JPH06174811A - Ｓｑｕｉｄ磁束計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 出力電圧を基準電圧と比較する方式を用い電
子回路を単純化するとともに、超伝導回路を複雑化する
ことなくバイアス電流の変動による磁束雑音を低減しう
るＳＱＵＩＤ磁束計を提供する。 【構成】 ＳＱＵＩＤループ１，１１のバイアス電流注
入位置２，１２を非対称位置に設け、出力電圧を基準電
圧と比較することにより磁束ロックループを構成し、バ
イアス電流Ｉb の変動による磁束雑音を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、心磁波、脳磁波、眼筋
磁場等の生体磁気計測、または、地磁気計測、あるいは
物質の帯磁率計測、さらには磁気的信号伝送用のインタ
ーフェイス等に適したＳＱＵＩＤ（Superconducting Qu
antum Interference Device ：超伝導量子干渉デバイ
ス）磁束計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＳＱＵＩＤ磁束計に用いるＳＱＵ
ＩＤとしては、超伝導ループ内にジョセフソン接合を２
個含むｄｃＳＱＵＩＤと、ジョセフソン接合を１個含む
ｒｆＳＱＵＩＤとがあるが、前者は後者に比べ雑音特性
が優れているため広く研究が進められている。以下、ｄ
ｃＳＱＵＩＤ（単にＳＱＵＩＤと呼ぶ）について説明す
る。図５は、従来のＳＱＵＩＤの模式図であり、２つの
ジョセフソン接合２５，２６を含む超伝導ループ２１に
直流電圧端子を設けた構成になっている。図５におい
て、Ｉc はジョセフソン接合の臨界電流を、Ｌs は超伝
導ループのインダクタンスをそれぞれ示している。Ｒは
ジョセフソン接合の常伝導抵抗であり、トンネル接合の
場合はヒステリシスを消すために加えたシャント抵抗で
ある。上記のＳＱＵＩＤの特性と動作を図６により説明
する。ＳＱＵＩＤとは、超伝導ループ２１内に外部から
磁束が印加されると、ループに周回電流が誘起され、ル
ープ内のジョセフソン接合における量子的な干渉効果に
より、印加された外部磁束の微小な変化が周回電流の大
きな変化となって現れることを利用して、微小磁束変化
を測定するものである。この場合、超伝導ループ２１の
中に入る外部磁束Φext が、磁束量子Φo の整数倍のと
きは、ＳＱＵＩＤに電圧を発生せずに流し得る最大の電
流（以下、最大電流という）は、２Ｉc となり、ＳＱＵ
ＩＤの電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）は、図６（Ａ）に
おいてＡで示す曲線になる。外部磁束Φext が磁束量子
Φo の（整数＋１／２）倍のときは、最大電流は（２Ｉ
c −ΔＩ）となり、ＳＱＵＩＤのＩ−Ｖ特性は、図６
（Ａ）においてＢで示す曲線になる。Φを連続的に増や
していくと、Ｉ−Ｖ特性は上記の２つの曲線ＡとＢの間
を往復し、その周期はΦo となる。したがって、 Ｉ＝２Ｉc となるように電流をバイアスして電圧を観測すると、図
６（Ｂ）に示すような周期Φo の磁束−電圧曲線（Φ−
Ｖ曲線）が得られる。ΔＩ／２Ｉc の値はＳＱＵＩＤの
変調深さと呼ばれており、遮蔽パラメータβ（＝２Ｌs
Ｉc ／Φo ）の関数として詳しく計算されている。概略
的には、 ΔＩ／２Ｉc ＝１／（１＋β） となり、βが大きい方が変調は浅くなる。次に、図７
に、従来のＳＱＵＩＤ磁束計２０の構成を示す。ＳＱＵ
ＩＤループ２１は、通常大きくないため、計測すべき磁
場を直接ループ内に入れるには効率が悪い。そこで、測
定すべき磁場は、ピックアップコイル２３によって検出
され、入力コイル２４を通じてＳＱＵＩＤループ２１に
結合される。入力コイル２３に隣接するコイル２８は変
調コイルであり、この変調コイル２８により、発振器２
９でドライブされた変調磁束がＳＱＵＩＤループ２１に
加えられる。この場合、ＳＱＵＩＤループ２１，入力コ
イル２４および変調コイル２８は、超低温格納容器等の
内部に格納され、超低温状態（約４Ｋ）に維持されてい
る。ＳＱＵＩＤの出力電圧は、インピーダンス整合回路
３２および前置増幅器３３を経てＰＳＤ（Phase Sensit
ive Detector：位相弁別器）３５においてロックイン検
波され、Φ−Ｖ曲線の１次微分が得られる。この出力を
上記の変調コイル２８に加算してネガティブフィードバ
ックすると、Φ−Ｖ曲線の１次微分が零になる点（山あ
るいは谷）に安定し、測定すべき磁場は、上記のフィー
ドバック量を出力Ｖout でモニターすることにより得る
ことができる。この状態を「ロックされた」と表現す
る。上記の方法は、ＦＬＬ（Flux Locked Loop：磁束ロ
ックループ）法と呼ばれ、いわゆる「零位法」の一種で
あり、入出力の関係が線形になるのが特徴である。図７
において、インピーダンス整合回路３２は、超低温状態
（約４Ｋ）のＳＱＵＩＤ２１と室温状態にある前置増幅
器３３とのインピーダンスマッチングをとるためのもの
であり、図示したＬＣ回路のほか、超伝導トランスが用
いられる場合も多い。上記のように、磁束電圧特性（Φ
−Ｖ特性）の周期関数に対して、ある周波数の変調磁束
を与えてその出力電圧を同じ周波数で検波する方式で
は、図８に示すように、バイアス電流Ｉb の注入位置２
２はＳＱＵＩＤループ２１のインダクタンスに関して対
称位置となっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の方
式のＳＱＵＩＤ磁束計では、変調を加えるための発振
器、検波するための位相弁別器などが必要になり、電子
回路が複雑になる、という欠点があった。これに対し
て、D. Drungらは、変調をかけずに直接出力電圧を基準
電圧と比較する方式を提案した。また、あわせて、ＳＱ
ＵＩＤループを並列に接続したループとすることでイン
ダクタンスを小さくし、磁場を直接ＳＱＵＩＤループに
結合することが可能な方式を提案した。このことによ
り、彼らの方式では、従来方式における入力コイルは不
要となった。以下に、彼らの方式によるＳＱＵＩＤ磁束
計の概要を説明する。すなわち、図９に示すように、Dr
ung らのＳＱＵＩＤ磁束計４０では、ＳＱＵＩＤ４１の
出力電圧は、積分増幅器５４において基準電圧と比較さ
れて増幅される。そして、帰還コイル４８へのフィード
バックにより、ＳＱＵＩＤ４１の出力電圧が基準電圧と
一致するような磁束のところにロックがかかる。上記の
通常方式のＦＬＬでは、Φ−Ｖ曲線の１次微分が零にな
るところでロックをかけるが、Drung らの方式では、微
分する前のΦ−Ｖ曲線で値が零になるところにロックを
かけようとするものである。このDrung らの方式では、
ＳＱＵＩＤの出力電圧を正負に振動させる必要があり、
Φ−Ｖ曲線にバイアス電圧をはかせている。換言すれ
ば、出力電圧を基準電圧と比較していることになる。こ
のDrung らの方式では、ロックイン検波ではないので、
分解能は悪くなるが、図７と図９とを比較してわかるよ
うに、発振器や位相弁別器がなどが不要となり、電子回
路の複雑化が防止される。しかしながら、彼らの方式で
は、バイアス電流が変動すると、出力電圧が変動し、こ
れが磁束計の磁束雑音になるという欠点があり、これを
防ぐために、Drung らは、図１０に示すような構成のＢ
ＣＦ（Bias Current Feedback ：バイアス電流フィード
バック）を提案した。これは、バイアス電流の変動をイ
ンダクタンスを通じてＳＱＵＩＤ自身にフィードバック
することによりバイアス電流の変動をキャンセルしよう
とするものである（D. Drung and H. Koch, "An Electr
onicSecond - Order Gradiometer for Biomagnetic A
pplications in ClinicalShielded Rooms", ASC'92,
Chicago, August, 1992（米国電気電子学会（ＩＥＥ
Ｅ）発行「Transaction on Superconductivity」1993
参照））。しかしながら、図１０に示すＢＣＦ方式で
は、図５と比較してわかるように、ＳＱＵＩＤループを
含む超伝導回路部分が複雑になる、という問題点を有し
ていた。そして、このＢＣＦ方式においても、図１０に
示すように、バイアス電流の注入位置４２はＳＱＵＩＤ
ループ４１のインダクタンスに関して対称位置となって
いた。本発明は、これらの問題点を解決するためになさ
れたものであり、出力電圧を基準電圧と比較する方式を
用い電子回路を単純化するとともに、超伝導回路を複雑
化することなくバイアス電流の変動による磁束雑音を低
減しうるＳＱＵＩＤ磁束計を提供することを目的とす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係るＳＱＵＩＤ磁束計は、ＳＱＵＩＤルー
プのバイアス電流注入位置を非対称位置に設け、出力電
圧を基準電圧と比較することにより磁束ロックループを
構成し、バイアス電流の変動による磁束雑音を低減する
ように構成される。

【０００５】

【作用】上記構成を有する本発明によれば、バイアス電
流の注入位置を非対称位置とすることにより、バイアス
電流を変えると、磁束−電圧特性（Φ−Ｖ特性）は、図
３の左側のグラフに示すように磁束軸（Φ軸）の方向に
シフトしていく。これをバイアス電流−電圧軸で見る
と、図３の右側のグラフに示すように、バイアス電流の
変動に対し電圧の変動が鈍くなり、バイアス電流の変動
がキャンセルされることになる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。図１は、本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ磁
束計におけるＳＱＵＩＤループ１の構成を示した等価回
路図である。

【０００７】このＳＱＵＩＤループ１は、インダクタン
ス３，４と、ジョセフソン接合５，６とを有し、その一
部が位置７で接地されたＳＱＵＩＤループであり、イン
ダクタンスに関して非対称となる位置２にバイアス電流
Ｉb が注入されるように構成されている。

【０００８】図２は、上記のＳＱＵＩＤループを用い
た、２個の環を有するdouble - washer 型の、出力電圧
を基準電圧と直接比較する方式のｄｃＳＱＵＩＤ磁束計
の一部の構成を示した図である。図に示すように、所定
のインダクタンスを有するＳＱＵＩＤループ１１には、
ジョセフソン接合たるトンネル接合１３，１３が設けら
れ、インダクタンスに関して非対称となる位置１２にバ
イアス電流Ｉb が注入されるように構成されている。ま
た、１４は入力コイルであり、この入力コイル１４は図
示しないピックアップコイルに接続されている。そし
て、本実施例のＳＱＵＩＤ磁束計は、上記のＳＱＵＩＤ
ループ１またはＳＱＵＩＤループ１１以外の構成は、図
９に示すものと同様である。

【０００９】図３は、上記のｄｃＳＱＵＩＤの外部から
印加される磁束である外部磁束Φext と出力電圧Ｖとの
関係（Φ−Ｖ特性）、およびバイアス電流を変化させた
ときの電流と電圧の関係（Ｉ−Ｖ特性）を説明する概念
的特性グラフである。バイアス電圧の注入位置を図１お
よび図２に示すようにＳＱＵＩＤループのインダクタン
スに関して非対称にすると、磁束−電圧特性（Φ−Ｖ特
性）は、磁束軸（Φ軸）の方向にシフトしていく（図３
左側グラフ）。

【００１０】そして、これをバイアス電流と電圧の関係
（Ｉ−Ｖ特性）で見ると、その特性曲線上には停留点ａ
が生じ、バイアス電流が変動しても出力電圧の変化は鈍
くなる。したがって、この停留点の特性を利用すれば、
バイアス電流の変動による磁束雑音を所定値以下に抑制
することが可能となる。

【００１１】図４は、図２のｄｃＳＱＵＩＤにおいて、
バイアス電流を０μＡ（マイクロアンペア），６６，８
８，１１０，１３２，１５４μＡに変えていった場合に
おける外部磁束（１目盛＝０．４３Φo ，Φo ：磁束量
子）と、その場合のＳＱＵＩＤの出力電圧（１目盛＝２
０μＶ，μＶ：マイクロボルト）を示したΦ−Ｖ特性グ
ラフであり、図３の左側のグラフ（磁束−電圧特性）に
相当するものである。

【００１２】この図４のｂの箇所から、出力電圧値の変
動に対するバイアス電流値の変動であるｄＩb ／ｄＶを
読み取ると、バイアス電流が８８μＡの出力電圧曲線と
バイアス電流が１１０μＡの出力電圧曲線とのバイアス
電流の差は、 ｄＩb ＝２２μＡ であり、図４のｂの箇所における２つの出力電圧曲線の
電圧値の差（換言すれば、２つの曲線の離隔）は、 ｄＶ＝２μＶ であるから、 ｄＩb ／ｄＶ＝２２μＡ／２μＶ＝１１Ａ／Ｖ となり、図４の特性の場合はｂ点が停留点となることが
わかる。

【００１３】したがって、磁束雑音を

【数１】 以内に抑えるためには、

【数２】 と、

【数３】 より、バイアス電流の変動を、

【数４】 の範囲内に抑えれば十分であることがわかる。ここに、
ｎＡはナノアンペアである。

【００１４】通常、図９に示す前置増幅器５３として市
販の増幅器を用いた場合、バイアス電流の変動値は、

【数５】 程度であるので、図９に示す前置増幅器５３として市販
の増幅器を用いれば上記のＩn の値の範囲内に抑えうる
電子回路は現在の技術で十分に実現可能である。ここ
に、ｐＡはピコアンペアである。したがって、出力電圧
を基準電圧と比較する方式を用いることにより電子回路
を単純化するとともに、超伝導回路を複雑化することな
くバイアス電流の変動による磁束雑音を低減することが
できる。

【００１５】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００１６】上記実施例においては、ｄｃＳＱＵＩＤと
して、２個の環を有するdouble - washer 型の場合を例
に挙げて説明したが、これは、他の形式のｄｃＳＱＵＩ
Ｄ、例えば、１個の環を有するsingle - washer 型、３
個の環を有するtriple - washer 型、あるいは一般にｎ
個の環（washer）を有する形式のものであってもよく、
これらの環においてインダクタンスがアンバランス（非
平衡、すなわち非対称）になるようにバイアス電流を注
入する構成であれば、どのようなｄｃＳＱＵＩＤであっ
ても本発明の効果を奏することができる。

【００１７】また、上記実施例においては、ジョセフソ
ン接合としてトンネル接合の場合を例に挙げて説明した
が、これは、他のジョセフソン接合（マイクロブリッ
ジ、点接触等）であってもかまわない。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本発明によれば、バイアス電流の注入位置を非対称位置
とすることにより、バイアス電流を変えると、磁束−電
圧特性は磁束軸の方向にシフトしていく。これをバイア
ス電流−電圧軸で見ると、バイアス電流の変動に対し電
圧の変動が鈍くなり、バイアス電流の変動がキャンセル
されることになる。したがって、出力電圧を基準電圧と
比較する方式を用いることにより電子回路を単純化する
とともに、超伝導回路を複雑化することなくバイアス電
流の変動による磁束雑音を低減することができる、とい
う利点を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計にお
けるＳＱＵＩＤループの等価回路図である。

【図２】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤ磁束計の一
部の構成を示す図である。

【図３】図２に示すＳＱＵＩＤループのΦ−Ｖ特性およ
びＩ−Ｖ特性を示す図である。

【図４】図２に示すＳＱＵＩＤループにおいて、バイア
ス電流を０，６６，８８，１１０，１３２，１５４μＡ
に変えていった場合における外部磁束と、その場合のＳ
ＱＵＩＤの出力電圧を示したΦ−Ｖ特性を示す図であ
る。

【図５】従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるＳＱＵＩＤの
模式図である。

【図６】図５に示すＳＱＵＩＤの特性を示す図であり、
図６（Ａ）は電流−電圧特性を、図６（Ｂ）は磁束−電
圧を特性を、それぞれ示している。

【図７】従来のＳＱＵＩＤ磁束計の全体構成を示す回路
図である。

【図８】従来のＳＱＵＩＤ磁束計におけるＳＱＵＩＤル
ープの等価回路図である。

【図９】Drung らによって提案されたＳＱＵＩＤ磁束計
の構成を示す回路図である。

【図１０】Drung らによって提案されたＳＱＵＩＤルー
プの等価回路図である。

【符号の説明】

１ ＳＱＵＩＤループ ２ バイアス電流注入位置 ３，４ インダクタンス ５，６ ジョセフソン接合 ７ 接地位置 １１ ＳＱＵＩＤループ １２ バイアス電流注入位置 １４ 入力コイル １５，１６ トンネル接合 ２０ ＳＱＵＩＤ磁束計 ２１ ＳＱＵＩＤループ ２２ バイアス電流注入位置 ２３ ピックアップコイル ２４ 入力コイル ２５，２６ ジョセフソン接合 ２７ 接地位置 ２８ 変調コイル ２９ 発振器 ３０ フェーズシフタ ３１ バイアス電流源 ３２ インピーダンス整合回路 ３３ 前置増幅器 ３４ 積分増幅器 ３５ ＰＳＤ ４０ ＳＱＵＩＤ磁束計 ４１ ＳＱＵＩＤループ ４２ バイアス電流注入位置 ４３ ピックアップコイル ４４ 入力コイル ４５，４６ ジョセフソン接合 ４７ 接地位置 ４８ 帰還コイル ５３ 前置増幅器 ５４ 積分増幅器 ６０ 超低温格納容器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＳＱＵＩＤループのバイアス電流注入位
   置を非対称位置に設け、出力電圧を基準電圧と比較する
   ことにより磁束ロックループを構成し、バイアス電流の
   変動による磁束雑音を低減したことを特徴とするＳＱＵ
   ＩＤ磁束計。