JP3144973B2

JP3144973B2 - Digital SQUID and measurement system using the same

Info

Publication number: JP3144973B2
Application number: JP31940393A
Authority: JP
Inventors: 栄里子武田; 壽一西野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH07174834A

Description

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、信号の大きさをデジ
タル出力で得ることのできるデジタルＳＱＵＩＤ（ＳＱ
ＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Devic
e 超電導量子干渉素子）、および、これを用いた計測
システムに関し、特に、低雑音化と測定精度の向上、お
よび、誤動作防止に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a digital SQUID (SQ
UID: Superconducting Quantum Interference Devic
e superconducting quantum interference device) and a measurement system using the same, and more particularly, to reducing noise, improving measurement accuracy, and preventing malfunction.

【０００２】[0002]

【従来の技術】ＳＱＵＩＤは超電導の性質を利用して、
微小な磁場を検出することができる素子である。ＳＱＵ
ＩＤは本来アナログ磁束信号を入力して、アナログ電圧
信号を出力するセンサであるが、これをデジタル信号と
して出力するセンサとして使用し、機能を向上させるこ
とについては公知であり、これらはデジタルＳＱＵＩＤ
と呼ばれている。ＳＱＵＩＤの場合も他の多くのセンサ
技術と同様に、デジタル化することは信号処理やデータ
の伝送を容易にするものである。従って、デジタル化そ
のものはＳＱＵＩＤに特有の技術ではなく、また、具体
的な方法についても、これまでに幾つかの方法が開示さ
れている。2. Description of the Related Art SQUID utilizes the property of superconductivity,
An element that can detect a minute magnetic field. SKU
ID is a sensor that originally inputs an analog magnetic flux signal and outputs an analog voltage signal. However, it is known that the ID is used as a sensor that outputs a digital signal to improve the function, and these are digital SQUIDs.
is called. In the case of SQUID, like many other sensor technologies, digitization facilitates signal processing and data transmission. Therefore, digitization itself is not a technique unique to SQUID, and several specific methods have been disclosed so far.

【０００３】デジタルＳＱＵＩＤを実現する１つの方法
は、特開昭６４−２１３７９号において開示されてい
る。また、そのデジタルＳＱＵＩＤを複数個有する多チ
ャンネルデジタルＳＱＵＩＤ磁束計の駆動方法に関して
は、例えば、特開平３−１９７８８５号に開示されてい
る。[0003] One method of realizing a digital SQUID is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-21379. A method for driving a multi-channel digital SQUID magnetometer having a plurality of digital SQUIDs is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 3-197885.

【０００４】図２０は、従来技術におけるデジタルＳＱ
ＵＩＤを示す回路図である。従来技術におけるデジタル
ＳＱＵＩＤは、センサである超電導量子干渉素子が交流
電流源５９で駆動され、入力された磁束の大きさに依存
して正または負のパルスが出力される。この正または負
のパルスの数をカウントして、その差に比例する電流を
帰還することにより被測定磁束の大きさを求めることが
できる。FIG. 20 shows a conventional digital SQ.
It is a circuit diagram showing a UID. In the digital SQUID according to the related art, a superconducting quantum interference device as a sensor is driven by an AC current source 59, and a positive or negative pulse is output depending on the magnitude of the input magnetic flux. By counting the number of positive or negative pulses and feeding back a current proportional to the difference, the magnitude of the magnetic flux to be measured can be obtained.

【０００５】次に、このデジタルＳＱＵＩＤの動作につ
いて図２０を用いて説明する。ピックアップコイル７０
０で検出した信号磁束はインプットコイル２２０によっ
てＳＱＵＩＤに入力される。ＳＱＵＩＤは交流電流源５
９によりバイアスされ、ジョセフソン接合１１０とイン
ダクタンス２２１から構成される。ＳＱＵＩＤには、イ
ンプットコイル２２０からの磁束信号量と帰還磁束量の
差に相当する入力磁束に応じた正または負の電流パルス
を、やはり交流電流源で駆動される論理積ゲート８０
１、論理和ゲート８００から構成される切り換え回路８
１０を介して帰還回路に出力する。帰還回路は、インダ
クタンス２２３とジョセフソン接合１１１を含む超電導
ループ、および、切り換え回路８１０を介して送られる
パルスを磁束量子に変換する書き込みゲートからなる。
この書き込みゲートはインダクタンス２２３と磁気結合
する他のインダクタンス２２２からなる。書き込みゲー
トを通過したパルスは磁束量子に変換されインダクタン
ス２２４を含んで構成される超電導ループに蓄えられ
る。Next, the operation of the digital SQUID will be described with reference to FIG. Pickup coil 70
The signal magnetic flux detected at 0 is input to the SQUID by the input coil 220. SQUID is AC current source 5
9 and comprises a Josephson junction 110 and an inductance 221. The SQUID receives a positive or negative current pulse corresponding to an input magnetic flux corresponding to a difference between a magnetic flux signal amount from the input coil 220 and a feedback magnetic flux amount, and a logical product gate 80 also driven by an AC current source.
1. Switching circuit 8 composed of OR gate 800
Output to the feedback circuit via 10. The feedback circuit includes a superconducting loop including the inductance 223 and the Josephson junction 111, and a write gate that converts a pulse sent through the switching circuit 810 into a magnetic flux quantum.
This write gate comprises another inductance 222 magnetically coupled to the inductance 223. The pulse passing through the write gate is converted into a magnetic flux quantum and stored in the superconducting loop including the inductance 224.

【０００６】インダクタンス２２４はＳＱＵＩＤのイン
ダクタンス２２１と磁気結合９００を介して結合してお
り、インダクタンス２２４を含む超電導ループに蓄えら
れた磁束量子はＳＱＵＩＤに帰還される。従って、帰還
回路はＳＱＵＩＤから出力されたパルスを計測し、その
結果に応じた磁束量子をＳＱＵＩＤに帰還することがで
きる。[0006] The inductance 224 is coupled to the SQUID inductance 221 via a magnetic coupling 900, and the magnetic flux quantum stored in the superconducting loop including the inductance 224 is fed back to the SQUID. Therefore, the feedback circuit can measure the pulse output from the SQUID and return the magnetic flux quantum corresponding to the result to the SQUID.

【０００７】デジタルＳＱＵＩＤを実現する別の方法に
ついては、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。ドゥラング等は、交流電流源で駆
動されるコンパレータをＳＱＵＩＤに組み合わせて用い
る方法について述べている。しかし、出力されたデジタ
ル信号の処理方法等については何ら言及していない。Another method of implementing a digital SQUID is described in detail by Durang et al. In Cryogenics 1986, Vol. 26, pp. 623-627. Durang et al. Describe a method of using a comparator driven by an alternating current source in combination with a SQUID. However, there is no mention of a method of processing the output digital signal.

【０００８】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ドゥラング等が開示し
たデジタルＳＱＵＩＤにおいては、ＳＱＵＩＤ、およ
び、コンパレータを組み合わせた回路から出力されるデ
ジタル信号を処理する技術について何ら言及されておら
ず、従って、デジタル信号処理と高精度な磁束信号の検
出とを両立させるために必要な技術的視点がもともと存
在していなかった。デジタルＳＱＵＩＤの技術におい
て、上記のデジタル信号処理と磁束信号の検出とを同時
に行うために必要な技術は、前述の特開昭６４−２１３
７９号において開示されている。この従来技術において
は、ＳＱＵＩＤの駆動に交流電流源を用いることによっ
て、ＳＱＵＩＤそのものにコンパレータとしての動作を
実行させ、ＳＱＵＩＤのデジタル化を実現している。従
って、交流電流源を用いることは必須である。さらに、
出力されたデジタル信号の処理、あるいは、帰還による
制御には交流電流源によって駆動されるジョセフソン論
理回路を用いていた。このような交流電流源で駆動する
ＳＱＵＩＤ、あるいは、ジョセフソン論理回路を用いて
デジタルＳＱＵＩＤを構成する場合は、回路に高い周波
数の交流電流を供給しなければならず、以下に述べる主
に３種類の問題が生じた。In the digital SQUID disclosed by Durang et al., There is no mention of a SQUID or a technique for processing a digital signal output from a circuit in which a comparator is combined. The technical point of view necessary for achieving both processing and high-accuracy detection of a magnetic flux signal did not originally exist. In the digital SQUID technology, the technology required to simultaneously perform the above-described digital signal processing and magnetic flux signal detection is disclosed in the aforementioned Japanese Patent Laid-Open No. 64-213.
No. 79. In this conventional technique, by using an AC current source for driving the SQUID, the SQUID itself performs an operation as a comparator, thereby realizing digitization of the SQUID. Therefore, it is essential to use an AC current source. further,
A Josephson logic circuit driven by an AC current source was used for processing the output digital signal or controlling by feedback. When a SQUID driven by such an AC current source or a digital SQUID is constructed using a Josephson logic circuit, a high-frequency AC current must be supplied to the circuit. The problem arose.

【０００９】第１は高周波の反射である。電流源からの
配線のインピーダンスと、ＳＱＵＩＤあるいはジョセフ
ソン論理回路のインピーダンスを完全に一致させること
は非常に困難である。このため、外部から供給した高周
波電流はＳＱＵＩＤやジョセフソン論理回路に入る直前
の配線部分において反射するため入力波形がくずれる。
このためＳＱＵＩＤやデジタル論理回路の誤動作が生じ
る。The first is high-frequency reflection. It is very difficult to completely match the impedance of the wiring from the current source with the impedance of the SQUID or Josephson logic circuit. For this reason, the high-frequency current supplied from the outside is reflected at the wiring portion immediately before entering the SQUID or the Josephson logic circuit, so that the input waveform is distorted.
This causes a malfunction of the SQUID and the digital logic circuit.

【００１０】第２はクロストークである。数十から数百
ｍＡに達する高周波の大電流を配線に流すために、電磁
誘導により周辺の別の配線や、ＳＱＵＩＤそのものへ誘
導電流が発生する。このように配線間に生じたクロスト
ークは雑音を発生する。特にＳＱＵＩＤに生じたクロス
トークによる雑音は、測定精度の劣化を引き起こし、帰
還回路などの測定回路系に伝達された雑音は回路の誤動
作、ひいてはシステムの誤動作を引き起こす。The second is crosstalk. In order to flow a high-frequency large current of several tens to several hundreds of mA through the wiring, an induced current is generated in another wiring nearby or the SQUID itself by electromagnetic induction. The crosstalk generated between the wirings generates noise. In particular, noise due to crosstalk generated in the SQUID causes deterioration in measurement accuracy, and noise transmitted to a measurement circuit system such as a feedback circuit causes a circuit malfunction and, consequently, a system malfunction.

【００１１】第３はグランド電位の変動である。これに
伴って、発生した雑音は同様に測定精度の劣化を引き起
こす。Third is a change in ground potential. Along with this, the generated noise also causes deterioration of the measurement accuracy.

【００１２】ＳＱＵＩＤと同様に、デジタル信号処理の
ためのジョセフソン論理回路も従来技術においては交流
電流源で駆動していたので、上記の問題が生じ測定精度
の劣化、システムの誤動作を引き起こしていた。As in the case of the SQUID, the Josephson logic circuit for digital signal processing is driven by an AC current source in the prior art, so that the above-described problem occurs, causing deterioration in measurement accuracy and malfunction of the system. .

【００１３】このように従来のデジタルＳＱＵＩＤにお
いては、デジタル動作、あるいは、出力信号のデジタル
信号処理を行った場合の、磁束などの微弱な信号の測定
に対する低雑音化、測定精度の向上、および、システム
の誤動作防止に関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。As described above, in the conventional digital SQUID, when digital operation or digital signal processing of an output signal is performed, noise is reduced for measurement of a weak signal such as a magnetic flux, measurement accuracy is improved, and Either there was no perspective on preventing malfunction of the system, or sufficient attention was not paid.

【００１４】本発明の目的は上記従来技術の持つ問題点
を解決し、低雑音、かつ高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、
および、これを用いた計測システムを提供することであ
る。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a low-noise, high-performance digital SQUID,
Another object of the present invention is to provide a measurement system using the same.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的は、２つのジョ
セフソン接合と、前記２つのジョセフソン接合をつない
で配置された超電導リングを含んで構成されたＳＱＵＩ
Ｄと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記ＳＱＵＩ
Ｄの出力電圧もしくは出力電流の大きさを識別するコン
パレータと、ジョセフソン接合を含んで構成され前記コ
ンパレータの出力を読み出すための読み出し回路とを少
なくとも含んで構成するとともに、前記ＳＱＵＩＤ、お
よび、前記読み出し回路は直流電流源で駆動する、こと
によって達成することができる。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a SQUID comprising two Josephson junctions and a superconducting ring arranged to connect the two Josephson junctions.
D and a Josephson junction.
A comparator for identifying the magnitude of the output voltage or output current of D; and a read circuit configured to include a Josephson junction for reading the output of the comparator. The circuit can be achieved by driving with a direct current source.

【００１６】[0016]

【作用】直流電流源でＳＱＵＩＤを駆動する場合は、一
般的には、出力はアナログ電圧になる。この場合、ＳＱ
ＵＩＤを制御するためにはロックインアンプなどの室温
で動作するアナログ回路が必要となり、これらは液体ヘ
リウム温度で動作するＳＱＵＩＤに比べて熱雑音が大き
く、ＳＱＵＩＤの感度低下の原因になる。これに対し
て、ＳＱＵＩＤの出力をデジタル化すれば、付属回路も
ジョセフソン接合を含む超電導回路で作製できるように
なる。従って、同一チップ上で情報処理ができる。また
アナログ方式において信号の帰還に一般的に使用されて
いるＦＬＬ（ＦｌｕｘＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）方式
を使用する必要がなくなる。その結果、ＦＬＬの磁束変
調周波数で制限されていた帯域をより広くすることがで
き、ＳＱＵＩＤを高性能化、かつ、高機能化することが
できる。これらの事情はＳＱＵＩＤをデジタル化するた
めに交流電流源を用いてＳＱＵＩＤを駆動する、あるい
はジョセフソン接合を用いて信号処理回路を駆動した場
合と全く同じである。When the SQUID is driven by a DC current source, the output is generally an analog voltage. In this case, SQ
In order to control the UID, an analog circuit that operates at room temperature, such as a lock-in amplifier, is required. These analog circuits have higher thermal noise than the SQUID that operates at the liquid helium temperature, and cause a decrease in the sensitivity of the SQUID. On the other hand, if the output of the SQUID is digitized, the accessory circuit can be made of a superconducting circuit including a Josephson junction. Therefore, information processing can be performed on the same chip. In addition, it is not necessary to use an FLL (Flux Locked Loop) system generally used for signal feedback in the analog system. As a result, the band limited by the FLL magnetic flux modulation frequency can be broadened, and the SQUID can be improved in performance and function. These circumstances are exactly the same as when the SQUID is driven using an AC current source to digitize the SQUID, or when the signal processing circuit is driven using a Josephson junction.

【００１７】しかしながら、ＳＱＵＩＤによる磁束等の
信号の計測とデジタル信号処理とを組み合わせた時に始
めて生じる問題である前記の高周波の反射、クロストー
ク、および、グランド電位変動の問題は、直流電流源で
ＳＱＵＩＤ、および、信号の読み出し回路を駆動するこ
とによって、全くなくすことができるか、あるいは、後
で詳細に説明するごとく、発生したとしても従来技術に
比べてその影響を１００分の１以下に小さくすることが
できる。However, the problems of high-frequency reflection, crosstalk, and ground potential fluctuation, which are problems that occur only when the measurement of a signal such as a magnetic flux using a SQUID and digital signal processing are combined, are described below. And by driving the signal readout circuit, it can be eliminated altogether, or, as will be described in detail later, if it occurs, its effect is reduced to 1/100 or less compared to the prior art. be able to.

【００１８】図１（ａ）は本発明のデジタルＳＱＵＩＤ
の代表的な実施形態にもとづき、その概念を示したブロ
ック図である。磁束そのもの、あるいは、電流信号によ
って発生した磁束が入力されることによってＳＱＵＩＤ
１に生じたアナログ信号１０００はコンパレータ２に入
力されてデジタル信号１１００に変換される。このデジ
タル信号１１００は直流電流源５で駆動された読み出し
回路３を経て帰還手段４および出力処理回路、表示回路
へ伝達される。帰還手段４および出力処理回路、表示回
路は、それらを併用することによって本発明の効果を大
きくすることができる。FIG. 1A shows a digital SQUID of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing the concept based on a typical embodiment of FIG. SQUID by inputting magnetic flux itself or magnetic flux generated by current signal
The analog signal 1000 generated at 1 is input to the comparator 2 and converted into a digital signal 1100. The digital signal 1100 is transmitted to the feedback means 4, the output processing circuit, and the display circuit via the readout circuit 3 driven by the DC current source 5. The effect of the present invention can be enhanced by using the feedback means 4, the output processing circuit, and the display circuit together.

【００１９】読み出し回路３はコンパレータ２からのデ
ジタル信号を一定のタイミングでラッチする機能のほ
か、その値を外部回路、あるいは出力処理回路、表示回
路などへ出力する機能、さらにはＳＱＵＩＤ１への帰還
による制御を行うための帰還手段４への帰還量に相当す
る信号を出力する機能を有する。また、必要に応じて積
算や平均化、デジタルフィルタなどのデジタル信号処理
の機能を持たせることができる。この構成によれば、ア
ナログ方式ではできなかったデジタル信号処理技術を活
用したＳＱＵＩＤの高性能化と高機能化を可能にすると
ともに、交流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤでは問題
となっていた、雑音の増加や、測定精度の劣化、システ
ムの誤動作などを回避することができる。The readout circuit 3 has a function of latching the digital signal from the comparator 2 at a fixed timing, a function of outputting the value to an external circuit, an output processing circuit, a display circuit, and the like, and a function of returning to the SQUID1. It has a function of outputting a signal corresponding to the amount of feedback to the feedback means 4 for performing control. In addition, digital signal processing functions such as integration, averaging, and digital filters can be provided as necessary. According to this configuration, it is possible to improve the performance and function of the SQUID utilizing the digital signal processing technology that cannot be performed by the analog method, and to reduce the noise, which has been a problem in the digital SQUID driven by the AC current source. It is possible to avoid an increase, deterioration in measurement accuracy, malfunction of the system, and the like.

【００２０】以下本発明の構成が従来技術の問題点の解
決にどのように働くかを詳細に述べる。Hereinafter, how the configuration of the present invention works to solve the problems of the prior art will be described in detail.

【００２１】構成要素の一つであるコンパレータ２の駆
動は交流電流源でも直流電流源でもどちらでも良い。な
ぜなら、コンパレータ２はＳＱＵＩＤ１に対して１対１
に対応させて設けてあり、デジタルＳＱＵＩＤを複数有
する場合であっても各々のＳＱＵＩＤの測定が終了した
後に、電源電流を変化させてコンパレータをリセットす
ることができる。従って、仮に交流の電流源を用いても
測定の速度を犠牲にすればコンパレータ２のリセットに
よって発生する雑音がＳＱＵＩＤ１による磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定結
果に影響しないようにすることができる。従って、コン
パレータ２のみを交流電流源で駆動してもデジタルＳＱ
ＵＩＤの雑音にはならないため、測定精度に影響を及ぼ
さない。このようにコンパレータ２について、動作方法
の工夫により交流電流源の駆動が可能になるのは、コン
パレータ２がラッチとして働き、情報の記憶を行い、測
定のタイミングとリセットのタイミングを完全に分割で
きるからである。もちろん、コンパレータ２も直流電流
源駆動にすれば測定の速度、すなわち帯域を犠牲にする
必要もなくなり、システムとしても動作のタイミングを
容易にすることができるという特別の利点もある。従っ
て、この場合にも本発明の目的を達成できることは明ら
かである。The driving of the comparator 2, which is one of the components, may be performed by either an AC current source or a DC current source. Because, the comparator 2 has a one-to-one correspondence with the SQUID1.
Even if a plurality of digital SQUIDs are provided, the comparator can be reset by changing the power supply current after the measurement of each SQUID is completed. Therefore, even if an AC current source is used, if the speed of the measurement is sacrificed, the noise generated by resetting the comparator 2 does not affect the magnetic flux itself generated by the SQUID 1 or the measurement result of the magnetic flux generated by the current signal. be able to. Therefore, even if only the comparator 2 is driven by the AC current source, the digital SQ
Since it does not become UID noise, it does not affect the measurement accuracy. The reason why the comparator 2 can drive the AC current source by devising the operation method is that the comparator 2 functions as a latch, stores information, and can completely separate the measurement timing and the reset timing. It is. Of course, if the comparator 2 is also driven by a DC current source, there is no need to sacrifice the measurement speed, that is, the band, and there is a special advantage that the operation timing can be easily made as a system. Therefore, it is clear that the object of the present invention can be achieved also in this case.

【００２２】本発明のデジタルＳＱＵＩＤにおいては、
図１（ａ）に示したコンパレータ２以外の構成要素であ
る、ＳＱＵＩＤ１、読み出し回路３は、いずれも磁束そ
のもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測
定のタイミングと分離して動作させることができない。
これは以下の理由による。第一にコンパレータ２の場合
は単にリセットを行うだけでよいので、複数個ある場合
でも全てのコンパレータを一度にリセットすれば良く、
その制御も容易に実現できる。これに対して、読み出し
回路３はジョセフソン論理回路による信号処理回路であ
り、測定結果のデジタル信号処理、および、帰還信号の
制御等の機能を有するが、その動作はコンパレータに比
べてはるかに複雑である。このため、交流電流源で駆動
する読み出し回路３を用いた場合には、１回の磁束その
もの、あるいは、電流信号によって発生した磁束の測定
中に何回か電源のオンとオフを繰り返す必要が生じ、こ
れによる雑音の発生が避けられない。従って、読み出し
回路３の動作を測定のタイミングと分離しようとする
と、このタイミングの制御のために大規模な論理回路が
別に必要になりシステムが大型化してしまうことに加え
て、スピードの低下のために回路の信号処理能力が大幅
に低下する。In the digital SQUID of the present invention,
The SQUID 1 and the readout circuit 3, which are components other than the comparator 2 shown in FIG. 1A, cannot be operated separately from the magnetic flux itself or the timing of measuring the magnetic flux generated by the current signal. .
This is for the following reason. First, in the case of the comparator 2, it is only necessary to reset it. Therefore, even if there are a plurality of comparators, all the comparators may be reset at once.
The control can be easily realized. On the other hand, the readout circuit 3 is a signal processing circuit based on the Josephson logic circuit, and has functions such as digital signal processing of a measurement result and control of a feedback signal, but the operation is much more complicated than that of the comparator. It is. For this reason, when the readout circuit 3 driven by the AC current source is used, it is necessary to repeatedly turn the power on and off several times during the measurement of the magnetic flux itself or the magnetic flux generated by the current signal. , The generation of noise due to this is inevitable. Therefore, if an attempt is made to separate the operation of the readout circuit 3 from the timing of measurement, a large-scale logic circuit is separately required for controlling this timing, and in addition to the increase in the size of the system, the speed is reduced. In addition, the signal processing capability of the circuit is greatly reduced.

【００２３】第二にデジタルＳＱＵＩＤにおいて従来の
ＦＬＬと同様の機能を実現するためには、磁束そのも
の、あるいは、電流信号によって発生した磁束の入力信
号に対して帰還による制御を行いつつ、ＳＱＵＩＤによ
る磁束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した
磁束の測定を繰り返して行う必要がある。このため帰還
手段４へ所定の帰還量に相当する信号を出力する読み出
し回路３はＳＱＵＩＤ１と同じタイミングで動作してい
る必要がある。このためＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３
は全て同じタイミングで動作させて、なおかつ、信号の
反射やクロストーク、さらには、グランド電位の変動に
よる雑音の発生が生じないように回路を構成する必要が
ある。Second, in order to realize the same function as the conventional FLL in the digital SQUID, it is necessary to perform feedback control on the magnetic flux itself or the input signal of the magnetic flux generated by the current signal, and to control the magnetic flux by the SQUID. It is necessary to repeat the measurement of the magnetic flux generated by itself or the current signal. Therefore, the readout circuit 3 that outputs a signal corresponding to a predetermined feedback amount to the feedback means 4 needs to operate at the same timing as SQUID1. Therefore, the SQUID 1 and the read circuit 3
Must be operated at the same timing, and a circuit must be configured so as not to generate noise due to signal reflection, crosstalk, and fluctuation in ground potential.

【００２４】本発明によれば、これら２つの構成要素、
すなわち、ＳＱＵＩＤ１と読み出し回路３は直流電流源
で駆動されるジョセフソン論理回路によって構成されて
いるため上記の問題による雑音が発生しない。これは以
下の理由による。According to the present invention, these two components,
That is, since the SQUID 1 and the readout circuit 3 are constituted by a Josephson logic circuit driven by a DC current source, noise due to the above problem does not occur. This is for the following reason.

【００２５】直流電流源を用いれば電磁誘導によるクロ
ストークは発生しない。さらに直流電流源であるから、
インピーダンスの不整合部分における反射が生じること
もない。さらに直流電流源で駆動されるジョセフソン論
理回路は、一般に２つ以上の電流の経路のうちのどちら
か１つに電流を切り換えることによって動作する。従っ
て、電源からグランドへ流れ込む電流値は上記論理回路
のスイッチング、すなわち、一方の経路から他方へ電流
を切り換えても変化せず一定であり、従ってグランド電
位の変動も無視できるほど小さい。If a DC current source is used, no crosstalk due to electromagnetic induction occurs. In addition, because it is a DC current source,
There is no reflection at the impedance mismatch. Further, Josephson logic circuits driven by a DC current source generally operate by switching the current to one of two or more current paths. Therefore, the value of the current flowing from the power supply to the ground is constant without changing even when the logic circuit is switched, that is, when the current is switched from one path to the other.

【００２６】これに対して、交流電流源で駆動されるジ
ョセフソン論理回路においては、ジョセフソン接合のイ
ンピーダンスがスイッチングの前後で大きく変化するた
め、スイッチングにともなってグランドに流れる電流の
値が変化しこれが雑音の原因となる。また、そもそも電
源電流が交流であるためグランドに流れる電流値は大き
く変動することになる。従って、配線、あるいは、グラ
ンドプレーンに存在するインダクタンスの値に依存して
グランド電位が発生する。このため、測定の制度を向上
させるには交流電流源の周波数を下げて電磁誘導による
雑音の発生を抑える必要があり、その結果、測定の帯域
が制限されていたわけである。これらの交流電流源駆動
のジョセフソン論理回路を使用したことによる問題点は
本発明によって容易に解決できる。特に、測定の帯域に
ついてはグランド電位の変動を考慮しなくても良いた
め、数ＧＨｚ程度まで引き上げることが可能となり、こ
れは従来技術においては実現不可能である。On the other hand, in a Josephson logic circuit driven by an AC current source, the value of the current flowing to the ground changes with the switching because the impedance of the Josephson junction greatly changes before and after switching. This causes noise. Further, since the power supply current is an alternating current in the first place, the value of the current flowing to the ground varies greatly. Therefore, a ground potential is generated depending on the value of the inductance existing in the wiring or the ground plane. For this reason, in order to improve the measurement accuracy, it is necessary to reduce the frequency of the AC current source to suppress the generation of noise due to electromagnetic induction, and as a result, the measurement band is limited. The problems caused by using the Josephson logic circuit driven by the AC current source can be easily solved by the present invention. In particular, since it is not necessary to consider the fluctuation of the ground potential in the measurement band, it is possible to increase the measurement band to about several GHz, which cannot be realized by the conventional technology.

【００２７】また、デジタルＳＱＵＩＤを複数個有する
場合は、読み出し回路の一部分としてマルチプレクサを
用いることができ、複数のデジタルＳＱＵＩＤに対して
１個ないし複数個の処理回路を共通に用いることによっ
てシステムを構成することができるため、複数ヶ所の磁
束そのもの、あるいは、電流信号によって発生した磁束
を同時に測定でき、かつ、この共通化により回路規模を
小さくして、システムを小型化することが可能になる。When a plurality of digital SQUIDs are provided, a multiplexer can be used as a part of the read circuit, and a system is constructed by using one or more processing circuits in common for a plurality of digital SQUIDs. Therefore, the magnetic flux itself at a plurality of locations or the magnetic flux generated by the current signal can be measured at the same time, and the circuit size can be reduced by this common use, and the system can be downsized.

【００２８】本発明の思想を活かすためには、ＳＱＵＩ
Ｄ、コンパレータ、および読み出し回路を同一チップ上
にモノリシックに集積化し、これら全てを極低温環境に
置くことが最も望ましい。これによって、室温に置いた
回路からの雑音等の外来の雑音を小さくできるととも
に、これら構成要素の間の配線を短くできるので、駆動
周波数を上げて、測定の高速化が可能になる。In order to utilize the idea of the present invention, the SQUI
It is most desirable to integrate the D, comparator, and readout circuitry monolithically on the same chip, and to place them all in a cryogenic environment. As a result, external noise such as noise from a circuit placed at room temperature can be reduced, and the wiring between these components can be shortened. Therefore, the drive frequency can be increased and the measurement can be speeded up.

【００２９】本発明の思想を活かすためには、さらにコ
ンパレータもしくは読み出し回路の少なくとも一方に、
ＳＱＵＩＤの出力信号に従ってスイッチした読み出し回
路をスイッチ前の状態に戻すためのリセット手段を設け
ることが望ましい。通常ＳＱＵＩＤの出力信号は非常に
微弱であってこの値の変化をコンパレータによって検出
する。このリセット手段を用いずに、直流電源で駆動す
る読み出し回路を動作させる場合には、ＳＱＵＩＤの出
力信号によって読み出し回路のスイッチとリセットの両
方の動作を行う必要がある。スイッチ動作は、一定のバ
イアス電流をＳＱＵＩＤの信号と重ねあわせることで実
現できるが、ＳＱＵＩＤの出力信号が微弱であるためリ
セットまで確実に行なうことは難しい。このためリセッ
ト手段を併用することが本発明の思想を活かすために極
めて望ましい。このように従来のＳＱＵＩＤとジョセフ
ソン論理回路を組み合わせだけでは、デジタルＳＱＵＩ
Ｄは完全には動作しない。このように、本発明によって
実現されるデジタルＳＱＵＩＤは、従来のＳＱＵＩＤと
ジョセフソン論理回路を組み合わせただけでは得ること
のできない効果を提供することができる。この事実をよ
り明確にするために、本発明のデジタルＳＱＵＩＤがい
かに低雑音で、その結果高感度な計測を可能にしたのか
を数値で示す。In order to make use of the idea of the present invention, at least one of the comparator and the readout circuit may further include:
It is desirable to provide reset means for returning the read circuit switched according to the output signal of the SQUID to the state before the switch. Normally, the output signal of the SQUID is very weak, and a change in this value is detected by a comparator. When operating a readout circuit driven by a DC power supply without using the reset means, it is necessary to perform both a switch operation and a reset operation of the readout circuit by an SQUID output signal. The switching operation can be realized by superimposing a constant bias current on the signal of the SQUID, but it is difficult to reliably perform the reset operation because the output signal of the SQUID is weak. For this reason, it is extremely desirable to use the resetting means together in order to utilize the idea of the present invention. Thus, the digital SQUID can be obtained only by combining the conventional SQUID and the Josephson logic circuit.
D does not work perfectly. As described above, the digital SQUID realized by the present invention can provide effects that cannot be obtained only by combining the conventional SQUID and the Josephson logic circuit. To clarify this fact, numerical values are given to show how low noise the digital SQUID of the present invention has made possible highly sensitive measurements.

【００３０】本発明によるデジタルＳＱＵＩＤの感度特
性を図１（ｂ）に示す。この図は、ＳＱＵＩＤ単独、Ｓ
ＱＵＩＤとコンパレータの組み合わせ、ＳＱＵＩＤ、コ
ンパレータおよび読み出し回路の組み合わせ、における
雑音の大きさを従来技術と比較して示した。本発明によ
れば感度を従来技術に比べて２０倍以上高くして、１／
１０⁶（Φ₀／√Ｈｚ）以下にすることができるので、従
来技術では測定できなかった脳が発生する磁界の検出が
可能となるなど、極めて高感度の計測が実現できる。FIG. 1B shows the sensitivity characteristics of the digital SQUID according to the present invention. This figure shows SQUID alone, SQUID
The magnitude of noise in the combination of the QUID and the comparator, and the combination of the SQUID, the comparator and the readout circuit are shown in comparison with the prior art. According to the present invention, the sensitivity is increased by 20 times or more compared with the prior art, and 1 /
Since it can be set to 10 ⁶ (Φ ₀ / √Hz) or less, extremely high-sensitivity measurement can be realized, for example, a magnetic field generated by the brain, which cannot be measured by the conventional technology, can be detected.

【００３１】以上述べたように、本発明の構成によれ
ば、低雑音、かつ、高性能のデジタルＳＱＵＩＤ、およ
び、これを用いた計測システムを実現することができ
る。As described above, according to the configuration of the present invention, a low-noise, high-performance digital SQUID and a measurement system using the same can be realized.

【００３２】[0032]

【Example】

（実施例１）本発明による実施例を以下に述べる。図２
から図７は、本発明の原理構成図を示す図１の点線枠内
の、すなわち、ＳＱＵＩＤ１とコンパレータ２の回路図
を示したものである。本実施例においては、図１に示し
た構成図において、ＳＱＵＩＤ１に加えてコンパレータ
２、読み出し回路３は直流電流源で駆動するジョセフソ
ン接合素子を含んだ回路によって構成されている。コン
パレータ２はＳＱＵＩＤ１からの出力信号をデジタル化
する１ビットのアナログデジタルコンバータとして動作
する。読み出し回路３はコンパレータ２からのデジタル
出力に従った帰還信号を生成して帰還手段４へ送る。帰
還量の増減は読み出し回路３によって判定する。また、
信号の積算やデジタルフィルタ処理などのデジタル信号
処理も読み出し回路３で行うことができる。磁束測定の
タイミングをクロックなどによって設定したい場合には
読み出し回路３にクロックに同期したラッチの機能を含
ませることによって、これを実現できる。これらについ
ては、以下に述べる他の実施例についても同様である。(Embodiment 1) An embodiment according to the present invention will be described below. FIG.
FIG. 7 to FIG. 7 show a circuit diagram of the SQUID 1 and the comparator 2 within the dotted frame of FIG. 1 showing the principle configuration diagram of the present invention. In the present embodiment, in the configuration diagram shown in FIG. 1, the comparator 2 and the readout circuit 3 in addition to the SQUID 1 are constituted by a circuit including a Josephson junction element driven by a DC current source. The comparator 2 operates as a 1-bit analog-to-digital converter that digitizes the output signal from SQUID1. The read circuit 3 generates a feedback signal according to the digital output from the comparator 2 and sends it to the feedback means 4. The readout circuit 3 determines whether the amount of feedback is increased or decreased. Also,
Digital signal processing such as signal integration and digital filter processing can also be performed by the readout circuit 3. If it is desired to set the timing of the magnetic flux measurement by a clock or the like, this can be realized by making the readout circuit 3 include a latch function synchronized with the clock. The same applies to the other embodiments described below.

【００３３】図２から図７は、直流電流源で駆動するコ
ンパレータを用いてＳＱＵＩＤの出力をデジタル化する
場合の回路構成図を示す。このコンパレータはジョセフ
ソン量子干渉計を使用し、直流電流源で駆動されるフリ
ップ・フロップ型のジョセフソン回路により構成されて
いる。図２は、このコンパレータの構成要素であるジョ
セフソン量子干渉計を表わす回路図であり、以下本発明
の実施例を示す回路図においては、このジョセフソン量
子干渉計を図３のごとく表わすものとする。FIGS. 2 to 7 are circuit diagrams showing the case where the output of the SQUID is digitized using a comparator driven by a DC current source. This comparator uses a Josephson quantum interferometer and is constituted by a flip-flop type Josephson circuit driven by a direct current source. FIG. 2 is a circuit diagram showing a Josephson quantum interferometer which is a component of the comparator. Hereinafter, in a circuit diagram showing an embodiment of the present invention, the Josephson quantum interferometer is represented as shown in FIG. I do.

【００３４】図４において、コンパレータ２０００は、
直流電流源５によって駆動され、少なくとも２つのジョ
セフソン量子干渉計１５０の直列接続体と、２つの負荷
抵抗４０１および４０２の直列接続体とを、並列に接続
し、前記の２つの直列接続体の中間接点をインダクタン
ス２０４によって接続した回路を含んで構成され、２つ
のジョセフソン量子干渉計１５０への信号入力により、
どちらか一方のジョセフソン量子干渉計を電圧状態に、
他方を超電導状態にすることによって動作するフリップ
・フロップである。直流電流源５２は、コンパレータ２
０００の動作点を設定するために設けてある。また直流
電流源５１はリセット手段として用いており、この電源
から電流信号を流すことによってコンパレータの出力を
逆符号の電流に反転させ、これによって読みだし回路を
リセットしている。本実施例ではコンパレータにリセッ
ト手段を設けたが、読みだし回路に設けてもよい。In FIG. 4, a comparator 2000 comprises:
Driven by the DC current source 5, a series connection of at least two Josephson quantum interferometers 150 and a series connection of two load resistors 401 and 402 are connected in parallel, and the two series connection A signal is input to two Josephson quantum interferometers 150 including a circuit in which an intermediate contact is connected by an inductance 204, and
Put one of the Josephson quantum interferometers in a voltage state,
A flip-flop that operates by bringing the other into a superconducting state. The DC current source 52 is connected to the comparator 2
000 operating points. The DC current source 51 is used as a reset unit, and a current signal is supplied from the power source to invert the output of the comparator to a current having the opposite sign, thereby resetting the reading circuit. Although the reset means is provided in the comparator in this embodiment, it may be provided in the reading circuit.

【００３５】ＳＱＵＩＤは、直流電流源５によって駆動
され、少なくとも、ジョセフソン接合１０１とインダク
タンス２０３および抵抗４００とから構成される。本実
施例のＳＱＵＩＤでは、ＬＣ共振による電圧ステップの
ダンピング抵抗による除去が的確に行えるようにインダ
クタンス２０３、および、ジョセフソン接合１０１の容
量などは左右対称になるように設計した。図には示され
ていないが、磁束の入力手段からＳＱＵＩＤに入力され
た磁束信号が変化することによって生じたＳＱＵＩＤの
出力電圧の変化は抵抗４００を経て電流の変化となり、
信号入力用の端子３０７から信号入力用の端子３０８へ
流れる電流が変化する。その電流の変化がインダクタン
スを介してコンパレータの構成要素であるジョセフソン
量子干渉計１５０と磁気結合することによって、コンパ
レータに信号が入力され、その結果、磁束信号の変化が
デジタル信号に変換され、信号出力用の端子３１０に出
力される。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。同様に、図１に示した
構成要素の中で、ＳＱＵＩＤ１、コンパレータ２、およ
び、読み出し回路３を同一チップ上に作製しても良く、
さらに、帰還手段４、および、図には示されていないが
磁束の入力手段も同一チップ上に作製しても良い。The SQUID is driven by the DC current source 5 and comprises at least a Josephson junction 101, an inductance 203 and a resistor 400. In the SQUID of this embodiment, the inductance 203 and the capacitance of the Josephson junction 101 are designed to be symmetrical so that the voltage step due to LC resonance can be accurately removed by the damping resistance. Although not shown in the drawing, a change in the output voltage of the SQUID caused by a change in the magnetic flux signal input to the SQUID from the magnetic flux input means results in a change in current through the resistor 400,
The current flowing from the signal input terminal 307 to the signal input terminal 308 changes. The change in the current is magnetically coupled via an inductance to the Josephson quantum interferometer 150, which is a component of the comparator, so that a signal is input to the comparator. As a result, the change in the magnetic flux signal is converted into a digital signal, The signal is output to the output terminal 310. Since both the SQUID and the comparator are composed of a superconductor, they can be manufactured on the same chip by a normal integrated circuit process technology using Nb for the superconductor. Similarly, among the constituent elements shown in FIG. 1, the SQUID 1, the comparator 2, and the read circuit 3 may be manufactured on the same chip.
Further, the feedback means 4 and the magnetic flux input means (not shown) may be formed on the same chip.

【００３６】このようにＳＱＵＩＤ、コンパレータ、お
よび、読み出し回路を直流電流源駆動とすることで、交
流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤに比較して、クロス
トークを減少させることにより誤動作をなくすことがで
きる。同様の機能を交流電流源で駆動するデジタルＳＱ
ＵＩＤによって実現した場合、コンパレータ、および、
信号読み出し回路のゲート数を４０ゲートと仮定すると
電源の交流電流は２０ｍＡ程度に達する。これに対し
て、本発明では交流の電流としては測定のタイミングを
外部から指定する場合に必要になるクロック信号のみで
あり、その値は０．１ｍＡ程度と小さい。このため本実
施例では、グランド端子３０９を介してのグランドへの
配線のインダクタンスによって生じるグランド電位の変
動を、約１００分の１以下に抑えることができ、低雑音
化することができた。As described above, since the SQUID, the comparator, and the readout circuit are driven by a DC current source, a malfunction can be eliminated by reducing crosstalk as compared with a digital SQUID driven by an AC current source. Digital SQ driving similar function with AC current source
When implemented by UID, a comparator, and
Assuming that the number of gates of the signal readout circuit is 40, the AC current of the power supply reaches about 20 mA. On the other hand, in the present invention, the AC current is only the clock signal required when the measurement timing is designated from the outside, and its value is as small as about 0.1 mA. Therefore, in the present embodiment, the fluctuation of the ground potential caused by the inductance of the wiring to the ground via the ground terminal 309 can be suppressed to about 1/100 or less, and the noise can be reduced.

【００３７】また、ジョセフソン量子干渉計を用いて構
成した直流電流源駆動のコンパレータには図４の破線内
に回路図を示した構成によるものの他に、図５、図６に
回路図を示した構成によるものを用いることも可能であ
る。図５は、ジョセフソン量子干渉計１５１とインダク
タンス２０５との直列接続体を、２つ並列に接続するこ
とにより２つの電流経路を設けた回路を含んで構成さ
れ、信号入力用の端子３０７、あるいは、３０８から
の、ジョセフソン量子干渉計への信号入力により、電流
を上記２つの電流経路のどちらか一方に切り換えること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。図６は、２つのジョセフソン量子
干渉計１５１を直列に接続し、この直列接続体を定電流
源５とジョセフソン接合１０２によって構成される定電
圧源に接続した回路を含んでおり、信号入力用の端子３
０７、あるいは３０８からのジョセフソン量子干渉計１
５１への信号入力により、どちらか一方のジョセフソン
量子干渉計を電圧状態に、他方を超電導状態にすること
によって動作するフリップ・フロップを用いて構成した
コンパレータである。これらのどの種類をコンパレータ
として用いても同様の効果が得られることは明白であ
る。Further, in addition to the configuration shown in the circuit diagram within the broken line in FIG. 4, the circuit diagram of the comparator driven by the direct current source formed by using the Josephson quantum interferometer is shown in FIGS. 5 and 6. It is also possible to use one having a different configuration. FIG. 5 includes a circuit provided with two current paths by connecting two series-connected bodies of the Josephson quantum interferometer 151 and the inductance 205 in parallel, and includes a signal input terminal 307 or , 308 from a flip-flop that operates by switching the current to one of the two current paths in response to a signal input to the Josephson quantum interferometer. FIG. 6 includes a circuit in which two Josephson quantum interferometers 151 are connected in series, and the serially connected body is connected to a constant voltage source constituted by a constant current source 5 and a Josephson junction 102. Terminal 3 for
Josephson quantum interferometer 1 from 07 or 308
The comparator is configured using a flip-flop that operates by setting one of the Josephson quantum interferometers to a voltage state and the other to a superconducting state in response to a signal input to 51. It is clear that a similar effect can be obtained by using any of these types as a comparator.

【００３８】コンパレータが入力電流を弁別するしきい
電流の値は、直流電流源５１と５２から供給される直流
電流の値によって決まる。このため、この直流電流の値
を一定にしておけばコンパレータは上述のごとく１ビッ
トのアナログデジタルコンバータとして動作する。これ
に対して上記の直流電流を階段的に変化させた場合、コ
ンパレータは２つ以上のしきい電流に対して入力電流を
弁別することになり、実質的に２ビットのアナログデジ
タルコンバータとして使用することができる。このよう
にコンパレータそのものは直流電流源で駆動されている
ので雑音を小さく保ったままバイアスに相当する直流電
流源を変化させてしきい電流を変え、１つのコンパレー
タを多ビットのアナログデジタルコンバータとして使用
することができる。これは本実施例に限らず実現できる
利点である。The value of the threshold current at which the comparator discriminates the input current is determined by the value of the DC current supplied from the DC current sources 51 and 52. Therefore, if the value of the direct current is kept constant, the comparator operates as a 1-bit analog-to-digital converter as described above. On the other hand, when the DC current is changed stepwise, the comparator discriminates the input current from two or more threshold currents, and is used substantially as a 2-bit analog-to-digital converter. be able to. In this way, the comparator itself is driven by the DC current source, so the threshold current is changed by changing the DC current source corresponding to the bias while keeping the noise low, and one comparator is used as a multi-bit analog-to-digital converter. can do. This is an advantage that can be realized not only in this embodiment.

【００３９】また、図１において読み出し回路３はデー
タのラッチ機能に加えて積算による高精度化を行うため
の回路を含んで構成している。図７はラッチ機能を有す
るジョセフソン量子干渉計で構成したレジスタ回路の一
例であり直流電流源で動作する。In FIG. 1, the readout circuit 3 includes a circuit for improving the accuracy by integration in addition to the data latch function. FIG. 7 shows an example of a register circuit constituted by a Josephson quantum interferometer having a latch function, which is operated by a DC current source.

【００４０】また、図８に回路図を示した磁束計におい
ては、図２から図７と同様に直流電流源駆動のコンパレ
ータへ磁気結合によりＳＱＵＩＤからの出力を入力して
いるが、容量５００と抵抗４００から構成されたローパ
スフィルターを挿入している。このような回路構成とす
ることにより、ＳＱＵＩＤのジョセフソン接合１０１か
ら交流ジョセフソン効果によって発生するジョセフソン
雑音を、このローパスフィルターによりカットし、より
低雑音化するとともに測定精度を向上させることができ
る。In the magnetometer shown in the circuit diagram of FIG. 8, the output from the SQUID is input to the comparator driven by the DC current source by magnetic coupling as in FIGS. A low-pass filter composed of a resistor 400 is inserted. With such a circuit configuration, the Josephson noise generated from the Josephson junction 101 of the SQUID due to the AC Josephson effect can be cut by the low-pass filter, so that the noise can be further reduced and the measurement accuracy can be improved. .

【００４１】（実施例２）本発明による他の実施例を次
に述べる。図９は、交流電流源のコンパレータを用いた
場合の回路図である。実際には、実施例１と同様に図１
に示した構成を有する。ＳＱＵＩＤの出力電圧は抵抗４
００によって電流成分となり、ジョセフソン接合１０
３、および、インダクタンス２０７によって構成される
コンパレータへ、信号電流として注入される。ＳＱＵＩ
Ｄからの信号電流と交流電流源５９からの交流バイアス
によって注入される電流の合計の値が、４つのジョセフ
ソン接合１０３の臨界電流値に依存して決まるコンパレ
ータの最大超電導電流よりも大きい場合はコンパレータ
は電圧状態にスイッチし、小さい場合は超電導状態を保
つことでアナログ電圧をデジタル信号に変換する。本実
施例では、コンパレータの駆動に交流電流源を用いてい
るが、測定終了後にコンパレータをリセットすれば、リ
セットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすことはな
い。従って、本発明におけるデジタルＳＱＵＩＤにおい
ても、ＳＱＵＩＤ、および、読み出し回路の駆動を直流
電流源で行うことにより、磁束計を低雑音化することが
できた。(Embodiment 2) Another embodiment of the present invention will be described below. FIG. 9 is a circuit diagram when a comparator of an AC current source is used. Actually, as shown in FIG.
Has the configuration shown in FIG. The output voltage of SQUID is resistor 4
00 makes the current component, and the Josephson junction 10
3, and a signal current is injected into a comparator constituted by the inductance 207. SQUI
If the sum of the signal current from D and the current injected by the AC bias from the AC current source 59 is greater than the maximum superconducting current of the comparator determined depending on the critical current values of the four Josephson junctions 103, The comparator converts the analog voltage to a digital signal by switching to a voltage state and maintaining the superconducting state if small. In the present embodiment, an AC current source is used for driving the comparator. However, if the comparator is reset after the measurement is completed, the noise caused by the reset does not affect the measurement accuracy. Therefore, also in the digital SQUID according to the present invention, the noise of the magnetometer can be reduced by driving the SQUID and the readout circuit with a DC current source.

【００４２】本実施例では、コンパレータは抵抗４００
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。これに加えて、抵抗４００を介して流れる電
流が発生する磁束によってスイッチする磁気結合型のコ
ンパレータを用いても良いことは言うまでもない。この
場合にも、測定終了後にコンパレータをリセットすれ
ば、リセットに伴う雑音は測定の精度に影響を及ぼすこ
とはない。In this embodiment, the comparator is a resistor 400
Is a current injection type in which switching is performed by a current that is injected through the device. In addition, it goes without saying that a magnetic coupling type comparator that switches by a magnetic flux generated by a current flowing through the resistor 400 may be used. Also in this case, if the comparator is reset after the measurement is completed, the noise caused by the reset does not affect the accuracy of the measurement.

【００４３】また、図１０に示したように、コンパレー
タが超電導状態から電圧状態にスイッチしたときに発生
する電圧によって、コンパレータからＳＱＵＩＤへ逆に
電流が流れないようにするために、逆流防止手段として
ジョセフソン接合１０４をコンパレータとＳＱＵＩＤの
間に設けても、同様の効果が得られる。この場合には、
コンパレータから逆流した電流によって、ＳＱＵＩＤと
磁気結合している帰還手段へ不要な雑音が伝わり正常な
帰還動作ができなくなることを防止する効果がある。As shown in FIG. 10, a backflow preventing means is provided to prevent current from flowing from the comparator to the SQUID in reverse due to the voltage generated when the comparator switches from the superconducting state to the voltage state. The same effect can be obtained by providing the Josephson junction 104 between the comparator and the SQUID. In this case,
This has the effect of preventing unnecessary current from being transmitted to the feedback means magnetically coupled to the SQUID due to the current flowing backward from the comparator, thereby preventing normal feedback operation.

【００４４】（実施例３）本発明による他の実施例を次
に述べる。図１１は本発明の他の実施例を示す原理構成
図である。本実施例では直流電流源駆動のＳＱＵＩＤ１
１がコンパレータの役割を兼ねており、ＳＱＵＩＤから
直接デジタル出力を得られるようにしたものである。本
実施例におけるＳＱＵＩＤにおいては、図１２（ａ）中
のＡ点として示したごとくに、ＳＱＵＩＤの臨界電流値
よりもわずかに小さな値の電流をＳＱＵＩＤのバイアス
電流として流す。従って、ＳＱＵＩＤに磁束が入力され
れば、図１２（ａ）中のＡ点で示した超電導状態からＢ
点で示した電圧状態に遷移する。バイアス電流の値を小
さくすれば、それだけ大きな磁束信号の変化がないと遷
移が起こらなくなり、これによって磁束信号の大きさを
弁別できる。電圧の有無を論理の１と０に対応させるこ
とでデジタル信号に変換することができる。(Embodiment 3) Another embodiment according to the present invention will be described below. FIG. 11 is a principle configuration diagram showing another embodiment of the present invention. In the present embodiment, SQUID1 driven by a DC current source is used.
Numeral 1 also serves as a comparator, and a digital output can be directly obtained from the SQUID. In the SQUID according to the present embodiment, as shown as a point A in FIG. 12A, a current having a value slightly smaller than the critical current value of the SQUID flows as a bias current of the SQUID. Therefore, if a magnetic flux is input to the SQUID, the superconducting state indicated by the point A in FIG.
The state transits to the voltage state indicated by the dot. If the value of the bias current is reduced, the transition does not occur unless there is a change in the magnetic flux signal that is larger, whereby the magnitude of the magnetic flux signal can be discriminated. By associating the presence or absence of a voltage with logic 1 and 0, it can be converted into a digital signal.

【００４５】本実施例においては帰還手段として超電導
コイルを用いた帰還手段４１を用いた。この超電導コイ
ルはＳＱＵＩＤ１１と磁気的に結合している。読み出し
回路３から出力された帰還量に相当するデジタル信号１
４００に従って、デジタルアナログコンバータ６から電
流信号が超電導コイルへ送られる。超電導コイルの発生
する磁束がＳＱＵＩＤ１１に結合して、帰還信号１２０
０がＳＱＵＩＤ１に伝わる。図１２（ｂ）はデジタルア
ナログコンバータ６の回路図である。このデジタルアナ
ログコンバータ６は、ＳＱＵＩＤ１１、読み出し回路３
と同様に直流電流源によって駆動することができる。こ
のため、雑音を減らして本発明の目的を達成することが
できた。In this embodiment, a feedback means 41 using a superconducting coil is used as the feedback means. This superconducting coil is magnetically coupled to SQUID11. Digital signal 1 corresponding to the feedback amount output from read circuit 3
According to 400, a current signal is sent from the digital-to-analog converter 6 to the superconducting coil. The magnetic flux generated by the superconducting coil is coupled to the SQUID 11 and the feedback signal 120
0 is transmitted to SQUID1. FIG. 12B is a circuit diagram of the digital-to-analog converter 6. The digital-to-analog converter 6 includes a SQUID 11 and a read circuit 3
Similarly, it can be driven by a DC current source. For this reason, the object of the present invention was able to be achieved by reducing noise.

【００４６】（実施例４）本発明の他の実施例を示す原
理構成図を図１３に示す。図１３においてはＳＱＵＩＤ
１２からコンパレータ２１への磁束の入力にインダクタ
ンスを用いた磁気結合９００を用いている。図１４はＳ
ＱＵＩＤの出力をデジタル信号に変換する手段として２
ビットのアナログデジタルコンバータを用いた場合の回
路図を示している。ＳＱＵＩＤ１２に生じた電圧をラダ
ー抵抗４０９を用いて電流に変換し、そのなかの電流成
分が２つのコンパレータ２１にそれぞれ入力されること
によって、全体で２ビットのアナログデジタルコンバー
タを形成している。ＳＱＵＩＤの抵抗４０８は、ラダー
抵抗４０９の合成抵抗に等しい値を挿入する。(Embodiment 4) FIG. 13 is a principle configuration diagram showing another embodiment of the present invention. In FIG. 13, SQUID
A magnetic coupling 900 using inductance for inputting a magnetic flux from 12 to the comparator 21 is used. FIG. 14 shows S
As means for converting the output of the QUID into a digital signal, 2
FIG. 2 shows a circuit diagram when a bit analog-to-digital converter is used. The voltage generated in the SQUID 12 is converted into a current using the ladder resistor 409, and the current components in the converted current are input to the two comparators 21, respectively, thereby forming a 2-bit analog-digital converter as a whole. A value equal to the combined resistance of the ladder resistance 409 is inserted into the resistance 408 of the SQUID.

【００４７】本実施例の場合もＳＱＵＩＤ、アナログデ
ジタルコンバータ、および、読み出し回路は、ともに直
流電流源駆動であるため、クロストークやグランド電位
の変動を防ぐことができ低雑音化することができた。本
実施例においても、超電導コイルを用いた帰還手段４１
とデジタルアナログコンバータ６の構成は実施例３と同
様でよい。本実施例においても、雑音を減らして本発明
の目的を達成することができた。Also in this embodiment, since the SQUID, analog-to-digital converter, and readout circuit are all driven by a DC current source, crosstalk and fluctuations in the ground potential can be prevented and noise can be reduced. . Also in this embodiment, the feedback means 41 using a superconducting coil is used.
The configuration of the digital-analog converter 6 may be the same as that of the third embodiment. Also in the present embodiment, the object of the present invention can be achieved by reducing noise.

【００４８】（実施例５）図１５は、本発明のデジタル
ＳＱＵＩＤ磁束計を複数個有するデジタルＳＱＵＩＤ磁
束計システムにおいて、読み出し回路として直流電流源
駆動のマルチプレクサを用いて構成した場合の原理構成
図である。各々のＳＱＵＩＤ１２に対して、１つのコン
パレータ２１が対応している。各コンパレータからのデ
ジタル信号はマルチプレクサ８によって順次切り変えら
れシリアルデータに変換される。この部分では信号配線
の数を１対に減らすことができるので、ＳＱＵＩＤが動
作する極低温環境から室温への信号伝送に、シリアル信
号に変換されたデータを使用することは、熱の侵入を防
いで冷凍機の負担を軽減できる効果がある。伝送された
シリアル信号は、デマルチプレクサ９によって、パラレ
ル信号に戻され、それぞれ出力処理、表示回路へとデー
タが転送される。一方、ＳＱＵＩＤへの帰還信号はメモ
リ７に蓄えられる。このメモリ７は各コンパレータから
出力された信号の大きさをＳＱＵＩＤ１ないしＳＱＵＩ
Ｄｎに対応づけて記憶するものである。メモリ７に蓄
えられた信号の大きさをもとに、超電導ループを用いた
帰還手段４２を経てデマルチプレクサ９を介して各ＳＱ
ＵＩＤに帰還される。(Embodiment 5) FIG. 15 is a diagram showing the principle of a digital SQUID magnetometer system having a plurality of digital SQUID magnetometers according to the present invention, in which a multiplexer driven by a DC current source is used as a readout circuit. is there. One comparator 21 corresponds to each SQUID 12. The digital signal from each comparator is sequentially switched by the multiplexer 8 and converted into serial data. Since the number of signal wires can be reduced to one pair in this part, using data converted to a serial signal for signal transmission from a cryogenic environment in which the SQUID operates to room temperature prevents heat intrusion. This has the effect of reducing the load on the refrigerator. The transmitted serial signal is converted back to a parallel signal by the demultiplexer 9, and the data is transferred to the output processing and display circuit, respectively. On the other hand, the feedback signal to the SQUID is stored in the memory 7. The memory 7 stores the magnitude of the signal output from each comparator in SQUID1 to SQUID.
This is stored in association with Dn. Based on the magnitude of the signal stored in the memory 7, each SQ is passed through the demultiplexer 9 through the feedback means 42 using a superconducting loop.
Returned to UID.

【００４９】この超電導ループは、ジョセフソン接合素
子、もしくは、ジョセフソン量子干渉計を含んで構成さ
れている。メモリ７からの出力信号によってこの超電導
ループに磁束を蓄え、この磁束をＳＱＵＩＤ１ないしＳ
ＱＵＩＤｎに結合させることにより帰還による制御を
行う。デマルチプレクサ９はジョセフソン量子干渉計を
複数個並べることによって構成されるスイッチで、ジョ
セフソン量子干渉計の最大超電導電流を制御することに
より所望のＳＱＵＩＤのみに帰還を行うように帰還手段
４２からの信号を切り変えることができた。This superconducting loop includes a Josephson junction element or a Josephson quantum interferometer. A magnetic flux is stored in this superconducting loop by an output signal from the memory 7, and this magnetic flux is stored in SQUID1 to SQUID1.
Control by feedback is performed by coupling to QUID n. The demultiplexer 9 is a switch constituted by arranging a plurality of Josephson quantum interferometers. The demultiplexer 9 controls the maximum superconducting current of the Josephson quantum interferometer to control the maximum superconducting current so as to feed back only to a desired SQUID. I was able to switch signals.

【００５０】図１６に、本実施例に関し２チャンネルの
デジタルＳＱＵＩＤ磁束計システムに相当するＳＱＵＩ
Ｄ１、コンパレータ２およびマルチプレクサ８の回路図
を示す。本回路においては、すべて直流電流源駆動にな
っている。さらに図に示されていないが読み出し回路も
直流電流源駆動のジョセフソン論理回路により構成され
ている。ＳＱＵＩＤ１からの出力信号は、コンパレータ
２によってデジタル信号に変換され、ジョセフソン量子
干渉計１５２を４個用いて構成されたフリップ・フロッ
プ型のマルチプレクサ８に入力される。マルチプレクサ
８は、直流電流源５７により駆動され、選択信号５５に
より、信号入力用の配線６００と６０１を介して入力さ
れる２つの入力データのどちらか一方の信号を出力する
ことができる。信号５６は読み出し回路のリセット手段
である。本実施例のごとく、ＳＱＵＩＤ、コンパレー
タ、読み出し回路などの全ての回路を直流電流源駆動に
した場合は、グランド電位の変動や配線間のクロストー
クなども防ぐことができ、かつ、コンパレータのリセッ
トに伴う雑音の発生を防ぐことができるため、ＳＱＵＩ
Ｄ磁束計の低雑音化および広帯域化を図ることができ
る。FIG. 16 shows an SQUID corresponding to a two-channel digital SQUID magnetometer system according to this embodiment.
FIG. 2 shows a circuit diagram of D1, a comparator 2, and a multiplexer 8. In this circuit, all are driven by a DC current source. Further, although not shown, the readout circuit is also constituted by a Josephson logic circuit driven by a direct current source. The output signal from the SQUID 1 is converted into a digital signal by the comparator 2 and input to a flip-flop type multiplexer 8 configured using four Josephson quantum interferometers 152. The multiplexer 8 is driven by the DC current source 57, and can output one of two input data signals input through the signal input wirings 600 and 601 by the selection signal 55. The signal 56 is a reset means of the read circuit. When all circuits such as the SQUID, the comparator, and the readout circuit are driven by a DC current source as in the present embodiment, fluctuations in ground potential, crosstalk between wirings, and the like can be prevented, and resetting of the comparator can be prevented. Since the generation of accompanying noise can be prevented, the SQUI
The noise and bandwidth of the D magnetometer can be reduced.

【００５１】以上の実施例においては、図４の破線内に
示したフリップ・フロップ型の直流電流源で駆動するジ
ョセフソン回路を用いた場合について述べたが、これに
加えて図５、図６の破線内に示したジョセフソン回路を
用いても、同様の効果が得られることは言うまでもな
い。In the above embodiment, the case where the Josephson circuit driven by the flip-flop type DC current source shown in the broken line of FIG. 4 is used. In addition to this, FIGS. It is needless to say that the same effect can be obtained even if the Josephson circuit shown in the broken line is used.

【００５２】また、２チャンネル以上の計測システムを
構成する場合は、マルチプレクサを必要に応じた段数組
み上げれば良い。このような２チャンネル以上の計測シ
ステムの構成例として、図１７に本発明によるデジタル
ＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示す。この例では脳か
ら発生する磁束３００８の計測を行っている。液体ヘリ
ウム３００７を入れた樹脂によって構成した断熱容器３
００２の中に、検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩ
Ｄチップ３０００を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ
３０００には図には示されていないがＳＱＵＩＤ、コン
パレータおよび読みだし回路がモノリシックに、複数チ
ャンネル分、集積化されている。この場合も信号が全て
デジタルで蓄積できるうえに、測定感度に優れているの
で、脳からの信号を高い精度で検出できる効果がある。When configuring a measurement system having two or more channels, the number of multiplexers may be increased as required. FIG. 17 shows a configuration of a digital SQUID measurement system according to the present invention as a configuration example of such a measurement system having two or more channels. In this example, the magnetic flux 3008 generated from the brain is measured. Insulated container 3 made of resin containing liquid helium 3007
002, a detection coil 3001, a digital SQUID
A D chip 3000 is provided. Although not shown, the digital SQUID chip 3000 has a monolithically integrated SQUID, comparator, and readout circuit for a plurality of channels. In this case as well, all the signals can be stored digitally and the measurement sensitivity is excellent, so that there is an effect that signals from the brain can be detected with high accuracy.

【００５３】（実施例６）図１８は微弱な磁気を帯びた
試料の磁気の分布を測定するための装置であるＳＱＵＩ
Ｄ顕微鏡の構成を示している。液体ヘリウム３００７を
入れた樹脂によって構成した断熱容器３００２の中に、
検出コイル３００１、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０を設ける。デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図
には示されていないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび
読みだし回路がモノリシックに集積化されている。分布
を持って磁化した試料３００５はやはり樹脂製の可動台
３００６の上に置かれている。可動台３００６は平面内
で２次元的に動く。(Embodiment 6) FIG. 18 shows an SQUID which is an apparatus for measuring the magnetic distribution of a sample having a weak magnetism.
3 shows a configuration of a D microscope. In a heat insulating container 3002 made of resin containing liquid helium 3007,
Detection coil 3001, digital SQUID chip 300
0 is provided. Although not shown, the digital SQUID chip 3000 has a monolithically integrated SQUID, comparator and readout circuit. The sample 3005 magnetized with distribution is also placed on a movable table 3006 made of resin. The movable base 3006 moves two-dimensionally in a plane.

【００５４】可動台３００６を小きざみに移動しなが
ら、試料３００５からの磁束を測定する。室温に置いた
中継回路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３００
０からのデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に画
像として表示する。これによって試料３００５の２次元
的な磁束の分布を測定することができる。本実施例で
は、可動台３００６は断熱容器３００２の底面に近接し
て設けたが、断熱容器３００２の内部に設けても良いこ
とは言うまでもない。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ計
測システムは例えば、材料の非破壊検査に用いることが
できるが、この場合も信号が全てデジタルで蓄積できる
うえに、測定感度に優れているので、材料の亀裂や腐食
等の欠陥を高い精度で検出できる効果がある。The magnetic flux from the sample 3005 is measured while moving the movable table 3006 in small steps. A digital SQUID chip 300 is attached to the relay circuit 3003 placed at room temperature.
The digital signal from 0 is accumulated and displayed on the display device 3004 as an image. Thus, a two-dimensional magnetic flux distribution of the sample 3005 can be measured. In this embodiment, the movable base 3006 is provided near the bottom surface of the heat insulating container 3002, but it is needless to say that the movable table 3006 may be provided inside the heat insulating container 3002. The digital SQUID measurement system of this embodiment can be used, for example, for non-destructive inspection of materials. In this case, too, all signals can be stored digitally, and the measurement sensitivity is excellent. This has the effect of detecting defects with high accuracy.

【００５５】（実施例７）図１９は本発明の別の実施例
におけるデジタルＳＱＵＩＤ計測システムの構成を示
す。ここでは断熱容器３００２の壁面の一部に石英ガラ
スでできた窓３０１０を設けここから入射する高周波電
磁界信号３０１１をアンテナ３０１２で受信し、その信
号をデジタルスクイド３０００チップに導いている。デ
ジタルＳＱＵＩＤチップ３０００には図には示されてい
ないがＳＱＵＩＤ、コンパレータおよび読みだし回路が
モノリシックに集積化されている。室温に置いた中継回
路３００３に、デジタルＳＱＵＩＤチップ３０００から
のデジタル信号を蓄積し、表示装置３００４に表示す
る。これによって高周波電磁界信号３０１１を高感度に
検出することができる。本実施例のデジタルＳＱＵＩＤ
計測システムは例えば、高周波微弱信号の検出に用いる
ことができる。この場合も信号が全てデジタルで蓄積で
きるうえに、測定感度に優れているので、信号を高い精
度で検出できる効果がある。本実施例では、アンテナ３
０１２を用いて信号を受信したが、アンテナ３０１２に
替えてボロメータを用いれば、赤外線領域の信号の微弱
信号の検出を高感度に行うことが可能である。(Embodiment 7) FIG. 19 shows the configuration of a digital SQUID measurement system according to another embodiment of the present invention. Here, a window 3010 made of quartz glass is provided on a part of the wall surface of the heat insulating container 3002, and an incoming high-frequency electromagnetic field signal 3011 is received by an antenna 3012, and the signal is guided to a digital SQUID 3000 chip. Although not shown, the digital SQUID chip 3000 has a monolithically integrated SQUID, comparator and readout circuit. The digital signal from the digital SQUID chip 3000 is stored in the relay circuit 3003 placed at room temperature and displayed on the display device 3004. As a result, the high-frequency electromagnetic field signal 3011 can be detected with high sensitivity. Digital SQUID of this embodiment
The measurement system can be used, for example, for detecting a high-frequency weak signal. In this case as well, all the signals can be stored digitally and the measurement sensitivity is excellent, so that there is an effect that the signals can be detected with high accuracy. In this embodiment, the antenna 3
Although the signal was received using 012, if a bolometer is used instead of the antenna 3012, it is possible to detect a weak signal of a signal in the infrared region with high sensitivity.

【００５６】[0056]

【発明の効果】以上詳述したごとく、直流電流源駆動の
ＳＱＵＩＤと、交流もしくは直流電流源駆動のコンパレ
ータを組み合わせて出力信号をデジタル化し、その信号
を直流電流源駆動の読み出し回路を用いて読みだすよう
にデジタルＳＱＵＩＤを構成することによって、高周波
の反射を原因とした回路の誤動作、クロストークやグラ
ンド電位の変動による雑音の増加を防ぐことができ、低
雑音、かつ、高精度のデジタルＳＱＵＩＤ、および、こ
れを用いた計測システムを提供することができる。As described in detail above, an output signal is digitized by combining a SQUID for driving a DC current source and a comparator for driving an AC or DC current source, and the signal is read using a reading circuit for driving a DC current source. By configuring the digital SQUID as described above, it is possible to prevent malfunction of the circuit due to high-frequency reflection, increase in noise due to crosstalk and fluctuations in ground potential, and a low-noise and high-precision digital SQUID. And a measurement system using the same can be provided.

[Brief description of the drawings]

【図１】（ａ）本発明の原理構成図である。（ｂ）本発明における雑音低減による感度の向上を示す
特性図である。FIG. 1A is a diagram illustrating the principle of the present invention. FIG. 4B is a characteristic diagram showing an improvement in sensitivity due to noise reduction in the present invention.

【図２】ジョセフソン量子干渉計の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a Josephson quantum interferometer.

【図３】ジョセフソン量子干渉計の回路記号図である。FIG. 3 is a circuit symbol diagram of a Josephson quantum interferometer.

【図４】直流電流源駆動のコンパレータを用いた場合の
回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram in a case where a comparator driven by a direct current source is used.

【図５】直流電流源駆動のコンパレータの変形例を示す
図である。FIG. 5 is a diagram showing a modified example of a comparator driven by a direct current source.

【図６】直流電流源駆動のコンパレータの変形例を示す
図である。FIG. 6 is a diagram showing a modified example of a comparator driven by a direct current source.

【図７】直流電流源駆動のレジスタの回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram of a register for driving a DC current source.

【図８】ローパスフィルターを有する場合の回路図であ
る。FIG. 8 is a circuit diagram when a low-pass filter is provided.

【図９】交流電流源駆動のコンパレータを用いた場合の
回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram when a comparator driven by an AC current source is used.

【図１０】逆流防止手段を有する場合の回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram in the case where a backflow prevention unit is provided.

【図１１】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。FIG. 11 is a principle configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【図１２】（ａ）図６に示す磁束計のＳＱＵＩＤのバイ
アス方法である。（ｂ）直流電流源駆動のデジタルアナログコンバータの
回路図である。FIG. 12A is a method of biasing the SQUID of the magnetometer shown in FIG. (B) is a circuit diagram of a digital-to-analog converter driven by a direct current source.

【図１３】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。FIG. 13 is a principle configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【図１４】直流電流源駆動の２ビットのアナログデジタ
ルコンバータを用いた場合の回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram when a 2-bit analog-to-digital converter driven by a direct current source is used.

【図１５】本発明の他の実施例を示す原理構成図であ
る。FIG. 15 is a principle configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【図１６】直流電流源駆動のマルチプレクサを読み出し
回路に用いた場合の回路図である。FIG. 16 is a circuit diagram in the case where a multiplexer driven by a DC current source is used for a readout circuit.

【図１７】本発明による脳磁界計測装置の構成図であ
る。FIG. 17 is a configuration diagram of a brain magnetic field measurement device according to the present invention.

【図１８】本発明によるＳＱＵＩＤ顕微鏡の構成図であ
る。FIG. 18 is a configuration diagram of a SQUID microscope according to the present invention.

【図１９】本発明による高周波電磁界検出装置の構成図
である。FIG. 19 is a configuration diagram of a high-frequency electromagnetic field detection device according to the present invention.

【図２０】従来の交流電流源駆動のデジタルＳＱＵＩＤ
の回路図である。FIG. 20 shows a conventional AC current source driven digital SQUID.
FIG.

[Explanation of symbols]

１，１１，１２…ＳＱＵＩＤ、２，２１…コンパレータ、３…読み出し回路、４…帰還手段、４１…超電導コイルを利用した帰還手段、４２…超電導ループを利用した帰還手段、５，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７…直流
電流源、５９…交流電流源、６…デジタルアナログコンバータ、７…メモリ、８…マルチプレクサを用いた読み出し回
路、９…デマルチプレクサを用いた読み出し回路、１０，３２０…出力処理回路，表示回路への端子、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１１０，１
１１…ジョセフソン接合、２００，２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２
０６，２０７，２２１，２２２，２２３，２２４…イン
ダクタンス、２２０…インプットコイル、１５０，１５１，１５２…ジョセフソン量子干渉計（Ｊ
Ｉ）、３０３，３０４，３０７，３０８…信号入力用の端子、３０１，３０２，３０５，３０６…電源電流用の端子、３０９…グランド端子、３１０…信号出力用の端子、４００，４０１，４０２，４０３，４０４，４０５，４
０６，４０７，４０８…抵抗、４０９…ラダー抵抗、５００…容量、６００，６０１…信号入力用の配線、７００…ピックアップコイル、８００…論理和ゲート、８０１…論理積ゲート、８１０…切り変え回路、９００…磁気結合、１０００…ＳＱＵＩＤからコンパレータに入力されるア
ナログ信号、１１００…コンパレータから読み出し回路に入力される
デジタル信号、１２００…帰還信号、１３００…ＳＱＵＩＤから読み出し回路に入力されるデ
ジタル信号、１４００…読み出し回路からデジタルアナログコンバー
タに入力されるデジタル信号、２０００，２００１，２００２…ジョセフソン量子干渉
計を用いたコンパレータ、３０００…デジタルＳＱＵＩＤチップ、３００１…検出コイル、３００２…断熱容器、３００３…中継回路、３００４…表示装置、３００５…試料、３００６…可動台、３００７…液体ヘリウム、３００８…脳から発生する磁束、３０１０…石英ガラスでできた窓、３０１１…高周波電磁界信号、３０１２…アンテナ。1, 11, 12 ... SQUID, 2, 21 ... comparator, 3 ... readout circuit, 4 ... feedback means, 41 ... feedback means using a superconducting coil, 42 ... feedback means using a superconducting loop, 5, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57: DC current source, 59: AC current source, 6: Digital-to-analog converter, 7: Memory, 8: Readout circuit using a multiplexer, 9: Readout circuit using a demultiplexer, 10 , 320... Terminals for the output processing circuit and the display circuit, 100, 101, 102, 103, 104, 110, 1
11 ... Josephson junction, 200,201,202,203,204,205,2
06, 207, 221, 222, 223, 224 ... inductance, 220 ... input coil, 150, 151, 152 ... Josephson quantum interferometer (J
I), 303, 304, 307, 308: terminals for signal input, 301, 302, 305, 306: terminals for power supply current, 309: ground terminal, 310: terminals for signal output, 400, 401, 402, 403,404,405,4
06, 407, 408: resistance, 409: ladder resistance, 500: capacitance, 600, 601: wiring for signal input, 700: pickup coil, 800: OR gate, 801: AND gate, 810: switching circuit, 900: magnetic coupling; 1000: analog signal input from the SQUID to the comparator; 1100: digital signal input from the comparator to the readout circuit; 1200: feedback signal; 1300: digital signal input from the SQUID to the readout circuit; A digital signal input from the readout circuit to the digital-to-analog converter, 2000, 2001, 2002: a comparator using a Josephson quantum interferometer, 3000: a digital SQUID chip, 3001, a detection coil, 3002, an insulated container, 3003 Relay circuit, 3004 ... display device, 3005 ... Sample, 3006 ... movable table, 3007 ... liquid helium, the magnetic flux generated from the 3008 ... brain, windows made of 3010 ... quartz glass, 3011 ... high-frequency electromagnetic field signals, 3012 ... antenna.

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−312929（ＪＰ，Ａ) 特開平４−332886（ＪＰ，Ａ) 特開平４−140681（ＪＰ，Ａ) 特開平４−132980（ＪＰ，Ａ) 特開平２−298878（ＪＰ，Ａ) 特開平２−27281（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−21379（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01R 33/00 - 33/18 H01L 39/22 Continuation of front page (56) References JP-A-5-313929 (JP, A) JP-A-4-332886 (JP, A) JP-A-4-140681 (JP, A) JP-A-4-132980 (JP) JP-A-2-298878 (JP, A) JP-A-2-27281 (JP, A) JP-A-64-21379 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB G01R 33/00-33/18 H01L 39/22

Claims

(57) [Claims]

1. The method according to claim 1 , wherein two Josephson junctions and said two
A SQUID including a superconducting ring connecting the Sefson junctions,
Output voltage of said SQUID including Josephson junction or
A comparator that identifies the magnitude of the output current and a Joseph
Reading the output of the comparator including the son junction
An output circuit, and the SQUID and the readout
The circuit is a digital SQUID driven by a DC current source.
Using digital SQUID characterized by having
Measurement system.

2. The digital SQUID measurement according to claim 1.
In the system, the output signal of the readout circuit, or
In response to the output signal of the comparator, the SQUI
Characterized by having feedback means for feeding back a control signal to D
A measurement system using a digital SQUID.

3. The digital SQUID measurement according to claim 2,
In the system, the return of the digital SQUID
Means, the superconducting loop or the superconducting loop
Excluding at least a plurality of the digital SQUIDs
Digital SQUID characterized by being shared between D
Measurement system using D.

4. The digital S according to claim 2 or claim 3.
In the QUID measurement system, the digital SQUID
D, by the feedback means, the superconducting loop or the superconducting loop.
A method for storing an amount corresponding to the amount of feedback returning to the conduction loop.
Digital SQUID characterized by having a memory circuit
Measurement system using.

5. The data according to any one of claims 2 to 4.
In the digital SQUID measurement system, the feedback means
Is at least using a Josephson quantum interferometer, DC
Flip-flop type Josephson driven by current source
Using digital SQUID characterized by including
Measuring system.

6. The digital SQUID measurement according to claim 5,
In the system, the Josephson circuit comprises at least
Also a series connection of the two Josephson quantum interferometers,
A series connection of two load resistors is connected in parallel.
Connects the middle contact of two series-connected bodies by inductance
Connected to the Josephson quantum interferometer.
Signal, one of the Josephson quantum interference
To the voltage state and the other Josephson quantum interferometer
Digital SQUID characterized by superconducting state
Measurement system.

7. The digital SQUID measurement according to claim 5,
In the system, the Josephson circuit comprises two
A serial connection of the Josephson quantum interferometer and the serial connection
A circuit comprising a constant voltage source connected to the continuum,
Depending on the signal input to the Josephson quantum interferometer,
One of the Josephson quantum interferometers to a voltage state and the other
Bringing the Josephson quantum interferometer into a superconducting state.
Digital SQUID measurement system.

8. The digital SQUID measurement according to claim 5,
In the system, the Josephson circuit includes the Josephson circuit.
A series connection of a Sefson quantum interferometer and an inductance
Including a circuit with two current paths connected in parallel
And the signal input to the Josephson quantum interferometer
Switching the current to one of the two current paths
And a digital SQUID measurement system.

9. The data according to any one of claims 2 to 8,
In the digital SQUID measurement system, the digital
The output signal of the read circuit of SQUID is serial
It has a conversion circuit for converting to data, via the feedback means
When the control signal is fed back to the SQUID,
Converts serial data to parallel data and returns
Measurement system using digital SQUID
M

10. A digital SQUID meter according to claim 9.
In measurement system, with the converter circuit, Josefuso
Free current driven by a DC current source using a quantum interferometer.
Multiplexer configured using flip-flop type circuits
Digital SQUID characterized by using
Measurement system used.

11. The digital SQUID according to claim 10,
In a measurement system, the multiplexer is
Series connection of at least two Josephson quantum interferometers
And a series connection of two load resistors connected in parallel.
The intermediate contact of the two series
Connected to the Josephson quantum interferometer
Signal input, one of the Josephson quantum
Put the interferometer in a voltage state and the other Josephson quantum interference
Digital SKU characterized by putting the meter in superconducting state
Measurement system using ID.

12. The digital SQUID according to claim 10
In the measurement system, the multiplexer includes two
A serial connection of the Josephson quantum interferometer,
Including a circuit with a constant voltage source connected to the connector,
Depending on the signal input to the Josephson quantum interferometer,
One of the Josephson quantum interferometers is in a voltage state and the other is
Bringing said Josephson quantum interferometer into a superconducting state
Measurement system using digital SQUID
M

13. The digital SQUID according to claim 10,
In the measurement system, the multiplexer may include the
Series connection of Josephson quantum interferometer and inductance
Are connected in parallel to form a circuit having two current paths.
Including the signal input to the Josephson quantum interferometer.
Switch the current to one of the two current paths
Measurement system using digital SQUID
Stem.

14. The method according to claim 1, wherein :
In the digital SQUID measurement system, the SQ
One pair of UID and ground plane of the comparator
1 is not superconducting so that it corresponds to 1
Digitally arranged as various superconductors
Measurement system using SQUID.

15. The method according to claim 10, wherein
In the above digital SQUID, the SQUID,
The comparator and the multiplexer are placed in a low-temperature tank.
And the data output from each digital SQUID.
Data into serial data by the multiplexer.
Output to a circuit on the room temperature side
Measurement system using SQUID.

16. Two Josephson junctions and said two junctions
SQUID including superconducting ring connecting Josephson junction
And a means for inputting magnetic flux to the SQUID,
Of the output voltage or output current of the SQUID
Comparing the size of the comparator and the Josephson junction
Read the readout of the magnetic flux or the output of the comparator
A read-out circuit, the SQUID, and the read-out circuit.
Wherein the circuit is driven by a DC current source.
A measurement system using the Tal SQUID.

17. Two Josephson junctions and said two junctions
SQUID including superconducting ring connecting Josephson junction
And a means for inputting magnetic flux to the SQUID,
Of the output voltage or output current of the SQUID
Comparing the size of the comparator and the Josephson junction
Read the readout of the magnetic flux or the output of the comparator
Output circuit and the output signal of the readout circuit, or
To the SQUID corresponding to the output signal of the comparator
Feedback means for feeding back the control signal of the SQUID.
D, the input means, the comparator, the read circuit
Path and the feedback means are integrated on the same chip,
The SQUID and the readout circuit are driven by a DC current source.
Digital SQUID characterized by being actuated.

18. Two Josephson junctions and said two junctions
SQUID including superconducting ring connecting Josephson junction
And a means for inputting magnetic flux to the SQUID,
Of the output voltage or output current of the SQUID
Comparing the size of the comparator and the Josephson junction
Read the readout of the magnetic flux or the output of the comparator
A readout circuit, wherein the readout circuit has a current flow
Flip-operating with cutting conversion example of a plurality of current paths that
It is configured using a flop type logic circuit and flows to ground.
A digital S, characterized in that a constant amount of current is supplied.
QUID.

19. Two Josephson junctions and said two junctions
SQUID including superconducting ring connecting Josephson junction
And a means for inputting magnetic flux to the SQUID,
Of the output voltage or output current of the SQUID
Comparing the size of the comparator and the Josephson junction
Read the readout of the magnetic flux or the output of the comparator
Input and output digital signals
Signal output circuit and analog signal input
The circuit that outputs the switching signal must be driven by a DC current source.
A digital SQUID characterized by the following.

20. Two Josephson junctions and said two junctions
SQUID including superconducting ring connecting Josephson junction
And the output voltage of the SQUID including a Josephson junction
Or a comparator that identifies the magnitude of the output current and
Read out the output of the comparator including Sefson junction
A reading circuit, the SQUID, and the reading
Wherein the circuit is driven by a DC current source.
Tal SQUID.

21. A digital SQUID according to claim 20,
And having means for inputting magnetic flux to said SQUID
A digital SQUID, characterized in that:

22. The digital signal according to claim 20 or 21.
Output signal of the readout circuit in the
Signal or the output signal of the comparator,
Provide feedback means for feeding back the control signal to the SQUID.
A digital SQUID characterized by the following.