JPH10511457A - グラジオメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明はそれぞれ一つのＳＱＵＩＤループを有する二つのＳＱＵＩＤ（Ｓ_1,Ｓ₂）を備えたグラジオメータに関する。この発明の課題は磁場あるいは磁場勾配を比較的簡単に高精度で測定できるグラジオメータを提供することにある。このため、グラジオメータは前記ＳＱＵＩＤループが平面内で一ベースラインほど互いに離れ、この平面に対し平行で平坦な磁束集中体（ＦＴ_1,ＦＴ₂）が両方のＳＱＵＩＤループを取り囲むように互いに配置されたＳＱＵＩＤを有する。更に、両方のＳＱＵＩＤループの中心を結ぶベースラインに対して横方向に鏡面対称に形成されている磁束集中体を使用している。一定の望ましいベースの長さは適当な構造上の処置により有利に設定でき、インダクタンスが増大したり、これに関連してグラジオメータの信号が低減することはない。

Description

【発明の詳細な説明】 グラジオメータ この発明は、それぞれ一つのＳＱＵＩＤループを含む二つのＳＱＵＩＤを備え たグラジオータに関する。 例えば、非破壊材料試験の分野、あるいはＳＱＵＩＤによる生体磁気検査の分 野で磁場または磁場勾配を定量的に調べるには擾乱場を抑制するグラジオメータ を作製することが望まれている。このような擾乱に対しては地磁気の変動、ある いは我々の周囲の人為的な電磁負荷により、例えば 50 Hzの交番磁場のような電 磁負荷により生じる磁場を挙げることができる。低温Ｔ_c材料を基礎にした比較 的低経費で作製できるグラジオメータが知られている。これには延性のある線材 を利用でき、この線材により一部互いに逆向きの捲線方向（これは勾配の小さい 磁場を除去する）の閉じたコイル対を作製できる。現在のところ高温Ｔ_c材料の 分野では適当な線材を利用できない。 所謂軸方向グラジオメータが Supercond．Sci．Technol．7(1994)，265-268に より周知である。このグラジオメータでは、二つのＳＱＵＩＤが数センチメート ルまで離れた二つの面内にそれぞれ配置されている。この場合、個々のＳＱＵＩ Ｄの信号は別々の電子系内で処理され、特に互いに引き算される。 このグラジオメータは製造経費がかかる点で不利であり、機械的な調整にも経 費が掛かる。更に、二つのＳＱＵＩＤを用いるこのようなグラジオメータでは、 第三の他のＳＱＵＩＤ（この方法で二次のグラジオメータを形成する）でのみ抑 圧できる勾配信号が生じる。 更に、Appl．Phys．Lett．56（1990）1579によれば、ジョセフソン接合が相対 的に広く離れた二つのＳＱＵＩＤループの間に対称に配置してあり、これ等のル ープに小さなスリットを介して互いに接続しているグラジオメータが知られてい る。このようなグラジオメータには、ＳＱＵＩＤのインダクタンスが極度に大き く、その結果ＳＱＵＩＤの信号が小さ過ぎるから、ベースの長さ（各ＳＱＵＩＤ ループの中心の相互距離）を短くしなければならないという難点がある。 それ故、この発明の課題は比較的簡単な方法で、しかも周知のグラジオメータ で生じる難点が無く、磁場あるいは磁場勾配を高精度で測定できるグラジオメー タを提供することにある。 上記の課題は請求の範囲第１項の構成の全てを有するグラジオメータにより解 決されている。 詳しくは、これに対して、冒頭に述べたタイプのグラジオメータでＳＱＵＩＤ ループが平面内で一ベース長さＬ₁ほど互いに離れていて、この平面に対して平 行で平坦な磁束集中体が両方のＳＱＵＩＤループを取り囲むようにＳＱＵＩＤを 互いに配置している点にある。この場合、磁束集中体は両方のＳＱＵＩＤループ の中心を互いに結ぶベースラインに対して横方向に鏡面対称に形成されている。 特に均一な磁場を磁束集中体内でグラジオメータの面に垂直に加えると、シー ルド電流が外側縁部分に誘起し、これ等の電流がそれぞれＳＱＵＩＤのところで 同じ大きさの集中磁場を発生させることが知られている。個々のＳＱＵＩＤの信 号を引き算して得られる差信号は、このようなグラジオメータでは空間的に一様 な擾乱信号に無関係である。しかし、不均一な磁場は個々のＳＱＵＩＤに強く異 なって集中し、この場合、ゼロとは異なる差信号を形成する。 この発明によるグラジオメータの利点は、一定の望ましいグラジオメータのベ ース長さを適当な構造上の処置により設定でき、インダクタンスを大きくして、 これに結び付くグラジオメータの信号の減少を与えることがない点にある。 請求の範囲第２項のグラジオメータの特に有利な構成では、磁束集中体がその 表面に垂直な鏡面対称面内で互いに電気絶縁された磁束集中体部分を形成するた め、両方の部分を接続する前記絶縁層を有する。こうして、各磁束集中ゲート部 分のシールド電流がそれぞれ両方のＳＱＵＩＤループを通過し、ＳＱＵＩＤのと ころで同じ大きさに集中した磁場を発生する。 特に有利な方法では、請求の範囲第３項により、二つの第一ＳＱＵＩＤの面内 にある少なくとも一つの他のＳＱＵＩＤを設けているので、磁束集中体がこのＳ ＱＵＩＤも取り囲むように構成されている。こうして、それぞれ個別グラジオメ ータを表す空間的に異なった方位を有するベース長さのグラジオメータが得られ る。 請求の範囲第４項により二つの第一ＳＱＵＩＤの面内にある少なくとも一対の 他のＳＱＵＩＤがあり、この一対のＳＱＵＩＤが二つの第一ＳＱＵＩＤのベース ラインに平行でなく、主に垂直に形成されているベースラインを有すると、グラ ジオメータは特に有利である。その場合、独立した二つの空間方位で磁場あるい は磁場勾配を測定するのに適した平坦なグラジオメータが得られる。 請求の範囲第５項によれば、グラジオメータ内にあるＳＱＵＩＤのバランスと とるため、超伝導材料から成り、磁束集中体の平面に平行に移動するバランス板 を設けると効果的である。有利な方法では、この磁束集中体がベースラインの領 域で移動可能に配置されている。 バランス板としては付加的な磁力計のＳＱＵＩＤを設けることが考えられる。 この場合、能動的なバランスを達成できる。 グラジオメータの特に有利な構成は、請求の範囲第６項により、磁束集中体お よび／またはバランス板を形成する材料として、高温超伝導体（ＨＴＳＬ）を選 んで得られる。この材料に属する有利な特性はこのようなグラジオメータに完全 に移行する。特に液体窒素の領域で使用できる。 請求の範囲第７項により、グラジオメータが、例えば Appl．Phys．Lett．60( 1992)645により周知のような少なくとも一つのワッシャー（Washer）ＳＱＵＩＤ ，あるいは好ましくはＨＴＳＬワッシャーＳＱＵＩＤとしてのワッシャーＳＱＵ ＩＤを有する限り、薄膜技術で作製できる特に有利なグラジオメータとなる。そ の場合、磁束集中体をＨＴＳＬ薄膜にして基板の上に装着して使用できる。 以下、実施例と図面に基づきこの発明をより詳しく説明する。 第１図には円板状の中実の磁束集中体を有するグラジオメータが平面図（第１ ａ図）に、また線分ＡＡに沿った横断面図（第１b ）に模式的に示してある。 ＨＴＳＬ材料の上記磁束集中体は製造上以下のように作製した。 中実の部材片ＨＴＳＬ，ここでは YBa₂Cu₃O₇から円板の型を切り出した。この 円板を等しい大きさの半円板状の二つの部分に分割した。これ等の二つの部分に は分離線ＡＡ′のところに半円板状の開口を互いにベース長さＬ₁の間隔にして 設けた。結局、両方の部分は電気絶縁接着材により二つの円板状の開口１１と１ ２を有する円板形の磁束集中体を形成するため間隔Ｌ₁にして繋ぎ合わせた。 第１ａ図は間隔Ｌ₁にして円板状の開口１１と１２を有する二つの半円状の部 分ＦＴ₁とＦＴ₂を詳しく示す。これ等の開口１１と１２は、この特別な場合、磁 束集中体Ｆの上側に二つの正方形のワッシャーＳＱＵＩＤ，Ｓ₁とＳ₂を入れるた めそれに応じた窪みを有するように形成されている。 バランスをとるため、二つのＳＱＵＩＤ，Ｓ₁とＳ₂の両方の位置の間の領域に ＨＴＳＬの移動可能なバランス板ＡＰが設けてある。この特別な場合、前記板Ａ Ｐは長方形に形成されているが、他の形状も選ぶこともできる。 使用温度で生じる磁束集中体Ｆ中の超伝導シルード電流は第１a 図に矢印を付 けたループの形にして示してある。この電流は半円板状の二つの部分ＦＴ₁とＦ Ｔ₂の縁部分で生じ、こうして、各開口１１または１２で両方の部分ＦＴ₁とＦＴ に逆向きの電流が流れるので、これ等の開口１１と１２にはリング電流が得られ る。このリング電流は、ＳＱＵＩＤ，Ｓ₁とＳ₂を磁束集中体Ｆの各切欠に位置決 めすると、ＳＱＵＩＤのそれぞれのＳＱＵＩＤループに磁束を集中させる働きを する。 中実の磁束集中体Ｆは、円板の厚さが 3 mm の場合、直径が 50 mmであった。 開口１１または１２はそれぞれ直径 6 mm であった。ベースの長さＬ₁は、上記 の場合、30 mm に選んだ。各ワッシャーＳＱＵＩＤを含む長方形の基板Ｓ₁とＳ₂ は 10 × 10 mm²であり、このために形成される切欠は僅かな値しかとらなかっ た。 このグラジオメータの部分の幾何学寸法を選択する場合、所望のグラジオメー タ特性に対応するグラジオメータは多少大きなベースの長さを持っている。 第２図には、薄膜技術で磁束集中体Ｆを有するグラジオメータが模式的に示し てある。これには、円形の基板１３上に周知のマスク技術により円形の YBa₂Cu₃ O₇層を形成した。この層には二つの開口１１と１２，および円形の層Ｆの縁部分 まで達するＨＴＳＬのない通路１４と１５がそれぞれある。こうして、使用時に は薄膜磁束集中体Ｆの縁部分にシールド電流が生じ、このシールド電流は第１図 のグラジオメータ内の電流と同程度のリング電流を各開口１１と１２（直径 6 m m ）に形成する。円形の層Ｆの直径は 48 mmで、通路１４と１５の幅は 6μm ， 長さは約 10 mmであった。第３図は第２図に示したグラジオメータの薄膜磁束集 中体の横形状を示す。 薄膜磁束集中体Ｆを有する上記のグラジオメータの他の実施態様には、二つの ＳＱＵＩＤ切欠１１，１２の代わりに、第４図に薄膜技術で同じように作製され た薄膜磁束集中体Ｆに対して模式平面図にして示すように、４つのＳＱＵＩＤ切 欠１１，１２，１６と１７がある。こうして、４つのＳＱＵＩＤにより横方向の 独立した二つの方位で検出すべき磁場あるいは磁場勾配を測定できるグラジオメ ータが得られる。 磁束集中体はリング電流が各ＳＱＵＩＤに対して開口（１１，１２，１６，１ ７）のそれぞれの縁部分に沿うように形成されている。 磁束集中体の他の実施態様には、第５図にハッチングを付けて示すように、横 方向の層構造模様がある。 第４図の磁束集中体の層構造模様とは異なり、ここでは、円形層Ｆの中央領域 Ｆ′でＨＴＳＬ材料が省いてある。第５図で内部にあり各開口１１，１２を廻る ＨＴＳＬ通路１８と１９は 3 mm の幅であった。 その外、磁束集中体Ｆの円形の外部境界は薄膜技術であるいは中実に形成する 場合、強いられるものではない。むしろ、これから外れた形状も考えられる。こ れには、第６図にグラジオメータに対して薄膜技術に適した磁束集中体Ｆの他の 二つの横方向の構成を示す。 両方の形状にはベースラインとその中心垂直線に対して対称性がある。 第７〜１０図には、磁束集中体Ｆだけでなく、各ＳＱＵＩＤ機能部ＳＳ_1,.... も薄膜技術で集積して形成されている。 これに関連して、ここに示す開口は磁束を集中させる機能１１，１２，１６， １７と、同時にＳＱＵＩＤ機能ＳＳ_1,....も行うことが分かる。この場合、長方 形の開口１１，１２，１６，１７の各々とこの開口を磁束集中体の縁部分につな ぐ通路１４，１５，２０，２１の各々の間の小さな接続線は何れもＳＱＵＩＤ機 能部ＳＳ_1,....を形成するためにあるジョセフソン接合部を表す。今までの第１ 〜６図と比較して、開口１１，１２，１６，１７およびＳＳ_1,....は幾何学的に 見て同じように約 10 × 10 mm²の大きさである。しかし、第７〜１０図の開口 １１，１２，１６，１７およびＳＳ_1,....は実際のところＳＱＵＩＤ機能部ＳＳ_1, ....を形成するためただ 200× 200μm²にすぎない。 20 × 20 μm²の大きさ のＳＱＵＩＤ機能部を有するグラジオメータも作製した。 第８図には、円形磁束集中体Ｆとこの中に組み込んだ４つのＳＱＵＩＤ機能部 ＳＳ_1,ＳＳ_2,ＳＳ₃とＳＳ₄を備えた薄膜技術のグラジオメータが平面図にして示 してある。 第９図は薄膜技術の磁束集中体Ｆに組み込んだ二つのＳＱＵＩＤ機能部ＳＳ₁ とＳＳ₂を備えたグラジオメータの実施態様を示す。磁束集中体Ｆに組み込んだ ＳＱＵＩＤ機能部ＳＳ₁とＳＳ₂を備えたグラジオメータを形成するため、円形と は異なる他の二つの変形種が最後に第１０図に示してある。ここに提示したグラ ジオメータの実施態様はただ例示的にこの発明の可能な構成を示す。所望あるい は所定の境界条件に応じて、ここに説明したグラジオメータの変形種の個別要素 を組み合わせる幾何学的に多くの他の構成が考えられる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１１月１３日 【補正内容】 請求の範囲 １．それぞれ一つのＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）を有する二つのＳＱＵＩ Ｄ（Ｓ_1,Ｓ₂）を備えたグラジオメータにおいて、 ＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）が平面（Ｅ）内で互いにベース長（Ｌ₁） ほど互いに離れているようにＳＱＵＩＤ（Ｓ_1,Ｓ₂）を互いに配置し、 前記平面を含む平坦な磁束集中体（Ｆ）が両方のＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1, ＳＳ₂）を取り囲み、 磁束集中体（Ｆ）が両方のＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）の中心を結ぶ ベースラインに対して横方向に鏡面対称に形成されている、 ことを特徴とするグラジオメータ。 ４．第一ＳＱＵＩＤのＳＱＵＩＤループの平面内に少なくとも一対の他のＳＱＵ ＩＤ（Ｓ_3,Ｓ₄）を設け、この対が第−ＳＱＵＩＤのベースラインの方向に平行 でなく、特に垂直に向いていることを特徴とする請求の範囲第１〜３項の何れか １項に記載のグラジオメータ。 ５．磁束集中体（Ｆ）の上で移動可能に配置された超伝導バランス板（ＡＰ）を 備えていることを特徴とする請求の範囲第１〜４項の何れか１項に記載のグラジ オメータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボウザック・ヘルバート ドイツ連邦共和国、デー−52080 アーヒ ェン、フリーデンストラーセ、３ (72)発明者 ゾルトナー・ヘルムート ドイツ連邦共和国、デー−52459 インデ ン、レーメルストラーセ、29

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．各一つのＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）を有する二つのＳＱＵＩＤ（Ｓ_{1 ,} Ｓ₂）を備えたグラジオメータにおいて、 ＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）が平面内で互いにベース長（Ｌ₁）ほど互 いに離れているようにＳＱＵＩＤ（Ｓ_1,Ｓ₂）が互いに配置され、 前記平面に対し平行で平坦な磁束集中体（Ｆ）が両方のＳＱＵＩＤループ（ ＳＳ_1,ＳＳ₂）を取り囲み、 磁束集中体（Ｆ）が両方のＳＱＵＩＤループ（ＳＳ_1,ＳＳ₂）の中心を結ぶ ベースラインＢ₁に対して横方向に鏡面対称に形成されている、 ことを特徴とするグラジオメータ。 ２．磁束集中体（Ｆ）は表面に対して垂直な鏡面対称面内で互いに電気絶縁され た磁束集中体部分（ＦＴ_1,ＦＴ₂）を形成するため、これ等の二つの部分を接続 する電気絶縁層を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のグラジオメ ータ。 ３．少なくとも一つの他のＳＱＵＩＤ（Ｓ₃）を設け、このＳＱＵＩＤのＳＱＵ ＩＤコイルが二つの第一ＳＱＵＩＤコイル（ＳＳ_1,ＳＳ₂）の平面内にあり、磁 束集中体（Ｆ）は前記の他のＳＱＵＩＤ（Ｓ₃）を取り囲むように形成されてい ることを特徴とする請求の範囲第１項あるいは第２項に記載のグラジオメータ。 ４．第一ＳＱＵＩＤのＳＱＵＩＤループの平面内に少なくとも一対のＳＱＵＩＤ （Ｓ_3,Ｓ₄）を設け、この対が第一ベースラインＢ₁に平行でなく、特に垂直なベ ースライン（Ｂ_2,....Ｂ_x）を有することを特徴とする請求の範囲第１〜３項の 何れか１項に記載のグラジオメータ。 ５．磁束集中体（Ｆ）の上の、特にベースラインＢ₁の領域で移動可能に配置さ れた超伝導バランス板（ＡＰ）を備えていることを特徴とする請求の範囲第１〜 ４項の何れか１項に記載のグラジオメータ。 ６．磁束集中体（Ｆ）あるいはバランス板（ＡＰ）を形成するため高温超伝導材 料（ＨＳＴＬ）を使用することを特徴とする請求の範囲第１〜５項の何れか１項 に記載のグラジオメータ。 ７．少なくとも一つのワッシャーＳＱＵＩＤを備えていることを特徴とする請求 の範囲第１〜６項の何れか１項に記載のグラジオメータ。