JPH11264862A - 超伝導量子干渉素子磁束計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小な磁場、電流、電圧、電磁波などを検出
する超伝導量子干渉素子磁束計において、ＦＬＬ方式で
磁束計動作したときの動作点の安定と、磁束−電圧変換
効率の向上による分解能の向上を目的とする。 【解決手段】 ＦＬＬ回路内に設置した極性変換回路１
４を用いて、帰還−変調コイル３に送る帰還電流の極性
を変えることにより、ＦＬＬ動作時の動作点を、磁束−
電圧特性の傾きの急峻な位置に選択的に固定できる効果
を有する。また、第２の帰還回路１３により、急峻な傾
きを持つように磁束−電圧特性の傾きを制御することが
でき、超伝導量子干渉素子磁束計の分解能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は微小な磁場、電
流、電圧、電磁波などを検出する超伝導量子干渉素子磁
束計に関し、特に、高感度かつ低雑音の超伝導量子干渉
素子磁束計に関する。

【０００２】

【従来技術】従来技術を用いて構成された超伝導量子干
渉素子磁束計を図１０に示す。直流駆動型超伝導量子干
渉素子（以下ＤＣ−ＳＱＵＩＤと称する）５は、ＳＱＵ
ＩＤインダクタンス２と、その両端に接続された一対の
ジョセフソン接合１により超伝導リングを形成する。帰
還−変調コイル３は、超伝導リングに磁気結合されてい
る。また、磁束を入力するための入力コイル４が、超伝
導リングに磁気結合されている。

【０００３】ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５は超伝導リング内に交
錯した磁束Φに対し、その両端の電圧Ｖｓが１磁束量子
（Φ０：２．０７×１０−１５Ｗｂ）を周期として変化
する磁束−電圧変換素子である。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５に
一定のバイアス電流を供給した状態で得られる磁束−電
圧特性を図１１に示す。図１１に示すように、ＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ５は、磁束に対し高い感度を有するが、その応
答は非線形であり、ダイナミックレンジが狭い。

【０００４】通常、十分な線形性とダイナミックレンジ
を持つ磁束計実現するため、ゼロ位法の一種である磁束
ロック方式を用いたＦＬＬ（FluxLockedloop）回路１５
が駆動回路として使われる。ＦＬＬ回路１５は、ＤＣ−
ＳＱＵＩＤ５にバイアス電流を供給するバイアス電流供
給回路６、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５から送られる信号Ｖｓを
増幅する増幅回路７、増幅された電圧Ｖａの変化を蓄積
する積分回路８、その変化の基準となる参照信号Ｖｒを
与える参照信号発生回路９、積分回路８の出力Ｖｏに比
例する帰還電流Ｉｆを帰還−変調コイル３に供給する帰
還回路１０、調整時に磁束を超伝導リングに供給する調
整用信号発生回路１１、帰還電流Ｉｆを実際にＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ５に供給し、ＦＬＬ動作をスタ−トさせる帰還
用スイッチ１２で構成されている。増幅回路７は、前置
増幅器１６と第２増幅器１７からなる。

【０００５】ＦＬＬ回路１５を用いたＤＣ−ＳＱＵＩＤ
５の駆動方法について説明する。まず、帰還用スイッチ
１２をオフの状態で、バイアス電流供給回路６から定電
流Ｉｂを加える。また、調整用信号発生回路１１からＤ
Ｃ−ＳＱＵＩＤ５に磁束Φｍが送られる。このとき、超
伝導リング内の磁束Φに対する増幅回路７の出力電圧波
形Ｖａは図２となる。

【０００６】次に、参照信号発生回路９からＶｒを加
え、ＦＬＬ動作時の動作点をＶａ＝Ｖｒの位置にする。
この状態で、帰還用スイッチ１２をオンにして、ＦＬＬ
動作をスタ−トさせる。ＦＬＬ動作時は、磁束−電圧特
性において、一つの点（Ｖａ＝Ｖｒ、Φ＝Φｒ）に、動
作点が固定される。超伝導リング内の磁束が常にΦrに
なるよう、積分回路８の出力Ｖｏに比例する磁束Φｆが
帰還回路１０からＤＣ−ＳＱＵＩＤ５へ送られる。入力
コイル４から入力される磁束Φｉ＝帰還磁束Φfが保た
れる。その結果、入力磁束ΦｉとＦＬＬ回路１５の出力
電圧（積分回路８の出力）Ｖｏの間に線形の関係が得ら
れる。また、超伝導リング内の磁束Φの変化に対応する
ＶａとΦｒに対応するＶｒとの差分が、積分回路８に逐
次蓄積することにより、ダイナミックレンジの拡大が可
能となる。

【０００７】ここで、ＦＬＬ動作時の動作点は、図２に
おいて、正の傾きの領域にある点Ａ１、点Ａ２、点Ａ
３、そして、負の傾きの領域にある点Ｂ１、点Ｂ２、点
Ｂ３のいずれかに固定される。増幅回路７の出力電圧Ｖ
ａがＶｒより大きくなるとき、帰還回路１０が超伝導リ
ング内の磁束を減らす方向（正の向き）に働く場合、動
作点は、正の傾きの領域にあるＡ１、点Ａ２、点Ａ３の
いずれに固定される。一方、増幅回路７の出力電圧Ｖａ
がＶｒより大きくなるとき、帰還回路１０が超伝導リン
グ内の磁束を増やす方向（正の向き）に働く場合、負の
傾きの領域にある点Ｂ１、点Ｂ２、点Ｂ３に固定され
る。固定点が、正の傾きの領域となるか、負の傾きの領
域となるかは、帰還−変調コイルと超伝導リングとの結
合の向きと、そして、帰還回路１０から供給される電流
の極性とによって決まる。

【０００８】また、正の傾きの領域において、Ａ１、点
Ａ２、点Ａ３のいずれに固定されるかは、帰還用スイッ
チ１２をオンにした時の超伝導リング内の磁束Φによっ
て決定する。Φ=Φｍ−ａ１であれば、点Ａ１に、Φ=Φ
ｍ−ａ２であれば、点Ａ２に、点Ａ２に、Φ=Φｍ−ａ
３であれば、点Ａ３にそれぞれ固定される。負の傾きの
領域においても、同様である。

【０００９】超伝導量子干渉素子磁束計の分解能には、
ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の持つ固有ノイズとＦＬＬ回路１５
の前置増幅器１６の入力換算ノイズの両方が寄与する。
前置増幅器１６の寄与分は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の磁束
−電圧変換率（ｄＶｓ／ｄΦ）の大きさで変化する。そ
して、ｄＶｓ／ｄΦが大きい程、前置増幅器１６寄与が
小さくなり、高い分解能が得られる。一方、ｄＶｓ／ｄ
Φが小さい程、その寄与が大きくなり、分解能が劣化す
る。高い分解能を得るには、ｄＶｓ／ｄΦを大きくし、
かつ、より大きなｄＶｓ／ｄΦの点に固定する必要があ
る。

【００１０】ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の磁束−電圧特性は、
図３に示すように非対称形を持つ場合がある。そのと
き、傾きが大きな領域（点Ｃ１、点Ｃ２、点Ｃ３）と小
さな領域（点Ｄ１、点Ｄ２、点Ｄ３）が存在する。より
高い分解能を得るには、動作点を傾きが大きい領域（点
Ｃ１、点Ｃ２、点Ｃ３）に置くことが必要となる。あら
かじめ、点Ａに動作点を置くようににＤＣ−ＳＱＵＩＤ
５とＦＬＬ回路１５を設計することは、困難である。ま
た、通常、帰還−変調コイルと超伝導リングとの結合の
向きは、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５を作製後、変更することは
不可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ＤＣ−ＳＱＵＩＤの持
つ固有ノイズは、ＦＬＬ回路の前置増幅器の入力換算ノ
イズより小さい。したがって、磁束計の分解能は、ＦＬ
Ｌ回路の前置増幅器の入力換算ノイズによって制限され
る。磁束計の分解能の向上には、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの磁
束−電圧特性において、その傾きが大きい位置に動作点
を固定する必要がある。しかし、その固定点は、帰還−
変調コイルと超伝導リングとの結合の向きと帰還回路１
０から供給される電流の極性によって決まるため、磁束
−電圧特性上の傾きが大きな位置に選択的に動作点を固
定ことは難しい。その結果、高感度磁気センサであるＳ
ＱＵＩＤの性能を十分活かしきれない。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記の問題点を解決する
ために、本発明は、前記ＦＬＬ回路内の前記帰還回路か
ら供給される、前記積分回路の出力に対応する電流の極
性を変える機能を備える。また、前記ＦＬＬ回路内の前
記増幅回路の出力信号に対応した電流を帰還−変調コイ
ルを通して超伝導量子干渉素子に帰還するための第２の
帰還回路を備える。

【００１３】さらに、上記第２の帰還回路からから供給
される電流の極性を変える機能を備える。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例を示
す超伝導量子干渉素子磁束計の構成図である。ＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ５は、ジョセフソン接合１、ＳＱＵＩＤインダ
クタンス２、帰還−変調コイル３、入力コイル４で構成
される。ＳＱＵＩＤインダクタンス２と、その両端に接
続された一対のジョセフソン接合１により超伝導リング
を形成する。帰還−変調コイル３は、超伝導リングに磁
気結合されている。また、磁束を入力するための入力コ
イル４が、超伝導リングに磁気結合されている。

【００１５】ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５を磁束計として動作さ
せるためのＦＬＬ回路１５は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５にバ
イアス電流を供給するバイアス電流供給回路６、ＤＣ−
ＳＱＵＩＤ５から送られる信号Ｖｓを増幅する増幅回路
７、増幅された電圧Ｖａの変化を蓄積する積分回路８、
その変化の基準となる参照信号Ｖｒを与える参照信号発
生回路９、積分回路８の出力Ｖｏに比例する帰還電流Ｉ
ｆを帰還−変調コイル３に送る帰還回路１０、調整時に
磁束を超伝導リングに供給する調整用信号発生回路１
１、帰還電流Ｉｆを実際にＤＣ−ＳＱＵＩＤ５に供給
し、ＦＬＬ動作をスタ−トさせる帰還用スイッチ１２で
構成されている。増幅回路７は、前置増幅器１６と第２
増幅器１７からなる。また、帰還回路１０からＤＣ−Ｓ
ＱＵＩＤ５へ供給される電流の極性を変える極性変換回
路１４を備えている。

【００１６】Ｖａで観察される磁束−電圧特性が図２で
あるとき、ＦＬＬ動作時の動作点は、正の傾きの領域
（点Ａ１、Ａ２、Ａ３）と負の傾きの領域（点Ｂ１、点
Ｂ２、点Ｂ３）のどちらかに固定される。極性変換回路
１４によって、動作点の固定点を、正の傾きの領域（点
Ａ１、Ａ２、Ａ３）、あるいは負の傾きの領域（点Ｂ
１、点Ｂ２、点Ｂ３）の希望する点に自由に決定するこ
とが可能である。

【００１７】磁束−電圧特性が、図３に示すように、傾
きが大きな領域（点Ｃ１、点Ｃ２、点Ｃ３）と小さな領
域（点Ｄ１、点Ｄ２、点Ｄ３）が存在する非対称形を持
つ場合においても、傾きが大きい点Ｃ１、点Ｃ２、点Ｃ
３に、選択的に決定することが可能である。その結果、
より大きな磁束−電圧変換効率（ｄＶｓ／ｄΦ）が得ら
れ、高い分解能を持つ磁束計が実現できる。

【００１８】図４は本発明の第２実施例を示す超伝導量
子干渉素子磁束計の構成図である。増幅回路７に極性変
換回路１４を設け、出力電圧Ｖａの極性を変える方法に
より、帰還回路１０からＤＣ−ＳＱＵＩＤ５へ供給され
る電流の極性を変えることができる。そして、第１実施
例と同じ機能を有する。図５は本発明の第３実施例を示
す超伝導量子干渉素子磁束計の構成図である。帰還−変
調コイル３と帰還回路１０との２本の接続線を入れ換え
る極性変換回路１４を設けている。本実施例も、帰還回
路１０からＤＣ−ＳＱＵＩＤ５へ供給される電流の極性
を変えることができる。そして、第１実施例、第２実施
例と同じ機能を有する。

【００１９】図６は本発明の第４実施例を示す超伝導量
子干渉素子磁束計の構成図である。ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５
は、ジョセフソン接合１、ＳＱＵＩＤインダクタンス
２、帰還コイル３、入力コイル４で構成される。ＳＱＵ
ＩＤインダクタンス２と、その両端に接続された一対の
ジョセフソン接合１により超伝導リングを形成する。帰
還−変調コイル３は、超伝導リングに磁気結合されてい
る。また、磁束を入力するための入力コイル４が、超伝
導リングに磁気結合されている。

【００２０】ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５を磁束計として動作さ
せるためのＦＬＬ回路１５は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５にバ
イアス電流を供給するバイアス電流供給回路６、ＤＣ−
ＳＱＵＩＤ５から送られる信号Ｖｓを増幅する増幅回路
７、増幅された電圧Ｖａの変化を蓄積する積分回路８、
その変化の基準となる参照信号Ｖｒを与える参照信号発
生回路９、積分回路８の出力Ｖｏに比例する帰還電流Ｉ
ｆを帰還−変調コイル３に送る帰還回路１０、調整時に
磁束を超伝導リングに供給する調整用信号発生回路１
１、帰還電流Ｉｆを実際にＤＣ−ＳＱＵＩＤ５に供給
し、ＦＬＬ動作をスタ−トさせる帰還用スイッチ１２で
構成されている。増幅回路７は、前置増幅器１６と第２
増幅器１７からなる。

【００２１】また、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５から送られた信
号Ｖｓを増幅回路６への入力した後、その出力信号Ｖａ
に対応した電流Ｉｆ２を帰還−変調コイルを通して超伝
導量子干渉素子に帰還するための第２の帰還回路１３を
備える。第２の帰還回路１３は、増幅回路７の出力信号
Ｖａに比例した電流をＤＣ−ＳＱＵＩＤ５に帰還してい
る。つまり、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の出力電圧Ｖｓに比例
した電流をＤＣ−ＳＱＵＩＤ５に帰還していることにな
る。さらに、帰還回路１０からＤＣ−ＳＱＵＩＤ５へ供
給される電流の極性を変える極性変換回路１４を備えて
いる。

【００２２】第２の帰還回路１３によって、図８に示す
ように、 ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の磁束−電圧特性を意図
的に非対称とすることが可能となる。その結果、磁束−
電圧変換率（ｄＶａ／ｄΦ）を向上させることができ
る。帰還回路１０に備えた極性変換回路１４により、Ｆ
ＬＬ動作時の動作点を傾きが急峻な領域（点Ｅ１、点Ｅ
２、点Ｅ３）に選ぶことができる。

【００２３】磁束−電圧特性の傾きの大きさは、第２の
帰還回路１３によって制御できる。第２の帰還回路１３
がＦＬＬ回路１５の中にあるため、第２の帰還回路１３
の帰還量の調節が可能となり、図８のように、磁束−電
圧特性の傾きがより急峻にでき、高分解磁束計を実現で
きる。また、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の出力を一度、増幅回
路７で受けているため、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の最大変調
電圧ΔＶに影響を与えず、磁束−電圧特性傾きのみ変化
させることができる。

【００２４】本実施例では、第２の帰還回路１３は、Ｄ
Ｃ−ＳＱＵＩＤ５の出力電圧Ｖｓに対応した信号を帰還
する。そのため、第２の帰還回路１３を、増幅回路７の
出力信号Ｖａではなく、前置増幅回路１６の出力Ｖｐに
接続することによっても、同様の機能を有する。図７は
本発明の第５実施例を示す超伝導量子干渉素子磁束計の
構成図である。第４実施例を示した超伝導量子干渉素子
磁束計に、第２の帰還回路１３によって供給される出力
信号Ｖａに対応した帰還電流Ｉｆ２の極性を変換する極
性変換回路１４−２を付加した構成を持つ。極性変換回
路１４−２により、ＤＣ−ＳＱＵＩＤ５の磁束−電圧特
性は、図９のように傾く方向を変えることが可能であ
る。極性変換回路１４−２を切り替えることにより、図
８では点Ｅ１、点Ｅ２、点Ｅ３を、図では点Ｈ１、点Ｈ
２、点Ｈ３と傾きの急峻な位置に固定点を選択的に選ぶ
ことが可能である。本実施例では、極性変換回路１４、
極性変換回路１４−２の両方を備えており、ＦＬＬ動作
時の動作点の選択の自由度を多くしている。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載される効果を有する。ＦＬＬ回路内
に、帰還回路から供給される、積分回路の出力に対応す
る電流の極性を変える機能を備えることにより、ＦＬＬ
動作時の動作点を、磁束−電圧特性の傾きの急峻な位置
に選択的に固定できる効果を有する。

【００２６】そして、増幅回路の出力の極性を変える機
能を備えることで、帰還回路から供給される積分回路の
出力に対応する電流の極性を変えるができ、同様の効果
が得られる。そして、帰還−変調コイルの２本の接続線
をそれぞれ入れ換える機能を備えることで、帰還回路か
ら供給される積分回路の出力に対応する電流の極性を変
えるができ、同様の効果が得られる。

【００２７】また、ＦＬＬ回路内に、増幅回路の出力信
号に対応した電流を帰還−変調コイルを通して超伝導量
子干渉素子に帰還するための第２の帰還回路を備えるこ
とにより、急峻な傾きを持つように磁束−電圧特性を制
御することができ、超伝導量子干渉素子磁束計の分解能
向上に効果がある。そして、第２の帰還回路から供給さ
れる電流の極性を変える機能を備えることにより、ＦＬ
Ｌ動作時の動作点を、より傾きの急峻な位置への固定で
きる効果がある。

【００２８】さらに、帰還回路から供給される積分回路
の出力に対応する電流の極性を変える機能と、増幅回路
の出力信号に対応した電流を帰還−変調コイルを通して
超伝導量子干渉素子に帰還するための第２の帰還回路
と、第２の帰還回路から供給される電流の極性を変える
機能を備えることで、ＦＬＬ動作時の動作点の選択の自
由度が増やし、超伝導量子干渉素子磁束計の分解能向上
に、特に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超伝導量子干渉素子
磁束計の構成図

【図２】ＦＬＬ回路内の増幅回路でモニタしたときのＤ
Ｃ−ＳＱＵＩＤの磁束−電圧特性

【図３】非対称形を持つＤＣ−ＳＱＵＩＤの磁束−電圧
特性

【図４】本発明の第２実施例を示す超伝導量子干渉素子
磁束計の構成図

【図５】本発明の第３実施例を示す超伝導量子干渉素子
磁束計の構成図

【図６】本発明の第４実施例を示す超伝導量子干渉素子
磁束計の構成図

【図７】本発明の第５実施例を示す超伝導量子干渉素子
磁束計の構成図

【図８】第５実施例によって得られる非対称形を持つＤ
Ｃ−ＳＱＵＩＤの磁束−電圧特性

【図９】第５実施例によって得られる非対称形を持つＤ
Ｃ−ＳＱＵＩＤの磁束−電圧特性

【図１０】従来例を示す超伝導量子干渉素子磁束計の構
成図

【図１１】ＤＣ−ＳＱＵＩＤの磁束−電圧特性

【符号の説明】

１・・・ジョセフソン接合 ２・・・ＳＱＵＩＤインダクタンス ３・・・帰還−変調コイル ４・・・入力コイル ５・・・ＤＣ−ＳＱＵＩＤ ６・・・バイアス電流供給回路 ７・・・前置増幅回路 ８・・・積分回路 ９・・・参照信号発生回路 １０・・・帰還回路 １１・・・調整信号発生回路 １２・・・帰還用スイッチ １３・・・第２の帰還回路 １４、１４−２・・・極性変換回路 １５・・・ＦＬＬ回路 １６・・・前置増幅器 １７・・・第２の増幅器 １８・・・極性変換回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 俊一 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 茅根 一夫 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジョセフソン接合を含む超伝導リング
   と、上記超伝導リングに磁気結合された帰還−変調コイ
   ルからなる超伝導量子干渉素子と、 上記超伝導量子干渉素子にバイアス電流を供給するバイ
   アス電流供給回路と、上記超伝導量子干渉素子から送ら
   れる信号を増幅するための増幅回路と、上記超伝導量子
   干渉素子から送られる信号の変化分を蓄積するための積
   分回路と、上記積分回路の出力に対応する電流を上記帰
   還−変調コイルを通して上記超伝導量子干渉素子に帰還
   するための帰還回路からなる駆動回路で構成される超伝
   導量子干渉素子磁束計において、 上記駆動回路内に、上記帰還回路から帰還される電流の
   極性を変換する機能を備えていることを特徴とする超伝
   導量子干渉素子磁束計。
2. 【請求項２】 ジョセフソン接合を含む超伝導リング
   と、上記超伝導リングに磁気結合された帰還−変調コイ
   ルからなる超伝導量子干渉素子と、 上記超伝導量子干渉素子にバイアス電流を供給するバイ
   アス電流供給回路と、上記超伝導量子干渉素子から送ら
   れる信号を増幅するための増幅回路と、上記超伝導量子
   干渉素子から送られる信号の変化分を蓄積するための積
   分回路と、上記積分回路の出力に対応する電流を上記帰
   還−変調コイルを通して上記超伝導量子干渉素子に帰還
   するための帰還回路からなる駆動回路で構成される超伝
   導量子干渉素子磁束計において、 上記駆動回路内に、上記増幅回路の出力信号に対応した
   電流を上記帰還−変調コイルを通して超伝導量子干渉素
   子に帰還するための第２の帰還回路を備えていることを
   特徴とする超伝導量子干渉素子磁束計。
3. 【請求項３】 請求項１記載の超伝導量子干渉素子磁束
   計において、 前記駆動回路内に、前記増幅回路の出力信号に対応した
   電流を前記帰還−変調コイルを通して超伝導量子干渉素
   子に帰還するための第２の帰還回路を備えていることを
   特徴とする超伝導量子干渉素子磁束計。
4. 【請求項４】 請求項２、および請求項３記載の超伝導
   量子干渉素子磁束計において、 前記第２の帰還回路から帰還される電流が、前記増幅回
   路への入力信号に比例した電流であることを特徴とする
   超伝導量子干渉素子磁束計。
5. 【請求項５】 請求項２、請求項３、および請求項４記
   載の超伝導量子干渉素子磁束計において、 前記第２の帰還回路から帰還される電流の極性を変換す
   る機能を備えていることを特徴とする超伝導量子干渉素
   子磁束計。