JPH02243982A - 磁束分布測定装置 - 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 ジョセフソンコンピュータ・生体磁気計測など高性能な
磁気シールドが必要とされる分野で超伝導磁気シールド
容器にトラップされた磁束の分布を測定する用途、ジョ
セフソン回路のグラウンドブレーンにトラップされた磁
束の分布を検出する用途など、超伝導体にトラップされ
た磁束量子単位の微小な磁束の有無と位置とを検知する
用途に係わるものである。

従来の技術 磁束量子単位でトラップされた磁束、の位置を検出する
方法として、走査贋電子顕微鏡を用いるものが開発され
ている。ジョセフソン接合上で、電子ビームを注入する
位置と臨海電流値の変化の相関を求めることでトラップ
された磁束の位置を求める方法である。しかし、この方
法は、対象がジョセフソン接合部に限られるので、超伝
導体の単なる板、もしくは、円筒であるグラウンドプレ
ーンや磁気シールドに応用は不可能である。また、試料
の超伝導体を電極とし、その上に絶縁層をはさんで小さ
な対向電極を並べ、その特性変化からトラップされた磁
束を検出する方法も開発されている。しかし、この方法
では特別な試料を用意する必要がある。従って本発明が
目的とする用途に適する方法は存在しなかった。

発明が解決しようとする問題点 超伝導体表面に沿って検出コイルを走査しく超伝導体も
しくは検出コイルを移動させる）、トラ、ツブされた磁
束を検知するとき、外部磁場は（マイスナー効果により
）超伝導体の表面に平行であり、表面に垂直な磁場成分
はトラップされた磁束を起源とするもののみという性質
を利用している。

その際、該検出コイルと該表面との距離が大きくなるほ
ど、外部磁場の垂直成分が現われるので、トラップされ
た磁束の検出がより困難になる。したがって、この距離
を１０〜１００μｍ程度に保つことが望ましいが、液体
ヘリウム温度まで冷却するときの不均一な熱収縮の影響
を考えると、予め室温でこの距離を設定しておくことは
不可能である。第２に、検出コイルの走査に際し、超伝
導体表面との距離が変動すると、検出信号の大きさが変
動しノイズの原因となる。このため、この距離自体を一
定に保つ機構の導入が不可避である。

第３に、検出コイルと超伝導体表面との間にスペーサを
設け、スペーサの厚みだけの間隔を保ちつつ、しゅう動
しながら走査する場合、しゅう動による振動がノイズの
原因となるのみでなく、超伝導体表面を傷つける可能性
がある。この傷（厚みの変動）は磁束トラップの原因と
なるので、該方法は好ましくない。本発明は以上の問題
点を解決する手段を提供するも、のである。

問題点を解決するための手段 超伝導体表面に沿う方向には堅固に固定され、該表面に
垂直な方向には比較的自由に動きつる支持機構で懸架さ
れたヘッドを用意し、該ヘッドに検出コイルを取り付け
る。該ヘッドには、流体の噴出口が設けられる、流体の
供給管が備わっている。流体は圧力もしくは流量を一定
に保つ制御機構を通過した後、極低温まで冷却されつつ
該ヘッドへ供給され、該噴出口より噴き出す。超伝導体
表面上を検出コイルで走査するため、該超伝導体もしく
は該検出コイルを取り付けたヘッドを移動させる駆動機
構を備える。

作　　用 検出コイルを取り付けたヘッドは、超伝導体表面に垂直
な方向には比較的自由に動きうるよう支持されているの
で、ヘッドに設けられた噴出口より噴き出す流体の作用
により、対向する表面上−２定の高さ（間隔）に保持さ
れる。一方、ヘッドは表面に沿う方向には堅固に固定さ
れており、超伝導体もしくはヘッドを移動させる駆動機
構によって相互の位置関係を変化させうるので、検出コ
イルで超伝導体表面を走査しつつ、磁束分布を測定しつ
る。

次に流体の作用について第１図を参照して説明する。ヘ
ッドｌに壁に押しつける方向の弱くない力が働く場合の
現象を解析するためにはよく知られた軸受理論がある。

しかし、本発明によるヘッド１にはそのような力を必要
としないことが特徴であり、その場合には、従来の軸受
理論とは異なった以下に述べる理論を用いる必要がある
。まず、ヘッド１へ供給された流体が噴出口２を通過し
て狭い間隙（ヘッド１とこれに対向する表面の中間部分
）へ突入するとき、人口での流体の速度Ｕは断熱噴流の
式を用いて、 ＩＬ＝　　（ＲＴｓ／Ｍ）””Ｃｓ　　（２Ｔ／（Ｔ−
１））　　”２（１−（ＰＩ／Ｐｉ）’−”’）　　”
”　　　　　　・・・　（１）と表わされる。ここでＲ
は気体定数、Ｔ３、Ｐ５はそれぞれ供給する流体の温度
および圧−力、Ｍは流体の分子量、ＣＩ、は流量係数、
γは比熱比、ＰＩは噴き出し後の圧力である。一方、該
表面と該ヘッドの間の狭い間隙を流れる流体にベルヌイ
の定理を適用すると、 Ｐ＋　−Ｐ、−（１／２）ｐ　　Ｌ’　　［１−（Ｕ、
／　［Ｉ＋）’コーＰ、−（１／２）ｐ　［１，２［１
−（Ｒ，／Ｒ。

（１−２δ　／ｈ））　　’コ　　　　　　　　　　　
　　　　・・・　（２）となる。ここで、Ｐｌは周囲の
圧力、ρは流体の密度、Ｕｌはへラド１の外周部から噴
き出す流体の速度、Ｒ１は噴出口の半径、Ｒ２はヘッド
１の外径、ｈは間隙の高さ、δは変位厚さである。この
変位厚さは、流体の粘性のために壁の近くにできる境界
層の厚さに関係する量である。ここで、Ｐｌ、Ｕｌを未
知量として、式（１）、（２）を連立して解き、さらに
（２）式と同様の式で各部分の圧力を求める。外側はど
周長が長く流路断面積が広くなるので、速度が小さくな
り圧力は高（なる。したがって、第２図に示すような圧
力分布となる。この圧力分布は、式（２）に示すように
変位厚さδと間隙の高さｈとの比を通じてｈに依存して
いるので、この圧力分布に基づいてヘッドに働く力を計
算すると第３図に示すように、ヘッドと表面の間隙が小
さいとき反発力、大きいとき吸引力となり、ある高さで
力はゼロとなる。流体の作用以外の原因（流体の供給管
等の剛性）によるヘッドに働く力が充分小さければこの
高さ（浮上力ゼロの点）で安定に浮上する。なお、第３
図は供給ガス圧８２０　Ｔ、ｏｒｒの際の浮上刃と間隔
の高さとの関係を示している。式（２）で流体の圧縮性
を考慮した計算を行なうと、定量的変化はあるが本質的
な変化はない。

実施例 本発明の実施例を第４図から第６図に示す。第４図は全
体の構成図で、高圧ガスボンベ３から減圧弁４を通して
供給されたヘリウムガスは、圧力センサ６と流量制御弁
５の作用によって一定圧力に保たれてヘッドｌへ供給さ
れ、その噴出口より噴き出す。超伝導体１１にトラップ
された磁束は、検出コイル８で感知され、入力コイル９
を介してＳＱＵＩＤＩＯで検出される。超伝導体１１は
駆動機構１２によって上下に移動、および、回転するこ
とが可能で、検出コイル８は超伝導体１１上の任意の位
置へ移動できる。

第５ｒｌ！Ｊはヘッド１の部分断面図で、ヘリウムガス
は液体ヘリウム温度近くまで冷却されつつ、供給管２１
を通ってヘッド１へ供給され、噴出口２より吹き出す。

コイル８は非磁性材料の芯棒２２に巻かれている。第６
図はヘッド１を超伝導体１１の側から見込んだ図である
。室温部に連結された太い供給管２４で供給されたヘリ
ウムガスは、中空のリング型枠２３内で３分割され、微
細な供給管２１を通って、ヘッド１へ供給される。ヘッ
ド１は超伝導体１１の表面に沿う方向へは、供給管２１
の長手方向の伸縮に対する抵抗によって堅固に固定され
ているが、該表面に垂直な方向へは、供給管２１の曲げ
によって比較的容易に動きうる。

、第７図は、供給ガスの圧力と浮上刃がゼロとなる゛高
さ（浮上の高さ）との関係を示す。この図より１５〜２
５μｍの高さの浮上が可能なことがわかる。第８図は、
直径０．１　ａｍの検出コイル８が捕える磁束量を、コ
イルと超伝導体１１の表面との間隔く浮上高さ）を変え
て計算したものである。浮上高さが小さいほど、捕える
磁束量が増加し、測定が容易になる（Ｓ／Ｎ比が向上す
る）ことがわかる。磁束源は超伝導体１１にトラップさ
れた１本の磁束量子と仮定した。

第９図は、検出コイル８の中心軸と磁束源との面に平行
な方向での距離を変えたとき、検出コイル８が捕える磁
束量の変化である。浮上高さ（ｈ）が小さいほど、磁束
量の変化率が大きく、空間分解能が高い。

他の実施例 第４図の例では検出コイル８と入力コイル９とで磁束ト
ランスを構成しているが、検出コイル８としてＳＱＵＩ
ＤＩＪング１０を用いて、直接磁束を感知することも可
能である。

第４図の例では、高圧ガスボンベ３からヘリウムガスを
供給しているが、噴出口２から噴き出したヘリウムガス
右よび液体ヘリウム７の蒸発ガスを回収し、圧縮機で加
圧して再び供給することも可能である。

第４図の例では、液体ヘリウム７の中へ、ヘリウムガス
を噴き出しているが、液体ヘリウム中にヘリウムガスを
満たした別室を設け、その中にヘッド１と超伝導体１１
とを収めることもできる。

第４図では供給されるヘリウムガスの冷却手段は明示さ
れていないが、液体ヘリウムと直接熱交換する方法、も
しくは、熱交換器を設け、蒸発ガスと熱交換させる方法
がある。

第５図で検出コイル８として一次微分型を用いることも
外部磁場の影響を更に減じることになり有効である。

第６図ではヘッド１を３本の微細管で支持しているが、
１本もしくは２本は細線でもよく、また、ガス供給は別
のベローズで行ない、支持は３本の細線で行なう方法も
ある。

、発明の効果 本発明によれば、超伝導シールド容器壁やジョセフソン
回路のグラウンドブレーン等にトラップされた磁束の有
無とその位置とを検出できるので、この磁束を排除する
方策を施すことにより、超微弱磁場空間を実現すること
、また、トラップされた磁束によるジョセフソン素子の
誤動作を防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明におけるヘッド浮上の原理を説明するた
めの概略図、 第２図は第１図に示されたヘッドにおける圧力分布を示
す図、 第３図は該ヘッドに働（力と間隙の高さとの関係を示す
図、 第４図は本発明による磁束分布測定装置の全体図、 第５図は本発明のヘッドの中心軸を含む平面での断面図
、 第６図は超伝導体側からの本発明のヘッドの平面図、 第７図は供給ガス圧力と浮上の高さとの関係を示す図、 第８図は検出コイルが捕える磁束量と浮上の高さとの関
係を示す図、 第９図は磁束源とコイルの中心軸との距離を変えたとき
の検出コイルが捕える磁束量の変化の様子を示す図であ
る。 ｌ・・・・ヘッド ２・・・・噴出口 ３・・・・高圧ボンベ ・・・・減圧弁 ・・・・圧力制御弁 ・・・・圧力センサ ・・・・液体ヘリウム ・・・・検出コイル ・・・・人力コイル ・・・・ＳＱＵＩＤ ・・・・超伝導体 ・・・・供給管 ・・・・芯棒 ・・・・リング型枠 ・・・・供給管 第４図 イ共系台 力゛ ス 圧 〔丁。ｒｒ） 第６図 浸 上 の １℃ さ 〔μｍ〕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超伝導体にトラップされた磁束の分布を測定するために
   、ＳＱＵＩＤを備えた磁束分布測定装置において、超伝
   導体表面に垂直な方向には比較的自由に動きうる支持機
   構で懸架されたヘッドに検出コイルを取り付け、かつ、
   該ヘッドに流体の噴出口を設け、圧力もしくは流量を制
   御する機構を介して、流体を極低温まで冷却しつつ噴出
   口まで供給できるようにし、かつ、該超伝導体と該ヘッ
   ドとの表面に沿う方向での相互位置関係を変化させる駆
   動機構を設けたことを特徴とする磁束分布測定装置。