JPH02249985A - 超伝導磁力計 - 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〕 この発明は超伝導量子干渉素子（月ｕｐθｒｅ　ｏｎｄ
ｕｃｔｉｎｇ　Ｑｕａｎｔｕｍ工ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃ
ｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　、　　以後路してｓＱσＸＤと呼ぶ
）を用いた高感度な超伝導磁力計に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は従来の超伝導磁力計の一実施例を示すブロック
図である。図中（１）はＳＱ、［１よりである。

［Ｌσより（１）は超伝導リング（２）、超伝導リング
（２）中に設けられたジョセフソン素子Ｔ３１．　（４
１，超伝導リング（２）と磁気的に結合し念変調帰還コ
イル（５）から構成される。（６）はｓｃｌσより（１
）を駆動し所望の出力を取シ出すための駆動回路の一例
であシ、以下のものから構成される。すなわち、（７）
は直流電流源、（８）は移相器、（９）は前置増幅器、
　ａｔｉは乗算器。

ａＤは積分器、ａｚは帰還抵抗である。積分器ａ９は積
分増幅器α３．積分コンデンサαも積分器スイッチαり
から構成される。αｅは変調帰還コイル（５）と移相器
（８）に接続した発振器である・上記駆動回路（６）は
一般にＦ　Ｌ　Ｌ　（Ｆｌｕｘ−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏ
ｐ　’）　　回路と呼ばれる公知のものであシ９例えば
Ｒθｖｉｅｗ　ｏｆ８ｃｉｅｎｔｉｆｉ（ｊ工ｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔＶｏ１．５５．１９８４年の第９５２頁〜第
９５１頁等に説明が記載されてｂる。

次に動作につｂて説明する。以下の曲間においては超伝
導磁力計が一例として航空機等の移動物体に搭載されて
いる場合を考え、地磁気を被測定磁界とみなす。ＳＱ、
σより（りを一例として液体ヘリウムに浸すなどして冷
却し超伝導状態に転移させ、地磁気中に置（。この時、
超伝導リング（２）におけるフラクソイドの量子化条件
と、２つのジョセフソン素子＋３１．　（４１における
直流ジョセフソン効果とによＦｔ、　　８Ｑσより　（
１１の端子Ａ−Ｂ間に電位差を生じることなく流すこと
の出来る超伝導電流の最大値工ｍは超伝導リング（２）
を買〈検知磁束φの関数となる。超伝導リング（２１の
インダクタンスＬ８の存在を無視しＬｓ　＝　Ｏとみな
すと、φと工ｍとの関係は０式のようになシ、工ｍけφ
に対してφ０を周期として変化する。ここでＩＣはジョ
セフソン素子（３）、（４）それぞれの臨界電流値であ
る。

又、φＯ＃：を磁束量子であ汎その値はＬＯＩＸｌｏ−
１５ｗｂである。実際にはＬ８の値は数ｔｏ’ｐａ〜数
ｎＨの有限の値であるため、工ｍとφとの関係は０式か
らずれ、工ｍの最小値は零とはならないが。

この場合にも工ｍはφ０を周期として変化する。

上記のよりな工ｍの変化に対応してｓＱσより（１）の
電流−電圧（１−ｖ）特性も又、検知磁束φに対して磁
束量子φａｔ−ｍ期として変化する。

第５図（ａ）は８Ｑ、σより　（１１のニー■特性を示
すものであシ、φ＝ｎφ０．φ＝（ｎ＋ｔ／２）φ０　
の時にそれぞれ曲線Ｃ１曲ＩｆＭＤのようになシ、φの
イ直に応じてこの間を連続して変化する。ただし、ｎは
整数であシ２図中、工ｍ１．工ｍ２はそれぞれφ＝ｎφ
ａ、φ＝（ｎ−＋ｌ／２）φＧの時の超伝導電流の最大
値テある。さらに、工ｍ１よル若干大きな直流バイアス
電流よりを流し、端子Ａ−Ｂ間の電位差Ｖをφに対して
測定すると、第５図（ｂ）のように磁束量子φ０を周期
とした入出力特性が得られる。

以上が８（ＩＬσより　（１１の動作であるが２次に超
伝導磁力計全体の動作について説明する。最初積分器ス
イッチｆｉ５＃ｉ閉じているものきする。直流電流源（
７１から例えば工１）＝１．１工ｍ１のバイアス電流よ
りを流し１次に発振器ａＳから変調帰還コイル（５）を
介して変調信号イを加える。−例としてこの変調信号イ
は振幅丁φ０（ｐ　−ｐ）ｔ　周波数ｆ＝１００ＫＨｚ
ｄ正弦波である。この時点で検知磁束φがφ＝ｎφ０又
はφ＝（ｎ＋１７２）φ０であれば［Ｌσよりの動作点
は第５図（ｂ）中の８点又は１点、すなわち。

極小又は極大の位置にあり、　　ｓｑσＩ　Ｄ　（１１
の端子Ａ−Ｂ間に発生する出力電圧の周波数ｆの成分は
零である。検知磁束φが変化して動作点・がずれると周
波数での成分が現われ、φ＝（ｎ−１ニー！−）φ０に
相当する０点又は８点におりて最大になる。ただし、周
波数ｆの成分の位相は０点とＨ点とで逆相になる。この
よりなＳＱσより（１）の出力電圧を前置増幅器（９）
で増幅した後９乗算器α・において周波数ｆの参照信号
口と掛は合わして位相検波する。

次に積分器スイッチａＳを開くと１乗算器αＧの出力は
積分器Ｉによシ積分された後、帰還抵抗（１３，変調帰
還コイ−ル（５）を流れる帰還電流工ｆとしてｓｃｌσ
Ｉ　Ｄ　（１１へ負帰還され、動作点はφ＝ｎφ０又は
φ＝（ｎ−）−１／２）φ０の位置に磁束ロックされる
。磁束ロック後は、積分器スイッチｔ１５９を開すた時
刻における検知磁束、すなわち初期磁束を出力零の原点
とし、そこからの検知磁束の相対的な変化量Δφに比例
した電圧ｖｏｕｔを出力する。ΔφとＶｏｕｔとの関係
は Ｍｆ Δφ＝Ｍｆ、工ｆ＝−−ｖｏｕｔ　　　　　　　　　　
　■ｆ である。ただし、Ｍｆは変調帰還コイル（５）と超伝導
リング（２）との相互インダクタンスｊ　Ｒでは帰還抵
抗α２の値である。

従来の超伝導磁力計を用いて磁気探査を行なう場合には
２例えば航空機等に搭載し移動しながら地磁気の絶対値
Ｈｅを測定し、磁性体付近でのａＳのわずか）変動を検
出し、磁性体の存在を検知する・従来の超伝導磁力計を
用いてＨｅを測定するには一例として下記のようにする
。

まず第６図に示すように超伝導リング（２）を含む平面
を地磁気に対して垂直に向ける。この位置に固定し、積
分器スイッチ（１５を閉じて積分器αＤをｂつ念んリセ
ットし念後に開放し、磁束ロックする。

次に超伝導リング（２）を１８０°回転し、地磁気が上
記平面の反対側から再び垂直に入射するように固定する
。この時の駆動回路（６）の出力電圧Ｔａｕｔを測定し
、■式を用いてＨｅを算出する。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の超伝導磁力計を用いて磁性付近での地磁気の絶対
値の変動を検出するためには、・上記のように超伝導リ
ング（２）を含む面を地磁気に対して垂直に向けて磁束
ロックし、さらに１８０°回転させる動作を繰シ返さな
ければならないため２位置決め精度が高く大がかシな回
転支持機構が必要であるという問題点があった０この発
明は上記のような問題点を解消するためになされたもの
で、地磁気の絶対値の変動を高精度かつ容易に検出する
ことの出来る超伝導磁力計を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る超伝導磁力計は、センサブロック上の互
いに所定の角度をなす３平面上のそれぞれに８Ｑ、σＩ
Ｄを配置し、上記ＳＱ、σよりを駆動する駆動回路に接
続したＡ　／　ｎ変換器と、上記Ａ／Ｄ変換器の出力を
受ける未知数算出回路と、上記Ａ　／　ｎ変換器の出力
と上記未知数算出回路の出力とを受ける磁界強度算出回
路とを備えたものである。

〔作用〕

この発明に係る超伝導磁力計はセンサブロックの互いに
所定の角度をなす３平面上のそれぞれに固着されたＳＱ
σよりが磁束ロック時刻からの検知磁束の変化量を検出
し、検知磁束の変化量に比例した電圧を駆動回路から出
力する。上記出力電圧をＡ／Ｄ変換器によＦｔｈ／Ｄ変
換した後、未知数算出回路と磁界強度算出回路とによ〕
地磁気の絶対値を算出する。地磁気中を移動しながら上
記のような算出を繰シ返し、磁性体付近での地磁気の絶
対値の変動を検出する・ 〔実施例〕 以下、この発明の一実施例について説明する。

第１図はこの発明の一実施例である超伝導磁力計の構成
を示すブロック図である。鰭、　ａｍ、　ｍｓはセンサ
ブロック（至）の互いに所定の角度をなす３千面上のそ
れぞれに固着した８Ｑ、σよりであシ、−例として所定
の角度が９０度の場合を、示している。

８ＱＵより（ｌη、　（ＩＩ、　ａｌはいずれも従来の
実施例で説明した８Ｑσより　（１１と同じものである
。０１）、　Ｅ。

（至）はそれぞれｓｃｌσＩＤ　ａ？）、　（Ｉｌｌ、
　（ＩＩを駆動し所望の出力を得る駆動回路であシ、−
例として従来の実施例で説明した駆動回路（６）と同じ
ものである。

αｅは発振器であシ、ここでは一つの発振器で３個のＳ
Ｑ、σよりｄη、α９．ａｌを駆動する場合を示してい
る。＠４１．　＠、　＠はそれぞれ駆動回路ｔ２ｎ、　
器、（至）の出力を受けるＡ／Ｄ変換器、＠はＡ　／　
ｎ変換器（２）、＠、＠の出力を受ける未知数算出回路
、＠はＡ　／　Ｄ変換器＠、＠、（至）と未知数算出回
路＠の出力を受ける磁界強度算出回路である。次に第１
図中に記載した各信号について説明する０ΔＸ、Δｙ。

Δ２はそれぞれ駆動回路＠、＠、（至）の出力、に１゜
Ｋ２．・・・　Ｋ９．に１０　は未知数算出回路＠の算
出値である。

次にこの発明による超伝導磁力計の動作について説明す
る。以下の説明では従来の場合と同様にこの発明による
超伝導磁力計が一例として航空機等の移動物体に搭載さ
れている場合を考え、地磁気を被測定磁界とみなす。８
Ｑσより　（ｌＬ　ａｌｌ、　＋１９を例えば液体ヘリ
ウムに浸すなどして冷却し、超伝導に転移させる。次に
０１１．（至）、ｃ３から８Ｑ、［ＴＩＤαη、　ａｌ
、　ａｌのそれぞれに直流バイアス電流を流す。

次に発振器αｅから８ＱσＩ　Ｄ　（１７）、　（ＩＩ
Ｉ、　（１’ｌに変調信号イを、又、駆動回路ｃ！ｎ、
　？２２．　＠へ参照信号口を送る。次に駆動回路Ｃ！
Ｉ）、（財）、ＣＧ内の積分器スイッチをいったん閉じ
た後に同時に開き、Ｓｑσより（１７）、　ａｍ、　ａ
ｌｌを同時に磁束ロックする。駆動回路ｔ２ｎ。

（至）、＠の動作は従来の場合と同じである。航空機の
姿勢変化に伴い地磁気の入射角度が変化するため、駆動
回路ｅ１１．　Ｈ，＠の出力ΔＸ、Δｙ、Δ２は時々刻
々と変化する。

時刻ｔｍにおける駆動回路ｅｎ、　ｗ、（至）の出力を
ソレソれΔＫｍ、Δｙｍ、　　ΔＺｍ　　とすると、地
磁気の絶対値ＲθはΔＸｍ、Δｙｍ、Δｚｍと１０個の
未知数に１．　Ｈ２，・・・　Ｈ９，に１０とを用いて
■式のように表わすことが出来る。

＜＝ｘ１−（Δｘｍ）２＋に２−　（４７ｍ）２＋Ｋｓ
　−（３２ｍ）２＋に４・（Δｘｍ　、ｌｙｍ　）　＋
に５−　（４７ｍ・３２ｍ）　＋に６−　（ΔＸＩ・２
ｇｍ） ＋幻・Δｘｍ＋に８−Δ７ｍ＋に９・Δｚｍ十に１０　
　　　　　　　　　　□　■未知数に１．　Ｈ２，・・
・　Ｈ９，に１０は磁束ロック時刻におけるＳＱＵより
αｎ、α♂、α９の検知磁束、ＳＱＵよりａη、　ｉｌ
ｌ、　ａａＩの超伝導ループを含む面が互すになす角度
、８ＧＬσより（ｌη、αＩ１．　ａａの磁界に対する
感度等によシ決まる定数である。

そこで１時刻ｔ１．　Ｈ２，・・・　Ｈ９，ｔｌｏにお
ける駆動回路ｏｎ、（２）、＠の出力の組（ΔＸ１．Δ
７’１Δｚ１）、　　（ΔＸ２．　　Δ７２．　Δｚ２
）、・・−川・・　　（Δに９゜Δ７９．ΔＺ９）＋　
　（Δｘ１０．Δｙ１０．Δｚ１０）をＡ／’Ｄ変換器
＠、（ハ）、（至）を用いて順次Ａ　／　Ｄ変換し念後
に未知数算出回路面へ送る。未知数算出回路面において
、これら１０組の数値を■式へ代入し、方程式を解いて
未知数に１．　Ｈ２，、、、Ｈ９，ｘｌｏの値を求める
。ただし１時刻ｔ１からｔｌｏの間のＨｅの値は例えば
４６０００ｒで一定であ４７，１０回の測定忙おいて地
磁気の入射角は全て異なるものとする。

次に時刻ｔｊＱから後の時刻ｔｎにおりては、駆動回路
＠１１．　ｏ、　ａａ３の出力Δｘｎ、Δｙｎ、ΔＺｌ
ｌをＡ／Ｄ変換器＠、　＠、　＠がＡ　／　Ｄ変換し磁
界強度算出回路（２）へ送る。一方、磁界強度算出回路
（至）は未知数算出回路■から未知数に１．に２．・・
・、　Ｈ９，ｘｌ、。

の値を受け、■式を用いて時刻ｔｎにおけるＨ８の値を
算出する。ここではＨｅを変数と考える。上記の計算を
繰シ返しながら移動し、磁性体付近でのＨｅのわずかな
変動を検出し、磁性体の存在を検知する。

なお、上記実施例において駆動回路ａｌｌ、　＠、　＠
とＡ　／　Ｄ変換器の、（ハ）、（至）との間にそれぞ
れローパスフィルタを入れれば磁気雑音の交流成分を除
去することが出来、測定精度が向上する。

又、上記実施例においては、地磁２の入射角は超伝導磁
力計を搭載した航空機等の進行方向の変化に伴って変化
するものとして込たが、非磁性の回転機構を設け、ＳＱ
Ｕよりα７）、　ａｌｌ、α９を固着したセンサブロッ
ク■を回転出来るようにしてもよい。第２図はセンサブ
ロック■、８Ｑσより（Ｉｎ。

ａａ、　（１１を収納するデユワ−（２）と、センサブ
ロック四をデユワ−翰に固定するセンサブロック支持機
構（至）とを設け、デユワ−（２）に非磁性回転機構ｏ
ｎを備えた場合の一実施例を示すブロック図である。

未知数に１．に２．・・・　Ｈ９，に１０の値を決定す
るための１０組のデータの採取に関しては１０組共に地
磁気の入射角が異なることが必要であるが、上記のよう
な構成にすれば航空機の進行方向の変化に頼らずに地磁
気の入射角を変えることが出来るので、測定時間が短縮
出来るという利点がある。

又、さらに、３個のＳＱＵよりのそれぞれに磁気的に結
合した入力コイルと、入力コイルと共に超伝導閉ループ
を構成する検出コイルとを備えて地磁気を測定してもよ
い。

第３図におりて（至）はＳＱＵより（１１の超伝導リン
グ（２）に磁気的に結合した入力コイル、（至）は入力
コイル（至）と一つの超伝導閉ループを構成する検出コ
イルである。この場合、検出コイル（至）の囲む面積を
超伝導リング（２）の囲む面積に比べて十分大きくすれ
ば磁界に対する感度が向上し、磁性体に対する探知能力
が向上する。

上記説明ではｍ　　ＳＱＵよりＱη、錦、α３は超伝導
ＩＪ：／り中に２つのジョセフノン素子を含み直流バイ
アス電流を流して駆動するＤＣ！−８Ｑσよりであると
して説明を行ったが、超伝導リング中に１つのジョセフ
ノン素子を含み交流バイアス電流で駆動するＲＩＰ−８
Ｑσよりを用いる場合にも同様の効果がある。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、センサブロックの互
Ａに所定の角度をなす３＋面上のそれぞれに固着した８
Ｑ、Ｕよりを用いて磁束ロック時刻からの検知磁束の変
化量を測定し、未知数算出回路と磁界強度算出回路とを
用いて地磁気の絶対値の変動量を求めるため１位置決め
精度が高く大がかシな回転支持機構を必要とせず、磁性
体付近での地磁気の絶対値の変動を高精度かつ容易に検
出することの出来る超伝導磁力計が得られる効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である超伝導磁力計の構成
を示すブロック図、第２図はこの発明の他の発明である
超伝導磁力計の一実施例の構成を示すブロック図、第３
図はこの発明のさらに他の発明である超伝導磁力計の一
実施例の構成を示すブロック図、第４図は従来の超伝導
磁力計の一実施例の構成を示すブロック図、第５図はＢ
Ｑσよりの素子特性図、第６図は従来の超伝導磁力計の
動作例を示す図である。 図においてαｅは発振器、αｎ、錦、α９はＳＱσより
。 （至）はセンサブロック、　ａｌｌ、　Ｅ、　＠は駆動
回路＃　ｃＩＡ。 （ハ）、（ハ）はＡ／Ｄ変換器、＠は未知数算出回路、
＠け磁界強度算出回路、Ｃ７０はデユワ−１（至）はセ
ンサブロック支持機構、ＯＤは非磁性回転機構、（至）
は入力コイル、０３は検出コイルである。 図中、同一符号は同一、又は、相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　センサブロックの互いに所定の角度をなす３平面上の
   それぞれに配置した超伝導量子干渉素子。 上記超伝導量子干渉素子を駆動する駆動回路、上記超伝
   導量子干渉素子へ変調信号を、また上記駆動回路へ参照
   信号を発振する発振器、上記駆動回路の出力をそれぞれ
   アナログ・ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、上記Ａ
   ／Ｄ変換器の出力を用いて未知数を求める未知数算出回
   路と、上記Ａ／Ｄ変換器の出力および上記未知数算出回
   路の出力とを用いて地磁気の絶対値を算出する磁界強度
   算出回路とを具備したことを特徴とする超伝導磁力計。