JPH0495790A - 超伝導量子干渉計の駆動検出装置 - 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） 本発明は、ジョセフソン接合で作られる磁束検出器であ
る超伝導量子干渉計に関する。

（従来の技術） ２個の超伝導体が臨界温度以下の状態、つまり超電導状
態であるとすると、電流が臨界電流より小さい状態では
、薄い絶縁体障壁を超伝導体ではさんだ接合に電圧を発
生することなく電流を流すことが出来る。この接合はト
ンネル型ジッセフソン接合と呼ばれその接合の応用例と
して、超伝導量子干渉計（ＳＱＩＩｌ、Ｄ　：以下スク
イラドと表す）が広く知られている。このスクイラドは
、心臓や脳、筋肉、眼球などの活動に伴って発生する生
体磁気測定、鉱物、地下資源の探査や気象観測、或いは
、物質の磁気的物性計測および精密電磁気的計測に応用
される。

スクイラドはその駆動のために用いられるバイアス方式
の違いにより一つのリング（スクィッドループ）中に１
つのジョセフソン接合を持つものをｒｆ−スクイラド、
二つのジョセフソン接合を持つものをｄｃ−スクイラド
と呼ばれる。

２接合量子干渉計（２Ｊ−３ＱＵＩＤ）は、現在最高の
感度を有する磁気センサであり、広い範囲への応用が研
究されている。その中でも、生体から発生する磁場を観
測し、心電図あるいは脳波のように医療診断に応用しよ
うという試みが特に活発に行われている。医療への応用
を考えた場合、５ＱＵＩＤシステムには高感度性のほか
に、同時に複数箇所で波形を観測できるような多チャン
ネル化が求められる。

従来のＤＣ−３ＱＵ　Ｉ　Ｄは磁束ロック回路（ＦＬＬ
）によって駆動されている。この方式は、ＳＱυＩＤの
高感度性を効率よく引き出すことができるが、室温の外
部回路として高感度・低ノイズの前置増幅器と位相検波
器を必要とする。この結果室温の５ＱＵＩＤ駆動・検出
回路は大型となり、必ずしもＳＱυＩＤの多チャンネル
化にＦＬＬ方式は適当とは言えない。

第１図にパルス密度変調型５ＱＵＩＤシステムのブロッ
クダイアグラムを示す、低温部１′は５ＱＵＩＤ本体２
′とそれと磁気結合するインプットコイル３′、フィー
ドバックコイル４′から成る。５ＱＵＩＤを構成する２
個のジョセフソン接合Ｉｃ、、Ｉｃ、にはシャント抵抗
は設けず、したがって５ＱＵＩＤはその電流−電圧特性
にヒステリシスを有したラッチングモードとなっている
。

外部磁場の検出は、インプットコイルから入力される外
部磁場と常に平衡をとるようにフィードバックコイルか
ら磁場を与え、その量を読むことによって行う。第２図
は本５ＱＵＩＤの動作点をしきい値曲線（Ｉ２！界電流
−磁場特性）上に表したものである。図中の太線で示し
たように、動作点はしきい値曲線上の右下がりあるいは
左下がりの部分に設定される。ただし、“ｎ＝ｏ”の右
下がりの部分でも、磁場がφ、からφ９までの範囲（グ
レイゾーンも含む）では確率的に“ｎ＝１”の左下がり
の部分で電圧遷移が起きるため動作点を設定できない。

今、動作点を第２図のＡ点とすると、５ＱＵＩＤをこの
状態に置くためには、バイアス電流ＩＡと直流磁場φ、
が必要である。直流磁場φＡはフィードバックコイルに
オフセット電流を流すことで与えられる。一方、バイア
ス電流源からは振幅■、の交流電流が供給される。本方
式では５ＱＵＩＤの電圧遷移確率を検出するが、ジョセ
フソン接合がラッチングモードのため回路のリセットを
必要とする。このため、バイアスは交流とする必要があ
る。バイアス電流波形は、原理的にはどのような形でも
許されるが、感度の点から矩形波（パルス）が望ましい
。

（本発明が解決しようとする課Ｈ） このような、従来技術の駆動検出装置では、バイアス電
流源からスクイラドへ第３図（ａ）に示す交流バイアス
を加えるが、スクイラドから発生するパルスは、バイア
ス電流の振幅が１０の状態にある時のどこで電圧遷移す
るかは一意には決まらない、言い替えるとバイアス電流
の振幅がＩｂｌの状態であればいつでも電圧遷移する確
率を持つと言うことである。故に従来技術では反転積分
されるパルスの幅は第３図の（ロ）に示すように一定で
はない。反転積分器への入力パルス幅にばらつきがある
ことは積分した結果においてカウント数のエラーとなっ
て現れてしまい、そのことはフィードバック電流のエラ
ーであり安定な零位法が実現しないという問題点になっ
ている。

＜Ｓ題を解決するための手段） （実施例） スクイラドと駆動検出装置のブロックダイヤグラムを第
４図に示す。バイアス電流源１がらスクイラド２に第３
図の（ａ）に示すような交流を印加する。スクイラドの
動作点は第２図に示すＡ点である。第２図中のφＡに相
当する磁束は可変電圧源１１から加算器１２と電圧電流
変換器１３を通して与えられる。スクイラドから発生し
たパルス電圧を増幅器４でＴＴＬレベル程度に増幅する
。これは半導体回路で扱い易い電圧にするためであるが
必ずしも必要ではない０次に増幅された出力パルスの立
ち上がりで１つのパルスを発生するシングルショットパ
ルス発生器５によりスクイラドからの出力パルスを矯正
し常に同じ大きさのパルス幅、パルス高にする。シング
ルショットパルス発生器５で発生するパルスの幅（時間
幅）はパルスが重ならないようにするためバイアス電流
の振幅がゼロの時の時間よりも短いものでなければなら
ない。第３図の（ａ）にバイアス電流波形、（ｂ）にス
クイラドからの出力パルス、（Ｃ）にシングルショット
パルス発生器の出力パルスを示す。シングルショットパ
ルス発生器５の出力を反転積分器７に入力してパルスを
ある時定数τで積分してパルスに対して反転したアナロ
グ出力を得る。電圧遷移確率が％の時に相当する反転積
分器７のアナログ出力を打ち消す電圧を可変電圧源９か
ら与えると次段の加算器８の出力は、磁束の変化に対応
したアナログ出力となる。この加算器８の出力をスイッ
チ１０と加算器１２を経て電圧電流変換器１３で電流に
変換してフィードバックコイル３からスクイラドへ磁場
を印加する。この磁場は、スクイラドに印加された外部
磁場を打ち消すものである。外部磁場の変化は加算器８
の出力をモニターすることによって知ることができる０
周波数カウンター６はバイアス電流源１とシングルショ
ットパルス発生器５の出力の周波数をモニターする目的
を持つ 第４図は、右下がりのしきい値曲線上にある動作点に対
するフィードバック回路の構成を示したものである。初
段の増幅器４はジョセフソン接合のギャップ電圧（〜２
．８ｓ＋Ｖ）をＴＴＬレベルまで増幅するために用いら
れる。シングルショットパルス発生器５は、電圧状態へ
の立ち上がりをトリガとして、正確な１シヨツトを反転
積分器７へ供給している。尚、ここではバイアス電流の
１周期中に、多くても１つのパルスしか出ないような状
態に設定されている。反転積分器７はパルス列を積分時
間τの間だけ積分し、出力を反転して出力する０以上３
つの要素によって周波数−反転電圧コンバータが構成さ
れる。

磁場検出の手順はまず、５ｗ１Ｏを開いた状態で直流電
源■ｒｚ１１とバイアス電流源１によって５ＱＵＩＤを
第２図中の動作点Ａに設定する。この点はバイアス電流
周波数ｆ、に対して、電圧遷移確率が５０％になってい
る点である。積分器の出力は負であるから、それを直流
電源ｖｒ１９によって零に調節する。５ｗ１Ｑを閉じた
状態で外部磁場が入ると、電圧遷移確率が５０％からず
れる。

ｆ−Ｖコンバータはこれを検出し、確率を再び５０％に
戻すようにフィードバックコイルに流す電流を変化させ
る。外部磁場の波形は積分器の出力をオシロスコープな
どでモニタすることが観測できる。

（効果） この磁場検出方式の特徴をまとめると、次のようになる
。

（１）動作点を設定できる範囲が広い。

（２）ＤＣ−３ＱＵＩＤの２つのジョセフソン接合の臨
界電流値を揃える必要がなく、またシャント抵抗も不要
なため超伝導回路の簡素化が図れる。

（３）出力電圧がジョセフソン接合のギャップ電圧と大
きい。

（４）ＳＱＵＩＤの出力としての情報は電圧の大きさで
はなく、パルスの有無であるため、室温エレクトロニク
スのノイズが５ＱＵＩＤの感度に与える影響は非常に小
さい。

上の（＋）（２）は動作マージンが広いことを意味して
いる。また、（３）（４）は室温の駆動・検出回路が簡
略化できることを示している。このことから、パルス密
度変調型５ＱＵＩＤシステムは、多チャンネル化に対し
て有効であると考えることができる。

さらに、（２）で示した′ようにジョセフソン接合には
シャント抵抗を必要としない、すなわち、ジョセフソン
接合本来の磁場感度をシャント抵抗によって損なうこと
がないわけで、従来のものよりさらに高感度の磁気測定
ができる可能性もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はパルス密度変調型５ＱＵＩＤの基本構成を示す
図、第２図は５ＱＵＩＤの動作点をしきい値曲線上に表
示した図、第３図（ａ）、（ロ）と（Ｃ）は入力・出力
パルス波形を示す図、第４図は本例の一例の回路図であ
る。 図中：１・・−バイアス電流源、２−・−スクイラド、
３・フィードバックコイル、４−増幅器、５−・シング
ルショットパルス発生器、６−・周波数カウンタ、７−
反転積分器、８−・・加算器、１３−・・電圧電流変換
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　超伝導閉ループを別々のブランチに分けるよう該閉ル
   ープ内に配されたトンネル型接合のジョセフソン接合、 超伝導閉ループの端子にバイアス交流電流（パルス）を
   供給するバイアス電流源、 超伝導閉ループからの出力を検知し、 超伝導量子干渉計からの出力信号に応じたフィードバッ
   ク信号を作る負のフィードバック装置、超伝導閉ループ
   に印加される外部磁場の変化を打消すようフィードバッ
   ク信号に応じたフィードバック磁場をジョセフソン接合
   に印加するフィードバックコイル、および 外部磁場の変化を知るためフィードバック信号を検出す
   る装置を有し、 超伝導量子干渉計から出力されたパルスを、常に同じパ
   ルス幅、パルス高に矯正する波形整形装置を有すること
   を特徴とする超伝導量子干渉計の駆動検出装置。