JP4597670B2 - 磁力計 - Google Patents
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Description
従来技術
従来、磁界の高精度測定に用いられる磁力計は、常に超伝導量子干渉素子(SQUIDs)に基づいて構成されてきた。このタイプのSQUIDsは、単に通常2つのジョセフソン接合を含む閉じた超伝導カレントループとして使用されるが、独立した機器としてより多く使用されている。もし、これらのカレントループが臨界電流より低い電流で駆動されると、接合に電圧は降下しない。しかし従来の磁力計において、カレントループは超臨界電流によって駆動され、接合の両側の2つの超伝導電極において交流電圧が一時的に急激に降下する。この交流電圧の周波数は、駆動電流の強さとループに行渡る磁束の強さによる。従来の磁力計の場合、容易に計測可能な量というのは、カレントループおいて降下する直流電圧であり、この電圧は1あるいはそれ以上の周期にわたる急激に変化する交流電圧の時間平均化によって発生する。典型的な2接合の直流SQUIDの検量線には、周期Φ0という周期性がある。Φ0は基本磁束量子で、この場合Φ0=h/2eである。磁束がカレントループに行渡るたびに、基本磁束量子の整数倍に相当し検量線が最小になるが、基本磁束量子Φ0の半整数では検量線は最大になる。このようなSQUIDシステムの検量線にはこのような周期性がある。強力に磁界を変える場合には、磁力計における計測の際に磁界の変化により発生するSQUIDの検量線の周期の数を決めておく必要がある。磁界の変化の規模は発生する周期の数によって決定される。周期の発生をカウントすることは、電気回路の機構の観点から見て比較的複雑なだけでなく、タイムユニット当りの可能な最大変化に関する制限を受けやすい。このことにより、測定しようとする外部磁界があまりにも急激に増加するとカウンティングが遅れ、測定が役に立たないものになってしまう。
発明の目的および利点
磁力計、特に磁界の高精度な測定のための磁力計で、超伝導に基づいた、それぞれ複数のジョセフソン接合と、電子装置とを有する閉じたループを用いて、機器のコストに関して比較的単純で全体的により確かな方法で磁界の変化を決定することが可能な磁束計の提供が本発明の目的である。
本発明は第1に磁力計、特に磁界の高精度な測定のための磁力計で、複数のジョセフソン接合をそれぞれ含みカレントループを形成する閉じた超伝導セルと電子装置を備えた磁力計に由来する。本発明の中心は、セルが超伝導量子干渉フィルタを形成し、少なくとも3つのセルが超伝導および/または非超伝導的に接続されており、該少なくとも3つのセルの接合は、時変電圧が1つのセルの少なくとも2つの接合において降下し、この電圧の時間平均がゼロにならないよう加圧されていて、該少なくとも3つのセルは幾何学的に異なるように構成され、磁界が存在するときセルに囲まれた磁束が、電圧応答関数の周波数スペクトルが磁束に関して著しいΦ0周期要素を持たないように、あるいは離散周波数スペクトルが存在する場合は離散周波数スペクトルが離散周波数スペクトルの非Φ0周期要素と比較して支配的でないよう、互いに異なるように構成されることと、該少なくとも3つのセルは、磁界が存在する場合、セルにおける遮蔽電流の流れが複数の少なくとも3つのセルにおいて1次磁束量子Φ0よりも大きな磁束を発生させないよう、特に幾何学的に、接合に関して構成されていることと、磁力計には電子装置に接続された電気的に伝導のフィードバックループが備えられており、該フィードバックループは特に電気的におよび/あるいは光学的に接続されており、超伝導量子干渉フィルタに磁気的に連結されていることと、該電子装置を用いて、電子装置により規定された電圧が超伝導量子干渉フィルタおいて降下するよう、フィードバックループに電流を流すことが可能であり、連結された磁界の強さは該フィードバックループを流れる電流の大きさから規定されることが可能であるという点である。超伝導量子干渉フィルタ(以下ではSQIFと略される)を流れる遮蔽電流によって発生した磁界は、磁力計が十分な感度を獲得できるよう制限されなければならない。外部磁界が存在する場合、各SQIFセルの周囲を流れる遮蔽電流は、1次磁束量子Φ0よりも大きな磁束を複数のループにおいて発生させる2次磁界を発生させることができない。さもなければ遮蔽電流によって誘導された磁界は、測定される外部磁界により誘導された磁束をあまりにも強力に減衰させてしまい、SQIFにおいて降下する電圧が大きく劣化されてしまう。
超伝導量子干渉フィルタにおいて、固有の巨視的な検量線
検量線の固有性および超伝導量子干渉フィルタの高い感度は、時変電磁界の直接測定を、用いられるジョセフソン接合あるいは弱連結のタイプによって下限がvext≒0で上限が一般に数百GHz〜THzの連続した周波数範囲で可能にする。この周波数範囲全体は単一の適切に構成された超伝導量子干渉フィルタを用いて到達可能である。電磁波の検知において、超伝導量子干渉フィルタは同時に受信アンテナ、フィルタおよび強力な増幅器として作動する。適切に構成された量子干渉フィルタの固有のノイズはこの場合、従来のSQUID磁力計固有のノイズよりもかなり小さくてもよい。従来のアンテナおよびフィルタとの比較におけるさらなる利点は、とりわけ、測定原理によっては、周波数範囲が超伝導量子干渉フィルタの空間的範囲の関数ではないという点である。空間的範囲は感度にのみ影響する。
A9)できる限り理想的なジョセフソン接合を実現するために、さらに接合は点接触として構成することも可能である。
超伝導量子干渉フィルタの使用には、既知のSQUIDに比べて、より大きな電圧範囲を有するという更なる利点がある。このことにより測定範囲から逸脱するリスクを低減する。また、測定におけるノイズによる影響も低減する。固有な電圧応答関数を有する超伝導量子干渉を用いることによって、その固有性に基づいて磁力計の作動範囲から逸脱した後に再度元の作動点を検出することが可能であり、よって、その先の測定をエラーなしに先に行われた測定に追加することが可能である。
典型的な実施形態の説明
図1に図式的に示されているのは、左右対称に備えられた2つの超伝導ピックアップループ2,3と、その周囲に案内されたカレントループ4とを有する超伝導量子干渉フィルタ1(または以下でSQIFと示される)である。帰還磁界がフィードバック回路5を介してカレントループ4において発生可能である。この目的で、フィードバックループ4は接続ライン4a,4bを介してフィードバック回路5に接続されている。また、フィードバック回路は電線1a,1bを介して超伝導量子干渉フィルタ1に電気的に接続されている。
図2は、各構成要素は図示されていないものの、ピックアップループの形状以外は図1の構成と実質的に同じものである。図2では、ピックアップループの代わりに、磁束集束超伝導ピックアップ面6,7が形成されている。磁界の存在下では、遮蔽電流が面6,7の境界に沿って流れる。この遮蔽電流はSQIFにおいて磁界を発生させる。ピックアップループ2,3同様に、ピックアップ面6,7は磁束を集束させる機能をする。すなわち、ピックアップ面6,7は外部に発生し、測定される磁界を規定された領域において増幅させるのである。
図7に示されているのは、グラジオメータループとして構成された磁束集束磁界アンテナ21を備える磁力計20である。すなわち、該ループはある箇所でねじれている。SQIFはツイストコイルの中央に、例えば図7のように、配置されている。均質磁界の場合、ツイストコイルには遮蔽電流は流れない。これはループを流れる磁束がねじれによって消失するからである。しかし、磁束の消失は、抽象的に見たときに、ねじれによって形成された「8」の各面が同一であるときにのみ起こる。磁界に勾配がある場合は、磁束は消失せず、遮蔽電流が流れ、SQIFの領域に磁界を発生させる。図示はされていないが、図7によるこの構造と、図6aおよび6bによる構造はどちらも、前述の実施例同様、適切な配線を用いてフィードバックカレントループと組合せることが好ましい。
式3によると、電空あるいは、全てのJ=1...Nにvj(t)=v1(t)であるネットワークの周波数の比較によってゆっくりと変化する外部磁界が保持される。すなわち、vi(t)は超電導量子干渉フィルタにおいて降下するAC電圧を規定する。ネットワーク周波数vは、アインシュタイン関数
図18bの実施例において、例えば、向き付けされた表面要素
Claims (14)
- カレントループを形成し、それぞれ複数、好ましくは2つのジョセフソン接合(28,29)を含む閉じた超伝導セル(23,24,26)と、
電子装置(5)と、
を有する磁力計であって、
セル(23,24,25,26)は超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)を形成し、少なくとも3つのセルが超伝導的および/あるいは非超伝導的に接続され、
前記少なくとも3つのセルのそれぞれは、少なくとも1つの隣接する当該セルを有し、
前記少なくとも3つのセルの前記2つのジョセフソン接合は、前記電子装置(5)に電気的に接続されて、
前記ジョセフソン接合が一定の超臨界電流の供給を受ける場合には、前記超伝導量子干渉フィルタにおいて電圧が降下し、該電圧が、ゼロにならない時間平均を有するようにされており、
前記少なくとも3つのセルは、前記超伝導量子干渉フィルタにおいて磁界が存在する場合に、前記少なくとも3つのセルにより囲まれた磁束が、当該セル間で意図的に異なり、且つ、公約数を有さないように、意図的に幾何学的に異なるように構成されると共に、隣接して配置され、それゆえに、前記磁束は、いかなる最大公約数も備えず、
一定の超臨界電流が供給されたときに、存在する磁束の絶対値が最小のときにのみ、前記超伝導量子干渉フィルタにおいて、降下される電圧の直流部は最小となり、それゆえに、前記直流部が磁束に関して周期性を持たず、
磁界が存在しているときに、該セルを流れる遮蔽電流が、複数の該少なくとも3つのセルにおいて磁束量子Φ0よりも大きな磁束を発生させないよう、該少なくとも3つのセルは構成されており、
該電子装置(5)に接続され、該超伝導量子干渉フィルタに磁気的に連結されている電気的に伝導のフィードバックループ(4,4a,4b)が備えられており、
該電子装置(5)によって規定された電圧が該超伝導量子干渉フィルタにおいて降下し、連結された磁界の強さが該フィードバックループ(4,4a,4b)を流れる電流の大きさから決定されるよう、該電子装置(5)を介して該フィードバックループ(4,4a,4b)に電流を流すことが可能である、
ことを特徴とする磁力計。 - 前記超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)において、絶対値が、外側から前記超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)に連結された磁界によって発生する磁束の絶対値と、少なくとも一致する磁束を発生させる電流を、前記フィードバックループ(4,4a,4b)に流すことが可能である請求項1に記載の磁力計。
- 前記電子装置(5)は、
前記フィードバックループ(4,4a,4b)に電流を流すことにより、前記フィードバックループに発生する磁界を設定する手段と、
前記フィードバックループに流した電流値と、前記超伝導量子干渉フィルタにおける電圧降下と、に基づいて、前記超伝導量子干渉フィルタの作動点を検知する手段と、
を備えることを特徴とする請求項1あるいは請求項2に記載の磁力計。 - 前記測定される磁界を外側から超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)に連結すべく付加的な超伝導構造(2,3,6,11,12,14,16,17,18,21,22)が備えられることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の磁力計。
- 前記超伝導構造(2,3,6,11,12,14,16,17,18,21,22)は、前記超伝導量子干渉フィルタ(1,9,7)に連結される磁界を、前記超伝導量子干渉フィルタに集束させるように構成されている
ことを特徴とする請求項4に記載の磁力計。 - 前記超伝導量子干渉フィルタおよび付加的な超伝導連結構造(2,3,6,11,12,14,16,17,18,21,22)が、磁気的および/あるいは電気的に連結した別々のキャリア(15,19)に備えられていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の磁力計。
- 磁束変圧器(18)が前記別々のキャリア(15,19)の磁気連結のために備えられていることを特徴とする請求項6に記載の磁力計。
- 前記キャリアのうちの第1キャリアは、前記超伝導量子干渉フィルタ(1)を備え、
前記キャリアのうちの第2キャリアは、磁束集束構造(16,17)を備え、
前記第1キャリアと、前記第2キャリアとは、前記超伝導量子干渉フィルタ(1)と、前記磁束集束構造(16,17)とが対向するように重ね合わされること
を特徴とする請求項6あるいは請求項7に記載の磁力計。 - 超伝導構造手段(21,22)に基づいて、測定される磁界の1つあるいはそれ以上の空間的な微分関数が決定されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の磁力計。
- 超伝導構造手段(21,22)に基づいて、磁界の傾斜度が決定されることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の磁力計。
- 前記セル(23,24,25,26)が超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)を形成し、少なくとも3つの該セルが超伝導的および/あるいは非超伝導的に連結され、該少なくとも3つのセルの接合は、時変電圧が1つのセルの少なくとも2つの接合において降下し、該電圧の時間平均がゼロにならないよう加圧され、該少なくとも3つのセルは、磁界が存在しているときにセルによって囲まれている磁束が互いに異なり、電圧応答関数の周波数スペクトルが磁束に関して著しいΦ0周期要素を持たないよう、あるいは離散周波数スペクトルが存在するときには、離散周波数スペクトルのΦ0周期要素の寄与が、離散周波数スペクトルの非Φ0周期要素と比較して支配的にならないよう、幾何学的に異なるよう構成されていることと、超伝導量子干渉フィルタ(27)自体が、1次あるいはより高次の磁界の空間的な微分関数を測定可能なように、幾何学的に構成されていることとを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の磁力計。
- 前記磁力計(8)は、単体あるいは複数の電子装置(5)および単体あるいは複数のフィードバックループ(4)によって、個別にあるいは共同でそれぞれ、あるいはグループでコントロール可能な複数の前記超伝導量子干渉フィルタ(9)を含むことを特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の磁力計。
- カレントループを形成し、それぞれ複数、好ましくは2つのジョセフソン接合(28,29)を含む閉じた超伝導セル(23,24,26)と、
電子装置(5)と、
を有する磁力計であって、
セル(23,24,25,26)が超伝導量子干渉フィルタ(1,9,27)を形成し、少なくとも3つの該セルが超伝導的および/あるいは非超伝導的に連結され、該少なくとも3つのセルの接合は、時変電圧が1つのセルの少なくとも2つの接合において降下し、該電圧の時間平均がゼロにならないよう加圧され、該少なくとも3つのセルは、磁界が存在しているときにセルによって囲まれている磁束が互いに異なり、電圧応答関数の周波数スペクトルが磁束に関して著しいΦ 0 周期要素を持たないよう、あるいは離散周波数スペクトルが存在するときには、離散周波数スペクトルのΦ 0 周期要素の寄与が、離散周波数スペクトルの非Φ 0 周期要素と比較して支配的にならないよう、幾何学的に異なるよう構成されていることと、超伝導量子干渉フィルタ(27)自体が、1次あるいはより高次の磁界の空間的な微分関数を測定可能なように、幾何学的に構成されていることとを特徴とする磁力計。 - 前記磁力計(8)は、単体あるいは複数の電子装置(5)および単体あるいは複数のフィードバックループ(4)によって、個別にあるいは共同でそれぞれ、あるいはグループでコントロール可能な複数の前記超伝導量子干渉フィルタ(9)を含むことを特徴とする請求項13に記載の磁力計。
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