JPH0672913B2 - 磁束計測装置 - Google Patents

磁束計測装置

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JPH0672913B2
JPH0672913B2 JP61301944A JP30194486A JPH0672913B2 JP H0672913 B2 JPH0672913 B2 JP H0672913B2 JP 61301944 A JP61301944 A JP 61301944A JP 30194486 A JP30194486 A JP 30194486A JP H0672913 B2 JPH0672913 B2 JP H0672913B2
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magnetic flux
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/035Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using superconductive devices
    • G01R33/0354SQUIDS
    • G01R33/0356SQUIDS with flux feedback

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、微弱磁界の検出装置に係るものであり、例え
ば脳磁波、心磁波など人体から自然に出ている微弱磁界
の計測又は地球を取り巻く電離層や地球内部の油田層等
の磁気探査に用いられる高感度微弱磁界の検出装置に係
るものである。
従来の技術 高感度磁束計測には直流超伝導量子干渉デバイス(dc−
SQUID)あるいは高周波超伝導量子干渉デバイス(rf−S
QUID)と呼ばれるジョセフソン接合回路が使われてき
た。しかし、計測した微小磁束を示すこれらのデバイス
の出力信号には直流オフセットと呼ばれる非零定数が含
まれている。このため微小磁束の変化分ではなく微小磁
束の値そのものを求めるにはこの直流オフセットの値を
知って出力信号から直流オフセットの値を差引くことに
より零磁束較正を行う必要がある。しかし、この較正は
極めて難しいことゝされている。
発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、零磁束較正を行うことなく微小磁束の
値そのものを直接計測できる磁束計測装置を提供するこ
とである。
問題点を解決するための手段 この目的は本発明に従って、少なくとも1個のジョセフ
ソン接合に測定しようとする入力磁束と任意周波数の変
調磁束とを重畳して印加し、ジョセフソン接合に流れる
電流中入力磁束に直接比例する特定偶数高調波成分のみ
を分離表示することにより達成される。
測定しようとする入力磁束Φxと角周波数ωの変調磁束
Φf=Zcosωtをジョセフソン接合に印加する。Φθ
基本磁束量子(2×10-7ガウスcm2)、ジョセフソン接
合の磁束位相角をφ=2πφ/Φθとするとジョセフソ
ン接合に流れる電流は I=IMsinφ (1) で表わされる(IMは臨界電流)。ここで、 φx=2πΦx/Φθz=2πZ/Φθと起き重畳磁束の式
を書き直せば、 φ=Φx+zcosωtとなる。(zは変調指数と呼ぶ)こ
れを式(1)に代入するとIのフーリエ成分は次式
(2)で表わされる。
ここでJk(z)はk次のベッセル関数である。入力磁束Φ
xが微小(Φx《Φθ)でsinΦx≒ΦxcosΦx≒1の
近値ができる場合を考えると電流Iの偶数次高調波成分
I2nfは I2nf=IMΦx(−1)n J2n(z)cos2nωt (3) となる。この式から明らかなように、偶数次高調波成分
はΦxに比例し、その符号は入力磁束Φxの方向を示す
(入力磁束Φxの符号反転は偶数次高調波成分の位相反
転に相当する。)こゝで注目すべきは、零入力Φx=0
に対しては磁束位相角Φx=0となり、偶数高調波はす
べて消失することである。
特定の偶数高調波、例えば2次高調波成分I2fを高調波
分離手段によって分離し、変調磁束信号を基準として位
相同期検波するとその検波信号Soutは入力Φxに比例す
る。即ち、 Sout=GΦx (4) であり、比例計数Gはシステム利得である。従来のdc−
SQUIDとrf−SQUIDデバイスでは(4)式に相当する式は Sout=S0+G・Φx (5) となる。S0は直流オフセットである。既に述べたよう
に、このS0の値を知って零磁束較正を行うことは極めて
難しいが、本発明の場合にはS0=0であるから零磁束較
正は全く必要がなくなる。
実施例 第1図及び第2図を参照して本発明の微小磁束計測装置
の実施例を説明する。
第1図において、1は臨界電流IMで、流れる電流がIで
あるジョセフソン接合、2は周波数f(角周波数ω)の
変調磁束Φfと同期信号Sfの発生器、3は測定しようと
する磁束Φxと周波数fの変調磁束Φfとを重畳してジ
ョセフソン接合1に印加する磁束重畳手段、4はジョセ
フソン接合1に流れる電流I中の特定の偶数次高調波成
分I2nfを分離する高調波分離手段、5は増巾器、6は同
期位相検波器、そして7は負帰還回路をそれぞれ示す。
この実施例におけるように、出力信号Soutを入力磁束Φ
x側に負帰還して、微小磁束計測装置の実効利得を安定
化し、また入力磁束の動的測定範囲を拡大することがで
きる。
第1図の信号発生器2、増巾器5と位相同期検波器6は
周知の回路技術であるので特に詳しく説明しない。本発
明の中核である磁束重畳手段3と高調波分離手段4につ
いて第2図を参照して以下に説明する。
第2図でL0は測定しようとする磁束Φxのピックアップ
コイルであり、このコイルL0とコンデンサC0は入力磁束
用の低周波濾波器を構成してR0はそのダンピング抵抗で
ある。コイルL1とコンデンサC1は周波数fの変調磁束Φ
f用の第1の濾波器を構成する。
これら2つの濾波器の出力磁束は重畳(加算)されてジ
ョセフソン接合1に印加される。
コイルL2とコンデサC2は周波数2nfの第2の濾波器を構
成し、ジョセフソン接合1に流れる電流の2n次高周波成
分12nfを分離し、相互インダクタンスM2を介して取り出
す。
出力Soutの入力側への負帰還回路7は抵抗RSと相互イン
ダクタンスM0を介して行う。即ち第2図の実施例では低
周波濾波器(遮断周波数f0)と第1の濾波器とによって
磁束重畳を、そして第2の濾波器によって高調波電流の
分離をそれぞれ行うのである。
本発明の微小磁束測定装置ではジョセフソン接合はdc−
SQUIDデバイスとは異なり常に超伝導状態にある非線型
インダクターとして使用される。また、ジョセフソン接
合の動的インダクタンスをLj=Φ0/(2πIM)として、
第2図の回路をL1+L2+L3<Ljを満たすように設計すれ
ばジョセフソン接合の磁束と電流の関係はヒステリシス
特性を持たない1価関数となる。このためdc−SQUIDとr
f−SQUIDで顕著な1/f雑音(的周波側で周波数の逆数に
比例する雑音)と常伝導電子のショット(散射)雑音と
は本発明の微小磁束測定装置では非常に小さい。
本発明の磁束測定装置で主要な雑音はジョンソン雑音
(抵抗熱雑音)である。第2図の場合、低域濾波器のダ
ンピング抵抗R0は低域濾波器の共振周波数 付近における共振の鋭さ(Q)を低下させるのに不可欠
であるが、この抵抗がジョンソン雑音の主要な原因とな
る。
入力磁束Φx(低周波f0)と変調磁束Φf(低周波f)
と電流高調波成分(周波数2nf)とを重畳分離する手段
として濾波器の代わりに平衡変調器と呼ぶ2個のジョセ
フソン接合から構成される回路を使用すれば、ダンピン
グ抵抗R0に起因するジョンソン雑音を軽減することがで
きる。
その原理を便宜上負帰還はないものとして第3図の実施
例によって説明する。
第3図において8は平衡変調器を示す。平衡変調器8は
第2図の第1濾波器L1、C1とジョセフソン接合1に対応
し、それ以外の部分は第2図と同じである。平衡変調器
8中のJ1、J2は同一の臨界電流IMをもつ2個のジョセフ
ソン接合である。IBはこれら2個のジョセフソン接合を
流れる電流の和電流であり、平衡変調電流と呼ぶ。ま
た、平衡変調器8中のT1は3個の超伝導捲線をもつ変圧
器(相互インダンクタンス)である。ジョセフソン接合
J1には入力磁束Φxと変調磁束Φfの和(Φx+Φ
f)、ジョセフソン接合J2には差(ΦxxΦf)磁束をそ
れぞれ印加する。2個のジョセフソン接合J1とJ2に流れ
る電流の和であるIB(平衡変調電流)は(2)式の電流
Iを変調指数zと−zについて加算したものとなり、 となる。即ち奇数次フーリエ成分はすべて消えており、
高周波分離手段4による特定の偶数高調波成分の選択分
離に最も有利となる。
平衡変調器8の設計に際しては、平衡変調電流IBの変調
基本波成分を零にするため対になった回路素子の特性を
揃える必要がある。素子の特性が揃わない場合は、その
平衡基本波成分が出力に現れ、測定に悪影響を及ぼす。
特に、基本波成分は他の高調波成分に比べ大きいため、
僅かな素子特性の違いでも大きな信号が出力成分として
現れる。ジョセフソン接合は数十オングストロームの極
めて薄い絶縁膜を2枚の超電導金属で挟んだ構造となっ
ている。このため、同じ製作工程で作ってもジョセフソ
ン接合の臨界電流を揃えるのは極めて難しい。この問題
を解決するためのジョセフソン接合J2として電圧駆動型
超電導三端子素子J2′を使用する。この電圧駆動型超電
導三端子素子は例えばT.Nishino et al.“Three-Termin
alSuperconducting Device Using a Si Single-Cry-Sta
l Film",IEEE Electron Device Lett.,vol. EDL-6No.6
pp.297−299,June 1985に開示されている。この電圧駆
動型超電導三端子素子ではゲート端子に印加する電圧に
よりソース・ドレイン間に流れる臨界電流(ジョセフソ
ン電流)を制御できるので、制御電圧を適当に選択する
ことにより、二つの素子J1、J2の臨界電流を揃えること
ができる。ゲート端子の電圧は素子を作製した後に、外
部から印加できるため、例えば、磁束計測システムの初
期調整として入力信号が零の時に平衡変調電流IBの変調
基本波成分を零に設定すれば良い。この場合、変圧器T1
のばらつきをもこの調整で吸収できる。電圧駆動型三端
子素子の他に電流、磁束等による入力信号で臨界電流を
制御出来る素子を使用してもよい。
ジョセフソン接合2個から成る平衡変調器を2組(ジョ
セフソン接合は合計4個)使用する双平衡変換器と呼ぶ
回路により電流の直流成分と倍奇数成分(2・1=2、
2・3=6、2・5=10)を濾波器なしに分離すること
ができる。その原理を第4図の実施例によって説明す
る。
L0は入力磁力Φxのピックアップコイルである。8、8
は平衡変調器であり、T2は変圧器(超伝導捲線)であ
る。変圧器T2が高調波分離手段として作動し、平衡変調
器8、8が磁束重畳手段として作動する。
2組の平衡変調器8と8の一方に印加する変調磁束は
他方のそれと位相を90゜ずらせている。2組の平衡変調
電流IBとIB の差電流IQ=IB−IB を変圧器T2によって
取り出す。
IQでは(6)式の倍偶数成分0f(直流)、4f、8f、12f
・・・が消失し次の(7)式のように倍奇数成分2f、6
f、10f、14・・・のみが残る。
変調指数zとしてJ2(z)が最大となるz=3.0(J
2(z)≒0.5)に近い値を使うと6f成分は(J6(3.0)/
J2(3.0))=0.03であり、2f成分の3%程度しかない
(10f、14f成分は更に微小)。換言すれば、IQでは2次
高調波成分が圧倒的に多く、それ故変圧器T2は2次高調
波(周波数2nf、n=1)分離手段として作動する。
このようにして磁束重畳手段と高調波分離手段は濾波器
なしで構成することができる。
発明の効果 以上から明らかなように、本発明の微小磁束計測装置は
零磁束較正を不要とし、微小磁束の値そのものを直接計
測することができ、又各種雑音を著しく低減することが
できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の磁束計測装置の略図である。 第2図は本発明の磁束計測装置の磁束重畳手段、高調波
分離手段そして負帰還回路の実施例を示す。 第3図は平衡変調器を使用した磁束重畳手段を示す。 第4図は双平衡変調器を使用した磁束重畳・高調波分離
手段を示す。 図中: 1……ジョセフソン接合 2……信号発生器 3……磁束重畳手段 4……高調波分離手段 5……増巾器 6……同期位相検波器 7……負帰還回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも1個のジョセフソン接合に測定
    しようとする入力磁束と周期的に変化する変調磁束とを
    重畳して印加する磁束重畳手段、及び ジョセフソン接合に流れる電流の特定の偶数高調波成分
    を分離検出する高調波分離検出手段 を備えることを特徴とする磁束計測装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲(1)項に記載の磁束計測
    装置において、 高調波分離検出手段が、変調磁束を発生する信号を基準
    として前記の特定の偶数高調波成分を検波する同期位相
    検波手段を含む磁束計測装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲(1)又は(2)項に記載
    の磁束計測装置において、 磁束重畳手段は、入力磁束と結合する低域濾波器と変調
    磁束と結合する濾波器とを含み、高調波分離検出手段は
    前記の特定の偶数高調波成分を選択する濾波器を含んで
    いる磁束計測装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲(1)又は(2)項に記載
    の磁束計測装置において、 磁束重畳手段は、2個のジョセフソン接合と、一方のジ
    ョセフソン接合に入力磁束と変調磁束の和磁束を印加す
    る手段と、他方のジョセフソン接合に入力接合と変調磁
    束の差磁束を印加する手段とを備え両ジョセフソン接合
    に流れる電流の和を変調出力電流とする平衡変調器を含
    む磁束計測装置。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲(1)又は(2)項に記載
    の磁束計測装置において、 磁束重畳手段は、一対のジョセフソン接合と入力磁束と
    変調磁束の和磁束を一方のジョセフソン接合に印加する
    手段と、入力磁束と変調磁束の差磁束を他方のジョセフ
    ソン接合に印加する手段とを含む第1の平衡変調器及び
    一対のジョセフソン接合と、入力磁束と前記の変調磁束
    と位相が約90度異なる移相変調磁束との和磁束を一方の
    ジョセフソン接合に印加する手段と、入力磁束と前記の
    移相変調磁束との差磁束を他方のジョセフソン接合に印
    加する手段とを含む第2の平衡変調器を含み、高調波分
    離検出手段は両平衡変調器の出力電流の差電流を得る手
    段を含む磁束計測装置。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲(4)又は(5)項に記載
    の磁束計測装置において、対となっているジョセフソン
    接合の少なくとも一方が超電導三端子素子である磁束計
    測装置。
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