JPH07221614A - Josephson signal detection circuit and measuring device using the same - Google Patents

Josephson signal detection circuit and measuring device using the same

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JPH07221614A
JPH07221614A JP6011482A JP1148294A JPH07221614A JP H07221614 A JPH07221614 A JP H07221614A JP 6011482 A JP6011482 A JP 6011482A JP 1148294 A JP1148294 A JP 1148294A JP H07221614 A JPH07221614 A JP H07221614A
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josephson
comparator
capacitance
sensor
josephson junction
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栄里子 武田
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Abstract

PURPOSE:To provide a Josephson signal detection circuit capable of reducing the influence of current noise due to Josephson vibration, eliminating malfunction and performing highly accurate measurement. CONSTITUTION:In this circuit provided at least with a sensor 1 provided with at least one Josephson junction 31 and a comparator 2 provided with at least one Josephson junction 32 capable of identifying the size of the output voltage or the output current of the sensor 1, the frequency of the Josephson vibration generated by the Josephson junction 31 provided in the sensor 1 at the time of the operation of the sensor 1 is made higher than the frequency equivalent to the turn-on delay of the Josephson junction 32 provided in the comparator 2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は,少なくとも1つのジ
ョセフソン接合を含んで構成したセンサと,前記センサ
の出力電圧,もしくは,出力電流の大きさを識別するこ
とのできる,少なくとも1つのジョセフソン接合を含ん
で構成されたコンパレータとを,少なくとも含んで構成
したジョセフソン信号検出回路に関し,特に,動作が安
定で,測定精度の向上が容易なジョセフソン信号検出回
路,および,ジョセフソン信号検出回路を含んで構成さ
れた計測装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor including at least one Josephson junction and at least one Josephson capable of discriminating the magnitude of the output voltage or the output current of the sensor. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a Josephson signal detection circuit including at least a comparator including a junction, and more particularly to a Josephson signal detection circuit that has stable operation and is easy to improve measurement accuracy, and a Josephson signal detection circuit. The present invention relates to a measuring device configured to include.

【0002】[0002]

【従来の技術】ジョセフソン接合を用いて構成されたコ
ンパレータは,ジョセフソン接合が超電導状態である
か,もしくは常伝導状態であるかを,入力信号の有無に
対応させる。コンパレータ自身をセンサとしても良い
が,前段にジョセフソン接合によって構成したセンサを
配置することもできる。その一例として,前段にSQU
IDを配置した場合は,SQUIDのアナログ電圧信号
をコンパレータによってデジタル信号に変換でき,信号
処理やデータの伝送を容易にできるなどの利点がある。
これについては,例えばドゥラング等によって,クライ
オジェニックス 1986年 第26巻 623頁から
627頁に詳細に述べられている。
2. Description of the Related Art A comparator formed by using a Josephson junction corresponds to whether the Josephson junction is in a superconducting state or in a normal conducting state depending on the presence or absence of an input signal. The comparator itself may be used as the sensor, but a sensor constituted by Josephson junction may be arranged in the preceding stage. As an example, SQU is provided in the front stage.
When the ID is arranged, there is an advantage that the analog voltage signal of the SQUID can be converted into a digital signal by the comparator, and the signal processing and the data transmission can be facilitated.
This is described in detail, for example, by Dr. Lang et al. In Cryogenics 1986, Vol. 26, pp. 623-627.

【0003】ドゥラング等によって開示された従来技術
によるSQUID1とコンパレータ2の組合せ方法を図
15に示す。このコンパレータ2は,磁気結合100に
よってSQUID1からの信号が入力され,入力信号の
有無を検出する構成をとっている。従来技術に開示され
ているコンパレータ2は,2つのジョセフソン接合32
と,これをつないでインダクタンス92を含むループを
形成する超電導配線と,交流電流源7から構成されてい
る。ジョセフソン接合32の超電導臨界電流値は30μ
Aであり,その静電容量は0.45pF,インダクタン
ス92の値は17pHである。コンパレータはSQUI
Dからの信号によって,電圧ゼロの超電導状態から有限
電圧の電圧状態へ変化(スイッチ)する。コンパレータ
に発生した電圧と負荷抵抗によって決まる信号電流がコ
ンパレータからの出力信号として流れ出す。
FIG. 15 shows a method of combining the SQUID 1 and the comparator 2 according to the prior art disclosed by Durang et al. The comparator 2 receives the signal from the SQUID 1 by the magnetic coupling 100 and detects the presence or absence of the input signal. The comparator 2 disclosed in the prior art includes two Josephson junctions 32.
And a superconducting wire that connects them to form a loop including an inductance 92, and an alternating current source 7. The superconducting critical current value of the Josephson junction 32 is 30μ.
The capacitance is 0.45 pF, and the value of the inductance 92 is 17 pH. Comparator is SQUI
The signal from D changes (switches) from a superconducting state of zero voltage to a finite voltage state. A signal current determined by the voltage generated in the comparator and the load resistance flows out as an output signal from the comparator.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】コンパレータの前段に
SQUIDを配置した従来技術においては,コンパレー
タは,SQUIDに含まれるジョセフソン接合が発生す
る出力電圧を抵抗を介して出力電流に変換して直接検出
する。図16は,SQUIDに磁束の信号を入力した場
合の特性の変化を模式的に示した図である。SQUID
の電流−電圧特性は図のnΦ0から(n+0.5)Φ0
範囲で連続的に変化する。従って,図16に示したごと
くにSQUIDのバイアス電流を選べば,SQUIDの
動作電圧範囲は図に示したように決まる。
In the prior art in which the SQUID is arranged in front of the comparator, the comparator directly detects the output voltage generated by the Josephson junction included in the SQUID by converting it into an output current via a resistor. To do. FIG. 16 is a diagram schematically showing a change in characteristics when a magnetic flux signal is input to the SQUID. SQUID
The current-voltage characteristic of is continuously changed in the range from nΦ 0 to (n + 0.5) Φ 0 in the figure. Therefore, if the bias current of the SQUID is selected as shown in FIG. 16, the operating voltage range of the SQUID is determined as shown in the figure.

【0005】その際,SQUIDの出力電流には交流ジ
ョセフソン効果による交流電流が重畳している。図17
は時間に比例してSQUIDの入力磁束信号が増加する
場合の,入力磁束の大きさとSQUIDの出力電圧を抵
抗によって電流に変換した値の関係の一例を示したもの
である。図17で,実線は実際のSQUIDの出力電流
であり,交流ジョセフソン効果による交流電流が重畳し
ている。破線は,ローパスフィルタを通した後のSQU
IDの出力電圧を抵抗によって電流に変換した値であ
り,これが通常オシロスコープなどで観測されるSQU
IDの出力である。交流ジョセフソン効果による交流電
流の周波数は,SQUIDの出力電圧を磁束量子Φ
0(2/1015Wb)で割った値となり,通常100M
Hzから50GHz程度の値になる。この交流電流のピ
ーク値は,SQUIDに含まれる静電容量やインダクタ
ンスのために,図17の実線で示したように交流ジョセ
フソン効果の周波数よりは低い別の周波数で変調を受け
ており,必ずしもSQUIDの出力電圧に対して単調に
変化するわけではない。
At this time, an AC current due to the AC Josephson effect is superimposed on the output current of the SQUID. FIG. 17
Shows an example of the relationship between the magnitude of the input magnetic flux and the value obtained by converting the output voltage of the SQUID into a current by a resistor when the input magnetic flux signal of the SQUID increases in proportion to time. In FIG. 17, the solid line is the actual output current of the SQUID, on which the alternating current due to the alternating Josephson effect is superimposed. The dashed line is the SQU after passing the low-pass filter.
It is the value that the output voltage of the ID is converted into the current by the resistance. This is the SQU that is usually observed with an oscilloscope.
This is the output of the ID. The frequency of the alternating current due to the alternating Josephson effect is the output voltage of the SQUID
It is the value divided by 0 (2/10 15 Wb) and is usually 100M
It becomes a value of about 50 GHz from Hz. The peak value of this AC current is modulated at another frequency lower than the frequency of the AC Josephson effect, as shown by the solid line in FIG. 17, because of the electrostatic capacitance and the inductance included in the SQUID. It does not change monotonically with the output voltage of the SQUID.

【0006】オシロスコープ等で観測されるSQUID
の出力が,このような交流ジョセフソン効果による交流
電流を含まないのは,極低温に置かれたSQUIDから
室温に置いたオシロスコープまでの配線に存在する浮遊
容量やインダクタンスのために,交流電流が減衰してし
まうことと,オシロスコープの測定帯域がこのような高
い周波数に達していないためである。しかし,SQUI
Dの近傍にジョセフソン接合を用いたコンパレータを配
置すると,交流ジョセフソン効果による交流電流は減衰
することなくコンパレータに達する。また,コンパレー
タに含まれるジョセフソン接合は,超高速スイッチング
が可能であるため,従来技術がそうであるように特別な
配慮を行わないでコンパレータを作製すると,コンパレ
ータは交流ジョセフソン効果による交流電流に応答し,
スイッチする。
SQUID observed with an oscilloscope or the like
The output of does not include the AC current due to such an AC Josephson effect. The AC current is due to the stray capacitance and inductance existing in the wiring from the SQUID placed at a cryogenic temperature to the oscilloscope placed at room temperature. This is because it is attenuated and the measurement band of the oscilloscope does not reach such a high frequency. However, SQUI
If a comparator using a Josephson junction is arranged near D, the AC current due to the AC Josephson effect reaches the comparator without being attenuated. Also, since the Josephson junction included in the comparator is capable of ultra-high-speed switching, if the comparator is manufactured without special consideration as in the prior art, the comparator will generate an AC current due to the AC Josephson effect. Respond,
Switch.

【0007】このように,コンパレータの前段にSQU
IDを配置した従来技術においては,測定精度や装置の
動作の安定性に対して,交流ジョセフソン効果による交
流電流がもたらす影響に関して,特別の配慮をすること
なしにコンパレータを構成し,交流ジョセフソン効果に
よる交流電流を含んだ信号をコンパレータによって読み
出していた。従って,従来技術においてコンパレータに
よって読み出されたSQUIDの出力電圧の値は,通常
オシロスコープ等で観測されるSQUIDの出力電圧に
対応しないという問題があった。
As described above, the SQU is provided in the preceding stage of the comparator.
In the prior art in which the ID is arranged, a comparator is configured without special consideration for the influence of the AC current due to the AC Josephson effect on the measurement accuracy and the operation stability of the device, and the AC Josephson AC The signal including the alternating current due to the effect was read by the comparator. Therefore, in the conventional technique, there is a problem that the value of the output voltage of the SQUID read by the comparator does not correspond to the output voltage of the SQUID usually observed by an oscilloscope or the like.

【0008】より具体的には,以下に述べる2つの点が
問題である。まず,図17に関連して説明したごとく,
交流電流のピーク値あるいは波形は時間的に定常ではな
く変化する。このため,コンパレータで読み出したSQ
UIDの出力は,バラツキが大きくなり測定精度が低下
するという問題があった。
More specifically, the following two points are problems. First, as explained in connection with FIG. 17,
The peak value or waveform of the alternating current is not steady and changes with time. Therefore, the SQ read by the comparator
There is a problem that the output of the UID greatly varies and the measurement accuracy decreases.

【0009】また,交流電流の振幅は,SQUIDの出
力電圧の直流成分に比例するわけではなく,その大きさ
も場合によってはSQUIDの出力電圧の直流成分の十
倍以上に達することがある。このため,コンパレータの
出力とSQUIDへの入力磁束の間の線形性が悪くな
り,測定そのものが困難になり回路としての動作が不安
定になるという問題があった。
The amplitude of the AC current is not proportional to the DC component of the SQUID output voltage, and its magnitude may reach ten times or more the DC component of the SQUID output voltage. Therefore, there is a problem that the linearity between the output of the comparator and the input magnetic flux to the SQUID deteriorates, the measurement itself becomes difficult, and the operation of the circuit becomes unstable.

【0010】ここでは,コンパレータの前段にSQUI
Dを配置した場合について問題点を述べたが,この問題
は,ジョセフソン接合を含んで構成したセンサからの信
号を入力信号とする,すべてのコンパレータに共通する
問題である。このように従来技術においては,交流ジョ
セフソン効果による交流電流がもたらすコンパレータの
測定精度の低下や装置の不安定動作を防止する視点が存
在していなかったか,あるいは,十分な注意が払われて
いなかった。
In this case, the SQUI is provided before the comparator.
Although the problem has been described with respect to the case where D is arranged, this problem is a problem common to all comparators in which a signal from a sensor including a Josephson junction is used as an input signal. As described above, in the prior art, there was no viewpoint to prevent the deterioration of the measurement accuracy of the comparator or the unstable operation of the device caused by the alternating current due to the alternating Josephson effect, or sufficient attention was not paid. It was

【0011】本発明の目的は上記従来技術の持つ問題点
を解決し,高い測定精度を有し,かつ動作の安定性に優
れたジョセフソン信号検出回路,および,ジョセフソン
信号検出回路を含んで構成された計測装置を提供するこ
とである。
An object of the present invention includes a Josephson signal detection circuit which solves the above problems of the prior art, has high measurement accuracy, and is excellent in operation stability, and a Josephson signal detection circuit. It is to provide a configured measuring device.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的は,少なくとも
1つのジョセフソン接合を含んで構成したセンサと,前
記センサの出力電圧,もしくは,出力電流の大きさを識
別することのできる,少なくとも1つのジョセフソン接
合を含んで構成されたコンパレータとを,少なくとも含
んで構成した回路において,前記センサの動作時におい
て前記センサに含まれるジョセフソン接合が発生するジ
ョセフソン振動の周波数は,前記コンパレータに含まれ
るジョセフソン接合のターンオン遅延に相当する周波数
よりも高くなるようにジョセフソン信号検出回路,もし
くは,計測装置を構成することによって達成することが
できる。
The above object is to provide a sensor including at least one Josephson junction and at least one output voltage or at least one output current of the sensor. In a circuit including at least a comparator including a Josephson junction, the frequency of the Josephson oscillation generated by the Josephson junction included in the sensor during operation of the sensor is included in the comparator. This can be achieved by configuring the Josephson signal detection circuit or the measuring device so that the frequency is higher than the frequency corresponding to the turn-on delay of the Josephson junction.

【0013】[0013]

【作用】本発明の構成によれば,コンパレータに交流ジ
ョセフソン効果による交流電流に対するフィルタ作用を
持たせることが可能になる。これは,ジョセフソン接合
に固有に存在するターンオン遅延を使って,一定の周波
数よりも高い周波数を有する入力電流の変化に対して,
コンパレータを構成するジョセフソン接合が応答しない
ようにしたためである。
According to the structure of the present invention, the comparator can be made to have a filtering effect on the alternating current due to the alternating Josephson effect. This is because the turn-on delay inherent in the Josephson junction is used to change the input current with a frequency higher than a certain frequency.
This is because the Josephson junctions that make up the comparator are set so that they do not respond.

【0014】図18を用いてコンパレータのスイッチ動
作について,さらに詳しく説明する。図18はコンパレ
ータを構成するジョセフソン接合あるいはジョセフソン
量子干渉計の電流電圧特性である。コンパレータはジョ
セフソン接合と抵抗によっても,あるいはジョセフソン
量子干渉計によっても構成できるが,ターンオン遅延の
効果についてはどちらの場合でも同様に説明することが
できる。図18で,Ibはバイアス電流であり,その値
とコンパレータに入力された信号電流の合計であるIg
が,コンパレータに超電導状態で流しうる超電導電流の
最大値Imを一定時間以上にわたって上回った場合に,
コンパレータはスイッチする。
The switch operation of the comparator will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 18 shows a current-voltage characteristic of a Josephson junction or a Josephson quantum interferometer that constitutes a comparator. The comparator can be composed of a Josephson junction and a resistor, or a Josephson quantum interferometer, but the effect of turn-on delay can be explained in either case as well. In FIG. 18, Ib is a bias current, which is the sum of its value and the signal current input to the comparator, Ig.
However, when the maximum value Im of the superconducting current that can flow in the comparator in the superconducting state is exceeded for a certain period of time,
The comparator switches.

【0015】発明者等は,コンパレータがスイッチする
ためには,Igが一定時間以上にわたってImを上回る
必要があることに着目した。この一定時間は,通常ジョ
セフソン接合のターンオン遅延(τD)と呼ばれてお
り,ジョセフソン接合の静電容量C,もしくはジョセフ
ソン接合に並列に他の容量が存在する場合はそれらの静
電容量の合計CとImとによって,下式のように表すこ
とができる。
The inventors have noticed that Ig needs to exceed Im for a certain time or longer in order for the comparator to switch. This fixed time is usually called the turn-on delay (τ D ) of the Josephson junction, and the capacitance C of the Josephson junction or, if there is another capacitance in parallel with the Josephson junction, those electrostatic capacitances. The total capacity C and Im can be expressed by the following equation.

【0016】[0016]

【数5】 [Equation 5]

【0017】従って,コンパレータのターンオン遅延時
間に対応する周波数をf1とすると,コンパレータを構
成するジョセフソン接合はf1よりも高い周波数の入力
信号を実質的に小さく感じ応答しない。つまり,図19
に示したように,コンパレータにローパスフィルタを設
けたことと同じ効果を得ることができる。センサのジョ
セフソン接合が動作状態において発生する交流ジョセフ
ソン効果による雑音の周波数をf2として,この値より
もターンオン遅延時間に対応する周波数f1を低くすれ
ば,コンパレータが受ける交流ジョセフソン効果による
雑音の影響を低減することができる。
[0017] Therefore, when a frequency corresponding to the turn-on delay time of the comparator and f 1, Josephson junction constituting the comparator does not respond feel substantially reduce the high frequency of the input signal than f 1. That is, FIG.
As shown in, it is possible to obtain the same effect as providing a low pass filter in the comparator. If the frequency of noise due to the AC Josephson effect generated in the operating state of the Josephson junction of the sensor is f 2 , and the frequency f 1 corresponding to the turn-on delay time is set lower than this value, the AC Josephson effect received by the comparator causes The influence of noise can be reduced.

【0018】交流ジョセフソン効果による雑音の周波数
2は,センサのジョセフソン接合の出力電圧Vを磁束
量子Φ0で割った値に相当する。従って,周波数f2は出
力電圧Vの値をいくらにしてセンサを使用するかに依存
し,出力電圧Vが小さいほど周波数f2は低くなる。
The frequency f 2 of noise due to the AC Josephson effect corresponds to a value obtained by dividing the output voltage V of the Josephson junction of the sensor by the magnetic flux quantum Φ 0 . Therefore, the frequency f 2 depends on how much the output voltage V is used and the sensor is used. The smaller the output voltage V is, the lower the frequency f 2 is.

【0019】数5からわかるように,ターンオン遅延時
間に対応する周波数f1を小さくするには,ジョセフソ
ン接合の静電容量C,もしくはジョセフソン接合の静電
容量とジョセフソン接合に並列に存在する静電容量との
合計値CとImを変化させればよい。具体的にはCを大
きくしImを小さくすればよい。実際には,Imを小さ
くすると,特別な工夫をしない場合にはコンパレータが
スイッチした際に次段の回路へ出力される電流が減少す
るため,コンパレータに接続されたジョセフソン論理回
路が正常に動作しなくなるという問題がある。このため
Imの値のみを変えてターンオン遅延を大きくする方法
は現実的ではない。
As can be seen from the equation 5, in order to reduce the frequency f 1 corresponding to the turn-on delay time, the capacitance C of the Josephson junction or the capacitance of the Josephson junction and the capacitance present in parallel with the Josephson junction are present. It suffices to change the total value C and Im of the capacitance to be used. Specifically, C may be increased and Im may be decreased. Actually, if Im is made small, the current output to the circuit at the next stage is decreased when the comparator is switched unless special measures are taken, so that the Josephson logic circuit connected to the comparator operates normally. There is a problem that it will not do. Therefore, it is not practical to change only the value of Im to increase the turn-on delay.

【0020】一方,ジョセフソン接合の静電容量は接合
の面積とトンネル障壁層の材料の誘電率によって決ま
る。接合面積は任意に変えることは困難であるため,結
局ジョセフソン接合の静電容量を大きくするにはトンネ
ル障壁層の材料を誘電率が大きな材料に変更する等の必
要がある。
On the other hand, the capacitance of the Josephson junction is determined by the area of the junction and the dielectric constant of the material of the tunnel barrier layer. Since it is difficult to arbitrarily change the junction area, it is necessary to change the material of the tunnel barrier layer to a material with a large dielectric constant in order to increase the capacitance of the Josephson junction.

【0021】これに対して,ジョセフソン接合に並列に
存在する静電容量は,ジョセフソン接合に並列に容量を
設ければ良いので,容易に変更することができる。従っ
て,コンパレータのジョセフソン接合の特性を変更する
ことなしにターンオン遅延を大きくするためには,ジョ
セフソン接合に並列に新たに容量を設ければ良いことが
わかる。その際に,ジョセフソン接合を構成する2つの
超電導電極を延長してその部分を電極として容量を設け
れば,容量の追加によって回路が大型化することを防ぐ
ことができる。
On the other hand, the capacitance existing in parallel with the Josephson junction can be easily changed because it is sufficient to provide the capacitance in parallel with the Josephson junction. Therefore, it can be seen that in order to increase the turn-on delay without changing the characteristics of the Josephson junction of the comparator, a new capacitor should be provided in parallel with the Josephson junction. At this time, if the two superconducting electrodes forming the Josephson junction are extended and the capacitor is provided by using that portion as an electrode, it is possible to prevent the circuit from becoming large due to the addition of the capacitor.

【0022】図20は静電容量の値Cとターンオン遅延
の関係を示したもので,ここではいわゆるオーバードラ
イブに相当するスイッチング後にジョセフソン接合に流
れる電流とジョセフソン接合の最大超電導電流の差を1
μAとしている。図20には,それぞれのターンオン遅
延によってフィルタすることができる交流ジョセフソン
効果による雑音の周波数f2,および,それに対応する
SQUIDの電圧Vを示した。それぞれのCの値に対し
て,この図に示したSQUIDの電圧よりも高い電圧に
おいてSQUIDとコンパレータを使用すれば,交流ジ
ョセフソン効果による電流雑音の効果を小さくして,よ
り精密な測定が可能になる。
FIG. 20 shows the relationship between the capacitance value C and the turn-on delay. Here, the difference between the current flowing in the Josephson junction and the maximum superconducting current in the Josephson junction after switching, which corresponds to so-called overdrive, is shown. 1
μA. FIG. 20 shows the frequency f 2 of noise due to the AC Josephson effect that can be filtered by each turn-on delay, and the corresponding SQUID voltage V. For each value of C, if the SQUID and comparator are used at a voltage higher than the voltage of SQUID shown in this figure, the effect of current noise due to the AC Josephson effect is reduced and more precise measurement is possible. become.

【0023】本発明によるジョセフソン信号検出回路を
構成した場合のコンパレータに含まれるジョセフソン接
合の静電容量とそれに並列に含まれる静電容量の合計値
Cの値とセンサに含まれるジョセフソン接合の動作電圧
の値Vについて,推奨される値の例を示したものを表1
に示す。
When the Josephson signal detection circuit according to the present invention is constructed, the capacitance of the Josephson junction included in the comparator and the total value C of the capacitances included in parallel with the capacitance, and the Josephson junction included in the sensor. Table 1 shows examples of recommended values for the operating voltage value V of
Shown in.

【0024】コンパレータの構成は単一のジョセフソン
接合であっても,またジョセフソン接合と抵抗を組み合
わせた回路であっても良い。さらに,ジョセフソン接合
を2個以上含んで構成したジョセフソン量子干渉素子で
あってもよい。コンパレータに複数のジョセフソン接合
が含まれる場合には,それらのうちで入力信号によって
最初に電圧状態にスイッチするジョセフソン接合が,表
1に示された条件を満足すれば,本発明の思想に従って
コンパレータのターンオン遅延を大きくすることができ
る。
The configuration of the comparator may be a single Josephson junction or a circuit in which a Josephson junction and a resistor are combined. Further, it may be a Josephson quantum interference device including two or more Josephson junctions. When the comparator includes a plurality of Josephson junctions, among them, if the Josephson junction that first switches to the voltage state according to the input signal satisfies the conditions shown in Table 1, according to the concept of the present invention. The turn-on delay of the comparator can be increased.

【0025】以上述べたように,本発明の構成によれ
ば,従来技術の持つ問題点を解決し,高い測定精度を有
し,かつ,動作の安定性に優れたジョセフソン信号検出
回路,および,ジョセフソン信号検出回路を含んで構成
された計測装置を実現することができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, the Josephson signal detection circuit which solves the problems of the prior art, has high measurement accuracy, and is excellent in operation stability, and , It is possible to realize a measuring device including a Josephson signal detection circuit.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】[0027]

【実施例】【Example】

(実施例1)図1は,本発明による第1の実施例を示す
回路図である。本実施例においては,センサとしてSQ
UID1を使用している。コンパレータ2は交流電流源
7を用いて駆動され,超電導体で構成されたインダクタ
ンス92,インダクタンス92に並列に設けた抵抗5
2,ジョセフソン接合32,ジョセフソン接合32に並
列に設けた容量42,から構成されている。SQUID
1は直流電流源6によって駆動される。磁束の入力手段
10によって,SQUID1に磁束が入力されて生じた
出力電圧の変化は,SQUID1のシャント抵抗51,
および,インダクタンス91によって磁束信号に変換さ
れ,磁気結合100によってコンパレータ2に入力され
る。その入力信号により,コンパレータ2が超電導状態
から電圧状態に変化することによりSQUIDのアナロ
グ信号をデジタル信号に変換している。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment according to the present invention. In this embodiment, SQ is used as the sensor.
UID1 is used. The comparator 2 is driven by using an alternating current source 7, and has an inductance 92 made of a superconductor and a resistor 5 provided in parallel with the inductance 92.
2, a Josephson junction 32 and a capacitor 42 provided in parallel with the Josephson junction 32. SQUID
1 is driven by a direct current source 6. The change in the output voltage caused by the input of the magnetic flux to the SQUID 1 by the magnetic flux input means 10 causes the shunt resistance 51 of the SQUID 1,
And, it is converted into a magnetic flux signal by the inductance 91 and input to the comparator 2 by the magnetic coupling 100. The input signal causes the comparator 2 to change from the superconducting state to the voltage state, thereby converting the SQUID analog signal into a digital signal.

【0028】本実施例においては,SQUID1は,n
Φ0から(n+0.5)Φ0の入力磁束の変化に対応し
て,出力電圧が約10μVから約60μVの間で変化す
るようにSQUIDのバイアス電流を設定すると,3Ω
のシャント抵抗51によって,約3μAから20μAの
出力信号電流11がインダクタンス91に流れる。磁気
結合100を通して,インダクタンス91からインダク
タンス92に約70パーセントの信号が伝達され,約2
μAから14μAの電流がコンパレータ2に流れる。
In this embodiment, SQUID1 is n
When the bias current of SQUID is set so that the output voltage changes between about 10 μV and about 60 μV in response to the change of the input magnetic flux from Φ 0 to (n + 0.5) Φ 0 , 3Ω
The shunt resistor 51 causes the output signal current 11 of about 3 μA to 20 μA to flow in the inductance 91. About 70% of the signal is transmitted from the inductance 91 to the inductance 92 through the magnetic coupling 100.
A current of μA to 14 μA flows to the comparator 2.

【0029】コンパレータ2の臨界電流値(Im)を3
50μAとし,SQUID1からの出力信号電流11の
大きさを考慮して,コンパレータ2のバイアス電流(I
b)は347μAとした場合,SQUID1からの出力
信号電流11がコンパレータ2に注入された場合,コン
パレータ2に注入される電流の合計(Ig)は,349
μAから361μAまでの範囲となる。合計が350μ
A以上の場合にコンパレータ2は電圧状態にスイッチす
る。また,コンパレータ2のジョセフソン接合32は約
0.6pFであり,インダクタンス92は3pHであ
る。本実施例の場合は,SQUID1が発生するジョセ
フソン振動による電流雑音を,ターンオン遅延により除
去し,かつ,コンパレータ2のインダクタンス92,お
よび,ジョセフソン接合32,および,容量42の静電
容量によるLC共振が,SQUIDの動作時のジョセフ
ソン振動の周波数よりも低くならないように設計した。
SQUIDの動作電圧範囲としては,LC共振の周波数
に相当する電圧を避ければ良く,すなわち,数3,また
は,数4を満たす範囲にすれば良い。また,下式に示し
た電圧の範囲はさらに望ましい。
The critical current value (Im) of the comparator 2 is set to 3
50 μA, and considering the magnitude of the output signal current 11 from SQUID 1, the bias current (I
b) is 347 μA, when the output signal current 11 from the SQUID 1 is injected into the comparator 2, the total current (Ig) injected into the comparator 2 is 349.
The range is from μA to 361 μA. 350μ in total
When A or more, the comparator 2 switches to the voltage state. The Josephson junction 32 of the comparator 2 is about 0.6 pF, and the inductance 92 is 3 pH. In the case of the present embodiment, the current noise due to the Josephson oscillation generated by SQUID1 is removed by the turn-on delay, and the LC due to the inductance 92 of the comparator 2, the Josephson junction 32, and the capacitance of the capacitance 42. The resonance was designed so that it would not be lower than the frequency of Josephson vibration during SQUID operation.
As the operating voltage range of the SQUID, it suffices to avoid the voltage corresponding to the frequency of the LC resonance, that is, to set the range that satisfies the formulas 3 or 4. In addition, the voltage range shown in the following equation is more desirable.

【0030】[0030]

【数6】 [Equation 6]

【0031】[0031]

【数7】 [Equation 7]

【0032】なぜならば,抵抗を用いてLC共振をダン
ピングした場合,共振電圧の2分の1以下の電圧,また
は,2倍以上の電圧では共振の影響がほとんどなくなる
からである。共振電圧の2分の1以下の電圧,および,
2倍以上の電圧の領域は,図2の動作領域A,および,
Bにそれぞれ対応する。
This is because, when the LC resonance is damped by using the resistor, the influence of the resonance is almost eliminated at a voltage that is ½ or less of the resonance voltage or a voltage that is ≧ 2 times the resonance voltage. A voltage that is less than half the resonance voltage, and
The area of the voltage more than double is the operation area A in FIG.
Corresponds to B respectively.

【0033】本実施例では,動作領域Aとして示した範
囲で動作させるために,容量42の静電容量は約19.
4pFとした。また,コンパレータ2のインダクタンス
92,および,ジョセフソン接合32,および,容量4
2の静電容量によるLC共振をダンピングするために
0.1Ωの抵抗52を設けた。また,抵抗52はジョセ
フソン振動による電流雑音が抵抗52に分流するため,
ジョセフソン接合32に与えるジョセフソン振動による
電流雑音の影響を低減する効果もある。
In this embodiment, in order to operate in the range shown as the operating area A, the capacitance of the capacitor 42 is about 19.
It was 4 pF. In addition, the inductance 92 of the comparator 2, the Josephson junction 32, and the capacitance 4
A resistor 52 of 0.1Ω is provided to damp the LC resonance due to the capacitance of 2. In addition, because the resistor 52 shunts the current noise due to Josephson oscillation,
It also has the effect of reducing the effect of current noise on Josephson junction 32 due to Josephson oscillation.

【0034】このように本発明に従って,各パラメータ
を選ぶことにより,コンパレータ2に含まれるジョセフ
ソン接合32,および,それに並列な容量42のターン
オン遅延によるフィルター作用によって,SQUID1
のジョセフソン接合31が発生するジョセフソン振動に
よる電流雑音の影響を約20分の1に低減することがで
きた。その結果,コンパレータ2の誤動作を防ぎジョセ
フソン信号検出回路の測定精度を向上させることができ
た。
As described above, according to the present invention, by selecting each parameter, the SQUID1 is obtained by the filter action by the turn-on delay of the Josephson junction 32 included in the comparator 2 and the capacitor 42 in parallel with it.
It was possible to reduce the influence of the current noise due to the Josephson vibration generated by the Josephson junction 31 of FIG. As a result, the malfunction of the comparator 2 can be prevented and the measurement accuracy of the Josephson signal detection circuit can be improved.

【0035】また,本実施例においては,ジョセフソン
振動による電流雑音の影響が約20分の1と大変小さ
く,かつ,LC共振を避けた周波数でコンパレータ2を
動作させている。そのため,コンパレータ2が超電導状
態から常伝導状態に遷移するために最低限必要な電流
と,SQUID1からの信号電流の大きさ,すなわち,
SQUID1に入力される信号の大きさの関係は,比例
関係となる。従って,コンパレータ2のバイアス電流源
として,交流電流源7のほかに図3に参照信号電流とし
て示したように段階的に値が変わる電流源を利用すれ
ば,コンパレータ2が電圧状態に変化した時間(図3で
はt1)からコンパレータ2に流れているバイアス電流
を求めることにより,コンパレータ2を逐次近似型のア
ナログデジタルコンバータとして利用することができ
る。その場合は,図4に示すように,交流電流源7の他
に参照信号電流を注入するための配線61を設ければよ
い。図1においては,コンパレータ2は抵抗51を介し
て流れる電流がインダクタンス91によって発生する磁
束によってスイッチする磁気結合型であるが,図4のよ
うに,抵抗51を介して注入される電流によってスイッ
チする電流注入型のコンパレータを用いても,同様の効
果が得られることは明白である。
Further, in the present embodiment, the influence of the current noise due to Josephson vibration is very small, about 1/20, and the comparator 2 is operated at the frequency avoiding the LC resonance. Therefore, the minimum current required for the comparator 2 to transition from the superconducting state to the normal conducting state and the magnitude of the signal current from the SQUID 1, that is,
The signal magnitude relationship input to SQUID1 is proportional. Therefore, if a current source whose value changes stepwise as shown in FIG. 3 as the reference signal current is used as the bias current source of the comparator 2, the time when the comparator 2 changes to the voltage state. By obtaining the bias current flowing in the comparator 2 from (t1 in FIG. 3), the comparator 2 can be used as a successive approximation type analog-digital converter. In that case, as shown in FIG. 4, a wiring 61 for injecting a reference signal current may be provided in addition to the alternating current source 7. In FIG. 1, the comparator 2 is a magnetic coupling type in which the current flowing through the resistor 51 is switched by the magnetic flux generated by the inductance 91, but as shown in FIG. 4, it is switched by the current injected through the resistor 51. It is clear that the same effect can be obtained by using a current injection type comparator.

【0036】また,コンパレータ2が超電導状態から常
伝導状態に遷移するために最低限必要な電流と,SQU
ID1からの信号電流の大きさ,すなわち,SQUID
1に入力される信号の大きさの関係は比例関係となって
いるため,SQUID1の動作を制御するための帰還方
法としてFLL(Flux Locked Loop)
回路を使用することができる。
Further, the minimum current required for the comparator 2 to transit from the superconducting state to the normal conducting state, and SQU
The magnitude of the signal current from ID1, that is, SQUID
Since the magnitude of the signal input to 1 is proportional, a feedback method for controlling the operation of SQUID1 is FLL (Flux Locked Loop).
Circuits can be used.

【0037】また,本実施例においては,コンパレータ
2の動作点を図2の動作領域Aとして示した範囲で使用
したが,LC共振の影響を避けるために,図2の動作領
域Bとして示した範囲をコンパレータ2の動作点として
も同様の効果が得られることは明白である。
Further, in the present embodiment, the operating point of the comparator 2 is used within the range shown as the operating area A in FIG. 2, but it is shown as the operating area B in FIG. 2 in order to avoid the influence of LC resonance. It is obvious that the same effect can be obtained by setting the range as the operating point of the comparator 2.

【0038】(実施例2)図5は,本発明による第2の
実施例を示す回路図である。本実施例においては,セン
サとしてSQUIDを使用している。コンパレータ2は
交流電流源7を用いて駆動され,ジョセフソン接合32
から構成されている。SQUID1は直流電流源6によ
って駆動され,磁束の入力手段10によって,SQUI
D1に磁束が入力されて生じた出力電圧の変化は,SQ
UID1のシャント抵抗51を介して出力信号電流11
としてコンパレータ2に直接入力される。コンパレータ
2は,SQUID1からの出力信号電流11と交流電流
源7からの交流バイアスによって注入される電流の合計
値がジョセフソン接合32の臨界電流値よりも大きい場
合に電圧状態にスイッチし,小さい場合には超電導状態
を保つことでアナログ信号をデジタル信号に変換する。
(Embodiment 2) FIG. 5 is a circuit diagram showing a second embodiment according to the present invention. In this embodiment, the SQUID is used as the sensor. The comparator 2 is driven by using the alternating current source 7, and the Josephson junction 32
It consists of The SQUID 1 is driven by the direct current source 6 and the SQUID is driven by the magnetic flux input means 10.
The change in output voltage caused by the input of magnetic flux to D1 is SQ
Output signal current 11 via shunt resistor 51 of UID1
Is directly input to the comparator 2. The comparator 2 switches to the voltage state when the total value of the output signal current 11 from the SQUID 1 and the current injected by the AC bias from the AC current source 7 is larger than the critical current value of the Josephson junction 32, and when it is smaller, The analog signal is converted into a digital signal by maintaining the superconducting state.

【0039】本実施例においては,SQUID1の動作
時にジョセフソン接合31から発生するジョセフソン振
動による電流雑音を,コンパレータ2に含まれるジョセ
フソン接合32の静電容量によるターンオン遅延により
除去できるように,以下のように,本発明に従って,S
QUID1およびコンパレータ2を構成した。SQUI
D1は,nΦ0から(n+0.5)Φ0の入力磁束の変化
に対応して,出力電圧が約10μVから約60μVの間
で変化しするようにバイアス電流を設定すると,3Ωの
シャント抵抗51によって,約3μAから20μAの出
力信号電流11がコンパレータ2に注入される。コンパ
レータ2の臨界電流値(Im)が350μAの場合,S
QUID1からの出力信号電流11の大きさを考慮し
て,コンパレータ2のバイアス電流(Ib)を346μ
Aとすると,SQUID1からの出力信号電流11がコ
ンパレータ2に注入された場合,コンパレータ2に注入
される電流の合計(Ig)は349μAから366μA
の範囲となる。従って,上記条件において,コンパレー
タ2のジョセフソン接合32の静電容量によるターンオ
ン遅延を利用してジョセフソン振動による電流雑音を除
去できるように,ジョセフソン接合32の静電容量を1
5pFとした。このジョセフソン接合32は,接合面積
を10μm角とした。SQUID1,および,コンパレ
ータ2を上記値を用いて作製した結果,コンパレータ2
が感知するSQUID1のジョセフソン接合31が発生
するジョセフソン振動による電流雑音の実効的な大きさ
をターンオン遅延によって従来の約10分の1に低減す
ることができた。その結果,従来はジョセフソン振動に
よる電流雑音に埋もれていたため検出できなかった微小
な出力信号電流11の変化も検出できるようになり測定
精度が向上し,かつ,誤動作がなくなった。
In this embodiment, the current noise due to the Josephson oscillation generated from the Josephson junction 31 during the operation of the SQUID 1 can be removed by the turn-on delay due to the capacitance of the Josephson junction 32 included in the comparator 2. According to the present invention, S
A QUID1 and a comparator 2 were constructed. SQUI
D1 corresponds to the change of the input magnetic flux from nΦ 0 to (n + 0.5) Φ 0 , and when the bias current is set so that the output voltage changes from about 10 μV to about 60 μV, the shunt resistance of 3Ω 51 Causes an output signal current 11 of about 3 μA to 20 μA to be injected into the comparator 2. When the critical current value (Im) of the comparator 2 is 350 μA, S
Considering the magnitude of the output signal current 11 from the QUID 1, the bias current (Ib) of the comparator 2 is set to 346 μ.
If the output signal current 11 from SQUID 1 is injected into the comparator 2, the total current (Ig) injected into the comparator 2 is 349 μA to 366 μA.
It becomes the range of. Therefore, under the above conditions, the capacitance of the Josephson junction 32 is set to 1 so that the current noise due to the Josephson oscillation can be removed by utilizing the turn-on delay due to the capacitance of the Josephson junction 32 of the comparator 2.
It was set to 5 pF. The Josephson junction 32 has a junction area of 10 μm square. As a result of making SQUID1 and comparator 2 using the above values, comparator 2
The effective magnitude of the current noise due to the Josephson oscillation generated by the Josephson junction 31 of the SQUID 1 sensed by the can be reduced to about 1/10 of the conventional one by the turn-on delay. As a result, minute changes in the output signal current 11 that could not be detected because they were buried in the current noise due to Josephson vibration in the past can be detected, the measurement accuracy is improved, and malfunction does not occur.

【0040】本実施例では,SQUIDおよびコンパレ
ータは両者とも超電導体によって構成されているため,
通常の,超電導体にNbを用いた集積回路のプロセス技
術により,同一チップ上に作製することができた。
In this embodiment, since both the SQUID and the comparator are made of superconductor,
It was possible to fabricate them on the same chip by a usual integrated circuit process technology using Nb for the superconductor.

【0041】(実施例3)図6は本発明による他の実施
例の回路図である。本実施例においては,センサとして
SQUIDを使用している。コンパレータ2は抵抗51
を介して注入される電流によってスイッチする電流注入
型である。本実施例においては,コンパレータ2はジョ
セフソン接合32と容量42の並列接続体を4組と,抵
抗53とから構成されており,入出力分離型の回路構成
となっているため,コンパレータ2が電圧状態に遷移し
た後でも,コンパレータ2からSQUID1へ電流が逆
流することを防いでいる。また,本実施例に示すコンパ
レータ2は構成要素としてインダクタンスを含んでいな
いため,LC共振を起こさない。従って,SQUID1
の動作時にジョセフソン接合31が発生するジョセフソ
ン振動による雑音を,コンパレータ2のジョセフソン接
合32と容量42によるターンオン遅延により除去でき
るように,コンパレータ2に含まれる容量42の静電容
量を選ぶことによって,コンパレータ2の誤動作を防
ぎ,測定精度を向上させることができる。
(Embodiment 3) FIG. 6 is a circuit diagram of another embodiment according to the present invention. In this embodiment, the SQUID is used as the sensor. The comparator 2 has a resistor 51
It is a current injection type that is switched by the current injected through the. In the present embodiment, the comparator 2 is composed of four pairs of parallel connection bodies of the Josephson junction 32 and the capacitor 42 and the resistor 53, and has an input / output separation type circuit configuration. Even after the transition to the voltage state, the current is prevented from flowing backward from the comparator 2 to the SQUID 1. Further, since the comparator 2 shown in this embodiment does not include an inductance as a constituent element, LC resonance does not occur. Therefore, SQUID1
The capacitance of the capacitance 42 included in the comparator 2 is selected so that the noise due to the Josephson vibration generated by the Josephson junction 31 during the operation of can be removed by the turn-on delay of the Josephson junction 32 and the capacitance 42 of the comparator 2. Thus, the malfunction of the comparator 2 can be prevented and the measurement accuracy can be improved.

【0042】本実施例においては,コンパレータ2はジ
ョセフソン接合32と容量42の並列接続体を4組と,
抵抗53とから構成される入出力分離回路を用いたが,
入出力分離回路の構造はこれに限ったものではない。例
えば,図7に示すようにジョセフソン接合32と容量4
2の並列接続体を2組と,抵抗53とからなるJAWS
(Josephson Atto Weber Switch)型や,図8に示すよう
に,ジョセフソン接合32と容量42の並列接続体を2
組と,2つの抵抗53とからなるDCL(Direct Coupl
ed Logic)型を用いても良いことは言うまでもない。
In the present embodiment, the comparator 2 has four pairs of the Josephson junction 32 and the capacitor 42 connected in parallel,
Although the input / output separation circuit composed of the resistor 53 is used,
The structure of the input / output separation circuit is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, Josephson junction 32 and capacitance 4
JAWS consisting of 2 sets of 2 parallel connections and resistor 53
(Josephson Atto Weber Switch) type, or as shown in FIG.
DCL (Direct Coupl) consisting of a group and two resistors 53
It goes without saying that the ed Logic type may be used.

【0043】(実施例4)図9は本発明による他の実施
例の回路図である。図9においては,SQUID1と,
コンパレータ2を組み合わせたジョセフソン信号検出回
路が複数設けられており,同時に複数個所の入力磁束の
変化を測定することができる。本実施例では,コンパレ
ータ2は抵抗51を介して流れる電流がインダクタンス
91によって発生する磁束によってスイッチする磁気結
合型であり,コンパレータ2は超電導体で構成されたイ
ンダクタンス92,インダクタンス92に並列に設けた
抵抗52,ジョセフソン接合32,ジョセフソン接合3
2に並列に設けた容量42,から構成されている。この
構成とし,実施例1や実施例2に示したように,各パラ
メータを選ぶことにより,コンパレータ2の誤動作を防
ぎ,測定精度を向上させることができる。
(Embodiment 4) FIG. 9 is a circuit diagram of another embodiment according to the present invention. In FIG. 9, SQUID1 and
A plurality of Josephson signal detection circuits combined with the comparator 2 are provided, and changes in the input magnetic flux at a plurality of locations can be measured at the same time. In this embodiment, the comparator 2 is a magnetic coupling type in which the current flowing through the resistor 51 is switched by the magnetic flux generated by the inductance 91, and the comparator 2 is provided in parallel with the inductance 92 and the inductance 92 formed of a superconductor. Resistor 52, Josephson junction 32, Josephson junction 3
2 and a capacitor 42 provided in parallel. With this configuration, as shown in the first and second embodiments, by selecting each parameter, the malfunction of the comparator 2 can be prevented and the measurement accuracy can be improved.

【0044】さらに,本実施例においては,SQUID
1には,コンパレータ2に磁気結合によって信号を入力
するためのインダクタンス91に並列に抵抗54が設け
られている。抵抗54を設けることによりSQUID1
のジョセフソン接合31の静電容量とインダクタンス9
1によるLC共振をダンピングすることができる。ま
た,ジョセフソン接合31が発生するジョセフソン振動
による電流雑音が抵抗54に分流するため,コンパレー
タ2と磁気結合する電流雑音を小さくすることができ
る。従って,本実施例の構成においてはジョセフソン振
動による電流雑音をさらに小さくすることができ,測定
精度を向上させることができる。
Further, in this embodiment, the SQUID
1, a resistor 54 is provided in parallel with an inductance 91 for inputting a signal to the comparator 2 by magnetic coupling. By providing the resistor 54, SQUID1
Josephson junction 31 capacitance and inductance 9
The LC resonance due to 1 can be damped. Further, since the current noise due to the Josephson vibration generated by the Josephson junction 31 is shunted to the resistor 54, the current noise magnetically coupled with the comparator 2 can be reduced. Therefore, in the configuration of the present embodiment, the current noise due to Josephson vibration can be further reduced, and the measurement accuracy can be improved.

【0045】(実施例5)図10は本発明の他の実施例
を示すコンパレータ2のジョセフソン接合32およびそ
れに並列に設けた容量42の形状を示す上面図である。
本実施例においては,ジョセフソン接合32に並列に設
けた容量42は,4つの容量部分421,422,42
3,および,424より構成されており,ジョセフソン
接合32の上部電極321,および,下部電極322を
構成する2つの超電導薄膜がこれらの容量部分421か
ら424の電極となっている。
(Embodiment 5) FIG. 10 is a top view showing the shapes of a Josephson junction 32 and a capacitor 42 provided in parallel with the Josephson junction 32 of a comparator 2 according to another embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the capacitance 42 provided in parallel with the Josephson junction 32 has four capacitance portions 421, 422, 42.
3 and 424, and the two superconducting thin films forming the upper electrode 321, and the lower electrode 322 of the Josephson junction 32 are the electrodes of these capacitance portions 421 to 424.

【0046】本実施例においては,ジョセフソン接合3
2は上部電極321,および下部電極322にNbを用
い,トンネル障壁層323としてAlOxを用いてい
る。容量42を形成する電極もジョセフソン接合32を
構成している電極と同じ薄膜を用いて構成したが,絶縁
膜324としてAlOxの替わりにNb25,または,
Ta25,または,Hf25を用いて容量42を構成し
た場合は,これらの材料はAlOxに比較して比誘電率
が大きいため容量部分の面積を小型化することができる
利点がある。
In this embodiment, the Josephson junction 3
In No. 2, Nb is used for the upper electrode 321 and the lower electrode 322, and AlOx is used for the tunnel barrier layer 323. The electrode forming the capacitor 42 was also formed by using the same thin film as the electrode forming the Josephson junction 32. However, as the insulating film 324, Nb 2 O 5 instead of AlOx, or
When Ta 2 O 5 or Hf 2 O 5 is used to form the capacitor 42, these materials have a large relative permittivity as compared with AlOx, so that there is an advantage that the area of the capacitor portion can be reduced. is there.

【0047】また,本実施例のように,容量42を4つ
の容量部分421,422,423,および,424に
分割して構成した場合は,図11に示すように容量部分
424の上部電極をレーザートリマなどで切断すること
によって容量42の静電容量を変化させることができ
る。このような構成とすることによって,SQUIDの
動作に最適な,ターンオン遅延によるフィルタを容易に
構成することができる。
When the capacitor 42 is divided into four capacitor portions 421, 422, 423, and 424 as in this embodiment, the upper electrode of the capacitor portion 424 is replaced by the upper electrode as shown in FIG. The capacitance of the capacitor 42 can be changed by cutting with a laser trimmer or the like. With such a configuration, it is possible to easily configure a filter with a turn-on delay that is optimal for the operation of the SQUID.

【0048】(実施例6)図12は本発明による他の実
施例の回路図である。図12においては,センサ200
はジョセフソン接合31と抵抗51とから構成されてお
り,このジョセフソン接合31はX線や電磁波等を検出
することができる。また,コンパレータ2は,ジョセフ
ソン接合32,およびそれに並列に設けた容量42から
構成されている。他の実施例と異なりセンサはSQUI
Dではないが,コンパレータを構成するジョセフソン接
合32に並列に容量42を設けることによって,センサ
200に含まれるジョセフソン接合31から発生する電
流雑音の影響を低減することができ,高精度にX線や電
磁波等を検出することができる。
(Sixth Embodiment) FIG. 12 is a circuit diagram of another embodiment according to the present invention. In FIG. 12, the sensor 200
Is composed of a Josephson junction 31 and a resistor 51, and this Josephson junction 31 can detect X-rays, electromagnetic waves and the like. Further, the comparator 2 is composed of a Josephson junction 32 and a capacitor 42 provided in parallel with it. Unlike other embodiments, the sensor is SQUI
Although not D, by providing the capacitance 42 in parallel with the Josephson junction 32 forming the comparator, it is possible to reduce the influence of the current noise generated from the Josephson junction 31 included in the sensor 200, and to accurately measure X. Lines and electromagnetic waves can be detected.

【0049】図12においては,コンパレータの前段の
ジョセフソン接合31からの出力信号電流11はコンパ
レータ2に注入されているが,図13に示すようにセン
サ200,および,コンパレータ2の構成要素として,
それぞれインダクタンス91,および,インダクタンス
92を付加することによって,磁気結合100によりコ
ンパレータ2に信号を伝達しても良い。図13において
はコンパレータはジョセフソン量子干渉計により構成さ
れている。また,センサ200は,2つ以上のジョセフ
ソン接合を直列に配置したアレイ状の構成になってい
る。このような構成にすることによって微小なX線や電
磁波の検出に際して,検出器の静電容量を増加させるこ
となしに,検出面積を大きくすることができる利点があ
る。図13に示す回路構成においては,ジョセフソン接
合アレイ311が発生するジョセフソン振動による電流
雑音を,ターンオン遅延により除去し,かつ,コンパレ
ータ2のインダクタンス92,および,ジョセフソン接
合32,および,容量42の静電容量によるLC共振
が,ジョセフソン接合アレイ311が電圧状態に遷移し
た時に発生するジョセフソン振動の周波数と等しくなら
ないように構成することで本発明の効果を得ることがで
き,動作が安定で高精度のコンパレータを実現すること
ができた。また,コンパレータ2のインダクタンス9
2,および,ジョセフソン接合32,および,容量42
の静電容量によるLC共振をダンピングするために設け
た抵抗52は,LC共振のダンピングのほかに,ジョセ
フソン振動による電流雑音が抵抗52に分流するため,
ジョセフソン接合32に与えるジョセフソン振動による
電流雑音の影響を低減する効果もあり,抵抗52を設け
ることによってコンパレータの精度をより向上させるこ
とができた。
In FIG. 12, the output signal current 11 from the Josephson junction 31 in the preceding stage of the comparator is injected into the comparator 2, but as shown in FIG. 13, as the sensor 200 and the constituent elements of the comparator 2,
A signal may be transmitted to the comparator 2 by the magnetic coupling 100 by adding an inductance 91 and an inductance 92, respectively. In FIG. 13, the comparator is composed of a Josephson quantum interferometer. Further, the sensor 200 has an array configuration in which two or more Josephson junctions are arranged in series. With such a configuration, when detecting a minute X-ray or an electromagnetic wave, there is an advantage that the detection area can be increased without increasing the capacitance of the detector. In the circuit configuration shown in FIG. 13, the current noise due to Josephson oscillation generated by the Josephson junction array 311 is removed by the turn-on delay, and the inductance 92 of the comparator 2, the Josephson junction 32, and the capacitance 42 are removed. The effect of the present invention can be obtained and the operation can be stabilized by configuring the LC resonance due to the capacitance of No. 1 so as not to be equal to the frequency of the Josephson oscillation generated when the Josephson junction array 311 transits to the voltage state. It was possible to realize a highly accurate comparator. In addition, the inductance 9 of the comparator 2
2, and Josephson junction 32, and capacitance 42
The resistor 52 provided for damping the LC resonance due to the electrostatic capacitance of is, in addition to the damping of the LC resonance, current noise due to Josephson oscillation is shunted to the resistor 52.
The effect of the current noise due to the Josephson vibration applied to the Josephson junction 32 is also reduced, and the accuracy of the comparator can be further improved by providing the resistor 52.

【0050】(実施例7)図14は本発明による他の実
施例の回路図である。図14においては,図12に示し
た構成のジョセフソン信号検出回路の次段にジョセフソ
ンカウンタ300を配置している。このように計数回路
をジョセフソン接合を用いた回路で構成することによ
り,計数回路をコンパレータ2などと一緒に低温槽内に
設置することができるため,計測装置を小型化すること
ができる。また,低温槽内でX線や電磁波などの測定結
果を処理できるため,室温に計数回路を置く場合に比べ
て,より高速の計数に対応することができ,しかも,雑
音の混入を防ぐことができるので,さらに測定精度を向
上させることができる。
(Embodiment 7) FIG. 14 is a circuit diagram of another embodiment according to the present invention. In FIG. 14, a Josephson counter 300 is arranged at the next stage of the Josephson signal detection circuit having the configuration shown in FIG. By thus configuring the counting circuit with a circuit using the Josephson junction, the counting circuit can be installed in the low temperature tank together with the comparator 2 and the like, so that the measuring device can be downsized. In addition, since the measurement results such as X-rays and electromagnetic waves can be processed in the low temperature tank, it is possible to correspond to higher speed counting as compared with the case where the counting circuit is placed at room temperature, and also to prevent noise from mixing. Therefore, the measurement accuracy can be further improved.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上詳述したごとく,少なくとも1つの
ジョセフソン接合を含んで構成したセンサと,前記セン
サの出力電圧,もしくは,出力電流の大きさを識別する
ことのできる,少なくとも1つのジョセフソン接合を含
んで構成されたコンパレータとを,少なくとも含んで構
成した回路において,前記センサの動作時において前記
センサに含まれるジョセフソン接合が発生するジョセフ
ソン振動の周波数は,前記コンパレータに含まれるジョ
セフソン接合のターンオン遅延に相当する周波数よりも
高くなるように構成することで,高い測定精度を有し,
かつ動作の安定性に優れたジョセフソン信号検出回路を
提供することができる。
As described above in detail, a sensor including at least one Josephson junction and at least one Josephson capable of discriminating the magnitude of the output voltage or the output current of the sensor. In a circuit including at least a comparator including a junction, the frequency of the Josephson oscillation generated by the Josephson junction included in the sensor during operation of the sensor is the Josephson oscillation included in the comparator. By configuring the frequency to be higher than the frequency corresponding to the turn-on delay of the junction, it has high measurement accuracy,
Further, it is possible to provide a Josephson signal detection circuit having excellent operation stability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例を示す回路図。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】コンパレータの動作領域を示す概念図。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an operation area of a comparator.

【図3】コンパレータを逐次近似型のアナログ/デジタ
ルコンバータとして利用する場合の動作波形。
FIG. 3 is an operation waveform when the comparator is used as a successive approximation type analog / digital converter.

【図4】本発明の他の実施例を示す回路図。FIG. 4 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の他の実施例を示す回路図。FIG. 5 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.

【図6】入出力分離回路型のコンパレータを使用した場
合の回路図。
FIG. 6 is a circuit diagram when an input / output separation circuit type comparator is used.

【図7】他の入出力分離回路型のコンパレータを使用し
た場合の回路図。
FIG. 7 is a circuit diagram when another input / output separation circuit type comparator is used.

【図8】他の入出力分離回路型のコンパレータを使用し
た場合の回路図。
FIG. 8 is a circuit diagram when another input / output separation circuit type comparator is used.

【図9】SQUIDとコンパレータを複数個有する場合
の回路図。
FIG. 9 is a circuit diagram when a plurality of SQUIDs and comparators are provided.

【図10】4個に分割された容量部分からなる容量とジ
ョセフソン接合の形状を示す上面図。
FIG. 10 is a top view showing a shape of a Josephson junction and a capacitor including a capacitor portion divided into four pieces.

【図11】4個に分割された容量部分からなる容量とジ
ョセフソン接合の回路図。
FIG. 11 is a circuit diagram of a capacitance composed of four capacitance portions and a Josephson junction.

【図12】X線,または電磁波検出用の実施例を示す回
路図。
FIG. 12 is a circuit diagram showing an embodiment for detecting X-rays or electromagnetic waves.

【図13】X線,または電磁波検出用の他の実施例を示
す回路図。
FIG. 13 is a circuit diagram showing another embodiment for detecting X-rays or electromagnetic waves.

【図14】ジョセフソンカウンタを有するX線,または
電磁波検出用の実施例を示す回路図。
FIG. 14 is a circuit diagram showing an embodiment for detecting an X-ray or an electromagnetic wave having a Josephson counter.

【図15】従来のデジタルSQUIDの回路図。FIG. 15 is a circuit diagram of a conventional digital SQUID.

【図16】SQUIDの電流ー電圧特性の説明図。FIG. 16 is an explanatory diagram of current-voltage characteristics of SQUID.

【図17】交流の雑音を含むSQUIDの出力信号波
形。
FIG. 17 is an SQUID output signal waveform including AC noise.

【図18】コンパレータの電流ー電圧特性の説明図。FIG. 18 is an explanatory diagram of current-voltage characteristics of a comparator.

【図19】コンパレータが感じる等価的なSQUIDの
出力信号波形。
FIG. 19 is an equivalent SQUID output signal waveform sensed by a comparator.

【図20】静電容量とターンオン遅延の関係を示す図。FIG. 20 is a diagram showing a relationship between capacitance and turn-on delay.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…SQUID,2…コンパレータ,31,32…ジョ
セフソン接合,311…ジョセフソン接合アレイ,32
1…上部電極,322…下部電極,323…トンネル障
壁層,324…絶縁膜,42…ジョセフソン接合に並列
に設けた容量,421,422,423,424…容量
部分,51…シャント抵抗,52,53,54…抵抗,
6…直流電流源,61…配線,7…交流電流源,8…信
号出力端子,9,91,92…インダクタンス,10…
磁束の入力手段,11…出力信号電流,100…磁気結
合,200…センサ,201…X線,300…ジョセフ
ソンカウンタ。
1 ... SQUID, 2 ... Comparator, 31, 32 ... Josephson junction, 311 ... Josephson junction array, 32
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper electrode, 322 ... Lower electrode, 323 ... Tunnel barrier layer, 324 ... Insulating film, 42 ... Capacitor provided in parallel with Josephson junction, 421, 422, 423, 424 ... Capacitance part, 51 ... Shunt resistance, 52 , 53, 54 ... Resistance,
6 ... DC current source, 61 ... Wiring, 7 ... AC current source, 8 ... Signal output terminal, 9, 91, 92 ... Inductance, 10 ...
Input means for magnetic flux, 11 ... Output signal current, 100 ... Magnetic coupling, 200 ... Sensor, 201 ... X-ray, 300 ... Josephson counter.

Claims (24)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも1つのジョセフソン接合を含ん
で構成したセンサと,前記センサの出力電圧,もしく
は,出力電流の大きさを識別することのできる,少なく
とも1つのジョセフソン接合を含んで構成されたコンパ
レータとを,少なくとも含んで構成した回路において,
前記センサの動作時において前記センサに含まれるジョ
セフソン接合が発生するジョセフソン振動の周波数は,
前記コンパレータに含まれるジョセフソン接合のターン
オン遅延に相当する周波数よりも高くなるように構成し
たことを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
1. A sensor including at least one Josephson junction and at least one Josephson junction capable of discriminating the magnitude of an output voltage or an output current of the sensor. And a comparator configured to include at least
The frequency of the Josephson vibration generated by the Josephson junction included in the sensor during the operation of the sensor is
A Josephson signal detection circuit configured to have a frequency higher than a frequency corresponding to a turn-on delay of a Josephson junction included in the comparator.
【請求項2】請求項1において,前記コンパレータは,
これに含まれる前記ジョセフソン接合と並列に接続し
た,少なくとも1つの容量から成る容量部分を有するこ
とを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
2. The comparator according to claim 1, wherein:
A Josephson signal detection circuit having a capacitance portion formed of at least one capacitance connected in parallel with the Josephson junction included therein.
【請求項3】請求項1または2において,前記コンパレ
ータに含まれる前記ジョセフソン接合の静電容量C,も
しくは,前記容量部分を有する場合は,前記ジョセフソ
ン接合の静電容量および前記容量部分の静電容量の合計
値Cは,前記コンパレータに信号が入力された後の電流
値Ig,および,前記コンパレータの臨界電流値Im,
および,前記センサの動作時における出力電圧V,およ
び,磁束量子Φ0によって,下式のごとくに表される関
係を満たすように選んだことを特徴とするジョセフソン
信号検出回路。 【数1】
3. The electrostatic capacitance C of the Josephson junction included in the comparator, or the electrostatic capacitance of the Josephson junction and the capacitive portion of the Josephson junction, if the capacitive portion is included. The total value C of the electrostatic capacitance is the current value Ig after the signal is input to the comparator, and the critical current value Im of the comparator,
And a Josephson signal detection circuit, which is selected so as to satisfy the relationship represented by the following formula by the output voltage V and the magnetic flux quantum Φ 0 during the operation of the sensor. [Equation 1]
【請求項4】請求項2ないし3のいずれかにおいて,前
記容量部分は2個以上に並列に接続された容量から成る
ことを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
4. The Josephson signal detection circuit according to claim 2, wherein the capacitor portion is composed of two or more capacitors connected in parallel.
【請求項5】請求項4において,前記容量部分を構成す
る前記2個以上に並列に接続された容量を相互につなぐ
配線の一部または全部を切断することによって前記容量
部分の静電容量を変更できることを特徴とするジョセフ
ソン信号検出回路。
5. The capacitance of the capacitance portion according to claim 4, wherein the capacitance of the capacitance portion is cut by cutting a part or all of the wiring connecting the two or more capacitances forming the capacitance portion and connected in parallel to each other. A Josephson signal detection circuit that can be changed.
【請求項6】請求項2ないし5のいずれかにおいて,前
記コンパレータに含まれる前記ジョセフソン接合に並列
に設けた前記容量部分は,金属電極によって絶縁体を挾
んだ構造を有し,かつ,この絶縁体の材料はNb25
または,Ta25,または,Hf25であることを特徴
とするジョセフソン信号検出回路。
6. The capacitor according to claim 2, wherein the capacitor portion provided in parallel with the Josephson junction included in the comparator has a structure in which an insulator is sandwiched by metal electrodes, and The material of this insulator is Nb 2 O 5 ,
Alternatively, the Josephson signal detection circuit is Ta 2 O 5 or Hf 2 O 5 .
【請求項7】請求項1ないし6のいずれかにおいて,前
記コンパレータは、少なくとも超電導体から成るインダ
クタンスによって構成されたジョセフソン量子干渉計を
含み、前記インダクタンスに並列に接続された抵抗を設
けたことを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
7. The method according to claim 1, wherein the comparator includes a Josephson quantum interferometer composed of at least an inductance composed of a superconductor, and a resistance connected in parallel to the inductance is provided. Josephson signal detection circuit characterized by.
【請求項8】請求項7において,前記抵抗の値Rは,前
記コンパレータに含まれる前記ジョセフソン接合の静電
容量C,もしくは前記容量部分を有する場合は,前記ジ
ョセフソン接合の静電容量および前記容量部分の静電容
量の合計値Cと,前記インダクタンスLに対して,下式
を満たす値であることを特徴とするジョセフソン信号検
出回路。 【数2】
8. The value R of the resistance according to claim 7, wherein the capacitance C of the Josephson junction included in the comparator, or the capacitance R of the Josephson junction when the capacitance portion is included, A Josephson signal detection circuit, wherein the total value C of the capacitance of the capacitance portion and the inductance L are values satisfying the following formula. [Equation 2]
【請求項9】請求項7または8において,前記コンパレ
ータに含まれる前記ジョセフソン接合の静電容量C,も
しくは,前記容量部分を有する場合は,前記ジョセフソ
ン接合の静電容量および前記容量部分の静電容量の合計
値Cは,前記コンパレータに含まれる前記インダクタン
スL,および,前記センサの動作時における出力電圧
V,および磁束量子Φ0によって,下式のごとくに表さ
れる関係を満たすように,前記ジョセフソン接合の容量
および前記容量部分の静電容量を設定することを特徴と
するジョセフソン信号検出回路。 【数3】
9. The electrostatic capacitance C of the Josephson junction included in the comparator according to claim 7, or, if the capacitance portion is included, the electrostatic capacitance of the Josephson junction and the capacitance portion. The total value C of the electrostatic capacities should satisfy the relationship represented by the following equation by the inductance L included in the comparator, the output voltage V during the operation of the sensor, and the magnetic flux quantum Φ 0 . , A Josephson signal detection circuit, wherein the capacitance of the Josephson junction and the capacitance of the capacitance portion are set. [Equation 3]
【請求項10】請求項7または8において,前記コンパ
レータに含まれる前記ジョセフソン接合の静電容量C,
もしくは,前記容量部分を有する場合は,前記ジョセフ
ソン接合の静電容量および前記容量部分の静電容量の合
計値Cは,前記コンパレータに含まれる前記インダクタ
ンスL,および,前記センサの動作時における出力電圧
V,および磁束量子Φ0によって,下式のごとくに表さ
れる関係を満たすように,前記ジョセフソン接合の容量
および前記容量部分の静電容量を設定することを特徴と
するジョセフソン信号検出回路。 【数4】
10. The capacitance C of the Josephson junction included in the comparator according to claim 7,
Alternatively, when the capacitance section is included, the total value C of the capacitance of the Josephson junction and the capacitance of the capacitance section is equal to the output of the inductance L included in the comparator and the output during operation of the sensor. According to the voltage V and the magnetic flux quantum Φ 0 , the capacitance of the Josephson junction and the capacitance of the capacitance portion are set so as to satisfy the relationship expressed by the following equation. circuit. [Equation 4]
【請求項11】請求項1ないし10のいずれかにおい
て,前記コンパレータは,検出の基準となる参照信号電
流の印加手段を有し,かつ,その参照信号電流の値を段
階的に増加させて動作する逐次近似型のアナログデジタ
ルコンバータを構成していることを特徴とするジョセフ
ソン信号検出回路。
11. The comparator according to any one of claims 1 to 10, wherein the comparator has a reference signal current applying unit serving as a detection reference, and operates by gradually increasing the value of the reference signal current. Josephson signal detection circuit, characterized in that it constitutes a successive approximation type analog-digital converter.
【請求項12】請求項1ないし11のいずれかにおい
て,前記センサには超電導体で構成したインダクタンス
が含まれていることを特徴とするジョセフソン信号検出
回路。
12. The Josephson signal detection circuit according to claim 1, wherein the sensor includes an inductance formed of a superconductor.
【請求項13】請求項1ないし12のいずれかにおい
て,前記コンパレータは,前記センサの出力電流を前記
コンパレータに含まれる前記ジョセフソン接合に直接注
入することによって動作することを特徴とするジョセフ
ソン信号検出回路。
13. The Josephson signal according to claim 1, wherein the comparator operates by directly injecting an output current of the sensor into the Josephson junction included in the comparator. Detection circuit.
【請求項14】請求項13において,前記コンパレータ
は、ジョセフソン接合を含んで構成されており,かつ,
このジョセフソン接合が有する2つの入力端子の一方に
は,前記センサからの出力信号が印加され,他方の入力
端子は,別のジョセフソン接合,あるいは,抵抗に接続
されるコンパレータに含まれる逆流防止手段を有するこ
とを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
14. The comparator according to claim 13, wherein the comparator includes a Josephson junction, and
The output signal from the sensor is applied to one of the two input terminals of this Josephson junction, and the other input terminal is included in a comparator connected to another Josephson junction or a resistor to prevent backflow. A Josephson signal detection circuit having means.
【請求項15】請求項1ないし14のいずれかにおい
て,前記コンパレータは前記センサと磁気的に結合して
いることを特徴とするジョセフソン信号検出回路。
15. The Josephson signal detection circuit according to claim 1, wherein the comparator is magnetically coupled to the sensor.
【請求項16】請求項1ないし15のいずれかにおい
て,前記センサは,2つ以上のジョセフソン接合が直列
に接続されていることを特徴とするジョセフソン信号検
出回路。
16. The Josephson signal detection circuit according to claim 1, wherein the sensor has two or more Josephson junctions connected in series.
【請求項17】請求項1ないし16のいずれかにおい
て,前記センサにはX線または電磁波の入射手段が設け
られていることを特徴とするジョセフソン信号検出回
路。
17. A Josephson signal detection circuit according to claim 1, wherein said sensor is provided with an X-ray or electromagnetic wave incident means.
【請求項18】請求項1ないし15のいずれかにおい
て,前記センサは超電導量子干渉素子であることを特徴
とするジョセフソン信号検出回路。
18. The Josephson signal detection circuit according to claim 1, wherein the sensor is a superconducting quantum interference device.
【請求項19】請求項18において,前記センサには磁
束の印加手段が設けられていることを特徴とするジョセ
フソン信号検出回路。
19. The Josephson signal detection circuit according to claim 18, wherein the sensor is provided with a magnetic flux applying means.
【請求項20】少なくとも1つのジョセフソン接合を含
んで構成したセンサと,前記センサの出力電圧,もしく
は,出力電流の大きさを識別することのできる,少なく
とも1つのジョセフソン接合を含んで構成されたコンパ
レータとを,少なくとも含んで構成した回路において,
前記センサの動作時において前記センサに含まれるジョ
セフソン接合が発生するジョセフソン振動の周波数は,
前記コンパレータに含まれるジョセフソン接合のターン
オン遅延に相当する周波数よりも高くなるように構成し
たことを特徴とするジョセフソン信号検出回路を複数個
備えたことを特徴とする計測装置。
20. A sensor including at least one Josephson junction and at least one Josephson junction capable of discriminating the magnitude of an output voltage or an output current of the sensor. And a comparator configured to include at least
The frequency of the Josephson vibration generated by the Josephson junction included in the sensor during the operation of the sensor is
A measuring apparatus comprising a plurality of Josephson signal detection circuits, wherein the frequency is higher than a frequency corresponding to a turn-on delay of a Josephson junction included in the comparator.
【請求項21】請求項20において,前記センサは,2
つ以上のジョセフソン接合が直列に接続されていること
を特徴とする計測装置。
21. The sensor according to claim 20, wherein the sensor is 2
A measuring device characterized in that two or more Josephson junctions are connected in series.
【請求項22】請求項20または21において,前記セ
ンサにはX線または電磁波の入射手段が設けられている
ことを特徴とする計測装置。
22. The measuring device according to claim 20, wherein the sensor is provided with an X-ray or electromagnetic wave incident means.
【請求項23】請求項20において,前記センサは超電
導量子干渉素子であることを特徴とする計測装置。
23. The measuring device according to claim 20, wherein the sensor is a superconducting quantum interference device.
【請求項24】請求項23において,前記センサには磁
束の印加手段が設けられていることを特徴とする計測装
置。
24. The measuring device according to claim 23, wherein the sensor is provided with a magnetic flux applying unit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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