JPH0361879A - 磁束検出装置 - 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】 Ａ０発明の目的 （１）産業上の利用分野 本発明はスクイッド（Ｓ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ　、　Ｓｕｐ
ｅｒｃｏｎｄ−ｕｃｔｔｎｇ　Ｑｕａｔｉｔｕｗ＋　Ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｅｃｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　、超（云導量子
干渉磁束計）を用いた磁束検出装置に関する。

この種の磁束検出装置は、医療や資源探査等の分野にお
いて磁界を高精度に検出する際等に使用される。

伐）従来の技術 スクイッドは超伝導状態におし１てジゴセフソン素子に
流れる電流が磁界の変化に極めて高感度に依存するとい
う現象を利用するものであり、従来、電子計測（１９７
４年２月号、第１９〜２５頁ｒ３ＱυＩＤについて」、
電子計測学会発１テ）および電子通信学会論文誌（１９
８２／６ＶＯＬ。

Ｊ６５−ＣＮ０．６、第４７５〜４８２頁「ニオブ薄膜
ブリッジを用いたＳＱＵＩＤｍ束計とその性能評価」）
等に紹介されている。これらの刊行物にはＤＣＣスクイ
ッドよびＲＦスクイッドを用いた磁束検出装置が記載さ
れている。そこに記載された磁束検出装置は、スクイッ
ドに誘導的に結合された検出コイルに入っている磁束を
検出している。前記検出コイルが置かれている場所の磁
界は検出された磁束を検出コイルの面積で割ることによ
って得られる。

次に第３図により、前記刊行物に記載された従来のＲＦ
スクイッドを用いた磁界検出装置の一例について説明す
る。

第３図において、Ｘ方向の外部磁束Φ８の変化を検出す
るための検出コイル０１は磁束伝達部０２を介してイン
プットコイル０３と接続され、それらは閉回路を構成し
ている。このインプットコイル０３はスクイッド０４と
誘導的に結合するように配置されている。このスクイッ
ド０４は一部にジョセフソン接合部０４ａを有する超伝
導体からなるリングである。前記スクイッド０４と誘導
的に結合するように配置されたＲＦコイル０５はコンデ
ンサ０６とともに共振回路０７を形成している。また、
前記スクイッド０４と誘導的に結合するようにフィード
バックコイル０８が配置されている。前記符号０１〜０
８で示された構成要素は一点鎖線で示した低温槽０９内
に収納されじ３昇温度以下に保たれている。また、前記
符号０３〜０８で示された構成要素は一点鎖線で示した
シールドケース０９ａ内に収納されて外部磁界から遮蔽
されている。

前記共振回路０７は高周波（たとえば、２２Ｍ＆）で発
振するＲＦバイアス電流源０１０により微弱高周波電力
の供給を受け、２２Ｍ）（ｚで共振する。共振回路０７
の２２ＭＨｚ信号は前記インプットコイル０３およびフ
ィードバックコイル０８の磁束の和の値に従いスクイッ
ド０４により振幅変調される。この振幅変調された信号
すなわち磁束検出信号はＲＦアンプおよび検波器０１１
により増幅、検波されてロック・イン・アンプ０１２に
入力される。

前記ロック・イン・アンプ０１２は、バンファアンブ０
１３、位相検波器０１４、および参照信号発振器０１５
等から槽底されている。そして、参照信号発振器０１５
は検出精度を高めるための参照信号（たとえば５０　Ｋ
Ｈｚ）を発生しており、この参照信号は前記フィードバ
ックコイル０８に印加されている。そしてロック・イン
・アンプ０１２は、前記ＲＦアンプおよび検波器０１１
からの入力信号の中、５０ＫＨｚで変調された信号のみ
を検波して積分型アンプ０１６に出力する。この積分型
アンプ０１６の出力する直流信号はフィードバックライ
ン０１７を通り、前記フィードバックコイル０８でフィ
ードバック磁束Φ８′を発生させている。このフィード
バック磁束Φ８′は前記外部磁束Φ８を打消す大きさと
向きを有している。

また、前記積分型アンプ０１６の出力信号は抵抗Ｒ０の
両端から磁束検出信号ｖｏとして取り出されている。

次に、前述の第３図に示した従来の磁束検出装置の作用
を説明する。

先ず第３図において、スクイッド０４に作用する全磁束
をΦとし、この磁束Φが変化した場合について考える。

この場合、スクイッド０４内部の磁束は磁束量子Φ。（
−２，０７Ｘ１０す５Ｗｂ）の整数倍しかとり得ないの
で、もともとスフインド０４内にあった磁束の値を保つ
ために、前記磁束Φの変化分がスクイッド０４内に入る
のを打ち消すように遮蔽電流１．（第４図参照）が流れ
る。

この遮蔽電流■、は、スクイッド０４の臨界電流■。に
達するまでは超伝導で流れるが、臨界電流１ｃに達する
と常伝導となってスクイッド０４内に磁束が出入する。

この遮蔽電流Ｉｓの大きさはΦ／Φ。の値に対して第４
図のような関係にあり、磁束量子Φ。を単位とする周期
関数となっている。

ところで、前記スクイッド０４に作用する磁束のうち、
前記フィードバック磁束Φ８′を０とし、検出精度を上
げるための前記５０ＫＨｚの参照信号による交流磁束を
無視した場合、すなわち、スクイッド０４に作用する磁
束としてＲＦバイアス電流源０１０によりＲＦコイル０
５に流れる高周波電流で発生する交流磁束Φ、　ｓｉｎ
ωｔと前記外部磁束（直流磁束）Φ８のみが作用する場
合について考える。この場合、前記交流磁束Φ＊　ｓｉ
ｎωｔの振幅Φ、を変化させたときの誘導電圧■は、前
記磁束Φや−Ｏの場合（およびΦ８−ｎΦ。、ｎ＝１．
　２．・・・の場合）に第５図の実線のようになり、前
記磁束Φｘ　−（１／２）Φ。の場合（およびΦ８−ｎ
Φ。＋（１／２）Ｏｏ　ｓ　ｎ−１，２゜・・・の場合
）に第５図の破線のようになる。

この第５図においてΦ、−Φ、に固定した場合、インプ
ラトコ・イル０３で発生する磁束Φ８が変化すると、前
記共振回路０７の誘導電圧Ｖは次のようになる。すなわ
ち、 Φ８−ｎΦ。のときＶ−ＶＡ ΦＫ　＝　（ｎ　＋　１　／　２　）　Ｏｏ　Ｏ）とき
Ｖ−ＶＢｎΦ。くΦつ＜（ｎ＋１／２）Φ。のときまた
は（ｎ＋１／２）Φ。くΦ、　＜　（ｎ＋１）Φ。のと
きＶ、＜Ｖ＜Ｖ。

但し、ｎ−０，１，２，・・・ この場合、インプットコイル０３で発生する磁束ΦＸす
なわち前記検出コイル０１で検出された外部磁束に対し
て、前記共振回路ｏ７の誘導電圧Ｖは、第６図に示すよ
うに磁束量子Φ０単位でＶ、とＶ、との間を周期的に変
化し、三角波パターンを描くことになる。

ところで実際はフィードバックコイルｏ８には、前記イ
ンプットコイル０３で発生する磁束Φつの変化を打ち消
す大きさのフィードバック磁束Φ買′が発生するように
帰還電流が流れる。

したがって、前記積分型アンプ０１６の出力信号および
前記磁束検出信号ｖｏは常時前記インプットコイル０３
の磁束Φχの変化に対応して変化する。

そして前記磁束検出信号ｖ０を高精度で検出することに
より、磁束量子Φ。単位の１／１０００〜１１５０００
程度の精度で磁束の変化を検出することかできる。この
場合、磁束量子Φ。を検出コイルの面積Ｓで割って得ら
れる磁界の大きさをその検出装置の「単位磁界」と定義
すれば単位磁界の１／１０００−１１５０００程度の精
度で外部磁界の変化を検出することができる。なお、前
記単位磁界はスクイッドの面積Ｓを大きくする程小さな
値となるので、前記面積Ｓを大きくすることにより磁界
の検出精度を高めることができる。

なおまた、磁束量子Φ。単位よりも高精度で磁束Φ、を
検出する必要が無い場合すなわち磁束Φ８の変化を磁束
量子Φ。単位で検出する場合（すなわち、外部磁界の変
化を単位磁界の精度で検出する場合）には、第３図に示
す積分型アンプ０１６の出力信号をフィードバックコイ
ル０８にフィードバックさせる必要はない、この場合の
磁束検出信号は第６図に示すＶと同じ形になる。すなわ
ち、第６図から分かるように、前記検出コイルＯ１に入
っている外部磁束Φ、が変化した場合、前記磁束検出信
号は、検出コイル０１内の磁束がｎΦ。

となる度にＶＡ　　（三角波パターンの山の値）となり
、（ｎ＋１／２）Φ。となる度にｖｍ（三角波パターン
の谷の値）となるので、磁束検出信号をレコーダ等によ
り記録して前記三角波パターンの山または谷の数を計数
することにより検出コイル０１を貫通する磁束数の変化
を磁束量子Φ。単位で（すなわち外部磁界の変化を前記
単位磁界の精度）で計測することができる。

（３）発明が解決しようとする課題 ところで、前記第３図の磁束検出装置では、検出を開始
したときにすでに検出コイル０１内に外部磁束にΦ。（
第６図参照）が入っていた場合には、その状態からの検
出コイル０１内の磁束の変化しか検出することができな
い、この場合（第６図の（ｋ＋１）Φ。から（ｋ＋ｍ）
Φ０までの三角波の山の個数ｍを計数した場合）、検出
コイル０１が置かれている場所の磁束の変化分が検出で
きるだけで磁束の大きさ（すなわち、０を基準とする磁
束の大きさ）を検出することはできないという問題点が
ある。

以上は、ＲＦスクイッドを用いた磁束検出装置に関する
説明であるが、ＤＣＣスクイッドＤｏｕｂｌｅＪｕｎｃ
Ｈｏｎ　５ＱＩＤ）を用いた磁束検出装置も同様に、検
出を開始したときにすでに検出コイル内に外部磁束が入
っていた場合には、その状態からの検出コイル内の磁束
の変化しか検出することができない、そしてやはりこの
場合、検出コイルが置かれている場所の磁束の大きさを
検出することはできないという問題点がある。

磁束検出装置が磁束検出を開始する際に、検出コイル内
の磁束をＯにしておく適゛当な手段があれば、検出コイ
ルが置かれている場所の磁束の太きさ（Ｏを基準とする
値）を検出することができるのであるが、いまだ、その
ような適当な手段は知られていない。

そこで、検出コイル０１を貫通する磁束ΦＸの大きさ（
０を基準とする値）を検出する方法としては、第３図に
示すようなスクイッド０４を用いた精度の高い磁束検出
装置と他の精度の粗い磁束検出装置とを組み合わせて使
用する方法が考えられる。この方法では、前記粗い磁束
検出装置により磁束量子Φ０単位で磁束の真の値がｎΦ
。と（ｎ＋１）Φ。との間に在ることを検出し、その間
のどの値であるかは前記精度の高い磁束検出装置によっ
て検出することにより、磁束ΦＸの大きさを高精度で検
出することができる。しかしながら、このような方法で
は粗い精度の磁束検出装置を別途準備しなければならな
いという問題点がある。

さらに、前記従来の磁束検出装置では、スクイッドを外
部磁束から完全に遮蔽することが容易でなく、シールド
ケース０９ａ内に侵入する外部磁束により検出精度が低
下するという問題点もあった。

本発明は前述の事情に鑑み、磁束検出装置が磁束検出を
開始する際に、検出コイル内の磁束をＯにできるように
して高精度の磁束検出を行えるようにすることを課題と
する。

Ｂ０発明の構成 （１）課題を解決するための手段 前記課題を解決するために、本発明の磁束検出装置は、
超伝導体で作られたコアと、このコアの表面に絶縁層を
介して配設されるとともに前記コアよりも臨界温度の高
い超伝導体で作られた磁界検出用のスクイッドとが、外
部磁界を遮蔽しない低温槽内に配置されたことを特徴と
する特（２１作　用 前述の構成を備えた本発明の磁束検出装置において、超
伝導体のコアをその臨界温度よりも低い温度に保持する
と磁束検出用スクイッド内を貫通する磁束は零となる。

次に超伝導体のコアの温度をその臨界温度より低い値か
らコアの臨界温度を越えて磁束検出用のスクイッドの臨
界温度より低い値まで変化させる。これによりコアは超
伝導状態から常伝導状態となり磁束検出用のスクイッド
を貫通する磁束は零から外部磁束の大きさまで変化する
。このスクイッド内の磁束変化は従来公知の手段により
電気信号として取り出され、処理される。そして、磁束
検出用のスクイッドを貫通する磁束の変化は、貫通磁束
がＯの状態を基準として検出される。

なお、前記磁束検出用のスクイッド内の磁束変化を電気
信号として取り出す従来公知の手段は前述の雑誌にも記
載されており、たとえば、スクイッドがＤＣＣスクイッ
ドある場合には、一対のジョセフソン接合により分割さ
れた２個の円弧状超伝導体間に前記ジョセフソン接合を
通って流れる直流電流により生じる電圧を直接取り出す
手段があり、また、スクイッドがＲＦスクイッドである
場合には、ＲＦスクィッドと誘導的に結合するように配
置されたＲＦコイルがある。

（３）実施例 次に、本発明の磁束検出装置の実施例について説明する
。

第１図は本発明の磁束検出装置の第１実施例の説明図で
ある。

第１図において、超伝導体で造られた円筒状のコアｌの
上面には薄い絶縁層２を介して磁束検出用のスクイッド
３が配設されている。このスクイッド３は１個のジョセ
フソン接合を有する超伝導体のリングにより形成された
ＲＦスクイッドであり、薄膜技術により形成されている
。また、スクイッド３は前記コア１よりも臨界温度の高
い超伝導体が用いられる０、たとえばコア１にスズ５ｎ
（Ｔｃｃ＝３．７’　Ｋ）を用いるならば、ＲＦスクイ
ッド３にはニオブＮｂ　（Ｔ、、−９０Ｋ）を用いる。

また、前記コア１の下面には薄い絶縁層（図示せず）を
介して、コア１の加熱手段であるヒータ４が配設されて
いる。このヒータ４はスイッチＳＷを介して加熱用電源
Ｂに接続されている。またスイッチＳＷはコア１の検出
温度に基づいて作動するコア温度制御装置Ｓによってオ
ン−オフ制御されるようになっている。

前記スクイッド３と誘導的に結合するように配置された
ＲＦコイル５はコンデンサ６とともに共振回路７を構成
している。また、前記スクイッド３と誘導的に結合する
ようにフィードバックコイル８が配置されている。前記
ｌ〜８で示された構成要素は一点鎖線で示される低温槽
９内に置かれ臨界温度以下に保たれている。

第１図において符号１０〜１７およびＲｏで示した構成
要素はそれぞれ、前記第３図において符号０１０−０１
７およびＲｏで示した従来の構成要素と変わりがないの
で、説明は省略する。

なお、この第１図に示した実施例においても、前記第３
図に示した従来例と同様に、積分型アンプ１６の出力信
号は抵抗Ｒ０の両端から磁束検出信号Ｖ。として取り出
されている。

次に、前記第１実施例の作用を説明する。

まずコア１および磁束検出用スクイッド３の臨界温度を
それぞれＴｃｃ、Ｔｃｋ、また低温槽９により冷却され
ているコア１およびスクイッド３等の温度をＴとする。

（１）　　外部磁界Ｂ、のもとで、スイッチＳＷをＯＦ
Ｆにしたまま、Ｔ＜ＴｃｃくＴ。にすることにより、コ
ア１が超伝導状態に転位し、スクイッド３が囲む面積内
の磁束が排除される。いわゆるマイスナー効果である。

（２）次にヒータ４を用いてコア１を加熱しＴｃｃくＴ
ＮＴ。とし、コア１を超伝導から常伝導状態に転位させ
ることにより、排除されていた外部磁束Φ翼がスクイッ
ド３に入ろうとする。このとき前記スクイッド３に入ろ
うとする外部磁束Φ、を打ち消す方向の外部磁束Φ８°
を発生する出力電圧ｖ０すなわち磁束検出信号ｖ０が得
られる。この磁束検出信号■。を高精度で読み取ること
により磁束量子Φ。単位の１０００分の１の精度で磁束
の変化を検出することができる。なお、前記磁束検出信
号■。をフィードバックコイル８に帰還させない場合、
またはフィードバックコイル８を省略した場合等には前
記排除されていた外部磁束Φ８が磁束量子Φ。単位でス
クイッド３に入る。このとき、前述の第６図に示すよう
な三角波パターンの磁束検出信号Ｖ、が出力される。こ
の三角波パターンの山または谷の数を計数することによ
り磁束量子Φ。単位で磁束を検出することができる。

そして、前記検出した外部磁束Φ８をスクイッド３の面
積で割ることにより外部磁界の大きさを検出することが
できる。

次に第２図により本発明の第２実施例を説明する。

この第２実施例は、前記第１実施例の符号１〜４で示さ
れた構成要素が符号１′〜４′で示すように構成された
点で第１実施例と相違するが、他の点では同一である。

第２図において、超伝導体で造られた円筒状のコア１′
の側面には薄い絶縁層２′を介して磁束検出用のスクイ
ッド３′が配設されている。このスクイッド３′は１個
のジョセフソン接合を有する超伝導体のリングにより形
威されたＲＦスクイッドであり、薄膜技術により形威さ
れている。また、スクイッド３′は前記コア１′よりも
臨界温度の高い超伝導体が用いられる。

また、前記コア１′の上面には薄い絶縁層（図示せず）
を介して、コア１′の加熱手段であるヒータ４′が配設
されている。

この第２実施例も前記第１実施例と同様の作用を奏する
。

前述の本発明の各実施例によれば、スクイッドそのもの
を検出コイルとして使用し、従来の検出コイルと、この
検出コイルおよび従来のスクイッド間に設ける磁束伝達
部とを省略したので、構成が簡素になるとともに、磁束
検出作業の開始時に磁束伝達部や検出コイルを貫通して
いる残留磁束の影響を除くことができる。したがって磁
束そのものの大きさを高精度に検出することができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は前記
実施例に限定されるものではなく、種々の変形例が考え
られる。

例えばコア１，１′は円柱状ではなく角柱状にすること
も可能であり、磁束検出用スクイッド３゜３′は蒸着に
よる以外に単に超伝導線を巻くことによっても作ること
が可能である。また、薄い円板状のセラミック等の絶縁
体の表面にジョセフソン接合を有する超伝導リングを形
威し、これを超伝導体で構成したコアの表面に張り付け
ることも可能である。さらに、ヒータ４．４′は、コア
１゜１′以外の適当な位置に配設することも可能であり
、また、省略することも可能である。そして、ヒータ４
．４′を省略した場合には、適当に温度調節された冷媒
等を用いることにより、低温槽９内の温度ＴをＴ　＜　
Ｔ　ｃｃ　＜　Ｔ　ｃ　ｋからＴｃｃくＴ＜Ｔｃｋに上
昇させて、その状態に保持するようにすればよい。さら
にまた、スクイッド３は直交３軸方向に３個配置するこ
とにより３次元空間内の磁界の向き、大きさを検出する
ことが可能である。そして、さらにフィードバックコイ
ル８を省略して、フィードバックライン１７をＲＦコイ
ル５に接続することも可能である。

Ｃ１発明の効果 前述のように、本発明の磁束検出装置によれば、スクイ
ッド素子を用いた簡単な構成により外部磁束の変化を高
精度で検出できるだけでなく、外部磁束の大きさそのも
のを高精度で検出することができ、医療や資源探査等の
分野において広く応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の磁束検出装置の一実施例の構成図、第
２図は本発明の他の実施例の要部の構成図、第３図はス
クイッドを用いた従来の磁束検出装置の説明図、第４へ
・６図はスクイッドを用いた磁束検出装置の作用説明図
である。 １．１′・・・コア、２，２′・・・絶縁層、３，３′
・・・磁束検出用スクイッド、４．４′・・化−タ、９
・・・低温槽

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超伝導体で作られたコアと、このコアの表面に絶縁層を
   介して配設されるとともに前記コアよりも臨界温度の高
   い超伝導体で作られた磁界検出用のスクイッドとが、外
   部磁界を遮蔽しない低温槽内に配置された磁束検出装置
   。