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JP3103866B2 - パルス出力型スクイッド - Google Patents
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JP3103866B2 - パルス出力型スクイッド - Google Patents

パルス出力型スクイッド

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JP3103866B2
JP3103866B2 JP03338036A JP33803691A JP3103866B2 JP 3103866 B2 JP3103866 B2 JP 3103866B2 JP 03338036 A JP03338036 A JP 03338036A JP 33803691 A JP33803691 A JP 33803691A JP 3103866 B2 JP3103866 B2 JP 3103866B2
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squid
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bias current
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裕司 岩田
尚夫 早川
吉明 高井
朗 藤巻
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Aisin Corp
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Aisin Seiki Co Ltd
Aisin Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、超高感度磁気センサー
として有用な超伝導量子干渉計(SQUID :以下スクイッ
ドと云う)をデジタル方式で使用するパルス出力型スク
イッドに関する。
【0002】
【従来の技術】超伝導体の間に薄い絶縁体障壁を挟んだ
接合をトンネル型ジョセフソン接合と呼ぶが、その応用
例として、超電導量子干渉計(即ちスクイッド)が広く
知られている。このスクイッドは、心臓や筋肉、眼球な
どの活動に伴って発生する磁気測定、鉱物、地熱源の探
査や気象観測、或いは、物質の磁気的物性計測および精
密電磁気的計測に応用される。
【0003】本発明に関連する二つのジョセフソン接合
をもつスクイッドはそのジョセフソン接合部をトンネル
型接合で構成しているものである。トンネル型接合の典
型的なI−V特性は図1に示すようにヒステリシスを持
つ特性であり、ある電流値Ic になるまでは電圧が発生
せずIc に達すると速やかに電圧状態に転移する。その
電圧Vg は、その接合を構成している材料で決まる。さ
らに電流を増加すると有限の電気抵抗を持つものと同様
に電流と電圧の比例関係が保たれた状態が維持される。
一方、そこから電流を減じていくと電圧Vg のまま電流
が減少し同図に示す経路をとおって0に戻る。同じ事は
逆向きの電流、電圧でも起こる。
【0004】このようなヒステリシスをもつ接合二個を
一つのリンクに配す。このスクイッドループに電流端子
が接合を各ブランチに一つずつ有するような位置に配置
する。電流端子から流し込む電流値に応じ、各ジョセフ
ソン接合が電圧状態か否かで、電圧端子間の電圧発生の
有無が決まる。
【0005】さらに重要なことは、電圧発生のしきい電
流値は、ループに加わる外部磁束の変化にともない磁束
量子の大きさを一周期として周期的に変化することであ
る。その外部磁束の関数として表したしきい電流値の曲
線に囲まれた内部がゼロ電圧状態で、外側が電圧状態で
ある。即ちその曲線が、しきい電流値そのもので、外部
磁束に対して周期的に変化し、その周期は磁束量子にな
っている。
【0006】従来技術の駆動検出装置のブロックダイヤ
グラムを図4に示す。この方式ではバイアス電流源24
からスクイッド25ヘ図5の(a)に示すような交流バ
イアスを加える。スクイッドの動作点は図5の(b)中
に示すA点である。図5の(b)中のφ1 に相当する磁
束は可変電圧源26から加算器27と電圧電流変換器2
8を通してフィードバックコイル29から与えられる。
【0007】スクイッドからの出力パルスは増幅器30
でTTLレベル程度まで増幅され、その出力をシングル
シヨットパルス発生器31で波形整形を行い次段の反転
積分器32でアナログ信号に変換している。図5の
(c)はシングルショットパルス発生器31の出力であ
る。加算器33の出力は、可変電圧源34からスクイッ
ドの電圧遷移確率が1/2の時に相当する反転積分器3
2の出力を打ち消しているために反転はしているが印加
された外部磁場に相当する出力となる。
【0008】この出力をスイッチ35、加算器27、電
圧電流変換器28を通してフィードバックコイル29に
負帰還電流を流し印加された外部磁場を打ち消す。外部
磁場の変化は加算器33の出力をモニターすることによ
って知ることができる。周波数カウンター36はバイア
ス電流の周波数とシングルシヨットパルス発生器31の
出力パルス発生器31の出力パルスの周波数をモニター
する役割をもつ
【0009】
【発明が解決しようとする課題】このような従来技術の
駆動検出装置では、バイアス電流の振幅やスクイッドの
温度が揺らいだときに起こる臨界電流値が変化した場合
にもスクイッドの電圧遷移確率が変化し、それを外部磁
界の変化として検出してしまうため、バイアス電流に重
畳している雑音や温度変化によってスクイッドの感度を
低下させてしまうなどの問題点が生じる。
【0010】それ故に、本発明が解決しようとする課題
は、スクイッドに与えるバイアス電流のゆらぎによる出
力パルスの変動と、温度変化によってスクイッドの臨界
電流が変化することによる出力パルスの変動を補償しス
クイッドの感度を向上させることである。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、前述した課題
を解決するために、パルス出力型スクイッドに交流のバ
イアス電流を加え、さらに磁場のオフセットを与えるこ
とでスクイッドのしきい値曲線上に2点以上の動作点を
持たせ、その動作点からの出力パルスの量を検出して、
演算処理することによって、バイアス電流に重畳してい
る雑音に相当する信号とスクイッドに印加されている外
部磁場に相当する信号を弁別し、各々の信号を負帰還さ
せて零位法による制御を行なう手段を採用する。
【0012】より具体的には、本発明は、超電導閉ルー
プに二ケ所のジョセフソン接合およびバイアス電流の注
入端子を有するパルス出力型スクイッドにおいて、磁場
のオフセットを与え且つスクイッドのしきい値曲線上に
二点以上の動作点を持たせる磁場変調波源と、二点以上
の動作点からの出力パルスの発生確率変化を演算しバイ
アス電流のノイズおよび/又はスクイッドの温度変化を
検知する装置と、印加磁場の変化に対する二点以上の動
作点のパルス発生確率の変化を演算する装置を有するパ
ルス出力型スクイッドを提供する。
【0013】
【作用】二接合スクイッドの臨界電流値は印加される磁
場(φ)に対して図2の38に示すような依存性を持っ
ている。スクイッドは、しきい値曲線の内側では超電導
状態で外側では電圧状態である。スクイッドに図2の3
7に示すようなバイアス電流を与える(正弦波、三角波
などでもよい)。振幅の大きさは、スクイッドの臨界電
流値以下(図中のIc1)である。この状態で図2の39
に示すような磁場変調波形を与えることにより、図2の
38に示す臨界電流の磁場依存性のしきい値曲線上のA
点、B点を、スクイッドの動作点にすることができる。
【0014】このA点、B点は磁場変調波形の、半周期
で交代しながら動作点となる。つまり磁場変調波形の周
期が、Tの時にはT/2づつ交互にA点とB点が動作点
となる。そして、A点B点では、磁場変調波形の半周期
中に、バイアス電流の振幅によって、しきい値曲線を越
えスクイッドが電圧状態になる確率が存在する。磁場変
調波形とバイアス電流の振幅をうまく調整することによ
り、この電圧の発生確率を50%にすることができる。
A点B点での磁場変調波形の半周期に於けるパルスの発
生確率は、各々バイアス電流の周波数の1/4のパルス
が発生し、磁場変調波形の1周期ではバイアス電流の周
波数の1/2のパルスが発生することになる。これは熱
雑音によってしきい値曲線がゆらいでいるために実現す
ることができる。
【0015】動作点Aおよび動作点Bの出力パルスを各
々図2の40、41に示す。この状態でスクイッドに外
部磁場が印加されると、動作点A、Bでのパルスの発生
確率が変化し、それを検出することによって、磁場の変
化を知ることができる。スクイッドから出力される動作
点AとBの2種類のパルスの発生確率の変化は、印加磁
場に対しては、一方が減少し他方は増加する。しかしバ
イアス電流に商用電源などのノイズが重なったり、ある
いは、スクイッドの温度変動によってバイアス電流が変
化した場合には、両方の動作点で同時に発生確率が減少
あるいは増加する。
【0016】この現象を利用して各動作点でのパルス発
生確率の変化から、バイアス電流のノイズあるいは温度
変動による臨界電流値の変化と印加磁場の変化を区別で
きる特徴を有する。駆動検出装置の実際の制御方法は、
各動作点でのパルスをそれぞれ検出し、それらの値を用
いて演算し印加磁場の変化に相当する出力とノイズに相
当する出力を得た後、それぞれに負帰還をかける零位法
である。印加磁場に対するスクイッドへの負帰還は、得
られた出力を電流に変換してスクイッドの近傍に置かれ
たフィードバックコイルから行なう。よって印加磁場の
変化は、フィードバックコイルに流す負帰還電流をモニ
ターすることによって知ることができる。またノイズ成
分に対する負帰還は、ノイズ成分の出力をバイアス電流
に重ね合わせて行なう。
【0017】
【実施例】次に実施例の詳細な説明を行なう。スクイッ
ドと駆動検出装置のブロックダイヤフラムを図3に示
す。バイアス電流源1から図2の37に示すような交流
と、磁場変調波源3からフィードバックコイル4を介し
て図2の39に示すような磁場変調波とを、スクイッド
2に印加する。スクイッドから発生したパルス電圧は、
増幅器5でTTLレベル程度に増幅される。これは半導
体回路で扱い易い電圧にするためであるが必ずしも必要
ではない。
【0018】次段は増幅された出力パルスを、図2の3
8中の動作点A、Bのどちらで発生したパルスであるか
を分ける回路である。パルスの弁別は、マルチプレクサ
ー6に磁場変調波源3の信号を取り込み各々の動作点へ
の立ち上がりで切り替えを行なう。動作点Aで発生した
パルスは、シングルショットパルス発生器7に出力さ
れ、動作点Bで発生したパルスは、シングルショットパ
ルス発生器7′に出力される。シングルショットパルス
発生器7、7′の出力は周波数カウンター23でモニタ
ーしている。このシングルショットパルス発生器7、
7′は常に同じ大きさのパルス高、パルス幅に矯正する
働きを持つ。
【0019】シングルショットパルス発生器7、7′の
出力を積分器8、8′によりアナログ信号に変換しスク
イッドの電圧遷移確率が各動作点でバイアス電流の周波
数の1/4の時に相当する積分器8、8′の出力を打ち
消す電圧を可変電圧源9、9′から与え、加算器10、
10′での演算は加算器の入力端に示された符号で行な
う。各々の加算器10、10′の出力は端子11、1
1′でモニターすることができる。加算器10、10′
の出力を加算器12で入力端に示された符号で演算を行
なうとスクイッドに印加された磁場に対応した出力とな
る。
【0020】この信号をスイッチ13を介して積分器1
4で信号を1次遅れとし、加算器15を通して電流電圧
変換器16で電流にして、加算器21を通してフィード
バックコイルから印加磁場を打ち消すように不帰還をか
ける。印加磁場に相当する出力は端子18をモニターす
ることによって知ることができる。可変電圧源17は動
作点のオフセットを調整するものである。次に加算器1
0、10′の出力を加算器19で入力端に示された符号
で演算を行なうと加算器19の出力は温度変化とバイア
ス電流ノイズの成分を出力する。この成分をスイッチ2
0を介して加算器21′でバイアス電流に不帰還をかけ
る。このノイズ成分は端子22でモニターすることがで
きる。
【0021】
【発明の効果】バイアス電流に重畳している雑音や温度
変化による雑音を信号と弁別できるためスクイッドの感
度が向上する。温度補償ができるためスクイッドに必要
な安定した温度環境の許容範囲が広くなり、冷凍機によ
る直接冷却などに対して有利な点である。
【図面の簡単な説明】
【図1】トンネル型2接合スクイッドの電流・電圧特性
を示す図である。
【図2】バイアス電流波形、臨界電流の磁場依存性、磁
場変調波形および出力パルスの関係を示す図である。
【図3】本発明の一実施例の回路図である。
【図4】従来例の回路図である。
【図5】(a)は従来例のバイアス電流波形図である。
(b)はトンネル型2接合スクイッドの臨界電流の磁場
依存性図である。(c)は従来例の出力バルス図であ
る。
【符号の説明】
1 バイアス電流源 2 スクイッド 3 磁場変調波源 4 フィードバックコイル 6 マルチプレクサー 7 シングルショットパルサー 9 可変電圧源 10 加算器 12 加算器 16 電流電圧変換器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高井 吉明 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学 内 (72)発明者 藤巻 朗 愛知県名古屋市千種区不老町(番地な し) 名古屋大学 内 (56)参考文献 特開 昭63−149914(JP,A) 特開 昭63−290979(JP,A) 特開 昭64−21378(JP,A) 特開 昭64−21379(JP,A) 特開 平1−307681(JP,A) 特開 平2−257076(JP,A) 特開 平3−20684(JP,A) 特開 平3−197887(JP,A) 特開 平3−238378(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01R 33/00 - 33/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超伝導閉ループに二ケ所のジョセフソン
    接合およびバイアス電流の注入端子を有するパルス出力
    型スクイッドにおいて、磁場のオフセットを与え且つス
    クイッドのしきい曲線上に二点以上の動作点を持たせる
    磁場変調波源と、二点以上の動作点からの出力パルスの
    発生確率変化を演算しバイアス電流のノイズおよび/又
    はスクイッドの温度変化を検知する装置と、印加磁場の
    変化に対する二点以上の動作点のパルス発生確率の変化
    を演算する装置を有するパルス出力型スクイッド。
  2. 【請求項2】 動作点が二点であり、磁場変調波源から
    の磁場変調波形が交流波形である請求項1のパルス出力
    型スクイッド。
  3. 【請求項3】 スクイッドで発生したパルス電圧と磁場
    変調波源からの交流波形を受けるマルチプレクサーを有
    し、各々の動作点で発生した出力パルスを弁別をなす請
    求項2のパルス出力型スクイッド。
JP03338036A 1991-11-28 1991-11-28 パルス出力型スクイッド Expired - Lifetime JP3103866B2 (ja)

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