JP2846507B2 - Gradiometer - Google Patents

Gradiometer

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JP2846507B2
JP2846507B2 JP3138577A JP13857791A JP2846507B2 JP 2846507 B2 JP2846507 B2 JP 2846507B2 JP 3138577 A JP3138577 A JP 3138577A JP 13857791 A JP13857791 A JP 13857791A JP 2846507 B2 JP2846507 B2 JP 2846507B2
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功紀 佐藤
潔 山本
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、極低温レベルで超電導
状態となる超電導量子干渉素子(SQUID:Supercon
ductive Quantum Interence Device)と、この素子に磁
束結合される超電導ピックアップコイルとを備えるグラ
ジオメータの改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting quantum interference device (SQUID: Supercon
The present invention relates to an improvement of a gradiometer provided with a superconducting pickup coil which is magnetically coupled to the element (a conductive Quantum Interence Device).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、超電導体デバイスの1つとし
て、ジョセフソン効果を利用したSQUIDが知られて
いる。そして、このSQUIDに超電導ピックアップコ
イルを磁束結合することにより、例えば、生体内に流れ
る微小電流に伴なう磁気等、極めて微弱な磁束を測定す
るグラジオメータを得ることができる。このグラジオメ
ータは、地磁気等よりも極めてレベルの低い微弱の磁束
を測定できるため、人間の心臓や肺の診断、あるいは、
脳波の測定等、多様の範囲に有効であるものとして注目
されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, SQUIDs utilizing the Josephson effect have been known as one of superconductor devices. By coupling the superconducting pickup coil to the SQUID by magnetic flux, it is possible to obtain a gradiometer for measuring an extremely weak magnetic flux such as magnetism accompanying a small current flowing in a living body. This gradiometer can measure weak magnetic flux, which is extremely lower than the level of geomagnetism, so it can be used to diagnose the human heart and lungs, or
It is attracting attention as being effective in various ranges such as brain wave measurement.

【0003】従来から実際に作製されているグラジオメ
ータでは、超電導体として、Nb,NbN,Pb等を使
用していた。しかしながら、これらの金属系超電導体
は、一般に超電導臨界温度Tcが非常に低く、実際には
極めて高価な液体ヘリウムにより冷却しなければ有効な
特性を発揮しなかった。
Conventionally manufactured gradiometers use Nb, NbN, Pb, etc. as a superconductor. However, these metal-based superconductors generally have a very low superconducting critical temperature Tc, and in fact, did not exhibit effective characteristics unless cooled with extremely expensive liquid helium.

【0004】一方、1986年に[La,Sr]2 Cu
4 等の酸化物焼結体が高いTcを有する超電導材料で
あることが見出され、これに続いてY1 Ba2 Cu3
7-xで表わされる組成を有する酸化物高温超電導体が液
体窒素温度以上の温度範囲で有効な超電導特性を示すこ
とが確認された。このような高い温度で超電導特性を示
す材料は、安価な液体窒素を冷却媒体として使用するこ
とができるので、超電導技術の実用的な応用が検討され
るようになり、酸化物高温超電導材料を使用したグラジ
オメータの実現に向けて各種の試みがなされている。
On the other hand, in 1986 [La, Sr] 2 Cu
An oxide sintered body such as O 4 has been found to be a superconducting material with a high Tc, followed by Y 1 Ba 2 Cu 3 O
It was confirmed that the oxide high-temperature superconductor having the composition represented by 7-x exhibited effective superconductivity in the temperature range of liquid nitrogen temperature or higher. Materials that exhibit superconducting properties at such high temperatures can use inexpensive liquid nitrogen as a cooling medium, so practical applications of superconducting technology have been considered, and high-temperature oxide superconducting materials have been used. Various attempts have been made to realize such a gradiometer.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のよう
な酸化物高温超電導体を使用してグラジオメータを作製
する時、以下の問題がある。グラジオメータとしてSQ
UIDを使用するためには、接合部の他に、フラックス
・トランスフォーマー(Flux Transformer)として、測定
する磁束勾配を電気信号に変換するピックアップコイ
ル、信号を伝送する磁束伝達回路、電気信号を再び磁束
に変換しSQUIDリングと結合する入力コイルが必要
であり、しかもこれらは低ノイズの超電導体で構成され
て、効率の良い伝達がなされなければならない。
However, when a gradiometer is manufactured using the above-described oxide high-temperature superconductor, there are the following problems. SQ as gradiometer
In order to use UID, in addition to the junction, as a flux transformer (Flux Transformer), a pickup coil that converts the magnetic flux gradient to be measured into an electric signal, a magnetic flux transmission circuit that transmits the signal, a magnetic flux that converts the electric signal again An input coil is required to convert and couple to the SQUID ring, and these must be composed of low noise superconductors for efficient transmission.

【0006】こうした中で、従来、1次の軸方向磁束勾
配を測定するピックアップコイルとして、Nb等の超電
導線を図8のようにボビン101に巻き付けたものがあ
り、これをSQUIDに圧接やスポット溶接等により接
続して、グラジオメータを作製していた。しかし、酸化
物高温超電導体を用いて、上述のようなグラジオメータ
を作製する時、ピックアップコイルを構成できる低ノイ
ズの酸化物高温超電導体線が入手できない。また、酸化
物高温超電導体の表面は劣化しているので、圧接等を行
っても酸化物高温超電導体同士を超電導接続できない問
題がある。
Under these circumstances, as a pickup coil for measuring a primary axial magnetic flux gradient, there is a conventional coil in which a superconducting wire such as Nb is wound around a bobbin 101 as shown in FIG. The gradiometer was manufactured by connecting by welding or the like. However, when manufacturing a gradiometer as described above using an oxide high-temperature superconductor, a low-noise oxide high-temperature superconductor wire capable of forming a pickup coil is not available. Further, since the surface of the oxide high-temperature superconductor is deteriorated, there is a problem that even when pressure welding or the like is performed, the oxide high-temperature superconductors cannot be superconductively connected to each other.

【0007】例えば、Agシース線を用いたとすると、
シース材によるナイキスト・ノイズ(熱ノイズ)とAg
シース内の超電導体の弱結合により、また、シース材の
ないフィラメントを用いたとすると、線を構成する超電
導材が多結晶体であることに起因する超電導体の弱結合
により、SQUIDとしての使用に耐え得る程低ノイズ
のピックアップコイルを作製できない。そこで接続を用
いず、かつ、低ノイズでピックアップコイルをSQUI
Dに結合する方法が望まれている。
For example, if an Ag sheath wire is used,
Nyquist noise (heat noise) due to sheath material and Ag
Due to the weak coupling of the superconductor in the sheath, and if a filament without a sheath material is used, the superconducting material constituting the wire is weakly coupled to the superconductor due to the polycrystalline material, so that it can be used as an SQUID. A pickup coil with low noise that cannot be endured cannot be manufactured. Therefore, the pickup coil is connected to the SQUI with low noise and no connection.
A method for coupling to D is desired.

【0008】従来、ピックアップコイルにより検出した
磁束勾配をSQUIDに磁束結合するフラックス・トラ
ンスフォーマーとして、SQUID部と入力コイルを同
一基板上に積層した積層型のものがある。例えば、図9
のようなスパイラル入力を持つ、スクエア・ワッシャ(S
quare Washer) 型の平面dc−SQUIDがある。図に
おいて、中央部に穴106cを設けた超電導体薄膜(N
b)106上に、絶縁層を介して超電導体薄膜からなる
入力コイル103(Nb)が積層されており、図中点線
で囲まれた部分にジョセフソン接合(対向超電導体10
6b;Pb)が形成される。この積層型のフラックス・
トランスフォーマーは結合効率の高いことを特徴とす
る。
Conventionally, as a flux transformer for magnetically coupling a magnetic flux gradient detected by a pickup coil to a SQUID, there is a laminated type in which a SQUID portion and an input coil are laminated on the same substrate. For example, FIG.
Square washer (S
(quare Washer) type plane dc-SQUID. In the figure, a superconductor thin film (N
b) An input coil 103 (Nb) made of a superconducting thin film is laminated on an intervening insulating layer, and a Josephson junction (a counter superconductor 10) is formed in a portion surrounded by a dotted line in the drawing.
6b; Pb) is formed. This laminated flux
Transformers are characterized by high coupling efficiency.

【0009】ところで、上記の積層型フラックス・トラ
ンスフォーマーを構成するためには、薄膜の多層技術が
必要であるが、酸化物高温超電導体において、上記の技
術は、確立されていない問題がある。すなわち、上記の
積層型フラックス・トランスフォーマーを、酸化物高温
超電導体により作製すると、グラジオメータに使用でき
ない程、悪いノイズ特性を示してしまう。そこで、酸化
物高温超電導体を多層、あるいは、交差させることなく
作製できる構造のグラジオメータの開発が望まれてい
る。
By the way, in order to constitute the above-mentioned laminated flux transformer, a multilayer technique of a thin film is necessary. However, the above technique has not been established for an oxide high-temperature superconductor. That is, when the above-mentioned laminated flux transformer is made of an oxide high-temperature superconductor, it exhibits such bad noise characteristics that it cannot be used for a gradiometer. Therefore, there is a demand for the development of a gradiometer having a structure in which oxide high-temperature superconductors can be formed in multiple layers or without intersecting.

【0010】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その主たる目的は、グラジオメータにおける超
電導ピックアップコイルとピックアップコイルとSQU
IDを磁束結合する構成を改良することにより、特に、
酸化物高温超電導体同士の接続構造や多層構造をとらず
に、かつ、低ノイズ特性を有する酸化物高温超電導体エ
ピタキシャル薄膜を用いてピックアップコイルと磁束結
合を構成することにより、酸化物高温超電導体の優れた
超電導特性を有効に発揮する低ノイズのグラジオメータ
の構造を提供することである。
The present invention has been made in view of the above points, and a main object of the present invention is to provide a superconducting pickup coil, a pickup coil, and a SQUID in a gradiometer.
By improving the configuration for magnetically coupling the ID,
By forming a magnetic flux coupling with the pickup coil using an oxide high-temperature superconductor epitaxial thin film with low noise characteristics without using a connection structure or multilayer structure between the oxide high-temperature superconductors, It is an object of the present invention to provide a low-noise gradiometer structure that effectively exhibits the excellent superconducting characteristics described above.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のグラジオメータ
は、超電導体ループからなり、該ループ内に鎖交する磁
束勾配を検出するピックアップコイルと、該ピックアッ
プコイルと磁束結合された超電導量子干渉素子とを備え
てなり、上記の課題を達成するために、前記ピックアッ
プコイルのループが、略直方体形状の単結晶体の一対の
平行面にエピタキシャルに成長した酸化物超電導体薄膜
により形成されるとともに、前記ピックアップコイルで
検出された磁束勾配を前記超電導量子干渉素子に磁束結
合するための入力コイルのループが、前記一対の平行面
にはさまれた前記単結晶体の側面にエピタキシャルに成
長した酸化物超電導体薄膜により形成され、前記ピック
アップコイルのループと前記入力コイルのループは前記
単結晶体表面にエピタキシャル成長された酸化物超電導
体薄膜からなる配線を介して連続しており、前記超電導
量子干渉素子は前記入力コイルのループ上に重ね合わせ
るように配置されたものである。
A gradiometer according to the present invention comprises a superconductor loop, a pickup coil for detecting a magnetic flux gradient interlinking in the loop, and a superconducting quantum interference device magnetically coupled to the pickup coil. In order to achieve the above object, the loop of the pickup coil is formed of an oxide superconductor thin film epitaxially grown on a pair of parallel surfaces of a substantially rectangular solid single crystal, An input coil loop for magnetically coupling a magnetic flux gradient detected by the pickup coil to the superconducting quantum interference device has an oxide epitaxially grown on a side surface of the single crystal body sandwiched between the pair of parallel surfaces. The loop of the pickup coil and the loop of the input coil are formed on the surface of the single crystal body by a superconductor thin film. Takisharu consisting grown oxide superconductor thin film and wiring through a continuous, it said superconducting quantum interference device is one that is arranged to be superimposed on the loop of the input coil.

【0012】[0012]

【作用】酸化物高温超電導体は、Nb,Pb等の低温超
電導体に比べて高い1/fノイズ特性を示す。本発明者
らは酸化物高温超電導体のフラックス・ノイズを測定す
ることにより、このノイズの起源を明らかにする研究を
行なった。その結果、1.酸化物高温超電導体は、77
KのTc近傍の動作温度では、1KHzに達する高い1
/fノイズを示し、動作温度の上昇とともにノイズが著
しく増大すること。2.この1/fノイズが、グラジオ
メータを液体窒素温度で使用した時、高いノイズを発生
する原因であること。3.1/fノイズは、超電導体中
に、特に、粒界でトラップされた磁束の運動によるこ
と。が判明した。さらに、この磁束の運動によるノイズ
は、超電導体の微細構造の改善により低減すること、特
に、単結晶基板上に酸化物高温超電導体薄膜を設ける時
には、単結晶薄膜、或いは、エピタキシャル成長した薄
膜とすることにより、ノイズが低減することを見い出
し、本発明に至った。
The high-temperature oxide superconductor exhibits higher 1 / f noise characteristics than low-temperature superconductors such as Nb and Pb. The present inventors have studied the origin of this noise by measuring the flux noise of the oxide high-temperature superconductor. As a result, 1. Oxide high-temperature superconductor is 77
At operating temperatures near Tc for K, high 1
/ F noise, and the noise significantly increases with an increase in operating temperature. 2. This 1 / f noise causes high noise when the gradiometer is used at liquid nitrogen temperature. 3.1 / f noise is due to the movement of magnetic flux trapped in the superconductor, especially at grain boundaries. There was found. Furthermore, the noise due to the movement of the magnetic flux is reduced by improving the microstructure of the superconductor. In particular, when providing a high-temperature oxide superconductor thin film on a single crystal substrate, a single crystal thin film or a thin film grown epitaxially is used. As a result, it has been found that noise is reduced, and the present invention has been achieved.

【0013】また、現在の酸化物高温超電導体の積層技
術・接続技術では、多層構造や接続に伴なうノイズを低
減できないことも判明した。即ち、本発明のグラジオメ
ータでは、すべての超電導体回路が単結晶体上にエピタ
キシャルに成長した酸化物高温超電導体薄膜により形成
され、かつ、多層構造や超電導体同志の接続構造をとっ
ていないので、低ノイズのグラジオメータを達成でき
る。
It has also been found that the current lamination and connection technologies for high-temperature oxide superconductors cannot reduce the noise associated with the multilayer structure and connection. That is, in the gradiometer of the present invention, all the superconductor circuits are formed by an oxide high-temperature superconductor thin film epitaxially grown on a single crystal body, and do not have a multilayer structure or a connection structure between superconductors. , Low noise gradiometer can be achieved.

【0014】ここで、本発明では、従来例のように空心
のボビン上でなく、単結晶体上にピックアップコイルを
形成しているので、単結晶体がSrTiO3 等・高誘電
率材料の時、ピックアップコイルを設置することによっ
て被測定磁束分布が影響を受ける。そこで、被測定磁束
勾配は、測定した磁束勾配から、校正により、或いは、
境界条件により求めた補正を行なう必要がある。しか
し、単結晶体による被測定磁束分布の変化は、感度上は
良くなる方向への変化であるので、ピックアップコイル
が空心でないことは問題とならない。特に、単結晶体に
よる磁束分布への影響を避けたい場合は、LaAlO3
等の比誘電率が1に近い材料の単結晶体を用いれば良
い。
Here, in the present invention, the pickup coil is formed not on the bobbin of the air core but on the single crystal body as in the conventional example, so that the single crystal body is made of a material having a high dielectric constant such as SrTiO 3. By installing a pickup coil, the distribution of the measured magnetic flux is affected. Therefore, the measured magnetic flux gradient is calculated from the measured magnetic flux gradient,
It is necessary to perform the correction determined by the boundary condition. However, since the change in the measured magnetic flux distribution due to the single crystal is a change in a direction in which the sensitivity is improved, it does not matter that the pickup coil is not air-core. In particular, when it is desired to avoid the influence on the magnetic flux distribution due to the single crystal, LaAlO 3
For example, a single crystal of a material having a relative dielectric constant close to 1 may be used.

【0015】また、本発明では、コイルのボビンとして
略直方体形状の単結晶体を用いているので、磁束勾配検
出用のピックアップコイルとSQUIDを構成する超電
導体ループを正確な直角に設置することができ、測定方
向の磁束によるSQUIDへの干渉を防ぐことができ
る。
In the present invention, since a substantially rectangular parallelepiped single crystal is used as the bobbin of the coil, the superconducting loop constituting the SQUID and the pickup coil for detecting the magnetic flux gradient can be installed at an accurate right angle. It is possible to prevent the magnetic flux in the measurement direction from interfering with the SQUID.

【0016】本発明に係るグラジオメータに使用できる
酸化物高温超電導材料としては、Y1 Ba2 Cu3
7-x および、この複合酸化物のYを、Ho,Er等のラ
ンタノイド元素で置換した組成を有する複合酸化物Tl
2 Ba2 Ca1 Cu2x ,Tl2 Ba2 Ca2 Cu3
10-y または、Bi2 Sr2 Ca1 Cu2x ,Bi
2 Sr2 Ca2 Cu310-yおよび、これらの複合酸化
物にPbを添加したもの、等を例示することができる。
The oxide high-temperature superconducting material that can be used in the gradiometer according to the present invention is Y 1 Ba 2 Cu 3 O.
7-x and a composite oxide Tl having a composition in which Y of the composite oxide is substituted with a lanthanoid element such as Ho or Er.
2 Ba 2 Ca 1 Cu 2 O x , Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3
O 10-y or Bi 2 Sr 2 Ca 1 Cu 2 O x , Bi
2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10-y and that the addition of Pb to these composite oxides, can be exemplified, and the like.

【0017】本発明に係るグラジオメータに使用できる
単結晶としては、MgO,SrTiO3 ,LaAlO
3 ,LaGaO3 等を例示できるが、特に、例示した材
料に限定するものではなく、酸化物高温電導体薄膜が、
エピタキシャル成長可能である単結晶基板の材料であれ
ば、すなわち、単結晶と酸化物高温超電導体の互いの格
子定数と熱膨張係数が近い材料でかつ、直方体の単結晶
が得られる材料であればよい。
The single crystals that can be used in the gradiometer according to the present invention include MgO, SrTiO 3 , LaAlO.
3 , LaGaO 3 and the like, but are not particularly limited to the exemplified materials.
Any material can be used as long as it is a material of a single crystal substrate that can be epitaxially grown, that is, a material in which the single crystal and the oxide high-temperature superconductor have close lattice constants and thermal expansion coefficients to each other, and a material in which a rectangular solid can be obtained. .

【0018】本発明に係るグラジオメータに使用できる
単結晶体の形状としては、直方体(立方体を含む)が基
本である。しかし、単結晶の研磨上の都合や、得られる
単結晶が小さすぎて直方体に整形すると必要な大きさが
得られない等の場合は、ループとループ間を結ぶ超電導
配線の都合で、若干、ノイズ特性の劣化があるものの、
単結晶体の形状は、少なくとも一対の平行な面とその面
に垂直な面を持つ多角体であれば本発明のグラジオメー
タに使用できる。さらに、本発明によるグラジオメータ
が、直方体形状の単結晶体上に構成されている場合にお
いて、直方体の辺上で超電導体配線が切れる事を防止す
るために、図3(単結晶体1,ピックアップコイルのル
ープ2a,入力コイルのループ3,配線4)のように、
直方体の辺を面取りすることが望ましい。また、本発明
において、単結晶直方体の面は100,110等の単純
指数面であることが、エピタキシャル成長条件が得やす
いという理由から望ましい。
The shape of a single crystal usable for the gradiometer according to the present invention is basically a rectangular parallelepiped (including a cube). However, if the required size cannot be obtained if the obtained single crystal is too small due to the polishing of the single crystal or the shape of the obtained single crystal is too small, due to the superconducting wiring connecting the loops, Although there is noise characteristic deterioration,
The single crystal body can be used in the gradiometer of the present invention as long as it is a polygon having at least a pair of parallel planes and a plane perpendicular to the plane. Further, in the case where the gradiometer according to the present invention is formed on a rectangular parallelepiped single crystal, in order to prevent the superconductor wiring from being cut on the sides of the rectangular parallelepiped, FIG. Like the coil loop 2a, the input coil loop 3, and the wiring 4),
It is desirable to chamfer the sides of the rectangular parallelepiped. In the present invention, it is preferable that the plane of the single-crystal rectangular parallelepiped is a simple exponential plane such as 100 or 110 because the epitaxial growth conditions can be easily obtained.

【0019】本発明において、単結晶体の側面(ピック
アップコイルの2つのループにはさまれた面)に形成さ
れる入力コイルのループの形状は、入力コイル上にSQ
UIDを重ねあわせてピックアップコイルにより検出し
た磁束勾配をSQUIDに磁束結合する際の結合効率を
高めるために、SQUIDの超電導体ループと同じ形状
であることが望ましい。
In the present invention, the shape of the loop of the input coil formed on the side surface of the single crystal body (the surface sandwiched between the two loops of the pickup coil)
In order to increase the coupling efficiency when the UID is superimposed and the magnetic flux gradient detected by the pickup coil is magnetically coupled to the SQUID, it is desirable that the SUID has the same shape as the superconductor loop.

【0020】[0020]

【実施例】本発明の実施例を説明する。以下に示す実施
例では、酸化物高温超電導体としてY1 Ba2 Cu3
7-x の例を、単結晶体としてMgO単結晶を用いた例を
示すが、プロセス上、作製が可能であれば、他の材料を
用いても良いことは言うまでもない。図1,図2に本発
明実施例によるグラジオメータの磁束検出コイル部の構
成を示す。図1は各コイルを形成した単結晶体の斜視
図、図(a) ,(b) は図1の単結晶体の各面の正面図であ
る。なお、図1,図2は、パターンが見やすくなるよう
に縮尺を一定にして描かれてはいない。
An embodiment of the present invention will be described. In the examples described below, Y 1 Ba 2 Cu 3 O was used as the oxide high-temperature superconductor.
Although the example of 7-x is an example in which an MgO single crystal is used as a single crystal body, it goes without saying that other materials may be used as long as fabrication is possible in the process. 1 and 2 show the configuration of a magnetic flux detecting coil section of a gradiometer according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view of a single crystal body on which each coil is formed, and FIGS. 1 (a) and 1 (b) are front views of respective surfaces of the single crystal body of FIG. Note that FIGS. 1 and 2 are not drawn to a constant scale so that the pattern is easy to see.

【0021】図において、直方体形状の単結晶体1の互
いに平行な二面(図の例では上面と底面)にはピックア
ップコイルのループ2a,2bが、また、単結晶体1の
側面(ピックアップコイルのループ2a,2bが形成さ
れた上面と底面ではさまれる面)には、入力コイルのル
ープ3がそれぞれ設けられ、各コイルのループは配線4
を介して連続している。これらの各コイルのループ2
a,2b,3及び配線4は、単結晶体1に対してエピタ
キシャルに成長した酸化物高温超電導体薄膜で構成され
ている。
In the drawing, pickup coil loops 2a and 2b are provided on two parallel surfaces (upper surface and bottom surface in the illustrated example) of a rectangular parallelepiped single crystal 1, and a side surface (pickup coil) of the single crystal 1 is provided. (A surface between the upper surface and the bottom surface where the loops 2a and 2b are formed) is provided with a loop 3 of an input coil, and the loop of each coil is connected to a wiring 4
Is continuous through. Loop 2 of each of these coils
The a, 2b, 3 and the wiring 4 are composed of an oxide high-temperature superconductor thin film epitaxially grown on the single crystal body 1.

【0022】次に、本発明の実施例で用いた酸化物高温
超電導体薄膜成長装置の構成を図5に示す。この装置で
は、スパッタガン9a,9bが2ケに設置され、単結晶
体1が自転できるように構成されているので、単結晶体
1の5面に一度に酸化物高温超電導体を成長できる。こ
の時、底面の成長レートと側面の成長レートを同じにす
るために、側面側に設置されたスパッタガン9aのRF
出力を、単結晶体1と対向設置されたスパッタガン9b
のRF出力の4倍に設定する。単結晶体1はヒーター8
によって所望の温度に加熱される。また、ボンベ10に
は薄膜に酸素を供給する、O2 ,O3 ,N2 O,NO2
等のガズが充填されており、ガスは、バルブ11、マス
フローメーター12を介してチャンバー内に導入され、
ノズル16を通して単結晶体8近傍へと吹き付けられ
る。また、13は排気用ポンプ、14はチャンバー内圧
力調節用バルブである。
Next, FIG. 5 shows the configuration of an oxide high-temperature superconductor thin film growing apparatus used in the embodiment of the present invention. In this apparatus, since the sputter guns 9a and 9b are provided in two sets and the single crystal 1 can be rotated, the oxide high-temperature superconductor can be grown on five surfaces of the single crystal 1 at a time. At this time, in order to make the growth rate of the bottom surface equal to the growth rate of the side surface, the RF of the sputter gun 9a installed on the side surface
The output is set to the sputter gun 9b installed opposite to the single crystal body 1.
4 times the RF output of Single crystal 1 is heater 8
To the desired temperature. Further, the cylinder 10 for supplying oxygen to the thin film, O 2, O 3, N 2 O, NO 2
Gas is introduced into the chamber via the valve 11 and the mass flow meter 12,
It is sprayed through the nozzle 16 to the vicinity of the single crystal body 8. Reference numeral 13 denotes an exhaust pump, and reference numeral 14 denotes a chamber pressure adjusting valve.

【0023】以下、本実施例によるグラジオメータの製
造方法について説明する。まず、各面が(100)面で
ある10mm×10mm×10mmの大きさのMgO単
結晶立方体1に、上述した酸化物高温超電導体薄膜成長
装置によりY系酸化物超電導体薄膜を形成した。ターゲ
ットとしては、Y1 Ba2 Cu37-x の組成を持つ焼
結済のものを用いた。単結晶体1はヒータ5にAgペー
ストにより固定し、設定温度は700℃とした。成膜速
度1Å/sec、RF電力50W,200Wの成長条件
でYBCO膜を作製した。成長中は、Ar/O2 =10
SCCM/10SCCMのガス流量により、400mT
orrの圧力に保った。スパッタ終了後、1気圧の酸素
を真空室に導入し、室温まで冷却する。この操作によ
り、単結晶立方体1の6面の内、一度に5面にYBCO
膜を成膜する。得られた膜は、光沢のある黒色で表面は
滑らかである。膜厚は、0.3〜0.6μmである。X
線解析法により結晶構造を調べると、(00l)の回折
ピークのみが観測され、この薄膜がc軸を単結晶立方体
1の各面に垂直な方向として成長した1−2−3構造の
Y系酸化物超電導体であることが確認された。また、各
面の表面構造をRHEEDにより観察したところ、YB
CO膜は、単結晶体1に対してエピタキシャルに成長し
ていることが分かった。
Hereinafter, a method of manufacturing the gradiometer according to the present embodiment will be described. First, a Y-based oxide superconductor thin film was formed on an MgO single crystal cube 1 having a size of 10 mm × 10 mm × 10 mm, each plane being a (100) plane, using the above-described oxide high-temperature superconductor thin film growth apparatus. As the target, a sintered target having a composition of Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7-x was used. The single crystal body 1 was fixed to the heater 5 with an Ag paste, and the set temperature was 700 ° C. A YBCO film was formed under the growth conditions of a film formation rate of 1 ° / sec and RF power of 50 W and 200 W. During the growth, Ar / O 2 = 10
400 mT with SCCM / 10 SCCM gas flow rate
orr pressure was maintained. After the sputtering is completed, oxygen at 1 atm is introduced into the vacuum chamber and cooled to room temperature. By this operation, YBCO is added to five of the six faces of single crystal cube 1 at a time.
A film is formed. The resulting film has a glossy black color and a smooth surface. The thickness is 0.3 to 0.6 μm. X
When the crystal structure was examined by a line analysis method, only a diffraction peak of (00l) was observed, and the Y-system of the 1-2-3 structure in which this thin film was grown with the c axis oriented in a direction perpendicular to each surface of the single crystal cube 1 was obtained. It was confirmed that it was an oxide superconductor. When the surface structure of each surface was observed by RHEED, it was found that YB
It was found that the CO film was grown epitaxially on the single crystal body 1.

【0024】次に、YBCO薄膜上に通常の方法に従っ
て、レジストを塗布する。レジストは、プリベーキング
の後、フォトマスクを用いて露光して現像し、更にポス
トベーキングを行なってパターン形成する。これを各面
ごとに繰り返して、単結晶体1にピックアップコイル用
ループ2ケ(2a,2b)と、フラックストランスフォ
ーマーを構成する入力コイルのループ1ケ(3)と各ル
ープ間を接続する配線4のレジスト・マスクを形成す
る。続いて、SF6 ガスによるプラズマエッチング法に
よりYBCO薄膜をパターニングする。この時、チャン
バー内のガス圧力を10mTorr、200Wの高周波
電力を印加してSF6 ガスをイオン化して、上述した単
結晶立方体1上のYBCO薄膜をあらかじめ形成されて
いるレジスト膜をマスクとして選択的にエッチングす
る。なお、イオン衝撃によるダメージを防ぐために、4
00W以下の高周波電力を印加することが望ましい。続
いて、マスクとして用いたレジストを除去して、図1に
示すようなグラジオメータの磁束検出コイル部を作製し
た。
Next, a resist is applied on the YBCO thin film according to an ordinary method. After pre-baking, the resist is exposed and developed using a photomask, and then subjected to post-baking to form a pattern. This is repeated for each surface, and the single crystal 1 has two loops (2a, 2b) for pickup coils, one loop (3) of the input coil constituting the flux transformer, and the wiring 4 connecting the loops. Is formed. Subsequently, the YBCO thin film is patterned by a plasma etching method using SF 6 gas. At this time, the gas pressure in the chamber is set to 10 mTorr, a high-frequency power of 200 W is applied to ionize the SF 6 gas, and the YBCO thin film on the single crystal cube 1 is selectively used as a mask using the previously formed resist film as a mask. Etch. In order to prevent damage due to ion bombardment, 4
It is desirable to apply a high-frequency power of 00 W or less. Subsequently, the resist used as the mask was removed, and a magnetic flux detecting coil portion of the gradiometer as shown in FIG. 1 was manufactured.

【0025】次に、液体窒素温度で動作するSQUID
として、バイクリスタル基板の接合線上にジョセフソン
接合を形成した角ワッシャー型の粒界接合dc−SQU
IDを作製した。図4にこのSQUIDの斜視図を示
す。まず、10mm×10mmのMgO単結晶基板5上
に、上述したRFマグネトロンスパッタリング法により
超電導体薄膜(YBCO薄膜)を0.5μm成長させ
た。この時、作製した超電導体薄膜の臨界温度は89
K、臨界電流密度は106 A/cm2 であった。次い
で、上述したSF6 ガスによるプラズマエッチング法に
より、得られた膜を角ワッシャー型(超電導体ループ
6;基板5の接合線上に引き延ばされた部分にジョセフ
ソン接合7が形成されている)にパターニングする。次
に、超電導体薄膜上にSQUIDのバイアス電流端子及
び電圧測定端子として、Au蒸着による電極(図示せ
ず)を形成し、図4にようなdc−SQUIDを作製し
た。最後に、磁束検出コイル部(図1)の入力コイルの
ループ3とSQUID(図4)の超電導体ループ6が一
致するように、磁束検出コイル部とdc−SQUIDを
重ね合わせ、本実施例のグラジオメータを作製した。
Next, a SQUID operating at the temperature of liquid nitrogen
Square-washer-type grain boundary junction dc-SQU in which a Josephson junction is formed on a junction line of a bicrystal substrate
An ID was prepared. FIG. 4 is a perspective view of the SQUID. First, a 0.5 μm superconductor thin film (YBCO thin film) was grown on a 10 mm × 10 mm MgO single crystal substrate 5 by the RF magnetron sputtering method described above. At this time, the critical temperature of the produced superconductor thin film was 89
K, the critical current density was 10 6 A / cm 2 . Next, the obtained film is square-washer type (superconductor loop 6; Josephson junction 7 is formed at the portion extended on the bonding line of substrate 5) by the plasma etching method using SF 6 gas described above. Is patterned. Next, electrodes (not shown) formed by Au evaporation were formed on the superconductor thin film as SQUID bias current terminals and voltage measurement terminals, and dc-SQUIDs as shown in FIG. 4 were produced. Finally, the magnetic flux detection coil unit and the dc-SQUID are overlapped so that the input coil loop 3 of the magnetic flux detection coil unit (FIG. 1) and the superconductor loop 6 of the SQUID (FIG. 4) match. A gradiometer was prepared.

【0026】以上のようにして作製したグラジオメータ
を77Kに冷却し、磁束勾配と発生電圧の関係を測定し
た結果を図6に示す。印加した磁束勾配は、単位磁束φ
0 とピックアップコイルのループ2a,2b間距離10
mmの、φ0 /10mmで規格してある。図7の周期構
造(発生電圧は、SQUIDの超電導体ループ6内に単
位磁束量子を発生させる磁界の強さの周期で変化する)
は、100磁束量子に対応する磁束勾配まで観測でき
た。又、磁束勾配と発生電圧の関係において、ヒステリ
シスは観察されなかった。さらに、本実施例によるグラ
ジオメータの77Kでのノイズのパワースペクトルを測
定した結果を図7に示す。ノイズレベルは1×10-30
J/Hz(於10KHz)、1/fノイズは50Hzま
でと、本実施例によるグラジオメータは、低ノイズであ
ることが確認された。
FIG. 6 shows the result of measuring the relationship between the magnetic flux gradient and the generated voltage by cooling the gradiometer manufactured as described above to 77K. The applied magnetic flux gradient is the unit magnetic flux φ
0 and the distance between the pickup coil loops 2a and 2b 10
of mm, it is standardized in φ 0 / 10mm. The periodic structure of FIG. 7 (the generated voltage changes with the period of the strength of the magnetic field that generates the unit magnetic flux quantum in the SQUID superconductor loop 6)
Could be observed up to a magnetic flux gradient corresponding to 100 magnetic flux quanta. No hysteresis was observed in the relationship between the magnetic flux gradient and the generated voltage. FIG. 7 shows the result of measuring the power spectrum of noise at 77K of the gradiometer according to the present embodiment. Noise level is 1 × 10 -30
J / Hz (at 10 KHz) and 1 / f noise were up to 50 Hz, and it was confirmed that the gradiometer according to the present embodiment had low noise.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、ピックアップコイル,入力コイル,配線のすべて
が、略直方体形状の単結晶体の表面にエピタキシャルに
成長した酸化物高温超電導体薄膜によって構成されてお
り、多層構造や超電導体同士の接続を用いてないため、
ノイズレベルが実用に耐え得る程低く、かつ1/fノイ
ズも低減されたグラジオメータを実現できる。本発明の
グラジオメータは、酸化物高温超電導体の優れた超電導
特性を有効に発揮するとともに、良好なノイズ特性を示
し、極めて微弱な磁束を正確に測定することができ、各
分野において非常に有益である。
As described above, in the present invention, the pickup coil, the input coil, and the wiring are all formed of the oxide high-temperature superconductor thin film epitaxially grown on the surface of the substantially rectangular solid single crystal. Because it does not use a multilayer structure or connection between superconductors,
A gradiometer having a noise level low enough to withstand practical use and reduced 1 / f noise can be realized. The gradiometer of the present invention effectively exhibits the excellent superconducting characteristics of the oxide high-temperature superconductor, shows good noise characteristics, can accurately measure extremely weak magnetic flux, and is very useful in various fields. It is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明実施例によるグラジオメータの磁束検出
コイル部の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a magnetic flux detecting coil unit of a gradiometer according to an embodiment of the present invention.

【図2】図2(a) は図1の磁束検出コイル部のピックア
ップコイル面の正面図、図2(b) は入力コイル面の正面
図である。
2 (a) is a front view of a pickup coil surface of the magnetic flux detecting coil unit of FIG. 1, and FIG. 2 (b) is a front view of an input coil surface.

【図3】図1の磁束検出コイル部について単結晶体の面
取りを行なったようすを示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing that a single crystal body is chamfered with respect to the magnetic flux detection coil unit of FIG. 1;

【図4】本発明実施例によるグラジオメータのSQUI
D部の斜視図である。
FIG. 4 is a SQUID of a gradiometer according to an embodiment of the present invention.
It is a perspective view of D part.

【図5】本発明実施例で用いた成膜装置の構成図であ
る。
FIG. 5 is a configuration diagram of a film forming apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図6】本発明実施例によるグラジオメータの磁束勾配
と発生電圧の関係を測定した結果を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a result of measuring a relationship between a magnetic flux gradient and a generated voltage of the gradiometer according to the embodiment of the present invention.

【図7】本実施例によるグラジオメータのノイズのパワ
ースペクトルを測定した結果を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a result of measuring a noise power spectrum of the gradiometer according to the present embodiment.

【図8】従来のピックアップコイルの構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional pickup coil.

【図9】従来の積層型フラックストランスフォーマーの
平面図である。
FIG. 9 is a plan view of a conventional laminated flux transformer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単結晶体 2a,2b ピックアップコイル 3 入力コイルのループ 4 配線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal body 2a, 2b Pickup coil 3 Loop of input coil 4 Wiring

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉原 正司 東京都千代田区丸の内二丁目6番1号 古河電気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−147387(JP,A) 特開 平2−253670(JP,A) 実開 平3−27375(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 39/00 H01L 39/22 - 39/24 G01R 33/035──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Shoji Yoshihara 2-6-1 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Inside Furukawa Electric Co., Ltd. (56) References JP-A-1-147387 (JP, A) JP-A-Hei 2-253670 (JP, A) Japanese Utility Model Hei 3-27375 (JP, U) (58) Fields surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 39/00 H01L 39/22-39/24 G01R 33 / 035

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 超電導体ループからなり、該ループ内に
鎖交する磁束勾配を検出するピックアップコイルと、該
ピックアップコイルと磁束結合された超電導量子干渉素
子とを備えたグラジオメータにおいて、 前記ピックアップコイルのループが、略直方体形状の単
結晶体の一対の平行な面にエピタキシャルに成長した酸
化物超電導体薄膜により形成されるとともに、前記ピッ
クアップコイルで検出された磁束勾配を前記超電導量子
干渉素子に磁束結合するための入力コイルのループが、
前記一対の平行面にはさまれた前記単結晶体の側面にエ
ピタキシャルに成長した酸化物超電導体薄膜により形成
され、かつ、前記ピックアップコイルのループと前記入
力コイルのループは前記単結晶体表面にエピタキシャル
に成長した酸化物超電導体薄膜からなる配線を介して連
続しており、前記超電導量子干渉素子は前記入力コイル
のループ上に重ね合わせるように配置されたことを特徴
とするグラジオメータ。
1. A gradiometer comprising a superconducting loop, a pickup coil for detecting a magnetic flux gradient interlinked in the loop, and a superconducting quantum interference device flux-coupled to the pickup coil. Is formed by an oxide superconductor thin film epitaxially grown on a pair of parallel surfaces of a substantially rectangular parallelepiped single crystal, and a magnetic flux gradient detected by the pickup coil is applied to the superconducting quantum interference device by a magnetic flux. The loop of the input coil for coupling
An oxide superconductor thin film epitaxially grown on a side surface of the single crystal body sandwiched between the pair of parallel surfaces is formed, and a loop of the pickup coil and a loop of the input coil are formed on the surface of the single crystal body. A gradiometer, which is continuous through a wiring made of an epitaxially grown oxide superconductor thin film, wherein the superconducting quantum interference device is arranged so as to be superimposed on a loop of the input coil.
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