JPH02257076A - ディジタルスクイド制御方式 - 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】 〔概要〕 被測定物体から放射される磁界強度をディジタルスクイ
ドを用いて測定するディジタルスクイ１制御方式に関し
、 ジョセフソン接合によって生成される注入端子Ｂにお番
ノる単位時間当りの正パルス数、負パルス数、あるいは
両者の和のパルス数が一定になるように当該ジョセフソ
ン接合に供給する交流バイアス電流■□をフィードバッ
ク制御し、高感度、高精度、かつ低コストで被測定物体
の磁界を測定することを目的とし、 被測定物体から放射される磁界を超伝導のピックアンプ
コイルＬ４によって検出し、これと共にループを形成す
るインプットコイルＬ、に対して、超伝導コイルＬ２に
よって磁界結合するループにジョセフソンｔｌ−を配置
してこのジョセフソン接合に外部から交流バイアス電流
１ｎを重畳する態様で供給し、この時に検出される単位
時間当りの正パルス数および負パルス数の和を一定値に
するように上記交流バイアス電流ＩＢの振幅をフィード
バックすると共に、単位時間当りの正パルス数および負
パルス数の差が零になるように、上記超伝導コイルＬ２
に対して磁界結合でフィードバックし、この時のフィー
ドバック量を被測定物体の磁界として測定するように構
成する。また、」１記交流バイアス電流を重畳する態様
で供給し、この時に検出される単位時間当りの正パルス
数、負パルス数、あるいは両者の和を計数して保持し、
この保持したパルス数のもとで交流バイアス電流Ｉ、を
制御すると共に、単位時間当りの正パルス数および負パ
ルス数の差が零になるように、上記超伝導コイルＬ２に
対して磁界結合でフィーＩ・ハックし、この時のフィー
ドハ・ツク量を被測定物体の磁界として測定するように
構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、被測定物体から放射される磁界強度をディジ
タルスクイドを用いて測定するディジタルスクイド制御
方式に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、例えば第５図に示すように、被測定物体から放射
される磁束Φ。を超伝導のピックアップコイル■、４で
検出してこれによって超伝導のインプットコイルＬ、に
電流を流す。このインプットコイルＬ、に磁気結合した
超伝導コイルＬ２およびジョセフソン接合Ｊ＋　、Ｊ２
を持つジョセフソン素子からなるループを配置し、更に
このジョセフソン素子に外部から振幅変調波形発生器１
１によって交流バイアス電流ＩＢを重畳する。この重畳
した注入端子Ｂにおける正パルス数および負パルス数を
アンプダウンカウンタエ２を用いて計数（正パスルの時
に＋１、負パルスの時に−１して計数）し、その計数結
果をＤ／Ａ変換器１３、ローパスフィルタ１４、電流変
換器１５、およびコイルＬ３を介して超伝導コイルＬ２
に磁気結合によってフィードバックする。このフィード
バック量■、によって、被測定物体から放射される磁束
Φ。を測定するようにしている。

具体的に説明すると、ジョセフソン接合Ｊ１、Ｊ２を持
つジョセフソン素子の闇値特性は、第６図に示すように
、被測定電流■。が零状態のもとて、交流バイアス電流
１ｇの振幅が閾値Ｉ。ないし−１ｏの範囲内にあるＬｌ
ｓＬ３の近辺ではジョセフソン接合Ｊ、　、Ｊ２が零電
圧状態、それよりも大きいｔ２近辺では電圧状態となる
。これにより、被測定電流■。が零の時には、第６図（
ロ）に示すように、正パルスおよび負パルス数か等しく
なる。被測定電流■。が正（負）の時には、第６図（ハ
）（第６図（ニ））に示すように、正パルス数（負パル
ス数）が多くなる。そして、実際の測定の際に、交流バ
イアス電流ＩＢの振幅を図示１ｏの近傍に位置づり、正
パルス数と負パルス数との差に対応する電流を第５図フ
ィードバンクコイルＬ３に供給して超伝導コイルＬ１に
磁気結合によってフィードバックし、結果として第６図
（ロ）に示すように単位時間当りの正パルス数および負
パルス数を等しくした時のフィードバックｉｔ　■ｔを
、被測定物体から放射される磁束〔ｆ〕ｃとして測定す
るようにしていた。

〔発明が解決しようとする課題〕 従来は、第６図に示すように、ジョセフソン接合Ｊ、　
、Ｊ２に供給する交流バイアス電流Ｉｌｌの振幅を図示
のように低周波の小振幅の三角波で変調しており、これ
の振幅を小さくしたり、更に交流バイアス電流ＩＢの周
波数を増大して注入端子Ｂで検出される単位時間当りの
正パルス数および負パルス数を増大し、測定精度を向上
させることが考えられる。しかし、三角波の振幅を小さ
くしたのでは、経時変化によって交流バイアス電流Ｉ８
の振幅が変化した場合、例えば振幅が小さくなった場合
、微小な被測定電流が入力しても、全く正パルス、負パ
ルスが発生しなくなってしまう問題がある。逆にＩＢの
振幅が大きくなった場合、正パルス、負パルス共にパル
ス数に変化を生じなくなってしまう問題がある。また、
交流バイアス電流ＩＢの周波数を増大したのでは、計数
回路などに使用する部品が高価となってしまうなどの問
題があった。

本発明は、ジョセフソン接合によって生成される注入端
子Ｂにおける単位時間当りの正パルス数、負パルス数、
あるいは両者の和のパルス数が一定になるように当該ジ
ョセフソン接合に供給する交流バイアス電流ＩＢをフィ
ードバンク制御し、高感度、高精度、かつ低コストで被
測定物体の磁界を測定することを目的としている。

〔課題を解決する手段〕

第１図を参照して課題を解決する手段を説明する。

第１図において、ジョセフソン素子ば、超低雁体−絶縁
体−超伝導体から構成され、流れる電流によって零電圧
状態と電圧状態とを遷移（スイッチング）するものであ
る。図中のＪ、　、Ｊ２は、ジョセフソン素子の接合面
を表す。

超伝導イルＬ２は、被測定物体から放射されて検出され
た被測定電流１ｃを磁界結合によって取り込み、ジョセ
フソン素子に供給するものである。

パルスレート測定器２は、ジョセフソン素子によってス
イッチングされた後の注入端子Ｂにおりる単位時間当り
の正パルス数および負パルス数の和を測定するものであ
る。

交流電流発生器３ば、交流バイアス電流ＩＲを発生して
ジョセフソン素子に供給するものである。

フィードバックコイルＬ３は、磁界結合によって電流を
超伝導コイルＬ２にフィードバックするものである。

第４図において、カウンタ８−１は、注入端子Ｂにおり
るある一定時間内の正パルス数、負パルス数、あるいは
両者の和を計数するものである。

レジスタ８−２は、カウンタ８−１によって計数された
パルス数を保持するものである。

〔作用〕

本発明は、第１図に示すように、被測定対象から放射さ
れた磁界に対応する被測定電流１ｃを超伝導コイルＬ１
を介して、および外部の交流電流発生器３から交流バイ
アス電流Ｉｌｌを重畳する態様でジョセフソン接合に供
給したことに対応して、当該ジョセフソン接合が闇値以
下の時に零電圧状態、闇値以上の時に電圧状態となり、
これによって生成された注入端子Ｂにおける単位時間当
りの正パルス数および負パルス数の和をパルスレー１・
測定器２によって測定し、この和をもとに交流バイアス
電流ＴＢの振幅をフィートハック制御するようにしてい
る。また、第４図に示すように、注入端子Ｂにおける正
パルス数、負パルス数、あるいは両者の和のパルス数の
いずれかをカウンタ８１で計数してレジスタ８−２で保
持し、このレジスタ８−２で保持した状態で交流バイア
ス電流ＩＨの振幅をフィードバック制御するよ・うにし
ている。そして、これらフィードバック制御した状態の
もとで、注入端子Ｂにおげろ単位時間当りの正パルス数
および負パルス数の差が零になるようにフィードバック
コイルＬ３を介して超伝導コイルＬ２に磁気結合によっ
てフィードバック制御し、この時のフィードバック量Ｉ
、を被測定対象の磁界として測定するようにしている。

従って、ジョセフソン接合によってスイッチングされた
後の注入端子Ｂにおける単イ立時間当りの正パルス数、
負パルス数、あるいは両者の和のパルス数によって交流
バイアス電流ＩＢの振幅をフイードハック制ｉ１１シた
状態のもとで、零点法によって被測定物体の磁界を測定
することにより、常に最大感度が得られる交流バイアス
電流Ｔ、の値に保持することが可能となり、高感度、高
精度、かつ安価に微小磁場を測定する装置を提供するこ
とができる。

〔実施例〕

次に、第１図から第４図を用いて本発明の１実施例の構
成および動作を順次詳細に説明する。

第１図において、スクイド１は、超伝導コイルであるピ
ックアップコイルＬ４によって被測定物体から放射され
た微小磁界を検出した被測定電流■、を、零点法によっ
て測定するものである。このピックアップコイルＬ４お
よびインプットコイルＬ　、によって構成されるループ
に流れる被測定電流Ｉ、によって発生ずる磁界が、スク
イド１を構成する超伝導コイルＬ２を含むループと鎖交
して電流を発生させる。この発生された電流値が所定の
闇値よりも大きくなるとスクイドを構成するジョセフソ
ン素子が零電圧状態から電圧状態にスイッチングする。

この際、外部の注入端子Ｂから交流電流発生器３によっ
て発生された交流バイアス電流Ｉｎを重畳する態様で入
力すると、正パルスおよび負パルスが注入端子Ｂに表れ
る。こごで、Ｊ＋　、Ｊｚは、超伝導体−絶縁物（トン
ネル電流が流れる程度に薄い絶縁物）−超伝導体によっ
て構成されるジョセフソン接合面を表す。Φ。は、被測
定物体からの磁束を表す。

パルスレート測定器′２は、注入端子Ｂにおりる単位時
間当りの正パルス数および負パルス数の和Ｎ、Ｎを測定
するものである。ＶＰＮは、この和Ｎ１８を電圧に変換
したものである。

交流電流発生器３は、パルスレー１・測定器２から入力
されたパルス数の和ＮＰＨに対応する電圧■Ｉをもとに
、注入端子Ｂに対して、最大感度が得られる交流バイア
ス電流■おの振幅をフィート′ハックする態様で制御す
るものである。

増幅器３−１は、パルスレート測定器２から入力端子す
に入力された電圧ＶＰＮと、入力端子ａに入力された固
定的な電圧−Ｖｌとの和を反転増幅した電圧■３を生成
するものである。

乗算器３−３は、交流信号発生器３−２によって生成さ
れた交流バイアス電圧に対して、増幅器３−′１から入
力された電圧■８を乗算し、その結果を電流に変換する
高抵抗Ｒ４を介して注入端子Ｂに交流バイアス電流Ｉ［
ｌとして供給するものである。これにより、注入端子Ｂ
には、単位時間当りの正パルス数と負パルス数との和が
常に一定になるようにフィートハック市ＩＩ？卸される
こととなる。

パルス計測器４は、注入端子Ｂの正パルス数と、負パル
ス数との差を求めるアップダウンカウンタ４−１、この
差をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器４−２、変換
されたアナログ電圧を電流に変換してフィードバックコ
イルＬ３に供給する電流変換器４−３から構成されてい
る。フィートノ八ツクコイルＬ３に供給された電流によ
って発生した磁束がスクイド１を構成する超伝導コイル
Ｌ２と鎖交して当該スクイド１に対してフィードバック
制御されることとなる。そして、このフィードバック量
が被測定物体の磁束Φ。とじて測定される。

次に、第２図を用いて第１図構成の動作を説明する。

第２図（イ）は、スクイド↓の動作特性例を示す。横軸
は被測定電流■６を表し、縦軸は交流バイアス電流Ｉ、
を表す。

第２図（イ）において、被測定電流ＩＣが零の状態で、
交流バイアス電流Ｉ１１の振幅を徐々に大きくしていく
と、スクイド１から発生ずる雑音のため（例えば第２図
（ロ）に示す雑音のため）に、第２図（ハ）に示すよう
に、出力パルスの単位時間当りの正パルス数ＮＰ、負パ
ルス数Ｎ７ともほぼ同じ値で徐々に上昇する。更に交流
バイアス電流ｒａを大きくすると、両者ともに飽和し、
当該交流バイアス電流ＩＲの周波数ｆ、に等しくなる。

この際、正パルス数ＮＦ、負パルス数Ｎ、がともに交流
バイアス電流ＩＢの周波数ｆ１の１／２付近の振幅Ｉ。

の時に、当該正パルス数ＮＰ、負パルス数Ｎ７の変化率
が最大となり、検出感度が最高となる。従って、本実施
例は、正パルス数Ｎ。

と負パルス数Ｎ。との和が交流バイアス電流ＩＢの周波
数ｆ、にほぼ等しくなるように当該交流バイアス電流Ｉ
Ｂの振幅をフィードバンク制御するようにしている。

第２図（ニ）は、第１図パルスレート測定器２によって
測定された交流バイアス電流ＩＥの単位時間当りの正パ
ルス数と負パルス数との和Ｎ、Ｎを電圧ＶＰＮに変換す
る様子を示す。

第２図（ホ）は、第２図（ニ）を第１図増幅器３−１に
入力した時に、出力端子から送出される反転増幅された
電圧Ｖ３の様子を示す。ここで、交流バイアス電流ＩＢ
の周波数ｆ、に対応する電圧■１を送出し、感度を最良
にするようにフィードバックする。

以上のように、スクイド１の注入端子Ｂに対して、当該
注入端子Ｂにおける単位時間当りの正パルス数および負
パルス数の和Ｎ、Ｎをほぼ交流バイアス電流■６の周波
数ｆＩに等しくなるように当該交流バイアス電流ＴＢの
振幅をフィードバック制御することにより、常に最高感
度状態のもとて被測定電流Ｉ。を高精度に測定すること
が可能となる。

第３図は、本発明の他の実施例構成図を示す。

これは、注入端子Ｂにおりる単位時間当りの正パルス数
および負パルス数の和ＮＰ）Ｉにより発生する電圧■ｐ
ゎと、交流バイアス電流Ｉｎの周波数１１に対応する設
定電圧Ｖｆｌとを差分積分器６に入力し、これら両者の
差電圧Ｖ、を交流電流発生器７に供給し、ＮｐＨがｆ、
となるような交流バイアス電流■おの振幅をフィードバ
ンク制御するようにしている。

第４図は、本発明の他の実施例構成図を示す。

これは、被測定電流Ｉ、を零にした状態のもとで、注入
端子Ｂにおけるある一定時間内の正パルス数、負パルス
数、あるいは両者の和のパルス数のいずれかをカウンタ
８−１て計数し、第４図（ロ）シフ１〜パルスてこのカ
ウンタ８−１で計数したパルス数をレジスタ８−２に設
定し、Ｄ／Ａ変換器８３および交流電流発生器７によっ
て交流バイアスミ流ＩＲを注入端子Ｂに供給することを
繰り返し、注入端子Ｂに出力されるパルス数が所望の値
に安定した時に、図示Ｓ　Ｗ　＋を開放状態にし、レジ
スタ８−２に保持したパルス数をもとに、注入端子Ｂに
供給する交流バイアス電流ＩＢの振幅を制御するように
したものである。このように、測定開始当初に自動的に
校正を行い、その後に被測定電流■。を測定することに
より、最高感度状態のもとて高精度に被測定電流１ｃを
測定することが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ジョセフソン接
合によってスイッチングされた後の注入端子Ｂにおける
単位時間当りの正パルス数、負パルス数、あるいは両者
の和のパルス数によって交流バイアス電流工８の振幅を
フィードバック制御した状態のもとで、被測定物体の磁
界を零点法によって測定する構成を採用しているため、
交流バイアス電流を常に最大感度が得られる交流バイア
ス電流値の極く近傍に保持し、高感度、高精度、かつ安
価な回路構成によって被測定物体の磁界を測定すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例構成図、第２図は本発明の動
作説明図、第３図、第４図は本発明の他の実施例構成図
、第５図は従来技術の説明図、第６図は従来技術の動作
説明図を示す。 図中、１はスクイド、２．８はパルスレート測定器、３
．７交流電流発生器、３−２は交流信号発生器、４はパ
ルス計測器、８−１はカウンタ、８−２はレジスタ、Ｌ
Ｉはインプソ１−コイル、Ｌ２は超伝導コイル、Ｌ３は
フィードバックコイル、Ｌ４はピックアップコイル、Ｊ
ｌ、Ｊｚはジョセフソン接合を表す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物体から放射される磁界をディジタルスク
   イドを用いて測定するディジタルスクイド制御方式にお
   いて、 被測定物体から放射される磁界を超伝導のピックアップ
   コイルＬ＿４によって検出し、これと共にループを形成
   するインプットコイルＬ＿１に対して、超伝導コイルＬ
   ＿２によって磁界結合するループにジョセフソン接合を
   配置してこのジョセフソン接合に外部から交流バイアス
   電流Ｉ＿Ｂを重畳する態様で供給し、この時に検出され
   る単位時間当りの正パルス数および負パルス数の和を一
   定値にするように上記交流バイアス電流Ｉ＿Ｂの振幅を
   フィードバックすると共に、単位時間当りの正パルス数
   および負パルス数の差が零になるように、上記超伝導コ
   イルＬ＿２に対して磁界結合でフィードバックし、この
   時のフィードバック量を被測定物体の磁界として測定す
   るように構成したことを特徴とするディジタルスクイド
   制御方式。
2. （２）上記交流バイアス電流を重畳する態様で供給し、
   この時に検出される単位時間当りの正パルス数、負パル
   ス数、あるいは両者の和を計数して保持し、この保持し
   たパルス数のもとで交流バイアス電流Ｉ＿Ｂを制御する
   と共に、単位時間当りの正パルス数および負パルス数の
   差が零になるように、上記超伝導コイルＬ＿２に対して
   磁界結合でフィードバックし、この時のフィードバック
   量を被測定物体の磁界として測定するように構成したこ
   とを特徴とするディジタルスクイド制御方式。