JP2955356B2 - 多入力磁界検出装置 - Google Patents

多入力磁界検出装置

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JP2955356B2
JP2955356B2 JP2340706A JP34070690A JP2955356B2 JP 2955356 B2 JP2955356 B2 JP 2955356B2 JP 2340706 A JP2340706 A JP 2340706A JP 34070690 A JP34070690 A JP 34070690A JP 2955356 B2 JP2955356 B2 JP 2955356B2
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逸朗 田村
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、たとえば人体などから発生される微弱な磁
界を検出するための超電導量子干渉素子(Superconduct
ing Quantum Interference Device、略称SQUID)を用い
る多入力磁界検出装置に関する。
従来の技術 従来からの超電導量子干渉素子を用いる磁界検出装置
では、単一入力形超電導量子干渉素子を数個程度用意し
て、生体等から生じる微弱な磁界を検出して計測する構
成を有する。しかし時々刻々と変化する生体信号を正確
に捕らえるには、入力数をできるだけ増やす必要があ
り、従来では第4図に簡略化して示されるいわゆる電圧
バイアス方式の多入力磁界検出装置が試みられている。
複数の第1超電導量子干渉素子S10〜S30が並列に接続さ
れ、これらは、抵抗RとコイルL0の直列回路に、並列に
接続され、直流定電流源31に接続される。さらにコイル
L0に電磁結合するもう1つの第2超電導量子干渉素子S4
0が設けられ、それは、直流定電流源32に接続される。
第2超電導量子干渉素子S40の出力は、コンデンサ33と
コイル34とを有する直列共振回路から、高周波rfケーブ
ル35を介して増幅回路36に与えられて増幅されて導出さ
れる。
こうして磁界を検出するための第1超電導量子干渉素
子S10〜S30には、抵抗Rによつて定められる共通の一定
電圧でバイアスされ、外部磁束が超電導量子干渉素子S1
0〜S30を鎖交することによつて、たとえばk番目の超電
導量子干渉素子S10〜S30のうちの1つから電流Δikが導
出され、コイルL0を介して第2超電導量子干渉素子S40
に伝達される。
このような電圧バイアス方式の多入力磁界検出装置で
は、コイルL0のインピーダンスをZとすると、 成る関係で、S/N比が最適化できる。
ここでrは、超電導量子干渉素子S10〜S30の動作抵抗
であり、nは、超電導量子干渉素子S10〜S30の数、すな
わち入力数である。
このような電圧バイアス方式の多入力磁界検出装置で
は、並列に接続されている複数の第1超電導量子干渉素
子S10〜S30の特性を揃える必要がなく、また回路構成が
簡単であり、しかも単一入力のときに比べてS/N比の向
上が期待されるという優れた利点がある。しかし、次の
問題がある。
k番目の超電導量子干渉素子、たとえばS10からの出
力によつてコイルL0に生じる電流変化ikは、第2式で示
される。
ここで抵抗Rの抵抗値は同一の参照符Rで示し、ωk
は、k番目の超電導量子干渉素子S10〜S30のうちの1つ
の低周波雑音を除去するために与えられる交流信号の変
調角周波数であり、nは、並列に接続されている超電導
量子干渉素子S10〜S30の数である。
発明が解決すべき課題 このような第4図に示される先行技術では、入力数
n、すなわち超電導量子干渉素子S10〜S30の数の増加に
従つて、コイルL0に生じる電流変化ikが小さくなり、し
たがつて第2超電導量子干渉素子S40への信号の伝達効
率が低下するという問題がある。
したがつてこのような先行技術を、生体計測に応用す
ることができる程度まで、入力数を、たとえば100程度
に増やすことは困難である。
本発明の目的は、多入力時の伝達効率の悪化を軽減す
ることができるようにした多入力磁界検出装置を提供す
ることである。
課題を解決するための手段 本発明は、超電導リングにジヨセフソン接合を組合わ
せて構成される第1超電導量子干渉素子を複数個並列に
接続して第1の並列回路を構成し、この第1並列回路に
は、直流バイアス電圧が印加され、 この第1並列回路の出力を、超電導リングにジヨセフ
ソン接合を組合わせて構成される第2超電導量子干渉素
子に電磁結合して与え、 第2超電導量子干渉素子を複数個並列に接続して第2
の並列回路を構成し、 第2並列回路の出力を導出する手段を含むことを特徴
とする多入力磁界検出装置である。
作 用 本発明に従えば、第1並列回路を構成する複数の第1
超電導量子干渉素子の出力は、電磁結合によつて、第2
並列回路を構成する第2超電導量子干渉素子に伝達さ
れ、この第2並列回路の出力が導出されるように構成し
たので、第2超電導量子干渉素子の1つに対して、複数
の第1超電導量子干渉素子が対応して接続されることに
なり、したがつて多入力時の第1並列回路から第2超電
導量子干渉素子への電磁結合による伝達効率の悪化を軽
減することが可能になる。
実施例 第1図は、本発明の一実施例の全体の電気回路図であ
る。第1の並列回路1には複数(この実施例では3)の
検出ユニツトU11〜U13が設けられ、各検出ユニツトU11
〜U13では、ライン2,3間に、第1超電導量子干渉素子S1
1〜S13が並列に接続される。検出ユニツトU11におい
て、第1超電導量子干渉素子S11に電磁結合するコイルL
11bが設けられ、このコイルL11bには並列に、磁界の検
出を行うためのピツクアツプコイルL11cが接続される。
さらにまたこの第1超電導量子干渉素子S11には、帰還
コイルL11aが接続される。残余の検出ユニツトU12,U13
もまた同様な構成となつており、対応する部分には類似
する参照符を付して示す。
ライン2,3間には、抵抗R1と信号伝達のためのコイルL
1との直列回路4が、並列に接続されている。ライン2,3
間には、直流定電流源11から一定の電流が供給され、し
たがつてライン2,3間に一定の電圧V11が生じ、この電圧
は、第1超電導量子干渉素子S11〜S13に共通に与えられ
て直流バイアス電圧が印加されることになる。
複数(この実施例では3)の第2の超電導量子干渉素
子S1〜S3は、ライン5,6間に並列に接続されており、第
2の超電導量子干渉素子S1は、前記コイルL1に電磁結合
される。この第2超電導量子干渉素子S1にはまた、帰還
コイルL1aが電磁結合して設けられる。残余の第2超電
導量子干渉素子S2,S3に関してもまた同様な構成となつ
ており、対応する部分には類似する参照符を付す。さら
にまた各第2超電導量子干渉素子S2,S3に関連して、検
出ユニツトU21〜U23,U31〜U33がライン7,8;9,10に接続
されて第1並列回路42,43が構成される。また第2超電
導量子干渉素子S1〜S3が前述のライン5,6に接続され
て、第2並列回路44が構成される。
超電導量子干渉素子S11は、超電導リングにジヨセフ
ソン接合を組合わせて構成される。ジヨセフソン接合
は、ニオブなどの超電導体によるトンネル接合であり、
絶縁膜をたとえば2nm程度まで薄くすることによつて、
零電圧のままで電流が流れ、電子対のままトンネルリン
グを起こしてジヨセフソン効果を生じさせる。この超電
導量子干渉素子S11は、トンネル接合に限定されず、他
には点接触型(あるいはポイントコンタクトタイプ)、
ブリツジ型(あるいはブリツジタイプ)もありうる。他
の素子S12,S13,S1〜S3などおよび後述のS0も同様な構成
を有する。
検出ユニツトU11の第1超電導量子干渉素子S11の電流
I1と、電圧V1との間の関係を示すいわゆるI−V特性
は、第2図(1)に示されている。超電導量子干渉素子
S11の超電導リングに電流I1を流していくと、その電流I
1が、臨界電流Ic1未満では、その電圧V1は零である。電
流I1が臨界電流Ic1以上では、電圧V1が生じる。外部磁
束φxが、 φx=n・φ0 …(3) であるとき、ラインl1の特性が得られ、 のときラインl2の特性が得られる。外部磁束φxがその
他の値では、これらのラインl1,l2の間の値をとる。こ
こでφ0は、磁束量子であり、2.07×10-15Wbであり、
nは自然数(すなわちn=0,1,2,3,4,…)であつて、磁
束量子数である。
電圧V1を、電流I1が臨界電流Ic1の近傍で、その臨界
電流Ic1よりも大きい値となるように設定したとき、外
部磁束φxが超電導量子干渉素子S1を鎖交すると、第2
図(2)で示される振幅Δiの波形が高感度で得られ、
このようにして外部磁束の変化に対して周期的な電流応
答波形が得られる。
第3図を参照して、帰還コイルL11aに与えられる変調
周波数信号は、磁束量子数n(=φx/φ0)がnあるい
は(n+1/2)であつて、極値に固定するように、与え
る。これによつて第1超電導量子干渉素子S11からの出
力は、交流電源15の変調周波数1の2倍の周波数2・
1の成分が含まれた波形14となる。変調周波数信号
が、電圧V1の極値をずれて、たとえば磁束量子数が(n
+3/4)であるときには、参照符15で示されるように、
変調周波数1の成分が第1超電導量子干渉素子S1の出
力に含まれることになる。
第1並列回路1に関連して電気回路51が設けられる。
また同様にして第1並列回路42,43にそれぞれ対応して
電気回路52,53がそれぞれ設けられ、これらの電気回路5
2,53は電気回路51と同様な構成を有する。第2超電導量
子干渉素子S1に電磁結合している帰還コイルL1aには、
交流電源14から、たとえば1〜100MHzの変調周波数を有
する信号が与えられ、この信号はまた、同期検波回路PS
D1の一方の入力に与えられる。同期検波回路PSD1の他方
の入力にはライン45を介して、信号が与えられる。同期
検波回路PSD1は、交流電源14の出力とライン45からの信
号との位相比較を行い、その位相差に対応する電圧をラ
イン46に導出する。ライン46の出力は、第1超電導量子
干渉素子S11〜S13に個別的に対応する同期検波回路PSD1
1〜PSD13の一方の入力に与えられる。各同期検波回路PS
D11〜PSD13の他方の入力には交流電源15〜17からの出力
がそれぞれ与えられ、これらの交流電源15〜17の出力は
また、第1超電導量子干渉素子S11〜S13にそれぞれ電磁
結合している帰還コイルL11a〜L13aに与えられる。これ
らの交流電源15〜17の変調周波数は、たとえば10〜500k
Hzである。各同期検波回路PSD11〜PSD13の出力は端子P1
1〜P13からそれぞれ導出される。
第2並列回路44に接続されている信号取出し用のコイ
ルL0には、前述のように第3超電導量子干渉素子S0が電
磁結合される。この第3超電導量子干渉素子S0には直流
定電流源21から一定の電流が供給され、第2超電導量子
干渉素子S0の出力は、コイル47とコンデンサ48とから成
るLC共振回路49によつて増幅され、高周波rfケーブル55
を介して増幅回路56に与えられて増幅され、同期検波回
路PSD0の一方の入力に与えられる。第3超電導量子干渉
素子S0には、帰還コイルL0aが電磁結合して設けられて
おり、この帰還コイルL0aには、交流電源18からたとえ
ば20〜800MHzの変調周波数信号が与えられ、この変調周
波数信号はまた、同期検波回路PSD0の他方の入力に与え
られる。同期検波回路PSD0の出力はライン45に導出さ
れ、前述のように電気回路51,52,53にそれぞれ与えられ
る。
このような実施例では、第1並列回路1に接続される
検出ユニツトU11〜U13の数を低減し、しかも第2超電導
量子干渉素子S1〜S3の少ない数で、検出ユニツトU11〜U
33の総数を増大することができ、こうして多点の入力数
の増加にかかわらず、コイルL1,L2,L3から第2超電導量
子干渉素子S1,S2,S3への伝達効率の低下の軽減を図るこ
とができる。
本発明の他の実施例として、たとえば検出ユニツトU1
1におけるビツクアツプL11cに代えて、第1図に示され
ている並列回路1と同様な構成を電磁結合して、さらに
3段以上の多段化を図るようにしてもよい。
発明の効果 以上のように本発明によれば、複数の第1超電導量子
干渉素子によつて第1の並列回路を構成し、この第1の
並列回路の出力は、第2の並列回路を構成する第2超電
導量子干渉素子に電磁係合して与えられるようにしたの
で、第1並列回路から第2超電導量子干渉素子への入力
数の増加による伝達効率の悪化を軽減することが可能に
なる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の全体の電気回路図、第2図
は第1超電導量子干渉素子S11の動作を説明するための
図、第3図は帰還コイルL11aの働きを説明するための
図、第4図は先行技術の簡略化した電気回路図である。 1,42,43……第1並列回路、10,11,12,13……直流定電流
源、14〜18……交流電源、44……第2並列回路、U11〜U
33……検出ユニツト、S11〜S13……第1超電導量子干渉
素子、S1〜S3……第2超電導量子干渉素子、PSD0〜PSD1
3……同期検波回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−252182(JP,A) 特開 昭64−50975(JP,A) 特開 昭61−284679(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01R 33/035

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】超電導リングにジヨセフソン接合を組合わ
    せて構成される第1超電導量子干渉素子を複数個並列に
    接続して第1の並列回路を構成し、この第1並列回路に
    は、直流バイアス電圧が印加され、 この第1並列回路の出力を、超電導リングにジヨセフソ
    ン接合を組合せて構成される第2超電導量子干渉素子に
    電磁結合して与え、 第2超電導量子干渉素子を複数個並列に接続して第2の
    並列回路を構成し、 第2並列回路の出力を導出する手段を含むことを特徴と
    する多入力磁界検出装置。
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