JP2869775B2 - SQUID magnetometer - Google Patents

SQUID magnetometer

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JP2869775B2
JP2869775B2 JP7146880A JP14688095A JP2869775B2 JP 2869775 B2 JP2869775 B2 JP 2869775B2 JP 7146880 A JP7146880 A JP 7146880A JP 14688095 A JP14688095 A JP 14688095A JP 2869775 B2 JP2869775 B2 JP 2869775B2
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邦夫 風見
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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、ジョセフソン効果を利
用したSQUID(Superconducting Quantum Interfer
ence Device :超伝導量子干渉デバイス)によるSQU
ID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SQU
IDループ内に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、SQ
UIDループが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、生体磁気等の微小磁束変化を測
定する素子である。
The present invention relates to a SQUID (Superconducting Quantum Interfer) utilizing the Josephson effect.
ence Device: Superconducting quantum interference device)
It relates to an ID magnetometer. Here, the SQUID is a DC current as a bias current which is maintained in a low-temperature state in a heat insulating container (cryostat or the like) by liquid helium, liquid nitrogen, or the like, and is applied to a SQUID loop which is a superconducting loop including a Josephson junction in the loop. Drive by applying
When a magnetic flux from the outside is coupled and applied in the ID loop,
A circulating current is induced in the SQUID loop, and the quantum interference effect at a Josephson junction in the loop causes the SQ
This element measures a minute magnetic flux change such as biomagnetism by utilizing the fact that the UID loop operates as a transducer that converts a small change in the applied external magnetic flux into a large change in the output voltage.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、公知の、dc−SQUID磁束計
は、液体ヘリウムをためておくデュワー(またはクライ
オスタット)と、液体ヘリウム中で動作するSQUID
プローブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成
され、液体ヘリウム中のSQUIDプローブと室温アン
プは同軸ケーブルで接続されている。このようなSQU
ID磁束計は、磁束分解能が10-5φ。/Hz1/2 (左
式においてφ。は磁束量子を示す)程度と非常に高感度
であるため外来ノイズや誘導ノイズに弱いという欠点が
ある。また、通常、FLL(Flux Locked Loop:磁束ロ
ックループ)と呼ばれる線形動作のためのフィードバッ
ク回路を使ってゼロ位法が成り立つように制御される。
2. Description of the Related Art Conventionally known dc-SQUID magnetometers include a dewar (or cryostat) for storing liquid helium and a SQUID operating in liquid helium.
It consists of a probe, an amplifier and a controller operating at room temperature, and the SQUID probe in liquid helium and the amplifier at room temperature are connected by a coaxial cable. Such SSQ
The magnetic flux resolution of the ID magnetometer is 10 -5 φ. / Hz 1/2 (in the left formula, φ indicates magnetic flux quantum), which is extremely high sensitivity, and is disadvantageous in that it is susceptible to external noise and induction noise. In addition, usually, a feedback circuit for a linear operation called FLL (Flux Locked Loop) is used to control the zero-order method to be established.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のSQUID磁束計においては、FLL回路が追
随しないような大振幅または高速の外来磁気ノイズがS
QUIDに加わったり、回路内に電気的なパルスノイズ
が加わるとFLLループの動作が外れ(「ロックはず
れ」という)、その後の線形動作が阻害されてしまうと
いう欠点がある。また、同様の理由から電源を切断され
た後、再度起動して磁束を計測する場合SQUIDのφ
−V特性上のどの位相にロックするか分からないため、
電源切断前との計測値の連続性が保証されない。
However, in the above-mentioned conventional SQUID magnetometer, large-amplitude or high-speed extraneous magnetic noise that the FLL circuit does not follow cannot be obtained.
When added to the QUID or when electrical pulse noise is added to the circuit, the operation of the FLL loop is lost (referred to as "lock loss"), and the subsequent linear operation is hindered. When the magnetic flux is measured by restarting the power supply for the same reason after turning off the power supply, the SQUID φ
Because you do not know which phase on the -V characteristic to lock,
The continuity of the measured value before power off is not guaranteed.

【0004】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、SQUIDのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるSQUID磁束計を提供すること
を目的とする。
[0004] The present invention has been made to solve the above problems, and has a dynamic characteristic of SQUID,
In particular, it is an object of the present invention to provide a SQUID magnetometer capable of improving frequency characteristics and noise resistance performance and further ensuring continuity of measurement.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明のうち第1の発明に係るSQUID磁束計
は、複数のSQUIDと、前記複数のSQUIDに磁束
を伝達するとともに磁束伝達率がそれぞれ異なる複数の
インプットコイルであって互いに直列に接続された複数
のインプットコイルを備えたSQUID磁束計であっ
て、前記複数のインプットコイルの各磁束伝達率の比
は、互いに素な自然数の比で表されるように構成され
る。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a SQUID magnetometer for transmitting a plurality of SQUIDs to a plurality of SQUIDs and transmitting a magnetic flux to the plurality of SQUIDs. Is a SQUID magnetometer provided with a plurality of input coils different from each other and a plurality of input coils connected in series with each other, wherein the ratio of the magnetic flux transmission rates of the plurality of input coils is a ratio of relatively prime natural numbers. It is configured as represented by

【0006】[0006]

【作用】上記構成を有する本発明によれば、複数の感度
の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持ったSQU
IDで、測定すべき磁束を異なった尺度で評価でき、ま
た位相差が2π以内の範囲で直接検出できるため、FL
Lを使った磁束検出システムに比較して、電源の瞬断、
ノイズの混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には
修復される。また、十分大きなダイナミックレンジを確
保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰後の
出力の再現性を保持することができる。従って、ひとた
び絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来のFLL方
式が磁束ロック時からの相対値のみを出力するのに対
し、絶対値を出力する絶対磁束計として用いることがで
きる。また、ゼロ磁場におけるSQUID間の位相は一
致するため、絶対ゼロ磁場環境下での校正ができなくて
もトラップ磁束の影響が十分小さければ、これも絶対磁
束計として使うことができる。
According to the present invention having the above structure, a plurality of pickups having different sensitivities or SQUIS having a magnetic flux transmission rate are provided.
Since the magnetic flux to be measured can be evaluated on different scales by ID and the phase difference can be directly detected within a range of 2π, FL
Compared to the magnetic flux detection system using L,
Even if the phase is disturbed due to the mixing of noise, it is restored at the next moment. Further, if a sufficiently large dynamic range is secured, the reproducibility of the output after the power is restored can be maintained even if the power is cut off for a long time. Therefore, once calibration can be performed in an absolute zero magnetic field environment, the conventional FLL method can be used as an absolute magnetometer that outputs an absolute value, whereas the conventional FLL method outputs only a relative value from the time of magnetic flux lock. In addition, since the phases between SQUIDs in a zero magnetic field match, even if calibration in an absolute zero magnetic field environment is not possible, this can also be used as an absolute magnetometer if the effect of the trapped magnetic flux is sufficiently small.

【0007】[0007]

【実施例】以下、図面に基づき本発明の実施例について
説明する。本発明の第1実施例であるSQUID磁束計
における位相検出部の構成を図1に示す。図に示すよう
に、この位相検出部は、2個のSQUIDS1 及びS2
と、2個のインプットコイルL1 及びL2 と、外部入力
端子Ta ,Tb と、電圧端子T1 〜T3 を備えて構成さ
れている。インプットコイルL1 ,L2 は、それぞれS
QUIDS1 ,S2に相互インダクタンスM1 ,M2 で
結合されている。J11〜J22はジョセフソン接合であ
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the phase detection unit in the SQUID magnetometer according to the first embodiment of the present invention. As shown in the figure, this phase detection unit includes two SQUIDS1 and S2
, Two input coils L1 and L2, external input terminals Ta and Tb, and voltage terminals T1 to T3. The input coils L1 and L2 are S
They are coupled to QUIDS1 and S2 with mutual inductances M1 and M2. J11 to J22 are Josephson junctions.

【0008】図2は、本発明の第2実施例であるSQU
ID磁束計における位相検出部の構成を示したものであ
り、2個のSQUIDS1 及びS2 と、2個のインプッ
トコイルL1 及びL2 と、2個の正帰還コイルLa1及び
La2と、正帰還抵抗Ra1及びRa2と、外部入力端子Ta
,Tb と、電圧端子T1 〜T3 を備えて構成されてい
る。インプットコイルL1 ,L2 は、それぞれSQUI
DS1 ,S2 に相互インダクタンスM1 ,M2 で結合さ
れている。また、正帰還コイルLa1,La2は、それぞれ
SQUIDS1 ,S2 に相互インダクタンスMa1,Ma2
で結合されている。J11〜J22はジョセフソン接合であ
る。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows a configuration of a phase detection unit in the ID magnetometer, in which two SQUIDS1 and S2, two input coils L1 and L2, two positive feedback coils La1 and La2, a positive feedback resistor Ra1 and Ra2 and the external input terminal Ta
, Tb and voltage terminals T1 to T3. The input coils L1 and L2 are
DS1 and S2 are coupled by mutual inductances M1 and M2. The positive feedback coils La1 and La2 are connected to SQUIDS1 and S2 respectively by mutual inductances Ma1 and Ma2.
Are joined by J11 to J22 are Josephson junctions.

【0009】この位相検出部は、各SQUIDS1 ,S
2 のそれぞれに正帰還を独立に施すように構成したもの
であり、以下の条件式 (dV/dφ)×(Ma1/Ra1)≧1 ………(1) (dV/dφ)×(Ma2/Ra2)≧1 ………(2) を満足するように正帰還回路を構成することにより、後
述するプリアンプの雑音の影響を低減させるようにした
ものである。上式(1),(2)において、dV/dφ
は単一のSQUIDの磁束電圧変換率である。
[0009] This phase detecting section is provided for each of the SQUIDS1, SQUIDs.
2 is configured to independently apply positive feedback, and the following conditional expression (dV / dφ) × (Ma1 / Ra1) ≧ 1 (1) (dV / dφ) × (Ma2 / Ra2) ≧ 1 (2) By configuring the positive feedback circuit so as to satisfy the following condition, the influence of noise of a preamplifier described later is reduced. In the above equations (1) and (2), dV / dφ
Is the flux voltage conversion rate of a single SQUID.

【0010】図3は、図1に示す位相検出部を備え、こ
れらのSQUIDS1 ,S2 から位相信号を得るための
SQUID磁束計の回路構成を示したものである。図に
示すように、このSQUID磁束計101は、差動増幅
器1及び2と、コンパレータ3及び4と、トラックホー
ルド回路5及び6と、減算器7と、アッテネータ8と、
離散化手段であるA/D変換器9と、D/A変換器10
と、加算器11と、バイアス電流源12と、磁束変調手
段である信号源13と、抵抗14A及び14Bを備えて
構成されている。
FIG. 3 shows a circuit configuration of a SQUID magnetometer provided with the phase detector shown in FIG. 1 and for obtaining a phase signal from these SQUIDs S1 and S2. As shown in the figure, the SQUID magnetometer 101 includes differential amplifiers 1 and 2, comparators 3 and 4, track-hold circuits 5 and 6, a subtractor 7, an attenuator 8,
A / D converter 9 as a discretizing means and D / A converter 10
, An adder 11, a bias current source 12, a signal source 13 which is a magnetic flux modulation means, and resistors 14A and 14B.

【0011】差動増幅器1,2は、SQUIDS1 及び
S2 の出力電圧を増幅する。コンパレータ3,4は、比
較電圧Vb と比較することにより位相を検出する。バイ
アス電流源12は、SQUIDS1 ,S2 にバイアス電
流ib を供給するための電流源である。信号源13は、
三角波や鋸歯波等のランプ状の電圧(変調信号)を発生
し、2つのSQUIDS1 ,S2 を変調する。抵抗14
A,14Bは、電流を制限するための抵抗である。トラ
ックホールド回路5,6は、信号13の電圧をコンパレ
ータ3,4の反転タイミングでサンプリングする。減算
器7は、位相比較を行う。アッテネータ8は、トラック
ホールド回路5の値を適宜な値に調整する。A/D変換
器9は、減算器7から出力される位相差を量子化(離散
化)する。D/A変換器10は、A/D変換器9の出力
をアナログ値に戻す。加算器11は、最終的な位相合成
を行う。
The differential amplifiers 1 and 2 amplify the output voltages of SQUIDS1 and S2. The comparators 3 and 4 detect the phase by comparing with the comparison voltage Vb. The bias current source 12 is a current source for supplying a bias current ib to the SQUIDS1 and SQUIDS1 and S2. The signal source 13
A ramp-shaped voltage (modulation signal) such as a triangular wave or a sawtooth wave is generated to modulate the two SQUIDS1 and S2. Resistance 14
A and 14B are resistors for limiting the current. The track hold circuits 5 and 6 sample the voltage of the signal 13 at the inversion timing of the comparators 3 and 4. The subtracter 7 performs a phase comparison. The attenuator 8 adjusts the value of the track hold circuit 5 to an appropriate value. The A / D converter 9 quantizes (discretizes) the phase difference output from the subtractor 7. The D / A converter 10 returns the output of the A / D converter 9 to an analog value. The adder 11 performs final phase synthesis.

【0012】図3では図示してはいないが、トラックホ
ールド回路5でサンプリングした後の電圧をA/D変換
器9で量子化してプロセッサ(図示せず)に取り込み、
デジタル値として演算しても、上記と同様な構成および
効果を得ることができる。
Although not shown in FIG. 3, the voltage sampled by the track and hold circuit 5 is quantized by an A / D converter 9 and taken into a processor (not shown).
Even if the calculation is performed as a digital value, the same configuration and effect as described above can be obtained.

【0013】次に、上記のSQUID磁束計における動
作について説明する。まず、上記の構成を用いた絶対位
相検出用SQUID磁束計について、その位相関係につ
いて説明する。いま、SQUIDの入力磁束に対する出
力電圧の関係が正弦波状であり、第1の周期関数sin
(2πφ/φ。)として表現されるものとする。ここ
に、φ。は磁束量子である。このとき、相互に磁気的に
結合していない2つのSQUIDに、各々結合状態(磁
束伝達率)の違うコイル(例えば、それぞれM1 ,M2
とする。)によりSQUIDに磁束を入力すると、1/
(M1 −M2 )を周期とする第2の周期関数が得られ
る。この場合、前者(第1の周期関数)を副尺、後者
(第2の周期関数)を主尺と考えると、2ステップの磁
場測定が可能になる。
Next, the operation of the SQUID magnetometer will be described. First, the phase relationship of the SQUID magnetometer for absolute phase detection using the above configuration will be described. Now, the relationship between the output voltage and the input magnetic flux of the SQUID is sinusoidal, and the first periodic function sin
(2πφ / φ). Here, φ. Is a magnetic flux quantum. At this time, two SQUIDs that are not magnetically coupled to each other are connected to coils (for example, M1 and M2, respectively) having different coupling states (magnetic flux transmission rates).
And )), The magnetic flux is input to the SQUID.
A second periodic function having a period of (M1 -M2) is obtained. In this case, if the former (first periodic function) is considered as a vernier scale and the latter (second periodic function) is considered as a main scale, a two-step magnetic field measurement becomes possible.

【0014】上記の関係を式で表現すると、SQUID
S1 、SQUIDS2 のインプットコイルL1 ,L2 の
結合インダクタンスをM1 ,M2 とし、これらのインプ
ットコイルに流れる電流をIとし、出力電圧をV1 ,V
2 とすれば、オフセットを無視すると、V1 ,V2 は、
下式 V1 =sin(2πM1 I/φ。) ………(3) V2 =sin(2πM2 I/φ。) ………(4) で表わされる。
When the above relationship is expressed by an equation, SQUID
The coupling inductances of the input coils L1 and L2 of S1 and SQUIDS2 are M1 and M2, the current flowing through these input coils is I, and the output voltages are V1 and V2.
Assuming that 2, if the offset is ignored, V1 and V2 become
The following equation V1 = sin (2πM1 I / φ) (3) V2 = sin (2πM2 I / φ) (4)

【0015】したがって、出力電圧V1,V2の位相差
は、 (2πI/φ。)×(M1 −M2 ) となり、I×(M1 −M2 )の値がNφ。(N:自然
数)となるごとに位相が一致する。
Therefore, the phase difference between the output voltages V1 and V2 is (2πI / φ.) × (M1−M2), and the value of I × (M1−M2) is Nφ. (N: natural number), the phase matches.

【0016】図4は、SQUIDS2 から見ると、 M1 −M2 =φ。/6 となり、SQUIDS1 から見ると M1 −M2 =φ。/7 となる場合を表している。図4から、2つのインプット
コイルL1 ,L2 に入力される磁束φと各SQUIDの
位相及び位相差の関係をあらわすと、図5のようにな
る。
FIG. 4 shows that M 1 −M 2 = φ from the viewpoint of SQUIDS 2. / 6, and M1-M2 = φ when viewed from SQUIDS1. / 7. FIG. 5 shows the relationship between the magnetic flux φ input to the two input coils L1 and L2, the phase of each SQUID, and the phase difference from FIG.

【0017】図5に示すように、入力磁束φが、SQU
IDS2 にとっては6φ。、SQUIDS1 にとっては
7φ。だけ変化した場合、相互の位相差は2πすなわち
1周期変化する。SQUIDの出力は周期関数であるた
め、1つの位相のみでは1φ。以上の入力磁束の大きさ
または変化量は判別できないが、位相差を粗なスケール
として何φ。めの位相にあるかの同定基準とすれば、こ
の例では6φ。から7φ。の範囲で判別することができ
る。ここに、自然数6と7は互いに素であり、その差は
1である。
As shown in FIG. 5, the input magnetic flux φ is
6φ for IDS2. , SQUIDS1 for 7φ. , The mutual phase difference changes by 2π, that is, by one period. Since the output of the SQUID is a periodic function, it is 1φ for only one phase. Although the magnitude or the amount of change of the input magnetic flux cannot be determined, the phase difference is set as a coarse scale and what is φ. In this example, 6φ is used as an identification standard for determining whether or not the phase is the same. From 7φ. Can be determined. Here, the natural numbers 6 and 7 are relatively prime, and the difference is 1.

【0018】同様な原理により、(M1 −M2 )/M1
が小さくなるように数値設定すれば、判別できる磁束範
囲を拡大することができる。例えば、M1 :M2 =10
01:1000とすれば、1000φ。までダイナミッ
クレンジが拡大されたことになる)。ここに、自然数1
000と1001は互いに素であり、その差は1であ
る。
According to the same principle, (M1-M2) / M1
If the numerical value is set so that is smaller, the range of the magnetic flux that can be determined can be expanded. For example, M1: M2 = 10
01: 1000, 1000φ. The dynamic range has been expanded up to that point). Where the natural number 1
000 and 1001 are disjoint and the difference is 1.

【0019】このような位相関係は、入力電流と結合イ
ンダクタンスによって決められるため、FLLを用いた
磁束検出システムと比較すると、電源の瞬断、ノイズの
混入による位相の乱れがあっても次の瞬間には修復され
ることがわかる。また、十分大きなダイナミックレンジ
を確保すれば、電源が長時間断たれていても、電源復帰
後の出力の再現性を保持することができる。したがっ
て、いったん絶対ゼロ磁場環境下で校正することができ
れば、絶対磁束計として使うことができる。また、絶対
ゼロ磁場環境下での校正ができなくてもトラップ磁束の
影響が十分小さければ、ゼロ磁場におけるSQUID間
の位相は一致するため、この場合も絶対磁束計として使
うことができる。
Since such a phase relationship is determined by the input current and the coupling inductance, compared with a magnetic flux detection system using the FLL, even if there is a momentary interruption of the power supply or a disturbance of the phase due to the incorporation of noise, the next instantaneous change occurs. Can be found to be repaired. Further, if a sufficiently large dynamic range is secured, the reproducibility of the output after the power is restored can be maintained even if the power is cut off for a long time. Therefore, once calibration can be performed in an absolute zero magnetic field environment, it can be used as an absolute magnetometer. Even if calibration in an absolute zero magnetic field environment is not possible, if the influence of the trapped magnetic flux is sufficiently small, the phases between the SQUIDs in the zero magnetic field coincide with each other.

【0020】次に、上記の構成を用いた位相検出回路に
ついて述べる。図3に示す変調用信号源13により、S
QUIDS1 、S2 の1φ。以上の振幅の三角波または
鋸歯波等のランプ状波で電流を注入すると、外部入力端
子Ta ,Tb に接続される信号源の出力インピーダンス
が十分大きければ、SQUIDS1 ,S2 の位相は線形
に変調される。
Next, a phase detection circuit using the above configuration will be described. The modulation signal source 13 shown in FIG.
1φ of QUIDS1 and S2. When a current is injected with a ramp wave such as a triangular wave or a sawtooth wave having the above amplitude, if the output impedance of the signal source connected to the external input terminals Ta and Tb is sufficiently large, the phases of SQUIDS1 and S2 are linearly modulated. .

【0021】図6は、SQUIDS1 ,S2 の出力電圧
の時間変化(図6(B),(C))を変調磁束信号の時
間変化(図6(A))とあわせて示したものである。S
QUIDS1 ,S2 の各出力は、差動増幅器1,2で適
当なレベルに増幅された後、比較電圧Vb を基準として
コンパレータ3,4によってレベル比較される。
FIG. 6 shows the change over time (FIGS. 6 (B) and 6 (C)) of the output voltages of SQUIDS1 and S2 together with the change over time of the modulated magnetic flux signal (FIG. 6 (A)). S
After the outputs of QUIDS1 and S2 are amplified to appropriate levels by the differential amplifiers 1 and 2, the levels are compared by the comparators 3 and 4 with reference to the comparison voltage Vb.

【0022】Vb はSQUIDのオフセット電圧に相当
するもので、上式(1),(2)において省略したDC
成分に相当する値を参照値とすることで、位相の変化率
(dV/dφ値)が最も大きい点でコンパレータが反転
するようにする。図6(D)に示すように、コンパレー
タ3,4の反転(ここでは立ち上がり点)にあわせて変
調信号の電圧A,B点でサンプリングするようにトラッ
クホールド回路5,6が構成されている。この例では、
SQUID出力電圧の位相が、S1 はπ/2だけ、S2
はπだけずれている場合を示しているが、入力電流Iに
応じて位相差は0から2πまで変化する。
Vb is equivalent to the SQUID offset voltage, and DCb omitted in the above equations (1) and (2).
By using the value corresponding to the component as the reference value, the comparator is inverted at the point where the phase change rate (dV / dφ value) is the largest. As shown in FIG. 6 (D), the track and hold circuits 5 and 6 are configured to perform sampling at the voltages A and B of the modulation signal in accordance with the inversion (here, the rising point) of the comparators 3 and 4. In this example,
When the phase of the SQUID output voltage is S1 by π / 2 and S2
Indicates a case where the phase difference is shifted by π, but the phase difference changes from 0 to 2π according to the input current I.

【0023】サンプルしたA,B点の電圧は各SQUI
Dの位相に比例するため、減算器7で差を取ることによ
り位相差に相当する電圧が得られる。この様子を図7に
示す。A/D変換器9でA/D変換し、D/A変換器1
0でD/A変換すると、位相差は、図7(B)に示すよ
うに量子化された値をとる。この位相差の最小分解能を
φ。に合うようにLSB(Least Signicant Bit :最下
位ビット)を設定する。具体的には、D/A変換器のL
SBと位相信号(図7(A)参照)を合成するために、
アッテネータ8で最大電圧を1φ。相当(または2π)
の値に設定して加算器11で加え合わせると、位相差の
1LSB以下の値が図7(C)のように補間され、最終
的に数μφ。から数100〜数千φ。にわたる広いダイ
ナミックレンジの磁束計測が可能になる。
The voltage at the sampled points A and B is determined by each SQUI
Since the difference is proportional to the phase of D, a voltage corresponding to the phase difference can be obtained by taking the difference with the subtractor 7. This is shown in FIG. A / D converter 9 performs A / D conversion, and D / A converter 1
When D / A conversion is performed at 0, the phase difference takes a quantized value as shown in FIG. The minimum resolution of this phase difference is φ. LSB (Least Signicant Bit: Least Significant Bit) is set so that Specifically, L of the D / A converter
In order to combine the SB and the phase signal (see FIG. 7A),
The maximum voltage is 1φ by the attenuator 8. Equivalent (or 2π)
, And the values are added by the adder 11, the value of 1 LSB or less of the phase difference is interpolated as shown in FIG. From several hundred to several thousand φ. Over a wide dynamic range.

【0024】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。
The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device having the same function and effect can be realized by the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

【0025】例えば、上記各実施例においては、SQU
ID磁束計の位相検出部が2個のSQUIDと2個のイ
ンプットコイルで構成された例について説明したが、本
発明はこれには限定されず、3個以上のSQUIDと3
個以上のインプットコイルで構成されてもよい。
For example, in each of the above embodiments, the SQUI
Although the example in which the phase detection unit of the ID magnetometer is composed of two SQUIDs and two input coils has been described, the present invention is not limited to this, and three or more SQUIDs and three
It may be composed of more than two input coils.

【0026】また、上記各実施例においては、SQUI
D磁束計に複数のインプットコイルを設けた例について
説明したが、本発明はこれには限定されず、各SQUI
Dが磁束を直接取り込むピックアップを兼ね、かつこれ
らピックアップの感度の比又はこれらピックアップの有
効面積の比を磁束伝達率の比とするようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the SQUID
Although the example in which the D magnetometer is provided with a plurality of input coils has been described, the present invention is not limited to this.
D may also serve as a pickup that directly takes in magnetic flux, and the ratio of the sensitivity of these pickups or the ratio of the effective area of these pickups may be used as the ratio of the magnetic flux transmission rate.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の感度の異なるピックアップまたは磁束伝達率を持
ったSQUIDで、測定すべき磁束を異なった尺度で評
価でき、また位相差が2π以内の範囲で直接検出できる
ため、FLLを使った磁束検出システムに比較して、電
源の瞬断、ノイズの混入による位相の乱れがあっても次
の瞬間には修復される。また、十分大きなダイナミック
レンジを確保すれば、電源が長時間断たれていても、電
源復帰後の出力の再現性を保持することができる。従っ
て、ひとたび絶対ゼロ磁場環境下で校正できれば、従来
のFLL方式が磁束ロック時からの相対値のみを出力す
るのに対し、絶対磁束計として使うことができる。ま
た、ゼロ磁場におけるSQUID間の位相は一致するた
め、このような校正ができなくてもトラップ磁束の影響
が十分小さければ、これも絶対磁束計として使うことが
できる。したがって、SQUIDのダイナミック特性、
特に周波数特性、耐ノイズ性能を向上させ、さらに計測
の連続性を保証しうるSQUID磁束計を提供すること
ができる。
As described above, according to the present invention,
With a plurality of pickups with different sensitivities or SQUIDs with magnetic flux transmissibility, the magnetic flux to be measured can be evaluated on different scales, and the phase difference can be directly detected within the range of 2π. In comparison, even if there is an instantaneous interruption of the power supply or phase disturbance due to the incorporation of noise, it is restored at the next instant. Further, if a sufficiently large dynamic range is secured, the reproducibility of the output after the power is restored can be maintained even if the power is cut off for a long time. Therefore, once calibration can be performed in an absolute zero magnetic field environment, the conventional FLL method can be used as an absolute magnetometer, while only the relative value from the time of magnetic flux lock is output. In addition, since the phases between SQUIDs in a zero magnetic field coincide with each other, even if such calibration cannot be performed, if the influence of the trapped magnetic flux is sufficiently small, this can also be used as an absolute magnetometer. Therefore, the dynamic characteristics of SQUID,
In particular, it is possible to provide a SQUID magnetometer capable of improving frequency characteristics and noise resistance performance and further ensuring measurement continuity.

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

【図1】本発明の第1実施例であるSQUID磁束計に
おける位相検出部の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a phase detector in a SQUID magnetometer according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例であるSQUID磁束計に
おける位相検出部の構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a phase detection unit in a SQUID magnetometer according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1実施例であるSQUID磁束計の
全体構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an overall configuration of a SQUID magnetometer according to a first embodiment of the present invention.

【図4】図3に示すSQUID磁束計の動作を説明する
図(1)である。
FIG. 4 is a diagram (1) illustrating an operation of the SQUID magnetometer shown in FIG. 3;

【図5】図3に示すSQUID磁束計の動作を説明する
図(2)である。
FIG. 5 is a diagram (2) for explaining the operation of the SQUID magnetometer shown in FIG. 3;

【図6】図3に示すSQUID磁束計の動作を説明する
図(3)である。
FIG. 6 is a diagram (3) for explaining the operation of the SQUID magnetometer shown in FIG. 3;

【図7】図3に示すSQUID磁束計の動作を説明する
図(4)である。
FIG. 7 is a diagram (4) for explaining the operation of the SQUID magnetometer shown in FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 差動増幅器 3,4 コンパレータ 5,6 トラックホールド回路 7 減算器 8 アッテネータ 9 A/D変換器 10 D/A変換器 11 加算器 12 バイアス電流源 13 信号源 14A,14B 抵抗 101 SQUID磁束計 J11〜J22 ジョセフソン接合 L1 ,L2 インプットコイル S1 ,S2 SQUID T1 〜T3 電圧端子 1, 2 Differential amplifier 3, 4 Comparator 5, 6 Track hold circuit 7 Subtractor 8 Attenuator 9 A / D converter 10 D / A converter 11 Adder 12 Bias current source 13 Signal source 14A, 14B Resistance 101 SQUID magnetic flux J11-J22 Josephson junction L1, L2 Input coil S1, S2 SQUID T1-T3 Voltage terminals

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01R 33/035 ZAA H01L 39/22 ZAA ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01R 33/035 ZAA H01L 39/22 ZAA

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 複数のSQUIDと、前記複数のSQU
IDに磁束を伝達するとともに磁束伝達率がそれぞれ異
なる複数のインプットコイルであって互いに直列に接続
された複数のインプットコイルを備えたSQUID磁束
計であって、前記複数のインプットコイルの各磁束伝達
率の比は、互いに素な自然数の比で表されることを特徴
とするSQUID磁束計。
A plurality of SQUIDs; and a plurality of SQUIDs.
A SQUID magnetometer comprising a plurality of input coils transmitting a magnetic flux to an ID and having different magnetic flux transmissivities, the plurality of input coils being connected in series with each other, wherein each of the magnetic flux transmissivities of the plurality of input coils is The SQUID magnetometer is characterized in that the ratio is expressed by a ratio of disjoint natural numbers.
【請求項2】 前記各磁束伝達率の比の差は1であるこ
とを特徴とする請求項1に記載のSQUID磁束計。
2. The SQUID magnetometer according to claim 1, wherein the difference between the ratios of the respective magnetic flux transmission rates is one.
【請求項3】 前記複数のSQUIDの各々に正帰還を
施すための抵抗およびコイルを備えたことを特徴とする
請求項1又は請求項2に記載のSQUID磁束計。
3. The SQUID magnetometer according to claim 1, further comprising a resistor and a coil for applying a positive feedback to each of the plurality of SQUIDs.
【請求項4】 ランプ状の変調電圧を前記複数のSQU
IDに入力する磁束変調手段と、前記複数のSQUID
の電圧出力の位相を検出するコンパレータと、このコン
パレータの出力で前記ランプ状の変調電圧をサンプリン
グするトラックホールド回路と、このトラックホールド
回路でホールドされたランプ状変調電圧の差をとる減算
器と、この減算器により減算された出力を離散化する離
散化手段と、前記サンプリングされたランプ状変調電圧
の振幅を調整する振幅調整器と、前記離散化された出力
と前記振幅調整された電圧とを加算する加算器を備えた
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1
項に記載のSQUID磁束計。
4. The method according to claim 1, further comprising: applying a ramp-shaped modulation voltage to the plurality of
Magnetic flux modulating means for inputting to the ID, and the plurality of SQUIDs
A comparator that detects the phase of the voltage output of the comparator, a track-hold circuit that samples the ramp-shaped modulation voltage with the output of the comparator, and a subtractor that calculates the difference between the ramp-shaped modulation voltages held by the track-hold circuit. Discretizing means for discretizing the output subtracted by the subtracter, an amplitude adjuster for adjusting the amplitude of the sampled ramp-shaped modulation voltage, and the discretized output and the amplitude-adjusted voltage. 4. An apparatus according to claim 1, further comprising an adder for adding.
The SQUID magnetometer according to the item.
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