JPH0792247A - Squidマグネトメータ - Google Patents

Squidマグネトメータ

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JPH0792247A
JPH0792247A JP5257494A JP25749493A JPH0792247A JP H0792247 A JPH0792247 A JP H0792247A JP 5257494 A JP5257494 A JP 5257494A JP 25749493 A JP25749493 A JP 25749493A JP H0792247 A JPH0792247 A JP H0792247A
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JP
Japan
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squid
loops
magnetic field
loop
coil
Prior art date
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Application number
JP5257494A
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English (en)
Inventor
Naoki Matsuda
直樹 松田
Gen Uehara
弦 上原
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CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK
Original Assignee
CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 部品点数が少なく、かつ素子サイズも小さい
SQUIDマグネトメータを提供する。 【構成】 一辺2mmの角型のSQUIDループを4個並
列接続し、計測しようとする磁場を直接SQUIDルー
プに結合させて磁場計測を行なう。バイアス電流注入位
置は非対称位置であり、加算正帰還も採用する。

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
磁場等の生体磁場計測、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を伝送する通信
装置用のインターフェイス等に適したSQUID(Supe
rconducting Quantum Interference Device :超伝導量
子干渉デバイス)マグネトメータに関する。ここに、S
QUIDとは、液体ヘリウムや液体窒素等により断熱容
器(クライオスタット等)内で低温状態に維持され、ル
ープ内に1又は複数のジョセフソン接合を含む超伝導ル
ープであるSQUIDループに直流電流をバイアス電流
として印加して駆動し、このSQUIDループ内に、ピ
ックアップコイル(検出コイル)や入力コイル等を介し
て外部からの磁束を結合して印加すると、SQUID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
束の微弱な変化を出力電圧の大きな変化に変換するトラ
ンスデューサとして動作することを利用して、微小磁束
変化を測定する素子である。また、マグネトメータ(ma
gnetometer)とは、磁界あるいは特定の方向の磁界成分
の強さあるいは方向、あるいはこれらの両方を測定する
計器をいう。
【0002】
【従来の技術】従来、SQUIDマグネトメータは、図
7に示すような構成をとっていた。図7において、31
はバイアス電流源、32は低温状態(約4K)のSQU
ID21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インピーダンス整合回
路、35はPSD(Phase Sensitive Detector:位相弁
別器)、29は発振器を示している。図のような構成に
より、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は帰還コイルであり、この帰還コイル28により、
発振器29でドライブされた変調磁束がSQUIDルー
プ21に帰還(フィードバック)される。この場合、S
QUID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 Sensitive 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。この場合、SQUIDループ2
1は、磁束に対する磁場の感度である磁場−磁束感度が
悪いため、ピックアップコイル23と入力コイル24を
SQUIDループ25に付加して構成していた。従っ
て、素子の部品点数が多くなってしまう、という問題点
があった。この問題点を解決するため、PTB Berlin
のDrung らは、図8に示すような8個のループから成る
SQUIDマグネトメータを提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のDrung
らの提案によるSQUIDマグネトメータは、素子の寸
法が7.2mm角と大きく、量産に不向きである。さら
に、サイズが大きいため、実装した場合にセンサ部分が
大きくなり過ぎる、という欠点があった。本発明は、上
記の問題点を解決するためになされたものであり、部品
点数が少なく、かつ素子サイズも小さいSQUIDマグ
ネトメータ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マグネトメータは、SQU
IDループを偶数個並列接続し、計測しようとする磁場
を直接当該SQUIDループに結合させて磁場計測を行
なうように構成される。
【0005】
【作用】上記構成を有する本発明によれば、SQUID
ループを偶数個並列接続することによりSQUIDルー
プ全体のインダクタンスを小さくすることができ、磁場
−磁束感度が向上して、ピックアップコイルや入力コイ
ル等を用いず外部磁場を直接SQUIDループに結合し
ても十分検出することが可能となる。また、ピックアッ
プコイル等バイアス電流の注入位置を非対称位置とする
こと、各SQUIDループを相互に近接配置すること、
あるいは加算正帰還を行なうことにより、磁場−磁束感
度をさらに向上することができる。
【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マ
グネトメータ1の構成を示した平面図であり、図2は、
図1の部分Aをさらに拡大した図である。
【0007】図に示すように、このSQUIDマグネト
メータ1は、4個のSQUIDループ11a〜11d
と、APFコイル13と、APF抵抗14と、帰還コイ
ル18と、トンネル接合15,16と、シャント・ダン
ピング抵抗17とを備えて構成されている。また、バイ
アス電流IB は、パッド12から注入される。
【0008】上記において、SQUIDループ11a〜
11dは、それぞれ1辺が2ミリメートル角の角形ルー
プである。また、各SQUIDループ11a〜11dの
線幅は約0.1ミリメートルである。
【0009】上記のAPFコイルとは、このSQUID
マグネトメータ1によって計測される磁場のΦ−V曲線
(Φ:磁場,V:電圧)において、磁束−電圧変換係数
(伝達係数)と呼ばれる
【数1】 を積極的に大きくして、磁場検知の感度を向上させるた
めの対策であり、図3の等価回路図に示すように、バイ
アス電流IB の一部を、SQUIDループ11をシャン
トしているコイル13に分流させ、このコイル13がつ
くる磁束がSQUIDループ11に相互インダクタンス
Mを通じて結合することにより実現する加算正帰還(A
PF:Additional Positive Feedback)のためのコイル
である。
【0010】また、上記のシャント・ダンピング抵抗1
7は、SQUIDループ11a〜11dをシャントする
ための抵抗と、SQUIDループの「共振」を防止する
ためにSQUIDループに並列に挿入するダンピング抵
抗の役割とを兼用する抵抗である。このようなダンピン
グ抵抗の挿入によっても、磁場検出精度が向上する。
【0011】また、上記の帰還コイル18は、上記の4
個のSQUIDループ11a〜11dのうちのいずれか
一つに近接して配置され、1ターン又は複数ターン巻回
して構成されている。
【0012】また、上記のSQUIDループ11は、図
4の等価回路図に示すように、インダクタンスM1 ,M
2 と、ジョセフソン接合15,16とを有し、その一部
が接地された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。
【0013】このように、バイアス電流注入位置をSQ
UIDループのインダクタンスに関して非対称になるよ
うに構成すると、バイアス電流を変えると、磁束−電圧
特性(Φ−V特性)が、磁束軸(Φ軸)の方向にシフト
し、結局、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
り、バイアス電流の変動に伴う磁束雑音成分を有効に低
減できるのである。
【0014】さらに、上記の4項のSQUIDループ1
1a〜11dは相互に近接配置されている。このため、
計測しようとする外部磁場Φext を与えた場合にそれぞ
れのSQUIDループに発生する遮蔽磁場が相互に影響
しあうので、雑音成分がキャンセルされ、磁場検出精度
がより向上する。
【0015】次に、図5に、本実施例のSQUIDマグ
ネトメータの磁束−電圧特性を示す。図5において、横
軸である磁束軸の1目盛は0.63Φo (Φo :磁束量
子)を、縦軸である電圧軸の1目盛は20μV(マイク
ロボルト)を示す。この図5から、出力電圧値として約
50μVを明確に検出でき、本実施例のSQUIDマグ
ネトメータが、SQUIDとしての動作を十分果たして
いることが立証される。
【0016】次に、図6に、本実施例のSQUIDマグ
ネトメータの磁場−磁束感度特性を示す。この図6か
ら、検出しうる磁場−磁束感度が0.43nT/Φo
(nT:ナノテスラ)であることが読み取れる。これに
対し、Drung らの素子では、検出しうる磁場−磁束感度
は0.47nT/Φo (nT:ナノテスラ)であると報
告されており、この点において、Drung らの素子を凌駕
する磁場検知精度を有している。
【0017】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。
【0018】例えば、上記実施例においては、SQUI
Dループの個数を4個とした場合を例に挙げて説明した
が、これは、2以上の複数個であれば何個であってもよ
い。また、バイアス電流注入に関しては、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
構成であってもよい。
【0019】
【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、SQUIDループを偶数個並列接続す
ることによりSQUIDループ全体のインダクタンスを
小さくすることができ、磁場−磁束感度が向上して、ピ
ックアップコイルや入力コイル等を用いず外部磁場を直
接SQUIDループに結合しても十分検出することが可
能となる。また、ピックアップコイル等バイアス電流の
注入位置を非対称位置とすること、各SQUIDループ
を相互に近接配置すること、あるいは加算正帰還を行な
うことにより、磁場−磁束感度をさらに向上することが
できる、という利点も有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるSQUIDマグネトメ
ータの構成を示す平面図である。
【図2】図1における部分Aをさらに拡大した図であ
る。
【図3】図1におけるAPFコイルの構成を説明する等
価回路図である。
【図4】図1におけるバイアス電流注入位置の構成を説
明する等価回路図である。
【図5】図1に示すSQUIDマグネトメータの磁束−
電圧特性を示す図である。
【図6】図1に示すSQUIDマグネトメータの磁場−
磁束感度特性を示す図である。
【図7】従来のSQUIDマグネトメータの構成を示す
等価回路図である。
【図8】Drung らによって提案されたSQUIDマグネ
トメータの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 SQUIDマグネトメータ 11a〜11d SQUIDループ 12 バイアス電流注入位置 13 APFコイル 14 APF抵抗 15,16 トンネル接合 17 シャント・ダンピング抵抗 18 帰還コイル 20 SQUIDマグネトメータ 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 トンネル接合 27 接地位置 28 帰還コイル 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マグネトメータ 41a〜41h SQUIDループ 42 バイアス電流注入位置 43 APFコイル 44 APF抵抗 45,46 トンネル接合 47 シャント抵抗 48 帰還コイル 49 ダンピング抵抗 IB バイアス電流 Ic 臨界電流 Li ピックアップコイルインダクタンス Ls 超伝導ループインダクタンス R シャント抵抗 Rf 帰還抵抗

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SQUIDループを複数個並列接続し、
    計測しようとする磁場を直接当該SQUIDループに結
    合させて磁場計測を行なうことを特徴とするSQUID
    マグネトメータ。
  2. 【請求項2】 前記並列接続されるSQUIDループの
    個数は、4個であることを特徴とする請求項1に記載し
    たSQUIDマグネトメータ。
  3. 【請求項3】 前記並列接続されるSQUIDループの
    各々は、一辺が2ミリメートルの角形ループであること
    を特徴とする請求項2に記載したSQUIDマグネトメ
    ータ。
  4. 【請求項4】 前記SQUIDマグネトメータは変調磁
    束を帰還させるための帰還コイルを有し、当該帰還コイ
    ルは、前記複数個のSQUIDループのうちのいずれか
    一つに近接して配置され、1ターン又は複数ターン巻回
    したことを特徴とする請求項1に記載したSQUIDマ
    グネトメータ。
  5. 【請求項5】 前記SQUIDループはバイアス電流を
    注入するバイアス電流注入位置を有し、当該バイアス電
    流注入位置は非対称位置となるように設けられることを
    特徴とする請求項1に記載したSQUIDマグネトメー
    タ。
  6. 【請求項6】 前記複数個のSQUIDループは相互に
    近接配置され、計測しようとする外部磁場を与えた場合
    の遮蔽磁場が相互に影響しあうように構成したことを特
    徴とする請求項1に記載したSQUIDマグネトメー
    タ。
  7. 【請求項7】 前記複数個のSQUIDループに対し、
    加算正帰還を行なうことを特徴とする請求項1に記載し
    たSQUIDマグネトメータ。
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