JP2680098B2 - 超伝導ループ内永久電流の解除装置 - Google Patents

超伝導ループ内永久電流の解除装置

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JP2680098B2 JP1014745A JP1474589A JP2680098B2 JP 2680098 B2 JP2680098 B2 JP 2680098B2 JP 1014745 A JP1014745 A JP 1014745A JP 1474589 A JP1474589 A JP 1474589A JP 2680098 B2 JP2680098 B2 JP 2680098B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 超伝導ループ内永久電流の解除装置に関し、 トラップ磁束等の外部磁束が超伝導ループに鎖交する
ことによって超伝導ループ内に発生する永久電流を解除
することできる超伝導ループ内永久電流の解除装置を提
供することを目的とし、 超伝導ループあるいはジョセフソン接合を含む超伝導
ループと、該超伝導ループの近傍に設けられた抵抗体
と、該抵抗体に所定のパルス電流を供給するための電源
とを備え、該パルス電流波形の立下り時間が、該抵抗体
および該超伝導ループからなる系の熱時定数より短くな
るように構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、超伝導線からなる閉ループあるいは超伝導
線とジョセフソン接合からなる閉ループに流れる不要な
永久電流を解除する超伝導ループ内永久電流の解除装置
に関する。
発明の技術的背景 SQUID(Superconducting Quantum Interfernce Devic
e:超伝導量子干渉素子)磁束計をはじめとする各種超伝
導アナログ回路およびジョセフソン・ディジタル回路な
ど、超伝導回路の発展はめざましい。これらの回路に
は、超伝導ループが多く含まれる。例えば、SQUIDの概
念図は第5図のように示される。この図において、1は
SQUID磁束計であり、SQUID磁束計1は磁束をピックアッ
プするピックアップコイル2と、ピックアップコイル2
が中間トランス3を介して磁気結合された超伝導ループ
4と、超伝導ループ4が磁気結合され、2つのジョセフ
ソン接合J1、J2をループ内に含むSQUID5と、により構成
され、SQUID磁束計1は3つの超伝導ループ、すなわ
ち、ピックアップコイル2、超伝導ループ4およびSQUI
D5を有している。
ところで、超伝導ループは、鎖交磁束が変化できない
という性質ももっている。したがって、外部より磁束Φ
が与えられると、ループ電流IL=Φ/L(但し、Lはルー
プインダクタンス)が流れてこの外来磁束を打ち消す。
超伝導遷移以前から存在する磁束ではループ電流が流れ
ることはないが、遷移後に磁束が与えられるとこのよう
なループ電流が流れることになる。ジョセフソン接合を
含む超伝導ループの場合、ジョセフソン接合の非線イン
ダクタンス分のため、超伝導ループと全く同じではない
が、超伝導ループのインダクタンスが十分に大きいとい
う条件で、ほとんど同じことが起きる。しかも、超伝導
は電気的損失がないので、このループ電流は永久電流と
していつまでも流れ続けるため、超伝導回路の動作を妨
げることがある。外来磁束としては、回路動作に必要な
バイアス電流や信号電流が作り出す磁束の他、超伝導回
路を構成する超伝導薄膜にトラップされた磁束がある。
第6図はトラップ磁束とその磁束を受ける超伝導ルー
プに永久電流が流れることを説明するための図である。
この図において、6は超伝導グランドプレーン、7は超
伝導ループ、8はジョセフソン接合J11、J12を含む超伝
導ループ、9〜11はトラップ磁束を示し、トラップ磁束
9〜11が超伝導ループ7および超伝導ループ8を鎖交す
ることにより電流が誘起し永久電流として流れ続ける。
外来磁束のうち、トラップ磁束によるものでは、超伝導
回路動作のために回路を室温から液体窒素あるいは液体
ヘリウム温度に冷却する過程で、超伝導遷移温度Tcを横
切る際、地磁気など外界の磁束をトラップ(捕捉)し、
このトラップ磁束が超伝導ループに鎖交するものであっ
て、トラップの場所、さらには、トラップするかしない
かも冷却毎に毎回変化する確率的な現象で、回路の正常
動作を妨げる厄介な現象である。超伝導回路を含むチッ
プの面積が増えるにつれ、どこかにトラップする確率が
増え、また、超伝導ループが大きくなる程、広い範囲の
トラップ磁束の影響を受け易くなる。例えば、ディジタ
ル回路に用いられるゲートやメモリーセルは寸法が小さ
いのでトラップの確率が小さいが、第1図に示すSQUID
の中の超伝導ループはmmないしcm程度の大きさをもつ場
合もあり、トラップ磁束の問題は深刻である。したがっ
て、トラップしないようにするか、少なくともトラップ
磁束により誘起される超伝導ループ電流を適切に解除す
る必要がある。
〔従来の技術〕
従来、磁束トラップを防止する方法として、いくつか
の方法が知られている。
第1の方法は、冷却をやり直すことで、トラップ確率
が低い場合は良いが、高い場合は、効率が悪い。
第2の方法は、パーマロイなどの強磁性体を用いた磁
気シールドを用いることにより残留磁界を減らす方法で
ある。この方法では地磁気を103ないし104分の一以下に
減らせる。ゲートやメモリーセルなど寸法の小さな回路
には有効だか、トラップで被害を受けるループの寸法が
大きい場合には必要な遮蔽度が大きくなり過ぎる。例え
ば、1cm2のチップ全体に加わる磁束を磁束量子Φ(=
2.07×10-15wb)以下にするためには、地磁気を106の1
以下に遮蔽する必要があり、容易には実現できない。
また、第3の方法は、磁束がトラップした超伝導体に
電流を流し、ローレンツカにより、トラップ磁束を動か
して超伝導体の外に押し出す方法である。この方法は、
円筒など対称な構造をもつ超伝導体に適用できるが、超
伝導回路内のグランドプレーンや配線は、一般に不規則
な形に作られるため、これらに電流を均一に流して、チ
ップ外に磁束を押し出すことは容易でないことが想像さ
れる。
さらに、第4の方法は、モートを使う方法である。こ
れは、超伝導グランドプレーンの回路のない部分にモー
トと呼ばれる穴をあけ、この部分に磁束をトラップさせ
ることにより、回路に近い所へトラップさせないように
する方法である。ゲートやメモリーセルなど寸法の小さ
い回路には有効である。しかし、ループの寸法が大きく
なると、やはり外来磁界の遮蔽度を実現できないレベル
まで高めることが必要とされ、また、超伝導グランドプ
レートを用いない回路には、この方法は使えない。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、このような従来の超伝導ループ内永久
電流の解除装置にあっては、上記第1〜4の何れの方法
を採ったとしても上述した理由から磁束トラップは避け
られず、特に、SQUIDのようなループの大きな回路を動
作する場合、冷却をやり直したり、制御電流を外部から
与えて、ループ電流を打ち消すなど、効率的でない方法
により誤動作を避けなければならないという問題点があ
った。
そこで本発明は、トラップ磁束等の外部磁束が超伝導
ループに鎖交することによって発生する永久電流を解除
することのできる超伝導ループ内永久電流の解除装置を
提供することを目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明による超伝導ループ内永久電流の解除装置は上
記目的達成のため、超伝導ループあるいはジョセフソン
接合を含む超伝導ループと、該超伝導ループの近傍に設
けられた抵抗体と、該抵抗体に所定のパルス電流を供給
するための電源とを備え、該パルス電流波形の立下り時
間が、該抵抗体および該超伝導ループからなる系の熱時
定数より短くなるように構成している。
〔作用〕
本発明では、超伝導ループの近傍に抵抗体が設けら
れ、抵抗体にはその立下り時間τが抵抗体および超伝
導ループからなる系の熱時定数τより短いパルス電流
IPが供給される。
したがって、パルス電流IPが与えられると、抵抗体は
発熱して超伝導ループの温度Tは上昇し、温度Tが超伝
導遷移温度Tcより小さい間は超伝導ループは超伝導状態
にあり、トラップ磁束などにより誘起されるループ電流
は一定値となっているが、TがTc以上になると、超伝導
状態がこわされ、ループ電流は消える。また、τ≪τ
であるから、過渡的なループ電流が十分減衰してから
超伝導ループが超伝導性を回復するから、ループ電流は
殆ど零となる。その結果、トラップ磁束等による不要な
永久電流が確実に解除される。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
原理説明 第1図は本発明の原理図である。この図において、21
は超伝導ループであり、超伝導ループ21の少なくとも一
部21aの近傍(すぐ横、好ましくは真上あるいは真下)
に抵抗(抵抗体)22を配置し、この抵抗22にパルス電源
23から線24を介してパルス電流IPを与える。パルス電流
IPの立下り時定数τは、超伝導ループ21の一部21aと
抵抗22からなる系(同図破線部参照)の熱時定数τ
り十分小さい(τ≪τ)ものとする。
以上の構成において、τ≪τの条件が満足されて
いる場合の正しい動作を第2図に示す。第2図(a)に
示すパルス電流IPが与えられると、抵抗22は発熱し、超
伝導ループ21の温度Tは上昇する。ここで、パルス電流
IPの振幅は温度Tが超伝導遷移温度Tcを越えるように大
きく選ぶ必要がある。τ≪τであるから、温度Tの
上昇・下降は第2図(b)に示すようにパルス電流IP
下り時間より緩やかである。T<Tcの間はループは超伝
導状態にあり、トラップ磁束などにより誘起されるルー
プ電流ILは一定値である。T≧Tcになると、超伝導状態
がこわされ、ループ電流Icは消える。但し、近傍に置か
れた抵抗22を流れる比較的大きなパルス電流IPにより、
立上り、立下り時のみ、相互インダクタンスを通して磁
束変化があるので、過渡的なループ電流(第2図(c)
ハッチング部分参照)が流れる。しかし、このときのル
ープは超伝導でないので、このループ電流は直ちに減衰
する。ここで、τ≪τが満足されていれば、過渡的
なループ電流が十分減衰してからループがT<Tcとなっ
て超伝導性を回復するから、ループ電流は殆ど零とな
る。
ところが、第3図に示すように、逆にτ≫τの場
合は、過渡的な電流が十分減衰しないうち、超伝導に遷
移するため、第3図(c)に示すように遷移時の電流が
残留し、この方法がうまく作用しないことがわかる。し
たがって、τ≪τは必須の条件となる。
以下、上記基本原理に基づいて実施例を説明する。第
4図は本発明に係る超伝導ループ内永久電流の解除装置
の一実施例を示す図であり、第1図に示す原理説明と同
一構成部分には同一符号を付している。
通常τは1μs程度であり、τを十分小さくする
必要がある。このため、パルス電源23としては立上り、
立下りの急峻なもの(例えば、1ns以下)が必要であ
る。しかし、パルス電流の立上り、立下りは、電源波形
と同じではなく、抵抗22を含む電気回路の応答の結果定
まるものである。電気回路内でτを不要に大きくしな
いための一つの方法として、本実施例では、第4図に示
すように、抵抗22までの線を抵抗22の抵抗値Rと同じ特
性インピーダンスZ0(=R)をもつ伝送線路25にするよ
うにしている。このようにインピーダンスマッチングを
とると、τは電源波形と等しくなる。
以上説明したように、本実施例によれば、トラップ磁
束など、予期しない外部磁束が超伝導ループに鎖交する
ことにより、超伝導ループに流れる電流を電気的に取り
除くことができ、特に大きな超伝導ループを有するSQUI
D等の超伝導回路の動作を妨げる永久電流を適切に解除
することができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、トラップ磁束等の外部磁束が超伝導
ループに鎖交することによって発生する永久電流を確実
に解除することができる。
【図面の簡単な説明】
第1〜3図は本発明に係る超伝導ループ内永久電流の解
除装置の原理を説明するための図であり、 第1図はその構成図、 第2図はそのパルス電流の立下り時定数τが熱時定数
τより十分小さい場合の動作を説明するための波形
図、 第3図はその熱時定数τがパルス電流の立下り時定数
τより十分小さい場合の動作を説明するための波形
図、 第4図は本発明に係る超伝導ループ内永久電流の解除装
置の一実施例を示すその構成図、 第5、6図は従来例を示す図であり、 第5図はSQUIDの概念図、 第6図はトラップ磁束とその磁束を受ける超伝導ループ
に永久電流が流れることを説明するための図である。 1……SQUID磁束計、 2……ピックアップコイル、 3……中間トランス、 4……超伝導ループ、 5……SQUID、 6……超伝導グランドプレーン、 7、8……超伝導ループ、 9〜11……トラップ磁束、 21……超伝導ループ、 21a……超伝導ループ21の一部、 22……抵抗(抵抗体)、 23……パルス電源(電源)、 24……線、 25……伝送線路、 J1、J2、J11、J12……ジョセフソン接合、 IP……パルス電流、 IL……ループ電流、 T……超伝導ループ21の温度、 Tc……超伝導遷移温度、 τ……パルス電流IPの立下り時間、 τ……超伝導ループ21の一部21aと抵抗22からなる系
の熱時定数。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超伝導ループあるいはジョセフソン接合を
    含む超伝導ループと、 該超伝導ループの近傍に設けられた抵抗体と、 該抵抗体に所定のパルス電流を供給するための電源とを
    備え、 該パルス電流波形の立下り時間が、該抵抗体および該超
    伝導ループからなる系の熱時定数より短いことを特徴と
    する超伝導ループ内永久電流の解除装置。
JP1014745A 1989-01-24 1989-01-24 超伝導ループ内永久電流の解除装置 Expired - Lifetime JP2680098B2 (ja)

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