JPH01476A - 磁束計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁束計に係り、特に微小磁界検出に好適な磁束
計に関する。

〔従来の技術〕

ジョセフソンデバイスを使った磁束計は当該技術分野で
は超電導量子干渉計（Ｓ　ｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎ
ｇＱｕａｎｔｕ＋ｓ　　Ｉ　ｎｔｅｒｆｅｒａｎｃｅ　
　ｄｅｖｉｃｅ　：　　Ｓ　　Ｑ　ＴＪ　　Ｔ　　Ｄ　
と略す）を用いた５ＱＵＩＤ磁束計として知られている
。

従来の磁束計はＤＣ−３ＱＵＩＤ磁束計、ｒｆ−５ＱＵ
ＩＤ磁束計に代表される。ＤＣ−３ＱＵＩＤ磁束計は２
個のジョセフソン接合とインダクタとからなる超電導ル
ープに鎖交する磁束を超電導ループに流れる最大超電導
電流の変化として直流で観測する装置である。（例えば
ＵＳＰ４．３８９，６１２、ＴＪＳ　Ｐ４，５６７，４
３８）。

ｒ　ｆ　−Ｓ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ磁束計は１個のジョセフ
ソン接合とインダクタからなる超電導ループに鎖交する
磁束を超電導ループに流れる最大超電導電流の変化とし
て交流で観測する装置である。従来技術による何れの５
ＱＵＩＤ磁束計も、その要となる５ＱＵＩＤは超電導ル
ープに鎖交する磁束を検知する受動素子であって、ジョ
セフソン接合を使う５ＱＵＩＤは液体ヘリウム中に浸漬
され、出力信号は配線ケーブルを介して室温中の測定回
路、データ処理回路に送られる構成である。５ＱＵＩＤ
は非常に微弱な磁束を測定するものであって、しかもジ
ョセフソン素子の出力信号もそれ自体微弱な信号である
。そのため５ＱＵＩＤから室温にある測定回路に送られ
る（２号は例えば１μＶ程度の極めて微弱な信号である
。このため従来の５ＱＵＩＤ磁束計の感度は室温の熱雑
音によって制限されていた。

さらに微小磁界検出用の磁束計については、アイ・イー
・イー・イー、トランザクション　オンエレクトロン　
デバイス、イーデー２７゜Ｎｏ、ｌＯ，（１９８０年）
第１８９６頁から第１９０８頁（Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ　、　
Ｔｒａｎｓ、　Ｅ　１ｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ、Ｅ
Ｄ２７．Ｎｏ、１０　（１９８０）ｐｐ、１８９６〜１
９０８）において論じられている。

これは、磁界検出デバイス（例えばｄＣ・５ＱＵＩＤ）
からの電圧信号を増幅してからロックインアンプで同期
検波し、検波出力を検出デバイスに帰還している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は磁束計回路のアース配線を通じて回路や
検出デバイスに印加される雑音の影響について配慮され
ておらず、特に磁束計回路を交流電源で動作させると交
流電源線からの雑音で誤動作するという問題があった。

このような問題を解決するために、雑音に敏感な磁束検
出デバイスと、その周辺回路との間をフォトアイソレー
タを用いて接続し、両者間を電気的に絶縁したものが、
特開昭６０−８２８７２号公報、特開昭６１−３５３７
８号公報、特開昭６１−７７７７２号公報に記載されて
いる。

これらの従来技術は、電気信号を光に変換するに際して
、パルス幅変調方式（ｒ’ＷＭ）を採用している。しか
しながら、これはＰＷＭ方式の変調部で発生するパルス
性のノイズが磁束検出デバイスに与える影響、即ち、誤
動作の問題について配慮がされていない。

さらに、これら従来技術は、帰還回路に光ファイバ等を
用いているため、その部分での応答速度に関しては何ら
問題ない。しかしながら、光フアイバ両端に設けられた
光−電圧変換装置及び電気−光変換装置には、それぞれ
電気的素子が接続されているため、光ファイバの高速伝
送という特徴が、この電気的素子によって充分発揮し得
ないという問題がある。

・　本発明の第一の目的は、電気−光変換部及び光−電
気変換部で発生するノイズを低減し、誤動作のない磁束
計を提供することにある。

本発明の第二の目的は、応答速度の高い帰還回路を有す
る磁束計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の目的は、信号磁束を検出するセンサコイルと
、上記センサコイル番キ磁気的に結合され、上記センサ
コイルからの鎖交磁束に応じた周期電圧を発生する超伝
導ループ、上記超伝導ループはインダクタと少なくとも
Ｌつのジョセフソン接合とで構成される、上記超伝導ル
ープからの上記周期電圧を増幅する手段と、上記増幅手
段で増幅された周期電圧の所定周波数成分を増幅する同
期検波増幅手段と、上記同期検波増幅手段で増幅された
信号を光信号に変換する第１の電気−光変換手段と、上
記第１の電気−光変換手段からの光信号を伝送する第１
の光伝送手段と、上記第１の光伝送手段からの光信号を
入力し、それを電気信号に変換する超伝導光トランジス
タと、上記超伝導光トランジスタからの電気信号に応じ
た磁束を上記超伝導ループに鎖交させる帰還コイルとで
構成し、」二記センサコイル、上記超伝導ループ及び上
記超伝導光トランジスタを極低温中に設けることによっ
て達成される。

上記第２の目的は信号様束を検出するセンサコイルと、
上記センサコイルに磁気的に結合され、上記センサコイ
ルからの鎖交磁束に応じた周期電圧を発生する超伝導ル
ープ、上記超伝導ループはインダクタと少なくとも１つ
のジョセフソン接合とで構成される。上記超伝導ループ
からの周期電圧を増幅する手段と、上記増幅手段で増幅
された周期電圧を光信号に変換する電気−光変換手段と
、上記電圧−光変換手段からの光信号を所定周波数に応
じて光信号のまま同期検波を行う同期検波手段と、上記
同期検波手段からの光信号を伝送する第２の光伝送手段
と、上記第２の光伝送手段からの光信号を入力し、それ
を電気信号に変換する超伝導光トランジスタと、上記超
伝導光トランジスタからの電気信号に応じた磁束を上記
超伝導ループに鎖交させる帰還コイルとで構成し、上記
センサコイル、上記超伝導ループ及び上記超伝導光トラ
ンジスタは極低温中に設けることによって、達成される
。

〔作用〕

超伝導光トランジスタによる光−電気変換部は。

液体ヘリウム中の４．２にという極低温中で光入力に応
じて超伝導臨界電流及び素子自体の抵抗が変化するよう
に動作する。

従って、光−電気変換時に発生するノイズは。

素子自体及びバイアス抵抗の４．２Ｋにおける熱雑音の
みとなる。故に、従来の光−電気変換部で発生していた
パルスノイズ及び３００Ｋにおける熱雑音、並びに半導
体からのノイズを防止できる。

また、磁束計としての機能がこれらのノイズの影響を受
けないので、誤動作の問題もなくなる。

て 本発明は、外部回路における信号処理をすべで光信号に
て行なっているため、外部回路がらの電源ノイズなどの
雑音を防ぐことができる。さらに光信号によって、帰還
動作を行なっているので、応答速度が著しく高速になる
。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

実施例１゜ 本実施例は、磁束計の帰還回路をフォトアイソレータ即
ち、光ファイバ１０８で接続したものである。

本実施例では、帰還回路中のフォトアイソレータの低温
部分に設けられる光−電気変換部を超電導光トランジス
タ１０６を用いている。従ってこの変換部において発生
するノイズを低減でき、磁束計の誤動作を防止できる。

すなわち、超電導光トランジスタで構成された光−電気
変換部は液体ヘリウム中４．２にという極低温中で光入
力に応じて超電導臨界電流及び素子の抵抗が変化するよ
うに動作する。この時１発生するノイズは、素子及びバ
イアス抵抗の４．２Ｋにおける熱雑音のみとなる。故に
、３００Ｋにおける熱雑音、及び３００に中の半導体か
らのノイズ等を防止できるので、磁束計としての機能が
ノイズにより誤動作することがない。

第１図に示すように信号磁束を検出するセンサコイ／Ｌ
ｚ１０４とＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３とは磁気的に結合さ
れている。極低温中１０１のセンサコイル１０４に鎖交
した信号磁束はＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３に入力される。

ＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３は定電流源によって一定電流に
バイアスされている。この時、バイアス抵抗１２３から
も熱雑音が発生するので、それを低減するためにバイア
ス抵抗１２３も極低温中１０１に設けている。一定電流
でバイアスされたＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３は鎖交した磁
束に応じて周期電圧を発生する。その周期電属の周期が
量子化磁束Φｏ　（２，０７Ｘ　１０−１５Ｗｂ）とな
っている、鎖交磁束と５ＱＵＩＤの出力電圧の関係を第
２図に示す、この周期電圧信号は電池で駆動される前置
増幅器１０７で増幅され、同期検波増幅器１０９に出力
される。同期検波増幅器１０９は増幅された同期信号の
周波数ｆの成分を増幅する。同期検波増幅器１０９には
、発振器１１１から周波数ｆの信号が供給される。この
増幅された信号は、積分器１１２に入力され、積分され
る。発光ダイオードあるいは半導体レーザより成る電気
−光変換部１１０は、積分器１１２からの信号を光に変
換する。このように変換された光信号は光ファイバ１０
８を通って極低温中の超電導光トランジスタ１０６によ
る光−電気変換部に導かれる。超電導光トランジスタ１
０６は、第６図に示すように半導体１３３のチャネル上
に超電導体のソース電極１３１とドレイン電極１３２と
を設けた構造であり、チャネル部に光を照射することに
よりソース！ドレイン間の超電導臨界電流及び電極間抵
抗を変化させる素子である。第５図は超電導光トランジ
スタの特性の一例であり、（１）は光照射をしていない
場合であり、（２）は光照射した場合の特性である。こ
の素子に適当な電流をバイアスすると、照射光の強度に
比例して抵抗値が変化し、電流を制御できる。超伝導光
トランジスタで光信号が電気信号に変換され、帰還コイ
ル１０５に帰還電流を印加して磁束をＤＳ−８ＱＵＩＤ
１０３に鎖交させる。第２図の鎖交磁束と出力電圧の関
係において、もしＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３に対して外部
からの鎖交磁束がＯの時には第２図中のａ点にとどまっ
ている。外部からの鎖交磁束があるとａ点からずれて、
この場合は出力電圧が増加すイし る。このような出力電圧の変換を同期検波増幅器１０９
で検出して、出力電圧の変化分を電気−光変換部１１０
．光−電気変換部１０６を通して帰還コイル１０５によ
りＤＣ−ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ　１０３に磁束として帰還させ
、ａ点からのずれを補正させる。このようにすると出力
端７−１２４に鎖交磁束に比例した電圧を得ることがで
きる。本実施例によれば、従来の帰還回路と異なり、ノ
イズの発生源を、ＤＣ−８ＱＵＩＤＬＯ３の付近から除
き。

また、熱雑音の発生源となる抵抗も極低温中に設置して
いるため、ノイズの少ない、高感度磁束計として利用で
きるという効果がある。

第３図に、第１図の変形例として、前置増幅器１０７か
ら同期検波増幅器１０９への信号の伝達を帰還回路と同
様に光で行なうものを示す、前置増幅器１０７の出力は
１発光ダイオードまたは半導体レーザからなる電気−光
変換部１１０′によって光に変換され、光ファイバ１０
８′を介して、光トラランジスタからなる光−電気変換
部１１３に入力される。光−電気変換部１１３で変換さ
れた電気信号は同期検波増幅器１０９へ入力される。

第３図の実施例によればＤＣ−５ＱＵ　Ｉ　Ｄ　１０３
の出力電圧を導線で同期検波増幅器１０９に導く場合に
発生していた導線からのノイズを除去することができ、
さらにノイズを低減して誤動作を防止できるという効果
がある。

実施例２゜ 第４図の実施例では、変換すべき積分器１１２からの電
気信号をデジタル信号に変換してから電気−光変換部１
１０，１１０’により光信号に変換して光ファイバ１０
８，１０８’　を通して光−電気変換部１１３あるいは
超電導光トランジスタ１０６に伝えるものである。第４
図ではデジタル信号を並列に伝送しているが、この場合
は高速の伝送が可能であり、しかもダイナミックレンジ
が大きいという効果がある。また、光ファイバ１０８を
１本だけ用いた直列方式のデジタル伝送においても同様
である。特に帰還電流を発生する光−電気変換部に超電
導光トランジスタ１０６を用いているためノイズの発生
が小さく誤動作を防止できるという効果がある。

本実施例の場合も、ＤＣ−８ＱＵＴＤ１０３の帰還回路
との接続線を光ファイバにできるので導体の配線材料に
比べて極低温容器内への熱侵入量を小さくできるという
効果がある。

実施例３゜ 第７図は本発明の他の実施例である。本実施例はＤＣ−
８ＱＵＩＤの帰還回路の動作を光信号で行なうものであ
る°、ＤＣ−８ＱＵＩＤＬＯ３の出力電圧は前置増幅器
１０７で増幅された後１発光ダイオードあるいは半導体
レーザにより光信号に変換される。この点は第３図の実
施例と同じである。以下１本実施例が第３図のものと異
なるところは、外部回路の信号処理を全て光信号を用い
る点にある。即ち、光ファイバ１０８で外部回路に導か
れた光信号は光変調器１４０に入力される。

槙 光変換器１４０は発振器１１１からの発振周波数ｆの信
号に従って、光信号を変調する。変調された光信号は光
増幅器１４１により増幅される０本光増幅器１４１につ
いては、　１ｓｔ　Ｏｐｔ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、　Ｏ
Ｅ　Ｃ’　８６　ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅ　ｐａｐｅ
ｒｓ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｄｅｇｅｓｔ、　Ｄ　−１
１−２（１９８６）において論じられている。光増幅器
１４１で増幅された光信号は光方向性結合器１４３に出
力される。この際、光増幅器１４１の時定数を変調周波
数の時定数よりも充分大きく（１桁以上）設定しておく
。これによって、光増幅器１４１は積分動作を行なう。

従って、光変調器１４０と光増幅器１４１とにより光信
号の位相検波を行うことができる。このように位相検波
された光信号は光方向性結合器１４３により、その一部
を光トランジスタ１４９で出力信号として取り出される
。さらに残りの一部は光方向性結合器１４４に入力され
る。発振器１１１は発光ダイオードまたは半導体レーザ
１５０を駆動し、発振局・　波数ｆの光信号を発生させ
る。光方向性結合器１１４４は、発光素７−１５０から
の光信号と、光方向性結合器１４３からの光信号とをそ
れぞれ重畳した後、光ファイバ１０８を介して、低温部
の超電導光トランジスタ１０６に導く。以下低温部１０
１内の動作は、第３図のものと同じである。

本実施例によれば外部回路における信号処理をすべで光
信号にて行なっているため、外部回路からの電源ノイズ
などの雑音を防ぐことができる。さらに光信号により帰
還動作を行なうため、応答速度が著しく高速にすること
ができる。

実施例４゜ 第８図の実施例は、ＤＣ−８ＱＴＪ　Ｉ　Ｄ　１０３の
出力信号を出力検出素子１４６に印加する。出力検出素
子・１４６は超電導量子干渉計（ＳＱＴＪＩＤ）で構成
され、出力信号を増幅する。出力検出素子１４６に供給
されるバイアス電流は超電導光トランジスタ１４７によ
って発振器１１１からの周波数で変調されている。超電
導光トランジスタ給される。これにより、出力検出素子
１４６の出力はパルス列となり、前置増幅器１０７で増
幅される。このようにＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３の出力を
同じ超電導量子干渉計による出力検出素子１４６で増幅
するのでＳ／Ｎ比の向上が図れる。

前置増幅器１０７で増幅した出力を発光ダイオードや半
導体レーザの発光素７−１５１で光信号に変換した後、
光ファイバ１５２で外部に導き、光増幅器１４５に加え
る。光増幅器１４５は、電源を発振器１１１から取って
いるので１発振器１１１に同期している。このため第７
図の同期検波器１４０としての動作をすることになる。

光増幅器１４５の出力の一部は光方向性結合器１４４で
取り出され、光検出器１５３で電気信号として取り出さ
れる。残りの光信号は光ファイバ１０８′で低温部の超
電導光トランジスタに導かれる。超電導光トランジスタ
１０６は導かれた光を電気信号に変えて、帰還コイル１
０５に供給する。帰還コイル１０５は、超電導光トラン
ジスタの電気信号を磁束としてＤＣ−８ＱＵＩＤ１０３
に帰還する。

以上のようにして帰還動作が行われる。このようにする
と、光信号で直接帰還するため応答速度が著しく高速に
なる。また、低温部と外部回路との接続を光ファイバで
行なっているため、電源ノイズなどの雑音を防ぐことが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ノイズを低減して高感度化ができ、し
かも光帰還回路により広帯域化ができるため、高感度磁
束計としての応用範囲が拡大するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の一実施例を示す図、第２図はＤＣ−
８ＱＵＩＤの鎖交磁束と出力電圧の関係を示す図、第３
図及び第４図は本発明の他の実施例を示す図、第５図は
超伝導光トランジスタの電圧−電流特性を示す図、第６
図は超伝導光トランジスタの断面図、第７図及び第８図
は本発明のさらに別の実施例を示す図である。 １２面 里３扇 １４団 １Ｓ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号磁束を検出するセンサコイルと、上記センサコ
   イルに磁気的に結合され、上記センサコイルからの鎖交
   磁束に応じた周期電圧を発生する超伝導ループ、上記超
   伝導ループはインダクタと少なくとも１つのジョセフソ
   ン接合とで構成される、上記超伝導ループからの上記周
   期電圧を増幅する手段と、上記増幅手段で増幅された周
   期電圧の所定周波数成分を増幅する同期検波増幅手段と
   、上記同期検波増幅手段で増幅された信号を光信号に変
   換する第１の電気−光変換手段と、上記第１の電気−光
   変換手段からの光信号を伝送する第１の光伝送手段と、
   上記第１の光伝送手段からの光信号を入力し、それを電
   気信号に変換する超伝導光トランジスタと、上記超伝導
   光トランジスタからの電気信号に応じた磁束を、上記超
   伝導ループに鎖交させる帰還コイルとから成り、上記セ
   ンサコイル、上記超伝導ループ及び上記超伝導光トラン
   ジスタは極低温中に設けられていることを特徴とする磁
   束計。 ２、特許請求の範囲第１項の磁束計において、上記増幅
   手段と上記同期検波増幅手段との間に、上記増幅手段で
   増幅された周期電圧を光信号に変換する第２の電気−光
   変換手段と、上記第２の電気−光変換手段からの光信号
   を伝送する第２の光伝送手段と、上記第２の光伝送手段
   からの光信号を入力し、それを電気信号に変換し、上記
   同期検波増幅手段へ出力する光−電気変換手段とを有す
   ることを特徴とする磁束計。 ３、特許請求の範囲第１項の磁束計において、上記超伝
   導ループはインダクタと２つのジョセフソン接合とから
   成り、上記極低温中に置かれたバイアス抵抗を介して一
   定電流にバイアスされていることを特徴とする磁束計。 ４、特許請求の範囲第２項の磁束計において、上記第１
   の電気−光変換手段から上記超伝導光トランジスタまで
   の伝送及び上記第２の電気−光変換手段から上記光−電
   気変換手段までの伝送はデジタル信号で行われることを
   特徴とする磁束計。 ５、信号磁束を検出するセンサコイルと、上記センサコ
   イルに磁気的に結合され、上記センサコイルからの鎖交
   磁束に応じた周期電圧を発生する超伝導ループ、上記超
   伝導ループはインダクタと少なくとも１つのジョセフソ
   ン接合とで構成され、上記超伝導ループからの周期電圧
   を増幅する手段と、上記増幅手段で増幅された周期電圧
   を光信号に変換する電気−光変換手段と、上記電気−光
   変換手段からの光信号を所定周波数に応じて光信号のま
   ま同期検波を行う同期検波手段と、上記同期検波手段か
   らの光信号を伝送する第２の光伝送手段と、上記第２の
   光伝送手段からの光信号を入力し、それを電気信号に変
   換する超伝導光トランジスタと、上記超伝導光トランジ
   スタからの電気信号に応じた磁束を上記超伝導ループに
   鎖交させる帰還コイルとから成り、上記センサコイル、
   上記超伝導ループ及び上記超伝導光トランジスタは極低
   温中に設けられていることを特徴とする磁束計。 ６、特許請求の範囲第５項の磁束計において、上記超伝
   導ループはインダクタと２つのジョセフソン接合とから
   成り、上記極低温中に置かれたバイアス抵抗を介して一
   定電流にバイアスされていることを特徴とする磁束計。 ７、特許請求の範囲第５項の磁束計において、上記同期
   検波手段は、所定周波数を発振する発振手段と、上記第
   １の光伝送手段からの光信号を入力し、上記所定周波数
   に応じて上記光信号の位相検波を行う位相検波手段と、
   上記位相検波手段からの光信号を入力し、その光信号を
   ２方向に分波する第１の光方向性結合手段と、上記第１
   の光方向性結合手段からの光信号の一方を電気信号に変
   換し、出力信号として出力する手段と、上記発掘手段に
   よって駆動される発光手段と、上記発光手段からの光信
   号及び上記第１の光方向性結合手段からの光信号の他方
   をそれぞれ入力し、これらの両光信号を重畳し、上記第
   ２の光伝送手段に出力する第２の光方向性結合手段とか
   らなることを特徴とする磁束計。 ８、特許請求の範囲第７項の磁束計において、上記超伝
   導ループはインダクタと２つのジョセフソン接合とから
   成り、上記極低温中に置かれたバイアス抵抗を介して一
   定電流にバイアスされていることを特徴とする磁束計。 ９、特許請求の範囲第５項の磁束計において、上記超伝
   導ループはインダクタと２つのジョセフソン接合とから
   成り、上記極低温中に置かれたバイアス抵抗を介して一
   定電流にバイアスされており、上記超伝導ループと上記
   増幅手段との間に、上記超伝導ループの出力と磁気的に
   結合された第２の超伝導ループを有し、上記第２の超伝
   導ループはインダクタと２つのジョセフソン接合とから
   成り、上記極低温中に置かれたバイアス抵抗及び第２の
   超伝導光トランジスタを介してバイアスされており、上
   記同期検波手段は所定周波数を発振する発振手段と、上
   記第１の光伝送手段からの光信号を入力し、上記光信号
   を上記所定周波数に同期して増幅する光増幅手段と、上
   記光増幅手段からの光信号を入力し、その光信号を２方
   向に分波する光方向性結合手段と、上記光方向性結合手
   段は分波された光信号の一方を出力信号として出力し、
   分波された光信号の他方を上記第２の光伝送手段に出力
   し、上記発振手段によって駆動される発光手段と、上記
   発光手段からの光信号を上記第２の超伝導光トランジス
   タに伝送する第３の光伝送手段とからなることを特徴と
   する磁束計。