JPH0499980A - 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［Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕ
ｃｔｉｎｇ　　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ
ｎｃｅ　　Ｄｅｖｉｃｅ、以後路して５ＱＵＩＤと呼ぶ
）を用いた高感度な磁力計のバイアス電流の設定自動化
に関するものである。

［従来の技術］ 第５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５ＱＵＩＤである。

５ＱＵＩＤは）は、超伝導リング（２）と、超伝導リン
グに　（２）中に設けられたジョセフソン素子（３）。

（４）と、超伝導リング　（２）に磁気的に結合した変
調期間コイル（５）とから構成される。（６）は直流電
流源、（７）は前置増幅器である。又、（８）は５ＱＵ
ＩＤは）を駆動して所望の出力を取り出すための駆動回
路であり、以下のものから構成される。

すなわち、（９）は発振器Ｉ、　　（１０）は発振器Ｉ
Ｉ　。

（１１）は移相器、　　［１２）は乗算器、　　（１３
）は積分増幅器、　　（１４）は積分コンデンサ、　　
（１５１は積分器スイッチ、　　（１６）は帰還抵抗で
ある。上記駆動回路（８）は一般にＦＬＬ　　（Ｆｌｕ
ｘ　−Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ　）回路と呼ばれる公知
のものであり５例えばＲｅｉｅｗ　ｏｆＳｃｉｅｎｆｉ
ｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｖｏｌ、５５．１９８
４年の第９５２頁〜第９５７頁に説明が記載されている
。

次に動作について説明する。まず５ＱＵＩＤ　（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
させる。この時、超伝導リング（２）におけるフラクソ
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、
　５ＱＵＩＤ　（１）の端子Ａ−Ｂ間に電位差を生じる
ことなく流すことの出来る超電導電流の最大値Ｉｍは超
伝導リング（２）を貫く検知磁束Φの関数となる。超伝
導リング（２）のインダクタンスＬ８の存在を無視し、
Ｌ、＝Ｏとみなすと、ΦとＩｍとの関係は０式のように
なり、■□は中に対して磁束量子Φ。（・２．０７ｘ　
１０−””ωｂ）を周期として変化する。

Ｉ　、、、−２ＩＣＩＣＯ３π（φ／　φ。）ｌ　　・
・・・・・・・・・・・■ここで■６はジョセフソン素
子Ｆ３）　、　（４）せれぞれの臨海電流値である。Ｌ
８の値は実際には数１０．Ｈ〜数ｎＨの値であるため、
■□とφとの関係は０式からずれ、■。の最小値は零に
はならないが、この場合にも■□はφ。を周期として変
化する。

上記ような■□に変化に対応して５ＱＵＩＤ　（１１の
電流−電圧（Ｉ−Ｖｌ特性も又、φ。を周期として変化
する。第６図（ａ）は上記のような５ＱＵＩＤ　（１）
の■Ｖ特性を示すものであり、φ＝ｎφ０．φ＝（ｎ＋
１７２）φ。の時にそれぞれ曲線Ｃ，Ｄのようになり、
φの値に応じてこの間を連続して変化する。

ただしｎは整数であり、第６図ｆａ）中、■□ｌ＋Ｉｍ
２はそれぞれφ＝ｎφ。、　φ、　（ｎ＋ｌ／２）φ。

の時の超伝導電流の最大値である。

次に直流バイアス電流を流して端子Ａ−Ｂ間の電位差■
をφに対して測定すると、■。２〈Ｉｂ１〈■、、、１
のバイアス電流Ｌｌに対しては第６図（ｂ）の曲線Ｅ、
Ｉｍ＋＜Ｉｂ２のバイアス電流■ｂ２に対しては第６図
（ｂ）の曲線Ｆのようなφ。を周期としたえ出力特性を
示す。以上が５ＱＵＩＤ　（１１の動作である。

次に従来の超伝導磁力計の駆動回路（８）の動作につい
て説明する。まず積分器スイッチ　（１５）を閉じ、積
分コンデンサ　（１４）をリセットする。次に発振器■
（９）から５ＱＵＩＤ　（１１へ変調磁束φｍ１を変調
帰還コイル（５）を介して加える。さらに発振器ＩＩ　
　（１０）から５ＱＵＩＤは）へ変調磁束φ。２を変調
磁束φ□１に重畳して加える。−例として、変調磁束φ
。１は振幅１／２φＯ＋ｐ−ｐｌ　１周波数ｆ、４００
ＫＨｚの正弦波、変調磁束φｍ２は振幅ψ。ｊｐ−ｐｌ
　＋周波数ｆ２＝ｌＨ２の正弦波である。

次に直流電流源（６）から５ＱＵＩＤ　（１）へバイア
ス電流を流し、その値を徐々に増加させていくと。

バイアス電流の値がＩ＋１１２よりも大きくなった時点
で前置増幅器（７）からは周波数ｆ１の波形が出力され
始める。この波形は周波数ｆ２で振幅変調されている。

この波形の振幅が最大になるようにバイアス電流の値を
調節し、調節後に変調磁束φ、２の振幅を零にする。

次に積分器スイッチ　（１５）を開くと、前置増幅器（
７）の出力は９乗算器（１２）において移相器（１１）
から出力された周波数ｆ１の参照信号φ１と掛は合わさ
れた後に積分増幅器（１３）で積分されて位相検波され
る。次に帰還抵抗（１６）と変調帰還コイル（５）を流
れる帰還電流Ｉｆとして５ＱＵＩＤけ）へ負帰還され、
動作点をφ・ｎφ。又はφ＝　（ｎ＋ｌ／２）　　φ。

に相当する第６図（６）中のＧ点又はＨ点に固定する。

固定後は固定した磁束の値を出力零の原点とし、そこか
らのφの相対的な変化量△φに比例した■式のような電
圧△Ｖｏｕｔを出力する。

ただし、　Ｍｆ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、しは帰還抵抗（１６
）の値である。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の超伝導磁力計は上記のように構成されているため
、前置増幅器（７）の出力をモニタしながら手動でバイ
アス電流の調整を行わねばならず。

手間がかか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、バイア
ス電流を自動的に設定出来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、　５ＱＵＩＤにバイア
ス電流を供給するバイアス電流源と、バイアス電流をコ
ントロールするコントローラと、前置増幅器の出力を整
流する整流器と、整流器の出力の最大値を保持するピー
ク値ホールド回路と、ピーク値ホールド回路の出力が目
標値に達したことを判別し９判別結果をコントローラへ
伝達する比較器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、コントローラからのバ
イアス電流設定開始の指示により、バイアス電流源が５
ＱＵＩＤへ供給するバイアス電流の値を零から徐々に増
加させる。５ＱＵＩＤの出力を前置増幅器で増幅した後
に整流し、その振幅の最大値をピーク値ホールド回路で
いったん保持した後に比較器で目標値と比較することに
よりバイアス電流の大きさが所望の値に達したか否かを
判定しコントローラへ伝達する。バイアス電流が所望の
値に達した時点でコントローラからの指示を受けてバイ
アス電流源がバイアス電流値を記憶し、固定する。

［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計の構成
を示すブロック図である。５ＱＵＩＤ　（１）　、前置
増幅器（７）、駆動回路（８）は従来の実施例と同じも
のである。　（１７）はバイアス電流源、　　（１８１
はコントローラ、　　（１９１は整流器、　　（２０）
はピーク値ホールド回路、　　（２１）は比較器である
。次に第１図中に示した各信号について説明する。φｍ
ｌｌφ、ｎ２．φ１は従来の実施例と同じもであり、そ
れぞれ、変調磁束■、変調磁束ＩＩ　、参照信号である
。■ゎはバイアス電流、イは前置増幅器（７）の出力電
圧５口は整流器　（１９）の出力電圧、ハはピーク値ホ
ールド回路　（２０）の出力電圧、二は比較器（２１）
の出力電圧である。第２図はバイアス電流源　（１７）
の一実施例を示すブロック図であり。

（２２）は電池、　　（２３）はスイッチ、　　（２４
）は抵抗。

（２５）はコンデンサ、　　（２６）はスイッチ、　　
（２７１はＡ／Ｄ変換器、　　（２８）はメモリ、　　
（２９）はＤ／Ａ変換器、　　（３０）はスイッチ、　
　（３１１はスイッチ、　　（３２）はＶ−Ｉ（電圧−
電流）変換器である。

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。

第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　ｆｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅｌはこの発明による超伝導磁力計のバイアス電
流値自動設定の過程におけるバイアス電流Ｉｂ、前置増
幅器（７）の出力電圧イ、整流器　（１９）の出力電圧
口、ビク値ホールド回路の出力電圧ハ、比較器（２１）
の出力電圧二の変化をそれぞれ示す図、第４図（ａ）。

（ｂ）　、　　（ｃ）　、　　（ｄｌ　はそれぞれスイ
ッチ　（２３）　。

（２６Ｌ　　（３０１、（３１）の開閉を示す図である
。以下、バイアス電流値自動設定の過程を第３図と第４
図を用いて説明する。

まず１時刻ｔ。において５ＱＵＩＤ　（１）を液体ヘリ
ウムに浸すなどして冷却し、超伝導に転移させる。

次に積分器スイッチ　（１５）を閉じてコンデンサ（１
４）をリセットする。次に発振器Ｉ　　（９）、発振器
ＩＩ　　（１０）から変調磁束■と変調磁束ＩＩとを重
ね合わせて５ＱＵＩＤ　（１）へ送る。時刻ｔ。におい
てスイッチ　（２３１、（２６）　、　　（３０１、（
３１）は全て開いている。

次に時刻ｔ１においてスイッチ　（２３）　、　　（２
６）　。

（３１）を閉、スイッチ　（３０）を開とする。又、ピ
ク値ホールド回路　（２０）をリセットして出力をＯＶ
にする。時刻ｔ１以後コンデンサ　（２５）には徐々に
電荷が蓄積され、第２図中Ｊ点の電位は上昇する。Ｖ−
Ｉ変換器（３２）は５点の電位をバイアス電流■ゎに変
換して５ＱＵＩＤ　（１１へ供給する。時刻ｔ１以後バ
イアス電流■ゎは徐々に増加するが、　Ｉｂの大きさが
第６図（ａ）に示したＩｎ２の大きさを越えると前置増
幅器（７）の出力には変調磁束■に起因する周波数ｆ、
の電圧が出力される。この時刻をｔ２とする。この電圧
は変調磁束ＩＩにより周波数ｆ２で振幅変調されている
。これは変調磁束■と■Ｉが車乗して５ＱＵＩＤ　（１
）に印加されており、振幅　１／２φＯｆｐ−ｐｌ　１
周波数ｆ　＋　（□１００ＫＨ，ｚｌの変調磁束■の動
作の中心が、振幅φ。＋ｐ−ｐｌ　＋周波数ｆ２（・１
Ｈｚ）で第６図ｆｂｌ　に示した５ＱＵＩＤは）の人出
特性上を移動するからである。バイアス電流■ゎが増加
すると第６図（ｂ）に示したように５ＱＵＩＤ　（１１
の出力電圧が増加し、磁束から電圧への変換係数が増加
するため、前置増幅器（７）の出力電圧の振幅も徐々に
増加する。ｆ、）　ｆ２であるため、上記のような前置
増幅器（７）の出力電圧の周波数ｆ１の成分のみを整流
器　（１９）において選択的に整流する。次に整流器（
１９）の出力電圧の最大値をピーク値ホールド回路（２
０）で保持するとその出カバは第３図（ｄ）のように時
間と共に階段状に増加する。上記のようなピーク値ホー
ルド回路（２０）の出カバを比較器（２１）において目
標値ｖｃと比較し、ＶＣに達した時刻ｔ３に比較器（２
１）がコントローラ（１８）に出力信号を送る。コント
ローラ（１８）は比較器（２１）からの信号を受けてス
イッチ　（２３）を開、スイッチ　（２６）を閉、スイ
ッチ　（３０）を開、スイッチ（３１）を開として点Ｊ
の電位の上昇を止める。次に５点の電位をＡ／Ｄ変換器
（２７）が計測し、メモリ　（２８）にディジタルデー
タとして記憶する。なお、目標値ｖｃの値は５ＱＵＩＤ
　（１）　、前置増幅器（７）、駆動回路（８）で構成
する帰還ループを安定に動作させるために必要な値にあ
らかじめ設定しておく。次に時刻ｔ４においてスイッチ
　（２３）を開、スイッチ　（２６）を開、スイッチ　
（３０）を閉、スイッチ（３１）を開とし、メモリ　（
２８）　ｉこディジタルデータとして言己憶した５点の
電位をＤ／Ａ変換器（２９）がアナログ値に変換する。

Ｖ−Ｉ変換器（３２）が上記アナログ値に比例したバイ
アス電流Ｉゎを５ＱＵＩＤ　（１）は供給する。

上記のようにしてバイアス電流値を設定した後に変調磁
束ＩＩの振幅を零にし、続いて積分器スイッチ　（１５
）を開いて磁束の固定を行ない、△φの測定を行なう。

以後の動作は従来の超伝導磁力計と同じである。

し発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、　５ＱＵＩＤに供給
するバイアス電流の設定を自動化したので、バイアス電
流設定の手間が省け、省力化出来る効果がある。

【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図はこの発明の超伝導磁力計の
バイアス電流源の一実施例を示すブロック図、第３図は
この発明による超伝導磁力計のバイアス電流値自動設定
の過程における各部の出力電圧を示す図、第４図はこの
発明による超伝導磁力計のバイアス電流値自動設定の過
程における各スイッチの開閉状態を示す図、第５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６図は５ＱＵＩＤの素子特性図である。 図において（１）は５ＱＬＩＩＤ　、　（７）は前置増
幅器。 （８）は駆動回路、　　（１７）はバイアス電流源、　
（１８１はコントローラ、　　（１９）は整流器、　　
（２０１はビク値ホールド回路、　　（２１）は比較器
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. 　超伝導量子干渉素子と、上記超伝導量子干渉素子の出
   力を増幅する前置増幅器と、上記伝導量子干渉素子にバ
   イアス電流を供給するバイアス電流源と、上記バイアス
   電流源をコントロールするコントローラと、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と、上
   記前置増幅器の出力を整流する整流器と、上記整流器の
   出力の最大値を保持するピーク値ホールド回路と、上記
   ピーク値ホールド回路の出力が目標値に達したことを判
   別し、その判別結果を上記コントローラへ伝達する比較
   器とを備えたことを特徴とする超伝導磁力計。