JP3020172B1 - Superconducting magnetic field generator and superconducting detector - Google Patents

Superconducting magnetic field generator and superconducting detector

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JP3020172B1
JP3020172B1 JP11165981A JP16598199A JP3020172B1 JP 3020172 B1 JP3020172 B1 JP 3020172B1 JP 11165981 A JP11165981 A JP 11165981A JP 16598199 A JP16598199 A JP 16598199A JP 3020172 B1 JP3020172 B1 JP 3020172B1
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magnetic field
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博 仲川
昌宏 青柳
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Abstract

【要約】 【課題】 外部からわずかな初期電流を与えて内部では
大きな磁場を生成すると同時に、最終的には超伝導永久
電流により外部と切り離された状態で無電力で磁場を発
生する。 【解決手段】 超伝導トンネル接合素子5は、例えば、
マイクロストリップコイル付きの放射線検出器であり、
極低温環境8内に配置される。直流電源1から超伝導ト
ランス2の1次コイル21に直流電流を印加して、第1
の超伝導ループ6に電流を流し、第1の超伝導ゲート3
に制御信号を与えて第1及び第2の超伝導ループ回路
6,7に周回電流を設定し、超伝導トランス2の1次コ
イル21の直流電流を減少させて、第2の超伝導ループ
回路に超7伝導永久周回電流を生成する。さらに、第2
の超伝導ループ回路7に超伝導永久周回電流が流れてい
るとき、第1及び第2の超伝導ゲート3,4を同時にス
イッチさせることで、超伝導永久周回電流を遮断する。
Abstract: A small initial current is applied from the outside to generate a large magnetic field inside, and finally, a magnetic field is generated without electric power in a state separated from the outside by a superconducting permanent current. SOLUTION: The superconducting tunnel junction element 5 is, for example,
A radiation detector with a microstrip coil,
It is arranged in a cryogenic environment 8. A DC current is applied from the DC power supply 1 to the primary coil 21 of the superconducting transformer 2 so that the first
Current flows through the superconducting loop 6 of the first superconducting gate 3
, A circulating current is set in the first and second superconducting loop circuits 6 and 7 to reduce the DC current of the primary coil 21 of the superconducting transformer 2 to provide a second superconducting loop circuit. To generate a superconducting 7-permanent permanent current. Furthermore, the second
When the superconducting permanent circulating current flows through the superconducting loop circuit 7, the first and second superconducting gates 3 and 4 are simultaneously switched to cut off the superconducting permanent circulating current.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、超伝導磁場発生装
置及び超伝導検出器に係り、特に、センサに超伝導トン
ネル接合(Superconducting tunnel junction、以下
単にSTJという。)素子を用い、光、X線、高エネル
ギー粒子などの放射線を検出する超伝導磁場発生装置及
び超伝導検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector, and more particularly to a superconducting tunnel junction (hereinafter simply referred to as "STJ") element for a sensor, and a light, X-ray. The present invention relates to a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector for detecting radiation such as rays and high-energy particles.

【0002】[0002]

【従来の技術】図19は、STJ素子を使用した放射線
検出器の原理の説明図である。従来、放射線検出器とし
て図19(a)に示す検出器が知られている。81は放
射線検出器の心臓部となる数百ミクロン角の寸法を持つ
STJ素子で、該素子に使用されている超伝導電極材料
を超伝導転移温度(Tc)の十分の一程度の温度に冷却す
る冷却装置が設けられている。STJ素子は通常、数百
ナノメートルの厚さの下部電極超伝導薄膜上に1ナノメ
ートル程度のトンネル障壁層になる絶縁膜が形成され、
その上に下部電極超伝導薄膜と同程度の厚みを持つ上部
電極超伝導薄膜が形成されたサンドイッチ型の構成を持
つ。82はSTJ素子の上部電極超 伝導薄膜、83は
下部電極超伝導薄膜、84はトンネル障壁絶縁層、例え
ばAl2Ox絶縁体層である。85、86は図示されて
いない定電流源によりSTJ素子電極にバイアス電流I
を供給するバイアス線、87は上部、下部電極間の計測
電圧Vである。88は上部電極82内に照射される放射
線である。上部電極82、下部電極83は放射線検出器
の放射線センサ面として機能する。
2. Description of the Related Art FIG. 19 is an explanatory view of the principle of a radiation detector using an STJ element. Conventionally, a detector shown in FIG. 19A is known as a radiation detector. Reference numeral 81 denotes an STJ element having a size of several hundred microns square, which is the heart of the radiation detector. The superconducting electrode material used in the element is cooled to a temperature about one-tenth of the superconducting transition temperature (Tc). A cooling device is provided. In the STJ element, an insulating film serving as a tunnel barrier layer of about 1 nm is usually formed on a lower electrode superconducting thin film having a thickness of several hundred nanometers.
It has a sandwich-type configuration in which an upper electrode superconducting thin film having the same thickness as the lower electrode superconducting thin film is formed thereon. 82 is an upper electrode superconducting thin film of the STJ element, 83 is a lower electrode superconducting thin film, and 84 is a tunnel barrier insulating layer, for example, an Al2Ox insulator layer. Reference numerals 85 and 86 denote a bias current I to the STJ element electrode by a constant current source not shown.
, And 87 is a measured voltage V between the upper and lower electrodes. Numeral 88 denotes radiation applied to the inside of the upper electrode 82. The upper electrode 82 and the lower electrode 83 function as a radiation sensor surface of the radiation detector.

【0003】図19(b)は、放射線検出器の電流電圧
特性を示す。放射線であるX線88がセンサ面の上部電
極82、下部電極83に照射されていないときは、電流
電圧特性は線89で、接合電極間電圧はV0である。放
射線が電極に照射されると、超伝 導電子が励起、準粒
子が発生して、電流電圧特性は線89から線90に変動
し、接合電極間の計測電圧はV0からV1に低下する。
この電圧変化ΔV=V0−V1により、放射線が検出さ
れる。STJ素子のエネルギーギャップは、半導体に比
べて約1/1000であるため、 統計揺らぎが半導体
の数十分の一になり、その分、エネルギー分解能が向上
することが知られている。すでに、ニオブ超伝導金属を
用いたSTJ素子で5.9KeVの入 射エネルギーを持つ
X線を70eVの感度で計測することに成功している。こ
れは半導体検出器の理論的限界とされる120eVをはる
かに凌駕している。これにより、SJT素子検出器は物性
分析及び医療診断等の超精密測定に使用されることが期
待されている。半導体検出器では前記理論的限界の感度
で計測されているが、SJT素子検出器では理論的限界が
4eVであるため、なお一桁以上分解能の向上が予測され
ている。
FIG. 19B shows current-voltage characteristics of a radiation detector. When the X-ray 88 as the radiation is not irradiated on the upper electrode 82 and the lower electrode 83 on the sensor surface, the current-voltage characteristic is the line 89 and the voltage between the junction electrodes is V0. When radiation is applied to the electrodes, the superconductors are excited, quasiparticles are generated, the current-voltage characteristics fluctuate from line 89 to line 90, and the measured voltage between the junction electrodes drops from V0 to V1.
Radiation is detected based on the voltage change ΔV = V0−V1. Since the energy gap of an STJ element is about 1/1000 that of a semiconductor, the statistical fluctuation is known to be several tenths of that of a semiconductor, and the energy resolution is improved accordingly. Already, we have succeeded in measuring X-rays having an input energy of 5.9 KeV with a sensitivity of 70 eV using an STJ element using niobium superconducting metal. This far exceeds the theoretical limit of semiconductor detectors of 120 eV. Thus, the SJT element detector is expected to be used for ultra-precision measurement such as physical property analysis and medical diagnosis. The semiconductor detector measures at the sensitivity of the theoretical limit, but the SJT element detector has a theoretical limit of 4 eV, so it is expected that the resolution is improved by one digit or more.

【0004】図19(b)に示す電流電圧特性は、バイ
アス電流0で、接合電極間電圧0の特性で説明したが、
実際には直流ジョセフソン効果のため、接合にジョセフ
ソン電流(臨界電流)Ic以下のバイアス電流Iを流して
も電極間に電圧Vは発生しない。SJT素子を放射線検出
器として使用するためには、この ジョセフソン電流を
抑制、特に、ほとんど流れない状態にしなければならな
い。従来この種の放射線検出器においては、STJ素子冷
却用のクライオスタットの周囲に大きな磁場発生装置を
設置し 、SJT面に平行に外部磁場Φを印加してジョセフ
ソン電流を抑制することが考えられた。外部磁場Φに応
じてジョセフソン電流は周期的に減衰して変化し、ほと
んど流れない状態とすることができる。
The current-voltage characteristics shown in FIG. 19 (b) have been described with reference to the characteristics of zero bias current and zero voltage between junction electrodes.
Actually, due to the direct current Josephson effect, no voltage V is generated between the electrodes even if a bias current I equal to or less than the Josephson current (critical current) Ic is applied to the junction. In order to use the SJT element as a radiation detector, the Josephson current must be suppressed, especially in a state where almost no current flows. Conventionally, in this type of radiation detector, it was considered that a large magnetic field generator was installed around the cryostat for cooling the STJ element, and an external magnetic field Φ was applied in parallel to the SJT plane to suppress Josephson current. . The Josephson current is periodically attenuated and changed in accordance with the external magnetic field Φ, so that almost no current flows.

【0005】[0005]

【発明が解決すべき課題】超伝導トンネル接合(ST
J)を用いた放射線検出器は、従来の半導体に比べて1
0倍以上のエネルギー分解能の向上や耐放射線特性が優
れているため長寿命で高速応答に優れ、集積化が可能な
どの特徴を持っている。そして、放射線検出器としてS
TJ素子を極低温(〜1K)で動作させるには、接合の
ジョセフソン電流を抑制することが必要であった。従来
は、そのためにSTJ素子を格納したクライオスタット
の外側から大きな磁石または電磁石で挟み込んで外部磁
界を生成し、STJ素子のトンネル障壁に平行な磁場を
与えていた。
SUMMARY OF THE INVENTION A superconducting tunnel junction (ST)
The radiation detector using J) is one time smaller than the conventional semiconductor.
Since it has an energy resolution improvement of 0 times or more and has excellent radiation resistance, it has a long life, excellent high-speed response, and features that can be integrated. Then, S as a radiation detector
In order to operate the TJ element at a very low temperature (up to 1K), it was necessary to suppress the Josephson current of the junction. Conventionally, for this purpose, an external magnetic field is generated by sandwiching a large magnet or electromagnet from the outside of the cryostat storing the STJ element, and a magnetic field parallel to the tunnel barrier of the STJ element has been given.

【0006】この外部磁場Φは、STJ素子のジョセフソ
ン電流を抑制するのが主目的であったが、この磁場はST
Jのなかに共振による電流ステップ(フィスケステッ
プ)を発生させることがわかった。このため、放射線検
出器のバイアス電流は、この電流ステップの影響を受け
ない値に設定される必要がある。しかし、外部磁場とST
Jとの相対位置が微小でも変動すると、この電流ステッ
プ自体も変動することが確認されている。クライオスタ
ットで放射線検出装置を冷却するとき、液体へリウムの
沸騰やポンプの振動によりSTJには微少な振動が生じ、
電流ステップも変動する。これがエネルギー分解能の向
上を阻む大きな要因になると考えられる。そのため、外
部磁界そのものの安定化と、STJ素子と外部磁界との
相対位置を安定化させることが重要である。
The main purpose of this external magnetic field Φ is to suppress the Josephson current of the STJ element.
It was found that a current step (Fiske step) due to resonance occurred in J. Therefore, the bias current of the radiation detector needs to be set to a value that is not affected by this current step. However, the external magnetic field and ST
It has been confirmed that even if the relative position with respect to J fluctuates, the current step itself also fluctuates. When the radiation detector is cooled by the cryostat, a slight vibration is generated in the STJ due to the boiling of the liquid helium and the vibration of the pump.
The current step also varies. This is considered to be a major factor that hinders improvement in energy resolution. Therefore, it is important to stabilize the external magnetic field itself and to stabilize the relative position between the STJ element and the external magnetic field.

【0007】しかしながら、この方法では外部磁界は、
STJ素子のみでなくその周辺部にも磁場が存在する。
そのため、STJ素子にX線などの放射線が入射したと
きに生成する微弱なパルス信号を検出するための超伝導
量子干渉素子(SQUID、Superconducting Quantum Int
erference Devices)など、ジョセフソン電流を必要と
するSTJ素子を用いた周辺回路を同一チップ上に集積
することは困難であり、これまではSTJから離れた場
所に厳重な磁気シールドを設け、この中に回路を収めて
いた。そこで、本発明者らが特願平10-250655
で開示したところのグランドプレーンを設けた基板上の
STJ素子上にマイクロストリップ線路による超伝導コ
イルを直接結合させた構造の素子を用いることで、磁場
を局所的に閉じこめることによってSTJ素子部分のみ
に磁場を与え、その他には影響を与えない磁場印加法
は、同一チップ上にSTJ素子とジョセフソン論理回路
による信号処理を共存させられる有効な手段といえる。
さらに、STJをアレイ状に配列してX線などのイメー
ジ像をとらえようとするときは、STJ素子近傍に信号
処理回路を設けることが可能な当該発明は、処理速度の
飛躍的な向上をもたらすものと考えられる。
However, in this method, the external magnetic field is
A magnetic field exists not only in the STJ element but also in the periphery thereof.
Therefore, a superconducting quantum interference device (SQUID, Superconducting Quantum Int) for detecting a weak pulse signal generated when X-rays or other radiation enters the STJ device.
It is difficult to integrate peripheral circuits using STJ elements that require Josephson current on the same chip, such as ERference Devices). Until now, strict magnetic shields have been provided at locations away from the STJ. The circuit was housed in. Therefore, the present inventors have filed Japanese Patent Application No. 10-250655.
By using an element having a structure in which a superconducting coil of a microstrip line is directly coupled to an STJ element on a substrate provided with a ground plane as disclosed in the above, the magnetic field is locally confined to only the STJ element part. A magnetic field application method that applies a magnetic field and does not affect the others can be said to be an effective means for coexisting the signal processing by the STJ element and the Josephson logic circuit on the same chip.
Further, when the STJs are arranged in an array to capture an image image such as an X-ray, the present invention in which a signal processing circuit can be provided in the vicinity of the STJ element brings about a dramatic improvement in processing speed. It is considered something.

【0008】本発明は、以上の点に鑑み、超伝導トンネ
ル接合を用いた高速かつ高エネルギー分解能をもつ放射
線検出器に関し,特に超伝導トンネル接合自身に結合し
た超伝導ストリップ線に電流を流してジョセフソン電流
を抑圧する方法に関して、外部からわずかな初期電流を
与えて内部では大きな磁場を生成すると同時に、最終的
には超伝導永久電流により外部と切り離された状態で無
電力で磁場を発生できるようにし、この超伝導永久電流
を利用して、無損失に磁場を生成する超伝導磁場発生装
置及び超伝導検出器を提供することを目的とする。本発
明は、STJのジョセフソン電流の抑制を同一チップ上に
形成される超伝導閉ループ回路に流れる永久電流で行う
ようにし、再現性、安定性に優れ、低消費電力、低ノイ
ズ、アレイ対応のジョセフソン電流抑制回路を備えた超
伝導磁場発生装置及び超伝導検出器を提供することを目
的とする。また、本発明は、センサ用STJ素子に印加
する外部磁場を発生する超伝導磁界発生装置をマイクロ
ファブリケーション技術を用いてセンサ用STJ素子と同
一チップ上 に磁場を閉じこめるように形成すること
で、センサ用STJ素子、超伝導磁気発生装置及びデジタ
ル処理などを行うジョセフソン論理素子などを同一チッ
プ上に実現できる超伝導磁場発生装置及び超伝導検出器
放射線検出器を提供することを目的とする。
In view of the above, the present invention relates to a radiation detector having a high speed and a high energy resolution using a superconducting tunnel junction, and in particular, by applying a current to a superconducting strip wire coupled to the superconducting tunnel junction itself. Regarding the method of suppressing Josephson current, a large initial magnetic field can be generated by applying a small initial current from the outside, and at the same time, a magnetic field can be generated with no power while being separated from the outside by a superconducting persistent current Thus, an object of the present invention is to provide a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector that generate a magnetic field without loss using this superconducting permanent current. The present invention suppresses the Josephson current of the STJ by using a permanent current flowing in a superconducting closed loop circuit formed on the same chip, and is excellent in reproducibility, stability, low power consumption, low noise, and array compatibility. It is an object to provide a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector provided with a Josephson current suppression circuit. In addition, the present invention provides a superconducting magnetic field generator that generates an external magnetic field applied to the sensor STJ element by using a microfabrication technology so as to confine the magnetic field on the same chip as the sensor STJ element. An object of the present invention is to provide a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector radiation detector capable of realizing, on the same chip, an STJ element for a sensor, a superconducting magnetic generator, a Josephson logic element for performing digital processing, and the like.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記従来の課題を解決す
るために,本発明では、特願平10-250655で開
示したところのグランドプレーン上のSTJに結合させた
超伝導コイルに流す電流を外部から微小な直流電流を超
伝導トランスあたえて、これを電流増幅するとともに永
久電流として与えることができるようにした。本発明の
特徴のひとつとして、STJに結合して集積された超伝導
コイルに流す大きな電流を同一チップ上に形成できる超
伝導トランスおよびこれに接続される超伝導ループを形
成するストリップ線路および超伝導ループに流れる永久
電流を調整するためのジョセフソンゲートからなる永久
電流発生器に室温系から導入する電線を通じて微小な電
流を注入することで、STJのジョセフソン電流を抑制す
ることができるため、配線を細くして極低温への熱流入
を極めて小さくでき、かつアレイ状の多数のSTJに同時
に大きな磁場発生用の電流を供給できるとともに、これ
にともなう漏洩磁場を極めて小さくできることが挙げら
れる。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned conventional problems, in the present invention, a current flowing through a superconducting coil coupled to an STJ on a ground plane disclosed in Japanese Patent Application No. 10-250655 is disclosed. A small DC current is given to the superconducting transformer from the outside to amplify the current and supply it as a permanent current. One of the features of the present invention is that a superconducting transformer capable of forming a large current flowing through a superconducting coil integrated with an STJ on the same chip, a strip line forming a superconducting loop connected thereto, and a superconducting transformer. By injecting a small current through a wire introduced from the room temperature system into a permanent current generator consisting of a Josephson gate for adjusting the permanent current flowing in the loop, the Josephson current of the STJ can be suppressed, so wiring In addition, it is possible to minimize the heat inflow to the cryogenic temperature, to supply a large current for generating a large magnetic field to a large number of STJs in an array at the same time, and to extremely reduce the leakage magnetic field associated therewith.

【0010】本発明の第1の解決手段によると、超伝導
検出素子と結合された超伝導ストリップ線と、第1の超
伝導ゲートを接続した第1の超伝導ループ回路と、前記
超伝導ストリップ線及び第2の超伝導ゲートが直列接続
された第2の超伝導ループ回路と、外部電源に接続され
た1次コイルと、前記第1及び第2のループ回路が並列
接続された2次コイルとを有する超伝導トランスとを備
えた超伝導磁場発生装置を提供する。
According to a first solution of the present invention, there is provided a superconducting strip line coupled to a superconducting detecting element, a first superconducting loop circuit connecting a first superconducting gate, and the superconducting strip. A second superconducting loop circuit in which a wire and a second superconducting gate are connected in series, a primary coil connected to an external power supply, and a secondary coil in which the first and second loop circuits are connected in parallel And a superconducting transformer having the following.

【0011】本発明の第2の解決手段によると、放射線
を検出する超伝導トンネル接合素子と、超伝導検出素子
と結合された超伝導ストリップ線と、第1の超伝導ゲー
トを接続した第1の超伝導ループ回路と、前記超伝導ス
トリップ線及び第2の超伝導ゲートが直列接続された第
2の超伝導ループ回路と、外部電源に接続された1次コ
イルと、前記第1及び第2のループ回路が並列接続され
た2次コイルとを有する超伝導トランスとを備えた超伝
導検出器を提供する。
According to a second solution of the present invention, a superconducting tunnel junction element for detecting radiation, a superconducting stripline coupled to the superconducting detecting element, and a first superconducting gate connected to the first superconducting gate. A superconducting loop circuit, a second superconducting loop circuit in which the superconducting strip line and the second superconducting gate are connected in series, a primary coil connected to an external power supply, and the first and second superconducting loop circuits. And a superconducting transformer having a secondary coil connected in parallel with the loop circuit.

【0012】[0012]

【発明の実施の態様】図1に、本発明に係る超伝導検出
器の構成図を示す。この超伝導検出器は、一例として、
直流電源1、超伝導トランス2、超伝導ゲート3,4、
超伝導トンネル接合素子5を備え、これらは、極低温環
境8内に配置される。
FIG. 1 is a block diagram of a superconducting detector according to the present invention. This superconducting detector is, for example,
DC power supply 1, superconducting transformer 2, superconducting gates 3, 4,
It comprises superconducting tunnel junction elements 5, which are arranged in a cryogenic environment 8.

【0013】超伝導トンネル接合素子5は、例えば、マ
イクロストリップコイル付きの(マイクロストリップコ
イルと結合された)、X線、光、高エネルギー粒子等の
放射線検出器である。具体的構成としては、例えば、後
述する構成を用いることができ、X線等の放射線が照射
されると接続されたバイアス線から放射線検出信号が出
力される。直流電源1は、室温系に置かれ、超伝導トン
ネル接合素子5に外部より直流電流を与えるものであ
る。超伝導トランス2は、一次側超伝導コイル21及び
二次側超伝導コイル22を備え、一次側超伝導コイル2
1に電流源1から外部より直流電流を供給すると、二次
側超伝導コイル22を通じて超伝導ループ回路6および
7に直流電流を供給するものである。超伝導トランス2
の二次側コイル22に超伝導線によるループ回路が接続
されていると、一次側コイル21に直流電流を流したと
き二次側コイル22に直流電流が誘起され、ループ回路
に周回電流が流れる。一次側巻き線数(n1)と二次側巻
き線数(n2)の比(n1/n2)で一次側に流した直流電流
を増幅することができる。
The superconducting tunnel junction element 5 is, for example, a radiation detector with a microstrip coil (coupled to the microstrip coil) for X-rays, light, high energy particles and the like. As a specific configuration, for example, a configuration described later can be used. When radiation such as X-rays is applied, a radiation detection signal is output from a connected bias line. The DC power supply 1 is placed in a room temperature system and supplies a DC current to the superconducting tunnel junction element 5 from outside. The superconducting transformer 2 includes a primary-side superconducting coil 21 and a secondary-side superconducting coil 22.
When a direct current is supplied to the superconducting loop circuits 6 and 7 through the secondary superconducting coil 22 when a direct current is supplied from the current source 1 to the outside, the direct current is supplied. Superconducting transformer 2
When a loop circuit using a superconducting wire is connected to the secondary coil 22 of the above, when a DC current flows through the primary coil 21, a DC current is induced in the secondary coil 22 and a circulating current flows through the loop circuit . The DC current flowing to the primary side can be amplified by the ratio (n1 / n2) of the number of primary windings (n1) and the number of secondary windings (n2).

【0014】超伝導トランス2の二次側コイル22に
は、超伝導ゲート3を含む超伝導ループ回路6と、マイ
クロストリップコイル付の超伝導トンネル接合素子5及
び超伝導ゲート4が直列に接続された超伝導ループ回路
7が並列に接続される。超伝導ゲート3は、制御信号入
力線31を通じて信号が入力するとスイッチして超伝導
ゲート3に流れる電流を遮断するように制御される。超
伝導ゲート4は、制御信号入力線41を通じて信号が入
力するとスイッチして超伝導ゲート4に流れる電流を遮
断するように制御される。超伝導ゲート3,4には、例
えば、従来に開発されているジョセフソン素子を用いた
以下に示すような各種のゲートが使用できる。すなわ
ち、一例として、量子干渉型ゲート(2接合型、3接合
型など)、インライン型ゲート、電流注入型ゲート(4
JL型、MVTL型、RCL型、RCJL型、JAWS型、CIL型、DCL型
など)等がある。なお、複数のセンサ用超伝導トンネル
接合素子5を2次元的にアレイ状に配置し、検出位置の
情報を得るようにすることもできる。
A superconducting loop circuit 6 including a superconducting gate 3, a superconducting tunnel junction element 5 with a microstrip coil, and a superconducting gate 4 are connected in series to a secondary coil 22 of the superconducting transformer 2. Superconducting loop circuits 7 are connected in parallel. The superconducting gate 3 is controlled so as to switch when a signal is input through the control signal input line 31 to cut off the current flowing through the superconducting gate 3. The superconducting gate 4 is controlled so as to switch when a signal is input through the control signal input line 41 to cut off the current flowing through the superconducting gate 4. As the superconducting gates 3 and 4, for example, the following various gates using a conventionally developed Josephson device can be used. That is, as an example, a quantum interference type gate (two junction type, three junction type, etc.), an in-line type gate, a current injection type gate (4
JL type, MVTL type, RCL type, RCJL type, JAWS type, CIL type, DCL type, etc.). It is also possible to arrange a plurality of superconducting tunnel junction elements 5 for sensors two-dimensionally in an array to obtain information on detection positions.

【0015】図2〜図5に、本発明に係る超伝導検出器
の回路動作についての説明図(1)〜(4)を示す。
FIGS. 2 to 5 are explanatory diagrams (1) to (4) showing the circuit operation of the superconducting detector according to the present invention.

【0016】(1)直流電流の印加(図2) 図2において、超伝導トランス2の一次側超伝導コイル
21に電流源1から直流電流を流していくと、二次側超
伝導コイル22に誘起された直流電流が超伝導ゲート3
と超伝導ゲート4を通じて二つの超伝導ループ回路6、
7に分流する。このとき、マイクロストリップコイルが
接続された超伝導ループ回路7には、ループ回路7のコ
イルによるインダクタンス成分Lmsがあるため、ほとん
どの電流はインダクタンス成分の小さな超伝導ゲート3
を通じて流れる。超伝導ゲート3と超伝導ゲート4を通
じて各超伝導ループ回路6、7に流れる電流をそれぞれ
Ig3、 Ig4とすると、超伝導トンネル接合素子5のマイ
クロストリップコイルに供給される超伝導ループ回路7
の電流は、Ig4と等しい。超伝導トランスの二次側コイ
ルL2に流れる電流をIL2とすれば、この電流は、 Ig3≒IL2 Ig4≒0 となる。
(1) Application of DC Current (FIG. 2) In FIG. 2, when a DC current is supplied from the current source 1 to the primary superconducting coil 21 of the superconducting transformer 2, the secondary superconducting coil 22 The induced DC current is applied to the superconducting gate 3
And two superconducting loop circuits 6 through the superconducting gate 4,
Divide to 7 At this time, since the superconducting loop circuit 7 to which the microstrip coil is connected has an inductance component Lms due to the coil of the loop circuit 7, most of the current flows through the superconducting gate 3 having a small inductance component.
Flow through The current flowing through each of the superconducting loop circuits 6 and 7 through the superconducting gate 3 and the superconducting gate 4 is respectively
Assuming Ig3 and Ig4, the superconducting loop circuit 7 supplied to the microstrip coil of the superconducting tunnel junction device 5
Is equal to Ig4. Assuming that the current flowing through the secondary coil L2 of the superconducting transformer is IL2, this current becomes Ig3 ≒ IL2 Ig4 ≒ 0.

【0017】(2)周回電流の設定(図3) 図2の状態で、超伝導ゲート3に制御信号Ic3が与えら
れると、図3のように、超伝導ゲート3がスイッチし
て、Ig3は、超伝導ゲート4を通じて超伝導ループ回路
7に転流する。その結果、各電流は以下のようになる。 Ig3≒0 Ig4≒IL2
(2) Setting of the circulating current (FIG. 3) In the state of FIG. 2, when the control signal Ic3 is given to the superconducting gate 3, the superconducting gate 3 switches as shown in FIG. , Commutate to the superconducting loop circuit 7 through the superconducting gate 4. As a result, each current is as follows. Ig3 ≒ 0 Ig4 ≒ IL2

【0018】(3)超伝導永久周回電流の生成(図4) 図3の状態から直流電源1の電流を減少させていくと、
図4のように、Ig3のみが減少し、Ig4は、ほとんど影響
を受けない。これは、図2で超伝導ゲート3がスイッチ
したとき、超伝導ループ回路6には反時計回りの超伝導
周回電流が、また、超伝導ループ回路7には時計回りの
超伝導周回電流が生じ、超伝導ゲート3ではこれらの電
流が相殺している状態になっていると考えられる。その
ため、直流電源Iを減少させたとき、超伝導ループ回路
6に流れている超伝導周回電流のみが減少して、超伝導
ループ回路7の超伝導周回電流は影響されずに流れ続け
ることができる。
(3) Generation of Superconducting Permanent Circular Current (FIG. 4) As the current of DC power supply 1 is reduced from the state of FIG.
As shown in FIG. 4, only Ig3 decreases, and Ig4 is hardly affected. This is because when the superconducting gate 3 is switched in FIG. 2, a counterclockwise superconducting circulating current is generated in the superconducting loop circuit 6, and a clockwise superconducting circulating current is generated in the superconducting loop circuit 7. It is considered that these currents are cancelled in the superconducting gate 3. Therefore, when the DC power supply I is reduced, only the superconducting circulating current flowing in the superconducting loop circuit 6 decreases, and the superconducting circulating current of the superconducting loop circuit 7 can continue to flow without being affected. .

【0019】マイクロストリップコイル付の超伝導トン
ネル接合素子のマイクロストリップコイルに必要な超伝
導ループ回路7に流れる超伝導周回電流の値は、直流電
源1から供給する電流を調整することで所望の値を得る
ことができる。超伝導ループ回路7に流れる周回永久電
流は、ループに保持される磁束量子Φoで決定されるた
め、電流値はとびとびの値のみが許される。その最小単
位の電流ΔIは、接合の効果を除いて単純化するとΦo/L
msになる。ちなみにΦo=2.07x10−15[Wb]、Lms=
1x10−9 [H]とすると2マイクロアンペアとなり、
ミリアンペア以上の周回電流については精密に電流が制
御できることがわかる。この超伝導ループ回路7に流れ
る超伝導周回電流は永久電流となるため、この電流で発
生させる磁場は変動することがなく、また、マイクロス
トリップコイル付の超伝導トンネル接合素子11では、
磁場発生用マイクロストリップコイルは超伝導トンネル
接合と一体になるよう集積される。そのため、磁場と接
合の間の幾何学的配置の変動も排除できるため、磁場の
時間的、空間的な安定性を飛躍的に向上できることが期
待される。
The value of the superconducting circulating current flowing through the superconducting loop circuit 7 necessary for the microstrip coil of the superconducting tunnel junction device with the microstrip coil is adjusted to a desired value by adjusting the current supplied from the DC power supply 1. Can be obtained. Since the circulating permanent current flowing in the superconducting loop circuit 7 is determined by the magnetic flux quantum Φo held in the loop, only discrete values of the current value are allowed. The minimum unit current ΔI is Φo / L when simplified except for the effect of the junction.
ms. By the way, Φo = 2.07 × 10 -15 [Wb], Lms =
If 1 × 10 −9 [H], it becomes 2 microamps,
It can be seen that the current can be controlled precisely for a circulating current of more than a milliamp. Since the superconducting circulating current flowing in the superconducting loop circuit 7 is a permanent current, the magnetic field generated by this current does not fluctuate. In the superconducting tunnel junction element 11 with a microstrip coil,
The microstrip coil for generating a magnetic field is integrated so as to be integrated with the superconducting tunnel junction. For this reason, it is possible to eliminate a change in the geometrical arrangement between the magnetic field and the junction, and it is expected that the temporal and spatial stability of the magnetic field can be significantly improved.

【0020】(4)周回電流の遮断(図5) 超伝導ループ回路7に超伝導永久周回電流が流れている
とき、図5のように、超伝導ゲート4に制御信号Ic4を
与えると、永久周回電流が遮断される。このとき、すべ
ての超伝導電流を遮断するには、超伝導ゲート3と超伝
導ゲート4を同時にスイッチさせる。
(4) Interruption of circulating current (FIG. 5) When a superconducting permanent circulating current flows in the superconducting loop circuit 7, when a control signal Ic4 is applied to the superconducting gate 4 as shown in FIG. The circulating current is cut off. At this time, in order to cut off all the superconducting current, the superconducting gates 3 and 4 are simultaneously switched.

【0021】つぎに、図6に、超伝導マイクロストリッ
プコイルへの電流制御についての説明図を示す。図6
は、図1の超伝導検出器についてコンピュータシミュレ
ーションを行った結果の動作波形の一例をトレースした
ものである。図1の回路において、まず、図6の時刻T
1では、直流電源1により超伝導トランス2に電流を入
力すると(e)、この電流が超伝導ゲート3を通じて超
伝導ループ回路6に流れる(b)。その後、時刻T2で
は、超伝導ゲート3に入力信号を与えると(d)、T2
の時刻で超伝導ゲート3に流れていた電流は減少し、ま
た、超伝導ゲート4を通じて超伝導マイクロストリップ
コイルに流れる電流は増加することがわかる(a)。こ
こで、超伝導ゲート3のスイッチにより超伝導ゲート3
に流れる電流が0になっていないのは、超伝導ゲート3
がスイッチしてこれに流れる電流が減少したとき、超伝
導ゲート3が電圧状態から超伝導状態にリセットされて
しまうためである。この特性は、入力信号のレベルや使
用する超伝導ゲートの種類、超伝導ゲートに並列に挿入
されるダンピング抵抗などによって異なるため、使用環
境を勘案して適切な超伝導ゲートを選択する必要があ
る。
Next, FIG. 6 is a diagram for explaining the current control to the superconducting microstrip coil. FIG.
Is a trace of an example of an operation waveform obtained as a result of performing a computer simulation on the superconducting detector of FIG. In the circuit of FIG. 1, first, at time T in FIG.
In FIG. 1, when a current is input to the superconducting transformer 2 by the DC power supply 1 (e), this current flows to the superconducting loop circuit 6 through the superconducting gate 3 (b). Thereafter, at time T2, when an input signal is applied to the superconducting gate 3 (d), T2
It can be seen that the current flowing in the superconducting gate 3 at the time of (1) decreases and the current flowing in the superconducting microstrip coil through the superconducting gate 4 increases (a). Here, the superconducting gate 3 is switched by the switch of the superconducting gate 3.
The current flowing through the superconducting gate 3
Is switched, and when the current flowing therethrough decreases, the superconducting gate 3 is reset from the voltage state to the superconducting state. This characteristic depends on the level of the input signal, the type of superconducting gate used, the damping resistance inserted in parallel with the superconducting gate, etc., so it is necessary to select an appropriate superconducting gate in consideration of the usage environment .

【0022】つぎに、事項T3では、直流電源1の電流
を減少させると、超伝導ゲート3に流れる電流はさらに
減少して負の値になる。これは、超伝導ループ回路6に
流れている周回電流が減少することで、超伝導ループ回
路7の電流との相殺効果がなくなることに起因する。こ
のとき、超伝導ループ回路7に周回する電流は永久電流
になり、超伝導マイクロストリップコイルに安定な電流
が供給される。時刻T4では、この電流を遮断するため
に、超伝導ゲート3と超伝導ゲート4に信号を入力して
スイッチさせる。このような両超伝導ゲート3,4のス
イッチにより電流が減少することがわかる(b,c)。
Next, in item T3, when the current of the DC power supply 1 is reduced, the current flowing through the superconducting gate 3 is further reduced to a negative value. This is because the circulating current flowing in the superconducting loop circuit 6 is reduced, so that there is no longer a canceling effect with the current of the superconducting loop circuit 7. At this time, the current circulating in the superconducting loop circuit 7 becomes a permanent current, and a stable current is supplied to the superconducting microstrip coil. At time T4, in order to cut off this current, a signal is input to the superconducting gates 3 and 4 to switch them. It can be seen that the current is reduced by the switches of both superconducting gates 3 and 4 (b, c).

【0023】以下に、各構成素子の詳細説明を行う。図
7に、マイクロストリップコイル付超伝導トンネル接合
素子5の概略構成図を示す。超伝導トンネル接合素子5
は、超伝導グランドプレーン101、超伝導下部電極1
02、トンネルバリア103、超伝導下部電極104、
超伝導マイクロストリップコイル105、コンタクトホ
ール106、超伝導配線107を備える。超伝導グラン
ドプレーン101上に絶縁層を介して超伝導トンネル接
合(102,103,104)が形成され、その上に絶縁
層を介して超伝導マイクロストリップコイル105が形
成される。この図では、複数(4本)の超伝導マイクロ
ストリップコイルが形成されているが、単一のコイルで
もかまわない。複数の超伝導マイクロストリップコイル
の場合、各コイルを直列に接続して電流を流すことで、
コイル本数をnとするとn倍の磁場を発生させることが
できる。
Hereinafter, each component will be described in detail. FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a superconducting tunnel junction device 5 with a microstrip coil. Superconducting tunnel junction device 5
Are the superconducting ground plane 101 and the superconducting lower electrode 1
02, tunnel barrier 103, superconducting lower electrode 104,
A superconducting microstrip coil 105, a contact hole 106, and a superconducting wiring 107 are provided. A superconducting tunnel junction (102, 103, 104) is formed on a superconducting ground plane 101 via an insulating layer, and a superconducting microstrip coil 105 is formed thereon via an insulating layer. In this figure, a plurality (four) of superconducting microstrip coils are formed, but a single coil may be used. In the case of multiple superconducting microstrip coils, by connecting each coil in series and passing current,
Assuming that the number of coils is n, an n-fold magnetic field can be generated.

【0024】図8及び図9に、超伝導マイクロストリッ
プコイル付トンネル接合素子5の断面図(1)及び
(2)を示す。図8及び図9は、それぞれ図7のマイク
ロストリップコイルに平行および垂直方向の断面図であ
る。超伝導グランドプレーン101上に絶縁層108を
介して、超伝導下部電極102、トンネルバリア103
および超伝導上部電極104からなる超伝導トンネル接
合が形成され、その上に絶縁層109を介してマイクロ
ストリップコイル105が配置される。超伝導上部電極
104の電気配線は絶縁層にホール106を設けて超伝
導配線107で結線される。
FIGS. 8 and 9 are sectional views (1) and (2) of the tunnel junction device 5 with a superconducting microstrip coil. 8 and 9 are cross-sectional views in parallel and perpendicular directions to the microstrip coil of FIG. 7, respectively. A superconducting lower electrode 102 and a tunnel barrier 103 are formed on a superconducting ground plane 101 via an insulating layer 108.
A superconducting tunnel junction composed of a superconducting upper electrode 104 is formed, and a microstrip coil 105 is disposed thereon with an insulating layer 109 interposed therebetween. The electric wiring of the superconducting upper electrode 104 is connected to the superconducting wiring 107 by providing a hole 106 in the insulating layer.

【0025】図10及び図11に、超伝導検出器の説明
図(1)及び(2)を示す(特願平10−250655
号参照)。31は、絶縁層を介してSTJ素子1の上側に
配置され、上部電極2と磁気的に結合しているインダク
タ ンス線、32は絶縁層を介して基板5の上側に配置
された超伝導グランドプレーンである。図3(b)は上
側からみた図であり、図10(a)は、図10(b)の
AA´線の断面図である。
FIGS. 10 and 11 are explanatory diagrams (1) and (2) of a superconducting detector (Japanese Patent Application No. 10-250655).
No.). Numeral 31 denotes an inductance line disposed above the STJ element 1 via an insulating layer and magnetically coupled to the upper electrode 2, and 32 denotes a superconducting ground disposed above the substrate 5 via the insulating layer. It is plain. FIG. 3B is a view seen from above, and FIG. 10A is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 10B.

【0026】図11により、発生磁場がSTJ接合面に平
行に局在化することを説明する。超伝導体に電流を流す
とマイスナー効果により電流は超伝導体表面に集中す
る。また、電流が流れている超伝導体(1)の近くにも
う一つの超伝導体(2)が近接すると、超伝導体(1)
の電流で誘起される磁場を打消すように超伝導体(2)
にミラー(鏡像)効果による電流が流れる。最初、図1
1(b)の断面図に示すようにインダクタンス線31に
電流I1を矢 印の方向に流すと、マイスナー効果とミ
ラー効果によって、電流はインダクタンス線31の下面
に集中して流れる。そのため、STJの上部電極2の上面
に電流I1と逆向きのミラー電流I2が流れる。このミ
ラー電流はSTJの下面を逆向きに電流I3となって戻る。
ここで、電流I1と電流I2は互いに逆向きで対抗して
流れるためコイルを形成したのと同じような効果が得ら
れ、結果として電流I1による磁 場はインダクタンス
線とSTJの上部電極の間の絶縁層(1)に閉じこめら
れ、図面の前方から後方の方向の磁場Φ1が生じる。
FIG. 11 explains that the generated magnetic field is localized parallel to the STJ junction surface. When a current flows through the superconductor, the current concentrates on the superconductor surface due to the Meissner effect. In addition, when another superconductor (2) comes close to the superconductor (1) in which a current is flowing, the superconductor (1)
Superconductor (2) to cancel the magnetic field induced by the electric current
Current flows due to the mirror (mirror image) effect. First, Figure 1
As shown in the sectional view of FIG. 1B, when the current I1 flows through the inductance line 31 in the direction of the arrow, the current flows intensively on the lower surface of the inductance line 31 by the Meissner effect and the Miller effect. Therefore, a mirror current I2 opposite to the current I1 flows on the upper surface of the upper electrode 2 of the STJ. This mirror current returns to the lower surface of the STJ as a current I3 in the opposite direction.
Here, since the currents I1 and I2 flow in opposite directions and oppose each other, the same effect as when a coil is formed is obtained. As a result, the magnetic field due to the current I1 is generated between the inductance wire and the upper electrode of the STJ. Enclosed in the insulating layer (1), a magnetic field Φ1 is generated from the front to the rear of the drawing.

【0027】同様に、電流I3はSTJ1のトンネル障壁
絶縁体4を介して電流I4を誘起、逆向き電流I5を介
して最終的にはグランドプレーンにI6が生じる。電流
I5、I6により下部電極とグランドプレーンの間の絶
縁層(2)に磁場が集中し、図面の前方から後方の方向
の磁場Φ2が生じる。また、電流I3、電流I4により
上部電極2、下部電極3の間のトンネル障壁絶縁体に図
面の後方から前方の方向に磁場Φ・10を生じる。グラ
ンドプレーンの存在によりインダクタンス線のインダク
タンスは減少する。磁場は絶縁層(1)、(2)及びト
ンネル障壁絶縁体に局在化されるので、他のSTJ素子に
悪影響を及ぼさない。図10、図11の構成において
は、インダクタンス線31をSTJ素子の上 に複数回帰さ
せることでインダクタンス線の発生する磁場を増大して
いる。グランドプレーンを用いた場合、インダクタンス
線と磁気的に結合するSTJのインダクタンスは小さくな
る。
Similarly, the current I3 induces the current I4 through the tunnel barrier insulator 4 of the STJ1, and finally the current I6 is generated in the ground plane through the reverse current I5. Due to the currents I5 and I6, the magnetic field concentrates on the insulating layer (2) between the lower electrode and the ground plane, and a magnetic field Φ2 is generated from the front to the rear of the drawing. Further, a magnetic field Φ · 10 is generated in the tunnel barrier insulator between the upper electrode 2 and the lower electrode 3 in the direction from the rear to the front in the drawing by the currents I3 and I4. The presence of the ground plane reduces the inductance of the inductance line. Since the magnetic field is localized in the insulating layers (1) and (2) and the tunnel barrier insulator, it does not adversely affect other STJ elements. In the configurations shown in FIGS. 10 and 11, the magnetic field generated by the inductance line is increased by causing the inductance line 31 to return a plurality of times on the STJ element. When a ground plane is used, the inductance of the STJ magnetically coupled to the inductance line becomes small.

【0028】図12に、グランドプレーンホール型マイ
クロストリップコイル付超伝導トンネル接合素子の断面
図を示す。図10及び図11(特願平10-25065
5号参照)に開示した構造においては、X線などの放射
線は超伝導マイクロストリップコイルを通して入射する
が、放射線のエネルギーが小さくなり光のレベル(1ke
V以下)になるとコイルを透過できなくなるため検出感度
が低下する。これを防ぐ方法として図16に示すように
グランドプレーンを回路の最上層に形成し、これにホー
ルを形成し、これより放射線を入射させる構造が有効で
ある。
FIG. 12 is a sectional view of a ground plane hole type superconducting tunnel junction device with a microstrip coil. 10 and 11 (Japanese Patent Application No. 10-25065)
In the structure disclosed in No. 5), radiation such as X-rays is incident through a superconducting microstrip coil, but the energy of the radiation is reduced and the light level (1 ke) is obtained.
V or less), the coil cannot pass through, and the detection sensitivity decreases. As a method for preventing this, as shown in FIG. 16, a structure in which a ground plane is formed on the uppermost layer of a circuit, holes are formed in the ground plane, and radiation is incident on the ground plane is effective.

【0029】つぎに、図13に、超伝導ゲート3,4の
等価回路図を示す。ここでは、超伝導電流のオン、オフ
を行う超伝導ゲートに用いることのできるスイッチング
ゲートの一例として、2接合型量子干渉ゲートを挙げ
る。このゲートは、2つのジョセフソン接合(201,
202)と2本のインダクタンス(203,204)が
直列かつ超伝導ループを形成するように接続され、これ
らのインダクタンスと結合した2本のインダクタンス
(205,206)に信号入力Icがあると、ゲートがス
イッチしてIgが遮断されるものである。寸法は、通常、
例えば数十ミクロン角である。
Next, FIG. 13 shows an equivalent circuit diagram of the superconducting gates 3 and 4. Here, a two-junction quantum interference gate is given as an example of a switching gate that can be used as a superconducting gate for turning on and off a superconducting current. This gate consists of two Josephson junctions (201,
202) and two inductances (203, 204) are connected in series to form a superconducting loop, and when the two inductances (205, 206) coupled to these inductances have a signal input Ic, a gate Is switched off and Ig is cut off. The dimensions are usually
For example, it is several tens of microns square.

【0030】図14に、図13の超伝導ゲート3,4
(2接合型量子干渉ゲート)のしきい値特性図を示す。
縦軸は、ゲートの被制御電流Ig、横軸は制御信号入力電
流Icを示す。同図の曲線の下側の領域では超伝導ゲート
は超伝導状態にあり、スイッチしない。この曲線を越え
ると超伝導ゲートはスイッチして超伝導電流を遮断す
る。
FIG. 14 shows the superconducting gates 3 and 4 of FIG.
FIG. 4 shows a threshold characteristic diagram of a (two-junction type quantum interference gate).
The vertical axis indicates the controlled current Ig of the gate, and the horizontal axis indicates the control signal input current Ic. In the region below the curve in the figure, the superconducting gate is in a superconducting state and does not switch. Beyond this curve, the superconducting gate will switch off the superconducting current.

【0031】図15に、超伝導ゲートの変形例の説明図
を示す。このような超伝導ゲートに並列に挿入されるダ
ンピング抵抗は超伝導ゲートのスイッチ後の特性を安定
化して再現性を高める働きと、電圧状態から超伝導状態
へのリセット特性を決定する。ダンピング抵抗を小さく
していくと一般にスイッチ速度が遅くなり波形が鈍り安
定性が増すが、電流の遮断性が低下して残り電流が生じ
る。また、超伝導ゲートにSQUID型やインライン型のよ
うな磁気結合型のゲートを用いると、入力信号レベルに
よってサブギャップ抵抗が変化するため、残留電流の制
御を行うことができる。
FIG. 15 is an explanatory view of a modification of the superconducting gate. Such a damping resistor inserted in parallel with the superconducting gate stabilizes the characteristics of the superconducting gate after switching to improve reproducibility, and determines the reset characteristic from the voltage state to the superconducting state. As the damping resistance is reduced, the switching speed generally becomes slower, the waveform becomes dull, and the stability increases, but the cutoff of the current is reduced and the remaining current is generated. When a magnetic coupling type gate such as a SQUID type or an in-line type is used as the superconducting gate, the subgap resistance changes depending on the input signal level, so that the residual current can be controlled.

【0032】図15(A)に、ダンピング抵抗のない超
伝導ゲートとその電流電圧特性を示す。この例では、電
流0の中心点の状態から電流を増加させるとジョセフソ
ン効果による超伝導電流がゲートに流れる。ジョセフソ
ン臨界電流Ijを越えるとゲートがスイッチして有限の
電圧Vgの状態に遷移する。これより電流を減少させてい
くと抵抗状態のまま0点に戻っていく。この過程はヒス
テリシス特性を示す。入力信号Icが入力すると臨界電流
Ijが下がり、バイアス電流Igより小さくなるとスイッ
チする。このときのスイッチでは、スイッチング動作は
高速であるが、それゆえスイッチ後の波形に振動が生
じ、不安定動作を引き起こすこともある。図15(B)
のように、ダンピング抵抗Rdが超伝導ゲートに並列に挿
入されると、Vg より小さな電圧状態の電流特性が拡大
されたようになり、電圧状態から超伝導状態に戻るリセ
ット動作が顕著になる。また、図15(C)に示すよう
に、リセット電流値は入力信号Icが大きいほど小さくな
る依存性をもつ。そのため、入力信号Icのレベルを変え
ることで残留電流を変化させることができる。図15
(C)の電流-電圧特性では、入力信号Icの印加によっ
てIcおよびリセット電流が減少している様子を示す。
FIG. 15A shows a superconducting gate having no damping resistance and its current-voltage characteristics. In this example, when the current is increased from the state of the center point of the current 0, a superconducting current due to the Josephson effect flows to the gate. When the current exceeds the Josephson critical current Ij, the gate switches and the state changes to a finite voltage Vg. When the current is further reduced, the current returns to the zero point in the resistance state. This process exhibits a hysteresis characteristic. Critical current when input signal Ic is input
It switches when Ij falls and becomes smaller than the bias current Ig. In the switch at this time, the switching operation is fast, but therefore, the waveform after the switch oscillates and may cause unstable operation. FIG. 15 (B)
When the damping resistor Rd is inserted in parallel with the superconducting gate as shown in the above, the current characteristic in a voltage state smaller than Vg is expanded, and the reset operation returning from the voltage state to the superconducting state becomes remarkable. As shown in FIG. 15C, the reset current value has a dependency that the reset current value decreases as the input signal Ic increases. Therefore, the residual current can be changed by changing the level of the input signal Ic. FIG.
The current-voltage characteristics of FIG. 3C show that the input signal Ic reduces the Ic and the reset current.

【0033】図16に、超伝導トランス2の概略構成図
を示す。この例では、超伝導グランドプレーン303に
ホール304を開け、その中に二次コイル302が形成
され、その上に絶縁層を介して一次コイルが形成され
る。同図では一例として、4ターンの一次コイルが形成
されている。グランドプレーンにホールを開けるのは、
二次コイルのインダクタンスを増加させて大きな誘起電
圧を得られるようにするためである。
FIG. 16 shows a schematic configuration diagram of the superconducting transformer 2. In this example, a hole 304 is formed in the superconducting ground plane 303, a secondary coil 302 is formed therein, and a primary coil is formed thereon via an insulating layer. In the figure, as an example, a four-turn primary coil is formed. The hole in the ground plane is
This is to increase the inductance of the secondary coil so that a large induced voltage can be obtained.

【0034】図17に、超伝導トランス2の断面図を示
す。この図は、図11の超伝導トランス2のA−A’断
面構造を示すものである。つぎに、本発明の応用例を説
明する。
FIG. 17 is a sectional view of the superconducting transformer 2. This figure shows a cross-sectional structure along the line AA ′ of the superconducting transformer 2 shown in FIG. Next, application examples of the present invention will be described.

【0035】図18に、本発明の2次元放射線検出回路
チップへの応用例の説明図を示す。ここでは、超伝導X
線検出チップ308に、4ターンの超伝導マイクロスト
リップコイルをもつ超伝導トンネル接合素子302を4
つ配列した例を示す。各超伝導トンネル接合素子302
のマイクロストリップコイル301は、直列にスパイラ
ルループ状に接続され、超伝導ゲート304、305お
よび超伝導トランス303と超伝導ループ回路を構成す
る。また、各超伝導トンネル接合素子302の出力信号
は、同じチップ308上のグランドプレーン307上に
集積化されたジョセフソン信号処理回路306により信
号増幅、アナログ/デジタル変換、デジタルフィルター
などのデータ処理が行われる。超伝導グランドプレーン
は、(1)良好な電磁気シールド、(2)超伝導ミラー
効果、(3)接地点の働きをする。
FIG. 18 is an explanatory diagram of an application example of the present invention to a two-dimensional radiation detection circuit chip. Here, superconducting X
A superconducting tunnel junction device 302 having a 4-turn superconducting microstrip coil is attached to the line detecting chip 308.
Here is an example of the arrangement. Each superconducting tunnel junction element 302
Are connected in series in a spiral loop, and form a superconducting loop circuit with the superconducting gates 304 and 305 and the superconducting transformer 303. The output signal of each superconducting tunnel junction element 302 is subjected to data processing such as signal amplification, analog / digital conversion, and digital filtering by a Josephson signal processing circuit 306 integrated on a ground plane 307 on the same chip 308. Done. The superconducting ground plane acts as (1) good electromagnetic shielding, (2) superconducting mirror effect, and (3) ground point.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明によると、以上のように、超伝導
トンネル接合を用いた高速かつ高エネルギー分解能をも
つ放射線検出器に関し,特に超伝導トンネル接合自身に
結合した超伝導ストリップ線に電流を流してジョセフソ
ン電流を抑圧する方法に関して、外部からわずかな初期
電流を与えて内部では大きな磁場を生成すると同時に、
最終的には超伝導永久電流により外部と切り離された状
態で無電力で磁場を発生でき、この超伝導永久電流を利
用して、無損失に磁場を生成する超伝導磁場発生装置及
び超伝導検出器を提供することができる。
According to the present invention, as described above, a radiation detector using a superconducting tunnel junction having a high speed and high energy resolution is provided, and in particular, a current is supplied to a superconducting strip line coupled to the superconducting tunnel junction itself. With regard to the method of suppressing Josephson current by flowing, a small initial current is given from the outside and a large magnetic field is generated inside,
Finally, a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector that can generate a magnetic field without loss by using this superconducting permanent current can generate a magnetic field without loss in a state of being separated from the outside by the superconducting persistent current. Vessels can be provided.

【0037】本発明によると、STJのジョセフソン電流
の抑制を同一チップ上に形成される超伝導閉ループ回路
に流れる永久電流で行うようにし、再現性、安定性に優
れ、低消費電力、低ノイズ、アレイ対応のジョセフソン
電流抑制回路を備えた超伝導磁場発生装置及び超伝導検
出器を提供することができる。また、本発明によると、
センサ用STJ素子に印加する外部磁場を発生する超伝
導磁界発生装置をマイクロファブリケーション技術を用
いてセンサ用STJ素子と同一チップ上 に磁場を閉じこめ
るように形成することで、センサ用STJ素子、超伝導磁
気発生装置及びデジタル処理などを行うジョセフソン論
理素子などを同一チップ上に実現できる超伝導磁場発生
装置及び超伝導検出器放射線検出器を提供することがで
きる。
According to the present invention, the Josephson current of the STJ is suppressed by the permanent current flowing in the superconducting closed loop circuit formed on the same chip, so that reproducibility and stability are excellent, low power consumption, and low noise. It is possible to provide a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector provided with an array-compatible Josephson current suppression circuit. Also, according to the present invention,
By forming a superconducting magnetic field generator that generates an external magnetic field applied to the sensor STJ element using microfabrication technology on the same chip as the sensor STJ element so that the magnetic field is confined, the sensor STJ element It is possible to provide a superconducting magnetic field generator and a superconducting detector radiation detector capable of realizing, on the same chip, a conductive magnetism generator and a Josephson logic element for performing digital processing and the like.

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

【図1】本発明に係る超伝導検出器の構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of a superconducting detector according to the present invention.

【図2】本発明に係る超伝導検出器の回路動作について
の説明図(1)。
FIG. 2 is an explanatory diagram (1) of a circuit operation of the superconducting detector according to the present invention.

【図3】本発明に係る超伝導検出器の回路動作について
の説明図(2)。
FIG. 3 is an explanatory diagram (2) of the circuit operation of the superconducting detector according to the present invention.

【図4】本発明に係る超伝導検出器の回路動作について
の説明図(3)。
FIG. 4 is an explanatory view (3) of the circuit operation of the superconducting detector according to the present invention.

【図5】本発明に係る超伝導検出器の回路動作について
の説明図(4)。
FIG. 5 is an explanatory diagram (4) of the circuit operation of the superconducting detector according to the present invention.

【図6】超伝導マイクロストリップコイルへの電流制御
についての説明図。
FIG. 6 is a diagram illustrating current control for a superconducting microstrip coil.

【図7】マイクロストリップコイル付超伝導トンネル接
合素子5の概略構成図。
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a superconducting tunnel junction device 5 with a microstrip coil.

【図8】超伝導マイクロストリップコイル付トンネル接
合素子5の断面図(1)。
FIG. 8 is a sectional view (1) of a tunnel junction element 5 with a superconducting microstrip coil.

【図9】超伝導マイクロストリップコイル付トンネル接
合素子5の断面図(2)。
FIG. 9 is a sectional view (2) of the tunnel junction element 5 with a superconducting microstrip coil.

【図10】超伝導検出器の説明図(1)。FIG. 10 is an explanatory view (1) of a superconducting detector.

【図11】超伝導検出器の説明図(2)。FIG. 11 is an explanatory view (2) of a superconducting detector.

【図12】グランドプレーンホール型マイクロストリッ
プコイル付超伝導トンネル接合素子の断面図。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a ground plane hole type superconducting tunnel junction device with a microstrip coil.

【図13】超伝導ゲート3,4の等価回路図。FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of superconducting gates 3 and 4.

【図14】図13の超伝導ゲート3,4(2接合型量子
干渉ゲート)のしきい値特性図。
FIG. 14 is a threshold characteristic diagram of the superconducting gates 3 and 4 (two-junction quantum interference gate) of FIG.

【図15】超伝導ゲートの変形例の説明図。FIG. 15 is an explanatory diagram of a modified example of a superconducting gate.

【図16】超伝導トランス2の概略構成図。FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a superconducting transformer 2.

【図17】超伝導トランス2の断面図。FIG. 17 is a sectional view of a superconducting transformer 2;

【図18】本発明の2次元放射線検出回路チップへの応
用例の説明図。
FIG. 18 is an explanatory diagram of an application example of the present invention to a two-dimensional radiation detection circuit chip.

【図19】STJ素子を使用した放射線検出器の原理の
説明図。
FIG. 19 is an explanatory diagram of the principle of a radiation detector using an STJ element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 直流電源 2 超伝導トランス 3、4 超伝導ゲート 5 超伝導トンネル接合素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2 Superconducting transformer 3, 4 Superconducting gate 5 Superconducting tunnel junction element

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−41223(JP,A) 特開 昭61−263310(JP,A) 特開 昭59−28669(JP,A) 特開 昭57−167691(JP,A) 特開 平7−273378(JP,A) 特開 昭60−15895(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01T 1/24 G01T 1/00 ZAA H01L 39/22 ZAA ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-41223 (JP, A) JP-A-61-263310 (JP, A) JP-A-59-28669 (JP, A) JP-A 57-263 167691 (JP, A) JP-A-7-273378 (JP, A) JP-A-60-15895 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01T 1/24 G01T 1 / 00 ZAA H01L 39/22 ZAA

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】超伝導検出素子と結合された超伝導ストリ
ップ線と、 第1の超伝導ゲートを接続した第1の超伝導ループ回路
と、 前記超伝導ストリップ線及び第2の超伝導ゲートが直列
接続された第2の超伝導ループ回路と、 外部電源に接続された1次コイルと、前記第1及び第2
のループ回路が並列接続された2次コイルとを有する超
伝導トランスとを備えた超伝導磁場発生装置。
1. A superconducting strip line coupled to a superconducting detection element, a first superconducting loop circuit connecting a first superconducting gate, and the superconducting strip line and a second superconducting gate. A second superconducting loop circuit connected in series; a primary coil connected to an external power supply;
And a superconducting transformer having a secondary coil connected in parallel with the loop circuit.
【請求項2】放射線を検出する超伝導トンネル接合素子
と、 超伝導検出素子と結合された超伝導ストリップ線と、 第1の超伝導ゲートを接続した第1の超伝導ループ回路
と、 前記超伝導ストリップ線及び第2の超伝導ゲートが直列
接続された第2の超伝導ループ回路と、 外部電源に接続された1次コイルと、前記第1及び第2
のループ回路が並列接続された2次コイルとを有する超
伝導トランスとを備えた超伝導検出器。
2. A superconducting tunnel junction element for detecting radiation, a superconducting strip line coupled to the superconducting detecting element, a first superconducting loop circuit connecting a first superconducting gate, and A second superconducting loop circuit in which a conductive strip line and a second superconducting gate are connected in series; a primary coil connected to an external power supply;
And a superconducting transformer having a secondary coil connected in parallel with the loop circuit.
【請求項3】超伝導トンネル接合素子を複数備え、前記
第2の超伝導ループ回路は、複数設けられた超伝導トン
ネル接合素子に結合された複数の前記超伝導ストリップ
線を直列に接続したことを特徴とする請求項1に記載の
超伝導磁場発生装置又は請求項2に記載の超伝導検出
器。
3. A superconducting tunnel junction device comprising a plurality of superconducting tunnel junction elements, wherein said second superconducting loop circuit connects a plurality of said superconducting strip lines coupled to a plurality of superconducting tunnel junction elements in series. The superconducting magnetic field generator according to claim 1 or the superconducting detector according to claim 2.
【請求項4】前記超伝導トランスの1次コイルに直流電
流を印加して、前記第1の超伝導ループに電流を流し、 第1の超伝導ゲートに制御信号を与えて前記第1及び第
2の超伝導ループ回路に周回電流を設定し、 前記超伝導トランスの1次コイルの直流電流を減少させ
て、前記第2の超伝導ループ回路に超伝導永久周回電流
を生成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
に記載の超伝導磁場発生装置又は超伝導検出器。
4. Applying a direct current to a primary coil of the superconducting transformer, causing a current to flow through the first superconducting loop, and providing a control signal to a first superconducting gate to provide the first and second superconducting gates with a control signal. And setting a circulating current in the second superconducting loop circuit, reducing a direct current of the primary coil of the superconducting transformer, and generating a superconducting permanent circulating current in the second superconducting loop circuit. The superconducting magnetic field generator or the superconducting detector according to claim 1.
【請求項5】第2の超伝導ループ回路に超伝導永久周回
電流が流れているとき、さらに、第1及び第2の超伝導
ゲートを同時にスイッチさせることで、超伝導永久周回
電流を遮断することを特徴とする請求項4に記載の超伝
導磁場発生装置又は超伝導検出器。
5. A superconducting permanent circulating current is cut off by simultaneously switching the first and second superconducting gates when a superconducting circulating current flows in the second superconducting loop circuit. The superconducting magnetic field generator or superconducting detector according to claim 4, characterized in that:
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