JPH03102276A

JPH03102276A - 磁束検出装置

Info

Publication number: JPH03102276A
Application number: JP23921989A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Goto; 英一後藤; Yutaka Harada; 豊原田
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1989-09-14
Publication date: 1991-04-26
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: JP2902007B2

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】（従来の技術）本発明はジョセフソン素子を用いる超高感度磁束検出装
置に関する。

（従来の技術）ジョセフソン素子により構成されるＳロ旧Ｄ（Ｓｕｐｅ
ｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒ
ｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いる磁束測定装置
が知られている。この装置は高感度かつ応答性が極めて
優れており、高精度及び高感度測定が要求される分野に
使用されている。このＳＱＵＩＤを用いた装置により、
例えば、人体から発生する微弱磁界信号の検出が可能に
なり、また、油田層の存在や高温水層の探査等地質的な
調査を精度良く行うことが可能になったりした。

（発明が解決しようとする課題）上述した磁束測定装置は、信号磁束を補足する磁束検出
コイル（ピックアップコイル）を有しており、この補足
された磁束が検出コイルを含む超伝導ループと磁気的に
結合するＳＱＵＩＤへ印加される。

信号磁束を補足する検出コイルを含む超伝導ループのイ
ンダクタンスのために、ＳＱＵＩＤの高感度高速応答性
が十分に生かされていないと言う課題が存在する。

（課題を解決するための手段）本発明は、信号磁束をＳＱ旧ロにまで伝達する磁束検出
コイルを含む超伝導ループにジョセフソン素子を含む負
性インダクタンス発生手段を設けたことにより上記課題
を解決する。

（作　用）ジョセフソン素子とそれを用いた回路は既に開示されて
おり、例えば「超高速ジョセフソン・デバイス」　（菅
野卓雄監修、培風館発行）に詳しく記述されている。第
２図を用いてジョセフソン素子１００の特性を説明しよ
う。ジョセフソン素子の特性、即ち、素子に流れる電流
１，と素子間の電圧Ｖ，は、ジョセフソン素子の最大超
伝導電流■１と電子波位相差甲，を用いて以下の式で表
される。

Ｉ　Ｊ　　＝　Ｉｎ　　ｓｉｎ　　’ＦＪ　　　　　　
−　　（１）ここでΦ。は磁束量子と呼ぶ磁束単位で、
２．０　７　ｘ　１　５　”ｗｂである。ところで、電
圧を積分した値を一般化磁束Φとして定義すると動作を
一般的に議論できる。すると（２）式は下式となり、（
３）式よりジョセフソン素子の磁束は電子波位相差、甲
，に比例することがわかる。ジョセフソン素子は従来ス
イッチング素子として扱われているが、（１）〜（３）
式からジョセフソン素子がインダクタとしての特性を持
つことが示される。特に（１）式はジョセフソン素子と
しての非線形インダクタンスとしての特徴を示している
。ここでジョセフソン素子の微分インダクタンスを（４
）式で算出する。

ｄ　Φ４　　　　　Φ０ＣＩ！，（４）式より、ジョセフソン素子はぞの電子波位相差甲
，を使ってＣＯＳ”ＰＪに比例する可変インダクタンス
であることがわかる。特に申，がπ／２から３π／２の
間ではｃｏｓｙ，が負となり、ジョセフソン素子は負性
インダクタンスを示す。

第３図には単一のジョセフソン素子により構或される負
のインダクタンスを実現する可変インダクタが示される
。ジョセフソン素子１００に直列にインダクタ１０１が
接続されており、電流源１０２により外部電流Ｉ。が印
加される構成である。外部電流Ｉ。を変化することによ
り、ジョセフソン素子に加わる直流バイアス磁束Φ．を
変化し、これによりジョセフソン素子１００の電子波位
相差甲，変え、端子２０５、２０７間に負性のインダク
タスを発生することができる。第４図は、可変の負性イ
ンダクタンス発生手段を示すシンボルであり、インダク
タンス値Ｌ０が外部電流Ｉ。

により変化されることを表現している。

第５図は、２個のジョセフソン素子から構或される負性
のインダクタンスを実現する可変インダ？タンス発生手
段の例である。最大超伝導電流が工．である第１、第２
のジョセフソン素子１　０　０　ａ，１００ｂが密接合
トランス２０３の第１、第２の２次巻線２０２ａ，２０
２ｂの対向する端邪に設けられている。第１、第２のジ
ョセフソン素子］００ａ，１００ｂの接合点は端子２０
６、にまた密結合トランス２０３の第１、第２の２次巻
線２０２ａ，２０２ｂの接合点は端子２０５に接続され
ている。密結合トランス２０３０１次巻線２０１は直流
電流源２０７に接続されている。次にこの回路動作を説
明する。密結合トランス２０３の１次巻線２０１に電流
源２０７により直流電流Ｉ　ｏｘを流し、第１、第２の
２次巻線２０２ａ、２０２ｂに直流バイアス磁束Φ８う
を鎮交させる。

磁束Φ．Ｍは（５）式に示される様に磁束量子Φ。で規
格化すると、電子波位相角αとなる。

Φ．。

α：２π■　　　・・・　（５） ΦＯ端子２０５、２０６間の位相角をφとすれば、第１、第
２のジョセフソン素子１００ａ，１００ｂに流れる電流
は各々、Ｉ　．ｓｉｎ（φ−α）１，ｓｉｎ（φ＋α〉
となる。従って、端子２０５、２０６に流れる電流は（
６）式で表される。

１　＝　ｒ．　ｓｉｎ（φ−α）　＋　Ｉ．　ｓｉｎ（
φ＋α）２１．ｓｉｎφｃｏｓ　ａ　　　　　−　　（
６）端子２０５、２０６の間の位相角がφであるから、
その端子間の一般化磁束ΦはφΦ。／２πである。

従って、端子２０５、２０６の間のインダクタンスＬ０
は（４）式と同様に計算して（７）式となる。

ｄφ （７）式より端子２０５、２０６の間のインダクタンス
は位相角αにより変化する。従って、第５図に示す回路
は１次巻線２０１に流す外部電流■。Ｎにより制御され
る可変インダクタンスを実現している。特に位相角がα
がπ／２から３π／２ではｃｏｓが負となり、負性イン
ダクタンスを実現するのに都合が良い。この負性インダ
クタンス発生手段は、第３図に示された負性インダクタ
ンス発生手段と比較して、外部ノイズに強いという利点
を有している。

なお、第５図に示された負性インダクタンス発生手段に
おいて、端子２０５、２０６側をバイアス磁束供給側と
し、変或器２０３の１次巻線側を負性インダクタンス供
給側としても同様にして利用可能であることは明らかで
ある。

第６図は、第５図の負性インダクタンス発生手段に用い
られる直流バイアス磁束供給手段の具体例を示す。変或
器２０３の１次巻線２０１から延長される超伝導線２０
９に橋渡して超伝導線２１０が設けられている。外部電
流Ｉ＠Ｘを導入又は変化する場合は、超伝導線２１０に
近接して設けられたヒータ２１１又は磁界発生手段２１
２を駆動して、熱又は磁界より、超伝導線２１０を常伝
導（抵抗〉状態にする。所望の値のバイアス電流■．を
流した後に、超伝導線２１０を再度超伝導状態にする。

変戊器２０３の１次巻線２０１と超伝導線２１０とによ
り超伝導ループが構或され、それに前記所望の値の超伝
導循環電流が流れ、これによりバイアス磁束の供給が達
或される。外部からのノイズの影響がないのでこの手段
は極めて有効になる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。第
１図は本発明の磁束測定装置の１実施例の概略図である
。

一端に磁束検出コイル４００を有し他端が、磁束検出素
子であるＳＱＵＩＤに、磁束を介して結合する超伝導ル
ーブ４００に、負性インダクタンスを実現する可変イン
ダクタ２００が直列に接続されている。インダクタ２０
０の負性インダクタが超伝導ループ４００の他の部分の
インダクタンスを打ち消すように調整されると、信号磁
束の変化に応じて瞬間的に大電流を超伝導ループに流す
ことかでき、この結果大きな磁束をＳＱ［ＩＩＤに印加
することかでき、より高感度、高速度で信号磁束を検出
することができる。本実施例においては、磁束検出素子
として２個のジョセフソン素子４０５、４０６を用いる
ｏｃ−ｓｏ旧Ｄ　４１０を用いたが、代わりにＲＰ−Ｓ
ＱＵＩロを用いることも勿論可能である。

なお、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ　、ＲＦ−ＳＱ［ＩＩＯ　ニ用
いられる検出回路は周知である。例えば、「クライオエ
レクトロニクス人門」　（著者　中村　彬、発行者オー
ム社）を参照されたい。

第７図は、本発明の別の態様であり、差動磁束検出コイ
ルを備えた磁束検出装置の概略図である。

−ａにＳΩ旧ロで微弱な磁束を検出するには、雑音の影
響を排除するために異なる位置の信号を２個の磁束検出
コイルで検出し、その差分を検出する、いわゆるグラジ
オメータと呼ばれる装置が採用されている。この場合、
２個の磁束検出コイルの感度を正確に合わせることが高
い測定精度を得るための必須条件である。このグラジオ
メータにおいては、第８図に示される様に、磁束検出コ
イル４００ａを含む超伝導ループ４０１ａと磁束検出コ
イル４００ｂを含む超伝導ループ４０ｌｂは、Ｓロ旧Ｄ
４１０と結合する部分において共通部分を有するが、こ
の共通部分において、同一方向検出磁束に対して、逆方
向電流が流れるように構或されている。従って、Ｓロ旧
Ｄ４１０には入力磁束？Ｓ．、Φ．の差信号が検出され
る。超伝導ルーブ４０１ａ及び４０ｌｂにはそれぞれ可
変の負性インダクタンス発生手段２００ａ，及び２００
ｂが設けられており、これらのインダクタンスを外部電
流Ｉ。、工■・を調整することにより磁束検出コイル４
００ａ，４００ｂの感度を全く等しくすることができ、
高い測定精度を達成することができる。また、ループ４
０１ａ，４０ｌｂのインダクタンスも下げることができ
るので、増感も達成することができる。

測定現場に於いて各コイルの感度を調整できることは、
実際面において極めて有利である。

なお、３つ以上の磁束検出コイルを備えたグラジオメー
タに対しても本発明が有効なことは言うまでもない。

（発明の効果）以上説明したごとく、本発明によると、極めて高感度な
磁束検出装置を実現できる。また、グラジオメータにお
いて、差動検出コイル間の感度を完全に等しくすること
ができるので、外来ノイズの影響を完全に除去した状態
で、信号磁束の測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による負性インダクタンス発生手段を用
いる磁束検出装置、第２図はジョセフソン素子の特性を
説明するための図、第３図は単一のジョセフソン素子に
よる負性インダクタンス発生手段の回路図、第４図は負
性インダクタンス発生手段のシンボル図、第５図は２つ
のジョセフソン素子からなる負性インダクタンス発生手
段の回路図、第６図はバイアス磁束供給手段の一例を示
す図、第７図は差動磁束検出手段を備える磁束検出装置
の概略図である。１　０　０、１　０　０　ａ，１　０　０　ｂ，４０５
，４０６・・・・ジョセフソン素子、１０１・・・・イ
ンダクタ、１　０　２，２　０　７・・・・直流源、４　０　０、
４　０　０　ａ，４　０　０　ｂ−＝・磁束検出コイル
、４　０　１、４　０　１　ａ，４　０　ｌ　ｂ−・・
・超伝導ループ。図ｎのｃｎ（ろ，２：：こ＝更な乙）第１図第２図第３図第４図２０６第５図第６図手続補正書（方式）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁束検出コイルを含む超伝導ループ、及びこの超
伝導ループと磁束を介して結合するＳＱＵＩＤからなる
磁束検出装置において、前記超伝導ループに負性インダクタンス発生手段が設け
られており、この負性インダクタンス発生手段により増
感された入力信号が前記ＳＱＵＩＤにより検出される磁
束検出装置。
（２）前記負性インダクタンス発生手段が、１つのジョ
セフソン素子と直流バイアス磁束供給手段から成ること
を特徴とする請求項（１）記載の磁束検出装置。
（３）前記負性インダクタンス発生手段が、２個のジョ
セフソン素子、直流バイアス磁束供給手段、及び超伝導
巻線変圧器から成ることを特徴とする請求項（１）記載
の記載の磁束検出装置。
（４）前記負性インダクタンス発生手段の負インダクタ
ンス供給端子に懸かる磁束と、バイアス磁束とが、一方
のジョセフソン接合に和、他方のジョセフソン素子に差
の磁束として懸かるよう構成されることを特徴とする請
求項（３）記載の磁束検出装置。
（５）前記直流バイアス磁束供給手段の供給バイアス磁
束が可変であり、発生インダクタンスの値が可変である
ことを特徴とする請求項（２）又は（３）記載の磁束検
出装置。
（６）前記直流バイアス磁束供給生手段が、超伝導スイ
ッチを含む超伝導ループから構成されることを特徴とす
る請求項（２）又は（３）記載の磁束検出装置。
（７）磁束検出コイルを各々備える複数の超伝導ループ
、及びこの超伝導ループと磁束を介して結合するＳＱＵ
ＩＤからなる磁束検出装置において、各超伝導ループに
可変の負性インダクタンス発生手段が設けられており、
前記負性インダクタンスが調整されて、各検出コイルの
感度が等しく且つ増感されることを特徴とする磁束検出
装置。