JPS61281984A - 磁束計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はジョセフソンデバイスを用いた高感度の磁束計
に関する。

〔発明の背景〕

ジョセフソンデバイスを使った磁束計は当技術分野では
公知であり、　５ＱＵＩＤ磁束計として知られている。

従来技術による磁束計はＤＣ−３ＱＵＩＤ磁束計、ＡＣ
−５ＱＵＩＤ磁束計に代表される。ＤＣ−８ＱＵＩＤ磁
束計は２個のジョセフソン接合とインダクタからなる超
電導ループに鎖交する磁束を該超電導ループに流れる最
大超電導電流の変化として直流で観測する装置である。

ｒ　ｆ　−Ｓ　Ｑ　Ｕ　Ｉ　Ｄ磁束計は１個のジョセフ
ソン接合とインダクタからなる超電導ループに鎖交する
磁束を該超電導ループに流れる最大超電導電流の変化と
して交流で観測する装置である。従来技術による何れの
５ＱＵＩＤ磁束計も、その要となる５ＱＵＩＤは超電導
ループに鎖交する磁束を検知する受動素子であって、ジ
ョセフソン接合を使う５ＱＵＩＤは液体ヘリウム中に浸
漬され、出力信号は配線ケーブルを介して室温中の測定
回路、データ処理回路に送られる構成である。５ＱＩＵ
Ｄは非常に微弱な磁束を測定するものであって、しかも
ジョセフソン素子の出力信号もそれ自体微弱な信号であ
る。そのため５ＱＵＩＤから室温にある測定回路に送ら
れる信号は例えば１μＶ程度の極めて微弱な信号である
。このため従来の５ＱＵＩＤ磁束計の感度は室温の熱雑
音によって制限されていた。

ジョセフソン接合を用い、直流磁束を信号媒体として直
流磁束バラメトロン（ＤＣＦｌｕｘ　Ｐａｒａｍａ−ｔ
ｒｏｎ　：以下ＤＣＦＰと呼ぶ）回路は液体ヘリウム中
で動作し、高い回路利得を得られる能動スイッチングデ
バイスである。このＤＣＦＰ回路については昭和５９年
度理研シンポジウム予稿集、第１−３頁および第４８−
７８頁、昭和６０年度理研シンポジウム予稿集、第１−
１３頁に詳しく記載されている。このＤＣＦＰ回路は磁
束に対し高い感度を持ち、極低温（液体ヘリウム温度）
で動作する増幅素子なので熱雑音は極めて小さい。ただ
しＤＣＦＰ回路はスイッチング回路であるため。

磁束計のようなアナログ計測に使用するには２値（ＯＮ
−ＯＦＦ）サーボ機構を必要とする。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ＤＣＦＰ回路を用し、外界の雑音に強
い高感度の磁束計を提供することにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するために本発明ではＤＣＦＰ回路を高
感度の磁束の比較回路として使い、このＤＣＦＰ回路を
使って入力磁束と他に設けた参照信号発生回路の参照信
号と比較を行い、該参照信号を出力信号とする回路制御
方式を採用した。

〔発明の実施例〕

以下本発明を実施例を使って説明する。第１図は本発明
に使用するＤＣＦＰ回路の回路図である。このＤＣＦＰ
回路は２個のジョセフソン接合１０１．１０２と２個の
励振インダクタ１０３゜１０４からなる超電導ループ１
０８がら構成されている。入力信号電流は入力線１０７
を介して該超電導ループ１０８に注入される。この人力
電流は励振線１０６に流れる励振電流により増幅され出
力電流となって負荷インダクタ１０５に流れる。

この場合出力電流の流れる方向は人力電流の方向により
決められ、正の方向が、負の方向かに流れる。すなわち
、このＤＣＦＰ回路は入力信号の正。

又は負の極性を種信号として励振電流（励振電力）によ
り入力信号を増幅する動作を行うが、その出方法を示し
ている。第２図に示す比較回路は第１図に示したＤＣＦ
Ｐ回路の入力線１０７に参照信号変成器１１０と入力信
号変成器１１２を直列に接続した構成である。入力信号
線１１３を介して入力された入力磁束と参照信号線１１
１を介して入力された参照磁束は加算されＤＣＦＰ回路
の入力磁束となり、この磁束が種信号となり励振電流に
より増幅される。第３図はＤＣＦＰ回路を比較回路とし
て使う他の方法を示している。第３図の回路は第１図に
示すＤＣＦＰ回路に参照信号変成器１１０と入力信号変
成器１１２を並列に入力線１０７ａ、１０７ｂを介して
接続した構成である。

第４図は本発明による磁束計のブロック図である。

磁束計はＤＣＦＰ回路から構成された比較回路２０１と
参照信号発生回路２０２から構成される。

比較回路２０１には入力磁束が入力信号線１１３を介し
て、また参照信号が参照信号線１１１を介して印加され
る。比較回路２０１は該ＤＣＦＰ回路を使った比較回路
から構成されており、入力信号と参照信号の差が励振に
より増幅され出力信号として配線２０３を介して参照信
号発生回路２０２に入力される。参照信号発生回路２０
２は入力信号を増幅した信号を出力信号として出力信号
線２０４を介して外部に出力する。次に本発明による磁
束計の構成をより具体的に説明する。

第５図は比較回路２０１の構成例である。第５図に示す
回路は第１図に示すＤＣＦＰ回路に入力線１０７ａ、入
力信号変成器１１２を介して磁束アンテナ５０１で感知
した入力磁束を入力する。

入力信号変成器１１２には磁束感度を校正するための校
正線５０３が設置されている。ＤＣＦＰ回路に導入され
た入力磁束は入力線１０７ｂから入力された参照信号と
比較され、入力信号と参照信号の差が増幅される。ＤＣ
ＦＰ回路の負荷には磁束結合形量子干渉素子５０６とバ
イアス線５０７からなる電流検出回路が設置されている
。この磁束結合形量子干渉素子５０６とＤＣＦＰ回路は
配線５０５介して結合している。磁束結合形量子干渉素
子５０６には配線５０８を介してゲート電流が給電され
る。ここでＤＣＦＰ回路の負荷インダクタの一部が検出
回路の配線５０５のインダクタとなっている。この回路
の動作原理は特願昭５８．４２２２１１０号公報に詳し
く記載されている。

第６図は第５図に示す比較回路を用いた磁束計の制御系
の第一の実施例である。この系はフィードバックループ
を構成する代表的な例である。第６図に示す実施例では
参照信号発生回路２０２は参照信号の値を示すレジスタ
３０１、　レジスタ３０１の値を増加、減少させるレジ
スタ制御回路３０２、　レジスタのディジタル信号をア
ナログ信号に変換するＤ／Ａ変換回路３０３．減衰器３
０４から構成されている。第６図に示す磁束計では該参
照電流発生回路と第５図に示す比較回路でフィードバッ
クループを構成している。すなわち比較回路２０１の出
力信号によりレジスタの参照信号値が更新され、その値
がＤ／Ａ変換回路３０３、減衰器３０４を介して比較回
路２０１にフィードバックされている。第７図は第６図
に示す磁束計の動作のタイムチャートである。ＤＣＦＰ
回路は波形６００に示す様に周期的に励振される。比較
回路２０１の出力は波形６０１に示される。この波形で
入力信号が参照信号より太きけれ↓ｆ正の極性が、小さ
ければの負の極性が出力される。　レジスタ制御回路３
０２はこの比較回路２０１の出力信号の極性によりレジ
スタ３０１の値を波形６０２に示す様なタイミングで更
新する。

ここで例えば比較回路２０１の出力波形が正の極性の場
合はレジスタ３０１の値を増加（カウントアツプ）シ、
負の極性の場合はレジスタ３０１の値を減少（カウント
ダウン）させれば、この第７図に示す構成では入力信号
と比較回路に入力される参照信号が等しい時に安定な状
態になることは明らか。この制御系で減衰器の減衰率を
大きくすると出力信号と入力信号の比、すなわち回路利
得を大きくする事が出来るが、その反面フィードバック
ループの利得が小さく１回路の応答が遅くなる。第８図
は第５図に示す比較回路を用いた磁束計の制御系の第二
の実施例である。この系はフィードフォワード系を構成
する代表的な例である。

参照信号発生回路２０２は信号スイープ回路４０１、Ｄ
／Ａ変換回路３０３、減衰器３０４、ホールド回路４０
４から構成されている。第９図は第８図に示す磁束計の
動作のタイムチャートである。信号スイープ回路４０１
の出力信号は参照信号の値を示しており、各周動期毎に
その値は一単位だけ増加する。Ｄ／Ａ変換回路３０３は
この信号スイープ回路　４０１の出力信号を入力信号と
しているため、出力信号は波形７０１に示す階段状のス
イープ波形となる。この階段状のスイープ波形は減衰器
３０４を介して比較回路２０１に参照信号として入力さ
れる。比較回路２０１のＤＣＦＰ回路は波形７００に示
す様に信号スイープ回路４０１の周期に同期して励振さ
れる。比較回路２０１の出力波形は波形７０２に示され
る。

この波形で入力信号が参照信号より大きければ正の極性
が、小さければ負の極性が出力される。比較回路２０１
の出力波形の極性が正から負に切り換わる時の参照信号
値が入力信号に等しい、このＮ・ ためこの時点で４−ルド回路４０４は波形７０３に示す
ホールド信号を発生し参照信号の値を保持する。この制
御系で減衰器３０４の減衰率を大きくすると出力信号と
入力信号の比、すなわち回路利得を大きくする事が出来
るが、その反面測定精度が低下する。以上の二つの制御
系では参照信号の発生源はディジタル信号源であったが
、他にアナログ信号源でも構成出来る事は明らか。

第１０図は本発明による第三の実施例である。

第１０図に示す比較回路８００は第２図に示すＤＣＦＰ
回路を使った比較回路と等価であるが増幅率を増すため
ＤＣＦＰ回路を直列に接続した構成となっている。即ち
ＤＣＦＰ回路による増幅器はＤＣＦＰ回路８０１ａ、Ｄ
ＣＦＰ回路８０１ｂ。

ＤＣＦＰ回路８０１０の３段をインダクタ８０２ａ、８
０２ｂで直列に接続した構成となっている。

ここで例えばＤＣＦＰ回路８０１ａのジョセフソン接合
の最大超電導電流は１０μＡ、ＤＣＦＰ回路８０１ｂの
ジョセフソン接合の最大超電導電流は１００ｕＡ、ＤＣ
ＦＰ回路８０１ｃのジョセフソン接合の最大超電導電流
は１０ｏＯμＡに設定しておけば、１μＡ程度の入力磁
束による微弱な信号電流でも出力には１０００倍の大き
な出力電流を得ることが出来る。ここで信号が一方のみ
に伝搬される様にＤＣＦＰ回路は３層の励振電流により
駆動される。即ちＤＣＦＰ回路８０１ａには励振線１０
６ａ、ＤＣＦＰ回路８０１ｂには励振Ｍ１０６ｂ、　　
ＤＣＦＰ回路８０１ｃには励振線１０６ｃを介して位相
が１２０度ずれた励振電流により駆動される。第１０図
の例ではＤＣＦＰ回路を３段接続した増幅回路の例を示
したが、ＤＣＦＰ回路を任意の段数だけ直列に接続して
増幅回路を構成できることは明らか。第１１図は第１０
図に示した比較回路を使った磁束計の例である。

この回路では第１０図に示した比較回路８００とアップ
ダウンカウンタ回路８１０．Ｄ／Ａ変換回路３０３で閉
ループを構成している。アップダウンカウンタ回路８１
０は制御装置８２０によりデータの更新が行われる。こ
こでデータの更新は第７図の実施例と同様に行えること
は明らかである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、微弱な入力磁束信号を液体ヘリウム中
で増幅した形で室温中の測定機、処理装置に取りだせる
。このため本発明は熱雑音に強い。

感度の高い磁束計を構成するのに効果がある。この磁束
計を使えば微弱な磁場測定２例えば人体の発生する磁場
などの測定に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用するＤＣＦＰ回路の構成図、第２
図、第３図、第５図及び第１０図は本発明に用いるＤＣ
ＦＰ回路を使った比較回路を示す図、第４図は本発明に
よる磁束計を示すブロック図、第６図は本発明の磁束計
の実施例を示す図、第７図は第６図の磁束計の動作タイ
ムチャートを示す図、第８図及び第１１図は本発明の磁
束計の他の実施例を示す図、第９図は第８図の磁束計の
動作タイムチャートを示す図である。 １０１．１０２・・・ジョセフソン接合、　１０３゜１
０４・・・励振インダクタ、１０５・・・負荷インダク
タ、１０６・・・励振線、１０７・・・入力線、１０８
・・・超電導ループ、１１０・・・参照信号変成器、１
１２・・・入力信号変成器、２０１・・・比較回路、２
０２・・・参照信号発生回路、１１３・・・入力信号線
、２０４・・・出力信号線、５０１・・・磁束アンテナ
、５０３・・・校正線、　５０６・・・磁束結合形量子
干渉素子、５０７・・・バイアス線、３０１・・・レジ
スタ、３０２・・・レジスタ制御回路、３０３・・・Ｄ
／Ａ変換回路、３０４・・・減衰器、　４０１・・・信
号スイープ回路、４０４・・・ホールド回路、　８００
・・・比較回路、８０１・・・ＤＣＦＰ回路、　８０２
・・・インダクタ、８１０・・・アップダウンカウンタ
回路、８２０・・・制御装置 ／ρｒ 第　４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入力磁束と参照電流による磁束とをＤＣＦＰ回路に
   導入し、該ＤＣＦＰ回路の出力信号で該参照電流を制御
   することを特徴とする磁束計。 ２、特許請求の範囲第１項において、該ＤＣＦＰ回路の
   出力信号により参照電流の増減を制御し、該参照電流の
   全部または一部を該ＤＣＦＰ回路にフィードバックする
   ことを特徴とする磁束計。 ３、特許請求の範囲第１項において、該参照電流は独立
   にその値をスイープし、該参照電流の全部または一部が
   該ＤＣＦＰ回路に導入され、該ＤＣＦＰ回路の出力信号
   により該入力磁束と該参照電流による磁束が一致する場
   合を見つけだして、その時の該参照電流による磁束の値
   を出力とすることを特徴とする磁束計。 ４、特許請求の範囲第１項において、該ＤＣＦＰ回路を
   ２段以上直列に接続したことを特徴とする磁束計。 ５、特許請求の範囲第１項において、該ＤＣＦＰ回路に
   は磁束アンテナが接続されたことを特徴とする磁束計。 ６、特許請求の範囲第５項において、該磁束アンテナは
   変成器を介して該ＤＣＦＰ回路に接続されたことを特徴
   とする磁束計。