JP2902007B2 - 磁束検出装置 - Google Patents
磁束検出装置Info
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- JP2902007B2 JP2902007B2 JP23921989A JP23921989A JP2902007B2 JP 2902007 B2 JP2902007 B2 JP 2902007B2 JP 23921989 A JP23921989 A JP 23921989A JP 23921989 A JP23921989 A JP 23921989A JP 2902007 B2 JP2902007 B2 JP 2902007B2
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Description
【発明の詳細な説明】 （従来の技術） 本発明はジョセフソン素子を用いる超高感度磁束検出
装置に関する。
装置に関する。
（従来の技術） ジョセフソン素子により構成されるSQUID（Supercond
ucting QUantum Intrference Device）を用いる磁束測
定装置が知られている。この装置は高感度かつ応答性が
極めて優れており、高精度及び高感度測定が要求される
分野に使用されている。このSQUIDを用いた装置によ
り、例えば、人体から発生する微弱磁界信号の検出が可
能になり、また、油田層の存在や高温水層の探査等地質
的な調査を精度良く行うことが可能になったりした。
ucting QUantum Intrference Device）を用いる磁束測
定装置が知られている。この装置は高感度かつ応答性が
極めて優れており、高精度及び高感度測定が要求される
分野に使用されている。このSQUIDを用いた装置によ
り、例えば、人体から発生する微弱磁界信号の検出が可
能になり、また、油田層の存在や高温水層の探査等地質
的な調査を精度良く行うことが可能になったりした。
（発明が解決しようとする課題） 上述した磁束測定装置は、信号磁束を補足する磁束検
出コイル（ピックアップコイル）を有しており、この補
足された磁束が検出コイルを含む超伝導ループと磁気的
に結合するSQUIDへ印加される。
出コイル（ピックアップコイル）を有しており、この補
足された磁束が検出コイルを含む超伝導ループと磁気的
に結合するSQUIDへ印加される。
信号磁束を補足する検出コイルを含む超伝導ループの
インダクタンスのために、SQUIDの高感度高速応答性が
十分に生かされていないと言う課題が存在する。
インダクタンスのために、SQUIDの高感度高速応答性が
十分に生かされていないと言う課題が存在する。
（課題を解決するための手段） 本発明は、信号磁束をSQUIDにまで伝達する磁束検出
コイルを含む超伝導ループにジョセフソン素子を含む負
性インダクタンス発生手段を設けたことにより上記課題
を解決する。
コイルを含む超伝導ループにジョセフソン素子を含む負
性インダクタンス発生手段を設けたことにより上記課題
を解決する。
（作用） ジョセフソン素子とそれを用いた回路は既に開示され
ており、例えば「超高速ジョセフソン・デバイス」（菅
野卓雄監修、培風館発行）に詳しく記述されている。第
２図を用いてジョセフソン素子100の特性を説明しよ
う。ジョセフソン素子の特性、即ち、素子に流れる電流
Ijと素子間の電圧Vjは、ジョセフソン素子の最大超伝導
電流Imと電子波位相差Ψｊを用いて以下の式で表され
る。
ており、例えば「超高速ジョセフソン・デバイス」（菅
野卓雄監修、培風館発行）に詳しく記述されている。第
２図を用いてジョセフソン素子100の特性を説明しよ
う。ジョセフソン素子の特性、即ち、素子に流れる電流
Ijと素子間の電圧Vjは、ジョセフソン素子の最大超伝導
電流Imと電子波位相差Ψｊを用いて以下の式で表され
る。
ここでΦｏは磁束量子と呼ぶ磁束単位で、2.07×1515
wbである。ところで、電圧を積分した値を一般化磁束Φ
として定義すると動作を一般的に議論できる。すると
（２）式は下式となり、 （３）式よりジョセフソン素子の磁束は電子波位相
差、Ψｊに比例することがわかる。ジョセフソン素子は
従来スイッチング素子として扱われているが、（１）〜
（３）式からジョセフソン素子がインダクタとしての特
性を持つことが示される。特に（１）式はジョセフソン
素子としての非線形インダクタンスとしての特徴を示し
ている。ここでジョセフソン素子の微分インダクタンス
を（４）式で算出する。
wbである。ところで、電圧を積分した値を一般化磁束Φ
として定義すると動作を一般的に議論できる。すると
（２）式は下式となり、 （３）式よりジョセフソン素子の磁束は電子波位相
差、Ψｊに比例することがわかる。ジョセフソン素子は
従来スイッチング素子として扱われているが、（１）〜
（３）式からジョセフソン素子がインダクタとしての特
性を持つことが示される。特に（１）式はジョセフソン
素子としての非線形インダクタンスとしての特徴を示し
ている。ここでジョセフソン素子の微分インダクタンス
を（４）式で算出する。
（４）式より、ジョセフソン素子はその電子波位相差
Ψｊを使ってcos Ψｊに比例する可変インダクタンスで
あることがわかる。特にΨｊがπ/2から３π/2の間では
COS Ψｊが負となり、ジョセフソン素子は負性インダク
タンスを示す。
Ψｊを使ってcos Ψｊに比例する可変インダクタンスで
あることがわかる。特にΨｊがπ/2から３π/2の間では
COS Ψｊが負となり、ジョセフソン素子は負性インダク
タンスを示す。
第３図には単一のジョセフソン素子により構成される
負のインダクタンスを実現する可変インダクタが示され
る。ジョセフソン素子100に直列にインダクタ101が接続
されており、電流源102により外部電流Iekが印加される
構成である。外部電流Iekを変化することにより、ジョ
セフソン素子に加わる直流バイアス磁束Φekを変化し、
これによりジョセフソン素子100の電子波位相差Ψｊ変
え、端子205、206間に負性のインダクタスを発生するこ
とができる。第４図は、可変の負性インダクタンス発生
手段を示すシンボルであり、インダクタンス値L*が外部
電流Iekにより変化されることを表現している。
負のインダクタンスを実現する可変インダクタが示され
る。ジョセフソン素子100に直列にインダクタ101が接続
されており、電流源102により外部電流Iekが印加される
構成である。外部電流Iekを変化することにより、ジョ
セフソン素子に加わる直流バイアス磁束Φekを変化し、
これによりジョセフソン素子100の電子波位相差Ψｊ変
え、端子205、206間に負性のインダクタスを発生するこ
とができる。第４図は、可変の負性インダクタンス発生
手段を示すシンボルであり、インダクタンス値L*が外部
電流Iekにより変化されることを表現している。
第５図は、２個のジョセフソン素子から構成される負
性のインダクタンスを実現する可変インダクタンス発生
手段の例である。一次巻線201と一端で互いに接続され
た第１、第２の二次巻線202a、202bとから成る密結合ト
ランス203を備えられ、最大超伝導電流がImである第
１、第２のジョセフソン素子100a、100bの一端が密接合
トランス203の第１、第２の２次巻線202a、202bの他端
に接続されている。第１、第２のジョセフソン素子100
a、100bの他端の接合点は端子206に、また密結合トラン
ス203の第１、第２の２次巻線202a、202bを直列に接続
する接合点は端子205に接続されている。密結合トラン
ス203の１次巻線201は直流電流源207に接続されてい
る。次にこの回路動作を説明する。密結合トランス203
の１次巻線201に電流源207により直流電流Iekを流し、
第１、第２の２次巻線202a、202bに直流バイアス磁束Φ
ekを鎖交させる。磁束Φekは（５）式に示される様に磁
束量子Φｏで規格化すると、電子波位相角αとなる。
性のインダクタンスを実現する可変インダクタンス発生
手段の例である。一次巻線201と一端で互いに接続され
た第１、第２の二次巻線202a、202bとから成る密結合ト
ランス203を備えられ、最大超伝導電流がImである第
１、第２のジョセフソン素子100a、100bの一端が密接合
トランス203の第１、第２の２次巻線202a、202bの他端
に接続されている。第１、第２のジョセフソン素子100
a、100bの他端の接合点は端子206に、また密結合トラン
ス203の第１、第２の２次巻線202a、202bを直列に接続
する接合点は端子205に接続されている。密結合トラン
ス203の１次巻線201は直流電流源207に接続されてい
る。次にこの回路動作を説明する。密結合トランス203
の１次巻線201に電流源207により直流電流Iekを流し、
第１、第２の２次巻線202a、202bに直流バイアス磁束Φ
ekを鎖交させる。磁束Φekは（５）式に示される様に磁
束量子Φｏで規格化すると、電子波位相角αとなる。
端子205、206間の位相角をφとすれば、第１、第２の
ジョセフソン素子100a、100bに流れる電流は各々、Imsi
n（φ−α）、Imsin（φ＋α）となる。従って、端子20
5、206に流れる電流は（６）式で表される。
ジョセフソン素子100a、100bに流れる電流は各々、Imsi
n（φ−α）、Imsin（φ＋α）となる。従って、端子20
5、206に流れる電流は（６）式で表される。
Ｉ＝Imsin（φ−α）＋Imsin（φ＋α） ＝２Im sinφcosα ……（６） 端子205、206の間の位相角がφであるから、その端子間
の一般化磁束ΦはφΦ０/2πである。従って、端子20
5、206の間のインダクタンスL*は（４）式と同様に計算
して（７）式となる。
の一般化磁束ΦはφΦ０/2πである。従って、端子20
5、206の間のインダクタンスL*は（４）式と同様に計算
して（７）式となる。
（７）式より端子205、206の間のインダクタンスは位
相角αにより変化する。従って、第５図に示す回路は１
次巻線201に流す外部電流Iekにより制御される可変イン
ダクタンスを実現している。特に位相角がαがπ/2から
３π/2ではcosが負となり、負性インダクタンスを実現
するのに都合が良い。この負性インダクタンス発生手段
は、第３図に示された負性インダクタンス発生手段と比
較して、外部ノイズに強いという利点を有している。
相角αにより変化する。従って、第５図に示す回路は１
次巻線201に流す外部電流Iekにより制御される可変イン
ダクタンスを実現している。特に位相角がαがπ/2から
３π/2ではcosが負となり、負性インダクタンスを実現
するのに都合が良い。この負性インダクタンス発生手段
は、第３図に示された負性インダクタンス発生手段と比
較して、外部ノイズに強いという利点を有している。
なお、第５図に示された負性インダクタンス発生手段
において、端子205、206側をバイアス磁束供給側とし、
変成器203の１次巻線側を負性インダクタンス供給側と
しても同様にして利用可能であることは明らかである。
において、端子205、206側をバイアス磁束供給側とし、
変成器203の１次巻線側を負性インダクタンス供給側と
しても同様にして利用可能であることは明らかである。
第６図は、第５図の負性インダクタンス発生手段に用
いられる直流バイアス磁束供給手段の具体例を示す。変
成器203の１次巻線201から延長される一対の超伝導線20
9に橋渡して超伝導線210が設けられている。外部電流I
ekを導入又は変化する場合は、超伝導線210に近接して
設けられたヒータ211又は磁界発生手段212を駆動して、
熱又は磁界より、超伝導線210を常伝導（抵抗）状態に
する。一対の超伝導線209を介して所望の値のバイアス
電流IBを流した後に、超伝導線210を再度超伝導状態に
する。変成器203の１次巻線201と超伝導線210とにより
超伝導ループが構成され、それに前記所望の値の超伝導
循環電流が流れ、これによりバイアス磁束の供給が達成
される。外部からのノイズの影響がないのでこの手段は
極めて有効になる。
いられる直流バイアス磁束供給手段の具体例を示す。変
成器203の１次巻線201から延長される一対の超伝導線20
9に橋渡して超伝導線210が設けられている。外部電流I
ekを導入又は変化する場合は、超伝導線210に近接して
設けられたヒータ211又は磁界発生手段212を駆動して、
熱又は磁界より、超伝導線210を常伝導（抵抗）状態に
する。一対の超伝導線209を介して所望の値のバイアス
電流IBを流した後に、超伝導線210を再度超伝導状態に
する。変成器203の１次巻線201と超伝導線210とにより
超伝導ループが構成され、それに前記所望の値の超伝導
循環電流が流れ、これによりバイアス磁束の供給が達成
される。外部からのノイズの影響がないのでこの手段は
極めて有効になる。
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。
第１図は本発明の磁束測定装置の一実施例の概略図であ
る。
第１図は本発明の磁束測定装置の一実施例の概略図であ
る。
一端に磁束検出コイル400を有し他端が、磁束検出素
子であるSQUIDに、磁束を介して結合する超伝導ループ4
00に、負性インダクタンスを実現する可変インダクタ20
0が直列に接続されている。インダクタ200の負性インダ
クタが超伝導ループ400の他の部分のインダクタンスを
打ち消すように調整されると、信号磁束の変化に応じて
瞬間的に大電流を超伝導ループに流すことができ、この
結果大きな磁束をSQUIDに印加することができ、より高
感度、高速度で信号磁束を検出することができる。本実
施例においては、磁束検出素子として２個のジョセフソ
ン素子405、406を用いるDC-SQUID410を用いたが、代わ
りにRF-SQUIDを用いることも勿論可能である。なお、DC
-SQUID、RF-SQUIDに用いられる検出回路は周知である。
例えば、「クライオエレクトロニクス入門」（著者 中
村 彬、発行者オーム社）を参照されたい。
子であるSQUIDに、磁束を介して結合する超伝導ループ4
00に、負性インダクタンスを実現する可変インダクタ20
0が直列に接続されている。インダクタ200の負性インダ
クタが超伝導ループ400の他の部分のインダクタンスを
打ち消すように調整されると、信号磁束の変化に応じて
瞬間的に大電流を超伝導ループに流すことができ、この
結果大きな磁束をSQUIDに印加することができ、より高
感度、高速度で信号磁束を検出することができる。本実
施例においては、磁束検出素子として２個のジョセフソ
ン素子405、406を用いるDC-SQUID410を用いたが、代わ
りにRF-SQUIDを用いることも勿論可能である。なお、DC
-SQUID、RF-SQUIDに用いられる検出回路は周知である。
例えば、「クライオエレクトロニクス入門」（著者 中
村 彬、発行者オーム社）を参照されたい。
第７図は、本発明の別の態様であり、差動磁束検出コ
イルを備えた磁束検出装置の概略図である。一般にSQUI
Dで微弱な磁束を検出するには、雑音の影響を排除する
ために異なる位置の信号を２個の磁束検出コイルで検出
し、その差分を検出する、いわゆるグラジオメータと呼
ばれる装置が採用されている。この場合、２個の磁束検
出コイルの感度を正確に合わせることが高い測定精度を
得るための必須条件である。このグラジオメータにおい
ては、第８図に示される様に、磁束検出コイル400aを含
む超伝導ループ401aと磁束検出コイル400bを含む超伝導
ループ401bは、SQUID410と結合する部分において共通部
分を有するが、この共通部分において、同一方向検出磁
束に対して、逆方向電流が流れるように構成されてい
る。従って、SQUID410には入力磁束Φsa、Φsbの差信号
が検出される。超伝導ループ401a及び410bにはそれぞれ
可変の負性インダクタンス発生手段200a、及び200bが設
けられており、これらのインダクタンスを外部電流
Iek、Iek′を調整することにより磁束検出コイル400a、
400bの感度を全く等しくすることができ、高い測定精度
を達成することができる。また、ループ401a、401bのイ
ンダクタンスも下げることができるので、増感も達成す
ることができる。
イルを備えた磁束検出装置の概略図である。一般にSQUI
Dで微弱な磁束を検出するには、雑音の影響を排除する
ために異なる位置の信号を２個の磁束検出コイルで検出
し、その差分を検出する、いわゆるグラジオメータと呼
ばれる装置が採用されている。この場合、２個の磁束検
出コイルの感度を正確に合わせることが高い測定精度を
得るための必須条件である。このグラジオメータにおい
ては、第８図に示される様に、磁束検出コイル400aを含
む超伝導ループ401aと磁束検出コイル400bを含む超伝導
ループ401bは、SQUID410と結合する部分において共通部
分を有するが、この共通部分において、同一方向検出磁
束に対して、逆方向電流が流れるように構成されてい
る。従って、SQUID410には入力磁束Φsa、Φsbの差信号
が検出される。超伝導ループ401a及び410bにはそれぞれ
可変の負性インダクタンス発生手段200a、及び200bが設
けられており、これらのインダクタンスを外部電流
Iek、Iek′を調整することにより磁束検出コイル400a、
400bの感度を全く等しくすることができ、高い測定精度
を達成することができる。また、ループ401a、401bのイ
ンダクタンスも下げることができるので、増感も達成す
ることができる。
測定現場に於いて各コイルの感度を調整できること
は、実際面において極めて有利である。
は、実際面において極めて有利である。
なお、３つ以上の磁束検出コイルを備えたグラジオメ
ータに対しても本発明が有効なことは言うまでもない。
ータに対しても本発明が有効なことは言うまでもない。
（発明の効果） 以上説明したごとく、本発明によると、極めて高感度
な磁束検出装置を実現できる。また、グラジオメータに
おいて、差動検出コイル間の感度を完全に等しくするこ
とができるので、外来ノイズの影響を完全に磁気した状
態で、信号磁束の測定が可能となる。
な磁束検出装置を実現できる。また、グラジオメータに
おいて、差動検出コイル間の感度を完全に等しくするこ
とができるので、外来ノイズの影響を完全に磁気した状
態で、信号磁束の測定が可能となる。
第１図は本発明による負性インダクタンス発生手段を用
いる磁束検出装置、第２図はジョセフソン素子の特性を
説明するための図、第３図は単一のジョセフソン素子に
よる負性インダクタンス発生手段の回路図、第４図は負
性インダクタンス発生手段のシンボル図、第５図は２つ
のジョセフソン素子からなる負性インダクタンス発生手
段の回路図、第６図はバイアス磁束供給手段の一例を示
す図、第７図は差動磁束検出手段を備える磁束検出装置
の概略図である。 100、100a、100b、405、406……ジョセフソン素子、101
……インダクタ、102、207……直流源、400、400a、400
b……磁束検出コイル、401、401a、401b……超伝導ルー
プ。
いる磁束検出装置、第２図はジョセフソン素子の特性を
説明するための図、第３図は単一のジョセフソン素子に
よる負性インダクタンス発生手段の回路図、第４図は負
性インダクタンス発生手段のシンボル図、第５図は２つ
のジョセフソン素子からなる負性インダクタンス発生手
段の回路図、第６図はバイアス磁束供給手段の一例を示
す図、第７図は差動磁束検出手段を備える磁束検出装置
の概略図である。 100、100a、100b、405、406……ジョセフソン素子、101
……インダクタ、102、207……直流源、400、400a、400
b……磁束検出コイル、401、401a、401b……超伝導ルー
プ。
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 H01L 39/22
Claims (8)
- 【請求項１】磁束検出コイルを含む超伝導ループ、及び
この超伝導ループと磁束を介して結合するSQUIDからな
る磁束検出装置において、 前記超伝導ループに負性インダクタンス発生手段が設け
られており、この負性インダクタンス発生手段により増
感された入力信号が前記SQUIDにより検出される磁束検
出装置。 - 【請求項２】前記負性インダクタンス発生手段が、１つ
のジョセフソン素子と直流バイアス磁束供給手段から成
ることを特徴とする請求項（１）記載の磁束検出装置。 - 【請求項３】前記負性インダクタンス発生手段が、第１
及び第２の２個のジョセフソン素子、直流バイアス磁束
供給手段、及び密結合トランスから成ることを特徴とす
る請求項（１）記載の磁束検出装置。 - 【請求項４】前記密結合トランスが、一端が互いに結合
された第１及び第２の２次巻線を有し、これら第１及び
第２の２次巻線の他端がそれぞれ前記第１及び第２のジ
ョセフソン素子の一端に接続されており、前記第１及び
第２のジョセフソン素子の他端は互いに接合されてお
り、前記第１及び第２の２次巻線を互いに接続する接合
点に接続される端子と前記第１及び第２のジョセフソン
素子を互いに接続する接合点に接続される端子との間に
負インダクタンス供給端子が形成されることを特徴とす
る請求項（３）記載の磁束検出装置。 - 【請求項５】前記直流バイアス磁束供給手段の供給バイ
アス磁束が可変であり、発生インダクタンスの値が可変
であることを特徴とする請求項（２）又は（３）記載の
磁束検出装置。 - 【請求項６】前記直流バイアス磁束供給手段が、前記密
結合トランスの１次巻線、この１次巻線から延長される
一対の超伝導線、及びこの一対の超伝導線を橋渡す超伝
導線からなる超伝導ループと、この橋渡す超伝導線に近
接して設けられて前記橋渡す超伝導線を熱により常伝導
状態にするヒータとから構成され、前記ヒータにより前
記橋渡す超伝導線が常伝導状態とされた状態で、前記一
対の超伝導線を介して所望の値のバイアス電流を流した
後、前記橋渡す超伝導線を再度超伝導状態にすることに
より、前記超伝導ループに超伝導循環電流の流れが形成
され、これによってバイアス磁束の供給が増感されるこ
とを特徴とする請求項（３）記載の磁束検出装置。 - 【請求項７】前記直流バイアス磁束供給手段が、前記密
結合トランスの１次巻線、この１次巻線から延長される
一対の超伝導線、及びこの一対の超伝導線を橋渡す超伝
導線からなる超伝導ループと、この橋渡す超伝導線に近
接して設けられて前記橋渡す超伝導線を磁界により常伝
導状態にする磁界発生手段とから構成され、前記磁界発
生手段により前記橋渡す超伝導線が常伝導状態とされた
状態で、前記一対の超伝導線を介して所望の値のバイア
ス電流を流した後、前記橋渡す超伝導線を再度超伝導状
態にすることにより、前記超伝導ループに超伝導循環電
流の流れが形成され、これによってバイアス磁束の供給
が増感されることを特徴とする請求項（３）記載の磁束
検出装置。 - 【請求項８】磁束検出コイルを各々備える複数の超伝導
ループ、及びこの超伝導ループと磁束を介して結合する
SQUIDからなる磁束検出装置において、 各超伝導ループの可変の負性インダクタンス発生手段が
設けられており、前記負性インダクタンスが調整され
て、各検出コイルの感度が等しく且つ増感されているこ
とを特徴とする磁束検出装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23921989A JP2902007B2 (ja) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | 磁束検出装置 |
| US08/095,474 US5294884A (en) | 1989-09-14 | 1993-07-23 | High sensitive and high response magnetometer by the use of low inductance superconducting loop including a negative inductance generating means |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23921989A JP2902007B2 (ja) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | 磁束検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03102276A JPH03102276A (ja) | 1991-04-26 |
| JP2902007B2 true JP2902007B2 (ja) | 1999-06-07 |
Family
ID=17041519
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23921989A Expired - Fee Related JP2902007B2 (ja) | 1989-09-14 | 1989-09-14 | 磁束検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2902007B2 (ja) |
-
1989
- 1989-09-14 JP JP23921989A patent/JP2902007B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03102276A (ja) | 1991-04-26 |
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