JPH04116480A - 磁束ロック装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は磁束ロック方法およびその装置に関（２、さ
らに詳細にいえば、冷凍機を用いて臨界温度以下に冷却
された容器内に５ＱＵＩＤを収容して動作させる場合に
おいて、入力コイルにより超伝導ループに導かれる磁束
の変化を補償すべくフィートハック・コイルにフィード
バック信号を供給するための磁束ロック装置に関する。

〈従来の技術、および発明が解決しようとする課題〉 従来から非常に高感度の磁束検出を行なうことができる
という特質に廿日して、種々の分野で５ＱＵＩＤが応用
されている。また、５ＱＵＩＤには、ジョセフソン接合
（以下、ＪＪと略称する）を１つたけ有するｒｆ−３Ｑ
ＵＩＤと、ＪＪを２つ有するｄｃ−３ＱＵＩＤとかあり
、従来はｒｆＳＱＵＩＤが一般的に用いられていたが、
最近では〆Ｗ膜製造技術か進歩して特性か揃った２つの
ＪＪか得られるようになってきたので、磁束検出感度か
高いｃｌｃ−３ＱＵＩＤか広く用いられるようになって
きた。

第７図は従来のｄｃ−８ＱＵＩＤ磁束計の構成を示す電
気回路図であり、超伝導ループ（７１）の所定箇所に２
つのＪ　Ｊ　（７２）か形成されているとともに、定電
流源（７０）により２つのＪ　Ｊ　（７２）を挾んで超
伝導ループ（７１）にバイアス電流を供給している。

そして、ｍ１１定対象の磁束を検出するだめのピックア
ップ・コイル（７４）と接続された入力コイル（７３）
を超伝導ループ（７１）に近接させて設けている。さら
に、２つのＪ　Ｊ　（７２）を挾んで超伝導ループ（７
１）の出力電圧を変圧する電圧変圧トランス＜７５）の
出力電圧を増幅器（７Ｇ）により増幅し、発振器（７７
）から出力される被変調信号に基ついて同期検波器（７
Ｂ）により復調し、積分器（７９）により復調信号を積
分し、外部磁束に比例した電圧として外部に出力してい
る。また、積分器（７９）からの出力信号と発振器（７
７）からの被変調信号とを加算器（８０）により加算し
、電圧−電流変換器（８１）によりフィー）・バック電
流に変換してモジュレーション・フィル（８２）に供給
し、ピックアップ・コイル（７４）で検出した外部磁束
を打ち消すようにしている。

このように磁束ロック・ループ（以下、ＦＬＬと略称す
る）にｄｃ−３ＱＵＩＤを組み込めば、第５図に示すよ
うに、磁束−電圧変換係数か鎖交磁束の大きさによって
周期的に変化することに起因してそのままでは超伝導ル
ープの鎖交磁束を旧Δ１りてきないという不都合を解消
でき、変換率が最大の点に磁束を保持し続けることによ
り鎖交磁束の計測を可能にすることかできる。即ぢ、ピ
ックアップ・コイル（７４）および入力コイル（７３）
を介して超伝導ループ（７１）に外部から加えられる磁
束と同じ大きさでかつ逆向きの磁束をモジュレーション
・コイル（８２）を介してフィードハックすることによ
り外部磁束をキャンセルし、モジュレーション・コイル
（８２）に供給されるフィードバック電流をモニタする
ことにより外部磁束を計測できる。

しかし、このＦＬＬにおいては、積分器（７９）からの
出力信号にモジュレーション・クロックの１／２の周波
数のノイズが残留する。このノイズは積分器（７９）の
周波数特性によってかなり減衰している（例えば８０ｄ
Ｂ程度減衰している）か、５ＱＵＩＤの感度を考慮すれ
ば十分な減衰量とはいえない。また、積分器（７９）か
らの出力信号に変調を施してモジュレーション・コイル
（８２）に供給するための発振器（７７）および加算器
（８０）においてモジュレーション・クロックに基つく
ノイズを発生し、このノイズか５ＱＵＩＤ自体の特性に
影響を及はず可能性かある。また、５ＱＵＩＤの動作条
件としてのモジュレーション信号の振幅幅、遅延時間、
バイアス′屯流等の設定を行なう場合には、波形を見な
がらこれら各条件を調整しなければならす、調整作業か
著しく繁雑化するという不都合がある。

さらに、電圧変圧トランス（７５）の出力電圧は直流成
分を含ます、交流成分のみを含むのであるから、このま
までは５ＱＵＩＤの特性試験を行なうことかできす、特
性試験を行なう場合には、５ＱＵＩＤを特性試験装置に
接続し直すことか必要になる。特に、上記５ＱＵＩＤお
よびＦ　Ｔ−Ｌをマルチ・チャンネル化する場合には、
各５ＱＵＩＤ毎に特性試験装置に接続しなければならず
、クール・ダウン、および常温復帰のために著しく長時
間かかかるとともに、サーマル・コンタクトの不備を考
慮すれば、同時に冷凍室内に収容できる５ＱＵＩＤ数か
制約されるのであるから、各５ＱＵＩＤの特性を試験す
るために著しく長時間かかかってしまう。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
モジュレーション・クロックに起因するノイズの発生を
著しく抑制できる磁束ロック装置を提供することを目的
としている。

また、特別に５ＱＵＩＤを試験装置に接続し直すことな
く特性試験を行なうことができる磁束ロック装置を提供
することを他の目的としている。

く課題を解決するための手段〉 前者の目的を達成するための、第１の発明の磁束ロック
装置は、所定のバイアスが供給されている５ＱＵＩＤの
超伝導ループの両端から取り出した信号とＳＱ　Ｕ　Ｉ
　Ｄの電圧−磁束特性の所定の単調変化点に対応する信
号との差を得る差抽出手段と、抽出された差を積分する
積分手段と、積分信号を電流に変換してフィードバック
・コイルに供給する電圧−電流変換手段とを含んでいる
。

後者の目的を達成するための、第２の発明の磁束ロック
装置は、差抽出手段の前段または積分手段の後段の電圧
信号を選択的に取り出す出力選択手段と、外部から与え
られる電圧信号または積分手段から出力される積分信号
を選択的に電圧−電流変換手段に供給し、かつ出力選択
手段と連動する供給信号選択手段とをさらに含んでいる
。

く作用〉 第１の発明の磁束ロック装置であれば、臨界温度以下に
冷却された容器内に収容された５ＱＵＩＤに対して入力
コイルにより導かれる磁束の変化量を補償すべくフィー
ドバック・コイルに対してフィードバック信号を供給す
ることにより５ＱＵＩＤの超伝導ループに供給される磁
束を一定量に維持する場合において、所定のバイアスか
供給されている５ＱＵＩＤの超伝導ループの両端から取
り出した信号と５ＱＵＩＤの電圧−磁束特性の所定の単
調変化点に対応する信号との差を差抽出手段により得、
抽出された差を積分手段により積分し、電圧−電流変換
手段により積分信号を電流に変換してフィードバック・
コイルに供給することにより、上記所定の単調変化点に
おいて磁束をロックすることかできる。

したかって、フィードバック・コイルにフィドハソク信
号を供給するために従来は必要であった変調回路を不要
にてき、変調に起因するノイズの発生を防止することに
より全体としてノイズを大ｌ］に低減できる。また、全
体としての電気的構成を簡素化できるとともに、小形化
できる。

第２の発明の磁束ロック装置であれば、出力選択手段に
より積分手段の後段の電圧信号を取り出すとともに、積
分手段から出力される積分信号を供給信号選択手段によ
り電圧−電流変換手段に供給することにより、第１の発
明と同様の作用を達成できる。そして、両選択手段を逆
に制御すれば、フィードバック信号に代えて外部から与
えられる電気信号に基づ＜５ＱＵＩＤからの出力電圧を
得ることかできる。したかつて、バイアス電流を変化さ
せることにより電流−電圧特性を、外部から与えられる
電圧信号を変化させることにより磁束−電圧特性を測定
することかできる。即ち、簡単な選択動作を行なわせる
たけて、簡単に５ＱＵＩＤの特性試験を行なうことかで
きる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第３図は５ＱＵＩＤを用いる磁束７１＋１１定装置に適
用される冷凍容器の構成を概略的に示す縦断面図であり
、真空容器（１ａ）の内部に３００にの冷凍機（１ｂ）
を収容し、冷凍機（１ｂ）に輻射シールド（１ｃ）を支
承させている。そして、輻射シールド（１ｃ）で包囲さ
れる空間内に７０にの冷凍機（１ｄ）を収容し、冷凍機
（１ｄ）にも輻射シールド（１ｅ）を支承させている。

さらに、輻射シールド（１ｅ）で包囲される空間内に４
．２にの冷凍機（１ｆ）を収容し、冷凍機（１ｒ）にＳ
　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ　（２）を支承させている。そして、
ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ　（２）と真空容器（１ａ）外の測定装
置（４）とを接続する信号線（３）が設けられている。

第１図はこの発明の磁束ロック装置の一実施例を示す電
気回路図であり、Ｓ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ　（２）の超伝導
ループ（２ａ）に対して、バイアス電流源としてのディ
ジタル−アナログ変換器（以下、Ｄ／Ａコンバータと略
称する）　（４ａ）および電圧−電流変換器（以下、Ｖ
／Ｉコンバータと略称する＞　　（４ｂ）によリバイア
ス電流を供給している。そして、超伝導ループ（２ａ）
の両端の電圧をプリアンプ（４ｃ）に印加して増幅し、
減算器（４ｄ）の一方の入力端子に供給する。この減算
器（４ｄ）の他方の入力端子には、Ｄ／Ａコンバータ（
４ｃ）により所定の基準電圧が供給され、プリアンプ（
４ｃ）により増幅された電圧と基準電圧との差電圧を得
る。この差電圧は積分器（４ｆ）に供給されることによ
り積分され、積分器（４ｆ）からの出力電圧かＶ／Ｉコ
ンバータ（４ｇ）にょリフイードバック電流に変換され
てフィードバック・コイル（２ｃ）に供給される。尚、
（２ｂ）は図示しないピックアップ・コイルにより検出
された磁束を効率よく超伝導ループ（２ａ）に導くため
の入力コイルである。また、上記Ｄ／Ａコンバータ（４
ａ）（４ｅ）にはそれぞれ外部設定電圧データが設定さ
れている。

上記の構成の磁束ロック装置の動作は次のとおりである
。

先ず、Ｄ／、Ａ：７ンハータ（４ａ）およびＶ／ｌコン
バータ（４ｂ）により供給されるバイアス電流を所定］
１ 値に設定ｔ、　’−Ｃおくとともに、Ｄ／Ａコンハーク
（４ｅ）により減坤器（４（１）に与えられる基準電圧
を、第２図に示すように、磁束−電圧特性のｆ、ｌ調変
什部の所定点に対応する値に設定しておく。

この状態において入力コイル（２１１）により超伝導ル
ープ（２ａ）に導かれる磁束が変化すわば、超伝導ルー
プ（２ａ）の両端の電圧か変化するので、プリアンプ（
４ｃ）により増幅した後、減算器（４ｄ）により基準電
圧との差電圧を得、積分器（４Ｆ）により差電圧を積分
してＶ／Ｉコンバータ（４ｇ）によりｆｕ流値に変換す
ることによりフィー　ドパツク電流を得ることかできる
。そして、このフィー　ドパツク電流をフィードバック
・コイル（２ｃ）に供給すれば、ブイ１ハツク・コイル
（２ｃ）により、人力コイル（２ｂ　）により導かれる
磁束の変化をキャンセルてぎる磁束か超伝導ループ（２
ａ）に導かれるので、超伝導ルブ（２ａ）に導かれる磁
束の量を一定に維持できる。

即ち、５ＱＵＩＤの超伝導ループ内の磁束を基準電圧に
基ついて定まる一定の磁束に維持できる。

そして、この場合において、積分器（４ｆ）から出］２ 力される積分゛正圧に基づいて、入力コイル（２ｂ　）
により導かれる磁束を検出できる。

以上の説明から明らかなように、変調動作か全く不要に
なっているので、全体としての電気的構成を簡素化でき
るとともに、調整を必要とする要素か著しく少ない関係
上、全体として小形化でき、しかもモジュレーション・
クロックによるアンプ回路の駆動が全く不要となり、ノ
イス発生量を著しく低減できる。

〈実施例２〉 第４図はこの発明の磁束ロック装置の他の実施例を示す
電気回路図であり、上記実施例と異なる点は、減算器（
４ｄ）の前段の電圧信号または積分器（４Ｆ）の後段の
電圧信号をアナログ−デインタル変換器（以下、Ａ／Ｄ
コンバータと略称する）　（４ｈ）を通して選択的に取
り出すためのスイッチ（４，ｉ）と、Ｄ／Ａコンバータ
（４ｋ）により与えられる電圧または積分器（４ｆ）か
ら出力される電圧を選択的にＶ／エコンバータ（４ｇ）
に供給するためのスイッチ（４ｍ）とをさらに有してい
る点のみである。

］３ したかって、この実施例の場合には、積分器（４ｆ）の
後段の電圧を選択すべくスイッチ（４、ｊ　）を動作さ
せるとともに、積分器（４ｆ）から出力される電圧をＶ
／Ｉコンバータ（４ｆ）に印加すべくスイノヂ（４ｍ）
を動作させることにより、上記実施例と同様の作用を達
成できる。

また、両スイッチ（４Ｊ）（４ｍ）か逆に動作された場
合には、減算器（４ｄ）および積分器（４ｆ）が切り離
された状態になるので、Ｄ／Ａコンバータ（４ｋ）によ
り与えられる電圧に対応するＳ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ　（２
Ｉの出力電圧をＡ／Ｄコンバータ（４，ｂ）を通して取
り１（１ずことかてきる。即ち、Ｄ／Ａコンバータ（４
ｋ）に与“イーるディジタル信号を変化させれば、外部
磁束が変化したのと等価な状態か？１７られるので、バ
イアス電流を一定に保持した状態における磁束−１遺圧
特性（第５図参照）を１ｌｌｌｌ定できる。また、Ｄ／
Ａコンバータ（４ｋ）に与えるディジタル信号を一定に
保持しておいて、Ｄ　、／　Ａコンバータ（４ａ）に１
ｊえられるディジタル信号を変化させれば、電流−電１
１１１Ｅ特性（第６図参照）を測定できる。

また、この実施例の磁束ロック装置においては、５ＱＵ
ＩＤを用いて実際に磁束の測定を行なう前に必要な調整
作業を著しく簡素化できる。この点についてさらに詳細
に説明すると、先ず、両スイッチ（４ｊ）（４ｍ）を動
作させることにより減算器（４ｄ）および積分器（４ｆ
）を切り離し、磁束ロック動作を行なわない状態にする
。そして、Ｄ／Ａコンバタ（４ａ）　（４ｅ）　（４ｋ
）をイニシャライズして出力電圧をＯＶに設定する。

その後、Ｄ／Ａコンバータ（４ｋ）に所定のオフセット
値をセットし、Ｄ／Ａコンバータ（４ａ）を三角波また
はサイン波等で駆動しながらＡ／Ｄコンバタ（４ｈ）か
ら出力される電圧信号を取り込むことにより、オフセッ
ト値に対応する電流−電圧特性（第６図中破線参照）を
得ることができる。そして、Ｄ／Ａコンバータ（４ｋ）
にセットするオフセット値を変化させる毎に上記電圧信
号の取り込みを行なうことにより、第５図に示す電流−
電圧特性を得ることかてき、５ＱＵＩＤか磁束に感応す
るバイアス電流の範囲を認識できる。

以上のようにして電流−電圧特性を得た後は、Ｄ／Ａコ
ンバータ（４ａ）のオフセット値を、磁束に感応し得る
バイアス電流の範囲内になるように設定し、この状態に
おいて、Ｄ／Ａコンバータ（４ｋ）を三角波またはサイ
ン波等で駆動しながらＡ／Ｄコンバータ（４ｈ）から出
力される電圧信号を取り込むことにより、オフセット値
に対応する磁束−電圧特性を得ることができる。そして
、Ｄ／Ａコンバータ（４ａ）にセットするオフセット値
を変化させる毎に上記電圧信号の取り込みを行なうこと
により、各バイアス電流に対応する磁束−電圧特性を得
ることができる。したがって、複数の磁束−電圧特性に
基づいて振幅が最大になるバイアス電流を識別できる。

以上の一連の処理を行なうことにより、５ＱＵＩＤの特
性が得られるので、その後は両スイッチ（４ｊ）（４ｍ
＞を逆に動作させることにより減算器（４ｄ）および積
分器（４ｆ）を接続し、磁束ロック動作を行なう状態に
する。そして、Ｄ／Ａコンバータ（４ａ）のオフセット
値を、磁束−電圧特性の振幅が最大になるバイアス電流
値に設定し、Ｄ／Ａコンバータ（４ｅ）のオフセット値
を、設定されたバイアス電流に対応する磁束−電圧特性
の最大電圧と最小電圧との中間値に設定し、さらに積分
器（４ｆ）をリセットすることにより磁束測定動作準備
を完了する。

したかって、以上の設定条件に基づいて磁束Δ１り定動
作を行なわせれば、電圧が単調変化する所定の点におい
て超伝導ループ（２ａ）に与えられる磁束を一定に維持
することができ、各時点における積分器（４ｆ）からの
出力電圧をＡ／Ｄコンバータ（４ｈ）を通して取り出す
ことにより外部磁束を測定できる。そして、この場合に
おいて、バイアス電流が上記のように設定されていると
ともに、全く変調を施すことなく積分器（４ｆ）からの
出力電圧をＶ／Ｉコンバータ（４ｇ）により電流に変換
してフィードバック・コイル（２Ｃ）に供給しているの
であるから、磁束測定精度を著しく高めることができる
。

また、以上の説明から明らかなように、両スイッチ（４
ｊ）（４ｍ）を切り代え動作させるだけで簡単に特性試
験状態と磁束測定状態とを選択でき、しかも磁束測定を
行なう場合のバイアス電流の調整が著しく容易である。

さらに、従来の磁束ロック装置と比較して調整要素が著
しく少なくなる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば、複数の５ＱＵＩＤを同時動作させるべく多チ
ャンネル化することが可能であるほか、上記初期設定お
よびバイアス電流の設定を自動化することが可能であり
、その他、この発明の要旨を変更しない範囲内において
種々の設計変更を施すことが可能である。

〈発明の効果〉 以上のように第１の発明は、積分手段から出力される信
号に対して変調を施すことなくフィードバック・コイル
に供給するようにしているので、変調用のクロックに起
因するノイズの発生を防止でき、全体として著しく低ノ
イズ化して５ＱＵＩＤによる磁束測定精度を高めること
ができ、さらに、調整要素を著しく減少させて全体とし
ての小形化を達成できるという特有の効果を奏する。

第２の発明は、スイッチ動作を行なわせるたけで、磁束
測定装置と５ＱＵＩＤの特性試験状態とを簡単に選択す
ることができ、しかも多チャンネル化、自動調整化に簡
単に対処できるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の磁束ロック装置の一実施例を示す電
気回路図、 第２図は減算器にＪうえられる基準電圧を説明する概略
図、 第３図はこの発明の磁束ロック装置の他の実施例を示す
電気回路図、 第４図は５ＱＵＩＤを用いる磁束測定装置に適用される
冷凍容器の構成を概略的に示す縦断面図、第５図は５Ｑ
ＵＩＤの磁束−電圧特性を示す図、第６図は５ＱＵＩＤ
のバイアス電流−電圧特性を示す図、 第７図は従来のｄｃ−９ＱＵＩＤ磁束計の構成を示す電
気回路図。 （２）Ｓ （２ｂ） （２Ｃ〉・ （４ｄ）・ （４ｇ） ＱＵＩＤ、（２ａ）超伝導ループ、 入力コイル、 フィードバック・コイル、 減算器、（４ｆ）・・・積分器、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、臨界温度以下に冷却された容器（１ａ）（１ｃ）（
   １ｅ）内に収容されたＳＱＵＩＤ（２）に対して入力コ
   イル（２ｂ）により導かれる磁束の変化量を補償すべく
   フィードバック ・コイル（２ｃ）に対してフィードバック信号を供給す
   ることによりＳＱＵＩＤ（２）の超伝導ループ（２ａ）
   に供給される磁束を一定量に維持する磁束ロック装置に
   おいて、 所定のバイアスが供給されているＳＱＵ ＩＤ（２）の超伝導ループ（２ａ）の両端から取り出し
   た信号とＳＱＵＩＤの電圧−磁束 特性の所定の単調変化点に対応する信号 との差を得る差抽出手段（４ｄ）と、抽出された差を積
   分する積分手段（４ｆ）と、積分信号を電流に変換して
   フィードバック・ コイル（２ｃ）に供給する電圧−電流変換手段（４ｇ）
   とを含むことを特徴とする磁束ロック装置。 ２、差抽出手段（４ｄ）の前段または積分手段（４ｆ）
   の後段の電圧信号を選択的に取り出す出力選択手段（４
   ｊ）と、外部から与えられる電圧信号または積分手段（
   ４ｆ）から出力される積分信号を選択的に電圧−電流 変換手段（４ｇ）に供給し、かつ出力選択手段（４ｊ）
   と連動する供給信号選択手段（４ｍ）とをさらに含む上
   記特許請求の範囲第１ 項記載の磁束ロック装置。