JPH0614111B2 - 磁束分布測定装置 - Google Patents

磁束分布測定装置

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JPH0614111B2
JPH0614111B2 JP1065182A JP6518289A JPH0614111B2 JP H0614111 B2 JPH0614111 B2 JP H0614111B2 JP 1065182 A JP1065182 A JP 1065182A JP 6518289 A JP6518289 A JP 6518289A JP H0614111 B2 JPH0614111 B2 JP H0614111B2
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純平 湯山
展史 南
文雄 成瀬
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    • GPHYSICS
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 ジョセフソンコンピュータ・生体磁気計測など高性能な
磁気シールドが必要とされる分野で超伝導磁気シールド
容器にトラップされた磁束の分布を測定する用途、ジョ
セフソン回路のグラウンドプレーンにトラップされた磁
束の分布を検出する用途など、超伝導体にトラップされ
た磁束量子単位の微小な磁束の有無と位置とを検知する
用途に係わるものである。
従来の技術 磁束量子単位でトラップされた磁束の位置を検出する方
法として、走査型電子顕微鏡を用いるものが開発されて
いる。ジョセフソン接合上で、電子ビームを注入する位
置と臨海電流値の変化の相関を求めることでトラップさ
れた磁束の位置を求める方法である。しかし、この方法
は、対象がジョセフソン接合部に限られるので、超伝導
体の単なる板、もしくは、円筒であるグラウンドプレー
ンや磁気シールドに応用は不可能である。また、試料の
超伝導体を電極とし、その上に絶縁層をはさんで小さな
対向電極を並べ、その特性変化からトラップされた磁束
を検出する方法も開発されている。しかし、この方法で
は特別な試料を用意する必要がある。従って本発明が目
的とする用途に適する方法は存在しなかった。
発明が解決しようとする問題点 超伝導体表面に沿って検出コイルを走査し(超伝導体も
しくは検出コイルを移動させる)、トラップされた磁束
を検知するとき、外部磁場は(マイスナー効果により)
超伝導体の表面に平行であり、表面に垂直な磁場成分は
トラップされた磁束を起源とするもののみという性質を
利用している。その際、該検出コイルと該表面との距離
が大きくなるほど、外部磁場の垂直成分が現われるの
で、トラップされた磁束の検出がより困難になる。した
がって、この距離を10〜100μm程度に保つことが
望ましいが、液体ヘリウム温度まで冷却するときの不均
一な熱収縮の影響を考えると、予め室温でこの距離を設
定しておくことは不可能である。第2に、検出コイルの
走査に際し、超伝導体表面との距離が変動すると、検出
信号の大きさが変動しノイズの原因となる。このため、
この距離自体を一定に保つ機構の導入が不可避である。
第3に、検出コイルと超伝導体表面との間にスペーサを
設け、スペーサの厚みだけの間隔を保ちつつ、しゅう動
しながら走査する場合、しゅう動による振動がノイズの
原因となるのみでなく、超伝導体表面を傷つける可能性
がある。この傷(厚みの変動)は磁束トラップの原因と
なるので、該方法は好ましくない。本発明は以上の問題
点を解決する手段を提供するものである。
問題点を解決するための手段 超伝導体表面に沿う方法には堅固に固定され、該表面に
垂直な方法には比較的自由に動きうる支持機構で懸架さ
れたヘッドを用意し、該ヘッドに検出コイルを取り付け
る。該ヘッドには、流体の噴出口が設けられる、流体の
供給管が備わっている。流体は圧力もしくは流量を一定
に保つ制御機構を通過した後、極低温まで冷却されつつ
該ヘッドへ供給され、該噴出口より噴き出す。超動電体
表面上を検出コイルで走査するため、該超伝導体もしく
は該検出コイルを取り付けたヘッドを移動させる駆動機
構を備える。
作 用 検出コイルを取り付けたヘッドは、超伝導体表面に垂直
な方向には比較的自由に動きうるよう支持されているの
で、ヘッドに設けられた噴出口より噴き出す流体の作用
により、対向する表面上一定の高さ(間隔)に保持され
る。一方、ヘッドは表面に沿う方向には堅固に固定され
ており、超伝導体もしくはヘッドを移動させる駆動機構
によって相互の位置関係を変化させうるので、検出コイ
ルで超伝導体表面を走査しつつ、磁束分布を測定しう
る。
次に流体の作用について第1図を参照して説明する。ヘ
ッド1に壁に押しつける方向の弱くない力が働く場合の
現象を解析するためにはよく知られた軸受理論がある。
しかし、本発明によるヘッド1にはそのような力を必要
としないことが特徴であり、その場合には、従来の軸受
理論とは異なった以下に述べる理論を用いる必要があ
る。まず、ヘッド1へ供給された流体が噴出口2を通過
して狭い間隙(ヘッド1とこれに対向する表面の中間部
分)へ突入するとき、入口での流体の速度Uは断熱噴
流の式を用いて、 U1=(RTs/M)1/2Cθ{2γ/(γ−1)}1/2 {1−(P1/Ps)1-1/r}1/2 …(1) と表わされる。ここでRは気体定数、T、Pはそれ
ぞれ供給する流体の温度および圧力、Mは流体の分子
量、Cθは流体係数、γは比熱比、Pは噴き出し後の
圧力である。一方、該表面と該ヘッドの間の狭い間隙を
流れる流体にベルヌイの定理を適用すると、 P1=Pa−(1/2)ρU1 2[1−(Ua/U1)2] =Pa−(1/2)ρU1 2[1−{R1/R2 (1-2δ/h)}] …(2) となる。ここで、Pは周囲の圧力、ρは流体の密度、
はヘッド1の外周部から噴き出す流体の速度、R
は噴出口の半径、Rはヘッド1の外径、hは間隙の高
さ、δは変位厚さである。この変位厚さは、流体の粘性
のために壁の近くにできる境界層の厚さに関係する量で
ある。ここで、P、Uを未知量として、式(1)、
(2)を連立して解き、さらに(2)式と同様の式で各
部分の圧力を求める。外側ほど周長が長く流路断面積が
広くなるので、速度が小さくなり圧力は高くなる。した
がって、第2図に示すような圧力分布となる。この圧力
分布は、式(2)に示すように変位厚さδと間隙の高さ
hとの比を通じてhに依存しているので、この圧力分布
に基づいてヘッドに働く力を計算すると第3図に示すよ
うに、ヘッドと表面の間隙が小さいとき反発力、大きい
とき吸引力となり、ある高さで力はゼロとなる。流体の
作用以外の原因(流体の供給管等の剛性)によるヘッド
に働く力が充分小さければこの高さ(浮上力ゼロの点)
で安定に浮上する。なお、第3図は供給ガス圧820To
rrの際の浮上力と間隔の高さとの関係を示している。式
(2)で流体の圧縮性を考慮した計算を行なうと、定量
的変化はあるが本質的な変化はない。
実施例 本発明の実施例を第4図から第6図に示す。第4図は全
体の構成図で、高圧ガスボンベ3から減圧弁4を通して
供給されたヘリウムガスは、圧力センサ6と流量制御弁
5の作用によって一定圧力に保たれてヘッド1へ供給さ
れ、その噴出口より噴き出す。超伝導体11にトラップ
された磁束は、検出コイル8で感知され、入力コイル9
を介してSQUID10で検出される。超伝導体11は
駆動機構12によって上下に移動、および、回転するこ
とが可能で、検出コイル8は超伝導体11上の任意の位
置へ移動できる。
第5図はヘッド1の部分断面図で、ヘリウムガスは流体
ヘリウム温度近くまで冷却されつつ、供給管21を通っ
てヘッド1へ供給され、噴出口2より吹き出す。コイル
8は非磁性材料の芯棒22に巻かれている。第6図はヘ
ッド1を超伝導体11の側から見込んだ図である。室温
部に連結された太い供給管24で供給されたヘリウムガ
スは、中空のリング型枠23内で3分割され、微細な供
給管21を通って、ヘッド1へ供給される。ヘッド1は
超伝導体11の表面に沿う方向へは、供給管21の長手
方向の伸縮に対する抵抗によって堅固に固定されている
が、該表面に垂直な方向へは、供給管21の曲げによっ
て比較的容易に動きうる。第7図は、供給ガスの圧力と
浮上力がゼロとなる高さ(浮上の高さ)との関係を示
す。この図より15〜25μmの高さの浮上が可能なこ
とがわかる。第8図は、直径0.1mmの検出コイル8が
捕える磁束量を、コイルと超伝導体11の表面との間隔
(浮上高さ)を変えて計算したものである。浮上高さが
小さいほど、捕える磁束量が増加し、測定が容易になる
(S/N比が向上する)ことがわかる。磁束源は超伝導
体11にトラップされた1本の磁束量子と仮定した。
第9図は、検出コイル8の中心軸と磁束源との面に平行
な方向での距離を変えたとき、検出コイル8が捕える磁
束量の変化である。浮上高さ(h)が小さいほど、磁束
量の変化率が大きく、空間分解能が高い。
他の実施例 第4図の例では検出コイル8と入力コイル9とで磁束ト
ランスを構成しているが、検出コイル8としてSQUI
Dリング10を用いて、直接磁束を感知することも可能
である。
第4図の例では、高圧ガスボンベ3からヘリウムガスを
供給しているが、噴出口2から噴き出したヘリウムガス
および液体ヘリウム7の蒸発ガスを回収し、圧縮機で加
圧して再び供給することも可能である。
第4図の例では、液体ヘリウム7の中へ、ヘリウムガス
を噴き出しているが、液体ヘリウム中にヘリウムガスを
満たした別室を設け、その中にヘッド1と超伝導体11
とを収めることもできる。
第4図では供給されるヘリウムガスの冷却手段は明示さ
れていないが、液体ヘリウムと直接熱交換する方法、も
しくは、熱交換器を設け、蒸発ガスと熱交換させる方法
がある。
第5図で検出コイル8として一次微分型を用いることも
外部磁場の影響を更に減じることになり有効である。
第6図ではヘッド1を3本の微細管で支持しているが、
1本もしくは2本は細線でもよく、また、ガス供給は別
のペローズで行ない、支持は3本の細線で行なう方法も
ある。
発明の効果 本発明によれば、超伝導シールド容器壁やジョセフソン
回路のグラウンドプレーン等にトラップされた磁束の有
無とその位置とを検出できるので、この磁束を排除する
方策を施すことにより、超微弱磁場空間を実現するこ
と、また、トラップされた磁束によるジョセフソン素子
の誤動作を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明におけるヘッド浮上の原理を説明するた
めの概略図、 第2図は第1図に示されたヘッドにおける圧力分布を示
す図、 第3図は該ヘッドに働く力と間隙の高さとの関係を示す
図、 第4図は本発明による磁束分布測定装置の全体図、 第5図は本発明のヘッドの中心軸を含む平面での断面
図、 第6図は超伝導体側からの本発明のヘッドの平面図、 第7図は供給ガス圧力と浮上の高さとの関係を示す図、 第8図は検出コイルが捕える磁束量と浮上の高さとの関
係を示す図、 第9図は磁束源とコイルの中心軸との距離を変えたとき
の検出コイルが捕える磁束量の変化の様子を示す図であ
る。 1……ヘッド 2……噴出口 3……高圧ボンベ 4……減圧弁 5……圧力制御弁 6……圧力センサ 7……液体ヘリウム 8……検出コイル 9……入力コイル 10……SQUID 11……超伝導体 21……供給管 22……芯棒 23……リング型枠 24……供給管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯山 純平 神奈川県伊勢原市沼目2―14―51 オリー ブハイツ中野101 (72)発明者 南 展史 神奈川県茅ケ崎市本村4丁目2―40―205 (72)発明者 成瀬 文雄 神奈川県横浜市港北区大豆戸町808―2 大倉山ハイム8―1001 (72)発明者 後藤 英一 神奈川県藤沢市辻堂東海岸3―9 湘南ハ イムFE305 (56)参考文献 特開 昭64−49111(JP,A) 特開 昭64−1954(JP,A) 特開 昭64−39677(JP,A) 特開 昭63−268174(JP,A) 特開 昭63−249983(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超伝導体にトラップされた磁束の分布を測
    定するために、SQUIDを備えた磁束分布測定装置に
    おいて、超伝導体表面に垂直な方向には比較的自由に動
    きうる支持機構で懸架されたヘッドに検出コイルを取り
    付け、かつ、該ヘッドに流体の噴出口を設け、圧力もし
    くは流量を制御する機構を介して、流体を極低温まで冷
    却しつつ噴出口まで供給できるようにし、かつ、該超伝
    導体と該ヘッドとの表面に沿う方向での相互位置関係を
    変化させる駆動機構を設けたことを特徴とする磁束分布
    測定装置。
JP1065182A 1989-03-17 1989-03-17 磁束分布測定装置 Expired - Lifetime JPH0614111B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1065182A JPH0614111B2 (ja) 1989-03-17 1989-03-17 磁束分布測定装置
US07/494,987 US5053707A (en) 1989-03-17 1990-03-16 Apparatus for positioning a pick-up coil for detecting magnetic flux quantum trapped in a superconductor

Applications Claiming Priority (1)

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JP1065182A JPH0614111B2 (ja) 1989-03-17 1989-03-17 磁束分布測定装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH02243982A JPH02243982A (ja) 1990-09-28
JPH0614111B2 true JPH0614111B2 (ja) 1994-02-23

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ID=13279518

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JP1065182A Expired - Lifetime JPH0614111B2 (ja) 1989-03-17 1989-03-17 磁束分布測定装置

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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0634663B1 (en) * 1993-07-12 2000-02-16 Sumitomo Electric Industries, Limited Non-destructive testing equipment having SQUID type magnetic sensor

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Also Published As

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US5053707A (en) 1991-10-01
JPH02243982A (ja) 1990-09-28

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