JP2014173846A - Measuring apparatus and measuring method - Google Patents

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裕希 山梨
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring apparatus which can be easy multichannelled without reducing magnetic flux resolution and has high response characteristic.SOLUTION: A measuring apparatus 1 comprises: a magnetic flux detection section 10 constituted of a superconducting quantum interference device which outputs a pulse voltage at frequency corresponding to measurement target magnetic flux Φs to be input; a reference magnetic flux output section 12 which outputs pulse voltage at a fixed frequency; and a magnetic flux tank section 11 which generates difference magnetic flux (Φd-Φr) between detection magnetic flux Φd generated in one direction on the basis of a pulse voltage that the magnetic flux detection section 10 outputs and reference magnetic flux Φr generated in a direction cancelling the magnetic flux for detection Φd on the basis of a pulse voltage that the reference magnetic flux output section 12 outputs. The magnetic flux tank section 11 inputs at least a part of the difference magnetic flux (Φd-Φr), which is generated in the section, to the magnetic flux detection section 10 by magnetic coupling in a direction cancelling the measurement target magnetic flux Φs.

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 measuring device 8 that performs micro magnetic field measurement according to the prior art includes a magnetic flux detector 80 that is a superconducting quantum interference device (SQUID). The magnetic flux detection unit 80 includes a superconducting ring 800 and two joints 801 formed by Josephson junctions. Superconducting ring 800 is a metal wiring formed in a ring shape, and is made of a material that transitions to a superconducting state at a predetermined temperature or lower. The junction 801 is configured such that a very thin normal conductive film or insulating film is sandwiched between upper and lower superconductors. Here, in a state in which a predetermined DC current is supplied from the current source to the magnetic flux detection unit 80, when the measurement target magnetic flux Φs is linked in the superconducting ring 800, the magnetic flux Φs becomes the magnetic flux quantum Φ0 (= 2) at the output voltage Vout. 0.07 × 10 −15 Wb) is known to periodically change every n times (n is an integer) (FIG. 8B). By measuring the output voltage Vout, the measuring device 8 can measure the measurement target magnetic flux Φs with a resolution smaller than the magnetic flux quantum Φ0.

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 measurement device 8 can detect the measurement target magnetic flux Φs with high accuracy because the change amount of the output voltage Vout that changes in accordance with the change of the magnetic flux Φs is large. On the other hand, when the measurement target magnetic flux Φs changes at the point B, the change amount of the output voltage Vout that changes in accordance with the change of the magnetic flux Φs is small, and thus the measuring device 8 cannot detect the measurement target magnetic flux Φs with high accuracy. . That is, in this state, the measuring device 8 cannot obtain the linearity of the output voltage Vout with respect to the measurement target magnetic flux Φs.

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 measuring device 8 according to the prior art using the SQUID includes a magnetic flux lock circuit 81 shown in FIG. The magnetic flux lock circuit 81 is also called an FLL (Flux Locked Loop) circuit. As shown in FIG. 9, the magnetic flux lock circuit 81 mainly includes a voltmeter 810 and a current source 811. Further, as shown in FIG. 9, the magnetic flux detector 80 and the feedback coil 82 are disposed in the low temperature environment region 83.

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 flux lock circuit 81 will be specifically described. First, it is assumed that the state has been adjusted to the point A (FIG. 10) in the initial state (measurement target magnetic flux Φs = 0). Next, it is assumed that the measurement target magnetic flux Φs is linked to the magnetic flux detection unit 80 (FIG. 10 (1)). Then, the magnetic flux detector 80 outputs an output voltage Vout that increases in accordance with the interlinkage magnetic flux Φs. The voltmeter 810 of the magnetic flux lock circuit 81 inputs the increased Vout (FIG. 10 (2)). Then, the current source 811 of the magnetic flux lock circuit 81 immediately outputs the direct current I corresponding to the input increase of Vout to the feedback coil 82. The feedback coil 82 generates a feedback magnetic flux Φf that cancels the measurement target magnetic flux Φs that links the magnetic flux detector 80 based on the input current I. The current source 811 of the magnetic flux lock circuit 81 outputs the current I to the feedback coil 82 so that the feedback magnetic flux Φf completely cancels the measurement target magnetic flux Φs. Then, the measuring device 8 returns to the state of point A again (FIG. 10 (3)). The measuring device 8 outputs the change amount of the output voltage Vout generated according to the measurement target magnetic flux Φs in the process of FIGS. 10 (1) to 10 (3) through an integration circuit (not shown). That is, the measuring device 8 can measure the measurement target magnetic flux Φs by integrating and outputting the change in the measurement target magnetic flux Φs while always ensuring the linearity of the output voltage Vout with respect to the measurement target magnetic flux Φs. It is said.

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 Non-Patent Document 1 enables high response characteristics (high slew rate) and multi-channeling of the magnetic sensor.

U.Fath他4名,“Experimental Digital SQUID with Integrated Feedback Circuit”,IEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY,VOL.7,NO.2,JUNE 1997U. Fath et al., “Experimental Digital SQUID with Integrated Feedback Circuit”, IEEE TRANSACTION ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 7, NO. 2, JUNE 1997

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 measuring device 8 according to the prior art uses the magnetic flux lock circuit 81. The magnetic sensor using the magnetic flux lock circuit 81 can detect a very small magnetic flux of the order of 10 −20 Wb (10 −5 Φ0), while the feedback operation of the magnetic flux lock circuit 81 (FIG. 10 (3)). As a result, it has been found that the response characteristic (slew rate) of the magnetic sensor is very low. This is because the magnetic flux lock circuit 81 requires a certain amount of time for feedback control to the DC current I of the current source 811 based on the detection voltage of the voltmeter 810. That is, there is a problem that the measuring device 8 cannot capture the agile change of the measurement target magnetic flux Φs. In addition, the measuring device 8 has a problem that the dynamic range is narrow because the measurable range of the measurement target magnetic flux Φs is limited to the output limit of the current source 811 constituting the magnetic flux lock circuit 81.

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 measuring device 8 has a configuration in which the magnetic flux detection unit 80 and the feedback coil 82 are arranged in the low temperature environment region, while the magnetic flux lock circuit 81 is arranged in the room temperature environment. Due to such a configuration, the measurement apparatus 8 needs to have at least three wires per channel straddling the boundary between the room temperature region and the low temperature region. Then, when constructing a multi-channel measurement apparatus including a plurality of magnetic sensors for realizing a plurality of magnetic flux measurements at the same time, the wiring around the low temperature environment region and the room temperature environment region is remarkably increased. That is, it is difficult to increase the number of channels of the magnetic sensor in the aspect of the measuring device 8.

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 Non-Patent Document 1, it is possible to solve the low response characteristic and the difficulty of multichanneling of the measurement device 8. However, the superconducting digital circuit is a digital circuit (referred to as a single flux quantum (SFQ) circuit) that uses the magnetic flux quantum Φ0, which is the minimum unit of magnetic flux in the superconductor, as an information carrier. That is, in this superconducting digital circuit, information processing is performed while the magnetic flux quantum Φ0 propagates through the circuit, assuming that the magnetic flux quantum Φ0 is present in the superconducting ring as “1”, and the magnetic flux quantum Φ0 as “0”. It is characterized by being.

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 Document 1 uses a circuit that expresses bits based on the presence or absence of the magnetic flux quantum Φ0, there is a problem that the most important magnetic flux resolution as a magnetic sensor is limited to Φ0. It was.

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.

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。It is a figure which shows the function structure of the measuring apparatus by one Embodiment of this invention. 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。It is a figure explaining the function of the magnetic flux detection part by one Embodiment of this invention. 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。It is a figure explaining the function of the magnetic flux tank part by one Embodiment of this invention. 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。It is a graph explaining operation | movement of the measuring apparatus by one Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the reference | standard magnetic flux output part by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による測定装置の構造を説明する第一の図である。It is a 1st figure explaining the structure of the measuring device by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による測定装置の構造を説明する第二の図である。It is a 2nd figure explaining the structure of the measuring device by one Embodiment of this invention. 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。It is a figure explaining the function of the superconducting quantum interference element by a prior art. 従来技術による測定装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the measuring apparatus by a prior art. 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。It is a graph explaining the function of the magnetic flux lock circuit by a prior art.

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, reference numeral 1 denotes a measuring device. As shown in FIG. 1, the measuring apparatus 1 includes a magnetic flux detection unit 10, a magnetic flux tank unit 11, a reference magnetic flux output unit 12, and a pulse counter unit 13.

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 flux detection unit 10 is a so-called superconducting quantum interference device (SQUID), and includes a superconducting ring 100 and a joint 101. Superconducting ring 100 is a metal wiring formed in a ring shape, and is made of a material that transitions to a superconducting state at a predetermined temperature or lower. For example, Nb (niobium) is used for the superconducting ring 100. In this case, the superconducting ring 100 becomes superconductive at about 9K. The bonding portion 101 is a bonding interface configured such that a very thin normal conductive film or insulating film is sandwiched between upper and lower superconductors, and is called a Josephson Junction (JJ).

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 flux detection unit 10 according to the present embodiment is a functional unit that outputs a pulse voltage at a frequency (detection frequency fd) corresponding to the measurement target magnetic flux Φs interlinking the superconducting ring 100. Details of the function of the magnetic flux detector 10 will be described later. In the following description, the pulse voltage output by the magnetic flux detection unit 10 at the detection frequency fd is referred to as a “detection pulse voltage”, and a bundle of magnetic flux quantum Φ0 generated in the superconducting ring based on the detection pulse voltage is expressed as “ The magnetic flux for detection Φd ”.

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 flux output unit 12 is a functional unit that outputs a pulse voltage at a constant frequency (reference frequency fr). The reference magnetic flux output unit 12 according to the present embodiment outputs the same frequency as the detection frequency fd output from the magnetic flux detection unit 10 when the measurement target magnetic flux Φs interlinking the magnetic flux detection unit 10 is zero. To be adjusted. That is, when the measurement target magnetic flux Φs = 0, fd = fr. Specific functions and configurations of the reference magnetic flux output unit 12 will be described later. In the following description, the bundle of magnetic flux Φ0 generated in the superconducting ring based on the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit 12 at the reference frequency fr is referred to as “reference magnetic flux Φr”.

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 flux tank unit 11 is a functional unit that inputs the pulse voltage output from the magnetic flux detection unit 10 and the pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit 12. As shown in FIG. 1, the magnetic flux tank unit 11 is connected to the magnetic flux detection unit 10 and the reference magnetic flux output unit 12 by wiring, and inputs the detection pulse voltage and the reference pulse voltage.

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 flux tank unit 11 is also a superconductor, and a superconducting ring is formed through a Josephson junction (indicated by x on the wiring in FIG. 1) and the ground. Therefore, when the detection pulse voltage is input from the magnetic flux detection unit 10, the magnetic flux tank unit 11 generates the detection magnetic flux Φd in one direction inside the superconducting ring. Similarly, when the reference pulse voltage is input from the reference magnetic flux output unit 12, the magnetic flux tank unit 11 generates the reference magnetic flux Φr in the superconducting ring. At this time, the magnetic flux tank unit 11 generates the reference magnetic flux Φr in a direction opposite to the direction of the detection magnetic flux Φd (direction in which the detection magnetic flux Φd is canceled). As a result, the magnetic flux tank unit 11 generates only the difference magnetic flux (difference magnetic flux (Φd−Φr)) between the detection magnetic flux Φd and the reference magnetic flux Φr.

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 flux tank unit 11 has a magnetic coupling unit 110. The magnetic coupling unit 110 is magnetically coupled to the magnetic flux detection unit 10 and acts to cancel the measurement target magnetic flux Φs input to the magnetic flux detection unit 10 in accordance with the differential magnetic flux (Φd−Φr) generated therein. Details of the function of the magnetic flux tank unit 11 will be described later.

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 pulse counter unit 13 is a functional unit that inputs a predetermined pulse voltage and outputs a predetermined value based on the number of pulses. The pulse counter unit 13 according to the present embodiment is configured by a digital circuit that performs arithmetic processing for counting the number of pulses of the sequentially input pulse voltage. The pulse counter unit 13 according to the present embodiment is mainly formed of a superconductor, and is configured by a digital circuit (hereinafter referred to as an SFQ circuit) using the flux quantum Φ0 as an information carrier. The pulse counter unit 13 according to the present embodiment is an aspect of a “measurement unit” that has a function of inputting the detection pulse voltage and specifying the measurement target magnetic flux Φs based on the detection pulse voltage. Details of the function of the pulse counter unit 13 will be described later.

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 magnetic flux detector 10. Here, when the measurement target magnetic flux Φs is linked in the superconducting ring 100 with a predetermined DC current flowing from the current source to the magnetic flux detection unit 10, the output voltage Vout changes to the magnetic flux quantum Φ0 ( = 2.07 × 10 −15 Wb) is known to change periodically (FIG. 2A). By measuring the output voltage Vout, the measuring device 8 can measure the measurement target magnetic flux Φs with a resolution smaller than the magnetic flux quantum Φ0.

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 magnetic flux detector 10 is actually an average of pulse voltages output at a very high frequency (in the order of several tens of GHz). Each pulse of the pulse voltage is an induced voltage generated by the amount of change of the magnetic flux quantum Φ0 in the magnetic flux Φ interlinking the superconducting ring 100. Here, it is known that the magnetic flux Φ interlinking in the superconducting ring formed of a superconductor is subjected to a constraint condition that can change only in units of the magnetic flux quantum Φ0. On the other hand, the Josephson junction (joint 101) has a property equivalent to that of a superconductor when no current flows, but the current passing through the junction 101 exceeds a predetermined critical current Ic. The state changes from the superconducting state to the normal conducting state, and the superconducting ring 100 has an effect of cutting the superconducting region. Therefore, when the current passing through the junction 101 exceeds the critical current Ic, the superconducting ring (in units of the flux quantum Φ0) from the junction 101 in which the magnetic flux Φ interlinking the superconducting ring 100 is in a normal conduction state. The pulse voltage is excited in the magnetic flux detection unit 10 (junction 101) as a result of the movement of the magnetic flux Φ (change of the magnetic flux quantum Φ0).

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 junction 101 instantaneously falls below the critical current Ic and the junction 101 returns to the superconducting state. However, since the current is constantly applied, the critical current Ic is again applied. And the pulse voltage is excited. By repeating this phenomenon, the magnetic flux detector 10 outputs a pulse voltage at a predetermined frequency. Note that, as the magnetic flux Φ interlinking the superconducting ring 100 increases, the current around the superconducting ring 100 increases, so the time until the critical current Ic is exceeded is also shortened. Therefore, the frequency f of the pulse voltage increases as the magnetic flux Φ interlinking the superconducting ring 100 increases.

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.

Figure 2014173846
Figure 2014173846

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 flux tank portion 11 is formed of the superconducting ring 111 (FIG. 3) having a Josephson junction (joint portion 112). Here, the magnetic flux tank unit 11 receives a pulse voltage for detection from the magnetic flux detection unit 10. As described above, the pulse voltage corresponds to the amount of change of the flux quantum Φ0 for one pulse. The magnetic flux tank unit 11 generates a circulating current around the superconducting ring 111 of the magnetic flux tank unit 11 when the pulse voltage for one pulse is excited by itself, and a magnetic flux Φ0 interlinking the superconducting ring 111 is generated. Occur. Here, in the superconductor, the voltage V and the magnetic flux Φ are converted without energy loss. Therefore, as shown in FIG. 3, the phenomenon described above causes a part of the magnetic flux Φ interlinking the superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 (magnetic flux quantum Φ0) to be generated in the magnetic flux tank unit 11 via the pulse voltage. It can be seen as a phenomenon that moves to. In this way, the magnetic flux tank unit 11 generates the magnetic flux for detection Φd interlinking the superconducting ring 111 by the magnetic flux quantum Φ0 for each pulse of the detection pulse voltage continuously input at the detection frequency fd. Increase (Figure 3). Here, it is assumed that the direction of the magnetic flux for detection Φd is the front side in FIG.

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 flux tank unit 11 continuously receives the reference pulse voltage from the reference magnetic flux output unit 12 at the reference frequency fr, and generates the reference magnetic flux Φr interlinking the superconducting ring 111 (FIG. 3). . At this time, the magnetic flux tank unit 11 generates the reference magnetic flux Φr in the direction opposite to the direction of the detection magnetic flux Φd (the direction in which the detection magnetic flux Φd is canceled (the back direction in FIG. 3)). Specifically, in the magnetic flux tank unit 11, the circulating current generated in the magnetic flux tank unit 11 by the reference pulse voltage from the reference magnetic flux output unit 12 is in the opposite direction to the circulating current generated by the detection pulse voltage from the magnetic flux detection unit 10. It has a circuit configuration that goes around. As a result, the magnetic flux tank unit 11 generates only the differential magnetic flux (Φd−Φr) between the detection magnetic flux Φd and the reference magnetic flux Φr. The circulating current that generates the differential magnetic flux (Φd−Φr) in the superconducting ring 111 is limited to a range that does not exceed the critical current Ic.

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 flux detection unit 10 is zero. The frequency is set. Therefore, when the measurement target magnetic flux Φs is zero, since fd = fr, the detection magnetic flux Φd and the reference magnetic flux Φr that can be generated inside the magnetic flux tank unit 11 are equal, and both cancel each other completely. Therefore, in this case, no magnetic flux is generated in the magnetic flux tank unit 11. On the other hand, when the measurement target magnetic flux Φs has a finite value, the detection frequency fd changes by the measurement target magnetic flux Φs. Here, it is assumed that the direction of the measurement target magnetic flux Φs is the back direction in FIG. 3 and the frequency fd is increased based on the measurement target magnetic flux Φs. Then, since fd> fr, the balance between the detection magnetic flux Φd generated in the magnetic flux tank 11 and the reference magnetic flux Φr is lost, and Φd> Φr. Then, a differential magnetic flux (Φd−Φr) corresponding to the magnetic flux amount of the measurement target magnetic flux Φs is generated in the magnetic flux tank unit 11.

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 flux tank unit 11 according to the present embodiment is arranged so as to be magnetically coupled to the magnetic flux detection unit 10 (FIG. 3), and the differential magnetic flux (Φd−Φr) generated inside by magnetic coupling. At least a part is input to the magnetic flux detection unit 10 in a direction to cancel the measurement target magnetic flux Φs. Specifically, in the magnetic flux tank unit 11, at least a part of the differential magnetic flux (Φd−Φr) is linked to the superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 in the magnetic coupling unit 110 constituting a part thereof. They are arranged close to each other so as to generate a feedback magnetic flux Φf. Further, the magnetic flux tank unit 11 is arranged so that the feedback magnetic flux Φf is generated in a direction that cancels the measurement target magnetic flux Φs (the front side in FIG. 3). The feedback magnetic flux Φf increases and decreases in proportion to the magnitude of the differential magnetic flux (Φd−Φr).

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10, the influence of the measurement target magnetic flux Φs on the magnetic flux detection unit 10 is reduced, and as a result, the detection increased due to the influence of the measurement target magnetic flux Φs. The frequency fd decreases. As long as the condition of fd> fr is satisfied, the differential magnetic flux (Φd−Φr) continues to increase, and the feedback magnetic flux Φf is increased. Therefore, the feedback magnetic flux Φf increases until the stage where fd = fr, that is, the stage where the measurement target magnetic flux Φs is completely canceled (Φf = Φs). When the feedback magnetic flux Φf increases until it completely cancels the measurement target magnetic flux Φs, fd = fr and the differential magnetic flux (Φd−Φr) generated by the magnetic flux tank unit 11 does not increase any more. At equilibrium. In this way, the magnetic flux tank unit 11 functions as a negative feedback circuit that inputs the fluctuation component (increase / decrease in the detection frequency fd) generated in the magnetic flux detection unit 10 and acts in a direction to suppress the fluctuation.

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10, the detection frequency fd is changed to the reference frequency fr by the function of the magnetic flux tank unit 11. The feedback action works until they are equal.

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 measurement apparatus 1 cannot accurately detect the measurement target magnetic flux Φs. . That is, the measuring device 1 needs to ensure the linearity of the detection frequency fd with respect to the measurement target magnetic flux Φs.

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 flux output unit 12. The reference magnetic flux output unit 12 generates a reference pulse voltage at a frequency equal to the output frequency when the magnetic flux detection unit 10 has a relationship (linearity) in which the measurement target magnetic flux Φs and the detection frequency fd increase or decrease in proportion. Output. That is, the reference frequency fr is set to a frequency equal to the detection frequency fd output by the magnetic flux detection unit 10 at point A in FIG. By doing in this way, the average voltage Vout output from the magnetic flux detector 10 has a feedback action that is in an equilibrium state at the point A in FIG. Therefore, even if the measurement target magnetic flux Φs interlinking the magnetic flux detection unit 10 changes and the detection frequency fd output by the magnetic flux detection unit 10 varies temporarily according to this change, the magnetic flux tank unit 11 immediately measures the measurement target. A feedback magnetic flux Φf that cancels the magnetic flux Φs is generated and returned to the state of point A.

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 pulse counter unit 13 performs a calculation process to detect the pulse and increase the count number by one. That is, the pulse frequency of the detection frequency fd that fluctuates according to the increase / decrease of the measurement target magnetic flux Φs is counted by the pulse counter unit 13. The measuring apparatus 1 can measure the measurement target magnetic flux Φs by appropriately associating the count number calculated by the pulse counter unit 13 with the measurement target magnetic flux Φs.

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 pulse counter unit 13 according to the present embodiment is an up / down counter circuit that receives the detection pulse voltage output from the magnetic flux detection unit 10 and the reference pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit 12 as inputs. May be. The up / down counter circuit (pulse counter unit 13) has a circuit configuration that increases the count number according to the number of pulses of the detection pulse voltage and decreases the count number according to the number of pulses of the reference pulse voltage. In this way, the pulse counter unit 13 functions to output only the difference between the number of pulses of the detection pulse voltage and the number of pulses of the reference pulse voltage, that is, the number of pulses increased or decreased due to the change in the measurement target magnetic flux Φs. Therefore, the output count number can be directly linked to the measurement target magnetic flux Φs.

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 pulse counter unit 13 is formed by an SFQ circuit, high-speed data processing can be realized. The detection pulse voltage and the reference pulse voltage described above are high-frequency signals each extending over several tens of GHz, and are pulse signals on the order of several psec per pulse. However, the SFQ circuit formed of a superconductor can stably operate against such a high-frequency signal.

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 measurement apparatus 1 according to the present embodiment uses the pulse counter unit 13 as one aspect of the measurement unit that specifies the measurement target magnetic flux Φs from the detection pulse voltage input from the magnetic flux detection unit 10. The measuring apparatus 1 according to the embodiment is not limited to this mode. For example, the measurement apparatus 1 according to another embodiment may be configured such that the measurement target magnetic flux Φs is specified by linking the average voltage Vout of the detection pulse voltage and the measurement target magnetic flux Φs as the measurement unit. .

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 apparatus 1. When a predetermined measurement target magnetic flux Φs is input to the magnetic flux detection unit 10, each pulse voltage output from the magnetic flux detection unit 10 and the reference magnetic flux output unit 12 exhibits characteristics as shown in FIG. 4. For example, in the period T1 in which the measurement target magnetic flux Φs is zero, the detection pulse voltage output from the magnetic flux detection unit 10 is output at the same frequency as the reference pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit 12 ( fd = fr). At this time, since the pulse counter unit 13 inputs the detection pulse voltage and the reference pulse voltage at the same frequency as an up / down counter circuit, the pulse count number maintains a constant value (eg, “0”) without increasing or decreasing doing. Note that in the period T1, the reference frequency fr is set so that the measurement target magnetic flux Φs and the detection frequency fd change to have a linearity (point A in FIG. 2A). And

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 flux detection unit 10 at the first time point of the period T2 illustrated in FIG. Then, at the next moment, the detection frequency fd of the detection pulse voltage increases linearly according to the increased magnetic flux to be measured Φs. However, due to the negative feedback action of the magnetic flux tank unit 11 described above, the feedback magnetic flux Φf is generated in the superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 in the direction to cancel the input measurement target magnetic flux Φs, and the detection frequency fd gradually decreases. To do. Then, in the period T3, it is stabilized again at fd = fr (point A in FIG. 2A) (FIG. 4).

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 pulse counter unit 13 continues to input the detection pulse voltage and the reference pulse voltage during the periods T2 to T3. Here, since the number of pulses of the detection pulse voltage is input more than the number of pulses of the reference pulse voltage in the period T2, the pulse counter unit 13 increases the count by the number of pulses increased in the period T2. To do. The measuring apparatus 1 makes it possible to measure the measurement target magnetic flux Φs based on the pulse count number by storing the pulse count number and the measurement target magnetic flux Φs in association with each other. Further, even if the measurement target magnetic flux Φs further changes after the period T3, the magnetic flux detection unit 10 is stable at a point having linearity (point A in FIG. 2A) at this time point. The change of the measurement object magnetic flux Φs can be read with high accuracy.

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 flux output unit 12 according to the present embodiment may be configured by a superconducting ring 120 having a joint 121. Here, it is assumed that the superconducting ring 120 and the joining part 121 have the same configuration as the superconducting ring 100 and the joining part 101 constituting the magnetic flux detection part 10. A DC current equivalent to the DC current applied to the superconducting ring 100 is applied to the superconducting ring 120.

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 flux output unit 12 includes a calibration coil 122. The calibration coil 122 is disposed so as to be magnetically coupled to the superconducting ring 120, and an arbitrary DC current is input from another current source (not shown). By appropriately selecting the DC current to the calibration coil 122, the reference pulse voltage output from the reference magnetic flux output unit 12 is set to a desired reference frequency fr by magnetic coupling between the calibration coil 122 and the superconducting ring 120. Can be set. Here, the operator of the measuring apparatus 1 sets the reference frequency fr to a frequency at which linearity is ensured in the magnetic flux detection unit 10 in the previous stage of magnetic flux measurement.

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 apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
Next, the specific structure of the measuring apparatus 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. The present embodiment is characterized in that all the functional units constituting the measuring apparatus 1 are formed on one substrate. More specifically, the magnetic flux detection unit 10, the reference magnetic flux output unit 12, the magnetic flux tank unit 11, and the pulse counter unit 13 are formed on the same substrate with a layer (made of a material that becomes a superconducting state at a predetermined temperature or lower) Hereinafter, it is formed by forming a multi-layer film of “niobium wiring layer” as an example) and an insulating layer. Each niobium wiring layer and insulating layer are laminated with a film thickness of about 300 nm to 400 nm, for example.

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 and the superconducting ring 111 of the magnetic flux tank unit 11.

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1.5μm〜3μm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 flux detection unit 10 is mainly formed by niobium wiring layers BAS1 to BAS3, COU1, COU2, and G1 and contacts JJ1, JJ2, BCC1, BCC2, GC1, and GC2. The DC current from the current source is applied via BAS3. FIG. 7A shows a cross-sectional structure of the magnetic flux detection unit 10 formed in this way. However, it should be noted that the cross-sectional view of the magnetic flux detection unit 10 shown in FIG. 7A is not shown as an accurate cross-sectional view of FIG. 6 for convenience of illustration.

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 includes a niobium wiring layer BAS1− from the niobium wiring layer BAS3-BCC1-COU1 which is a superconductor through the Josephson junction JJ1. Grounded via GC1-G1. Further, the superconducting ring 100 is connected to the niobium wiring layer COU2-BCC2-BAS3 from the niobium wiring layer G1-GC2-BAS2 via the Josephson junction JJ2, thereby forming a superconducting ring. When the magnetic flux Φs to be measured interlinks in the superconducting ring 100 formed in this way, JJ1 and JJ2 correspond to the joint portion 101 (FIG. 1). For convenience of explanation, although not shown, an insulating layer is provided between the niobium wiring layers as described above.

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 magnetic flux tank 11 is mainly formed by niobium wiring layers BAS4, BAS5, COU3 and contacts JJ3, JJ4, GC3, GC4. FIG. 7B shows a cross-sectional structure of the magnetic flux tank portion 11 formed in this way. However, it should be noted that the cross-sectional view of the magnetic flux tank portion 11 shown in FIG. 7B is not shown as an accurate cross-sectional view of FIG. 6 for convenience of illustration.

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 superconducting ring 111 of the magnetic flux tank unit 11 connects the niobium wiring layer BAS4-GC3-G1 from the niobium wiring layer COU3, which is a superconductor, via the Josephson junction JJ3. Is connected to ground. Further, the superconducting ring 111 is connected to the niobium wiring layer COU3 from the niobium wiring layer G1-GC4-BAS5 via the Josephson junction JJ4 to form a superconducting ring. JJ3 and JJ4 correspond to the joint 112 (FIG. 3).

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 flux tank unit 11 inputs the detection pulse voltage output from the magnetic flux detection unit 10 from the right side of FIG. 6, so that the superconducting ring 111 formed as shown in FIG. The magnetic flux for detection Φd is generated inside. On the other hand, the magnetic flux tank unit 11 inputs a reference pulse voltage from a reference magnetic flux output unit 12 (not shown in FIGS. 6 and 7) from the left side of FIG. Give rise to However, the directions of the detection magnetic flux Φd and the reference magnetic flux Φr are opposite to each other (directions in which they cancel each other). As a result, a differential magnetic flux (Φd−Φr) is generated in the superconducting ring 111 of the magnetic flux tank unit 11.

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 and the COU 3 constituting the superconducting ring 111 of the magnetic flux tank unit 11 are arranged so as to overlap in a plan view. The magnetic coupling unit 110 of the magnetic flux tank unit 11 is an area where the BAS 3 and the COU 3 overlap, and the magnetic flux detection unit 10 and the magnetic flux tank unit 11 are magnetically coupled mainly at this part. That is, at least a part of the differential magnetic flux (Φd−Φr) interlinking the superconducting ring 111 shown in FIG. 7B is simultaneously chained using the superconducting ring 100 of FIG. 7A as the feedback magnetic flux Φf. Interact. Here, the feedback magnetic flux Φf is generated in a direction opposite to the measurement target magnetic flux Φs (direction in which the measurement target magnetic flux Φs is canceled).

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 superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10 is a superconductivity formed equivalent to a predetermined SFQ circuit (for example, the superconducting ring 100 or the like). And is input to the magnetic flux tank unit 11 and the pulse counter unit 13. Further, the superconducting ring 120 (FIG. 5) constituting the reference magnetic flux output unit 12 according to the present embodiment may be formed with the same structure as the superconducting ring 100 of the magnetic flux detection unit 10.

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 flux detection unit 10, magnetic flux tank unit 11, reference magnetic flux output unit 12 and pulse counter unit 13 constituting the measuring apparatus 1 according to the present embodiment are all formed on the same substrate. It will be arranged in the same low temperature region. By doing in this way, the measuring apparatus 1 can abolish complicated routing wiring. Further, by eliminating the routing wiring and forming it on the same substrate, it contributes to speeding up the circuit operation.

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 apparatus 1 according to the present embodiment is characterized in that the function of a conventional magnetic flux lock circuit (FLL circuit) is realized by a reference magnetic flux output unit 12 and a magnetic flux tank unit 11. Here, since both the reference magnetic flux output unit 12 and the magnetic flux tank unit 11 according to the present embodiment are formed of a superconductor like the magnetic flux detection unit 10, the feedback action is also performed at a high speed. That is, the measuring apparatus 1 eliminates the conventional magnetic flux lock circuit and achieves high response characteristics with respect to changes in the magnetic flux Φs to be measured by realizing equivalent functions with various circuits formed of superconductors. Can do.

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 flux tank unit 11 and the reference magnetic flux output unit 12 according to the present embodiment detect the magnetic flux. Since it is arranged in the same low temperature region as the portion 10, complicated routing wiring can be suppressed to a minimum. Therefore, the measuring apparatus 1 can easily realize multi-channeling.

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 apparatus 1 according to the present embodiment, as the measurement target magnetic flux Φs increases, the feedback magnetic flux Φf also increases following this, so that in principle there is no measurement limit. Therefore, the measuring device 1 can have a larger dynamic range than the conventional magnetic measuring device.

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 apparatus 1 according to the present embodiment measures the magnetic flux Φs to be measured by reading the frequency (corresponding to the output voltage Vout) of the pulse voltage that periodically varies in units of the magnetic flux quantum Φ0, A high measurement resolution equivalent to that of a magnetic measurement device using a magnetic flux lock circuit can be realized.

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 apparatus 1 according to the present embodiment, as described above, the magnetic flux detection unit 10, the reference magnetic flux output unit 12, the magnetic flux tank unit 11, and the pulse counter unit 13 can be formed on the same substrate. By doing in this way, the measuring apparatus 1 can further improve the operation speed and response characteristics, and can easily increase the number of channels by eliminating the routing wiring.

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 apparatus 1 by this embodiment is implement | achieved by the aspect mentioned above, the measuring apparatus by other embodiment of this invention is not limited to this aspect. For example, in the measurement apparatus according to another embodiment, the structures of the magnetic flux detection unit 10, the magnetic flux tank unit 11, and the reference magnetic flux output unit 12 are not limited to the modes illustrated in FIGS. Changes can be made to the extent that the objective is achieved.

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 SYMBOLS 1 ... Measuring apparatus 10 ... Magnetic flux detection part 100, 111, 120 ... Superconducting ring 101, 112, 121 ... Joint part 11 ... Magnetic flux tank part 110 ... Magnetic coupling part 12. ..Reference magnetic flux output section 122 ... calibration coil 13 ... pulse counter section

Claims (7)

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。
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. .
前記基準磁束出力部は、
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.
少なくとも、前記磁束検出部、前記基準磁束出力部及び前記磁束タンク部が同一基板上に形成されている
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.
前記基準磁束出力部は、
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.
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.
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。
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.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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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