JP2000507351A - ｒｆ―ＳＱＵＩＤ磁力計を超伝導タンク共振回路に結合するための配置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を基板上の超伝導タンク共振回路に結合するための配置は、両構成要素が互いに完全に統合されるように構成される。この統合によって、共振回路のＱ値はフリップチップ手法に比して２〜３倍高められる。そのうえ、この統合配置により、ＳＱＵＩＤと共振回路との間の結合ｋの簡単な査定が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を超伝導タンク共振回路に結合するための配置 技術分野 本発明は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ（ラジオ周波数超伝導量子干渉素子）磁力計を超 伝導タンク共振回路および基板に結合するための配置に関するものである。 背景技術 ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を超伝導タンク共振回路に結合するために、従来、い くつかの提案がなされている。 一つの可能性は、γ−共振器を用い、これにｒｆ−ＳＱＵＩＤを電気的に結合 し、同時に磁束ピックアップループとして機能させることにある。かかるＳＱＵ ＩＤ磁力計は３ＧＨｚのタンク周波数をもちうる。 しかし、γ−共振器の使用には問題がある。これが数百という低いＱ値しか示 さないからである。それは、λ／２−共振器を用いてすでに達成されている数千 というＱ値を考慮すれば、かなり小さい値である。さらに、電気的結合のため、 計算困難なパラメータ、すなわち高周波電流分布も考慮に入れなければならず、 少なからず問題である。高周波電流分布は、容易には計算できない、または実験 によりチェックしなければならない値である。それゆえ、このＳＱＵＩＤレイア ウトを最適化するのは困難である。 別の可能性は、ＹＢａＣｕＯ薄層からなる高い周波数、高いＱ値のプレーナ（ 平面）ＬＣ共振回路を構成することにある。このＬＣ共振回路は、フリップチッ プ装置中でウォッシャＳＱＵＩＤ構造のｒｆ−ＳＱＵＩＤにより駆動される。こ のときに生じるＬＣ共振回路とｒｆ−ＳＱＵＩＤとの間の寄生容量が、ＬＣ共振 回路のＱ値を低下させ、組合わせられたＬＣ共振回路／ウオッシャＳＱＵＩＤ構 造における電流分布を複雑なものとする。 それゆえ、本発明の課題は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を超伝導共振回路に結合 するに際して、上述の問題を取り除くことである。 発明の開示 この課題は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計をタンク共振回路中に統合（インテグレ ート）させて構成することにより解決される。 本発明の配置は、冒頭に述べた欠点を示さないところの、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁 力計とタンク共振回路との有利かつ最適の結合の可能性に関するものである。Ｓ ＱＵＩＤ磁力計とタンク共振回路を完全に統合配置することにより、上記の技術 水準のフリップチップ解決策とは対照的に、共振回路のＱ値が２〜３倍も高めら れ、たとえばｆ_o＝５８０ＭＨｚの共振周波数のときＱ＝６０００まで高められ る。その一つの理由は、本発明の配置においては、高周波の放射がＳＱＵＩＤに 起因して減少することである。 さらに、この完全統合配置は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤとタンク共振回路との間の結 合ｋの容易な査定・評価を可能ならしめる。 請求項１に従って、タンク共振回路をスリットをもつループ、たとえばタンク 同調コイルとして構成するのが有利である。これは外側にまたは内側に配置でき るからである。 請求項３に従えば、前記配置のコプレーナ構造からさらなる利点が生じる。 請求項４に従って、基板をスリットをもつ外側ループとして、かつｒｆ−ＳＱ ＵＩＤ磁力計およびタンク共振回路に対してコプレーナに構成するのがとくに有 利である。それにより、基板に基づく雑音を抑制できるからである。 さらに、請求項５に従って、内側および外側のループのスリットの方位が一緒 になって共振周波数を決定するようにすることが有利である。これにより、たと えば医用に用いるためのマルチチャネルＨＴＳＣ−ＳＱＵＩＤ系を低コストで製 出できる。 本発明のその他の利点は、従属請求項６〜１３の特徴によって得られる。 図面の簡単な説明 本発明のいくつかの実施態様を、以下、図面によりさらに詳細に説明する。 図１は、本発明に従った配置のｒｆ−ＳＱＵＩＤおよびタンク共振回路の概念 的平面図を示す； 図２は、技術水準の配置に従ったバルクｒｆ−ＳＱＵＩＤと内部にあるタンク 共振回路の概念的斜視図を示す； 図３は、図２のバルクｒｆ−ＳＱＵＩＤの概念的平面図を示す； 図４は、図１のｒｆ−ＳＱＵＩＤのさらなる実施態様の、さらに寸法表示を添 えた概念的平面図を示す； 図５ａは、マルチループＳＱＵＩＤ構造を有するさらなる実施態様の概念的平 面図を示す； 図５ｂは、電流注入型ＳＱＵＩＤ構造を有するさらなる実施態様の概念的平面 図を示す； 図５ｃは、単層変成器を有するさらなる実施態様の概念的平面図を示す； 図５ｄは、複数の巻線をもつ多層変成器を有するさらなる実施態様の概念的平 面図を示す； 図５ｅは、二コイル勾配計（グラジオメータ）を有するさらなる実施態様の概 念的平面図を示す； 図６は、プレーナタンク共振回路および基板を有する、上述の実施態様に従っ たｒｆ−ＳＱＵＩＤの原理図を示す； 図７ａは、コプレーナループとして構成された基板をもつＳＱＵＩＤ磁力計の 第一のジオメトリーの概念図を示す； 図７ｂは、コプレーナループとして構成された基板をもつＳＱＵＩＤ磁力計の 第二のジオメトリーの概念図を示す； 図７ｃは、コプレーナループとして構成された基板をもつＳＱＵＩＤ磁力計の 第三のジオメトリーの概念図を示す； 図８は、図７ａに従ったジオメトリーによる試験測定の線図を示す。 発明を実施するための最良の形態 図１は、タンク共振回路１とｒｆ−ＳＱＵＩＤ２とを本発明に従って統合配置 するための概念的構想図を示す。表１は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ構造を統合したとき ないしは統合していないときの共振回路パラメータに関する測定結果を示す。測 定は、とくに断らない限り、ａ＝０．２ｍｍ、ｂ＝０．５ｍｍ、Ｄ＝２ ２ｍｍ、Δ＝０．１５ｍｍ，ｓ＝０．１ｍｍに関連してのものである。 表１から、タンク共振回路の特性パラメータが主として外径Ｄによって、また ある程度はコンデンサＣの間隔ｂによって決定されることが認められる。幅Ｌが 減少するとき、インダクタンスが増大する。 表１ １ ２ ３ ４ ５ ６ ｆ_o ／ ４８０ ５１１．２ ５００ ５５０ ５２０ ８００ ＭＨｚ Ｑ_o ２４００ ５９００ ６３００ ５５００ ４０００ ３５００ 測定１〜６について、つぎの条件が適用されている： １）ｆ_o＝４８０，Ｑ_o＝２４００ ２）ＳＱＵＩＤ構造なしの完全回路 ３）ＳＱＵＩＤ構造あり ４）ａ＝０．４ｍｍ ５）ｂ＝０．２ｍｍ ６）Ｄ＝１５mm ｒｆ−ＳＱＵＩＤ２とタンク共振回路１との間の結合の簡単な解析のために、 一つのバルクｒｆ−ＳＱＵＩＤについて動作配置を検討する（図２）。たとえば 超伝導性バルクシリンダの機械的加工によって、弱い点（弱いリンク）を形成す る。それにより、シリンダの残りとともに、ＳＱＵＩＤループ３をもつｒｆ−Ｓ ＱＵＩＤ２が生じ、それは、ＳＱＵＩＤループ３の中に挿入された巻タンク同調 コイル１ａの助けにより励磁される。タンク同調コイル１の材料は、通常、銅か らなる。 この配置により、結合ｋ²を簡単に査定することができる。それはｋ²＝Ｓ_C／ Ｓ_Lによって与えられ、Ｓ_L（＝π・Ｒ₂ ²）はＳＱＵＩＤループ３の面 積を表わず（図３参照）。（しかし、実際上は、タンク同調コイル１は有限の長 さをもち、ＳＱＵＩＤ１のスリット４はゼロとは異なる幅をもつから、ｋ₂＜Ｓ_C ／Ｓ_Lとなる。） 平面図（図３）において、バルクｒｆ−ＳＱＵＩＤ２の配置は、図１の本発明 構想図のそれと同様に見える。図１に基づいた配置は、タンク同調コイル１ａが ｒｆ−ＳＱＵＩＤ２を取り巻いていることにより、図２ないしは図３に基づいた それと区別される（図４も参照）。ジオメトリーを考慮することにより、この結 合について、ＳＱＵＩＤループ３の有効面積Ｓ_eとタンク同調コイル１ａの面積 Ｓ_cとの比から生じるｋ²値が判明する。 ｋ²＝Ｓ_e／Ｓ_c≒α・Ｒ₂・Ｒ₃／（π・Ｒ₁ ²）≒α・Ｒ₃／Ｒ₁ 最後の概算は、Ｒ₁≒Ｒ₂であるゆえに通用する。このとき、αの値は０．５と １との間にある。 本発明に従った統合配置は、多くの異なるＳＱＵＩＤ構造を組み込む可能性を 与える。それらには、すでに記載したウォッシャＳＱＵＩＤ構造およびドルング （Ｄｒｕｎｇ）のマルチループ構造５（図５ａ）が含まれる。さらに、電流注入 ＳＱＵＩＤ構造６を挿入手法で実現できる（図５ｂ）。フリップチップ手法によ れば、ウォッシャ構造の代わりに、複数の巻線をもつ単層（図５ｃ）または多層 変成器７を組み込むことが可能である（図５ｄ）。 さらに一つの可能性は、フリップチップ手法における二コイル勾配計８の使用 によって与えられる。そのとき、ＳＱＵＩＤインダクタンスは係数２だけ（２分 の１に）減少する。このとき、直列接続の二つの逆方向コイル９を用いる（図５ ｅ）。そのときには、二重コイル９と二コイル勾配計との間の結合係数が増大さ せられる。このようにして、高感度の磁力計が生じる。 共振回路１の容量領域はまた、室温にある電子機器への５０オーム導線（図示 されていない）に容量的に結合される。 ６・６ｍｍ²ウォッシャおよび２０μｍ・２０μｍループをもつｒｆ−ＳＱＵ ＩＤ２をフリップチップ手法で単層磁束変成器に用いての最初の試験が実施 されたが、上首尾であった。この場合、結合は、α＝０．５およびＲ₃＝１０μ ｍおよびＲ₁＝１０ｍｍを用い、ｋ²＝１／２０００と概算できる。ｋ²・Ｑの条 件を満たすためには、共振回路のＱ値は２０００より大でなければならない。完 全なＳＱＵＩＤ信号が観測された。このことは、上記の我々のｋ²の算定の正し さを支持するものである。白色磁束ノイズＳφ^1/2は、７７Ｋにお振回路の特性は、表１から読み取ることができる。ｋ²・Ｑ＞１を確認できる。 プレーナ共振回路およびλ／２またはλ共振器をもつｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計 ２には、金属または超伝導材料からなる基板１０が必要である。それは、組み込 まれたＳＱＵＩＤ２をもつタンク共振回路１と基板１０とが一平面に配置されえ ないという結果をもたらす。さらに、基板１０は可能性のあるノイズ源であり、 ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計２の使用を制約する。 本発明においては、つぎの点を実現することによって、この困難が解決される ： １．基板１０を、外部ループ１０ａの形のコプレーナ配置によって置き換える。 それによって、タンク共振回路１、ＳＱＵＩＤ２および基板１０を一平面内に配 置することができる。 ２．コプレーナ共振回路１０ａのジオメトリーの簡単な変更によって、ｒｆ−Ｓ ＱＵＩＤ２のタンク周波数の周波数変化が達成される。これは、とくに、たとえ ば医用用途のためのマルチチャネルＳＱＵＩＤ系の構成を顧慮するとき、従来の 技術水準に比しての重要な利点である。 図６には、プレーナタンク共振回路１および基板１０をもつｒｆ−ＳＱＵＩＤ ２の原理図が示されている。図７ａ、７ｂおよび７ｃには、それぞれ、外側のコ プレーナループ１０ａとともにｒｆ共振回路として配置されているＳＱＵＩＤ磁 力計の異なるジオメトリーが示されている。図６におけるＳＱＵＩＤジオメトリ ーには、さらなる外側の超伝導性ループ１０ａが付加される。このループ１０ａ はスリット１１とともにコプレーナ共振回路をつくる。図２ａにおける面Ａは、 ウオッシャ、マルチループまたは電流注入ＳＱＵＩＤ構造として決定できる。さ らに、この面を、コプレーナ共振回路をフリップチップジオメ トリーでウォッシャＳＱＵＩＤ磁力計と組み合わせるために、磁束集中装置また は磁束変成器として利用できる可能性がある。このレイアウトでの試験測定によ り、タンク共振回路の共振周波数が８５０ＭＨｚのとき、約５０００とい（図８）。 このコプレーナ共振回路１０ａの一つの大きい利点は、共振回路のジオメトリ ーに依存性の共振周波数である。図７ａ〜７ｃには、異なる３つのジオメトリー が示されている。これら３つの図における唯一の相違は、スリット１１の方位で あり、整列しているとき、方位差が零度である。共振周波数はｆ_r＝８５０ＭＨ ｚである。方位を１８０度に変えると、共振周波数がf_r＝５５０ＭＨｚにまで減 少する。９０度のときには、共振周波数はｆ_r＝６５０ＭＨｚになる。このため に、ジオメトリーの簡単な変化によって、３００ＭＨｚの幅の中で離散的な周波 数領域を達成することがきわめて容易に可能となる。これら離散的周波数は、マ ルチチャネルＨＴＳＣ−ＳＱＵＩＤ系を実現するための不可欠な前提条件である 。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者 ザンダー ウイリー ドイツ アルデンホーヘン Ｄ―52457 ゲウセンストラッセ 37 (72)発明者 ソルトナー ヘルム ドイツ インデン Ｄ―52459 ローマス トラッセ 29 (72)発明者 バンゼット マルコ ドイツ ゲイレンカーチェン Ｄ―52511 マーチン―ヘイデンストラッセ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がタンク共振回路（１）中に統合されて構 成されていることを特徴とする、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を基板上の超伝導タン ク共振回路に結合するための配置。 ２． タンク共振回路（１）が、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）を取り巻くタン ク同調コイル（１ａ）を包含することを特徴とする請求項１に従った配置。 ３． タンク共振回路（１）およびｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がプレーナ構 造を形成していることを特徴とする請求項１または２に従った配置。 ４． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がウォッシャＳＱＵＩＤ構造のＳＱＵＩＤ をもつことを特徴とする上記請求項のいずれかに従った配置。 ５． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がマルチループＳＱＵＩＤ構造（５）のＳ ＱＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１−３のいずれかに従った配置。 ６． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が電流注入型ＳＱＵＩＤ構造（６）のＳＱ ＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１−３のいずれかに従った配置。 ７． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が巻線が複数の単層または多層変成器（７ ）を備えたＳＱＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１−３のいずれかに従った 配置。 ８． ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が二コイル勾配計（８）を備えたＳＱＵＩ Ｄをもつことを特徴とする請求項１−３のいずれかに従った配置。 ９． 二コイル勾配計（８）が直列接続の２つの逆方向コイル（９）とともに構 成されていることを特徴とする請求項８に従った配置。 １０．タンク共振回路（１）の最小共振周波数が４００ＭＨｚ、最小Ｑ値が１０ ００であることを特徴とする上記請求項のいずれかに従った配置。 １１．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がタンク共振回路（１）中に統合されて構 成されていることを特徴とする、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計を超伝導タンク共振回 路および基板に結合するための配置。 １２．タンク共振回路（１）が、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）を取り巻くスリ ツト（４）つき内側ループ（１ａ）を包含していることを特徴とする請求項 １１に従った配置。 １３．タンク共振回路（１）およびｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がプレーナ構 造を形成していることを特徴とする請求項１１または１２に従った配置。 １４．基板（１０）が外側ループ（１０ａ）として、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（ ２）およびタンク共振回路（１）に対してコプレーナに構成されており、スリッ ト（１１）をもつことを特徴とする請求項１１−１３のいずれかに従った配置。 １５．内側ループ（１ａ）および外側ループ（１１）のスリット（４；１１）の 方位が一緒になって共振周波数ｆ_rを決定することを特徴とする請求項１４に従 った配置。 １６．スリット（４；１１）の位置調節が共振周波数ｆ_rの≦３００ＭＨｚの変 化を生じさせることを特徴とする請求項１５に従った配置。 １７．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がウォッシャＳＱＵＩＤ構造のＳＱＵＩＤ をもつことを特徴とする請求項１１−１６のいずれかに従った配置。 １８．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）がマルチループＳＱＵＩＤ構造（５）のＳ ＱＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１１−１６のいずれかに従った配置。 １９．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が電流注入型ＳＱＵＩＤ構造（６）のＳＱ ＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１１−１６のいずれかに従った配置。 ２０．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が巻線が複数の単層または多層変成器（７ ）を備えたＳＱＵＩＤをもつことを特徴とする請求項１１−１６のいずれかに従 った配置。 ２１．ｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁力計（２）が二コイル勾配計（８）を備えたＳＱＵＩ Ｄをもつことを特徴とする請求項１１−１６のいずれかに従った配置。 ２２．二コイル勾配計（８）が２つの直列接続の逆方向コイル（９）とともに構 成されていることを特徴とする請求項２１に従った配置。 ２３．タンク共振回路（１）の最小共振周波数が４００ＭＨｚ、最小Ｑ値が１０ ００であることを特徴とする上記請求項のいずれかに従った配置。