JPH03152488A - 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（８ｕｐｅｒｃｏｎ　−
ｄｕｃｔｉｎｇ　熟ａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎ
ｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　。

以後路してＳＱＴ［Ｄと呼ぶ）を用いた磁力計に関する
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ＢＱＵよりである。

ＥＩＱ１７より（１）は超伝導リング（２）、超伝導リ
ング（２）中に設けられたジ目七フソン素子（３）と（
４）、超伝導リング（２）と磁気的に結合した変調帰還
コイル（５）から構成される。（６）はＱｔ７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、αＱは乗算器、
ａｌ）は積分器、０は帰還抵抗である。積分器Ｉは積分
増幅器Ｉ、積分コンデンサ（１４，積分器スイッチ四か
ら構成される。ａｅ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　Ｉａ　Ｉ＋　（Ｆｌｕｘ　−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌ
ｏｏｐ）回路と呼ばれる公知のものであシ１例えばＲｅ
ｖｉｅｗ　Ｏｆ　５ａｉｅｎ−ｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔ　Ｖｏｌ、５５．１０４年の第９５２頁〜第
９５７頁等に説明が記載されている。

次に動作について説明する。以下の説明においては、超
伝導磁力計を一例として航空機等の移動物体に搭載して
使用する場合を考え、地磁気を被測定磁界とみなす。

まず、ＳＱＵより（１）を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、地磁気中に置く。

この時、第５図に示すように、超伝導リング（２）を含
む平面Ｐへの地磁気の入射角をθ、超伝導リング（２）
の面積を８．地磁気の絶対値をＨとすると。

超伝導リング（２）を貫く検知磁束φは。

φ−■・Ｓ−―θ　　　　　　・・・・・・・・・■と
なる。一方、超伝導リング（２）におけるフシクツイド
の量子化条件と、２つのジョセフソン素子（３）。

（４）における直流ジョセフソン効果とにより、　５Ｑ
Ｉ７より（１）の端子Ａ−Ｂ間に電位差を生じることな
く流すことのできる超伝導電流の工。はφの関数となる
。特に超伝導リング（２）のインダクタンスＬ。

の存在を無視し、Ｌｓ−０とみなすと、φと工。

との関係は０式のようにな夛、　エエはφに対してφ０
を周期として変化する。

ここで、　工Ｃはジョセフソン素子（３）、　（４）そ
れぞれの臨界電流値である。また、φ。は磁束量子であ
シ、その値は２．０７ｘ１０　　ｗｂである。ＬｓＯ値
は実際には数１０ｐＨ〜数ｎＨの値であるため、島とφ
との関係は０式からずれ、工。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。

上記のような堀の変化に対応して１ｌｌｌＱ［７より（
１）の電流−電圧（ニーＶ）特性もまた。φ。を周期と
して変化する。第６図（ａ）は上記のようなＥＩＱ、Ｕ
より（１）のニーＶ特性を示すものであシ、φ−ｎφ。

。 φ−（ｎ　＋　２　）φ。の時にそれぞれ曲線Ｃ１曲線
りのようにな九　φの値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９図中、−１゜工ｍ２は
それぞれφ−ｎφ。、φ−（ｎ　＋　２　）φ０の時の
超伝導電流の最大値である。次に工ｍ１よシ若干大きな
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６図（ｂ）のよりなφ。全
周期とし走入出力特性が得られる。

以上がＳＱＵより　（１）の動作である。

次に従来の超伝導磁力計全体の動作について説明する。

まず、積分器スイッチ霞を閉じ、積分器α力をリセット
−状態にする。次に直流電流源（７）から例えばより−
１，１工叫のバイアス電流よりを流し、さらに発振器α
尋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、この変調信号は振幅÷φ。（ｐ−ｐ）
　ｅ　　周波数ｔ−１００ＫＨｚの正弦波である。この
時点で検知磁束φがφ−ｎφ。またはφ−（”４）φ０
であれば動作点は第６図（→中のＥ点ま九は１点になシ
、端子ムーＢ間に発生する出力電圧のｆの周波数成分は
零である。検知磁束φが変化して動作点がずれるとｆの
周波数成分が現われ、その振幅はφ−（ｎ　ｆ　４　）
φ。Ｋ相当する０点またはＥ点において最大になる。た
だし位相は０点とＥ点とで逆相、になる。このよりなり
Ｑσより（１）の出力電圧を前置増幅器（９）で増幅し
た後１乗算器α〔において、移相器（８）を通した参照
信号口と掛は合わせて位相検波する。

次に積分器スイッチ（ハ）を開くと乗算器α〔の出力は
積分器ａ２）によシ積分された後、帰還抵抗ａｚと変調
帰還コイル（５）を流れる帰還電流工ｆとしてＳＱＵよ
り　（１１へ負帰還され、φ−ｎφ。又はφ−（ｎ＋　
２　）φ。に動作点を固定（以後、磁束ロックと呼ぶ）
する。磁束ロック後は、磁束ロック値すなわち初期磁束
を出力零の原点とし、そこからの相対的な変化量△φに
比例した電圧ΔＶ　ｏｕｔを出力する。

ΔφとΔ’７ｏｕｔとの関係は０式に示す通シである。

△φ−Ｍｆ・工ｆ−Ｍｆ・ΔＶＯｕｔ　　・・・・・・
・・・■ｆ ただし９Ｍｆ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、　　Ｒｆは帰還抵抗α邊
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
９例えば航空機等に搭載し移動しながら第７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α９を閉じて積分器ａυをいったんリセ
ットした後に開放し、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△Ｖｏｕｔを測定し
。

■式からＨの値を算出する。

上記のような測定を繰シ返し、磁性体付近でのＨのわず
かな変化を検出し、磁性体の存在を検知する。

〔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体付近での地磁気の変
化を検出するためには、上記のように超伝導リング（２
）を含む平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り返さなければ
ならないため２位置決め精度が高Ｘ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。

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、地磁気の変化を高精度かつ容易に検出するこ
とのでき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、センナブロック上の互
いに所定の角度をなす３平面上のそれぞれに固着したＢ
ＱＵよりと、上記８ＱＵよりを駆動し所望の出力を得る
駆動回路と、上記駆動回路の出力を用いて未知数の値を
求める未知数算出回路と。

上記駆動回路の出力および上記未知数算出回路の出力と
を用いて地磁気の変化を算出する磁界変化量算出回路と
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Ｂ
ＱＴ：Ｉよりが初期磁束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。上記出力を未知数算出回路へ送ル、各ＳＱＵよ
りの機械的な配置角度。

感度ばらつき、初期磁束等から決まる未知数の値を算出
する。次に磁界変化量算出回路において上記未知数と駆
動回路の出力とを用いて地磁気の変化を算出する。

〔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針の構成
を示すブロック図である。αｎ、　舖、　（１１はセン
サブロック（２）の互いに所定の角度をなす３平面上の
それぞれに固着したＥＩＱｔ７よりであシ、−例として
所定の角度が約９０度の場合を示している。

８ＱＵより（ｌη、αＳ、　ａＳはいずれも従来の実施
例で説明した８ＱＴ７より（１）と同じものである。ａ
ｎ、　（２）、＠はそれぞれＳＱ、Ｕよりαη、　ａｓ
、　ａｓを駆動し所望の出力を得る駆動回路でア）、−
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８ＱＵ工′Ｄ（１η、α［有］、（Ｉ９を駆
動する場合を示している。

＠は駆動回路ａｎ、（２）、（至）の出力を受ける未知
数算出回路、（ハ）は駆動回路２１）、　＠、（至）と
未知数算出回路（２）の出力を受ける磁界変化量算出回
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。

イは変調信号９口は参照信号、ΔＵ工、ΔｖＩ！ｌ、Δ
−は時刻ｔｒｎ（ｍ−１，２，・・・・・・、８．９）
　における駆動回路ＱＤ、（２）、（至）の出力、Δｕ
ｎ、△ｖｎ、ΔＷｎは時刻１ｍ以後の時刻ｔｎにおける
駆動回路ｏｎ、　＠、（２）の出力＊　　”１Ｂ　”２
１・・・・・・・・・、　Ｋ７．　Ｋ９は未知数算出回
路＠の算出値、Ｆは磁界変化量算出回路（ハ）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。

まず、ＢＱＵより（Ｊη、α樟、σ優を例えば液体ヘリ
ウムに浸すなどして冷却し、超伝導に転移させる。

次に駆動回路（財）、■、（至）内の積分器スイッチを
閉じ、積分器をリセットする。次に駆動回路シＤ、（社
）。

（至）から８ＱＵよりαカ、舖、αｌ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ＳＱ［ｌｒよ
り（１７）。

＋１１．　（１１に変調信号イを、また、駆動回路Ｉ２
η、＠。

（２）へ参照信号口を送る。次に駆動回路Ｑρ、＠、（
ハ）内の３個の積分器スイッチを同時に開き、　８ＱＵ
よりα７）、　Ｑｌ、　　α優を同時に磁束ロックする
。駆動回路Ｃ２１）。

（２）、（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、
Δｕｍ　＋Δｖｍ、△ｗｏは時々刻々と変化する。

次に第２図に示すようなＸ７ｇ直交座標系とＵｖｗ非直
交座標系とを定め、Ｕ軸とＶ軸、Ｖ軸とＷ軸、Ｗ軸とＵ
軸とのなす角度をそれぞれ（９０＋α）度、（ＳＯ＋β
）度、（９０＋ｒ）度とする。

第２図において、ｇ軸とＷ軸が一致しているが一般性は
失なわれない。

第３図は８ＱＵ１：Ｄ　（Ｉη、　（ＩＩ、　（ＩＩと
ｕｖｗ非直交座標系との関係を図示したものである。ｕ
、　　ｖ、　　ｗ軸はそれぞれ５１Ｑ［７より（１？ｌ
＆α優に対して垂直で。

それぞれのＢＱσＩＤの感度軸に一致する。

上記座標系において、地磁気の絶対値ＨＯｕｖＷ系で、
の成分表示ｕｍ　＋　ｖｍ　ｔ　”０１１　　と１７１
１系での成分表示Ｘ。ｔ　７ｍ　、ｔ　ｚｍ　との間に
は、α、β、γを用いて次のような関係が成立する。

・・・・・・・・・　■ 一方、　　ＱＵより（１’ｌ）、　６・、　ａＳの初期
磁束をそれぞれｕＱ　Ｉ　ｖＱ　ｅ　”Ｏｅ　　超伝導
ループの面積をそれぞれ８１、８２．８３．出力電圧か
ら検知磁束への変換係数をそれぞれＡ、　Ｂ、　　Ｏと
すると。

であるから、■、の式よシ。

である。さらに１次式が成立する。

Ｋ２−　ｘ２＋　ｙ２＋　ｚ２−・−−−−−−０ｍ　
　　　　ｍ　　　　　ｍ ０式を０式に代入し整理すると、定数に１〜に１０を用
いて次式のように表現できる。

Ｋ２−に１・（Δｕｍ）２＋に２・いＶｍ）２＋に５・
（ΔＷ、）２＋に４−（△−・Δ％）＋ｋｓ　（△ｕｆ
Ｑ・△−）＋に６（△−・△−）＋に７・Δ−＋に６・
Δ−＋に９−Δ−＋に１．）　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・・［株］ｋ１〜に１ｏはα、βｓ　ｒ　
ｓ　ｕＯｔ　ｖＯ＊　”Ｏｒ　８１　ｓ　Ｓ２　＋８３
、Ａ、Ｂ、Ｏが掛は合わされた定数である。

ここで、関数Ｆ（△ｕｍ、△ｖＨ１，Δｗｍ　）を０式
のよ−（△ｕｍ）２＋、−旦（△ｖｍ）２＋　　”５（
△ｗＩＩｎ）２に１ｋｌ 十−（ΔＵゴ△−）＋と（Δｕ、・Δ−）十紮ｈゴ＾）
４ に１　　　　　　　　　ｍ１１　　　　　　　　　ｋｌ
ｋ、　　　　　ｋｇ　　　　　ｋｇ 十−へ一十一Δｙ、＋−へ− に、　　　　　１１１　　　　　ｋｌ −（Δｕ！ｎ）２＋に１（Δ−ゾ＋に２　（ム−）２”
　Ｋ３　（鵠・Ａｖ、）＋ｘ４　（△−・△−）＋Ｋｓ
　（△−・Δ−）＋に６・匈−１７・八ｒｍ　＋　Ｋ６
・ム１　　・・・・・・・・・０ただし＊　Ｋ２−に２
／に１　ｔ　Ｋ２−ｋｇＡｌ　＊　Ｋ５−に４／に１゜
１４−に５／に１　ｚ　　Ｘｓ−に６／ｋｔ　　−１６
＋７／に１−５−ｋｇ／に１ｚ　Ｋ１３−に９／に１■
が一定であれば、地磁気の入射角が変化してもＦの値は
不変である。したがって１時刻ｔｍや１においても６１
ｍ＋１　ｓΔｖｍ＋１１　Δ”ｍ＋１の間には。

次式が成立する。

？（、ｋｍ＋１　、△ｖｒｎ＋１ｊａＷ。＋１）−（＆
、ｌ−１）２＋ＫＢい７ｍ＋１　）２＋に２　・（６１
ｍ＋１　）２＋に、°（ムｒｒ＋１°△ｖｍ＋１）＋Ｋ
ｃ（△”ｍ＋１　’Δ’ｍ＋１　）＋ｘ５−（６７ｍ−
１−１・Δ’ｍ−１−１）＋　Ｋ６　植術叶１　＋　Ｋ
７　・△ｖＴｒ＋１”　”８　”△’ｒａ＋−１”””
”・＠■、＠式よりｏ”が一定であれば任意のｍについ
（（＆ｍ＋１　）２−（、ｍ、内＋ｚ、　（（６７ｍ＋
１）２（△Ｖ、）２）＋に２（（△”ｍ＋１）２（Δ−
）２）十に３（Δｕｒｒｋ＋１　”△Ｖ、）、１−ユｚ
”△ｖ、）＋に４（ムｒｒ＋１・△ｗ、＋１−△ｕ０・
Δｗ工）十に５（△ｖ、＋１・△”ｍ＋１−Δｖｍ−Ａ
ｗｍ）十に６（６１ｍ＋１　”ｍ）　＋に７　（６７ｍ
＋−１−△ｖｏ）＋に８（△”ｍ＋１−Δ”ｍ）　−０
・・・・・・・・・・・・　■が成立する。

そこで飛行高度を十分高くする等して地磁気Ｈを一定に
した状態で旋回をしながら９時刻ｔ１　ｅ　ｔ２　ｔ・
・・・・・＋　”８　ｔ　ｔ９　　における駆動回路２
１１．（２）、（至）の出力の組（△ｕ１．Δ７１．Δ
Ｗ１　）　、　　（ン２　ｇΔ７２．△Ｗ２）。

・・・・・・・・・、（ΔｕＢ、ΔＶＢ、ΔＷ８　）　
、　（ム？、ΔＶ５１．ΔＷ９）を計測し、未知数算出
回路（財）へ送る。次に未知数算出回路Ｑ４においてこ
れら９組の数値を０式に代入し、方程式を解いてに１　
ｅ　Ｋ２　＋・・・・・・＊　Ｋ７　＊　Ｋ８の値を算
出し、算出値を磁界変化量算出回路（至）へ送る。

次に時刻ｔ、！ｌ以後の時刻ｔｎにおいては駆動回路ａ
ｌｌ、　＠、（２）の出力Δｕｎ、Δｖｎ、ΔＷｎを磁
界変化量算出回路（至）へ送る。磁界変化量算出回路（
至）は０式％式％ 代入してＦ（Δｕｎ、Δｖｎ、Δｗｎ）を算出する。超
伝導磁力計を地磁気中で移動しながら上記のよりなＦの
算出を繰シ返し、磁性体付近でのＦの値の変化を算出す
る。Ｆの値の変化から地磁気の変化を検知し、磁性体を
発見する。

なお、上記説明では９組のデータを用いて代数方程式を
解くことによシ未知数”１　ｓ　Ｋ２　ｓ・・・・・・
、に７゜Ｋ８を算出する場合について説明したが、９組
以上のデータを用いて最小二乗法等によシ未知数に１〜
ｘ８の値を求めてもよい。

また、駆動回路ａ！υ、器、（至）の後にそれぞれＡ／
Ｄ変換器を設け、未知数算出回路（至）や磁界変化量算
出回路（ハ）へのデータの転送をディジタル信号で行な
えば、雑音の影響を受けにくくなシ、信頼性が向上する
。

上記実施例では、　　ＢＱＵよりａｆｉ、　αＳ、　ａ
Ｓは超伝導リング中に２つのジョセフソン素子を含み直
流バイアス電流を流して駆動するＤｏ−ＢＱＵ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
セフソン素子を含み交流バイアス電流で駆動するＲＦ−
８Ｑ、σ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、センナブロックの互
いに所定の角度をなす３平面上のそれぞれに固着したＳ
ＱＵよりを用いて地磁気の３成分の変化を独立に検出し
、未知数算出回路と磁界変化量算出回路とを用いて地磁
気の変化を算出するため、高精度で大がか）な回転支持
機構を必要とせずに磁性体付近での地磁気の変化を高精
度かつ容易に検出することのでき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Ｘ７１？直交座標系とｕｖ
ｗ非直交座標系との関係を示す図。 第３図はｕｖｗ非直交座標系とＩＵよりとの位置関係を
示す図、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５ＱＴ７よりへの地磁気の
入射角の説明図、第６図は５Ｑｆｆよりの素子特性図、
第１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、αη、αＩ　、　（Ｉｌは
ＳＱＵより　。 （至）はセンサブロック、ａ’ｎ、（ハ）、＠は駆動回
路、＠は未知数算出回路、ａＳは磁界変化量算出回路で
ある。 図中、同一符号は同一、又は、相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   干渉素子を駆動し所望の出力を得る駆動回路、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
   号を供給する発振器、上記駆動回路の出力を用いて未知
   数の値を算出する未知数算出回路、上記駆動回路の出力
   および上記未知数算出回路の出力とを用いて被測定磁界
   の変化を算出する磁界変化量算出回路とを具備したこと
   を特徴とする超伝導磁力計。