JP2579283B2 - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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- JP2579283B2 JP2579283B2 JP6111835A JP11183594A JP2579283B2 JP 2579283 B2 JP2579283 B2 JP 2579283B2 JP 6111835 A JP6111835 A JP 6111835A JP 11183594 A JP11183594 A JP 11183594A JP 2579283 B2 JP2579283 B2 JP 2579283B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ＳＱＵＩＤ（Supercon
ducting Quantum Interference Device ：超伝導量子干
渉デバイス）を使用して磁場を計測するＳＱＵＩＤ磁束
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤと
は、液体ヘリウムや液体窒素等により断熱容器（クライ
オスタット等）内で低温状態に維持され、ループ内にジ
ョセフソン接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤル
ープに直流電流をバイアス電流として印加して駆動し、
このＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して外部からの磁束を結合して印加する
と、ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内
のジョセフソン接合における量子的な干渉効果により、
印加された外部磁束の微弱な変化を出力電圧の大きな変
化に変換するトランスデューサとして動作することを利
用して、微小磁束変化を測定する素子である。
ducting Quantum Interference Device ：超伝導量子干
渉デバイス）を使用して磁場を計測するＳＱＵＩＤ磁束
計に係わり、さらに詳しくは、耐ノイズ性能を向上させ
たＳＱＵＩＤ磁束計に関する。ここに、ＳＱＵＩＤと
は、液体ヘリウムや液体窒素等により断熱容器（クライ
オスタット等）内で低温状態に維持され、ループ内にジ
ョセフソン接合を含む超伝導ループであるＳＱＵＩＤル
ープに直流電流をバイアス電流として印加して駆動し、
このＳＱＵＩＤループ内に、ピックアップコイルや入力
コイル等を介して外部からの磁束を結合して印加する
と、ＳＱＵＩＤループに周回電流が誘起され、ループ内
のジョセフソン接合における量子的な干渉効果により、
印加された外部磁束の微弱な変化を出力電圧の大きな変
化に変換するトランスデューサとして動作することを利
用して、微小磁束変化を測定する素子である。
【０００２】
【従来の技術】従来、２個のジョセフソン接合を含むｄ
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境（冷却系）を
維持するための冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく
断熱格納容器であるデュワー（又はクライオスタット）
と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤプローブと、
室温で動作するアンプ（増幅器）及びコントローラを備
えて構成され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと
室温のアンプとは同軸ケーブルで接続されて構成された
ものが知られている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁
束分解能が１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は
磁束量子を示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱ
ＵＩＤの応答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ない
し数１０GHz で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵ
ＩＤに正帰還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる
技術により、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可
能となった（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhane
n, and H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER W
ITH HIGH dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, V
OL. 27, NO. 2, MARCH 1991 参照）。図５は正帰還回路
を付加したＳＱＵＩＤの構成を示す図であり、図６は図
５の回路の特性図である。図５に示すように、このＳＱ
ＵＩＤ２１は２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有
し、ＳＱＵＩＤ２１に並列に抵抗Ｒ2 と相互インダクタ
ンスＭp の正帰還コイルＬ3 が接続されている。このよ
うな構成により、図６に示すように、動作点ｄにおける
磁束電圧変換率（点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を
施さない細線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大
きくなっている。図７は、上記のような正帰還回路を付
加したＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁
束計の構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked
Loop：磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの
接続関係を示すもので、図中２１は、図５に示すような
２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ、２２は抵抗Ｒ2 と正帰還コイルＬ3 を含むＳＱ
ＵＩＤ２１に対する正帰還回路、２８は磁束ロック用負
帰還コイル、２５はＳＱＵＩＤ２１に対し入力インピー
ダンスの大きなプリアンプ、２４はＳＱＵＩＤ２１にバ
イアス電流を供給するバイアス電流供給源、２６はプリ
アンプ２５からの出力を積分する積分器、２７は負帰還
回路で電流源である。プリアンプ２５と積分器２６とフ
ィードバック回路２７とＳＱＵＩＤ２１はＦＬＬ回路を
構成している。プリアンプ２５の出力は積分器２６で参
照電位と比較され、積分器２６の出力を磁束ロック用負
帰還コイル２８に加算してネガティブフィードバックす
ると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図５上のｄ点）
に安定し、測定すべき磁場は、上記のフィードバック量
を出力値でモニターすることにより得ることができる。
この状態を「ロックされた」と表現する。上記の方法
は、ＦＬＬ法と呼ばれ、いわゆる「零位法」の一種であ
り、入出力の関係が線形になるのが特徴である。上記の
動作点ｄは、参照電位にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線
の傾きが最も急峻な点（例えば傾斜の中点）である。
ｃ−ＳＱＵＩＤ磁束計としては、低温環境（冷却系）を
維持するための冷却剤である液体ヘリウムを貯めておく
断熱格納容器であるデュワー（又はクライオスタット）
と、液体ヘリウム中で動作するＳＱＵＩＤプローブと、
室温で動作するアンプ（増幅器）及びコントローラを備
えて構成され、液体ヘリウム中のＳＱＵＩＤプローブと
室温のアンプとは同軸ケーブルで接続されて構成された
ものが知られている。このようなＳＱＵＩＤ磁束計は磁
束分解能が１０-5φo ／Ｈｚ1/2 （左式においてφo は
磁束量子を示す）と、非常に高感度であり、また、ＳＱ
ＵＩＤの応答は非常に早く、数GHz （ギガヘルツ）ない
し数１０GHz で動作するのが特徴である。一方、ＳＱＵ
ＩＤに正帰還回路を付加し、磁場測定感度を向上させる
技術により、簡単な回路構成で低雑音の磁束計が実現可
能となった（D. Drung, R.Cantor, M.Peters, T.Ryhane
n, and H. Koch, "INTEGRATED dcSQUID MAGNETOMETER W
ITH HIGH dV/dB", JEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, V
OL. 27, NO. 2, MARCH 1991 参照）。図５は正帰還回路
を付加したＳＱＵＩＤの構成を示す図であり、図６は図
５の回路の特性図である。図５に示すように、このＳＱ
ＵＩＤ２１は２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有
し、ＳＱＵＩＤ２１に並列に抵抗Ｒ2 と相互インダクタ
ンスＭp の正帰還コイルＬ3 が接続されている。このよ
うな構成により、図６に示すように、動作点ｄにおける
磁束電圧変換率（点ｄにおける波形の傾き）は正帰還を
施さない細線の場合に比べ正帰還を施した太線の方が大
きくなっている。図７は、上記のような正帰還回路を付
加したＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩＤ磁
束計の構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Locked
Loop：磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩＤの
接続関係を示すもので、図中２１は、図５に示すような
２個のジョセフソン接合Ｊ3 ，Ｊ4 を有するｄｃ−ＳＱ
ＵＩＤ、２２は抵抗Ｒ2 と正帰還コイルＬ3 を含むＳＱ
ＵＩＤ２１に対する正帰還回路、２８は磁束ロック用負
帰還コイル、２５はＳＱＵＩＤ２１に対し入力インピー
ダンスの大きなプリアンプ、２４はＳＱＵＩＤ２１にバ
イアス電流を供給するバイアス電流供給源、２６はプリ
アンプ２５からの出力を積分する積分器、２７は負帰還
回路で電流源である。プリアンプ２５と積分器２６とフ
ィードバック回路２７とＳＱＵＩＤ２１はＦＬＬ回路を
構成している。プリアンプ２５の出力は積分器２６で参
照電位と比較され、積分器２６の出力を磁束ロック用負
帰還コイル２８に加算してネガティブフィードバックす
ると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図５上のｄ点）
に安定し、測定すべき磁場は、上記のフィードバック量
を出力値でモニターすることにより得ることができる。
この状態を「ロックされた」と表現する。上記の方法
は、ＦＬＬ法と呼ばれ、いわゆる「零位法」の一種であ
り、入出力の関係が線形になるのが特徴である。上記の
動作点ｄは、参照電位にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線
の傾きが最も急峻な点（例えば傾斜の中点）である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
６に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図６中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力（例
えば、磁気信号のスペクトル観察時などにおける磁気入
力）に対しては制御が外れてしまう、という問題点があ
った。本発明は、上記の問題点を解決するためになされ
たものであり、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計に
おいて、特定の周波数に対するダイナミックレンジ特性
を向上させたＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目的と
する。
構成では低雑音のＳＱＵＩＤ磁束計が実現できるが、図
６に示すように磁束電圧変換率を向上させるために正帰
還を施して特性曲線の傾きを急にすることにより、ダイ
ナミックレンジ（線形が保持される入力磁束の範囲）は
図６中の正帰還を施す場合のΦ1 からΦ2 と、その範囲
は小さくなる。このようにダイナミッックレンジが縮小
することにより、ＳＱＵＩＤ制御回路の周波数特性の範
囲内の磁束入力に対しては零位法が成立するが、制御回
路が応答できないような高周波で大振幅の磁気入力（例
えば、磁気信号のスペクトル観察時などにおける磁気入
力）に対しては制御が外れてしまう、という問題点があ
った。本発明は、上記の問題点を解決するためになされ
たものであり、正帰還回路を有するＳＱＵＩＤ磁束計に
おいて、特定の周波数に対するダイナミックレンジ特性
を向上させたＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目的と
する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本願の第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱ
ＵＩＤと、相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに
正帰還を付与する正帰還コイルと、インダクタおよび電
圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯域通過フィル
タと、を含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された
正帰還回路と、前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃
引用電圧源と、前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅
器と、を備えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、前記帯域通
過フィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加さ
せ、前記掃引用電圧源により当該特定周波数を連続的に
変化させ、かつ、前記高周波増幅器により前記特定周波
数におけるＳＱＵＩＤ出力を得るように構成される。ま
た、本願の第２の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱ
ＵＩＤと、相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに
正帰還を付与する正帰還コイルと、インダクタおよび電
圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯域通過フィル
タと、を含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された
正帰還回路と、前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃
引用電圧源と、前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅
器と、前記ＳＱＵＩＤに負帰還を施し零位法による磁束
ロックループを構成する負帰還付与手段と、を備えたＳ
ＱＵＩＤ磁束計であって、前記零位法による磁束ロック
ループを構成可能な周波数領域においては、前記零位法
による磁束ロックループを構成することにより前記ＳＱ
ＵＩＤの出力を得、前記零位法による磁束ロックループ
を構成不可能な周波数領域においては、前記帯域通過フ
ィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加させ、
前記掃引用電圧源により当該特定周波数を連続的に変化
させ、かつ、前記高周波増幅器により前記特定周波数に
おけるＳＱＵＩＤ出力を得るように構成される。
め、本願の第１の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱ
ＵＩＤと、相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに
正帰還を付与する正帰還コイルと、インダクタおよび電
圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯域通過フィル
タと、を含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された
正帰還回路と、前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃
引用電圧源と、前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅
器と、を備えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、前記帯域通
過フィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加さ
せ、前記掃引用電圧源により当該特定周波数を連続的に
変化させ、かつ、前記高周波増幅器により前記特定周波
数におけるＳＱＵＩＤ出力を得るように構成される。ま
た、本願の第２の発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱ
ＵＩＤと、相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに
正帰還を付与する正帰還コイルと、インダクタおよび電
圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯域通過フィル
タと、を含むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された
正帰還回路と、前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃
引用電圧源と、前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅
器と、前記ＳＱＵＩＤに負帰還を施し零位法による磁束
ロックループを構成する負帰還付与手段と、を備えたＳ
ＱＵＩＤ磁束計であって、前記零位法による磁束ロック
ループを構成可能な周波数領域においては、前記零位法
による磁束ロックループを構成することにより前記ＳＱ
ＵＩＤの出力を得、前記零位法による磁束ロックループ
を構成不可能な周波数領域においては、前記帯域通過フ
ィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加させ、
前記掃引用電圧源により当該特定周波数を連続的に変化
させ、かつ、前記高周波増幅器により前記特定周波数に
おけるＳＱＵＩＤ出力を得るように構成される。
【０００５】
【作用】上記構成を有する本願の第１の発明によれば、
ＳＱＵＩＤに正帰還を付与する正帰還回路内に、インダ
クタおよび電圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯
域通過フィルタを設け、掃引用電圧源により電圧制御型
可変容量コンデンサの電圧を掃引し、ＳＱＵＩＤに高周
波増幅器を接続し、帯域通過フィルタにより特定周波数
に対する正帰還量を増加させ、掃引用電圧源によりその
特定周波数を連続的に変化させ、かつ、高周波増幅器に
より上記特定周波数におけるＳＱＵＩＤ出力を得るよに
構成したので、正帰還量をある特定周波数のみ増加させ
るとともに連続的に変化させることができ、ダイナミッ
クレンジを向上させたＳＱＵＩＤ磁束計を実現すること
が可能となるとともに、高周波領域での磁束のパワーを
検出するスペクトル解析が可能となる。また、上記構成
を有する本願の第２の発明によれば、上記第１の発明に
加え、ＳＱＵＩＤに負帰還を施し零位法による磁束ロッ
クループを構成する負帰還付与手段を設けたので、零位
法による磁束ロックループを構成可能な周波数領域にお
いては、零位法による磁束ロックループを構成すること
によりＳＱＵＩＤ出力を得ることができ、零位法による
磁束ロックループを構成不可能な周波数領域において
は、上記第１の発明の構成によりＳＱＵＩＤ出力を得る
ことが可能となる。
ＳＱＵＩＤに正帰還を付与する正帰還回路内に、インダ
クタおよび電圧制御型可変容量コンデンサとからなる帯
域通過フィルタを設け、掃引用電圧源により電圧制御型
可変容量コンデンサの電圧を掃引し、ＳＱＵＩＤに高周
波増幅器を接続し、帯域通過フィルタにより特定周波数
に対する正帰還量を増加させ、掃引用電圧源によりその
特定周波数を連続的に変化させ、かつ、高周波増幅器に
より上記特定周波数におけるＳＱＵＩＤ出力を得るよに
構成したので、正帰還量をある特定周波数のみ増加させ
るとともに連続的に変化させることができ、ダイナミッ
クレンジを向上させたＳＱＵＩＤ磁束計を実現すること
が可能となるとともに、高周波領域での磁束のパワーを
検出するスペクトル解析が可能となる。また、上記構成
を有する本願の第２の発明によれば、上記第１の発明に
加え、ＳＱＵＩＤに負帰還を施し零位法による磁束ロッ
クループを構成する負帰還付与手段を設けたので、零位
法による磁束ロックループを構成可能な周波数領域にお
いては、零位法による磁束ロックループを構成すること
によりＳＱＵＩＤ出力を得ることができ、零位法による
磁束ロックループを構成不可能な周波数領域において
は、上記第１の発明の構成によりＳＱＵＩＤ出力を得る
ことが可能となる。
【０００６】
【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計に
用いるＳＱＵＩＤチップ１１の構成を示したもので、２
個のジョセフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１
の出力側端子Ｔ1 とＴ2 の間に、抵抗Ｒ1 と正帰還コイ
ルＬ1 と可変容量コンデンサ３とインダクタＬ2 とを有
する正帰還回路２を並列接続して構成されている。上記
の正帰還回路２において、抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1
とインダクタＬ2 と可変容量コンデンサ３は直列に接続
されている。
る。図１は本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計に
用いるＳＱＵＩＤチップ１１の構成を示したもので、２
個のジョセフソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するＳＱＵＩＤ１
の出力側端子Ｔ1 とＴ2 の間に、抵抗Ｒ1 と正帰還コイ
ルＬ1 と可変容量コンデンサ３とインダクタＬ2 とを有
する正帰還回路２を並列接続して構成されている。上記
の正帰還回路２において、抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1
とインダクタＬ2 と可変容量コンデンサ３は直列に接続
されている。
【０００７】上記のＳＱＵＩＤ１は、磁束を磁束電圧変
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。正帰還コイルＬ
1 は、相互インダクタンスＭp の値を有し、ＳＱＵＩＤ
１の出力の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付
与する働きをする。抵抗Ｒ1は、ＳＱＵＩＤ１への正帰
還量を制限する働きをする。また、インダクタＬ2 はイ
ンダクタンス値Ｌを有しており、ある周波数以上の電流
を制限する。
換率ｄＶ／ｄΦで電気信号に変換する。正帰還コイルＬ
1 は、相互インダクタンスＭp の値を有し、ＳＱＵＩＤ
１の出力の一部を磁束の形でＳＱＵＩＤ１に正帰還を付
与する働きをする。抵抗Ｒ1は、ＳＱＵＩＤ１への正帰
還量を制限する働きをする。また、インダクタＬ2 はイ
ンダクタンス値Ｌを有しており、ある周波数以上の電流
を制限する。
【０００８】上記のインダクタＬ2 と可変容量コンデン
サ３はＬＣ共振器を構成しており、中心周波数ｆo の帯
域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）として動作す
る。可変容量コンデンサ３は電圧制御型であり、図２に
示すように、接続端子Ｔ3 とＴ4 間にコンデンサＣ1 と
ダイオードＤとコンデンサＣ2 が直列接続されて構成さ
れており、端子Ｔ3 は上記の抵抗Ｒ1 に接続され、端子
Ｔ4 は上記のインダクタＬ2 に接続される。上記のダイ
オードＤの端子Ｔ5 とＴ6 に後述する掃引用電圧源９な
どを接続し（図３参照）、逆バイアス電圧ＶD を印加し
てダイオードＤに空乏層を発生させ、この空乏層の厚さ
を逆バイアス電圧ＶD で制御することにより、回路３全
体として可変容量コンデンサとして動作する。また、上
記のコンデンサＣ1 とコンデンサＣ2 は、可変容量コン
デンサに逆バイアス電圧を印加する掃引用電圧源をＳＱ
ＵＩＤ１から絶縁するためのコンデンサである。
サ３はＬＣ共振器を構成しており、中心周波数ｆo の帯
域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）として動作す
る。可変容量コンデンサ３は電圧制御型であり、図２に
示すように、接続端子Ｔ3 とＴ4 間にコンデンサＣ1 と
ダイオードＤとコンデンサＣ2 が直列接続されて構成さ
れており、端子Ｔ3 は上記の抵抗Ｒ1 に接続され、端子
Ｔ4 は上記のインダクタＬ2 に接続される。上記のダイ
オードＤの端子Ｔ5 とＴ6 に後述する掃引用電圧源９な
どを接続し（図３参照）、逆バイアス電圧ＶD を印加し
てダイオードＤに空乏層を発生させ、この空乏層の厚さ
を逆バイアス電圧ＶD で制御することにより、回路３全
体として可変容量コンデンサとして動作する。また、上
記のコンデンサＣ1 とコンデンサＣ2 は、可変容量コン
デンサに逆バイアス電圧を印加する掃引用電圧源をＳＱ
ＵＩＤ１から絶縁するためのコンデンサである。
【０００９】図３は、上記のような正帰還回路２を付加
した狭帯域ＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Loc
kedLoop：磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄの接続関係を示すもので、図中１１は、２個のジョセ
フソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ１に、
抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1 と可変容量コンデンサ３と
インダクタＬ2 とを有する正帰還回路２を並列接続して
構成されるＳＱＵＩＤチップである。また、４はＳＱＵ
ＩＤ１にバイアス電流を供給するバイアス電流供給源、
５はＳＱＵＩＤ１に対し入力インピーダンスの大きなプ
リアンプ、６はプリアンプ５からの出力を積分する積分
器、７は負帰還回路で電流源、８は磁束ロック用負帰還
コイルである。また、９は上記の可変容量コンデンサ３
の掃引用電圧源であり、１０はＳＱＵＩＤ１で弁別され
た磁気信号を取り出すための高周波増幅器である。ま
た、Ｃ3 〜Ｃ5 はコンデンサ（Ｃ3 とＣ4 はハイカット
コンデンサ）、１２は、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、図５上のｄ点）を決定するためのオフセット電圧源
である。
した狭帯域ＳＱＵＩＤを用いて磁場を測定するＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の構成における直接帰還型のＦＬＬ（Flux Loc
kedLoop：磁束ロックループ）回路と、ｄｃ−ＳＱＵＩ
Ｄの接続関係を示すもので、図中１１は、２個のジョセ
フソン接合Ｊ1 ，Ｊ2 を有するｄｃ−ＳＱＵＩＤ１に、
抵抗Ｒ1 と正帰還コイルＬ1 と可変容量コンデンサ３と
インダクタＬ2 とを有する正帰還回路２を並列接続して
構成されるＳＱＵＩＤチップである。また、４はＳＱＵ
ＩＤ１にバイアス電流を供給するバイアス電流供給源、
５はＳＱＵＩＤ１に対し入力インピーダンスの大きなプ
リアンプ、６はプリアンプ５からの出力を積分する積分
器、７は負帰還回路で電流源、８は磁束ロック用負帰還
コイルである。また、９は上記の可変容量コンデンサ３
の掃引用電圧源であり、１０はＳＱＵＩＤ１で弁別され
た磁気信号を取り出すための高周波増幅器である。ま
た、Ｃ3 〜Ｃ5 はコンデンサ（Ｃ3 とＣ4 はハイカット
コンデンサ）、１２は、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例え
ば、図５上のｄ点）を決定するためのオフセット電圧源
である。
【００１０】次に、図３に示されたＳＱＵＩＤ磁束計の
動作を説明する。図１に示した正帰還回路２のインダク
タＬ2 と可変容量コンデンサ３によって構成されるＬＣ
共振器の中心周波数ｆo は下式（１）
動作を説明する。図１に示した正帰還回路２のインダク
タＬ2 と可変容量コンデンサ３によって構成されるＬＣ
共振器の中心周波数ｆo は下式（１）
【数１】 で与えられる。
【００１１】周波数ｆo ではインピーダンスが零になる
ため、このときの正帰還量は抵抗Ｒ1 の値のみで決定さ
れる。このため、上記のＳＱＵＩＤ磁束計のＳＱＵＩＤ
１の固有の磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、実効的な
磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとすると、この実効的磁
束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexは下式（２）
ため、このときの正帰還量は抵抗Ｒ1 の値のみで決定さ
れる。このため、上記のＳＱＵＩＤ磁束計のＳＱＵＩＤ
１の固有の磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦとし、実効的な
磁束電圧変換率をｄＶ／ｄΦexとすると、この実効的磁
束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexは下式（２）
【数２】 のように表わせる。
【００１２】上式（２）において、βa は正帰還を表現
するパラメータであり、下式（３）
するパラメータであり、下式（３）
【数３】 で表わされる。ここに、Ｒp は抵抗Ｒ1 の抵抗値を示
す。
す。
【００１３】上記のパラメータβa は、０＜βa ＜１の
条件を満足し、正帰還量は発振条件であるβa ≧１を満
足しないものとする。したがって、上式（２）において
は、係数１／（１−βa ）は、１／（１−βa ）＞１と
なるから、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexの値はＳ
ＱＵＩＤ固有の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよりも大きく
なる。そして、βa が１に近い値であるほど分母（１−
βa ）は小さくなるから、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／
ｄΦexの値はＳＱＵＩＤ固有の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄ
Φに比べて大きくなる。上記の係数１／（１−βa ）
は、中心周波数ｆo を中心とする通過帯域における磁気
信号の弁別率を表わしている。図４は、上記の特性を示
すグラフであり、中心周波数ｆo の部分ａにおける磁束
電圧変換率の値ｄＶ／ｄΦ1 は上式（２）で与えられ
る。また、通過帯域以外の部分ｂにおける磁束電圧変換
率の値ｄＶ／ｄΦ2 はＳＱＵＩＤ１の固有の磁束電圧変
換率である。
条件を満足し、正帰還量は発振条件であるβa ≧１を満
足しないものとする。したがって、上式（２）において
は、係数１／（１−βa ）は、１／（１−βa ）＞１と
なるから、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦexの値はＳ
ＱＵＩＤ固有の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄΦよりも大きく
なる。そして、βa が１に近い値であるほど分母（１−
βa ）は小さくなるから、実効的磁束電圧変換率ｄＶ／
ｄΦexの値はＳＱＵＩＤ固有の磁束電圧変換率ｄＶ／ｄ
Φに比べて大きくなる。上記の係数１／（１−βa ）
は、中心周波数ｆo を中心とする通過帯域における磁気
信号の弁別率を表わしている。図４は、上記の特性を示
すグラフであり、中心周波数ｆo の部分ａにおける磁束
電圧変換率の値ｄＶ／ｄΦ1 は上式（２）で与えられ
る。また、通過帯域以外の部分ｂにおける磁束電圧変換
率の値ｄＶ／ｄΦ2 はＳＱＵＩＤ１の固有の磁束電圧変
換率である。
【００１４】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計において、Ｓ
ＱＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７と
磁束ロック用負帰還コイル８は低周波領域において零位
法で動作する負帰還付与手段である磁束ロックループ
（ＦＬＬ）回路を構成している。したがって、直流的な
磁場に対し、プリアンプ５の出力は積分器６でオフセッ
ト電圧源１２の参照電位と比較され、積分器６の出力を
磁束ロック用負帰還コイル８に加算してネガティブフィ
ードバックすると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図
５上のｄ点）に安定し、測定すべき磁場は、上記のフィ
ードバック量を出力値でモニターする「零位法」により
得ることができる。上記の動作点ｄは、オフセット電圧
源１２にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが最も急
峻な点（例えば傾斜の中点）に固定されており、ＳＱＵ
ＩＤ１は、図６に示すように正帰還の度合で決定される
ある一定レベルの範囲（例えば、図６におけるΦ1 ，Φ
2 など。）の磁気入力信号に対して線形動作する。この
線形が保持される入力磁束の範囲は、正帰還を施して特
性曲線の傾きを急にすることにより狭帯域化されてお
り、範囲を超える振幅レベルは制限される。上記のＳＱ
ＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７と磁
束ロック用負帰還コイル８とからなるＦＬＬ回路は、観
測すべき磁場が高周波領域（例えば、数KHz 以上の磁気
信号）の場合には動作しない。
ＱＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７と
磁束ロック用負帰還コイル８は低周波領域において零位
法で動作する負帰還付与手段である磁束ロックループ
（ＦＬＬ）回路を構成している。したがって、直流的な
磁場に対し、プリアンプ５の出力は積分器６でオフセッ
ト電圧源１２の参照電位と比較され、積分器６の出力を
磁束ロック用負帰還コイル８に加算してネガティブフィ
ードバックすると、Φ−Ｖ曲線上の動作点（例えば、図
５上のｄ点）に安定し、測定すべき磁場は、上記のフィ
ードバック量を出力値でモニターする「零位法」により
得ることができる。上記の動作点ｄは、オフセット電圧
源１２にて設定され、通常、Φ−Ｖ曲線の傾きが最も急
峻な点（例えば傾斜の中点）に固定されており、ＳＱＵ
ＩＤ１は、図６に示すように正帰還の度合で決定される
ある一定レベルの範囲（例えば、図６におけるΦ1 ，Φ
2 など。）の磁気入力信号に対して線形動作する。この
線形が保持される入力磁束の範囲は、正帰還を施して特
性曲線の傾きを急にすることにより狭帯域化されてお
り、範囲を超える振幅レベルは制限される。上記のＳＱ
ＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７と磁
束ロック用負帰還コイル８とからなるＦＬＬ回路は、観
測すべき磁場が高周波領域（例えば、数KHz 以上の磁気
信号）の場合には動作しない。
【００１５】上記のＳＱＵＩＤ１とプリアンプ５と積分
器６と負帰還回路７と磁束ロック用負帰還コイル８とか
らなるＦＬＬ回路が零位法で動作しない周波数領域の磁
気入力信号（例えば、数KHz 以上の磁気信号）の場合に
は、図３の可変容量コンデンサ掃引用電圧源９を例えば
鋸波状に掃引すると、図２に示すダイオードＤの可変容
量値が変化するため、図１におけるインダクタＬ2 と可
変容量コンデンサ３からなるＬＣ共振回路の中心周波数
ｆo が変化するので、この中心周波数ｆo を上記のＳＱ
ＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７とか
らなるＦＬＬ回路が動作しない磁気信号の周波数領域
（例えば、数KHz 以上）に設定すれば、中心周波数ｆo
を中心とする周波数帯域の磁気信号に相当するＳＱＵＩ
Ｄ１の出力電圧が高周波増幅器１０を通じて出力され
る。したがって、可変容量コンデンサの掃引用電圧源９
の電圧は、高周波増幅器１０から出力される出力電圧の
中心周波数ｆo に対応するから、可変電圧源９の電圧を
縦軸にプロットするとともに高周波増幅器１０の出力電
圧を横軸にプロットすれば、高周波領域の磁気入力信号
に対するスペクトル解析器として動作させることができ
る。すなわち、上記のＳＱＵＩＤ１とプリアンプ５と積
分器６と負帰還回路７とからなるＦＬＬ回路が動作しな
い周波数領域の磁気入力信号（例えば、数KHz 以上の磁
気信号）に対してダイナミックレンジを増加することが
可能となる。
器６と負帰還回路７と磁束ロック用負帰還コイル８とか
らなるＦＬＬ回路が零位法で動作しない周波数領域の磁
気入力信号（例えば、数KHz 以上の磁気信号）の場合に
は、図３の可変容量コンデンサ掃引用電圧源９を例えば
鋸波状に掃引すると、図２に示すダイオードＤの可変容
量値が変化するため、図１におけるインダクタＬ2 と可
変容量コンデンサ３からなるＬＣ共振回路の中心周波数
ｆo が変化するので、この中心周波数ｆo を上記のＳＱ
ＵＩＤ１とプリアンプ５と積分器６と負帰還回路７とか
らなるＦＬＬ回路が動作しない磁気信号の周波数領域
（例えば、数KHz 以上）に設定すれば、中心周波数ｆo
を中心とする周波数帯域の磁気信号に相当するＳＱＵＩ
Ｄ１の出力電圧が高周波増幅器１０を通じて出力され
る。したがって、可変容量コンデンサの掃引用電圧源９
の電圧は、高周波増幅器１０から出力される出力電圧の
中心周波数ｆo に対応するから、可変電圧源９の電圧を
縦軸にプロットするとともに高周波増幅器１０の出力電
圧を横軸にプロットすれば、高周波領域の磁気入力信号
に対するスペクトル解析器として動作させることができ
る。すなわち、上記のＳＱＵＩＤ１とプリアンプ５と積
分器６と負帰還回路７とからなるＦＬＬ回路が動作しな
い周波数領域の磁気入力信号（例えば、数KHz 以上の磁
気信号）に対してダイナミックレンジを増加することが
可能となる。
【００１６】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００１７】例えば、上記の図３の実施例においては、
可変容量コンデンサ３の掃引用電圧源９を鋸波状に電圧
を掃引する例について説明したが、これには限定され
ず、三角波状に掃引してもよいし、正弦波状に掃引して
もよい。
可変容量コンデンサ３の掃引用電圧源９を鋸波状に電圧
を掃引する例について説明したが、これには限定され
ず、三角波状に掃引してもよいし、正弦波状に掃引して
もよい。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本願の第１の発明によれば、ＳＱＵＩＤに正帰還を付与
する正帰還回路内に、インダクタおよび電圧制御型可変
容量コンデンサとからなる帯域通過フィルタを設け、掃
引用電圧源により電圧制御型可変容量コンデンサの電圧
を掃引し、ＳＱＵＩＤに高周波増幅器を接続し、帯域通
過フィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加さ
せ、掃引用電圧源によりその特定周波数を連続的に変化
させ、かつ、高周波増幅器により上記特定周波数におけ
るＳＱＵＩＤ出力を得るよに構成したので、正帰還量を
ある特定周波数のみ増加させるとともに連続的に変化さ
せることができ、ダイナミックレンジを向上させたＳＱ
ＵＩＤ磁束計を実現することが可能となるとともに、高
周波領域での磁束のパワーを検出するスペクトル解析が
可能となる。また、上記構成を有する本願の第２の発明
によれば、上記第１の発明に加え、ＳＱＵＩＤに負帰還
を施し零位法による磁束ロックループを構成する負帰還
付与手段を設けたので、零位法による磁束ロックループ
を構成可能な周波数領域においては、零位法による磁束
ロックループを構成することによりＳＱＵＩＤ出力を得
ることができ、零位法による磁束ロックループを構成不
可能な周波数領域においては、上記第１の発明の構成に
よりＳＱＵＩＤ出力を得ることが可能となる。
本願の第１の発明によれば、ＳＱＵＩＤに正帰還を付与
する正帰還回路内に、インダクタおよび電圧制御型可変
容量コンデンサとからなる帯域通過フィルタを設け、掃
引用電圧源により電圧制御型可変容量コンデンサの電圧
を掃引し、ＳＱＵＩＤに高周波増幅器を接続し、帯域通
過フィルタにより特定周波数に対する正帰還量を増加さ
せ、掃引用電圧源によりその特定周波数を連続的に変化
させ、かつ、高周波増幅器により上記特定周波数におけ
るＳＱＵＩＤ出力を得るよに構成したので、正帰還量を
ある特定周波数のみ増加させるとともに連続的に変化さ
せることができ、ダイナミックレンジを向上させたＳＱ
ＵＩＤ磁束計を実現することが可能となるとともに、高
周波領域での磁束のパワーを検出するスペクトル解析が
可能となる。また、上記構成を有する本願の第２の発明
によれば、上記第１の発明に加え、ＳＱＵＩＤに負帰還
を施し零位法による磁束ロックループを構成する負帰還
付与手段を設けたので、零位法による磁束ロックループ
を構成可能な周波数領域においては、零位法による磁束
ロックループを構成することによりＳＱＵＩＤ出力を得
ることができ、零位法による磁束ロックループを構成不
可能な周波数領域においては、上記第１の発明の構成に
よりＳＱＵＩＤ出力を得ることが可能となる。
【図１】本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計の一実施例に用
いるＳＱＵＩＤチップの構成を示す回路図である。
いるＳＱＵＩＤチップの構成を示す回路図である。
【図２】図１に示すＳＱＵＩＤチップ内の可変容量コン
デンサの構成を示す回路図である。
デンサの構成を示す回路図である。
【図３】図１に示すＳＱＵＩＤチップを用いたＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
Ｄ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
【図４】図３に示すＳＱＵＩＤ磁束計の動作を説明する
図である。
図である。
【図５】従来例のＳＱＵＩＤ磁束計に用いるＳＱＵＩＤ
チップの構成を示す回路図である。
チップの構成を示す回路図である。
【図６】図５に示すＳＱＵＩＤの動作を説明する図であ
る。
る。
【図７】図５に示すＳＱＵＩＤチップを用いた従来例の
ＳＱＵＩＤ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
ＳＱＵＩＤ磁束計の構成を示すブロック回路図である。
１ ＳＱＵＩＤ ２ 正帰還回路 ３ 可変容量コンデンサ ４ バイアス電流供給源 ５ プリアンプ ６ 積分器 ７ 負帰還回路 ８ 磁束ロック用負帰還コイル ９ 掃引用電圧源 １０ 高周波増幅器 １１ ＳＱＵＩＤチップ １２ オフセット電圧源 ２１ ＳＱＵＩＤ ２４ バイアス電流供給源 ２５ プリアンプ ２６ 積分器 ２７ 負帰還回路 ２８ 磁束ロック用負帰還コイル Ｃ1 〜Ｃ6 コンデンサ Ｄ ダイオード Ｊ1 〜Ｊ4 ジョセフソン接合 Ｌ1 ，Ｌ3 正帰還コイル Ｌ2 インダクタ Ｒ1 ，Ｒ2 抵抗 Ｔ1 ，Ｔ2 ＳＱＵＩＤ出力端子 Ｔ3 〜Ｔ6 接続端子
Claims (2)
- 【請求項１】 ＳＱＵＩＤと、 相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに正帰還を付
与する正帰還コイルと、インダクタおよび電圧制御型可
変容量コンデンサとからなる帯域通過フィルタと、を含
むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された正帰還回路
と、 前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃引用電圧源と、 前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅器と、 を備えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、 前記帯域通過フィルタにより特定周波数に対する正帰還
量を増加させ、前記掃引用電圧源により当該特定周波数
を連続的に変化させ、かつ、前記高周波増幅器により前
記特定周波数におけるＳＱＵＩＤ出力を得ることを特徴
とするＳＱＵＩＤ磁束計。 - 【請求項２】 ＳＱＵＩＤと、 相互インダクタンスにより当該ＳＱＵＩＤに正帰還を付
与する正帰還コイルと、インダクタおよび電圧制御型可
変容量コンデンサとからなる帯域通過フィルタと、を含
むとともに前記ＳＱＵＩＤに並列接続された正帰還回路
と、 前記電圧制御型可変容量コンデンサの掃引用電圧源と、 前記ＳＱＵＩＤに接続された高周波増幅器と、 前記ＳＱＵＩＤに負帰還を施し零位法による磁束ロック
ループを構成する負帰還付与手段と、 を備えたＳＱＵＩＤ磁束計であって、 前記零位法による磁束ロックループを構成可能な周波数
領域においては、前記零位法による磁束ロックループを
構成することにより前記ＳＱＵＩＤの出力を得、 前記零位法による磁束ロックループを構成不可能な周波
数領域においては、前記帯域通過フィルタにより特定周
波数に対する正帰還量を増加させ、前記掃引用電圧源に
より当該特定周波数を連続的に変化させ、かつ、前記高
周波増幅器により前記特定周波数におけるＳＱＵＩＤ出
力を得ることを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6111835A JP2579283B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6111835A JP2579283B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07294615A JPH07294615A (ja) | 1995-11-10 |
| JP2579283B2 true JP2579283B2 (ja) | 1997-02-05 |
Family
ID=14571370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6111835A Expired - Lifetime JP2579283B2 (ja) | 1994-04-28 | 1994-04-28 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2579283B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005188946A (ja) * | 2003-12-24 | 2005-07-14 | Sumitomo Denko Hightecs Kk | 磁気検出装置 |
| US10665635B1 (en) * | 2019-04-25 | 2020-05-26 | International Business Machines Corporation | Persistent flux biasing methodology for superconducting loops |
| US11937516B2 (en) | 2020-03-04 | 2024-03-19 | International Business Machines Corporation | Fabrication of a flux bias line local heating device |
-
1994
- 1994-04-28 JP JP6111835A patent/JP2579283B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07294615A (ja) | 1995-11-10 |
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