JP2782900B2 - スクイッド磁束計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、スクイッド磁束計に関するものであり、詳
しくは、マルチチャンネル型の磁束計におけるクライオ
スタットの内外間での配線数の削減に関するものであ
る。

＜従来の技術＞ 第８図は従来のスクイッド磁束計の一例を示す構成説
明図である。図において、ジョセフソン接合JJを有する
超伝導リング１には電流源２からバイアス電流I_bが供給
されている。磁束φｘを検出するピックアップコイル３
と超伝導リング１に検出磁束を結合するインプットコイ
ル４は超伝導閉ループを構成している。また、超伝導リ
ング１には磁束ロックループFLL（Flux Locked Loop）
が設けられている。すなわち、超伝導リング１にはモデ
ュレーションコイル５および加算器６を介して交流信号
源７から交流信号Ｂが加えられている。超伝導リング１
の出力信号Ａはアンプ８を介して位相検波器９に加えら
れ、交流信号源７から加えられる交流信号Ｂに従って位
相検波される。位相検波器９の出力信号Ｃは積分増幅器
10を介して出力されるとともにフィードバック電流I_fと
して加算器６に帰還される。

このような構成において、バイアス電流I_bは超伝導リ
ング１から電圧が出力される臨界電流I_oの２倍強程度に
設定されている。これにより、超伝導リング１の出力電
圧Ｖは第９図に示すように被測定磁束φｘで変調される
ことになる。

一方、磁束ロックループFLLは次のように動作する。
モデュレーションコイル５は超伝導リング１に微小なモ
デュレーション信号Ｂを与える。ここで、モデュレーシ
ョン信号Ｂと超伝導リング１の出力信号Ａの位相関係
は、第10図に示すように、 山より左：同相 山の上：整流 山より右：逆相 になる。そして、位相検波器９の出力信号Ｃは、モデュ
レーション信号Ｂと出力信号Ａの積になるので、 山より左：＋ 山の上:0 山より右：− になる。

従って、磁束ロックループFLLには、モデュレーショ
ン信号Ｂが常に出力信号Ａの山の上に保たれるようにフ
ィードバック電流I_fが流れる。このフィードバック電流
I_fは被測定磁束φｘに比例するので、フィードバック電
流I_fを知ることにより被測定磁束φｘを知ることができ
る。

なお、このような装置における超伝導リング1,ピック
アップコイル3,インプットコイル４およびモデュレーシ
ョンコイル５は液体ヘリウムで満たされたクライオスタ
ット中で超伝導状態に維持される。そして、クライオス
タット内外間の配線に着目すると、バイアス電流の信号
線，超伝導リングの出力信号線，モデュレーション信号
線およびアース線の４本が必要になる。

ところで、このような装置におけるピックアップコイ
ルは指向性を持っていることから、例えば生体の脳磁場
を効率よく測定するためには複数チャンネルの測定系統
を設けることが望ましい。

＜発明が解決しようとする課題＞ ところが、従来のようにモデュレーションコイルを用
いて磁束ロックループFLLを形成する構成では、測定チ
ャンネルの数に比例してクライオスタット内外間の配線
が増加することになり、これら多数の配線を介してのク
ライオスタットへの熱の流入量が増えて液体ヘリウムの
蒸発量が増大することになる。

また、磁束ロックループFLLのロックが外れてしまう
と再度リセットして測定をより直さなければならない。

本発明は、このような点に着目したものであり、その
目的は、クライオスタット内外間の配線を削減して液体
ヘリウムの蒸発量を軽減できるマルチチャンネル型のス
クイッド磁束計を提供することにある。

＜課題を解決するための手段＞ 本発明のスクイッド磁束計は、 バイアス電流源が接続された超伝導リングと、被測定
磁束を検出して超伝導リングに結合させる複数ｍチャン
ネルのピックアップコイルとを含むスクイッド磁束計に
おいて、 前記各ピックアップコイルは複数ｎ個のコイルとｎ＋
１個のスイッチを有し、これらｎ個のコイルは０番目の
スイッチをオンにした状態で１番目からｎ番目までのス
イッチを順次選択的にオンにすることにより実効ピック
アップ面積が2^n-1の割合で変化するように構成され、 前記超伝導リングのバイアス電流は磁場干渉パターン
の有限電圧と零電圧のデューティレシオが50％になるよ
うに設定されたことを特徴とする。

＜作用＞ 各ピックアップコイルのｎ＋１個のスイッチを順次選
択的にオンにすることにより実効ピックアップ面積は2
^n-1の割合で変化することから、被測定磁束に対して実
質的にA/D変換された出力信号を得ることができる。

＜実施例＞ 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、
第８図と同一部分には同一符号をつけている。図におい
て、超伝導リング１にはピックアップコイル10とスイッ
チ11とインプットコイル12とを含む複数ｍチャンネル
（ch1〜chm）の測定コイル系統が磁気結合されている。
各測定コイル系統のピックアップコイル10は実効ピック
アップ面積に重み付けがなされた複数ｎ個のコイルに分
割されていて、これら各コイルは複数ｎ＋１個のスイッ
チ11（♯０〜♯ｎ）を介してインプットコイル12に接続
されている。具体的には、これらｎ個に分割されている
ピックアップコイル10は０番目のスイッチ♯０をオンに
した状態で１番目♯１からｎ番目♯ｎまでのスイッチを
順次選択的にオンにすることにより実効ピックアップ面
積が2^n-1の割合で変化するように構成されている。すな
わち、スイッチ♯０をオンにしてスイッチ♯１をオンに
することによりインプットコイル12に接続されるピック
アップコイル10の面積はＳになり、スイッチ♯０をオン
にした状態でスイッチ♯１をオフにしてスイッチ♯２を
オンにすることによりピックアップコイル10の面積はＳ
＋Ｓ＝2Sになり、スイッチ♯０をオンにした状態でスイ
ッチ♯２をオフにしてスイッチ♯３をオンにすることに
よりピックアップコイル10の面積は2S＋2S＝4Sになり、
以下同様にピックアップコイル10の実効ピックアップ面
積は2^n-1の割合で変化することになる。なお、これらス
イッチ11としては超伝導でスイッチング動作を行うジョ
セフソン素子を用い、各チャンネルのスイッチ♯０はチ
ャンネル選択用のシフトレジスタの出力データで選択的
に駆動し、選択された各チャンネルの各スイッチ♯１〜
♯ｎはスイッチ選択用のシフトレジスタの出力データで
選択的に駆動する。

第２図はこのようなスイッチの駆動制御回路の具体例
を示すブロック図である。シフトレジスタSR1はｎ＋１
ビットを有するものであり、各チャンネルのスイッチ♯
１〜♯ｎを選択駆動する。

このシフトレジスタSR1の一番右のビットはシフトレ
ジスタRS2にクロックとして加えられる。シフトレジス
タSR2はｍビットを有するものであり、各チャンネルの
スイッチ♯０を選択駆動する。シフトレジスタSR1のデ
ータは１つのビットのみ“1"で他は“0"である。“1"の
ビットはクロックCLKに応じて順次右の方向に移動す
る。シフトレジスタSR2のデータも１つのビットのみ
“1"で他は“0"である。“1"のビットはシフトレジスタ
SR1の一番右のビットが“1"になる毎に順次右の方向に
移動する。これらシフトレジスタSR1,SR2は一番右のビ
ットに到達すると再び一番左のビットにもどって同様の
動作を繰り返す。

なお、これらスイッチおよび選択駆動制御を行うシフ
トレジスタは超伝導集積回路として構成すればよく、ク
ライオスタット内外間に電源線，制御信号線，データ線
などの配線が必要になるもののこれらの配線は各チャン
ネルに共通していることから全体としての配線数は少な
くなる。

このように構成される装置の動作を説明する。

まず、第１図のような超伝導リング１で構成されるDC
スクイッドの一般的性質について説明する。

DCスクイッドはバイアス電流I_bと入力磁束φ_ｉによっ
て第３図に示すように有限電圧状態になったり、０電圧
状態になったりする。ここで、有限電圧と０電圧の境界
は磁束φ_ｉに対して周期的になり、この周期φ_ｏは、 φ_ｏ＝h/2e h:プランク定数 e:電子の電荷 で表すことができる。

超伝導リング１にピックアップコイル10とインプット
コイル12を取り付けると、超伝導リング１にはピックア
ップコイル10で検出された磁束φｘに比例した磁束φ_ｉ
が入力されることになり、第３図は第４図のように書換
えられる。そして、有限電圧と０電圧の境界は磁束φｘ
に対して周期φ_ｏの周期関数になる。

ところで、ピックアップコイル10の実効面積をA,ピッ
クアップコイル10における磁束密度をBxとすると、 φｘ＝Bx・Ａ になることから、第４図は第５図ように書換えられる。
そして、有限電圧と０電圧の境界は磁束密度Bxに対して
周期φ_o/Aの周期関数になる。

次に、具体例について説明する。

第１チャンネルch1のスイッ♯０をオンにすることに
より第１チャンネルch1のインプットコイル12が超伝導
リング１に結合される。スイッ♯０をオンにした状態で
スイッチ♯１をオンにすることにより磁束密度Bxと超伝
導リング１の出力の関係は第６図（ａ）のようになる。
ここで、バイアス電流I_bは、（ｂ）に示すように有限電
圧期間Taと０電圧期間Tbが1:1になるように設定してお
く。

スイッチ♯０をオンにした状態でスイッチ♯１をオフ
にしてスイッチ♯２をオンにすることにより磁束密度Bx
と超伝導リング１の出力の関係は第７図（ａ）のように
なる。ここで、ピックアップコイル10の実効面積は前述
のように２倍になることから、出力の周期は第７図
（ｂ）のように第６図の場合の1/2（＝1/2¹）になる。

以下同様に、スイッチ♯３をオンにすることにより出
力の周期は第６図の場合の1/4（＝1/2²）になり、スイ
ッチ♯４をオンにすることにより出力の周期は第６図の
場合の1/8（1/2³）になり、スイッチ♯ｎをオンにする
ことにより出力の周期は第６図の場合の1/2^n-1になる。

これにより、各チャンネル毎に被測定磁束密度Bxに対
してｎビットのA/D変換が行われることになる。そし
て、各チャンネルのスイッチ♯０を前述のように順次切
り換えていくことにより、各チャンネルでA/D変換され
たデータをシリアルにｍチャンネル分取り出すことがで
きる。

このように構成することにより、従来の構成に比べて
クライオスタットの内外間の配線を大幅に減らすことが
でき、液体ヘリウムの蒸発を大幅に軽減できる。

また、得られる信号はすでにA/D変換されているの
で、その後のデータ処理を効率よく実効できる。

さらに、従来のような磁束ロックループを用いていな
いので、ロック外れによる測定不能を生じることはな
く、連続測定が可能になる。

また、スクイッドは交流スクイッドであっても同様な
効果が得られる。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明によれば、クライオスタ
ット内外間の配線を削減して液体ヘリウムの蒸発量を軽
減できるマルチチャンネル型のスクイッド磁束計が実現
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、第２図は
第１図のスイッチ制御回路の具体例図、第３図〜第５図
はDCスクイッドの動作説明図、第６図および第７図は第
１図の動作説明図、第８図は従来の装置の構成説明図、
第９図および第10図は第８図の動作説明図である。 １……超伝導リング、10……ピックアップコイル、11…
…スイッチ、12……インプットコイル、SR1,SR2……シ
フトレジスタ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バイアス電流源が接続された超伝導リング
   と、被測定磁束を検出して超伝導リングに結合させる複
   数ｍチャンネルのピックアップコイルとを含むスクイッ
   ド磁束計において、 前記各ピックアップコイルは複数ｎ個のコイルとｎ＋１
   個のスイッチを有し、これらｎ個のコイルは０番目のス
   イッチをオンにした状態で１番目からｎ番目までのスイ
   ッチを順次選択的にオンにすることにより実効ピックア
   ップ面積が2^n-1の割合で変化するように構成され、 前記超伝導リングのバイアス電流は磁場干渉パターンの
   有限電圧と零電圧のデューティレシオが50％になるよう
   に設定されたことを特徴とするスクイッド磁束計。