JP2019023582A - Magnetic sensor and magnetic measurement method - Google Patents

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敬二 圓福
Keiji Enpuku
敬二 圓福
政晃 松尾
Masaaki Matsuo
政晃 松尾
吉田 敬
Takashi Yoshida
吉田  敬
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Abstract

To provide a magnetic sensor capable of high-sensitively detecting a signal magnetic field up to a low frequency area in an excitation magnetic field using a high temperature superconducting coil.SOLUTION: The magnetic sensor comprises: a coil L1 constituted of a high temperature superconducting conductor capturing a signal magnetic flux as the object to be measured; a coil L2 constituted of a high temperature superconducting conductor, which is connected to the coil L1 in series to detect the signal magnetic flux captured by the coil L1; a micro resistance Rc which is connected in series to the coil L1 and the coil L2 to form a closed circuit; a detection part 12 configured to measure the signal magnetic flux transferred from the coil L1 to the coil L2 after converting the same into a voltage signal; and modulation means for changing the inductance on the coil L2 in time.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高温超伝導コイルを用いたインダクタンス変調型の磁気センサ等に関する。   The present invention relates to an inductance modulation type magnetic sensor using a high-temperature superconducting coil.

磁気センサは、医療・バイオ検査、非破壊検査、材料物性解析、資源探査、地球物理、などの幅広い分野で応用されている。これらの応用において、検査・解析の性能を高度化するためには微弱な磁気信号を高精度に計測する必要があり、このための高感度磁気センサが求められている。   Magnetic sensors are applied in a wide range of fields such as medical / bio testing, nondestructive testing, material property analysis, resource exploration, and geophysics. In these applications, in order to enhance the inspection and analysis performance, it is necessary to measure a weak magnetic signal with high accuracy, and a high-sensitivity magnetic sensor for this purpose is required.

従来知られている一般的な磁気センサとして、電磁誘導型の磁気センサがある。図9は、従来技術の電磁誘導型の磁気センサの基本構成図である。図9(A)において、コイルの断面積をS、巻数をN、外部から与えられる磁界をB、コイルに鎖交する磁束をΦ(=B×N×S)とすると、コイルの両端の電圧Vは、Φを時間的に変化させた   As a general known magnetic sensor, there is an electromagnetic induction type magnetic sensor. FIG. 9 is a basic configuration diagram of a conventional electromagnetic induction type magnetic sensor. In FIG. 9A, assuming that the cross-sectional area of the coil is S, the number of turns is N, the magnetic field applied from the outside is B, and the magnetic flux linked to the coil is Φ (= B × N × S), the voltage across the coil V changed Φ over time

となり、これは周波数fに比例する。つまり、周波数fと電圧Vとの関係は、図9(B)のグラフのような比例関係となり、低周波数の領域においては、電圧が小さくなり感度が低くなるため、センサとして機能することができないという問題がある。   Which is proportional to the frequency f. In other words, the relationship between the frequency f and the voltage V is a proportional relationship as shown in the graph of FIG. 9B, and in the low frequency region, the voltage becomes small and the sensitivity becomes low, so it cannot function as a sensor. There is a problem.

ここで、対象物からの磁気信号を測定する磁気測定方法は大きく二つの場合に大別されており、一つは、対象物から自発的に発生している自発磁化を計測する場合である。この場合は、微弱な磁気信号を高精度に計測できれば良く、そのためのセンサも種々開発されている。もう一つは、励起磁界を印加して対象物を磁化し、対象物の磁化信号を計測する場合である。この場合は、大きな励起磁界を印加した状態で微弱な磁気信号を計測する必要があるが、この要求を満たす磁気センサは非常に少ないのが現状である。   Here, magnetic measurement methods for measuring a magnetic signal from an object are roughly classified into two cases. One is a case of measuring spontaneous magnetization spontaneously generated from the object. In this case, it is only necessary to measure a weak magnetic signal with high accuracy, and various sensors have been developed. The other is a case where an excitation magnetic field is applied to magnetize the object and the magnetization signal of the object is measured. In this case, it is necessary to measure a weak magnetic signal in a state where a large excitation magnetic field is applied, but there are very few magnetic sensors that satisfy this requirement.

その理由は、磁気センサには正常に動作する磁界範囲(最小値と最大値)が存在し、高感度な磁気センサほど計測できる磁界の最大値は小さくなるためである。すなわち、磁気センサが大きな励起磁界に直接曝された場合には、磁気飽和してしまい、磁気センサの正常な動作が出来なくなる。このため、励起磁界を用いた磁気計測では、センサの高感度性を維持しつつ、励起磁界の影響を如何に除去するかが重要な課題となっている。   The reason is that the magnetic sensor has a normally operating magnetic field range (minimum value and maximum value), and the maximum value of the magnetic field that can be measured is smaller as the magnetic sensor is more sensitive. That is, when the magnetic sensor is directly exposed to a large excitation magnetic field, magnetic saturation occurs and normal operation of the magnetic sensor cannot be performed. For this reason, in magnetic measurement using an excitation magnetic field, it is an important issue how to remove the influence of the excitation magnetic field while maintaining high sensitivity of the sensor.

この問題を解決する一つの方法が、信号磁界の捕捉と検出を分離して行う方法である。検出コイルにより信号磁界を捕捉し、この信号磁界を磁気センサに伝達して計測する方法である。この方法では、磁気センサを励起磁界の外部に設置できるため、励起磁界の悪影響を除去することが出来る。この問題と、上記の電磁誘導型の磁気センサの問題とを解決する技術として、液体ヘリウム温度で動作する超伝導コイルと超伝導量子干渉素子(SQUID)を用いた磁気センサが知られている(非特許文献1〜3)。   One method for solving this problem is to separate the capture and detection of the signal magnetic field. In this method, a signal magnetic field is captured by a detection coil, and the signal magnetic field is transmitted to a magnetic sensor for measurement. In this method, since the magnetic sensor can be installed outside the excitation magnetic field, the adverse effect of the excitation magnetic field can be eliminated. A magnetic sensor using a superconducting coil and a superconducting quantum interference element (SQUID) operating at a liquid helium temperature is known as a technique for solving this problem and the problem of the above-described electromagnetic induction type magnetic sensor ( Non-patent documents 1 to 3).

図10は、従来技術のSQUIDの基本構成図である。図10(A)において、超伝導コイルを用いてR=0の閉回路が形成され、電流読み出しにより計測が行われる。ここで、閉回路を流れる電流Iは、R=0の場合に FIG. 10 is a basic configuration diagram of a conventional SQUID. In FIG. 10A, a closed circuit of R c = 0 is formed using a superconducting coil, and measurement is performed by reading current. Here, the current I flowing through the closed circuit is obtained when R c = 0.

となり、検出コイルの磁束Φは、 The magnetic flux Φ 2 of the detection coil is

となり、Φに比例し、周波数fには依存しないものとなる(図10(B)を参照)。つまり、電流Iを検出することで、周波数fに依存しない計測が可能となる。   Is proportional to Φ and does not depend on the frequency f (see FIG. 10B). That is, by detecting the current I, measurement independent of the frequency f is possible.

また、これまでに、高温超伝導コイルと常伝導コイルとを組み合わせて磁気信号を伝達し、この磁気信号を高温超伝導SQUIDで検出する装置が開発されており(非特許文献4〜10)、この装置を用いた医療・バイオ検査、非破壊検査、材料物性解析等の応用が研究されている。   In addition, a device that transmits a magnetic signal by combining a high-temperature superconducting coil and a normal conductive coil and detects this magnetic signal with a high-temperature superconducting SQUID has been developed (Non-Patent Documents 4 to 10). Applications such as medical / bio-inspection, non-destructive inspection, and material property analysis using this device are being studied.

M. Mossle, WR. Myers, SK. Lee, N. Kelso, M. Hatridge, A. Pines, and J. Clarke, "SQUID-detected in vivo MRI at microtesla magnetic fields", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 15, no. 2, pp. 757-760, 2005M. Mossle, WR. Myers, SK. Lee, N. Kelso, M. Hatridge, A. Pines, and J. Clarke, "SQUID-detected in vivo MRI at microtesla magnetic fields", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 15, no. 2, pp. 757-760, 2005 A. H. Trabesinger, R. McDermott, SKLee, M. Mu1ck, J.Clarke, and A. Pines, "SQUID-Detected Liquid State NMR in Microtesla Fields", J. Phys. Chem. A 2004 108, 957-963, 2014A. H. Trabesinger, R. McDermott, SKLee, M. Mu1ck, J. Clarke, and A. Pines, "SQUID-Detected Liquid State NMR in Microtesla Fields", J. Phys. Chem. A 2004 108, 957-963, 2014 NL. Adolphi, KS. Butler, DM. Lovato, TE. Tessier, JE. Trujillo, HJ. Hathaway, DL. Fegan, TC. Monson, TE. Stevens, DL.Huber, J. Ramu, ML. Milne, SA. Altobelli, HC. Bryant, RS. Larson, and ER. Flynn, “Imaging of Her2-targeted magnetic nanoparticles for breast cancer detection: comparison of SQUID-detected magnetic relaxometry and MRI”, Contrast Media & Molecular Imaging vol. 7, 308-319, 2012NL. Adolphi, KS. Butler, DM. Lovato, TE. Tessier, JE. Trujillo, HJ. Hathaway, DL. Fegan, TC. Monson, TE. Stevens, DL. Huber, J. Ramu, ML. Milne, SA. Altobelli, HC. Bryant, RS. Larson, and ER. Flynn, “Imaging of Her2-targeted magnetic nanoparticles for breast cancer detection: comparison of SQUID-detected magnetic relaxometry and MRI”, Contrast Media & Molecular Imaging vol. 7, 308- 319, 2012 A. Tsukamoto, T. Hato, S. Adachi, Y. Oshikubo, W. Cheng, K. Enpuku, K. Tsukada,and K. Tanabe, "Eddy Current Testing System Using HTS-SQUID With External Pickup Coil Made of HTS Wire ", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 27, no. 4 1600505, 2017A. Tsukamoto, T. Hato, S. Adachi, Y. Oshikubo, W. Cheng, K. Enpuku, K. Tsukada, and K. Tanabe, "Eddy Current Testing System Using HTS-SQUID With External Pickup Coil Made of HTS Wire ", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 27, no. 4 1600505, 2017 MM. Saari, K. Sakai, T. Kiwa, A. Tsukamoto, S. Adachi, K. Tanabe, A. Kandori, and K. Tsukada, "Development of a Compact Moving-Sample Magnetometer Using High-T-c Superconducting Quantum Interference Device", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 51, no. 4, 046601, 2012MM. Saari, K. Sakai, T. Kiwa, A. Tsukamoto, S. Adachi, K. Tanabe, A. Kandori, and K. Tsukada, "Development of a Compact Moving-Sample Magnetometer Using High-Tc Superconducting Quantum Interference Device ", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 51, no. 4, 046601, 2012 DF. He, M. Tachiki and H. Itozaki, "Detecting the N-14 NQR signal using a high-Tc SQUID", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 17, no. 2, pp. 843-845, 2007DF. He, M. Tachiki and H. Itozaki, "Detecting the N-14 NQR signal using a high-Tc SQUID", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 17, no. 2, pp. 843-845, 2007 H. Dong, Y. Zhang, H-J. Krause, X. Xie, A.I. Braginski and A.Offenhaeusser, "Suppression of ringing in the tuned input circuit of a SQUID detector used in low-field NMR measurements", Superconductor Science and Technology, Vol. 22, No.12, 125022, 2009H. Dong, Y. Zhang, HJ. Krause, X. Xie, AI Braginski and A. Offenhaeusser, "Suppression of ringing in the tuned input circuit of a SQUID detector used in low-field NMR measurements", Superconductor Science and Technology, Vol. 22, No. 12, 125022, 2009 T. Mizoguchi, A. Kandori, R. Kawabata, K. Ogata, T. Hato, A. Tsukamoto, S. Adachi, K. Tanabe, S.TanakaK. Tsukada, and K.Enpuku, "Highly Sensitive Third-Harmonic Detection Method of Magnetic Nanoparticles Using an AC Susceptibility Measurement System for Liquid-Phase Assay”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 26, no. 5, 1602004, 2016T. Mizoguchi, A. Kandori, R. Kawabata, K. Ogata, T. Hato, A. Tsukamoto, S. Adachi, K. Tanabe, S. Tanaka K. Tsukada, and K. Enpuku, "Highly Sensitive Third-Harmonic Detection Method of Magnetic Nanoparticles Using an AC Susceptibility Measurement System for Liquid-Phase Assay ”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 26, no. 5, 1602004, 2016 HH. Chen, KW. Huang, HC. Yang, HE. Horng, SH. Liao, "Optimization of the detection coil of high-T-c superconducting quantum interference device-based nuclear magnetic resonance for discriminating a minimum amount of liver tumor of rats in microtesla fields", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 114, no. 6, 064701, 2013HH. Chen, KW. Huang, HC. Yang, HE. Horng, SH. Liao, "Optimization of the detection coil of high-Tc superconducting quantum interference device-based nuclear magnetic resonance for discriminating a minimum amount of liver tumor of rats in microtesla fields ", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 114, no. 6, 064701, 2013 SY. Yang, JJ. Chieh, CC. Yang, SH. Liao, HH. Chen, HE. Horng, HC. Yang, CY. Hong, MJ. Chiu, TF. Chen, KW. Huang, and C. C. Wu, "Clinic Applications in Assaying Ultra-Low-Concentration Bio-Markers Using HTS SQUID-Based AC Magnetosusceptometer", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 23, no. 3, 1600604, 2013SY. Yang, JJ. Chieh, CC. Yang, SH. Liao, HH. Chen, HE. Horng, HC. Yang, CY. Hong, MJ. Chiu, TF. Chen, KW. Huang, and CC Wu, "Clinic Applications in Assaying Ultra-Low-Concentration Bio-Markers Using HTS SQUID-Based AC Magnetosusceptometer ", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 23, no. 3, 1600604, 2013

しかしながら、液体ヘリウム温度で動作するSQUIDは、冷媒としての液体ヘリウムが必要となり、装置の価格や維持コストが高く、また、取り扱いが複雑であるといった課題を有する。   However, the SQUID operating at the liquid helium temperature requires liquid helium as a refrigerant, and has the problems that the price and maintenance cost of the apparatus are high and the handling is complicated.

また、高温超伝導コイルを用いた方式では、数十ヘルツ以下の低周波では信号伝達の効率が極めて悪くなり、低周波磁界に対する高感度な磁気センサは実現できていないという課題を有する。   In addition, the method using the high-temperature superconducting coil has a problem that the signal transmission efficiency is extremely deteriorated at a low frequency of several tens of hertz or less, and a highly sensitive magnetic sensor for a low-frequency magnetic field cannot be realized.

本発明は、高温超伝導コイルを用い、励起磁界中で低周波数領域までの信号磁界を高感度に検出することができる磁気センサを提供する。   The present invention provides a magnetic sensor that can detect a signal magnetic field up to a low frequency region in an excitation magnetic field with high sensitivity using a high-temperature superconducting coil.

本発明に係る磁気センサは、測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続して閉回路を形成する微小抵抗と、第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を電圧信号に変換して測定する電圧測定手段と、第2コイルのインダクタンスを時間的に変化させる変調手段とを備えるものである。   A magnetic sensor according to the present invention is connected in series to a first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured, and detects the signal magnetic flux captured by the first coil. A second coil made of a high-temperature superconductor, a minute resistor that is connected in series to the first coil and the second coil to form a closed circuit, and a signal magnetic flux transmitted from the first coil to the second coil is converted into a voltage signal. Voltage measuring means for measuring, and modulation means for changing the inductance of the second coil over time.

このように、本発明に係る磁気センサにおいては、測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続して閉回路を形成する微小抵抗とにおける、第2コイルのインダクタンスを時間的に変化させることで、周波数に依存しない電圧を計測することが可能となり、極めて低周波数であっても、高感度に磁界を検出することができるという効果を奏する。   As described above, in the magnetic sensor according to the present invention, the first coil made of the high-temperature superconductor that captures the signal magnetic flux to be measured and the first coil are connected in series and captured by the first coil. Temporarily changing the inductance of the second coil in the second coil made of a high-temperature superconductor that detects the signal magnetic flux and the minute resistor that is connected in series to the first coil and the second coil to form a closed circuit. Thus, it becomes possible to measure a voltage that does not depend on the frequency, and the magnetic field can be detected with high sensitivity even at an extremely low frequency.

また、第1コイルと第2コイルとを高温超伝導コイルで形成することで、冷媒として液体窒素を利用することが可能となり、装置の価格や維持コストを低く、また、取り扱いを簡素化することができるという効果を奏する。   In addition, by forming the first coil and the second coil with a high-temperature superconducting coil, it becomes possible to use liquid nitrogen as a refrigerant, reducing the price and maintenance cost of the apparatus, and simplifying the handling. There is an effect that can be.

本発明に係る磁気センサは、測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第2コイルに磁気結合する第3コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続して閉回路を形成する微小抵抗と、第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を当該第2コイルに磁気結合する第3コイルの電圧信号として測定する電圧測定手段と、第2コイルと第3コイルとの相互インダクタンスを時間的に変化させる変調手段とを備えるものである。   A magnetic sensor according to the present invention is connected in series to a first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured, and detects the signal magnetic flux captured by the first coil. A second coil made of a high-temperature superconductor; a third coil magnetically coupled to the second coil; a micro-resistor connected in series to the first coil and the second coil to form a closed circuit; Voltage measuring means for measuring the signal magnetic flux transmitted to the coil as a voltage signal of the third coil that is magnetically coupled to the second coil, and modulation means for temporally changing the mutual inductance between the second coil and the third coil; Is provided.

このように、本発明に係る磁気センサにおいては、測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続する微小抵抗とで閉回路を形成し、第2コイルに磁気結合する第3コイルとを有しており、第2コイルと第3コイルとの相互インダクタンスを時間的に変化させることで、周波数に依存しない電圧を計測することが可能となり、極めて低周波数であっても、高感度に磁界を検出することができるという効果を奏する。   As described above, in the magnetic sensor according to the present invention, the first coil made of the high-temperature superconductor that captures the signal magnetic flux to be measured and the first coil are connected in series and captured by the first coil. A second coil made of a high-temperature superconductor that detects the signal magnetic flux, and a first coil and a minute resistor connected in series to the second coil form a closed circuit, and a third coil that is magnetically coupled to the second coil is provided. By changing the mutual inductance between the second coil and the third coil over time, it becomes possible to measure a voltage that does not depend on the frequency, and a magnetic field is highly sensitive even at an extremely low frequency. There is an effect that it can be detected.

また、第1コイルと第2コイルと第3コイルとを高温超伝導コイルで形成することで、冷媒として液体窒素を利用することが可能となり、装置の価格や維持コストを低く、また、取り扱いを簡素化することができるという効果を奏する。   In addition, by forming the first coil, the second coil, and the third coil with a high-temperature superconducting coil, it becomes possible to use liquid nitrogen as a refrigerant, reducing the price and maintenance cost of the apparatus, and handling it. There is an effect that it can be simplified.

本発明に係る磁気センサは、前記微小抵抗が、第1コイルと第2コイルとを結線する常伝導体からなり、測定周波数に応じて抵抗値が調整されているものである。   In the magnetic sensor according to the present invention, the minute resistance is made of a normal conductor connecting the first coil and the second coil, and the resistance value is adjusted according to the measurement frequency.

このように、本発明に係る磁気センサにおいては、前記微小抵抗が、第1コイルと第2コイルとを結線する常伝導体からなり、測定周波数に応じて抵抗値が調整されているため、測定対象物に応じて、適正な周波数で計測することが可能になるという効果を奏する。   As described above, in the magnetic sensor according to the present invention, the minute resistance is made of a normal conductor connecting the first coil and the second coil, and the resistance value is adjusted according to the measurement frequency. There is an effect that it becomes possible to measure at an appropriate frequency according to the object.

本発明に係る磁気センサは、変調手段が、第2コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有するものである。   In the magnetic sensor according to the present invention, the modulation means includes a magnetic body inserted into the second coil, and a current source that supplies current to the magnetic body.

このように、本発明に係る磁気センサにおいては、変調手段が、第2コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有するため、電流源により電流を制御することで、第2コイルのインダクタンスを容易に変調させることができるという効果を奏する。   As described above, in the magnetic sensor according to the present invention, the modulation means includes the magnetic body inserted into the second coil and the current source that supplies current to the magnetic body, so that the current is controlled by the current source. Thus, there is an effect that the inductance of the second coil can be easily modulated.

本発明に係る磁気センサは、変調手段が、第3コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有するものである。   In the magnetic sensor according to the present invention, the modulation means includes a magnetic body inserted into the third coil, and a current source that supplies current to the magnetic body.

このように、本発明に係る磁気センサにおいては、変調手段が、第3コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有するため、電流源により電流を制御することで、第2コイルと第3コイルの間の相互インダクタンスを容易に変調させることができるという効果を奏する。   As described above, in the magnetic sensor according to the present invention, the modulation means has the magnetic body inserted into the third coil and the current source that supplies current to the magnetic body, so that the current is controlled by the current source. Thus, there is an effect that the mutual inductance between the second coil and the third coil can be easily modulated.

第1の実施形態に係る磁気センサの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the magnetic sensor which concerns on 1st Embodiment. 接触抵抗がある場合の周波数と電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a frequency in case there exists contact resistance, and an electric current. 第2の実施形態に係る磁気センサの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the magnetic sensor which concerns on 2nd Embodiment. 実施例において、磁性ワイアに直流バイアス電流を流したときのインダクタンスの変化の測定結果を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the measurement result of the change of an inductance when a DC bias current is sent through a magnetic wire. 実施例において、信号磁束の周波数を2kHzとした時の電圧の周波数スペクトルの測定結果を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the measurement result of the frequency spectrum of a voltage when the frequency of a signal magnetic flux is 2 kHz. 実施例において、信号磁束の周波数を変化したときの周波数特性の結果を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the result of a frequency characteristic when the frequency of a signal magnetic flux is changed. 実施例において、磁界感度を測定した結果を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the result of having measured the magnetic field sensitivity. 実施例において、雑音特性を測定した結果を示す図である。In an Example, it is a figure which shows the result of having measured the noise characteristic. 従来技術の電磁誘導型の磁気センサの基本構成図である。It is a basic block diagram of the electromagnetic induction type magnetic sensor of a prior art. 従来技術のSQUIDの基本構成図である。It is a basic composition figure of SQUID of a prior art.

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。   Embodiments of the present invention will be described below. Also, the same reference numerals are given to the same elements throughout the present embodiment.

(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る磁気センサについて、図1及び図2を用いて説明する。本実施形態に係る磁気センサは、高温超伝導コイルを用いて、励起磁界中で低周波数の信号磁界を高感度に計測できるものである。
(First embodiment of the present invention)
A magnetic sensor according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The magnetic sensor according to the present embodiment can measure a low-frequency signal magnetic field with high sensitivity in an excitation magnetic field using a high-temperature superconducting coil.

図1は、本実施形態に係る磁気センサの回路構成を示す図である。磁気センサ1は、外部の信号磁界Bを信号磁束Φとして捕捉する高温超伝導体で形成されたコイルL1と、コイルL1に直列接続され、高温超伝導体からなり、コイルL1で捕捉された磁束を検出するコイルL2と、コイルL1及びコイルL2に直列接続されて閉回路を形成する抵抗Rcとを備える。   FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of a magnetic sensor according to the present embodiment. The magnetic sensor 1 includes a coil L1 formed of a high-temperature superconductor that captures an external signal magnetic field B as a signal magnetic flux Φ, and a magnetic flux that is connected in series to the coil L1 and is formed of the high-temperature superconductor and captured by the coil L1. And a resistor Rc connected in series to the coil L1 and the coil L2 to form a closed circuit.

コイルL2には、当該コイルL2のインダクタンスLを変調させるために、コイル内に磁性ワイア10(例えば、アモルファス磁性ワイア等)が挿入されており、この磁性ワイア10に電流を通電する電流源11を備える。コイルL1で捕捉した信号磁界は、コイルL2に伝達されて、検出部12で電圧信号として計測される。 The coil L2, to modulate the inductance L 2 of the coil L2, the magnetic wire 10 in the coil (e.g., amorphous magnetic wires, etc.) is inserted, a current source 11 for energizing current to the magnetic wire 10 Is provided. The signal magnetic field captured by the coil L1 is transmitted to the coil L2, and is measured as a voltage signal by the detection unit 12.

コイルL2のインダクタンスの変調は、磁性ワイア10にバイアス電流Iを通電することで行う。磁性ワイア10に電流が通電されると、この電流により磁性ワイア10が磁化されてその透磁率が変化する。コイルL2のインダクタンスは、磁性ワイア10の透磁率の変化によって変化するため、バイアス電流IによりコイルL2のインダクタンスLを時間的に変化させることができる。 Modulation of the inductance of the coil L2 is performed by passing a bias current I B in the magnetic wire 10. When a current is passed through the magnetic wire 10, the magnetic wire 10 is magnetized by this current and its permeability changes. Inductance of the coil L2, in order to change by a change in magnetic permeability of the magnetic wire 10, thereby the inductance L 2 of the coil L2 temporally changed by the bias current I B.

以下、本実施形態に係る磁気センサ1の動作原理について詳細に説明する。図1におけるコイルL1のインダクタンスをL、コイルL2のインダクタンスをLとする。コイルL1とコイルL2とは、それぞれ高温超伝導体からなるため、必ず接続抵抗Rが生じる。検出する信号磁界の周波数fが、 Hereinafter, the operation principle of the magnetic sensor 1 according to the present embodiment will be described in detail. The inductance of the coil L1 in FIG. 1 L 1, the inductance of the coil L2 and L 2. The coils L1 and L2, since each consisting of high-temperature superconductors connection resistance R c occurs always. The frequency f of the signal magnetic field to be detected is

の場合には、信号伝達に及ぼす接続抵抗の影響を無視することができるため、ここでは、簡単のためにR=0として説明する。 In this case, since the influence of the connection resistance on the signal transmission can be ignored, here, R c = 0 is described for the sake of simplicity.

なお、ここで、接続抵抗Rと周波数fとの関係について説明する。図10において、液体ヘリウム温度で動作する超伝導コイルを用いたSQUIDについて説明しているが、これは、液体ヘリウムを冷媒として利用することでR=0の超伝導ループを実現することができる。つまり、上述したように、図10においては、周波数に依存しないで電流Iを読み出すことが可能となり、fが低周波数であっても高感度に検出することが可能である。 Here, the relationship between the connection resistance Rc and the frequency f will be described. In FIG. 10, a SQUID using a superconducting coil operating at a liquid helium temperature is described, but this can realize a superconducting loop of R c = 0 by using liquid helium as a refrigerant. . That is, as described above, in FIG. 10, it is possible to read the current I without depending on the frequency, and it is possible to detect with high sensitivity even if f is a low frequency.

一方、本実施形態に係る磁気センサは、高温超伝導コイルを用いるため、上述したように接続抵抗R>0が生じる。図10において、R>0の場合、電流Iは、ω=2πfを用いて、 On the other hand, since the magnetic sensor according to the present embodiment uses a high-temperature superconducting coil, the connection resistance R c > 0 occurs as described above. In FIG. 10, when R c > 0, the current I uses ω = 2πf,

となり、周波数fと|I|との関係は、図2のようなグラフとなる。図2のグラフから、わかるように、周波数がfc未満においては、電流|I|が大きく変動しており、感度が悪くなるため磁気センサとして機能することができない。また、以下の式により、Rが大きくなるほど周波数fcが大きくなることから、低周波数での計測を行うためには、Rを出来るだけ小さくすることが望ましい。 Thus, the relationship between the frequency f and | I | is a graph as shown in FIG. As can be seen from the graph of FIG. 2, when the frequency is less than fc, the current | I | fluctuates greatly, and the sensitivity becomes poor, so that the magnetic sensor cannot function. In addition, according to the following formula, the frequency fc increases as R c increases. Therefore, in order to perform measurement at a low frequency, it is desirable to reduce R c as much as possible.

式(1)に戻って、上述したように、ここではR=0とし、検出部12が電圧(V)読み出しにより信号磁界を計測する方法について説明する。コイルL1に信号磁束Φが鎖交した場合を考えると、図1における閉回路に流れる電流Iは、 Returning to Equation (1), as described above, here, a method in which R c = 0 is set and the detection unit 12 measures the signal magnetic field by reading the voltage (V s ) will be described. Considering the case where the signal magnetic flux Φ is linked to the coil L1, the current I flowing in the closed circuit in FIG.

で与えられる。コイルL2に鎖交している磁束をΦとすると、 Given in. When the magnetic flux is interlinked with the coil L2 and [Phi 2,

で与えられる。ここで、コイルL2のインダクタンスLが一定の場合は、 Given in. Here, if the inductance L 2 of the coil L2 is constant,

となり、周波数に比例するため、低周波数領域において高感度に計測するのが困難となる。そこで、コイルL2のインダクタンスLSince it is proportional to the frequency, it is difficult to measure with high sensitivity in the low frequency region. Therefore, the inductance L 2 of the coil L2

となるように時間tで変調されている場合を考える。ただし、ωは変調の角周波数であり、Kは変調度を表す。このとき、図1に示すコイルL2の端子間に誘導される電圧Vは、 Let us consider a case where modulation is performed at time t so that However, ω m is an angular frequency of modulation, and K represents a modulation degree. At this time, the voltage V s induced between the terminals of the coil L2 shown in FIG. 1,

で与えられる。ただし、信号磁束Φの時間変化に対して、インダクタンスLの変調が十分に速いものとする。したがって、式(3)を用いると、K<1の場合に以下の式を得る。 Given in. However, with respect to time change of the signal magnetic flux [Phi, modulation of the inductance L 2 is made sufficiently fast. Therefore, using equation (3), the following equation is obtained when K <1.

上式に示すように、Lが角周波数ωで変調され、信号磁束Φが直流の場合には、電圧Vの角周波数はωとなる。また、信号磁束Φの角周波数がωの場合には、電圧Vの角周波数はω±ωとなり、電圧Vは信号磁束ΦのAM変調波として表される。すなわち、電圧Vは式(4)の第1項に示すようなΦの時間変化ではなく、Φに比例するものとなり、本実施形態においては、信号磁束Φに比例した電圧値Vを計測することが可能となる。 As shown in the above equation, when L 2 is modulated at the angular frequency ω m and the signal magnetic flux Φ is a direct current, the angular frequency of the voltage V s is ω m . When the angular frequency of the signal magnetic flux Φ is ω s , the angular frequency of the voltage V s is ω m ± ω s , and the voltage V s is expressed as an AM modulated wave of the signal magnetic flux Φ. That is, the voltage V s is not proportional to Φ as shown in the first term of the equation (4), but is proportional to Φ. In this embodiment, the voltage value V s proportional to the signal magnetic flux Φ is measured. It becomes possible to do.

次に、インダクタンスの変調方法について説明する。コイルL2のインダクタンスの変調方法としては、図1に示すように、磁性ワイア10をコイルL2内に挿入し、磁性ワイア10にバイアス電流Iを流す。上述したように、磁性ワイア10に電流が流れると、この電流により磁性ワイア10が磁化され、その透磁率が変化することが知られている(参考文献1:I. Sasada and S. Harada, “Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Gradiometer”, IEEE, TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol.50, No.11, 4007404, 2014、参考文献2:I. Sasada, “Orthogonal fluxgate mechanism operated with dc biased excitation”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.91, No.10, pp.7789-7791, 2002)。コイルL2のインダクタンスは、磁性ワイア10の透磁率によって変化するため、バイアス電流IによりコイルL2のインダクタンスを変化させることができる。 Next, an inductance modulation method will be described. As a modulation method of the inductance of the coil L2, as shown in FIG. 1, the magnetic wire 10 is inserted into the coil L2, flows a bias current I B in the magnetic wire 10. As described above, it is known that when a current flows through the magnetic wire 10, the magnetic wire 10 is magnetized by this current and its magnetic permeability changes (Reference 1: I. Sasada and S. Harada, “ Fundamental Mode Orthogonal Fluxgate Gradiometer ”, IEEE, TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol.50, No.11, 4007404, 2014, Reference 2: I. Sasada,“ Orthogonal fluxgate mechanism operated with dc biased excitation ”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol .91, No. 10, pp. 7789-7791, 2002). Inductance of the coil L2, in order to vary the magnetic permeability of the magnetic wire 10, it is possible to change the inductance of the coil L2 by the bias current I B.

したがって、バイアス電流として時間的に変化する電流I(t)を流せば、コイルL2のインダクタンスを次式のように時間的に変調することができる。 Therefore, if the current I B (t) that changes with time is supplied as the bias current, the inductance of the coil L2 can be temporally modulated as in the following equation.

ここで、gはインダクタンスの電流Iに対する依存性を示す関数である。 Here, g is a function representing the dependence of the current I B of the inductance.

なお、図2に示すように、本実施形態に係る磁気センサにおいては、測定対象となる周波数領域に応じて、抵抗Rを調整できるように構成してもよい。つまり、コイルL1とコイルL2との接続抵抗において、その接触面積を可変することで抵抗Rを調整し、測定対象の周波数領域に合わせた周波数fcを計測できるようにしてもよい。 Incidentally, as shown in FIG. 2, in the magnetic sensor according to the present embodiment, depending on the frequency range to be measured, the resistance R c may be configured to allow adjustment. That is, in the connection resistance between the coil L1 and the coil L2, to adjust the resistance R c by varying the contact area may be able to measure the frequency fc matching the frequency domain to be measured.

また、本実施形態においては、コイルL2のインダクタンスを時間的に変化させるために、コイル内に磁性ワイアを挿入し、この磁性ワイアに電流を通電することで、インダクタンスを変調させたが、例えば、電流源を利用することなく、磁性ワイアに変調用の外部磁界を印加することにより、コイルL2のインダクタンスを時間的に変化させてもよい。   In the present embodiment, in order to change the inductance of the coil L2 with time, a magnetic wire is inserted into the coil and a current is passed through the magnetic wire to modulate the inductance. The inductance of the coil L2 may be temporally changed by applying an external magnetic field for modulation to the magnetic wire without using a current source.

(本発明の第2の実施形態)
本実施形態に係る磁気センサについて、図3を用いて説明する。本実施形態に係る磁気センサは、前記第1の実施形態に係る磁気センサの変形例である。なお、本実施形態において、前記第1の実施形態と重複する説明は省略する。
(Second embodiment of the present invention)
A magnetic sensor according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The magnetic sensor according to the present embodiment is a modification of the magnetic sensor according to the first embodiment. In addition, in this embodiment, the description which overlaps with the said 1st Embodiment is abbreviate | omitted.

図3は、本実施形態に係る磁気センサの回路構成を示す図である。磁気センサ1は、第1の実施形態における図1の場合と異なるのは、図1の場合は、コイルL2の自己インダクタンスを時間的に変化させたのに対して、図3の場合は、コイルL2に磁気結合するコイルL3を有し、コイルL2とコイルL3の相互インダクタンスを時間的に変化させることである。また、コイルL2とコイルL3の相互インダクタンスを時間的に変化させるために、磁性ワイア10は、コイルL2ではなく、コイルL3に挿入されている。なお、コイルL3は、超伝導コイルでも常伝導コイルでもどちらでもよい。   FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of the magnetic sensor according to the present embodiment. The magnetic sensor 1 differs from the case of FIG. 1 in the first embodiment in that the self-inductance of the coil L2 is temporally changed in the case of FIG. 1, whereas in the case of FIG. The coil L3 is magnetically coupled to L2, and the mutual inductance between the coil L2 and the coil L3 is changed with time. Moreover, in order to change the mutual inductance of the coil L2 and the coil L3 temporally, the magnetic wire 10 is inserted not in the coil L2 but in the coil L3. The coil L3 may be either a superconducting coil or a normal conducting coil.

図3において、コイルL3に鎖交している磁束をΦとすると、 In FIG. 3, when the magnetic flux interlinking with the coil L3 is Φ 3 ,

で与えられる。コイルL2とコイルL3との相互インダクタンスMが、   Given in. The mutual inductance M between the coil L2 and the coil L3 is

となるように時間tで変調されている場合を考える。このとき、コイルL3の端子間に誘導される電圧Vsは、   Let us consider a case where modulation is performed at time t so that At this time, the voltage Vs induced between the terminals of the coil L3 is

で与えられる。ただし、信号磁束Φの時間変化に対してMの変調は十分に速いとする。したがって、   Given in. However, it is assumed that the modulation of M is sufficiently fast with respect to the time change of the signal magnetic flux Φ. Therefore,

となる。(5)式で示した、第1の実施形態における自己インダクタンス変調型の場合と同様に、電圧Vsは信号磁束ΦのAM変調波として表される。すなわち、電圧VはΦに比例するものとなり、本実施形態においても、信号磁束Φに比例した電圧値Vを計測することが可能となる。 It becomes. As in the case of the self-inductance modulation type in the first embodiment shown by the equation (5), the voltage Vs is expressed as an AM modulation wave of the signal magnetic flux Φ. That is, the voltage V s is proportional to Φ, and the voltage value V s proportional to the signal magnetic flux Φ can be measured also in this embodiment.

なお、本実施形態においても、前記第1の実施形態の場合と同様に、測定対象となる周波数領域に応じて、抵抗Rを調整できるように構成してもよい。つまり、コイルL1とコイルL2との接続抵抗において、その接触面積を可変することで抵抗Rを調整し、測定対象の周波数領域に合わせた周波数fcを計測できるようにしてもよい。 Note that, in the present embodiment as well, as in the case of the first embodiment, the resistance Rc may be adjusted according to the frequency region to be measured. That is, in the connection resistance between the coil L1 and the coil L2, to adjust the resistance R c by varying the contact area may be able to measure the frequency fc matching the frequency domain to be measured.

また、本実施形態においても、コイルL2とコイルL3の間の相互インダクタンスを時間的に変化させるために、コイルL3内に磁性ワイアを挿入し、この磁性ワイアに電流を通電することで、インダクタンスを変調させてもよいし、例えば、電流源を利用することなく、磁性ワイアに変調用の外部磁界を印加することにより、コイルL2とコイルL3の間の相互インダクタンスを時間的に変化させてもよい。   Also in the present embodiment, in order to change the mutual inductance between the coil L2 and the coil L3 with time, a magnetic wire is inserted into the coil L3, and a current is passed through the magnetic wire, thereby reducing the inductance. For example, the mutual inductance between the coil L2 and the coil L3 may be temporally changed by applying an external magnetic field for modulation to the magnetic wire without using a current source. .

本発明に係る磁気センサについて、以下の実験を行った。   The following experiment was conducted on the magnetic sensor according to the present invention.

(1)コイルL2のインダクタンス変調
図1の回路におけるコイルL2のインダクタンスLの変調方法について、以下の実験を行った。図1における磁性ワイア10にバイアス電流Iを流して、インダクタンスLを変化させる。図4に、磁性ワイア10に直流バイアス電流Iを流したときのインダクタンスの変化の測定結果を示す。
(1) The modulation method of the inductance L 2 of the coil L2 in the circuit of the inductance modulation Figure 1 of the coil L2, the following experiment was performed. The magnetic wire 10 in FIG. 1 by flowing a bias current I B, changes the inductance L 2. Figure 4 shows the results of measurement of change in inductance when a current of a DC bias current I B in the magnetic wire 10.

図4に示すように、磁性ワイア10に流す電流IがI=0のときに、コイルL2のインダクタンスLは最大となる。この値をL2,0とする。電流Iを流すと磁性ワイア10の透磁率が減少するため、図4に示すように、コイルインダクタンスも減少する。図4の縦軸は、インダクタンスの変化率ΔL/L2,0を示しており、この実験の場合、I=50mAのバイアス電流を流すと、インダクタンスは12%程度変化していることがわかる。なお、バイアス電流の符号に対しては、対称的に変化する。 As shown in FIG. 4, when the current I B flowing through the magnetic wire 10 is I B = 0, the inductance L 2 of the coil L 2 is maximized. This value is L 2,0 . Since the magnetic permeability of the magnetic wire 10 when an electric current is applied I B is reduced, as shown in FIG. 4, the coil inductance is also reduced. The vertical axis of FIG. 4 indicates the inductance change rate ΔL / L 2,0 . In this experiment, it is understood that when a bias current of I B = 50 mA is passed, the inductance changes by about 12%. . Note that the sign of the bias current changes symmetrically.

この結果から、バイアス電流Iの印加方法として、2つの方法が考えられる。一つは、I(t)=IDC+IACsin(ωt)として直流電流に交流電流を重畳した場合である。この場合、図4からわかるように、コイルL2のインダクタンスLは、以下のように変化する。 This result, as a method the application of the bias current I B, 2 two methods can be considered. One is a case where an alternating current is superimposed on a direct current as I B (t) = I DC + I AC sin (ω m t). In this case, as can be seen from Figure 4, the inductance L 2 of the coil L2 is changed as follows.

したがって、(5)式から、信号電圧は次式で与えられる。   Therefore, from the equation (5), the signal voltage is given by the following equation.

これは、信号磁束Φの角周波数がωの場合には、電圧Vの周波数はω±ωとなる。すなわち、電圧Vは信号磁束ΦのAM変調波として表される。 This is because when the angular frequency of the signal magnetic flux Φ is ω s , the frequency of the voltage V s is ω m ± ω s . That is, the voltage V s is expressed as an AM modulated wave of the signal magnetic flux Φ.

一方、バイアス電流IをI(t)=IACsin(ωt)とした場合、図4からわかるように、コイルL2のインダクタンスLは、2ωで変化することになる。すなわち、 On the other hand, when the bias current I B is I B (t) = I AC sin (ω m t), as can be seen from FIG. 4, the inductance L 2 of the coil L2 changes at 2ω m . That is,

となり、この場合、信号電圧は次式で与えられる。   In this case, the signal voltage is given by the following equation.

これは、信号磁束Φの角周波数がωの場合には、電圧Vの周波数は2ω±ωとなる。すなわち、電圧Vは信号磁束ΦのAM変調波として表される。 This is because when the angular frequency of the signal magnetic flux Φ is ω s , the frequency of the voltage V s is 2ω m ± ω s . That is, the voltage V s is expressed as an AM modulated wave of the signal magnetic flux Φ.

(2)磁気センサの動作実験
図1の回路図に基づいた磁気センサを作成した。高温超伝導体からなるコイルL1及びL2は、Bi系高温超伝導テープにより作成し、コイルのパラメータは次の通りである。
線材:住友電工株式会社製、Bi HTS tape、幅3mm
内径:Di=40mm、外径:Do=60mm
巻数:N=27(パンケーキ型コイル)
(2) Operation experiment of magnetic sensor A magnetic sensor based on the circuit diagram of FIG. 1 was prepared. The coils L1 and L2 made of a high-temperature superconductor are made of a Bi-based high-temperature superconducting tape, and the coil parameters are as follows.
Wire: Sumitomo Electric Co., Ltd., Bi HTS tape, width 3 mm
Inner diameter: Di = 40 mm, outer diameter: Do = 60 mm
Number of windings: N = 27 (pancake coil)

磁性ワイアのパラメータは以下の通りである。
磁性ワイア:愛知製鋼株式会社製、アモルファスワイア(直径:100μm)
HTSコイルに10ターン巻き付け
ワイア抵抗:185Ω
The parameters of the magnetic wire are as follows.
Magnetic wire: Aichi Steel Co., Ltd., amorphous wire (diameter: 100 μm)
Wire resistance: 185 Ω wrapped around HTS coil for 10 turns

アモルファスワイアのバイアス電流Iは、以下の条件で与えた。I(t)=IDC+IACsin(ωt)において、周波数f=50kHz、IDC=−12mA(直流電流)、IAC=12mA(交流電流振幅)とする。また、信号磁束Φは、磁界印加コイルによりコイルL1に磁束Φを印加した。 Bias current I B of the amorphous wire is given in the following conditions. In I B (t) = I DC + I AC sin (ω m t), frequency f m = 50 kHz, I DC = −12 mA (direct current), and I AC = 12 mA (alternating current amplitude). The signal magnetic flux Φ was applied to the coil L1 by a magnetic field application coil.

(2−1)信号スペクトルの結果
信号磁束Φの周波数をf=2kHzとした時の電圧Vsの周波数スペクトルの測定結果を図5に示す。図5に示すように、信号電圧Vは、周波数がf±fの成分を持ち、この結果は(12)式の内容と一致していることが明らかとなった。なお、Vには周波数fの成分も存在する。この成分は、アモルファスワイアに流す変調電流Iによって発生する磁束の一部がコイルL2に鎖交するためである。
(2-1) Result of Signal Spectrum FIG. 5 shows the measurement result of the frequency spectrum of the voltage Vs when the frequency of the signal magnetic flux Φ is set to f s = 2 kHz. As shown in FIG. 5, the signal voltage V s has a component having a frequency of f m ± f s , and it has been clarified that this result agrees with the content of the equation (12). Note that the V s is also present component of the frequency f m. This component part of the magnetic flux generated by the modulation current I B flowing through the amorphous wire is to interlinked with the coil L2.

(2−2)周波数特性の結果
上記磁気センサでどこまで低周波磁界が計測できるかを調べるために、信号磁束Φの周波数を変化したときの電圧Vを測定した。信号磁束Φの周波数をf=0.01、0.1、1、10Hzと変化させ、信号電圧Vをロックインアンプに入力し、周波数f=50kHzで同期検波した。
(2-2) to low-frequency magnetic field results far above magnetic sensor of the frequency characteristics determine be measured, to measure the voltage V s of the frequency changes of the signal magnetic flux [Phi. The frequency of the signal magnetic flux Φ was changed to f s = 0.01, 0.1, 1, 10 Hz, the signal voltage V s was input to the lock-in amplifier, and synchronous detection was performed at the frequency f m = 50 kHz.

図6は、上記周波数特性の結果を示す図である。図6に示すように、信号の周波数fに依らず、一定の信号電圧(ロックインアンプ出力Vout)が得られている。このことは、本発明に係る磁気センサが、0.01Hzまでの低周波の磁界を測定可能であることを示している。 FIG. 6 is a diagram showing the results of the frequency characteristics. As shown in FIG. 6, a constant signal voltage (lock-in amplifier output V out ) is obtained regardless of the signal frequency f s . This indicates that the magnetic sensor according to the present invention can measure a low frequency magnetic field up to 0.01 Hz.

また、図1の回路図からコイルL1とL2の接続抵抗の影響が無視できる周波数は、   Further, from the circuit diagram of FIG. 1, the frequency at which the influence of the connection resistance of the coils L1 and L2 can be ignored is

となる。f=0.01Hzまで抵抗Rの影響が無視できることと、インダクタンスL+Lの値が100μH程度であることを考えると、Rの値は、R<6μΩであることが評価できる。 It becomes. and the influence of the resistance R c to f = 0.01 Hz is negligible, considering that the value of the inductance L 1 + L 2 is about 100 .mu.H, the value of R c is can be evaluated to be a R c <6μΩ.

(2−3)磁界感度の結果
磁気センサの磁界感度を調べるために、信号磁束Φの大きさを変化したときの電圧Vを測定した。信号磁束Φの周波数をf=3Hzに固定し、Φの振幅を変化させ、信号電圧Vをロックインアンプに入力し、周波数f=50kHzで同期検波した。
(2-3) In order to examine the magnetic field sensitivity of the results magnetic sensor of the magnetic field sensitivity was measured voltage V s of when changing the magnitude of the signal magnetic flux [Phi. The frequency of the signal magnetic flux Φ was fixed at f s = 3 Hz, the amplitude of Φ was changed, the signal voltage V s was input to the lock-in amplifier, and synchronous detection was performed at the frequency f m = 50 kHz.

上記結果を図7に示す。図7において、横軸は、コイルL1の平均半径Dav=50mm、巻数N=27を用いて、Φ=(π/4)Dav NBにより入力磁束Φを磁束密度Bに変換したものであり、縦軸はロックインアンプの入力電圧である。 The results are shown in FIG. In FIG. 7, the horizontal axis is obtained by converting the input magnetic flux Φ into the magnetic flux density B by Φ = (π / 4) D av 2 NB using the average radius D av = 50 mm of the coil L1 and the number of turns N = 27. Yes, the vertical axis represents the input voltage of the lock-in amplifier.

図7に示すように、信号磁界Bと出力電圧Vsには広い範囲で線形の関係が得られている。この傾きから、磁気センサの感度は、V/B=24.4(V/T)となる。 As shown in FIG. 7, a linear relationship is obtained in a wide range between the signal magnetic field B and the output voltage Vs. From this inclination, the sensitivity of the magnetic sensor is V s /B=24.4 (V / T).

次に、磁気センサの雑音特性を測定した。3Hzの信号磁束を印加した状態でロックインアンプの出力をスペクトルアナライザに入力し、雑音スペクトルを測定した。その結果を図8に示す。図8において、横軸は周波数、縦軸はV/B=24.4(V/T)で与えられるセンサの電圧感度を用いて磁界雑音S 1/2に換算したものである。 Next, the noise characteristics of the magnetic sensor were measured. With the 3 Hz signal magnetic flux applied, the output of the lock-in amplifier was input to the spectrum analyzer, and the noise spectrum was measured. The result is shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis is converted to magnetic field noise S B 1/2 using the sensor voltage sensitivity given by V s /B=24.4 (V / T).

図8に示すように、f>5Hzにおいては白色雑音となった。この白色雑音の値は、√S=40pT/√Hzとなった。f≦5Hzにおいては、周波数の低下とともに、雑音が若干増加し、√S=100pT/√Hz(at 1Hz)となった。図6及び図8の結果から、3Hzの信号は明確に計測され、従来の電磁誘導型のセンサに比べても、低周波領域における磁界雑音が明らかに低減され、高感度検出が可能になっていることが示された。 As shown in FIG. 8, white noise occurred at f> 5 Hz. The value of this white noise was √S B = 40 pT / √Hz. At f ≦ 5 Hz, the noise slightly increased as the frequency decreased to √S B = 100 pT / √Hz (at 1 Hz). From the results of FIG. 6 and FIG. 8, the 3 Hz signal is clearly measured, and the magnetic field noise in the low frequency region is clearly reduced compared to the conventional electromagnetic induction type sensor, enabling high sensitivity detection. It was shown that

L1,L2,L3 コイル
Rc 抵抗
1 磁気センサ
10 磁性ワイア
11 電流源
12 検出部
L1, L2, L3 Coil Rc Resistance 1 Magnetic sensor 10 Magnetic wire 11 Current source 12 Detector

Claims (7)

測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、
第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、
第1コイル及び第2コイルに直列接続して閉回路を形成する微小抵抗と、
第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を電圧信号に変換して測定する電圧測定手段と、
第2コイルのインダクタンスを時間的に変化させる変調手段とを備えることを特徴とする磁気センサ。
A first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured;
A second coil made of a high-temperature superconductor connected in series to the first coil and detecting the signal magnetic flux captured by the first coil;
A minute resistor that is connected in series to the first coil and the second coil to form a closed circuit;
Voltage measuring means for converting the signal magnetic flux transmitted from the first coil to the second coil into a voltage signal and measuring it;
A magnetic sensor comprising: modulation means for temporally changing the inductance of the second coil.
測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、
第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、
第2コイルに磁気結合する第3コイルと、
第1コイル及び第2コイルに直列接続して閉回路を形成する微小抵抗と、
第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を当該第2コイルに磁気結合する第3コイルの電圧信号として測定する電圧測定手段と、
第2コイルと第3コイルとの相互インダクタンスを時間的に変化させる変調手段とを備えることを特徴とする磁気センサ。
A first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured;
A second coil made of a high-temperature superconductor connected in series to the first coil and detecting the signal magnetic flux captured by the first coil;
A third coil magnetically coupled to the second coil;
A minute resistor that is connected in series to the first coil and the second coil to form a closed circuit;
Voltage measuring means for measuring a signal magnetic flux transmitted from the first coil to the second coil as a voltage signal of a third coil that is magnetically coupled to the second coil;
A magnetic sensor comprising modulation means for temporally changing the mutual inductance between the second coil and the third coil.
請求項1又は2に記載の磁気センサにおいて、
前記微小抵抗が、第1コイルと第2コイルとを結線する常伝導体からなり、測定周波数に応じて抵抗値が調整されている磁気センサ。
The magnetic sensor according to claim 1 or 2,
A magnetic sensor in which the minute resistance is made of a normal conductor connecting the first coil and the second coil, and the resistance value is adjusted according to the measurement frequency.
請求項1に記載の磁気センサにおいて、
変調手段が、第2コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有する磁気センサ。
The magnetic sensor according to claim 1,
A magnetic sensor in which the modulation means has a magnetic body inserted into the second coil and a current source for passing a current through the magnetic body.
請求項2に記載の磁気センサにおいて、
変調手段が、第3コイルに挿入される磁性体と、当該磁性体に電流を通電する電流源とを有する磁気センサ。
The magnetic sensor according to claim 2,
A magnetic sensor in which the modulation means includes a magnetic body inserted into the third coil and a current source that supplies current to the magnetic body.
測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、当該第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続する微小抵抗とで形成される閉回路における、第2コイルのインダクタンスを時間的に変化させ、第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を電圧信号に変換して測定することを特徴とする磁気測定方法。   A first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured, and a first coil made of a high-temperature superconductor that is connected in series to the first coil and detects the signal magnetic flux captured by the first coil. A signal transmitted from the first coil to the second coil by temporally changing the inductance of the second coil in a closed circuit formed by two coils and a minute resistor connected in series to the first coil and the second coil A magnetic measurement method comprising measuring magnetic flux by converting it into a voltage signal. 測定対象となる信号磁束を捕捉する高温超伝導体からなる第1コイルと、当該第1コイルに直列に接続され、当該第1コイルで捕捉された信号磁束を検出する高温超伝導体からなる第2コイルと、第1コイル及び第2コイルに直列接続する微小抵抗とで閉回路が形成されており、第2コイルと当該第2コイルに磁気結合する第3コイルとの相互インダクタンスを時間的に変化させ、第1コイルから第2コイルに伝達された信号磁束を第2コイルに磁気結合する第3コイルの電圧信号として測定することを特徴とする磁気測定方法。
A first coil made of a high-temperature superconductor that captures a signal magnetic flux to be measured, and a first coil made of a high-temperature superconductor that is connected in series to the first coil and detects the signal magnetic flux captured by the first coil. A closed circuit is formed by two coils and a minute resistor connected in series to the first coil and the second coil, and the mutual inductance between the second coil and the third coil magnetically coupled to the second coil is temporally determined. A magnetic measurement method, characterized in that a signal magnetic flux transmitted from a first coil to a second coil is measured as a voltage signal of a third coil that is magnetically coupled to the second coil.
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CN113687115A (en) * 2021-07-16 2021-11-23 兰州空间技术物理研究所 Constant current source device based on quantum natural reference and implementation method
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