JPS61284679A - 超伝導量子干渉装置 - 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〕 この発明は、例えば磁界検出袋°！や電気信号増幅装置
等に利用される超伝導量子干渉装置に関するものである
。

〔従来の技術〕

従来の超伝導量子干渉装置は第弘図に示すような構成に
なっている。第を図において（１）はジョセフソン接合
、（コ）は左右一対のジョセフソン接合（１）を介Ｃて
ループを形成した超電導体からまる超伝導ループであシ
、これら両者によって超伝導量子干渉素子（Ｓ）が構成
されている。（３）は超伝導ループ（２）と磁気結合さ
れた入力コイル、（４１）は電流バイアス端子、（ｋ’
）は電圧出力端子である。

超伝導ループ（コ）の一端は接地され、他端は各端子（
ｌＩ＞　、　（ｔ）に接続されている。又、ジョセフソ
ン接合（１）は第５図に示すような等価回路で表わせる
ものとする。ここで（／／）は接合容量でアシ。

その容量値はＣ０である。（／コ）は各ジョセフソン接
合（１）の両端の超伝導体の位相差θに伴って電流Ｉ　
、ｓｉｎθを流すことのできる電流源である。

（／３）は接合容量（／／）に伴って発生するジョセフ
ソン接合（１）のｔｉ−電圧特性上のヒステリシスを消
すために取付けられた短絡抵抗であり、その抵抗値はＲ
である。ヒステリシス・パラメータβ。は、次の式を満
足している。

ただし、工。はジョセフソン接合（１）の臨界電流値、
φ、は磁束量子である。β。≦／なる条件は接合容量（
／／）を流れる電流が無視できることを意味している。

次に動作について説明する。いま第７図の電流バイアス
端子（りから直流電流工を流し、入力フィル（３）に信
号電ｉＩ。を流したとすると、入力コイル（３）は相互
インダクタンスＭで超伝導ループ（２）と磁気的に結合
しているので、超伝導ループ（＝）に印加磁束Φ＝ＭＩ
。が発生する。この時、第グ図の超伝導量子干渉装置の
回路は次の回路方程式を満足する。

Ｉ　＝　工６　（ｓｉｎθ、　十ｓｉｎθ、）−二（ｖ
、　＋　ｖＪ）　・・・（ｘ）ここでθ１．θユは左右
のジョセフソン接合（１）の位相差、Ｖ、、Ｖ、は左右
のジョセフソン接合（１）の各両端の電圧％　Ｌ、は超
伝導ループ（２）のインダクタンスである。また、ここ
では左右のジョセフソン接合（１）の特性も等しいもの
と仮定した。更に位相差θと電圧Ｖの関係式 が成立している。ここでｅは電子の電荷、甘はプ２ンク
定数をｈ”１コπで割った値である。ｉｔ流工を定数と
して（，２）　、　（，７）　ｌ　（ｌＩ）式を連立さ
せれば電圧Ｖの時間平均〈）を数値的に求めることが出
来る。

第６図はこうして求めた超電導量子干渉素子（Ｓ）の直
流電流−電圧特性である。第６図において曲線（ａ）は
、印加磁束Φ（＝ＭＩ。）が磁束量子φ。の整数倍（Φ
＝ｎφ０）の時の電流−電圧特性、曲線（ｂ）は印加磁
束Φが磁束量子φ。の半奇数倍（Φ＝（ｎ±−ｉ）φ０
）の時の電流−電圧特性である。印加磁束Φがｎ−１と
（ｎ：ｌニーｉ）φ０の間の値の場合には曲線（ａ）と
（ｂ）の間の似かよりた曲線（Ｃ）となる。第６図から
も明らかなように、超伝導量子干渉素子（Ｓ）を電圧降
下なしに流れることの出来る電流（零電圧電流）は印加
磁束φによって変化し、Φ＝ｎφ、の時に最大となシ、
Φ＝（ｎ＋７）φ０のとき最小となるように、磁束量子
φ。を周期として振動的に変化する。

さて、このような超伝導量子干渉素子（Ｓ）に、電流バ
イアス端子（りを介して一定電ＩＩＩえを流しておき、
すなわちバイアス点を第６図（４）点に固定し、信号電
流工。により誘導される印加磁束Φを変化させて、超伝
導量子干渉素子（Ｓ）の両端に発生する電圧ｖＡを測定
すると、第７図のような最大振幅ΔＶＡを有する周期曲
線が得られる。超伝導・量子干渉素子（Ｓ）は超伝導ル
ープ（コ）内に発生する印加磁束Φを電圧ＶＡに変換し
、計量する装置と解釈することができる。このとき、被
測定信号は第９図の入力フィル（３）に信号電流工。と
して入力されることが必要である。こうして外部入力信
号即ち信号電流工。の変化を電圧ｖＡの変化として取出
すことが出来る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の超伝導量子干渉装置は以上のように構成　　　□
されているが、条件式（１）を満足させるために小さな
抵抗Ｒでジョセフソン接合を短絡しているため、出力電
圧の最大振幅ΔｖＡを大きくすることが難しく、最大振
幅ΔＶＡは通常数１０μＶ以下であった。

このため、出力電圧ＶＡが入力信号型ｆｉＩ。に比例す
る線形領域が狭く、また外部雑音の影響を受けやすく、
分解能の向上が困難であるなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、出力電圧の最大振幅を大きくし、線形領域を
大幅に拡張するとともに、外部雑音の影響を相対的に小
さくして分解能の向上が可能な超伝導量子干渉装置を得
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、従来７個であった超伝導量子干渉素子を複
数個直列に接続すると共にその各々の入力コイルも直列
に接続したものである。

〔作用〕

この発明における超伝導量子干渉装置は、超伝導量子干
渉素子をＮ個直列に接続したため、その両端に発生する
電圧が７個の場合のＮ倍になシ、分解能が向上する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例について説明する。

第１図において、符号（１）、（Ｊ）および（’Ｉ”）
　、　（！ｒ＞は従来装置におけるのと同一のものであ
る。これらジョセフソン接合（１）および超伝導ループ
（２）からなる超伝導量子干渉素子（ＳＬ）はＬ　＝　
／からＮまでのＮ個設けられ、超伝導あるいは常伝導の
線（６）で直列接続されている。この超伝導量子干渉素
子（ＳＬ）の一端の（８Ｎ）側は接地され、他端の（Ｓ
／）側には、電流バイアス端子（４ｔ）および電圧出力
端子（りが取付けられている。又、超伝導量子干渉素子
（ＳＬ）に対応して設けられたＮ個の入力コイル（ＪＡ
Ｌ）（ただしＬ　＝　／−Ｎ）は超伝導線（り）で直列
接続され、入力コイル集合（３Ａ）および両端（Ｔ／）
　、　（Ｔ２）を形成している。

この場合、ジョセフソン接合（１）は、すべて同一の特
性を有し、それぞれ前述の条件式（１）を満足している
ものとする。又、各入力コイル（ＪＡＬ）も従来のもの
と同一である。従って、第７図の従来装置の入力コイル
（，７）に電流Ｉｊを流したとき、超伝導童子干渉素子
（Ｓ）にΔＶの電圧が発生したとすると、この発明によ
るＮ個の直列接続型の入力としてこの超伝導量子干渉素
子（ＳＬ）全体の両端にはＮ・ΔＶの電圧が発生するこ
とＫなる。

次に、この超伝導量子干渉装置を磁界検出装置に利用す
る場合を例にとって、具体的動作について説明する。第
２図に示すように、超伝導線のプローブコイル（ｒ）を
入力コイル集合（３Ａ）の両端（Ｔ／）　、　（’ｒコ
）に接続し、このプローブコイル（ｆ）　ｔ−磁界中に
置くことによって、プローブコイルＣｔ）内に鋳起され
る磁束を入力コイル集合（３Ａ）を通して超伝導量子干
渉素子（ＳＬ）に伝達する方式が一般に用いられる。同
じ大きさのプローブコイル（ｊ）（インダクタンスをＬ
、面積をＳとする）を磁束密度Ｂの磁界中に置き、これ
を従来の超伝導量子干渉装置と、Ｎ個直列型のこの発明
による装置とに接続した場合を比較して考える。７個の
入力コイル（３Ａｚ）即ち（３）のインダクタンスをＬ
Ｌ％同様に７個の超伝導量子干渉素子（ＳＬ）即ち（Ｓ
）のループインダクタンスをＬ８とするとグローブコイ
ル（１）から７個の超伝導量子干渉素子（Ｓ、）に伝達
される磁束Φ８の最大値は となる。ここでＮは直列に接続した超伝導量子干渉素子
（ＳＬ）の個数、ｋは入力コイル（ＪＡＬ）と超伝導量
子干渉素子（ＳＬ）との結合定数、Φ＝Ｂ　−８である
。したがって各超伝導量子干渉素子（ＳＬ）θＶ の磁束電圧変換係数がすべてＧ　＝ａ　、ｐ　　である
とすると、従来の７個の超伝導量子干渉素子（Ｓ）の出
力電圧Ｖ、は となシ、Ｎ個直列の超伝導量子干渉素子（Ｓ＝）では、
その出力電圧ｖＮは、 ＝　ｙ′）ｉ−−ｖ、　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（り）と
なる。すなわち、超伝導量子干渉素子（ＳＬ）をＮ個直
列に接続したこの発明による装置では、従来の７個の超
伝導量子干渉素子（Ｓ）を用いた場合に比べて出力がＪ
Ｔ倍だけ比例して大きくなシ、その結果磁束分解能が向
上する。

次に、第３図を参照し、この発明による超伝導量子干渉
装置を電気信号増幅装置に用いた場合について述べる。

この場合、入力コイル集合（３Ａ）の一端即ち、入力コ
イル（，７Ａ／）と入力端（Ｔ／）との間に容量Ｃを有
するコンデンサ（テ）を接続して同調させ、さらにイン
ピーダンス整合用の負荷（１０）（通常は純抵抗）を接
続する。したがって、入力コイル集合（３Ａ）を流れる
［流はインビーダンス整合用負荷（１０）によって制限
されることになるため、従来の７個の超伝導量子干渉素
子（Ｓ）の場合もＮ個直列の場合も入力コイルを流れる
電流は等しくなる。故に、出力電圧端子（ｒ）および（
３Ａ）に表われる電圧比によシ、Ｎ個直列の場合は７個
の場合に比べて出力がＮ倍となる。

なお一般に超伝導量子干渉素子を用いた計測器の分解能
は出力電圧の検知装置の分解能によって決められてしま
う。したがって、電圧検知装置の分解能が一定であって
も、超伝導量子干渉素子の出力電圧が向上すれば計測器
全体の分解能が向上し、信号雑音比も改善されることは
明らかである。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば超伝導量子干渉素子を
Ｎ個直列に接続すると共に、これに対応するＮ個の入力
コイルもすべて直列に接続した構成としたので、入力コ
イルに生じる信号電流に対し、超伝導量子干渉素子全体
の両端に表われる出力電圧が大きくなり、測定精度が向
上する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による超伝導量子干渉装置
の回路図、第２図は第１図の装置を磁界検出器に用いた
例の回路図、第３図は第１図の装置を電気信号増幅装置
に用いた例の回路図、第ｑ図は従来の超伝導量子干渉装
置の回路図、第Ｓ図は超伝導量子干渉素子を構成するジ
ョセフソン接合の等価回路図、第６図は直流超伝導量子
干渉素子の直流電流−電圧特性図、第７図は超伝導量子
干渉素子に印加される印加磁束と出力電圧の関係を示す
特性図である。 図において（１）・・ジョセフソン接合、（２）・・超
伝導ループ、（、？Ａ／）〜（３）玉）・・入力コイル
、（３Ａ）・・入力コイル集合、（す・・電流バイアス
端子、（５）・・電圧出力端子、（Ｓ／）〜（ＳＮ）・
・超低４量子干渉素子。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 光４図　　　４

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）直流駆動型の超伝導量子干渉素子をＮ個（Ｎは２
   以上の整数）直列に接続すると共に、前記各超伝導量子
   干渉素子と磁気結合して信号を伝達するための入力コイ
   ルをそれぞれの超伝導量子干渉素子と対応してＮ個設け
   、これら入力コイルをすべて直列に接続したことを特徴
   とする超伝導量子干渉装置。
2. （２）Ｎ個の入力コイルからなる入力コイル集合の両端
   に磁界検出装置のプローブコイルを接続したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の超伝導量子干渉装置
   。
3. （３）Ｎ個の入力コイルからなる入力コイル集合の一端
   に電気信号増幅装置のインピーダンス整合用の負荷およ
   びこの負荷と直列のコンデンサを接続したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の超伝導量子干渉装置。