子Φ0よりも小さい分解能で測定対象磁束Φsを測定することができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the function of a superconducting quantum interference device according to the prior art.
As shown in FIG. 8A, the
ここで、図8(b)の点Aにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合と、点Bにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合を考える。点Aにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合、当該磁束Φsの変化に応じて変化する出力電圧Voutの変化量が大きいため、測定装置8は測定対象磁束Φsを精度よく検出することができる。一方、点Bにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合、当該磁束Φsの変化に応じて変化する出力電圧Voutの変化量は小さいため、測定装置8は測定対象磁束Φsを精度よく検出することはできない。すなわち、このままでは測定装置8は測定対象磁束Φsに対する出力電圧Voutの線形性が得られない。
Here, a case where the measurement target magnetic flux Φs changes at the point A in FIG. 8B and a case where the measurement target magnetic flux Φs changes at the point B are considered. When the measurement target magnetic flux Φs changes at the point A, the
図9は、従来技術による測定装置の構成例を示す図である。また図10は、従来技術による磁束ロック回路の機能を説明するグラフである。
上述した線形性の問題を解決するため、SQUIDを用いた従来技術による測定装置8は、図9に示す磁束ロック回路81を備えている。磁束ロック回路81は、FLL(Flux Locked Loop)回路とも呼ばれている。図9に示すように、磁束ロック回路81は、主に電圧計810と電流源811で構成される。また図9に示すように、磁束検出部80及び帰還コイル82は低温環境領域83に配置されている。
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a measurement apparatus according to the related art. FIG. 10 is a graph for explaining the function of the magnetic flux lock circuit according to the prior art.
In order to solve the above-described linearity problem, the
磁束ロック回路81の機能について具体的に説明する。まず初期状態(測定対象磁束Φs=0)において点A(図10)の状態に調整されていたとする。次に、測定対象磁束Φsが磁束検出部80を鎖交したとする(図10(1))。すると磁束検出部80は、鎖交する磁束Φsに応じて増加した出力電圧Voutを出力する。磁束ロック回路81の電圧計810は当該増加したVoutを入力する(図10(2))。すると、磁束ロック回路81の電流源811は直ちに、入力したVoutの増加分に対応する直流電流Iを帰還コイル82に出力する。この帰還コイル82は、入力される電流Iに基づいて磁束検出部80を鎖交する測定対象磁束Φsを打ち消す帰還磁束Φfを生じさせる。磁束ロック回路81の電流源811は、帰還磁束Φfが測定対象磁束Φsを完全に打ち消すように電流Iを帰還コイル82に出力する。そうすると、測定装置8は再び点Aの状態に戻る(図10(3))。測定装置8は、図10(1)〜(3)の過程において、測定対象磁束Φsに応じて発生した出力電圧Voutの変化量を図示しない積分回路等を介して出力する。すなわち測定装置8は、測定対象磁束Φsに対する出力電圧Voutの線形性を常に確保しながら、測定対象磁束Φsの変化分を積算して出力することで、当該測定対象磁束Φsを測定することを可能としている。
The function of the magnetic
ところで、図8〜図10で説明した測定手法とは異なる測定手法として、デジタルSQUID磁気センサが提案されている(非特許文献1)。デジタルSQUID磁気センサを用いた微小磁気測定装置では、上述した磁束ロック回路を用いずに、超伝導リングとともに低温環境下に置かれた超伝導デジタル回路で測定対象磁束Φsの検出を行う。このようにすることで、非特特許文献1に記載の測定装置は磁気センサの高応答特性(高スルーレート)、多チャネル化を可能としている。
Incidentally, a digital SQUID magnetic sensor has been proposed as a measurement method different from the measurement method described in FIGS. 8 to 10 (Non-Patent Document 1). In the micro magnetism measuring apparatus using the digital SQUID magnetic sensor, the magnetic flux Φs to be measured is detected by a superconducting digital circuit placed in a low temperature environment together with the superconducting ring without using the above-described magnetic flux lock circuit. By doing so, the measuring device described in
上述した通り、従来技術による測定装置8は磁束ロック回路81を使用する。この磁束ロック回路81を用いた磁気センサは、10−20Wb(10−5Φ0)オーダーの非常に小さな磁束を検出することができる一方、磁束ロック回路81の帰還動作(図10(3))に起因して、磁気センサの応答特性(スルーレート)が非常に低いことが分かっている。これは磁束ロック回路81において、電圧計810の検出電圧に基づく電流源811のDC電流Iへのフィードバック制御にある程度の時間を要するためである。すなわち、測定装置8は測定対象磁束Φsの俊敏な変化を捉えることができないという問題があった。また測定装置8は、測定対象磁束Φsの測定可能範囲が、磁束ロック回路81を構成する電流源811の出力限界に制限されることから、ダイナミックレンジが狭いという問題も有していた。
As described above, the
また図9に示すように、測定装置8は、磁束検出部80及び帰還コイル82が低温環境領域に配置されている一方、磁束ロック回路81は、室温環境に配置される構成となっている。このような構成のため、測定装置8は、1チャネル当たり少なくとも三本の配線が室温領域と低温領域の境界を跨ぐ必要が生じる。そうすると、同時複数の磁束計測の実現のため複数の磁気センサを備えた多チャネル測定装置を構築する場合において、低温環境領域と室温環境領域とを巡る配線が著しく増加することとなる。つまり、測定装置8の態様では磁気センサの多チャネル化が困難であった。
As shown in FIG. 9, the
一方、上述したように、非特許文献1に記載の超伝導デジタル回路を備えた微小磁気測定装置によれば、測定装置8の低応答特性及び多チャネル化困難性を解決することができる。しかしながら、当該超伝導デジタル回路は、超伝導体中における磁束の最小単位である磁束量子Φ0を情報担体とするデジタル回路(SFQ(Single Flux Quantum)回路と呼ばれる。)である。すなわちこの超伝導デジタル回路は、超伝導リング内に磁束量子Φ0が存在する場合を“1”、存在しない場合を“0”等として、当該磁束量子Φ0が回路内を伝搬しながら情報処理が成されることを特徴としている。
On the other hand, as described above, according to the micromagnetic measurement device provided with the superconducting digital circuit described in
この超伝導デジタル回路を備えた測定装置は上記のような態様であることから、磁束Φの測定に際し、磁束量子Φ0(2.07×10−15Wb)未満の測定分解能を実現することが原理的に不可能である。すなわち、非特許文献1に記載の測定装置は、磁束量子Φ0の有無でビット表現をする回路を用いているために、磁気センサとして最も重要な磁束分解能がΦ0に制限されてしまうという問題があった。
Since the measuring apparatus including this superconducting digital circuit is in the above-described manner, it is a principle to realize a measurement resolution less than the magnetic flux quantum Φ0 (2.07 × 10 −15 Wb) when measuring the magnetic flux Φ. Is impossible. That is, since the measuring apparatus described in Non-Patent
そこでこの発明は、上述の問題を解決することのできる測定装置及び測定方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method that can solve the above-described problems.
本発明は、上述の課題を解決すべくなされたもので、入力される測定対象磁束に応じた周波数でパルス電圧を出力する超伝導量子干渉素子で構成される磁束検出部と、一定の周波数でパルス電圧を出力する基準磁束出力部と、前記磁束検出部が出力するパルス電圧に基づいて一の方向に発生させた検出用磁束と、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧に基づいて前記検出用磁束を打ち消す方向に発生させた基準磁束と、の差分磁束を発生させる磁束タンク部と、を備え、前記磁束タンク部は、磁気結合により、その内部に発生させている前記差分磁束の少なくとも一部を、前記磁束検出部に対し、前記測定対象磁束を打ち消す方向に入力することを特徴とする測定装置である。 The present invention has been made to solve the above-described problems. A magnetic flux detection unit including a superconducting quantum interference device that outputs a pulse voltage at a frequency corresponding to an input measurement target magnetic flux, and a constant frequency. A reference magnetic flux output unit that outputs a pulse voltage, a detection magnetic flux generated in one direction based on the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit, and the detection based on the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit A magnetic flux tank section that generates a differential magnetic flux with respect to a reference magnetic flux generated in a direction to cancel the magnetic flux for use, and the magnetic flux tank section is at least one of the differential magnetic fluxes generated therein by magnetic coupling. The measuring device is characterized in that the unit is input to the magnetic flux detection unit in a direction to cancel the magnetic flux to be measured.
また本発明は、上述の測定装置において、前記基準磁束出力部が、前記磁束検出部において、前記測定対象磁束と前記パルス電圧の周波数とが比例して増減する関係を有する場合に出力される周波数と等しい周波数で前記パルス電圧を出力することを特徴とする。 Further, the present invention provides the above-described measurement apparatus, wherein the reference magnetic flux output unit outputs a frequency when the magnetic flux detection unit has a relationship in which the measurement target magnetic flux and the frequency of the pulse voltage increase or decrease in proportion. The pulse voltage is output at a frequency equal to.
また本発明は、上述の測定装置において、少なくとも、前記磁束検出部、前記基準磁束出力部、前記磁束タンク部及び前記パルスカウンタ部が同一基板上に形成されていることを特徴とする。 Moreover, the present invention is characterized in that, in the above-described measuring apparatus, at least the magnetic flux detection unit, the reference magnetic flux output unit, the magnetic flux tank unit, and the pulse counter unit are formed on the same substrate.
また本発明は、上述の測定装置において、前記基準磁束出力部が、前記磁束検出部を構成する超伝導量子干渉素子と同一の超伝導量子干渉素子で構成されることを特徴とする。 According to the present invention, in the measuring apparatus described above, the reference magnetic flux output unit is configured by the same superconducting quantum interference device as the superconducting quantum interference device constituting the magnetic flux detection unit.
また本発明は、上述の測定装置において、磁気結合により前記基準磁束出力部が出力する基準磁束の周波数を調整する校正用コイルを更に備えることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the measuring apparatus further includes a calibration coil for adjusting the frequency of the reference magnetic flux output from the reference magnetic flux output unit by magnetic coupling.
また本発明は、上述の測定装置において、前記入力したパルス電圧のパルス数を、所定のカウント数として出力するパルスカウンタ部を更に備え、前記パルスカウンタ部は、前記磁束検出部が出力するパルス電圧のパルス数に応じて前記カウント数を増加させるとともに、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧のパルス数に応じて前記カウント数を減少させることを特徴とする。 The present invention may further include a pulse counter unit that outputs the number of pulses of the input pulse voltage as a predetermined number of counts in the measurement apparatus, and the pulse counter unit outputs the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit. The count number is increased according to the number of pulses, and the count number is decreased according to the number of pulses of the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit.
また本発明は、超伝導量子干渉素子で構成される磁束検出部が、入力される測定対象磁束に応じた周波数でパルス電圧を出力し、基準磁束出力部が、一定の周波数でパルス電圧を出力し、パルスカウンタ部が、前記パルス電圧を入力し、そのパルス数に基づいた所定の値を出力し、磁束タンク部が、前記磁束検出部が出力するパルス電圧に基づいて一の方向に発生させた検出用磁束と、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧に基づいて前記検出用磁束を打ち消す方向に発生させた基準磁束と、の差分磁束を発生させ、前記磁束タンク部は、さらに、磁気結合により、その内部に発生させている前記差分磁束の少なくとも一部を、前記磁束検出部に対し、前記測定対象磁束を打ち消す方向に入力することを特徴とする測定方法である。 Further, according to the present invention, the magnetic flux detection unit composed of a superconducting quantum interference element outputs a pulse voltage at a frequency corresponding to the input magnetic flux to be measured, and the reference magnetic flux output unit outputs a pulse voltage at a constant frequency. The pulse counter unit inputs the pulse voltage, outputs a predetermined value based on the number of pulses, and the magnetic flux tank unit generates the pulse voltage in one direction based on the pulse voltage output by the magnetic flux detection unit. A differential magnetic flux between the detection magnetic flux and a reference magnetic flux generated in a direction to cancel the detection magnetic flux based on a pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit. In the measurement method, at least a part of the differential magnetic flux generated therein is input to the magnetic flux detection unit in a direction to cancel the measurement target magnetic flux.
本発明によれば、磁束の測定分解能を低下させずに、同時複数の磁束検出を実現するための多チャネル化が容易で、かつ、磁束の俊敏な変化を捉える高い応答特性を有する測定装置を提供することができる。 According to the present invention, there is provided a measuring device that is easy to be multi-channeled to realize simultaneous detection of a plurality of magnetic fluxes without reducing the measurement resolution of the magnetic flux and has a high response characteristic that captures an agile change in magnetic flux. Can be provided.
以下、本発明の一実施形態による測定装置を、図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態による測定装置の機能構成を示す図である。この図において、符号1は測定装置である。図1に示すように、測定装置1は、磁束検出部10と、磁束タンク部11と、基準磁束出力部12と、パルスカウンタ部13を備えている。
Hereinafter, a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a functional configuration of a measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In this figure,
磁束検出部10は、いわゆる超伝導量子干渉素子(SQUID)であり、超伝導リング100及び接合部101で構成される。超伝導リング100は、リング状に形成された金属配線であって、所定の温度以下で超伝導状態に遷移する材料で構成されるものである。超伝導リング100には、例えばNb(ニオブ)等が用いられ、この場合約9Kで超伝導状態になる。接合部101は、非常に薄い常伝導膜または絶縁膜が上下の超伝導体で挟まれるように構成された接合界面であって、ジョセフソン接合(Josephson Junction:JJ)と呼ばれるものである。
The magnetic
本実施形態による磁束検出部10は、超伝導リング100内を鎖交する測定対象磁束Φsに応じた周波数(検出周波数fd)でパルス電圧を出力する機能部である。磁束検出部10の当該機能の詳細については後述する。なお以下の説明においては、磁束検出部10が検出周波数fdで出力するパルス電圧を「検出用パルス電圧」とし、当該検出用パルス電圧に基づいて超伝導リング内に生じる磁束量子Φ0の束を「検出用磁束Φd」とする。
The magnetic
基準磁束出力部12は、一定の周波数(基準周波数fr)でパルス電圧を出力する機能部である。本実施形態による基準磁束出力部12は、磁束検出部10を鎖交する測定対象磁束Φsがゼロであった場合において当該磁束検出部10から出力される検出周波数fdと同一の周波数が出力されるように調整される。すなわち、測定対象磁束Φs=0のとき、fd=frとなる。基準磁束出力部12の具体的な機能及び構成については後述する。なお以下の説明において、基準磁束出力部12が基準周波数frで出力するパルス電圧に基づいて超伝導リング内に発生する磁束量子Φ0の束を「基準磁束Φr」とする。
The reference magnetic
磁束タンク部11は、磁束検出部10が出力するパルス電圧と、基準磁束出力部12が出力するパルス電圧と、を入力する機能部である。図1に示すように、磁束タンク部11は、磁束検出部10及び基準磁束出力部12と配線で接続され、検出用パルス電圧及び基準パルス電圧を入力する。
The magnetic
ここで、磁束タンク部11を構成する配線も超伝導体であり、ジョセフソン接合(図1配線上×印で示す)及びグラウンドを介して超伝導リングを形成している。したがって、磁束タンク部11は、磁束検出部10から検出用パルス電圧を入力すると、その超伝導リング内部に検出用磁束Φdを一の方向に発生させる。同様に磁束タンク部11は、基準磁束出力部12から基準パルス電圧を入力すると、その超伝導リング内に基準磁束Φrを発生させる。このとき磁束タンク部11は、基準磁束Φrを検出用磁束Φdの方向と逆の方向(検出用磁束Φdを打ち消す方向)に生じさせる。その結果、磁束タンク部11は、検出用磁束Φdと基準磁束Φrの差分の磁束(差分磁束(Φd−Φr))のみを発生させることとなる。
Here, the wiring constituting the magnetic
また図1に示すように、磁束タンク部11は、磁気結合部110を有している。磁気結合部110は、磁束検出部10と磁気結合し、その内部に発生させる差分磁束(Φd−Φr))に応じて磁束検出部10に入力される測定対象磁束Φsを打ち消すように作用する。磁束タンク部11の当該機能の詳細については後述する。
As shown in FIG. 1, the magnetic
パルスカウンタ部13は、所定のパルス電圧を入力し、そのパルス数に基づいた所定の値を出力する機能部である。本実施形態によるパルスカウンタ部13は、逐次入力するパルス電圧のパルス数をカウントする演算処理を行うデジタル回路で構成されている。本実施形態によるパルスカウンタ部13は、主に超伝導体で形成され、磁束量子Φ0を情報担体とするデジタル回路(以下、SFQ回路という)で構成されている。本実施形態によるパルスカウンタ部13は特に上記検出用パルス電圧を入力し、当該検出用パルス電圧に基づいて測定対象磁束Φsを特定する機能を有する「測定部」の一態様である。パルスカウンタ部13の機能の詳細は後述する。
The
図2は、本発明の一実施形態による磁束検出部の機能を説明する図である。
図2(a)は、磁束検出部10が出力するパルス電圧の平均値を示している。ここで、磁束検出部10に電流源から所定のDC電流を流した状態において、測定対象磁束Φsが超伝導リング100内を鎖交すると、出力電圧Voutが当該磁束Φsに応じて磁束量子Φ0(=2.07×10−15Wb)の変化分ごとに周期的に変化することが知られている(図2(a))。この出力電圧Voutを測定することで、測定装置8は磁束量子Φ0よりも小さい分解能で測定対象磁束Φsを測定することができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating the function of the magnetic flux detector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2A shows the average value of the pulse voltage output from the
しかし、磁束検出部10が出力するVoutは、実際には、極めて高い周波数(数十GHzオーダー)で出力されるパルス電圧が平均化されたものである。このパルス電圧の各1パルスは、超伝導リング100内を鎖交する磁束Φにおいて磁束量子Φ0の変化量によって生じる誘導電圧である。ここで、超伝導体で形成された超伝導リング内を鎖交する磁束Φは、磁束量子Φ0単位でしか変化できない束縛条件が課せられることが知られている。一方、ジョセフソン接合部(接合部101)は、電流が流れていない場合は超伝導体と等価の性質を有しているが、当該接合部101を通過する電流が所定の臨界電流Icを超えた場合に超伝導状態から常伝導状態へと変化し、超伝導リング100における超伝導状態の領域を切断する効果を与える。したがって、接合部101を通過する電流が臨界電流Icを超えた場合、超伝導リング100を鎖交する磁束Φが常伝導状態となった接合部101から(磁束量子Φ0の単位で)超伝導リング100外へ移動し、その磁束Φの(磁束量子Φ0分の)変化の結果、磁束検出部10(接合部101)にパルス電圧が励起される。
However, Vout output from the
パルス電圧が励起されると、瞬間的に接合部101を流れる電流が臨界電流Icを下回り、接合部101は超伝導状態へと復帰するが、電流は常時印加され続けているため再び臨界電流Icを超え、パルス電圧が励起される。この事象が繰り返されることにより、磁束検出部10は所定の周波数でパルス電圧を出力することとなる。なお超伝導リング100を鎖交する磁束Φが大きくなるほど、超伝導リング100を巡る電流は増加するため、臨界電流Icを超えるまでの時間も短縮する。そのため、パルス電圧の周波数fは、超伝導リング100を鎖交する磁束Φが大きくなるほど増加する。
When the pulse voltage is excited, the current flowing through the
図2(b)、(c)は、それぞれ図2(a)の点A(平均電圧Vout1)、点B(平均電圧Vout2)において実際に生じているパルス電圧の様子を示している。すなわち、点A(図2(a))における平均電圧Vout1は、実際には図2(b)のように周波数f1で出力されるパルス電圧が平均化されて観測されたものである。同様に、点Bにおける平均電圧Vout2(>Vout1)は、実際には図2(c)のように周波数f1よりも高い周波数f2で出力されるパルス電圧が平均化されて観測されたものである。 FIGS. 2B and 2C show the state of pulse voltages actually generated at point A (average voltage Vout1) and point B (average voltage Vout2) in FIG. 2A, respectively. That is, the average voltage Vout1 at the point A (FIG. 2A) is actually observed by averaging the pulse voltage output at the frequency f1 as shown in FIG. 2B. Similarly, the average voltage Vout2 (> Vout1) at the point B is actually observed by averaging the pulse voltage output at the frequency f2 higher than the frequency f1, as shown in FIG. 2C. .
なお、上述したように1パルス分の電圧波形は、磁束量子Φ0分の変化に相当する。したがって、平均電圧Voutと周波数fとの間には、式(1)が成り立つ。 As described above, the voltage waveform for one pulse corresponds to the change of the flux quantum Φ0. Therefore, Equation (1) is established between the average voltage Vout and the frequency f.
式(1)のような等式が成り立つことから、図2(a)のグラフにおけるVoutの平均値(縦軸)は、周波数fと置き換えて考えてもよい。 Since an equation like equation (1) holds, the average value (vertical axis) of Vout in the graph of FIG.
図3は、本発明の一実施形態による磁束タンク部の機能を説明する図である。
上述したように、磁束タンク部11はジョセフソン接合(接合部112)を有する超伝導リング111(図3)で形成されている。ここで磁束タンク部11は、磁束検出部10から検出用パルス電圧を入力する。このパルス電圧は、上述したように1パルス分が磁束量子Φ0の変化量に相当している。磁束タンク部11はこの1パルス分のパルス電圧が自身に励起されることによって、磁束タンク部11の超伝導リング111を巡る循環電流が生成され、当該超伝導リング111を鎖交する磁束Φ0が発生する。ここで超伝導体においては、電圧Vと磁束Φの変換がエネルギー損失を伴うことなく行われる。したがって、上述した現象は、図3に示すように、磁束検出部10の超伝導リング100を鎖交する磁束Φの一部(磁束量子Φ0)が、パルス電圧を介して、磁束タンク部11内に移動する現象として捉えることができる。このようにして、磁束タンク部11は、検出周波数fdで連続して入力される検出用パルス電圧の1パルスごとに磁束量子Φ0ずつ、自身の超伝導リング111を鎖交する検出用磁束Φdを増加させる(図3)。ここで、検出用磁束Φdの向きは図3紙面手前方向であるとする。
FIG. 3 is a diagram illustrating the function of the magnetic flux tank unit according to the embodiment of the present invention.
As described above, the magnetic
同様に、磁束タンク部11は、基準磁束出力部12から基準パルス電圧を基準周波数frで連続して入力して、その超伝導リング111内を鎖交する基準磁束Φrを発生させる(図3)。このとき磁束タンク部11は、基準磁束Φrを検出用磁束Φdの方向と逆の方向(検出用磁束Φdを打ち消す方向(図3紙面奥手方向))に生じさせる。具体的には、磁束タンク部11は、基準磁束出力部12からの基準パルス電圧により磁束タンク部11に生じる循環電流が、磁束検出部10からの検出用パルス電圧により生じる循環電流と逆方向に巡るような回路構成となっている。その結果、磁束タンク部11は、検出用磁束Φdと基準磁束Φrの差分磁束(Φd−Φr)のみを発生させることとなる。なお、超伝導リング111内に差分磁束(Φd−Φr)を発生させる上記循環電流は、臨界電流Icを超えない範囲に制限される。
Similarly, the magnetic
ここで上述したように、基準磁束出力部12が出力する基準パルス電圧の周波数(基準周波数fr)は、磁束検出部10において鎖交する測定対象磁束Φsがゼロの場合における検出周波数fdと同一の周波数に設定されている。したがって、測定対象磁束Φsがゼロの場合、fd=frであるから、磁束タンク部11内部に発生し得る検出用磁束Φd及び基準磁束Φrは等しくなり、両者は完全に打ち消し合う。したがってこの場合、磁束タンク部11内に磁束は発生しない。一方、測定対象磁束Φsが有限の値を持つ場合、当該測定対象磁束Φs分だけ検出周波数fdは変化する。ここで測定対象磁束Φsの方向が図3紙面奥手方向であって、当該測定対象磁束Φsに基づいて周波数fdが増加したとする。そうすると、fd>frとなるから磁束タンク部11内に発生する検出用磁束Φdと基準磁束Φrの均衡が崩れ、Φd>Φrとなる。そして磁束タンク部11には、測定対象磁束Φsの磁束量に応じた差分磁束(Φd−Φr)が発生することとなる。
As described above, the frequency of the reference pulse voltage output by the reference magnetic flux output unit 12 (reference frequency fr) is the same as the detection frequency fd when the measurement target magnetic flux Φs linked in the magnetic
さらに、本実施形態による磁束タンク部11は、磁束検出部10と磁気結合するように配置されており(図3)、磁気結合により、その内部に発生させている差分磁束(Φd−Φr)の少なくとも一部を、磁束検出部10に対し、測定対象磁束Φsを打ち消す方向に入力することを特徴としている。具体的に説明すると、磁束タンク部11は、その一部を構成する磁気結合部110において、差分磁束(Φd−Φr)の少なくとも一部が磁束検出部10の超伝導リング100を鎖交し、帰還磁束Φfを生じさせるように近接して配置されている。また磁束タンク部11は、当該帰還磁束Φfが測定対象磁束Φsを打ち消す方向(図3紙面手前方向)に生じるように配置される。なお帰還磁束Φfは、差分磁束(Φd−Φr)の大きさに比例して増減する。
Furthermore, the magnetic
磁束検出部10の超伝導リング100を帰還磁束Φfが鎖交する結果、測定対象磁束Φsの磁束検出部10への影響が低減され、結果として、測定対象磁束Φsの影響で増加していた検出周波数fdは減少する。なおfd>frの条件を満たす限り差分磁束(Φd-Φr)は増加し続け、帰還磁束Φfを増加させることになる。したがって、帰還磁束Φfは、fd=frとなる段階、すなわち測定対象磁束Φsを完全に打ち消す段階(Φf=Φs)まで増加する。帰還磁束Φfが測定対象磁束Φsを完全に打ち消すまで増加すると、fd=frとなり磁束タンク部11が発生させている差分磁束(Φd−Φr)はこれ以上増加しなくなるので、測定装置1はこの時点で平衡状態となる。このように、磁束タンク部11は磁束検出部10において生じた変動成分(検出周波数fdの増減)を入力し、その変動を抑制する方向に作用する負帰還回路として機能する。
As a result of the feedback magnetic flux Φf interlinking the
磁束検出部10の超伝導リング100を鎖交する測定対象磁束Φsの変化に応じて検出周波数fdが一時的に変動したとしても、磁束タンク部11の機能により当該検出周波数fdは基準周波数frに等しくなるまで帰還作用が働く。
Even if the detection frequency fd varies temporarily according to the change in the measurement target magnetic flux Φs interlinking the
ここで、図2(a)の点Aにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合と、点Bにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合を考える。点Aにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合、当該磁束Φsの変化に応じて変化する出力平均電圧Vout、すなわち検出周波数fd(式(1)を参照)の変化量が大きいため、測定装置1は測定対象磁束Φsを精度よく検出することができる。一方、点Bにおいて測定対象磁束Φsが変化した場合、当該磁束Φsの変化に応じて変化する検出周波数fdの変化量は小さいため、測定装置1は測定対象磁束Φsを精度よく検出することはできない。すなわち、測定装置1は測定対象磁束Φsに対する検出周波数fdの線形性を確保する必要がある。
Here, a case where the measurement target magnetic flux Φs changes at the point A in FIG. 2A and a case where the measurement target magnetic flux Φs changes at the point B are considered. When the measurement target magnetic flux Φs changes at the point A, the output average voltage Vout that changes in accordance with the change of the magnetic flux Φs, that is, the amount of change in the detection frequency fd (see Equation (1)) is large. The measurement target magnetic flux Φs can be detected with high accuracy. On the other hand, when the measurement target magnetic flux Φs changes at the point B, the amount of change in the detection frequency fd that changes in accordance with the change in the magnetic flux Φs is small, and thus the
ここで、基準磁束出力部12が出力する基準パルス電圧の基準周波数frに着目する。基準磁束出力部12は、磁束検出部10において、測定対象磁束Φsと検出用周波数fdとが比例して増減する関係(線形性)を有する場合に出力される周波数と等しい周波数で基準パルス電圧を出力する。すなわち基準周波数frは、磁束検出部10が図2(a)点Aにおいて出力する検出周波数fdと等しい周波数に設定する。このようにすることで、磁束検出部10が出力する平均電圧Voutには、図2(a)点Aで平衡状態となるような帰還作用が働くこととなる。したがって、磁束検出部10を鎖交する測定対象磁束Φsが変化して、これに応じて磁束検出部10が出力する検出周波数fdが一時的に変動したとしても、磁束タンク部11が直ちに測定対象磁束Φsを打ち消す帰還磁束Φfを生じさせ、点Aの状態に帰還させる。
Here, attention is focused on the reference frequency fr of the reference pulse voltage output from the reference magnetic
一方、本実施形態によるパルスカウンタ部13(図1、図3)は、少なくとも検出用パルス電圧を入力し、そのパルス数をカウントするデジタル回路で構成される。具体的には、パルスカウンタ部13は、検出用パルス電圧の1パルスを入力する度に、そのパルスを検出してカウント数を1増加させる演算処理を行う。すなわち、測定対象磁束Φsの増減に応じて変動する検出周波数fdは、パルスカウンタ部13によってそのパルス数がカウントされる。測定装置1は、このパルスカウンタ部13が演算するカウント数と測定対象磁束Φsとを適切に紐づけることによって、測定対象磁束Φsを測定することが可能となる。
On the other hand, the pulse counter unit 13 (FIGS. 1 and 3) according to the present embodiment is composed of a digital circuit that inputs at least a detection pulse voltage and counts the number of pulses. Specifically, every time one pulse of the detection pulse voltage is input, the
例えば、本実施形態によるパルスカウンタ部13は、磁束検出部10から出力される検出用パルス電圧と、基準磁束出力部12から出力される基準パルス電圧と、を入力とするアップダウンカウンタ回路であってもよい。当該アップダウンカウンタ回路(パルスカウンタ部13)は、検出用パルス電圧のパルス数に応じてカウント数を増加させるとともに、基準パルス電圧のパルス数に応じてカウント数を減少させる回路構成とする。このようにすることで、パルスカウンタ部13は、検出用パルス電圧のパルス数と基準パルス電圧のパルス数の差分、すなわち測定対象磁束Φsの変化によって増減したパルス数のみを出力するように機能するので、その出力されたカウント数を測定対象磁束Φsに直接的に紐づけることができる。
For example, the
なお、上述したようにパルスカウンタ部13は、SFQ回路で形成されるため、高速なデータ処理を実現することができる。上述した検出用パルス電圧及び基準パルス電圧はそれぞれ数十GHzに及ぶ高周波信号であり、1パルス当たり数psecオーダーのパルス信号である。しかし、超伝導体で形成されたSFQ回路はこのような高周波信号に対しても安定動作が可能である。
As described above, since the
なお、上記の説明においてSFQ回路に基づくアップダウンカウンタ回路の詳細な説明については“T.Onomi他2名,「Implementation of High‐Speed Single Flux‐Quantum Up/Down Counter for the Neural Computation Using Stochastic Logic」,IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.19,NO.3,JUNE 2009”を参考にすることができる。 In the above description, the detailed description of the up / down counter circuit based on the SFQ circuit is described in “T. Onomi and two others,“ Implementation of High-Speed Single-Flux-Quantum Up / Down Counter for the National Computation Lumps ”. , IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 19, NO. 3, JUNE 2009 ".
なお本実施形態による測定装置1は、上述した通り、磁束検出部10から入力する検出用パルス電圧から測定対象磁束Φsを特定する測定部の一態様として、パルスカウンタ部13を用いたが、他の実施形態による測定装置1においては、この態様に限定されることはない。例えば、他の実施形態による測定装置1は、上記測定部として、検出用パルス電圧の平均電圧Voutと測定対象磁束Φsとを紐づけることで当該測定対象磁束Φsを特定する態様であってもよい。
As described above, the
図4は、本発明の一実施形態による測定装置の動作を説明するグラフである。
図4に示すグラフは、測定装置1において測定対象磁束Φsが増加した場合における、各パルス電圧の周波数が変動する様子を示した回路シミュレーション結果である。磁束検出部10に所定の測定対象磁束Φsが入力された場合、磁束検出部10及び基準磁束出力部12が出力する各パルス電圧は図4に示すような特性を示す。例えば、測定対象磁束Φsがゼロである期間T1においては、磁束検出部10から出力される検出用パルス電圧は、基準磁束出力部12から出力される基準パルス電圧と等しい周波数で出力されている(fd=fr)。このとき、パルスカウンタ部13は、アップダウンカウンタ回路として検出用パルス電圧及び基準パルス電圧を等しい周波数で入力しているため、パルスカウント数は増減することなく一定値(例えば“0”)を維持している。なお、期間T1においては、測定対象磁束Φsと検出用周波数fdとが線形性を有して変化する点(図2(a)点A)となるように、基準周波数frが設定されているものとする。
FIG. 4 is a graph illustrating the operation of the measurement apparatus according to one embodiment of the present invention.
The graph shown in FIG. 4 is a circuit simulation result showing how the frequency of each pulse voltage fluctuates when the measurement target magnetic flux Φs increases in the measuring
次に、図4に示す期間T2の最初の時点で、磁束検出部10に測定対象磁束Φs(=0.5Φ0)が入力されたとする。すると次の瞬間、増加した測定対象磁束Φsに応じて検出用パルス電圧の検出周波数fdが線形に増加する。しかし、上述した磁束タンク部11の負帰還作用により、磁束検出部10の超伝導リング100内において、入力された測定対象磁束Φsを打ち消す方向に帰還磁束Φfが生じ、徐々に検出周波数fdは減少する。そして期間T3において再びfd=fr(図2(a)点A)で安定する(図4)。
Next, it is assumed that the measurement target magnetic flux Φs (= 0.5Φ0) is input to the magnetic
一方、パルスカウンタ部13は、期間T2〜T3にかけても検出用パルス電圧及び基準パルス電圧を入力し続けている。ここで、期間T2においては、基準パルス電圧のパルス数よりも検出用パルス電圧のパルス数の方が多く入力されているので、パルスカウンタ部13は期間T2において増加したパルス分だけカウント数が上昇する。測定装置1は、このパルスカウント数と測定対象磁束Φsとを紐づけて記憶しておくことによって、当該パルスカウント数に基づく測定対象磁束Φsの測定を可能とする。また期間T3の後、さらに測定対象磁束Φsが変化した場合であっても、この時点においては、磁束検出部10は線形性を有する点(図2(a)点A)で安定しているため、当該測定対象磁束Φsの変化を精度よく読み取ることができる。
On the other hand, the
図5は、本発明の一実施形態による基準磁束出力部の構成を示す図である。
図5に示すように、本実施形態による基準磁束出力部12は、接合部121を有する超伝導リング120で構成される態様であってもよい。ここで、超伝導リング120及び接合部121は、磁束検出部10を構成する超伝導リング100及び接合部101と同等の構成を有するものとする。そして超伝導リング120には、超伝導リング100に印加されるDC電流と同等のDC電流が印加される。
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a reference magnetic flux output unit according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the reference magnetic
また基準磁束出力部12は、校正用コイル122を備えている。校正用コイル122は、超伝導リング120と磁気結合するように配置されており、図示しない別の電流源から任意のDC電流が入力される。当該校正用コイル122へのDC電流を適当に選択することで、校正用コイル122と超伝導リング120との磁気結合により、基準磁束出力部12が出力する基準パルス電圧を所望の基準周波数frに設定することができる。ここで測定装置1のオペレータは、磁束測定の前段階において基準周波数frを磁束検出部10において線形性が確保される周波数に設定しておく。
The reference magnetic
図6、図7は、本発明の一実施形態による測定装置1の構造を説明する第一の図、第二のである。
次に、本実施形態による測定装置1の具体的な構造について、図6及び図7を参照しながら説明する。本実施形態においては、測定装置1を構成する各機能部は全て一の基板上に形成することを特徴としている。具体的に説明すると、磁束検出部10、基準磁束出力部12、磁束タンク部11及びパルスカウンタ部13は、同一基板上に、所定の温度以下で超伝導状態となる材料で形成された層(以下、例として「ニオブ配線層」とする)と、絶縁層と、を多層成膜することで形成される。各ニオブ配線層及び絶縁層は、例えばそれぞれ300nm〜400nm程度の膜厚で積層される。
6 and 7 are a first diagram and a second diagram illustrating the structure of the measuring
Next, the specific structure of the measuring
図6は、上記基板を上から平面視した際の構造を示している。この図においては、基板上側を紙面手前側、基板下側を紙面奥手側に表している。図6(a)は主に、磁束検出部10の超伝導リング100と、磁束タンク部11の超伝導リング111の構造を示している。
FIG. 6 shows a structure when the substrate is viewed from above. In this figure, the upper side of the substrate is shown on the front side of the paper and the lower side of the substrate is shown on the back side of the paper. FIG. 6A mainly shows the structure of the
基板上にはニオブ配線層が、絶縁層を介しながら三層形成されている。各ニオブ配線層は、下層(紙面奥手側)から順に、グラウンドプレーン層(G1)、BAS層(BAS1〜BAS5)、COU層(COU1〜COU3)である。図6に示すようにグラウンドプレーン層(G1)は、基板全面を覆うように形成されていてもよい。また、BAS層及びCOU層の各配線パターンは、配線幅3μm〜5μm程度で引き回されている。 Three layers of niobium wiring layers are formed on the substrate with an insulating layer interposed therebetween. Each niobium wiring layer is a ground plane layer (G1), a BAS layer (BAS1 to BAS5), and a COU layer (COU1 to COU3) in order from the lower layer (the back side in the drawing). As shown in FIG. 6, the ground plane layer (G1) may be formed so as to cover the entire surface of the substrate. The wiring patterns of the BAS layer and the COU layer are routed with a wiring width of about 3 μm to 5 μm.
また、各ニオブ配線層は、諸所においてコンタクトが設けられて、当該コンタクトを介して各層ごとに電気的に接続されている。ここで、図6に示す各コンタクトについて説明する。グラウンドコンタクト(GC1〜GC4)は、BAS層とグラウンドプレーン層を電気的に短絡するコンタクトである。BAS‐COU間コンタクト(BCC1〜BCC2)は、BAS層とCOU層を電気的に短絡するコンタクトである。そしてジョセフソン接合部(JJ1〜JJ4)は、BAS層とCOU層を所定の抵抗膜で接続したコンタクトである。上述した各コンタクトは、いずれも1.5μm2〜3μm2程度で形成される。なお、以下の説明においては、各ニオブ配線層及び各コンタクトを符号のみで表記する。 In addition, each niobium wiring layer is provided with a contact in various places, and is electrically connected to each layer through the contact. Here, each contact shown in FIG. 6 will be described. The ground contacts (GC1 to GC4) are contacts that electrically short-circuit the BAS layer and the ground plane layer. The BAS-COU contacts (BCC1 to BCC2) are contacts that electrically short-circuit the BAS layer and the COU layer. The Josephson junctions (JJ1 to JJ4) are contacts in which the BAS layer and the COU layer are connected by a predetermined resistance film. Each contact as described above are all formed in 1.5μm 2 ~3μm 2 about. In the following description, each niobium wiring layer and each contact are represented only by reference numerals.
図6に示すように、磁束検出部10は、主にニオブ配線層BAS1〜BAS3、COU1、COU2、G1及び各コンタクトJJ1、JJ2、BCC1、BCC2、GC1、GC2により形成される。また電流源からのDC電流はBAS3を介して印加される。このようにして形成された磁束検出部10の断面構造を図7(a)に示す。ただし図7(a)に示す磁束検出部10の断面図は、図示の便宜上、図6の正確な断面図としては示していないことに留意する。
As shown in FIG. 6, the magnetic
図7(a)に示すように、磁束検出部10の超伝導リング100は、超伝導体であるニオブ配線層BAS3‐BCC1‐COU1からジョセフソン接合部JJ1を経由して、ニオブ配線層BAS1‐GC1‐G1を介してグラウンド接続される。さらに超伝導リング100は、ニオブ配線層G1‐GC2‐BAS2からジョセフソン接合部JJ2を経由して、ニオブ配線層COU2‐BCC2‐BAS3に接続することで超伝導リングが形成される。このように形成された超伝導リング100内に測定対象磁束Φsが鎖交すると、なお、JJ1及びJJ2は接合部101(図1)に相当する。また説明の便宜上、図示を省略するが、上述したように、各ニオブ配線層の間には絶縁層が設けられている。
As shown in FIG. 7A, the
また図6に示すように、磁束タンク部11は、主にニオブ配線層BAS4、BAS5、COU3及び各コンタクトJJ3、JJ4、GC3、GC4により形成される。このようにして形成された磁束タンク部11の断面構造を図7(b)に示す。ただし図7(b)に示す磁束タンク部11の断面図は、図示の便宜上、図6の正確な断面図としては示していないことに留意する。
As shown in FIG. 6, the
図7(b)に示すように、磁束タンク部11の超伝導リング111は、超伝導体であるニオブ配線層COU3からジョセフソン接合部JJ3を経由して、ニオブ配線層BAS4‐GC3‐G1を介してグラウンド接続される。さらに超伝導リング111は、ニオブ配線層G1‐GC4‐BAS5からジョセフソン接合部JJ4を経由して、ニオブ配線層COU3に接続することで超伝導リングが形成される。なお、JJ3及びJJ4は接合部112(図3)に相当する。
As shown in FIG. 7 (b), the
図6に示すように、磁束タンク部11は、磁束検出部10が出力する検出用パルス電圧を図6の右側から入力することで、図7(b)のように形成された超伝導リング111内に検出用磁束Φdを生じさせる。一方、磁束タンク部11は、基準磁束出力部12(図6、図7には図示せず)からの基準パルス電圧を図6の左側から入力することで、超伝導リング111内に基準磁束Φrを生じさせる。ただし、検出用磁束Φdと基準磁束Φr各々の向きは、互いに逆向き(それぞれが打ち消し合う方向)である。その結果、磁束タンク部11の超伝導リング111内には、差分磁束(Φd−Φr)が発生することとなる。
As shown in FIG. 6, the magnetic
また図6に示すとおり、磁束検出部10の超伝導リング100を構成するBAS3と、磁束タンク部11の超伝導リング111を構成するCOU3は、平面視において重なるように配置されている。磁束タンク部11の磁気結合部110は、このBAS3とCOU3が重なる領域であり、磁束検出部10と磁束タンク部11は主にこの部分で磁気結合する。すなわち、図7(b)に示す超伝導リング111内を鎖交する差分磁束(Φd−Φr)の内の少なくとも一部が、同時に図7(a)の超伝導リング100を帰還磁束Φfとして鎖交する。ここで帰還磁束Φfは、測定対象磁束Φsと逆向き(測定対象磁束Φsを打ち消す方向)に生じる。
Further, as shown in FIG. 6, the BAS 3 constituting the
なお図6には図示していないが、磁束検出部10の超伝導リング100から出力される検出用パルス電圧は、所定のSFQ回路(例えば、超伝導リング100等と同等に形成された超伝導リングの鎖列)を介して伝搬し、磁束タンク部11及びパルスカウンタ部13に入力される。また、本実施形態による基準磁束出力部12を構成する超伝導リング120(図5)は、磁束検出部10の超伝導リング100と同一の構造をもって形成されるものであってよい。
Although not shown in FIG. 6, the detection pulse voltage output from the
以上のようにして、本実施形態による測定装置1を構成する各機能部、磁束検出部10、磁束タンク部11、基準磁束出力部12及びパルスカウンタ部13は、全て同一基板上に形成され、同じ低温領域に配置されることとなる。このようにすることで、測定装置1は煩雑な引き回し配線を廃することができる。また、引き回し配線を排し、同一基板上に形成することで回路動作の高速化にも貢献する。
As described above, each functional unit, magnetic
本実施形態による測定装置1は、従来技術における磁束ロック回路(FLL回路)の機能を、基準磁束出力部12及び磁束タンク部11で実現することを特徴としている。ここで本実施形態による基準磁束出力部12及び磁束タンク部11は、いずれも磁束検出部10と同じく超伝導体で形成されるものであるから、その帰還作用も高速に行われることとなる。つまり測定装置1は、従来の磁束ロック回路を排するとともに、同等の機能を超伝導体で形成された各種回路で実現することにより、測定対象磁束Φsの変化に対して高い応答特性を得ることができる。
The measuring
また従来の磁気測定装置に用いられていた磁束ロック回路は、室温領域への引き回しを要していたが、本実施形態による磁束タンク部11及び基準磁束出力部12によれば、いずれも磁束検出部10と同じ低温領域に配置されるため、煩雑な引き回し配線を最小限に抑制することができる。したがって測定装置1は、多チャネル化を容易に実現することが可能となる。
In addition, the magnetic flux lock circuit used in the conventional magnetic measurement apparatus requires routing to the room temperature region, but both the magnetic
また従来の磁気測定装置に用いられていた磁束ロック回路は、出力電流Iを所定の帰還コイルに入力することで帰還作用を実現していたが、この場合、従来の磁気測定装置が測定可能な磁束量の範囲(ダイナミックレンジ)は、磁束ロック回路において出力できる出力電流Iの限界によって律速される。しかし、本実施形態による測定装置1によれば、測定対象磁束Φsが大きくなるに伴い、帰還磁束Φfもこれに追随して大きくなるので、原理的に測定限界が存在しない。よって測定装置1は、従来の磁気測定装置よりもダイナミックレンジを大きくすることができる。
In addition, the magnetic flux lock circuit used in the conventional magnetic measurement device realizes the feedback action by inputting the output current I to a predetermined feedback coil. In this case, the conventional magnetic measurement device can measure. The range (dynamic range) of the amount of magnetic flux is limited by the limit of the output current I that can be output in the magnetic flux lock circuit. However, according to the measuring
また従来技術によるSFQ回路を用いた微小磁気測定装置は、磁束量子Φ0の有無でビット表現をする回路を用いているために、磁気センサとして最も重要な磁束分解能がΦ0に制限されてしまっていた。しかし本実施形態による測定装置1は、磁束量子Φ0単位で周期的に変動するパルス電圧の周波数(出力電圧Voutに対応)を読み取ることで当該測定対象磁束Φsを測定するものであるから、従来の磁束ロック回路を用いた磁気測定装置と同等の、高い測定分解能を実現することができる。
In addition, since the micro magnetism measuring apparatus using the SFQ circuit according to the prior art uses a circuit that expresses bits by the presence or absence of the magnetic flux quantum Φ0, the most important magnetic flux resolution as a magnetic sensor is limited to Φ0. . However, since the measuring
また本実施形態による測定装置1は、上述した通り、磁束検出部10、基準磁束出力部12、磁束タンク部11及びパルスカウンタ部13が同一基板上に形成することができる。このようにすることで、測定装置1は、さらに動作速度及び応答特性が改善されるとともに、引き回し配線を排して多チャネル化を容易にすることができる。
In the measuring
以上、本発明の測定装置によれば、測定分解能を低下させずに、多チャネル化が容易で、かつ、高い応答特性を有する測定装置を提供することができる。 As described above, according to the measuring apparatus of the present invention, it is possible to provide a measuring apparatus that can easily be multi-channeled and has high response characteristics without reducing the measurement resolution.
なお、本実施形態による測定装置1は上述した態様によって実現されるものであるが、本発明の他の実施形態による測定装置は、この態様に限定されない。例えば、他の実施形態による測定装置において、磁束検出部10、磁束タンク部11及び基準磁束出力部12の構造は、図6、図7に示した態様に限定されることなく、各機能部の目的が達成される範囲において変更可能である。
In addition, although the measuring
1・・・測定装置
10・・・磁束検出部
100、111、120・・・超伝導リング
101、112、121・・・接合部
11・・・磁束タンク部
110・・・磁気結合部
12・・・基準磁束出力部
122・・・校正用コイル
13・・・パルスカウンタ部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
一定の周波数でパルス電圧を出力する基準磁束出力部と、
前記磁束検出部が出力するパルス電圧に基づいて一の方向に発生させた検出用磁束と、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧に基づいて前記検出用磁束を打ち消す方向に発生させた基準磁束と、の差分磁束を発生させる磁束タンク部と、
を備え、
前記磁束タンク部は、磁気結合により、その内部に発生させている前記差分磁束の少なくとも一部を、前記磁束検出部に対し、前記測定対象磁束を打ち消す方向に入力する
ことを特徴とする測定装置。 A magnetic flux detector composed of a superconducting quantum interference device that outputs a pulse voltage at a frequency corresponding to the input magnetic flux to be measured;
A reference magnetic flux output unit that outputs a pulse voltage at a constant frequency;
A detection magnetic flux generated in one direction based on the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit, and a reference magnetic flux generated in a direction to cancel the detection magnetic flux based on the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit And a magnetic flux tank section for generating a differential magnetic flux of
With
The magnetic flux tank unit inputs at least a part of the differential magnetic flux generated therein by magnetic coupling to the magnetic flux detection unit in a direction to cancel the magnetic flux to be measured. .
前記磁束検出部において、前記測定対象磁束と前記パルス電圧の周波数とが比例して増減する関係を有する場合に出力される周波数と等しい周波数で前記パルス電圧を出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The reference magnetic flux output unit is
The pulse voltage is output at a frequency equal to a frequency that is output when the magnetic flux to be measured and the frequency of the pulse voltage have a proportional increase or decrease in the magnetic flux detection unit. The measuring device described in 1.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の測定装置。 The measuring apparatus according to claim 1, wherein at least the magnetic flux detection unit, the reference magnetic flux output unit, and the magnetic flux tank unit are formed on the same substrate.
前記磁束検出部を構成する超伝導量子干渉素子と同一の超伝導量子干渉素子で構成される
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか一項に記載の測定装置。 The reference magnetic flux output unit is
The measurement apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the measurement apparatus includes the same superconducting quantum interference element as that constituting the magnetic flux detection unit.
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の測定装置。 The measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a calibration coil that adjusts a frequency of a reference magnetic flux output from the reference magnetic flux output unit by magnetic coupling.
前記パルスカウンタ部は、
前記磁束検出部が出力するパルス電圧のパルス数に応じて前記カウント数を増加させるとともに、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧のパルス数に応じて前記カウント数を減少させる
ことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか一項に記載の測定装置。 A pulse counter unit for outputting the number of pulses of the input pulse voltage as a predetermined count number;
The pulse counter unit
The count number is increased according to the number of pulses of the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit, and the count number is decreased according to the number of pulses of the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit. The measuring device according to any one of claims 1 to 5.
基準磁束出力部が、一定の周波数でパルス電圧を出力し、
パルスカウンタ部が、前記パルス電圧を入力し、そのパルス数に基づいた所定の値を出力し、
磁束タンク部が、前記磁束検出部が出力するパルス電圧に基づいて一の方向に発生させた検出用磁束と、前記基準磁束出力部が出力するパルス電圧に基づいて前記検出用磁束を打ち消す方向に発生させた基準磁束と、の差分磁束を発生させ、
前記磁束タンク部は、さらに、磁気結合により、その内部に発生させている前記差分磁束の少なくとも一部を、前記磁束検出部に対し、前記測定対象磁束を打ち消す方向に入力する
ことを特徴とする測定方法。 A magnetic flux detection unit composed of a superconducting quantum interference device outputs a pulse voltage at a frequency corresponding to the input magnetic flux to be measured,
The reference magnetic flux output unit outputs a pulse voltage at a constant frequency,
A pulse counter unit inputs the pulse voltage, outputs a predetermined value based on the number of pulses,
The magnetic flux tank unit cancels the detection magnetic flux based on the detection magnetic flux generated in one direction based on the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit and the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit. Generate a differential magnetic flux between the generated reference magnetic flux and
The magnetic flux tank unit further inputs at least a part of the differential magnetic flux generated therein by magnetic coupling in a direction to cancel the measurement target magnetic flux to the magnetic flux detection unit. Measuring method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013043481A JP2014173846A (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Measuring apparatus and measuring method |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104569868A (en) * | 2015-02-11 | 2015-04-29 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | Superconducting quantum interference device |
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