JP5083744B2 - 超伝導量子干渉素子用電子回路及びそれを用いた装置 - Google Patents
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上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。
上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。
上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路による第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明による超伝導量子干渉素子用電子回路の第1の実施形態の構成を示す回路図である。
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1は、dc超伝導量子干渉素子(以下、適宜dc−SQUIDと呼ぶ)2と、この超伝導量子干渉素子2に隣接して配設される、ピックアップコイル3とコンデンサ4と入力コイル5とからなる共振器6と、フィードバックコイル7と、超伝導量子干渉素子2からの信号を検出する電子回路10と、を含み構成されている。
ここで、図中の点線で囲んでいる領域11は、dc−SQUID2と入力コイル5とフィードバックコイル7と、が収容される冷却容器である。この冷却容器11は、超伝導量子干渉素子2が動作する温度に保持されている液体窒素や液体窒素冷凍機などによるクライオスタットなどの冷却容器を用いることができる。この冷却容器11は、外部磁界からの雑音を遮断するために磁気シールドされてもよい。また、ピックアップコイル3がNQR信号を検出する場合には、さらに、電界シールドを施してもよい。本発明においては、磁気シールド及び電界シールドの両方の作用をするシールドを、電磁気シールドと呼ぶ。
ここで、増幅器12には、図示しない基準電圧が入力されていて、常にdc−SQUID2からの出力電圧が一定となるように、帰還抵抗14を介してフィードバック制御されている。これにより、dc−SQUID2からの出力が一定となるように、フィードバックコイル7から磁束が発生する。このフィードバック電流の値は、dc−SQUID2に印加される外部磁界の磁束に比例する。これにより、フィードバック電流の値から外部磁束の測定ができる。
この共振器6の共振周波数(fr)は、下式(1)で表わされる。
上記(2)式から、dc−SQUID2の磁界感度は、ピックアップコイル3及び入力コイル5の直列抵抗を小さくするほど、高くすることができる。例えば、共振周波数1MHzにおいて、感度SB 1/2 として約5fT/Hz1/2 という値を実現できる。1fTは、10-15 Tである。この値は、共振器6を用いない場合の20倍以上の磁界感度である。
これにより、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1によれば、ピックアップコイル3及び入力コイル5とコンデンサ4とからなる共振器6を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の10倍以上の磁界感度を容易に得ることができる。また、高温超伝導体からなる超伝導量子干渉素子2を用いれば、液体窒素温度で動作する超高感度磁気センサーを構成することができる。
用いるピックアップコイル3、入力コイル5やコンデンサ4の値を調整すれば、任意の共振周波数とすることができる。例えば、コンデンサ4として、可変容量コンデンサ(バリコン)や可変容量ダイオードを用いてもよい。可変容量ダイオードの場合には、可変容量ダイオードに印加する直流電圧を制御することにより容量を変化させることができる。
図2は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1を用いた核四極共鳴装置NQR装置20の構成を示すブロック図である。
図において、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を用いたNQR装置20は、電磁波発振器21と増幅器22と送信コイル23とからなる電磁波送信機24と、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1を含む受信機30と、解析装置35と、を含み構成されている。
図3は、本発明のNQR装置を用いた非接触型化学物質検知装置50の構成を示す模式図である。
図3に示すように、本発明の非接触型化学物質検知装置50は、ベルトコンベア部61上を搬送される被検査物62が、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路1を有するNQR装置を用いて検査する装置である。
ベルトコンベア部61の途中には、電磁気シールド部60が配設されている。この電磁
気シールド部60は、ベルトコンベア61Aの移動方法の前後に被検査物62の入口63と出口64が設けられた長方形の電磁気シールド60Aと、その上部の貫通穴に挿入した二重の円筒電磁気シールド59と、から構成されている。この電磁気シールド60Aとは、磁気シールド及び電界シールドの作用をするシールドである。そして、長方形の電磁気シールド60Aの中を非磁性のベルトコンベア61Aのベルトが移動できるようにされている。
なお、ベルトコンベア61Aの駆動ローラやモータは、電磁気シールド部60の外に設けられている。
被検査物62は、荷物入り口から電磁気シールド部60内に導入される。NQR装置より発生させた高周波を増幅器52で増幅し、それを電磁気シールド部60内に設けた送信用アンテナ51より被検査物62へ向けて放射しながら、被検査物62を荷物出口方向へ移動させる。
(イ)化学物質そのものが直接検知できる。
(ロ)周波数を変化させることにより複数の化学物質を同時に検知することが可能になる。
(ハ)装置の小型化が可能になる。
(ニ)検知に磁石が不用となる。
(ホ)SQUIDを、センサーとして用いるため高感度の検知が可能になる。
(へ)高温超伝導SQUIDの利用により少量の液体窒素により作動が可能になる。
図4は、実施例1の超伝導量子干渉素子用電子回路1Aにおいて、冷却容器周辺の構成を示す模式図である。
図4に示すように、冷却容器11は、電磁気シールド16内に収容されている。この冷却容器11内には、dc−SQUID2と、入力コイル5などが配設され、液体窒素11Aで冷却されている。dc−SQUID2は、液体窒素温度で動作する高温超電導体を用いた。dc−SQUID2を載置する基板の大きさは、2cm×2cmであり、その有効磁束捕獲断面積は0.46mm2 である。
図5に示すように、共振器6の共振周波数波は、ネットワークアナライザー18により測定した。ネットワークアナライザーの入力18Aには、dc−SQUID2からの信号を検出する電子回路10の出力が入力され、その出力18Bには、抵抗からなる整合回路18Cを介して、伝送コイル19を接続している。この伝送コイル19は、ピックアップコイル3の周囲に配設されている。伝送コイル19の直径は50cmの1回巻きコイルである。
図6から明らかなように、上記図4で説明した共振器6の共振周波数は1.384MHzであり、Q値が104であることが分かった。
抗を測定した。
図7は、実施例1のピックアップコイル3及びと入力コイル5の直列抵抗の周波数依存性を示す図である。図において、横軸は周波数(MHz)であり、縦軸は直列抵抗(Ω)を示している。
図7から明らかなように、周波数が0.2〜4MHzにおける直列抵抗は、周波数の増大と共に増大することが分かった。この周波数数依存性は、上記コイルを形成する銅線の表皮効果による。
図8に示すように測定回路において、伝送コイル19に信号発生器27を接続し、超伝導量子干渉素子用電子回路1Aからの信号出力をスペクラムアナライザー28に接続している。この場合、信号発生器27の出力27Aが、抵抗からなる整合回路27Bを介して、伝送コイル19に供給されている。ここで、信号発生器27及びスペクラムアナライザー28以外の回路は、シールドルーム29に収容し、外来雑音を遮断した。
図9から明らかなように、954kHzの信号は、1.67mV/Hz1/2 であることが分かった。
比較例として、実施例1の回路において共振器を用いないで、dc−SQUID2を直接、伝送コイル19に結合した。
図10は、比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の出力の1例を示す図である。図において、横軸は周波数(MHz)であり、縦軸は電圧スペクトラム(V/Hz1/2 )を示している。
図10から明らかなように、954kHzの信号は、43μV/Hz1/2 であり、実施例1の38.8分の1の信号強度となった。dc−SQUID2自身の磁界感度SB 1/2
カ゛220fT/Hz1/2 であることから、実施例1の磁界感度SB 1/2 は、220/38.8から計算され、5.67fT/Hz1/2 となる。
図11は、実施例1及び比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の磁界感度SB 1/2 の周波数依存性を示す測定値を示す図である。図において、横軸は周波数(MHz)であり、縦軸は磁界感度(fT/Hz1/2 )を示している。
図11から明らかなように、周波数が0.2〜4MHzの範囲で、磁界感度SB 1/2 は、4.5から8.5fT/Hz1/2 となった。この値は、比較例のdc−SQUID2自身の磁界感度SB 1/2 である220fT/Hz1/2 の25/1から1/50/1であることが判明した。
2,57:dc超伝導量子干渉素子(dc−SQUID)
2A,2B:超伝導体
2C,2D:ジョセフソン接合
2E,2F:電流端子
3:ピックアップコイル
4:コンデンサ
4A:バリコン
5:入力コイル
6:共振器
7:フィードバックコイル
10:電子回路
11:冷却容器
12:増幅器
13:積分器
13A:出力
14:帰還抵抗
16:電磁気シールド
18:ネットワークアナライザー
18A:入力
18B:出力
18C:整合回路
19:伝送コイル
20:核四極共鳴装置(NQR装置)
21:電磁波発振器
23:送信コイル
24:電磁波送信機
25,62:被測定物質
26:NQR波
27:信号発生器
28:スペクラムアナライザー
29:シールドルーム
30:受信機
32:検波器
35:解析装置
36:パルス変調器
50:非接触型化学物質検知装置
51:送信用アンテナ
52:電力増幅部
53:高周波発振器
56:ロックインアンプ
56:データ処理装置
58:液体窒素容器
59:二重の円筒電磁気シールド
60:電磁気シールド部
60A:電磁気シールド
61:ベルトコンベア部
61A:ベルトコンベア
63:入口
64:出口
Claims (9)
- 超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルと可変容量のコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及び可変容量のコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容し、高周波信号を0.1〜10MHzまで掃引することを特徴とする、超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項1に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
- 被検査物に電磁波を照射する送信部と、該被検査物からの核四極共鳴信号を受信する受信部とを、含み構成される核四極共鳴装置であって、
上記受信部が超伝導量子干渉素子を用いた電子回路を備え、
上記電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルと可変容量のコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及び可変容量のコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容し、送信部からの高周波信号を0.1〜10MHzまで掃引することを特徴とする、核四極共鳴装置。
- 前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項4に記載の核四極共鳴装置。
- 前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項4に記載の核四極共鳴装置。
- 電磁波発信器及び電磁波発信アンテナからなる電磁波発信部と、該電磁波に共鳴する原子のNQRを受信する受信部と、を、含み構成される非接触型化学物質検知装置であって、
上記受信部が高温超伝導体からなる量子干渉素子を用いた電子回路を備え、
上記電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルと可変容量のコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及び可変容量のコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容し、送信部からの高周波信号を0.1〜10MHzまで掃引することを特徴とする、非接触型化学物質検知装置。
- 前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項7に記載
の非接触型化学物質検知装置。 - 前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項7に記載の非接触型化学物質検知装置。
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