JP3198746B2 - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents
Ｓｑｕｉｄ磁束計Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は極微弱磁束を計測するた
めの磁束計に関し、更に詳しくは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを
用いた磁束計に関する。
めの磁束計に関し、更に詳しくは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを
用いた磁束計に関する。
【０００２】
【従来の技術】極微弱磁束を計測するための磁束計とし
ては、一般にＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた磁束計が用いら
れている。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ磁束計の駆動・計測回路の
方式としては、従来、変調方式、ＡＣバイアス方式、Ｓ
ＨＡＤ方式およびフィリップス方式等が知られている。
ては、一般にＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた磁束計が用いら
れている。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ磁束計の駆動・計測回路の
方式としては、従来、変調方式、ＡＣバイアス方式、Ｓ
ＨＡＤ方式およびフィリップス方式等が知られている。
【０００３】変調方式では、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングに
直流のバイアス電流を与えるとともに、ＡＦ発振器から
変調用コイルを介してＳＱＵＩＤリングに交流磁束を変
調信号として印加する。その状態でＳＱＵＩＤリングの
出力を増幅して、ＡＦ発振器の出力と比べて位相検波
し、更にこれを積分型増幅器を通して磁束計測出力を得
るとともに、その出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤ
リングにフィードバックする、という構成を採る（例え
ばIEEE Transaction on Magnetics Vol.25, No.2March
1989, p1008 Y.Miki et al.,"Low Frequency in Flux
DC SQUIDS"）。
直流のバイアス電流を与えるとともに、ＡＦ発振器から
変調用コイルを介してＳＱＵＩＤリングに交流磁束を変
調信号として印加する。その状態でＳＱＵＩＤリングの
出力を増幅して、ＡＦ発振器の出力と比べて位相検波
し、更にこれを積分型増幅器を通して磁束計測出力を得
るとともに、その出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤ
リングにフィードバックする、という構成を採る（例え
ばIEEE Transaction on Magnetics Vol.25, No.2March
1989, p1008 Y.Miki et al.,"Low Frequency in Flux
DC SQUIDS"）。
【０００４】ＡＣバイアス方式は、ＳＱＵＩＤリングに
矩形波状に正負に変化するバイアス電流を供給するとと
もに、変調コイルを介してそのバイアス電流の周波数の
整数倍の周波数の矩形波状の磁束信号を変調信号として
印加する。そして、その状態でのＳＱＵＩＤリングの出
力から、その出力に乗ってくるＤＣ成分を減算して増幅
した後、その信号を、ＳＱＵＩＤリングに印加される矩
形波状の磁束信号と同期し、かつ、交流バイアス電流の
半周期ごとにその位相を１８０°ずらした特殊な矩形波
状の参照電圧信号によって検波し、これを積分器を通し
て積分して磁束計測出力を得るとともに、その出力を変
調コイルを介してＳＱＵＩＤリングにフィードバックす
るという構成を採る（例えば1988 American Institute
of Phys-ics, p239 S.kuriku et al., "Effect of alte
rnating bias current on thelow-frequency noise in
dc SQUID's"）。
矩形波状に正負に変化するバイアス電流を供給するとと
もに、変調コイルを介してそのバイアス電流の周波数の
整数倍の周波数の矩形波状の磁束信号を変調信号として
印加する。そして、その状態でのＳＱＵＩＤリングの出
力から、その出力に乗ってくるＤＣ成分を減算して増幅
した後、その信号を、ＳＱＵＩＤリングに印加される矩
形波状の磁束信号と同期し、かつ、交流バイアス電流の
半周期ごとにその位相を１８０°ずらした特殊な矩形波
状の参照電圧信号によって検波し、これを積分器を通し
て積分して磁束計測出力を得るとともに、その出力を変
調コイルを介してＳＱＵＩＤリングにフィードバックす
るという構成を採る（例えば1988 American Institute
of Phys-ics, p239 S.kuriku et al., "Effect of alte
rnating bias current on thelow-frequency noise in
dc SQUID's"）。
【０００５】ＳＨＡＤ方式では、ＳＱＵＩＤリングに供
給するバイアス電流を、一定の周期で正、零、負の３値
をとるように変化させるとともに、変調コイルを介して
ＳＱＵＩＤリングに供給される変調用の磁束信号もこれ
と同期して３値をとるように変化させる。そして、この
状態でのＳＱＵＩＤリングの出力を増幅した後、これを
バイアス電流および変調用磁界信号の周期の１／２の周
期の矩形波信号によって位相検波し、更にその検波後の
信号を積分することによって磁束計測出力を得るととも
に、この出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤリングに
フィードバックするといった構成を採る（例えばAppl.
Phys. Lett.49(20), 17 November 1986,p1393 V. Fogli
etti et al., "Low-frequency noise in low 1/f noise
dc SQU-ID's")。
給するバイアス電流を、一定の周期で正、零、負の３値
をとるように変化させるとともに、変調コイルを介して
ＳＱＵＩＤリングに供給される変調用の磁束信号もこれ
と同期して３値をとるように変化させる。そして、この
状態でのＳＱＵＩＤリングの出力を増幅した後、これを
バイアス電流および変調用磁界信号の周期の１／２の周
期の矩形波信号によって位相検波し、更にその検波後の
信号を積分することによって磁束計測出力を得るととも
に、この出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤリングに
フィードバックするといった構成を採る（例えばAppl.
Phys. Lett.49(20), 17 November 1986,p1393 V. Fogli
etti et al., "Low-frequency noise in low 1/f noise
dc SQU-ID's")。
【０００６】更に、フィリップス方式においては、ＳＱ
ＵＩＤリングに一定周期で正負に変化する矩形波状のバ
イアス電流を供給し、変調用の磁束信号もこれと同一周
期の矩形波状で、かつ、位相を４／πだけずらしたもの
とする。この状態でのＳＱＵＩＤリングの出力から、そ
の出力に乗ってくるＤＣ成分を減算して増幅した後、そ
の信号を、バイアス電流と変調用磁束信号とを乗じて得
られる参照信号によって検波し、更にその検波後の信号
を積分することにより磁束計測出力を得て、同様にして
この出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤリングにフィ
ードバックするという構成を採っている（例えばIEEE T
ransaction on Magnetics Vol.27, No.2, March 1991
p2797 O.Doessel et al.,"A Modular Lownoise 7-Chann
el SQUID-Magnetometer ）。
ＵＩＤリングに一定周期で正負に変化する矩形波状のバ
イアス電流を供給し、変調用の磁束信号もこれと同一周
期の矩形波状で、かつ、位相を４／πだけずらしたもの
とする。この状態でのＳＱＵＩＤリングの出力から、そ
の出力に乗ってくるＤＣ成分を減算して増幅した後、そ
の信号を、バイアス電流と変調用磁束信号とを乗じて得
られる参照信号によって検波し、更にその検波後の信号
を積分することにより磁束計測出力を得て、同様にして
この出力を変調コイルを介してＳＱＵＩＤリングにフィ
ードバックするという構成を採っている（例えばIEEE T
ransaction on Magnetics Vol.27, No.2, March 1991
p2797 O.Doessel et al.,"A Modular Lownoise 7-Chann
el SQUID-Magnetometer ）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＤＣ−ＳＱ
ＵＩＤの低周波ノイズの要因として、次の２つを挙げる
ことができる。一つは磁束トラップ等による磁束ゆらぎ
で、他の一つは素子パラメータの温度ゆらぎである。
ＵＩＤの低周波ノイズの要因として、次の２つを挙げる
ことができる。一つは磁束トラップ等による磁束ゆらぎ
で、他の一つは素子パラメータの温度ゆらぎである。
【０００８】このうち、前者の磁束ゆらぎは同相成分ゆ
らぎと呼ばれ、図５（Ａ）に破線で示すように、実線で
示されるゆらぎ成分の入っていない状態でのＳＱＵＩＤ
出力に対して、正および負のバイアス電流の供給状態に
おいて、互いに同方向にφ−Ｖ（磁束−出力電圧）特性
が変化する。従ってこのゆらぎは入力信号磁束との差異
は現れず、これの成分は磁束計自体によっては除去する
ことはできない。
らぎと呼ばれ、図５（Ａ）に破線で示すように、実線で
示されるゆらぎ成分の入っていない状態でのＳＱＵＩＤ
出力に対して、正および負のバイアス電流の供給状態に
おいて、互いに同方向にφ−Ｖ（磁束−出力電圧）特性
が変化する。従ってこのゆらぎは入力信号磁束との差異
は現れず、これの成分は磁束計自体によっては除去する
ことはできない。
【０００９】一方、後者の素子パラメータの温度ゆらぎ
は逆相成分ゆらぎと呼ばれ、同図（Ｂ）に破線で示すよ
うに、ゆらき成分の入っていないＳＱＵＩＤ出力に対し
て、正および負のバイアス電流の供給状態で互いに逆方
向にφ−Ｖ特性が変化する。この素子パラメータの温度
ゆらぎは、磁束計の回路方式を考慮することによって除
去することができ、低周波ノイズの低減を図ることがで
きる。
は逆相成分ゆらぎと呼ばれ、同図（Ｂ）に破線で示すよ
うに、ゆらき成分の入っていないＳＱＵＩＤ出力に対し
て、正および負のバイアス電流の供給状態で互いに逆方
向にφ−Ｖ特性が変化する。この素子パラメータの温度
ゆらぎは、磁束計の回路方式を考慮することによって除
去することができ、低周波ノイズの低減を図ることがで
きる。
【００１０】すなわち、前記した従来のＤＣ−ＳＱＵＩ
Ｄの各回路方式のうち、変調方式では素子パラメータの
温度ゆらぎを除去することはできないが、他の３つの回
路方式では素子パラメータの温度ゆらぎを除去して低周
波ノイズを低減することが可能となる。
Ｄの各回路方式のうち、変調方式では素子パラメータの
温度ゆらぎを除去することはできないが、他の３つの回
路方式では素子パラメータの温度ゆらぎを除去して低周
波ノイズを低減することが可能となる。
【００１１】ところが、素子パラメータの温度ゆらぎを
除去可能な従来の回路方式のうち、ＡＣバイアス方式で
は、変調用の磁束信号とバイアス電流との周波数を相違
させる必要があるとともに、特殊な形状の参照用電圧を
形成する必要がある等、回路構成が複雑となるという欠
点があるばかりでなく、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングの２つ
のジョセフソン接合の特性が相互にある程度以上相違し
て正負のバイアス電流の供給状態においてφ−Ｖ特性が
φ軸に対して非対称である場合には、測定不能となると
いう問題がある。
除去可能な従来の回路方式のうち、ＡＣバイアス方式で
は、変調用の磁束信号とバイアス電流との周波数を相違
させる必要があるとともに、特殊な形状の参照用電圧を
形成する必要がある等、回路構成が複雑となるという欠
点があるばかりでなく、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングの２つ
のジョセフソン接合の特性が相互にある程度以上相違し
て正負のバイアス電流の供給状態においてφ−Ｖ特性が
φ軸に対して非対称である場合には、測定不能となると
いう問題がある。
【００１２】これに対しＳＨＡＤ方式では、２つのジョ
セフソン接合の特性が相互に相違してφ−Ｖ特性が非対
称であっても、ＳＱＵＩＤ出力は、零を挟んで、φ−Ｖ
曲線の正電流バイアス側曲線と負電流バイアス側曲線と
の、変調用磁束信号の中央値を中心とした点対称的な位
置の値を繰り返すが故に、変調用磁束信号の中央値を適
宜に設定することによって測定可能でであるが、バイア
ス電流がその１／２周期において零となっているが故
に、信号読み取りのデューティが１／２となる関係上、
ホワイト領域でのＳ／Ｎが悪化するという欠点があり、
また、このような特殊なバイアス電流および変調用磁束
信号を形成する必要があるため、前者と同様に回路構成
が複雑になるという欠点もある。
セフソン接合の特性が相互に相違してφ−Ｖ特性が非対
称であっても、ＳＱＵＩＤ出力は、零を挟んで、φ−Ｖ
曲線の正電流バイアス側曲線と負電流バイアス側曲線と
の、変調用磁束信号の中央値を中心とした点対称的な位
置の値を繰り返すが故に、変調用磁束信号の中央値を適
宜に設定することによって測定可能でであるが、バイア
ス電流がその１／２周期において零となっているが故
に、信号読み取りのデューティが１／２となる関係上、
ホワイト領域でのＳ／Ｎが悪化するという欠点があり、
また、このような特殊なバイアス電流および変調用磁束
信号を形成する必要があるため、前者と同様に回路構成
が複雑になるという欠点もある。
【００１３】フィリップス方式では、２次高調波で検波
するため回路構成は比較的複雑となり、ＳＨＡＤ方式の
ようにホワイト領域でのＳ／Ｎが悪化しないものの、こ
の方式においても２つのジョセフソン接合の特性が相違
してφ−Ｖ特性が非対称である場合には測定不能であ
る。
するため回路構成は比較的複雑となり、ＳＨＡＤ方式の
ようにホワイト領域でのＳ／Ｎが悪化しないものの、こ
の方式においても２つのジョセフソン接合の特性が相違
してφ−Ｖ特性が非対称である場合には測定不能であ
る。
【００１４】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、簡単な回路構成のもとに、素子パラメータの温
度ゆらぎを除去することができ、かつ、ＳＱＵＩＤリン
グの２つのジョセフソン接合の特性が相違していても測
定が可能であるとともに、ホワイト領域でのＳ／Ｎも良
好なＳＱＵＩＤ磁束計の提供を目的としている。
もので、簡単な回路構成のもとに、素子パラメータの温
度ゆらぎを除去することができ、かつ、ＳＱＵＩＤリン
グの２つのジョセフソン接合の特性が相違していても測
定が可能であるとともに、ホワイト領域でのＳ／Ｎも良
好なＳＱＵＩＤ磁束計の提供を目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明のＳＱＵＩＤ磁束計は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ
リング１に対して所定の周波数で正負に変化する矩形波
状の駆動用電流バイアスＩb を供給する電流バイアス源
（矩形波発振器２，可変抵抗ＶＲ１，抵抗Ｒ１）と、Ｄ
Ｃ−ＳＱＵＩＤリング１に対しフィードバックコイル３
を介して上記電流バイアスＩb と同期した矩形波状の磁
束信号と所定の直流磁束信号φm0とを重畳した磁束信号
φm を供給する磁束信号供給手段（矩形波発振器２，可
変抵抗ＶＲ２，加算器４，直流電源５，可変抵抗ＶＲ
３）と、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリング１の出力を増幅する増
幅回路７と、その増幅後の出力を積分して磁束検出信号
として出力する積分器８と、その積分器８の出力をフィ
ードバックコイル３を介して帰還させる回路手段（スイ
ッチＳ，電圧−電流変換器９等）を備えたことによって
特徴づけられる。
めの構成を、実施例図面である図１を参照しつつ説明す
ると、本発明のＳＱＵＩＤ磁束計は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ
リング１に対して所定の周波数で正負に変化する矩形波
状の駆動用電流バイアスＩb を供給する電流バイアス源
（矩形波発振器２，可変抵抗ＶＲ１，抵抗Ｒ１）と、Ｄ
Ｃ−ＳＱＵＩＤリング１に対しフィードバックコイル３
を介して上記電流バイアスＩb と同期した矩形波状の磁
束信号と所定の直流磁束信号φm0とを重畳した磁束信号
φm を供給する磁束信号供給手段（矩形波発振器２，可
変抵抗ＶＲ２，加算器４，直流電源５，可変抵抗ＶＲ
３）と、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリング１の出力を増幅する増
幅回路７と、その増幅後の出力を積分して磁束検出信号
として出力する積分器８と、その積分器８の出力をフィ
ードバックコイル３を介して帰還させる回路手段（スイ
ッチＳ，電圧−電流変換器９等）を備えたことによって
特徴づけられる。
【００１６】
【作用】ＳＱＵＩＤリング１に正および負の電流バイア
スＩb および−Ｉb をそれぞれ供給したときのφ−Ｖ特
性は、ゆらぎ成分のない状態ではそれぞれ図２または図
３に実線で示す通りとなる。電流バイアスをＩb と−Ｉ
b 間で一定の周期で変化させ、かつ、変調用の磁束信号
をこれと同期して（φm0＋Δφm ）と（φm0−Δφm ）
間で矩形波状に変化させることにより、ＳＱＵＩＤ出力
Ｖは、正側および負側のφ−Ｖ曲線上の（φm0−Δφm
）および（φm0＋Δφm ）に相当する電圧値を交互に
繰り返すことになる。すなわち、ＳＱＵＩＤ出力Ｖは、
φ−Ｖ曲線の正電流バイアス側曲線と負電流バイアス側
曲線との、変調用磁束信号の中央値φm0を中心とした点
対称的な位置の値を繰り返すことになり、図２および図
３に示すように外部磁束に対しては応答し、素子パラメ
ータの温度ゆらぎに起因する逆相成分ゆらぎは除去する
ことができる。しかも、ＳＱＵＩＤ出力Ｖが上述のよう
にφ−Ｖ曲線の正負の電流バイアス曲線上の点対称的な
電圧値を繰り返すため、ＳＨＡＤ方式と同様に、ＳＱＵ
ＩＤリング１内の２つのジョセフソン接合の特性が一致
していなくても測定が可能となる。
スＩb および−Ｉb をそれぞれ供給したときのφ−Ｖ特
性は、ゆらぎ成分のない状態ではそれぞれ図２または図
３に実線で示す通りとなる。電流バイアスをＩb と−Ｉ
b 間で一定の周期で変化させ、かつ、変調用の磁束信号
をこれと同期して（φm0＋Δφm ）と（φm0−Δφm ）
間で矩形波状に変化させることにより、ＳＱＵＩＤ出力
Ｖは、正側および負側のφ−Ｖ曲線上の（φm0−Δφm
）および（φm0＋Δφm ）に相当する電圧値を交互に
繰り返すことになる。すなわち、ＳＱＵＩＤ出力Ｖは、
φ−Ｖ曲線の正電流バイアス側曲線と負電流バイアス側
曲線との、変調用磁束信号の中央値φm0を中心とした点
対称的な位置の値を繰り返すことになり、図２および図
３に示すように外部磁束に対しては応答し、素子パラメ
ータの温度ゆらぎに起因する逆相成分ゆらぎは除去する
ことができる。しかも、ＳＱＵＩＤ出力Ｖが上述のよう
にφ−Ｖ曲線の正負の電流バイアス曲線上の点対称的な
電圧値を繰り返すため、ＳＨＡＤ方式と同様に、ＳＱＵ
ＩＤリング１内の２つのジョセフソン接合の特性が一致
していなくても測定が可能となる。
【００１７】
【実施例】図１は本発明実施例の回路構成を示すブロッ
ク図である。超伝導ループ中に２箇所のジョセフソン接
合部１１，１２を有するＤＣ−ＳＱＵＩＤリング１（以
下、単にＳＱＵＩＤリング１と称する）には、矩形波発
振器２からの出力を可変抵抗ＶＲ１および抵抗Ｒ１を介
して電流に変換した矩形波状の電流バイアスＩb が供給
される。なお、この電流バイアスＩb の周波数は１０ｋ
Ｈｚ程度とすることが望ましい。
ク図である。超伝導ループ中に２箇所のジョセフソン接
合部１１，１２を有するＤＣ−ＳＱＵＩＤリング１（以
下、単にＳＱＵＩＤリング１と称する）には、矩形波発
振器２からの出力を可変抵抗ＶＲ１および抵抗Ｒ１を介
して電流に変換した矩形波状の電流バイアスＩb が供給
される。なお、この電流バイアスＩb の周波数は１０ｋ
Ｈｚ程度とすることが望ましい。
【００１８】ＳＱＵＩＤリング１の近傍にはこれと磁気
的に結合されたフィードバックコイル３が配設されてお
り、このフィードバックコイル３を介してＳＱＵＩＤリ
ング１には、変調用の磁束信号が供給されるとともに、
後述する磁束計測出力Ｖ0 がフィードバックされる。
的に結合されたフィードバックコイル３が配設されてお
り、このフィードバックコイル３を介してＳＱＵＩＤリ
ング１には、変調用の磁束信号が供給されるとともに、
後述する磁束計測出力Ｖ0 がフィードバックされる。
【００１９】変調用の磁束信号φm は、直流電源５と可
変抵抗ＶＲ３によって作られる直流信号と、前記した矩
形波発振器２と可変抵抗ＶＲ２によって作られる矩形波
状の信号とを加算器４で加算し、更に抵抗Ｒ２を介する
ことによってフィードバックコイル３に流れる電流によ
って形成される。従ってこの変調用の磁界信号φm は、
ＶＲ３の調整によって定まる直流磁束バイアスφm0と、
電流バイアスＩb に同期し、かつ、ＶＲ２の調整によっ
て定まる振幅±Δφm を持つ矩形波状の磁束信号が重畳
した信号となる。
変抵抗ＶＲ３によって作られる直流信号と、前記した矩
形波発振器２と可変抵抗ＶＲ２によって作られる矩形波
状の信号とを加算器４で加算し、更に抵抗Ｒ２を介する
ことによってフィードバックコイル３に流れる電流によ
って形成される。従ってこの変調用の磁界信号φm は、
ＶＲ３の調整によって定まる直流磁束バイアスφm0と、
電流バイアスＩb に同期し、かつ、ＶＲ２の調整によっ
て定まる振幅±Δφm を持つ矩形波状の磁束信号が重畳
した信号となる。
【００２０】ＳＱＵＩＤリング１の出力Ｖは増幅回路７
によって増幅された後、積分器８で積分されて磁束計測
出力Ｖ0 となる。この出力Ｖ0 は、スイッチＳを介して
電圧電流変換器９によって電流信号に変換された後、フ
ィードバックコイル３を介してＳＱＵＩＤリング１に帰
還される。
によって増幅された後、積分器８で積分されて磁束計測
出力Ｖ0 となる。この出力Ｖ0 は、スイッチＳを介して
電圧電流変換器９によって電流信号に変換された後、フ
ィードバックコイル３を介してＳＱＵＩＤリング１に帰
還される。
【００２１】次に、以上の本発明実施例の調整方法を述
べる。使用に先立ち、まず、可変抵抗ＶＲ１の調整によ
って電流バイアスＩb を決定するが、ＳＱＵＩＤリング
１のφ−Ｖ曲線の振幅が最大となるようにその振幅±Ｉ
b を定める。
べる。使用に先立ち、まず、可変抵抗ＶＲ１の調整によ
って電流バイアスＩb を決定するが、ＳＱＵＩＤリング
１のφ−Ｖ曲線の振幅が最大となるようにその振幅±Ｉ
b を定める。
【００２２】次に、変調用磁束信号を決定するが、この
場合、電流バイアスＩb を供給し、かつ、スイッチＳを
開いたリセット状態で、まず、可変抵抗ＶＲ３の調整に
よって直流磁束バイアスφm0を決定し、その後、可変抵
抗ＶＲ２の調整によって振幅±Δφm を決定する。φm0
は、正負のφ−Ｖ曲線が対称となる位置とし、振幅±Δ
φm は、そのφm0を中心に、φ−Ｖ曲線の傾きが最も急
となる位置とする（後述の図２，図３および図４の各
（Ａ）図を参照）。
場合、電流バイアスＩb を供給し、かつ、スイッチＳを
開いたリセット状態で、まず、可変抵抗ＶＲ３の調整に
よって直流磁束バイアスφm0を決定し、その後、可変抵
抗ＶＲ２の調整によって振幅±Δφm を決定する。φm0
は、正負のφ−Ｖ曲線が対称となる位置とし、振幅±Δ
φm は、そのφm0を中心に、φ−Ｖ曲線の傾きが最も急
となる位置とする（後述の図２，図３および図４の各
（Ａ）図を参照）。
【００２３】以上の調整を終了した後、スイッチＳを閉
じてロック状態として使用する。図２および図３は、Ｓ
ＱＵＩＤリング１の２つのジョセフソン接合１１と１２
の特性が一致している場合の、それぞれ信号磁界に対す
る動作時、および、逆相成分ノイズに対する動作時にお
けるφ−Ｖ特性の変化（Ａ）と各部の信号波形を示すタ
イムチャート（Ｂ）を併記して示す図で、以下、これら
の図を参照しつつ本発明実施例の作用を述べる。
じてロック状態として使用する。図２および図３は、Ｓ
ＱＵＩＤリング１の２つのジョセフソン接合１１と１２
の特性が一致している場合の、それぞれ信号磁界に対す
る動作時、および、逆相成分ノイズに対する動作時にお
けるφ−Ｖ特性の変化（Ａ）と各部の信号波形を示すタ
イムチャート（Ｂ）を併記して示す図で、以下、これら
の図を参照しつつ本発明実施例の作用を述べる。
【００２４】図２（Ａ）に示すように、ＳＱＵＩＤリン
グ１のφ−Ｖ特性は、ゆらぎ成分がよび信号磁界のいず
れもない状態では実線に示す通りとなり、外部磁界が加
わるとそのφ−Ｖ特性は破線で示すように同相に変化す
る。
グ１のφ−Ｖ特性は、ゆらぎ成分がよび信号磁界のいず
れもない状態では実線に示す通りとなり、外部磁界が加
わるとそのφ−Ｖ特性は破線で示すように同相に変化す
る。
【００２５】図２（Ｂ）に示すような矩形波状電流バイ
アスＩb が供給され、かつ、これと同期した矩形波状の
磁束信号φm によって変調されたＳＱＵＩＤリング１の
出力Ｖは、正電流バイアス側のφ−Ｖ曲線上のφ＝（φ
m0−Δφm ）に相当する電圧と、負電流バイアス側のφ
−Ｖ曲線上のφ＝（φm0＋Δφm ）に相当する電圧との
値を繰り返す。ゆらぎ成分および信号磁界のない状態で
は、ＳＱＵＩＤリング１の出力Ｖは実線で示すようにV1
とV2との間で矩形波状に変化することになり、この場
合、積分器８の出力つまり磁束計測出力Ｖ0 は同じく実
線で示すように零となるが、信号磁界が入ると、ＳＱＵ
ＩＤ出力Ｖは破線で示すようにV1' とV2'の間で矩形波
状に変化し、磁束計測出力Ｖ0 は破線で示すように入力
磁界に応じた値となる。
アスＩb が供給され、かつ、これと同期した矩形波状の
磁束信号φm によって変調されたＳＱＵＩＤリング１の
出力Ｖは、正電流バイアス側のφ−Ｖ曲線上のφ＝（φ
m0−Δφm ）に相当する電圧と、負電流バイアス側のφ
−Ｖ曲線上のφ＝（φm0＋Δφm ）に相当する電圧との
値を繰り返す。ゆらぎ成分および信号磁界のない状態で
は、ＳＱＵＩＤリング１の出力Ｖは実線で示すようにV1
とV2との間で矩形波状に変化することになり、この場
合、積分器８の出力つまり磁束計測出力Ｖ0 は同じく実
線で示すように零となるが、信号磁界が入ると、ＳＱＵ
ＩＤ出力Ｖは破線で示すようにV1' とV2'の間で矩形波
状に変化し、磁束計測出力Ｖ0 は破線で示すように入力
磁界に応じた値となる。
【００２６】一方、素子パラメータの温度ゆらぎがある
場合には、ＳＱＵＩＤリングのφ−Ｖ特性は、図３
（Ａ）に示すように、ゆらぎ成分および信号磁界のない
実線で示す状態から、破線で示すように逆相に変化す
る。
場合には、ＳＱＵＩＤリングのφ−Ｖ特性は、図３
（Ａ）に示すように、ゆらぎ成分および信号磁界のない
実線で示す状態から、破線で示すように逆相に変化す
る。
【００２７】この場合、ＳＱＵＩＤリング１の出力は、
図３（Ｂ）に示すように、実線で示す状態から破線で示
す状態、すなわちV1" とV2" の間で変化する矩形波状信
号に変化することになる。この状態では磁束計測出力Ｖ
0 は零のままとなって変化せず、従って、素子パラメー
タの温度ゆらぎは計測出力に影響を及ぼさず、低周波ノ
イズは低減する。
図３（Ｂ）に示すように、実線で示す状態から破線で示
す状態、すなわちV1" とV2" の間で変化する矩形波状信
号に変化することになる。この状態では磁束計測出力Ｖ
0 は零のままとなって変化せず、従って、素子パラメー
タの温度ゆらぎは計測出力に影響を及ぼさず、低周波ノ
イズは低減する。
【００２８】以上の実施例において特に注目すべき点
は、電流バイアス信号と変調用磁束信号は同一周波数で
同期した信号でよく、しかも、特に参照用の信号を用い
た位相検波を行うことなく、ＳＱＵＩＤリング１の出力
を増幅・積分するだけで、従って極めて簡単な回路構成
のもとに、磁束計測信号を得ることができ、しかも素子
パラメータの温度ゆらぎに起因する低周波ノイズを確実
に除去することができる点である。そして更には、本発
明実施例の構成によると、以下に示すようにＳＱＵＩＤ
リング１内の２つのジョセフソン接合の特性が相違する
場合でも磁束の測定が可能となる。
は、電流バイアス信号と変調用磁束信号は同一周波数で
同期した信号でよく、しかも、特に参照用の信号を用い
た位相検波を行うことなく、ＳＱＵＩＤリング１の出力
を増幅・積分するだけで、従って極めて簡単な回路構成
のもとに、磁束計測信号を得ることができ、しかも素子
パラメータの温度ゆらぎに起因する低周波ノイズを確実
に除去することができる点である。そして更には、本発
明実施例の構成によると、以下に示すようにＳＱＵＩＤ
リング１内の２つのジョセフソン接合の特性が相違する
場合でも磁束の測定が可能となる。
【００２９】ＳＱＵＩＤリング１内の２つのジョセフソ
ン接合１１と１２の特性が一致していない場合には、φ
−Ｖ特性は、図４（Ａ）に例示するように、正負の電流
バイアス供給時における曲線がφ軸を挟んで非対称とな
る。本発明実施例においては、ＳＱＵＩＤリング１の出
力は、前記したように正電流バイアス側のφ−Ｖ曲線上
のφ＝（φm0−Δφm ）に相当する電圧と、負電流バイ
アス側のφ−Ｖ曲線上のφ＝（φm0＋Δφm ）に相当す
る電圧との値を繰り返すことになるが、この各電圧値
は、φ軸上のφ＝φm0を中心点として、ゆらぎ成分およ
ひ信号磁界のない状態での正負の電流バイアス供給時に
おける各φ−Ｖ曲線の点対称位置の電圧値である。ここ
で、ＳＱＵＩＤリングのφ−Ｖ特性は、図４（Ａ）にも
示したように、正負の曲線は一般にφ軸上のいずれかの
点を中心として点対称となるため、この点を捜し出して
変調用磁束信号の中央値φm0となるように直流磁束バイ
アスの大きさを設定することにより、図４（Ｂ）に破線
で示すように信号磁界の測定が可能となる。なお、素子
パラメータの温度ゆらぎがある場合には、図示はしない
が前記した図３の場合と全く同様にしてこれの影響を打
ち消すことができる。
ン接合１１と１２の特性が一致していない場合には、φ
−Ｖ特性は、図４（Ａ）に例示するように、正負の電流
バイアス供給時における曲線がφ軸を挟んで非対称とな
る。本発明実施例においては、ＳＱＵＩＤリング１の出
力は、前記したように正電流バイアス側のφ−Ｖ曲線上
のφ＝（φm0−Δφm ）に相当する電圧と、負電流バイ
アス側のφ−Ｖ曲線上のφ＝（φm0＋Δφm ）に相当す
る電圧との値を繰り返すことになるが、この各電圧値
は、φ軸上のφ＝φm0を中心点として、ゆらぎ成分およ
ひ信号磁界のない状態での正負の電流バイアス供給時に
おける各φ−Ｖ曲線の点対称位置の電圧値である。ここ
で、ＳＱＵＩＤリングのφ−Ｖ特性は、図４（Ａ）にも
示したように、正負の曲線は一般にφ軸上のいずれかの
点を中心として点対称となるため、この点を捜し出して
変調用磁束信号の中央値φm0となるように直流磁束バイ
アスの大きさを設定することにより、図４（Ｂ）に破線
で示すように信号磁界の測定が可能となる。なお、素子
パラメータの温度ゆらぎがある場合には、図示はしない
が前記した図３の場合と全く同様にしてこれの影響を打
ち消すことができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングに対して所定の周波数で正負に
変化する矩形波状の駆動用電流バイアスを供給するとと
もに、そのＤＣ−ＳＱＵＩＤに対しフィードバックコイ
ルを介して電流バイアスと同期した矩形波状の磁束信号
と所定の直流磁束信号とを重畳した磁束信号を供給して
ＳＱＵＩＤリングの出力を取り出し、そのＤＣ−ＳＱＵ
ＩＤリングの出力を増幅の後に積分して磁束計測信号と
し、また、その積分回路の出力を上記フィードバックコ
イルを介して帰還させるているから、１つの周波数のパ
ルス発振器を利用して電流バイアスおよび変調用磁束信
号を形成することができるとともに、特に参照用の信号
を作ってＳＱＵＩＤリングの出力を検波することなく、
極めて簡単な回路構成のもとに磁束計測信号を得て、か
つ、素子パラメータの温度ゆらぎ成分を除去して低周波
ノイズを低減させることができる。しかも、ＳＱＵＩＤ
リングの出力は、正負の電流バイアス供給時における正
側および負側のφ−Ｖ曲線上の、φ軸上の直流磁束信号
に相当する一点を中心とした点対称位置の電圧値の繰り
返し波形となることから、従来のＳＨＡＤ法と同様に正
負非対称のφ−Ｖ特性を持つＳＱＵＩＤリングにおいて
も計測が可能とであり、なおかつ、ＳＨＡＤ法のように
ＳＱＵＩＤリングの出力を読み込まない時間である不感
帯となる時間帯が存在しないため、ホワイト領域でのＳ
／Ｎが悪化することもない。
ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングに対して所定の周波数で正負に
変化する矩形波状の駆動用電流バイアスを供給するとと
もに、そのＤＣ−ＳＱＵＩＤに対しフィードバックコイ
ルを介して電流バイアスと同期した矩形波状の磁束信号
と所定の直流磁束信号とを重畳した磁束信号を供給して
ＳＱＵＩＤリングの出力を取り出し、そのＤＣ−ＳＱＵ
ＩＤリングの出力を増幅の後に積分して磁束計測信号と
し、また、その積分回路の出力を上記フィードバックコ
イルを介して帰還させるているから、１つの周波数のパ
ルス発振器を利用して電流バイアスおよび変調用磁束信
号を形成することができるとともに、特に参照用の信号
を作ってＳＱＵＩＤリングの出力を検波することなく、
極めて簡単な回路構成のもとに磁束計測信号を得て、か
つ、素子パラメータの温度ゆらぎ成分を除去して低周波
ノイズを低減させることができる。しかも、ＳＱＵＩＤ
リングの出力は、正負の電流バイアス供給時における正
側および負側のφ−Ｖ曲線上の、φ軸上の直流磁束信号
に相当する一点を中心とした点対称位置の電圧値の繰り
返し波形となることから、従来のＳＨＡＤ法と同様に正
負非対称のφ−Ｖ特性を持つＳＱＵＩＤリングにおいて
も計測が可能とであり、なおかつ、ＳＨＡＤ法のように
ＳＱＵＩＤリングの出力を読み込まない時間である不感
帯となる時間帯が存在しないため、ホワイト領域でのＳ
／Ｎが悪化することもない。
【図１】本発明実施例の回路構成を示すブロック図
【図２】本発明実施例に信号磁界が入った場合のφ−Ｖ
特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号波形の
タイムチャート（Ｂ）
特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号波形の
タイムチャート（Ｂ）
【図３】本発明実施例において逆相ゆらぎがある場合の
φ−Ｖ特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号
波形のタイムチャート（Ｂ）
φ−Ｖ特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号
波形のタイムチャート（Ｂ）
【図４】本発明実施例におけるＳＱＵＩＤリング１の特
性が正負非対称の場合に、信号磁界が入った場合のφ−
Ｖ特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号波形
のタイムチャート（Ｂ）
性が正負非対称の場合に、信号磁界が入った場合のφ−
Ｖ特性の変化を示すグラフ（Ａ）および各部の信号波形
のタイムチャート（Ｂ）
【図５】ＤＣ−ＳＱＵＩＤにおける低周波ノイズの説明
図
図
１ ＳＱＵＩＤリング １１，１２ ジョセフソン接合部 ２ 矩形波発振器 ３ フィードバックコイル ４ 加算器 ５ 直流電源 ７ 増幅回路 ８ 積分器 ９ 電流電圧変換器 Ｒ１，Ｒ２ 抵抗 ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ３ 可変抵抗 Ｓ スイッチ
Claims (1)
- 【請求項１】 ＤＣ−ＳＱＵＩＤを用いた零位法による
磁束の計測装置であって、ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングに対
して所定の周波数で正負に変化する矩形波状の駆動用電
流バイアスを供給する電流バイアス源と、上記ＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤに対しフィードバックコイルを介して上記電流
バイアスと同期した矩形波状の磁束信号と所定の直流磁
束信号とを重畳した変調用磁束信号を供給する磁束供給
手段と、上記ＤＣ−ＳＱＵＩＤリングの出力を増幅する
増幅回路と、その増幅回路の出力を積分して磁束計測信
号として出力する積分回路と、その積分回路の出力を上
記フィードバックコイルを介して帰還させる回路手段を
備えたことを特徴とするＳＱＵＩＤ磁束計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21270893A JP3198746B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21270893A JP3198746B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0763835A JPH0763835A (ja) | 1995-03-10 |
| JP3198746B2 true JP3198746B2 (ja) | 2001-08-13 |
Family
ID=16627119
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21270893A Expired - Fee Related JP3198746B2 (ja) | 1993-08-27 | 1993-08-27 | Ｓｑｕｉｄ磁束計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3198746B2 (ja) |
-
1993
- 1993-08-27 JP JP21270893A patent/JP3198746B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0763835A (ja) | 1995-03-10 |
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