JPH0638103B2 - 直流型squid装置 - Google Patents

直流型squid装置

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JPH0638103B2
JPH0638103B2 JP62246860A JP24686087A JPH0638103B2 JP H0638103 B2 JPH0638103 B2 JP H0638103B2 JP 62246860 A JP62246860 A JP 62246860A JP 24686087 A JP24686087 A JP 24686087A JP H0638103 B2 JPH0638103 B2 JP H0638103B2
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squid
voltage
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真也 栗城
研一 小松
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、直流型SQUID(超伝導量子干渉素子)装
置に関する。
(従来の技術) 微小磁束(磁界)を検出するためのものとして、SQU
ID(Superconducting Quantum Interference DEVIC
E:超伝導量子干渉素子)が知られている。これは第1
0図に示すようにジョセフソン素子を2個含む超伝導ル
ープからなり、素子を一定の直流電流でバイアスすると
き、端子電圧Vがループを貫く磁束φにより、磁束量子
φ(=2×10-15Wb )単位で変化する特性をもつ
ことを利用して微小磁界を計測するものである。
ところで、前記バイアスに交流矩形波を用いて、磁束変
調と併用してSQUIDを制御する公知例(米国特許第
4,389,612)がある。これを第11図のタイムチャート
を参照して説明する。
先ずバイアスとして+Iと−Iの間を変化する矩形
波電流Iを用いると共に、このバイアス電流Iの周
波数fb の1/4の周波数fm をもつ交流磁束φm をS
QUIDのループに加えて端子電圧を変調した後、それ
を増幅して増幅変調電圧Vを得る。この変調電圧の△
Vに相当する周波数成分電圧Vfm を得た後、このVf
m から参照信号Vを生成し、この参照信号Vを復調
器に印加することによって入力磁場φの変化に対応した
復調信号Vd(φ)を得るようにしている。
この公知例によれば、前記交流バイアスにより、熱的な
電流変動雑音を除去することができるというものであ
る。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら前記公知例では、温度変化に基づく電流変
動ノイズの除去、すなわち、ジョセフソン素子に含まれ
る抵抗が発生する熱雑音の除去には効果があるものの、
SQUIDの端子電圧の変動に基づく雑音(特に低周波
雑音)を除去することはできない。
この問題を第12図を参照して説明する。上記公知例で
は正と負の参照電圧VrとVrを変調磁束φmの
「1」,「0」の周期に対応して切換えることによって
参照信号Vを得ている。このように変調磁束φmの変
化に対応して参照信号を反転させているため、変調磁束
の周波数よりも高い周波数のバイアス電流Ioの正負に
よって変化する磁束変動ノイズ(△V)を除去すること
はできない。
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、熱雑音
のみでなく、端子電圧変動に基づく雑音をも除去するこ
とのできるSQUID装置を提供することを目的とする
ものである。
[発明の構成] (問題点を解決するための手段) 前記問題を解決するために本発明は直流型SQUID
と、これを駆動制御する手段とからなる直流型SQUI
D装置において、前記直流型SQUIDに周波数fb を
有する正,負の交番バイアスを与えるバイアス電流供給
手段と、このバイアス電流の周波数fb より高い周波数
であって、この周波数fb の整数倍の周波数fm の交流
磁束を与えることにより前記直流型SQUIDの電圧を
変調する変調磁束供給手段と、前記変調電圧を復調し、
この復調電圧について前記正,負バイアス時のそれぞれ
の電圧を参照信号として連続波形を作成する復調手段
と、この復調信号を磁束として前記直流型SQUIDに
フィードバックする手段とを有するものである。
(作 用) 変調磁束に含まれる雑音成分が、それよりも低い周波数
のバイアス電流の変化の各周期内に取り込まれ、最終的
に復調電圧波形に表わるので、容易に除去することがで
きる。
(実施例) 以下実施例により本発明を具体的に説明する。
同図において1は発振器であり、2は発振器の発振出力
に基づいて正と負に交互に変化するバイアス電流Ib
(周波数fb)を発生するバイアス電流発生回路であ
り、3は変調磁束φm(t)を発生する変調磁束発生回路で
ある。この変調磁束φm(t)の周波数fm は前記バイアス
電流の周波数fb の4倍(fm =4fb)としてある。
前記バイアス電流Ib は、SQUIDの出力端を通るこ
とにより変調電圧Vm(t)を作り、交流増幅回路4に入力
される。前記変調磁束信号φm(t)は正バイアス及び負バ
イアスの各位相調整回路5,6に印加されると共に、S
QUIDの変調コイルLに印加されている。これら正,
負バイアス調整回路5,6の出力はそれぞれ参照信号切
換手段7のVr端子,Vr端子に印加されている。
前記参照信号切換手段7は前記バイアス電流Ib の正,
負切替タイミングに基づいて制御されるようになってい
る。この参照信号Vは復調回路8に入力される。復調
回路8では前記交流増幅器4からの周波数fm 成分の電
圧Vfm を前記参照信号Vとの関係で復調し、復調電
圧Vd(φ)を出力する。この復調電圧Vd (φ)は積
分器9で積分されて出力OUTとなると共に電圧/電流
変換器10によって電流変換されてフィードバック電流
として前記変調コイルLに供給される。
次に第2図のタイムチャートをも参照して前記装置の動
作を説明する。
変調磁束発生回路3から周波数fm の交流磁束φmが発
生し、これが変調コイルLを介してSQUIDのループ
に印加され、端子電圧を交流化(変調)する。
上述の磁束変調を行ないながら変調周波数fm より低い
周波数fb(fm/n:nは整数)でバイアス電流を正(+I
b)と負(−IB)との間で交番させる。この実施例では
fb =fm/4である。この結果、第3図にも示すように
正バイアスに対する変調電圧Vm+(t)と負バイアスに対
する変調電圧Vm-(t)が周期1/5b で交代する波形が
得られる(第2図中のVm(t)のA,B,C,Dと第3図
のA,B,C,Dが対応する)。
次に交流増幅回路4で前記変調電圧Vm(t)のfm 成分の
みが連続するような増幅信号Vfm(t)が得られる。
そして、この信号Vfm(t)は、変調磁束φm(t)を別々に
位相調整して得られた2つの参照信号Vr(t) とVr
(t) により交互に復調され、連続した復調電圧Vd と
なる。この信号Vd の低周波数若しくは直流成分はSQ
UIDの端子電圧V(φ)と同様に磁束φにより周期的
に変化する特性Vd (φ)をもっている。
復調電圧Vd (φ)は積分器9(低域フィネルタでもよ
い)によりfm やfd 成分が除去された後、電流に変換
され、変調コイルLにより磁束としてSQUIDにフィ
ードバックされる。この結果SQUIDループ内の磁束
は一定に保たれフィードバック電流は信号磁束φに比例
した出力信号となる。
次に第4図乃至第7図をも参照して雑音除去の原理につ
いて詳述する。
直流SQUIDの雑音源には複数の種類があり、ジョセ
フソン素子に含まれる抵抗が発生する熱雑音の他に見か
け上SQUIDの端子電圧Vが変動するような雑音があ
る。VはSQUIDループを貫く磁束φの関数であるの
でVの変動はV−φ特性におけるV(φ)の変動でもあ
る。そこで先ずV(φ)の変動として、φは変化せずに
Vのみが変動するような場合についてみると、第4図に
示すように変調磁束φm(t)により生ずる変調電圧Vm(t)
の波形には変化がない。従ってこのような雑音は前記磁
束変調を施した段階で自動的に除去されることとなる。
次にV−φ特性においてφを変動させるような雑音につ
いてみると、正バイアス時と負バイアス時とにおいて、
第5図のδφと−δφのように、互に逆方向に変動する
雑音と、第6図のように同一方向に変動するような雑音
の2種類がある。このような雑音のうち第6図に示すよ
うな雑音は、SQUIDのループ内にδφの外部磁束が
入ったことと全く等価となるので信号と何ら変るところ
はなく、除去すべき手段は全くない。
しかし、第5図に示すような雑音は、変調磁束φm(t)を
与え、それによって得られる変調電圧Vm(t)を考える
と、第7図に示すようにδφと−δφで生ずる。Vm(t)
とVm(t)の成分は大きさも極性も等しいことが分る。こ
れに対し、信号磁束が加わるときは正バイアス,負バイ
アスいずれのバイアス時も同じ向きの変動δφとして働
くため、変調電圧Vm+(t) とVm-(t) は大きさが等し
く極正が逆となる。次にVm(t)を復調するとき、別々の
参照信号を用いて交互に復調を行ない、負バイアス時に
は復調電圧の極性が反転するようにする。(あるいは正
バイアス時の反転)。その結果復調信号Vd においては
δφと−δφで変動するような雑音は相殺され、バイア
スの方向によらずδφで変化するような磁束信号のみが
残る。この復調信号に比例するような磁束をSQUID
のループにフィードバックするとSQUIDは一定の磁
束状態にロックされ、フィードバック電流が信号磁束に
比例する出力となる。この出力においては、V(φ)特
性に変動を与えるような前述の3種類の雑音のうち、第
6図に示した雑音を除く他の雑音は除去されるのでSQ
UID装置の低雑音化が図れる。
前記第2図のタイムチャートに戻って考案すると、雑音
による磁束変動はバイアス電流の向きにより変化するの
でφm の点線で示す状態となる。そして変調電圧Vfm
の雑音成分はIb の正,負によらず同位相であるので参
照信号の正負により符号が変化し、復調信号Vd の点線
のようになる。よって雑音による出力は積分器または低
域フィルタによって除去できることになるわけである。
ところで、直流SQUID装置の雑音−周波数特性では
白色雑音が 100〜1000Hz以上で見られ、それより低い
周波数では周波数の減少とともに増加する雑音が存在す
る。この低周波数雑音は特に低周波数(100Hz以下)の
信号を測定する場合には重大な問題となる。低周波数雑
音の原因は明確ではないが、何らかの要因でSQUID
のパラメータ(例えば抵抗や臨界電流値)が変動するこ
とが考えられる。このような変動によりV(φ)特性は
等価的な電圧変動δVと磁束変動δφの両者により変動
する。ここで、磁束変動はバイアス電流の向きにより反
転するような性質をもっている。従って本発明のSQU
ID装置によれば低周波雑音を低減することで可能とな
る。
本発明は前記実施例に限定されず種々の変形実施が可能
である。
前記実施例ではバイアス電流Ib を直線的な立上り及び
立下りを有する矩形波としたが、これを第8図に示すよ
うに立上り立下りが傾斜面となるような矩形波としても
よい。通常SQUIDの電圧Vは正バイアスと負バイア
スで直流成分を持つためバイアス電流Ib の変化時に変
調電圧Vm(t)には第9図のようなスパイク電圧が生ずる
ことになる。これを第8図の如き立上り、立下りを有す
る矩形波とすることにより上記スパイク分を減少させる
ことができるという利点がある。また、変調磁束の周波
数よりもバイアス電流の周波数のほうが低いので、単位
時間に生じる上記スパイク分の数が少ないという利点も
ある。
[発明の効果] 以上詳述した本発明によれば、SQUIDを構成するジ
ョセフソン素子に含まれる抵抗が発生する熱雑音のみで
なく、端子電圧Vの変動による雑音や低周波雑音をも除
去でき、大幅な雑音低域化が図れるSQUID装置を提
供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明SQUID装置の一実施例を示す回路ブ
ロック図、第2図及び第3図は上記実施例の動作説明の
ためのタイムチャート、第4図乃至第7図は種々の雑音
源の説明図、第8図は本発明の他の実施例に用いられる
バイアス電流波形図、第9図はその実施例による効果説
明図、第10図はSQUIDの原理図、第11図は公知例
に基づく動作を説明するためのタイムチャート、第12図
は公知例の問題点を説明するためのタイムチャートであ
る。 1……発振器、2……バイアス電流発生回路、 3……変調磁束発生回路、4……交流増幅回路、 5,6……位相変調回路、7……参照信号切換手段、 9……積分器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流型SQUIDと、これを駆動制御する
    手段とからなる直流型SQUID装置において、前記直
    流型SQUIDに周波数fb を有する正,負の交番バイ
    アスを与えるバイアス電流供給手段と、このバイアス電
    流の周波数fb より高い周波数であって、この周波数f
    b の整数倍の周波数fm の交流磁束を与えることにより
    前記直流型SQUIDの電圧を変調する変調磁束供給手
    段と、前記変調電圧を復調し、この復調電圧について前
    記正,負バイアス時のそれぞれの電圧を参照信号として
    連続波形を作成する復調手段と、この復調信号を磁束と
    して前記直流型SQUIDにフィードバックする手段と
    を備えたことを特徴とする直流型SQUID装置。
  2. 【請求項2】前記交流磁束の周波数fm をバイアス電流
    の周波数fb の4倍としたことを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の直流型SQUID装置。
  3. 【請求項3】前記バイアス電流は立ち上がり及び立ち下
    がり時に傾斜を持つ交番波形であることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の直流型SQUID装置。
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