JPH03257976A - 超伝導装置 - 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〕 ジョセフソン接合素子に代表される超伝導素子で構成さ
れている超伝導集積回路チップを実装した超伝導装置に
関し、 超伝導集積回路チップに対する外部磁場の影響を根本的
に遮断し、誤動作を皆無にすることを目的とし、 寒剤の充填が可能であるデューア瓶内に配置された超伝
導集積回路チップと、該超伝導集積回路チップの近傍で
且つ開放した際に生成される開口がその超伝導集積回路
チップを見込む位置に在るよう配置された超伝導材料か
らなるシャッタと、該シャッタに熱的接続線を介して結
合されシャッタのみを単独に冷却することが可能な冷凍
機の冷却ヘッドとを備えてなるよう構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ジョセフソン接合素子に代表される超伝導素
子で構成されている超伝導集積回路チップを実装した超
伝導装置に関する。

ジョセフソン接合素子を用いた論理ゲートは高速で動作
するので、高速プロセッサを実現することができる。そ
こで、近年、Ｎｂなどからなるジョセフソン接合素子を
用いた超伝導集積回路について多くの報告がなされてい
る。

一般に、ジョセフソン接合素子は磁場に対して敏感であ
り、回路の工夫如何に依っては、地磁気の１０−”程度
までも観測可能である。然しなから、この特性は、例え
ば、ジョセフソン接合素子からなる超伝導集積回路チッ
プを用いて計算機システムなどを構成しようとする場合
には大変不都合である。即ち、その超伝導集積回路チッ
プを安定に動作させるには、地磁気などの外部磁場を遮
蔽することが必要となるからであり、若し、遮蔽が完全
でない状態で動作させた場合には、不安定にスイッチン
グしたり、或いは、磁束トラップと呼ばれる回路内への
磁場のピンニングを起こし、超伝導状態を解消してやら
ない限り、誤動作を継続し続けることになる。

従って、ジョセフソン接合素子からなる超伝導集積回路
チップが実装され、外部磁場を容易且つ確実に遮蔽可能
な超伝導装置が実現されなければならない。

〔従来の技術〕

第９図は従来の超伝導装置を説明する為の要部切断側面
説明図を表している。

図に於いて、１はデューア瓶（Ｄｅｗａｒ　　ｖｅｓｓ
ｅｌ）、２は第一の磁気シールド容器、３は第二の磁気
シールド容器、４は寒剤、５はジョセフソン接合素子か
らなる超伝導集積回路チップをそれぞれ示している。

この超伝導装置に於ける磁気シールド容器２並びに３は
、通常、商品名パーマロイ（Ｐｅｒｍａｌｌｏｙ：Ｗｅ
ｓｔｅｒｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）と呼ばれる高透磁率
の材料で構成してあり、このような材料は、極低温環境
下でも透磁率が減少しないので、超伝導集積回路チップ
５と磁気シールド容器３とは近接した状態で配置するこ
とができる。

第１０図は第９図に見られる従来の超伝導装置を改良し
たものについて説明する為の要部切断側面説明図を表し
、第９図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか
或いは同じ意味を持つものとする。

本従来例が第９図について説明した従来例と相違する点
は、磁気シールド容器３内に超伝導集積回路チップ５を
加熱し得るヒータ６を備えていることである。

この従来例では、磁気シールド容器２及び３で外部磁場
の遮蔽を行ない、その上で、超伝導集積回路チップ５内
に磁束トラップとして残った磁場は、ヒータ６で超伝導
集積回路チップ５を加熱することで、−旦、常伝導状態
に戻してピンニングを外し、その後、再び超伝導状態に
する際、超伝導に特有の磁場排斥効果（マイスナー（Ｍ
ｅｉｓｓｎｅｒ）効果）が温度勾配に依って次第に現れ
てくるのを利用して残りの磁場を超伝導集積回路チップ
５の外に押し出すようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

第９図について説明した従来の技術では、磁気シールド
の層数、即ち、磁気シールド容器２などの数を増せば外
部磁場の遮蔽率は向上する筈であるが、実際には、磁気
シールド容器の形状や加工時の歪みなどで決まる値で飽
和してしまい、遮蔽率として１０−４以上を得ることは
困難であり、原理的に超伝導集積回路チップ５に対する
外部磁場の影響を零にすることはできない。

第１０図について説明した従来の技術では、冷却状態で
ヒータ６に依る加熱を行うのであるから、当然、寒剤の
損失が発生し、そして、再び超伝導状態にする際、超伝
導集積回路チップ５中の凹凸などの影響で再度のピンニ
ングが発生する可能性があり、また、磁場の排斥は、温
度勾配に依存して行われものであるから、この場合も、
原理的に超伝導集積回路チップ５に対する外部磁場の影
響を零にすることはできない。

ジョセフソン接合素子は高速で動作するが、外部磁場の
影響を受けた場合には、確実に誤動作する。これは、半
導体メモリに於ける放射線に依るソフト・エラーと同様
、計算機システムにとっては致命的な問題である。

本発明は、超伝導集積回路チップに対する外部磁場の影
響を根本的に遮断し、誤動作を皆無にしようとする。

〔課題を解決するための手段〕 第１図乃至第３図は本発明の詳細な説明する為のもので
、何れの図に於いても、（Ａ）が要部側面説明図、そし
て、（Ｂ）が要部斜面説明図をそれぞれ表している。

図に於いて、１１はシャッタ、ＩＩＡ及び１１Ｂはシャ
ッタ羽根、１２はジョセフソン接合素子からなっている
超伝導集積回路チップ、ＬＭＦは磁力線をそれぞれ示し
ている。

図示の構成に於いて、特徴的であるのは、シャッタ１１
が超伝導材料、例えば、Ｎｂや高温超伝導酸化物などか
らなっていて、シャッタ羽根１１Ａ及びＩＩＢを開くこ
とで生成される開口の面積は変えられるようにした点で
あり、次に、この超伝導装置の動作について説明する。

尚、シャッタ１１に於けるシャッタ羽根１１ＡとＩＩＢ
との摺動面には間隙がないようにすることが好ましい。

第１図（Ａ）及び（Ｂ）を参照 図示の状態では、シャッタ１１は閉成されていて、シャ
ッタ１１も超伝導集積回路チ・７プ１２も常伝導状態に
ある。従って、磁力線ＬＭＦはシャッタ１１も超伝導集
積回路チップ１２も貫通している。

第２図（Ａ）及び（Ｂ）を参照 図示の状態では、同しく、シャッタ１１は閉成され、且
つ、冷却されて超伝導状態になっているのであるが、超
伝導集積回路チップ１２は常伝導状態になっている。

この場合、シャッタ１１が超伝導状態になる際、マイス
ナー効果に依って成る程度の磁場は排斥されるが、一部
は磁束トラップの形でシャッタ１１を貫通して残る。ど
の程度に残るかは、シャッタ１１が置かれている場所に
於ける磁場の強さ、シャッタ１１の材料及び形状などで
決まる。尚、第９図などに見られる磁気シールド容器と
同じものを用いて磁場を減少させておくと効果的である
。

第３図（Ａ）及び（Ｂ）を参照 第２図の状態から第３図の状態に至る過程で、シャッタ
１１は緩徐に開放される。この段階に於いては、まだ、
超伝導集積回路チップ１２が常伝導状態になっている。

このようにすると、シャッタ１１を貫通していた磁場は
、シャッタ羽根１１Ａ或いはＩＩＢにピンニングされた
まま、開口の周辺、即ち、超伝導集積回路チップ１２に
影響しない領域へ移動する。この際、超伝導集積回路チ
ップ１２は、まだ、常伝導状態になっているから、それ
を貫通していた磁力線ＬＭＦは自由に移動する。

シャッタ１１を開放した状態に於いて、シャッタ羽根１
１Ａ及びＩＩＢを貫通している磁束の総量は、開口の周
囲が超伝導材料の閉ループであることから、シャッタ１
１の開放前に於けるそれと原理的に変わりな（、そして
、開放前に於ける開口の面積が零であれば、開放後の開
口内に於ける磁束は零である。

さて、この後、超伝導集積回路チップ１２を冷却して超
伝導状態にする。このように、シャッタ１１に依って外
部からの磁場を排斥した後、超伝導状態にするので、超
伝導集積回路チップ１２は磁場の影響から完全に開放さ
れる。

このようなことから、本発明に依る超伝導装置に於いで
は、寒剤（例えば寒剤４）の充填が可能であるデューア
瓶（例えばデューア瓶１）内に配置された超伝導集積回
路チップ（例えば超伝導集積回路チップ１２）と、該超
伝導集積回路チップの近傍で且つ開放した際に生成され
る開口がその超伝導集積回路チップを見込む位置に在る
よう配置された超伝導材料からなるシャッタ（例えばシ
ャッタ１１或いは１１′など）と、該シャッタに熱的接
続線（例えば熱的接続線１３）を介して結合されシャッ
タのみを単独に冷却することが可能な冷凍機の冷却ヘッ
ド（例えば冷却ヘッド１４）とを備えてなるよう構成す
る。

［作用〕 前記手段を採ることに依り、超伝導集積回路チップが置
かれた環境からは、超伝導集積回路チップが超伝導状態
となる前に磁場が排斥されているので、超伝導集積回路
チップが超伝導状態になる際の外部磁場は実用上からす
ると零の状態にすることができ、従って、例えば計算機
システムを構成した場合、外部磁場に起因する誤動作は
解消することができる。

〔実施例］ 第４図は本発明一実施例を解説する為の要部切断斜面説
明図を表し、第１図乃至第３図、第９図及び第１０図に
於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ
意味を持つものとする。

図に於いて、１３は熱的接続線、１４は冷凍機の冷却ヘ
ッドをそれぞれ示している。尚、図では、簡明にする為
、シャッタ機構はシャッタ１１のみを表しである。

本実施例に於いては、シャッタ１１を超伝導集積回路チ
ップ１２の上下及び側周の四面に設けである。超伝導集
積回路チップ１２が特に影響を受は易い磁場の方向は、
磁場の衝突断面積の広狭を考慮すれば、超伝導集積回路
チップ１２の平面に垂直な方向であるから、図示のよう
に超伝導集積回路チップ１２を上下から挟むように配置
したシャッタ１１が有効であり、また、更に磁場を低減
したい場合には、図示のように、側周を囲むものを配置
すれば良い。各シャッタ１１を熱的接続線１３に依って
冷凍機の冷却へソド１４に接続しであるのは、超伝導集
積回路チップ１２とは独立して、シャッタ１１のみを冷
却して超伝導状態にできるようにする為である。

第５図はシャッタ機構を説明する為の要部分解正面図を
表し、第１図乃至第４図に於いて用いた記号と同記号は
同部分を表すか或いは同し意味を持つものとする。

図に於いて、１５Ａ及び１５Ｂはランク、１６はビニオ
ン、１７はスライダをそれぞれ示している。尚、ラック
１５Ａに於ける歯面の反対側はスライダ１７と同じ働き
をする形状になっている。

第６図はシャッタ機構の動作を説明する為の要部正面図
、及び、第７図は要部側面図をそれぞれ表し、第１図乃
至第５図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか
或いは同じ意味を持つものとする。

図に於いて、１８はビニオン１６を駆動するロンド、１
９はスライダ・ガイドを示している。

このシャッタ機構では、ロンド１８を回転させることで
ビニオン１６が回転し、それと噛み合っているラック１
５Ａ及び１５Ｂが動力を伝え、スライダ１７がスライダ
・ガイド１９を滑動し、シャッタ羽根１１Ａ及びＩＩＢ
が開閉する。尚、シャッタ機構は、従来、カメラに用い
てぃ′る機構を流用することができ、図示例に限定され
ない。

第４図について説明した実施例に於けるシャッタ１１の
開閉、並びに、シャッタ１１及び超伝導集積回路の冷却
などについては、第１図乃至第３図について説明した原
理と全く同しにして良く、シャッタ１１のみを冷却して
超伝導状態にする場合、或いは、シャッタ１１と超伝導
集積回路チップ１２を冷却して超伝導状態にする場合な
どに於いては、冷却ヘッド１４に依る冷却と、寒剤４に
依る冷却とを適宜に使い分ける。即ち、システムの立ち
上げ時に冷凍機がオンになると、先ず、冷却ヘッド１４
が低温になり、従って、熱的接続線１３を介して冷却ヘ
ッド１４に結合されているシャッタ、１１が冷却される
。各シャッタ１１が充分に冷却され、それを構成してい
る超伝導材料の臨界温度Ｔ８以下となった際、磁場はマ
イスナー効果に依って排斥され、そして、排斥しきれな
かった磁場は、磁束トラップのかたちでシャッタ１１に
於ける不特定の場所にピンニングされる。図示されてい
ないが、シャッタ１１には、適当な箇所に温度センサが
設けられているので、それに依って超伝導状態になった
ことを感知し、シャッタ機構を駆動する。シャッタ機構
の動作は、第６図について説明した通りである。シャ・
ツタ１１が開放されると、超伝導集積回路チップ１２は
ヘリウム・ガスに依って冷却される。磁場はシャッタ１
１に依って排斥され、超伝導集積回路チップ１２及びそ
の近傍に磁束トラップは発生し難い。

第８図は本発明に於ける他の実施例を解説する為の要部
側面説明図を表し、第１図乃至第６図に於いて用いた記
号と同記号は同部分を表すか或いは同し意味を持つもの
とする。

図に於いて、１１′は第二のシャッタを示している。従
って、ここでは、シャッタ１１が第一のシャッタである
とする。尚、第二のシャッタ１１′は、超伝導集積回路
チップ１２の上下に設けるだけでなく、第４図に見られ
るように、側周にも設けるなどは任意である。

この実施例は構成が若干複雑になるが、大きな利点があ
る。即ち、第一のシャッタ１１並びに第二のシャッタ１
１′を超伝導状態にするタイミングをずらせることで磁
場の排斥効果が著しく向上スル。先ず、第一のシャッタ
１１を超伝導状態にする過程で磁場の排斥を行ない、次
に、第二のシャッタ１１’を超伝導状態にする過程で磁
場の排斥を行う。尚、第一のシャッタ１１と第二のシャ
ッタ１１′を同時に超伝導状態にしたのでは、第４図に
見られる実施例に於ける効果と殆ど変わりないことにな
る。

第一のシャッタ１１と第二のシャッタ１１′とが超伝導
状態になるタイミングをずらせるには、それ等を臨界温
度Ｔｃが異なる超伝導材料を用いて構成するか、或いは
、冷却ヘッド１４からの熱的接続線１３に依る経路に差
をつけることで両者が臨界温度Ｔｃに達する時間を変え
る、などの手段を採ると良い。

本超伝導装置に用いるシャッタの数は、システムの空間
に於ける余裕に応じて多くすることができ、そのように
しても、磁気シールド容器などの場合と異なり、飽和す
ることはない。その理由は、磁気シールド容器が、磁気
遮蔽を静的に行うのに対し、シャッタの場合は、着目し
ているシャッタの直前に在るシャッタに依って磁場が低
減された状態を新たな環境とし、そこから積極的に磁場
を汲み出すようなことになるので飽和を生じることはな
い。

〔発明の効果〕

本発明に依る超伝導装置に於いては、寒剤の充填が可能
であるデューア瓶内に配置された超伝導集積回路チップ
と、該超伝導集積回路チップの近傍で且つ開放した際に
生成される開口がその超伝導集積回路チップを見込む位
置に在るよう配置された超伝導材料からなるシャッタと
、該シャッタに熱的接続線を介して結合されシャッタの
みを単独に冷却することが可能な冷凍機の冷却ヘッドと
を備える。

前記構成を採ることに依り、超伝導集積回路チップが置
かれた環境からは、超伝導集積回路チップが超伝導状態
となる前に磁場が排斥されているので、超伝導集積回路
チップが超伝導状態になる際の外部磁場は実用上からす
ると零の状態にすることができ、従って、例えば計算機
システムを構成した場合、外部磁場に起因する誤動作は
解消することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、第２図（Ａ）、第３図（Ａ）は本発明の
詳細な説明する為の要部側面説明図、第１図（Ｂ）、第
２図（Ｂ）、第３図（Ｂ）は要部斜面説明図、第４図は
本発明一実施例を解説する為の要部切断斜面説明図、第
５図はシャッタ機構を説明する為の要部分解正面図、第
６図はシャッタ機構の動作を説明する為の要部正面図、
第７図はシャッタ機構の動作を説明する為の要部側面図
、第８図は本発明に於ける他の実施例を解説する為の要
部側面説明図、第９図は従来の超伝導装置を説明する為
の要部切断側面説明図、第１０図は第９図に見られる従
来の超伝導装置を改良したものについて説明する為の要
部切断側面説明図を表している。 図に於いて、１はデューア瓶、２は第一の磁気シールド
容器、３は第二の磁気シールド容器、４は寒剤、５はジ
ョセフソン接合素子からなる超伝導集積回路チップ、１
１及び１１’　はシャッタ、１１Ａ及びＩＩＢはシャッ
タ羽根、１２はジョセフソン接合素子からなっている超
伝導集積回路チップ、ＬＭＦは磁力線、１３は熱的接続
線、１４は冷凍機の冷却ヘッドをそれぞれ示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 寒剤の充填が可能であるデューア瓶内に配置された超伝
   導集積回路チップと、 該超伝導集積回路チップの近傍で且つ開放した際に生成
   される開口がその超伝導集積回路チップを見込む位置に
   在るよう配置された超伝導材料からなるシャッタと、 該シャッタに熱的接続線を介して結合されシャッタのみ
   を単独に冷却することが可能な冷凍機の冷却ヘッドと を備えてなることを特徴とする超伝導装置。