JP2014085276A - Superconductive current meter - Google Patents
Superconductive current meter Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014085276A JP2014085276A JP2012235758A JP2012235758A JP2014085276A JP 2014085276 A JP2014085276 A JP 2014085276A JP 2012235758 A JP2012235758 A JP 2012235758A JP 2012235758 A JP2012235758 A JP 2012235758A JP 2014085276 A JP2014085276 A JP 2014085276A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- superconducting
- ammeter
- output
- squid
- quantum interference
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
【課題】FLLにおける帰還ループを用いずに異なる磁束バイアスをかけた複数のSQUID出力を同時に取得・処理することで、被測定電流をその値によらず高感度に計測する。
【解決手段】入力コイル103及び106に同一の被測定電流I1を供給すると、SQUID_A、SQUID_Bからは、被測定電流I1に対し同一の周期Φ0/M1で繰り返す出力が取り出される。また、SQUID_Bの出力bは磁束バイアスコイル107に供給される一定のバイアス電流I2によりSQUID_Aの出力aに対して磁束バイアス分ずれたものとなる。信号処理回路109は、不明なM1I1/Φ0の推定値の代わりに、SQUID_A及びSQUID_Bからの各M1I1/Φ0の推定値に含まれる雑音のうち、より雑音の少ないと考えられるSQUIDからの推定値を選択し、これを測定電流値として出力する。
【選択図】図1By simultaneously acquiring and processing a plurality of SQUID outputs with different magnetic flux biases without using a feedback loop in FLL, a current to be measured is measured with high sensitivity regardless of its value.
When the same current to be measured I 1 is supplied to input coils 103 and 106, SQUID_A and SQUID_B extract outputs that repeat with the same period Φ 0 / M 1 with respect to the current to be measured I 1 . Further, the output b of SQUID_B is shifted from the output a of SQUID_A by the magnetic flux bias due to the constant bias current I 2 supplied to the magnetic flux bias coil 107. The signal processing circuit 109, instead of the estimated value of the unknown M 1 I 1 / Φ 0, among the noise included in the estimate for each M 1 I 1 / Φ 0 from SQUID_A and SQUID_B, and more noise-less An estimated value from the possible SQUID is selected and output as a measured current value.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は超伝導電流計に係り、特に2個以上の超伝導量子干渉素子(SQUID:Superconducting Quantum Interference Device)を組み合わせた構成の超伝導電流計に関する。 The present invention relates to a superconducting ammeter, and more particularly to a superconducting ammeter having a configuration in which two or more superconducting quantum interference devices (SQUIDs) are combined.
図7(a)は超伝導電流計の一例の回路図を示す。同図(a)に示す超伝導電流計は最も単純な例であり、SQUID10と入力コイル13とからなり、入力コイル13に流れる電流I1を測定する。SQUID10は1個以上のジョセフソン接合11とコイル12とからなる超伝導閉回路であり、極低温環境下で動作する高い感度を持つ磁力計として働く。入力コイル13はSQUID10のコイル12に相互インダクタンスM1で結合されている。
FIG. 7A shows a circuit diagram of an example of a superconducting ammeter. The superconducting ammeter shown in FIG. 6A is the simplest example, and includes a
入力コイル13に被測定電流I1を流してコイル12との間に、被測定電流I1に比例する磁場を作ると、出力端子14には閉回路に鎖交する磁束に対してΦ0/M1周期で変化する出力が取り出される。ここで、Φ0は磁束量子で2.0678×10-15Wbである。従って、入力としてΦ0/M1で規格化した電流M1I1/Φ0という値を用いると、出力は図7(b)に示すように、0から1の範囲を考えればよくなり都合がよい。なお、出力は方式により電圧、インダクタンス等になる。
When a current I 1 to be measured is passed through the
SQUIDは極低温で動作する高い感度を持つ磁力計として働く素子であり、電流に比例する磁場をつくるコイルと組み合わせることで高感度の電流計として用いることができる。特に極低温で動作する検出器の読み出しを行うための高感度、低雑音な電流計として不可欠なものと考えられている。電流計として用いるためには、図7(b)の特性を事前に取得しておき、実際の電流測定時に出力から入力被測定電流を推定することになる。しかし、SQUIDの出力特性は周期的応答であるため、高感度、すなわち被測定電流の変化に対し出力変化の大きい範囲は限定される。特にΦ0周期の間に特性が折り返すためその近傍は感度がない領域が生じる。 The SQUID is an element that works as a highly sensitive magnetometer that operates at a cryogenic temperature, and can be used as a highly sensitive ammeter by combining it with a coil that creates a magnetic field proportional to the current. In particular, it is considered indispensable as a high-sensitivity, low-noise ammeter for reading a detector operating at a very low temperature. In order to use as an ammeter, the characteristics shown in FIG. 7B are acquired in advance, and the input measured current is estimated from the output during actual current measurement. However, since the output characteristic of the SQUID is a periodic response, a high sensitivity, that is, a range where the output change is large with respect to the change in the current to be measured is limited. In particular, since the characteristics are turned back during the Φ 0 period, a region having no sensitivity is generated in the vicinity thereof.
ここでSQUID10の出力に増幅器等の雑音が加わることを考慮すると、入力換算雑音(分解能)は図7(c)に示すように、入力被測定電流により大幅に変化することになる。例えば、必要とする分解能が図7(c)に点線で示す縦軸の「1」の値に相当するとすれば、これより雑音が小さくなる入力範囲は全体の約2/3に限定される。
Here, considering that noise from an amplifier or the like is added to the output of the
この制限を克服するため従来の超伝導電流計では、図8(a)の回路図に示すような、一般にFLL(Flux-Locked Loop,磁束ロックループ)という手法が用いられる(例えば、非特許文献1参照)。図8(a)中、図7(a)と同一構成部分には同一符号を付してある。図8(a)に示す超伝導電流計は、入力コイル13とは別にSQUID10のコイル12に相互インダクタンスM2で結合する帰還コイル15を設けるとともに、SQUID10の出力を負帰還回路16を介して帰還コイル15に負帰還入力する構成である。この超伝導電流計では、SQUID10、入力コイル13及び帰還コイル15を極低温環境下で動作させ、入力コイル13に供給される被測定電流I1を推定する。
In order to overcome this limitation, a conventional superconducting ammeter generally uses a technique called FLL (Flux-Locked Loop) as shown in the circuit diagram of FIG. 1). In FIG. 8A, the same components as those in FIG. 7A are denoted by the same reference numerals. The superconducting ammeter shown in FIG. 8A is provided with a
この超伝導電流計では、図8(b)に示すように入力に対する変化が急峻な範囲内に出力XFとなる動作点を決め、被測定電流I1の変化で出力がXFからずれた時に、それを打ち消すように帰還コイル15に電流I2を流してSQUID10の閉回路に鎖交する磁束を常に動作点に保つよう負帰還をかける。この動作点の鎖交磁束をΦFとすると、次式
M1I1+M2I2=ΦF
が常に成立する。このため、室温で負帰還電流I2を測定することで極低温環境下にあるSQUID10に入力される被測定電流I1の変化を知ることができる。このときSQUID10は常に動作点にあり,図8(c)に黒丸で示すように被測定電流I1をその値によらず低雑音に計測することが可能となる。このFLL技術を用いた超伝導電流計が従来用いられていた。
In the superconducting current meter determines the operating point changes to the input, as shown in FIG. 8 (b) is an output X F in steep range, the output in the change in the measurement current I 1 is shifted from X F Occasionally, a current I 2 is passed through the
Is always true. Therefore, by measuring the negative feedback current I 2 at room temperature, it is possible to know a change in the measured current I 1 input to the
しかしながら、上記の従来の超伝導電流計では、多チャンネル化での配線数の増大と応答速度の制限という2つの問題がある。 However, the above-described conventional superconducting ammeter has two problems, that is, an increase in the number of wires and a limitation in response speed when the number of channels is increased.
まず、多チャンネル化での配線数の増大について説明する。極低温で動作する高性能検出器としてTES(Transition Edge Sensor;超伝導転移端検出器)があり、このものは例えば可視光以上のエネルギーの電磁波に対して非常に高いエネルギー分解能を保つことから分析装置等への応用が期待されている。このTESは出力側から見ると1オーム以下の低インピーダンス電流源であり、その低雑音な読み出しのため必ず超伝導電流計との組み合わせで動作させる。すなわち、図8(a)に示した従来の超伝導電流計に対しては、被測定電流I1を入力コイル13に供給する極低温検出器としてTES(図8(a)には図示せず)が設けられる。 First, an increase in the number of wirings when the number of channels is increased will be described. There is a TES (Transition Edge Sensor) as a high-performance detector that operates at extremely low temperatures, which is analyzed because it maintains a very high energy resolution for electromagnetic waves with energy higher than visible light, for example. Application to devices is expected. This TES is a low impedance current source of 1 ohm or less when viewed from the output side, and is always operated in combination with a superconducting ammeter for its low noise readout. That is, for the conventional superconducting ammeter shown in FIG. 8A, a TES (not shown in FIG. 8A) is used as a cryogenic detector for supplying the current I 1 to be measured to the input coil 13. ) Is provided.
しかし、このTESは原理的にサイズとエネルギー分解能とがトレードオフの関係にあり、単体素子では半導体検出器等に比べ検出面積が小さいという弱点がある。このため実用的な分析装置を実現するには多数(100以上)の素子をアレイ化して同時に動作させ有効検出面積を増大させることが必須と考えられている。その場合、単純に図8(a)に示した超伝導電流計とTESとのペアを多数用意すると、多数の信号線を室温の負帰還回路15と低温環境下の超伝導電流計との間に配線しなければならず、検出器(TES)数の規模が数百以上になると信号線からの熱流入により実現が困難となる。具体的には図8(a)に示した従来の超伝導電流計とTESとのペアが1000あった場合には、室温の負帰還回路15と低温環境下の超伝導電流計との間の配線は4000本必要になり、実現は極めて困難である。
However, this TES has a trade-off relationship between size and energy resolution in principle, and has a weak point that a single element has a smaller detection area than a semiconductor detector or the like. Therefore, in order to realize a practical analyzer, it is considered essential to increase the effective detection area by arraying a large number (100 or more) of elements and operating them simultaneously. In that case, if a large number of pairs of superconducting ammeters and TESs shown in FIG. 8A are simply prepared, a large number of signal lines are connected between the
この熱流入の問題に対しては,複数の信号を1本の配線に多重化して入出力し配線の数を減らす方法が知られており、特にマイクロ波帯でのSQUID出力の多重化が公知の文献(J.A.B.Mates.G.C.Hilton,K.D.Irwin,L.R.Vale,K.W.Lehnert,Applied Physics Letters,92,023514,2008.)に開示されている。この文献によれば、数百のSQUIDからの出力信号を、マイクロ波帯の周波数に変調して周波数多重化することで1本の信号線にて室温に取り出すことが技術的に可能であるとされている。この場合、例えば100kHzの帯域を持つ信号で1MHzずつ異なる搬送波周波数を変調して1GHzの帯域に1000多重化する構成にすることができる。しかし、帰還電流については同様の規模の多重化を実現することは困難となっている。従って、上記のような信号帯域の合計が100MHz以上となるような規模の検出器アレイの読み出しを行うような応用ではFLL方式は採用できない。 To solve this problem of heat inflow, a method is known in which a plurality of signals are multiplexed and input / output to reduce the number of wires, and in particular, multiplexing of SQUID outputs in the microwave band is known. (JABMates. GCHilton, KDIrwin, LRVale, KWLehnert, Applied Physics Letters, 92, 023514, 2008.). According to this document, it is technically possible to take out an output signal from several hundred SQUIDs to a frequency in the microwave band and frequency-multiplex them to room temperature with a single signal line. Has been. In this case, for example, a signal having a band of 100 kHz can be modulated by modulating a carrier frequency that is different by 1 MHz and multiplexed in a band of 1 GHz by 1000. However, it is difficult to achieve the same scale of multiplexing for the feedback current. Therefore, the FLL method cannot be adopted in an application in which reading of a detector array having a scale such that the total signal band is 100 MHz or more is performed.
次に、応答速度の制限について説明する。超伝導電流計が必要とされるTESの中には、応答速度が速く10MHz以上の信号帯域が求められるものが文献(D.Fukuda,R.M.T.Damayanthi,A.Yoshizawa,N.Zen,H.Takahashi,K.Amemiya,and M.Ohkubo,IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol.17,p.259,2007)にて報告されている。これに対し、FLLを用いた超伝導電流計の帯域は、負帰還ループによる時間遅れにより制限され、室温環境下に負帰還回路16を置く場合には、室温の負帰還回路16と極低温環境下の超伝導電流計及びTESのペアとの間の配線長により10MHz程度が信号帯域の上限になると考えられる。従って、より高速なTESの信号を読み出すためには、負帰還ループを用いない超伝導電流計が必要になる。
Next, the response speed limitation will be described. Some TESs that require a superconducting ammeter are those that require a fast response speed and a signal bandwidth of 10 MHz or more (D. Fukuda, RMT Damayanthi, A. Yoshizawa, N. Zen, H. Takahashi, K. Amemiya, and M. Ohkubo, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 17, p. 259, 2007). On the other hand, the bandwidth of the superconducting ammeter using the FLL is limited by the time delay due to the negative feedback loop, and when the
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、FLLにおける帰還ループを用いずに異なる磁束バイアスをかけた複数のSQUID出力を同時に取得・処理することで、被測定電流をその値によらず高感度に計測し得る超伝導電流計を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and by simultaneously acquiring and processing a plurality of SQUID outputs with different magnetic flux biases without using a feedback loop in the FLL, the current to be measured can be increased regardless of its value. An object is to provide a superconducting ammeter capable of measuring sensitivity.
第1の発明の超伝導電流計は上記の目的を達成するため、同一の被測定電流が供給される第1の入力コイル及び第2の入力コイルと、前記第1の入力コイルに第1の相互インダクタンスで結合された第1の超伝導量子干渉素子と、前記第2の入力コイルに前記第1の相互インダクタンスで結合された第2の超伝導量子干渉素子と、前記第2の超伝導量子干渉素子に第2の相互インダクタンスで結合された磁束バイアスコイルと、前記磁束バイアスコイルに一定のバイアス電流を供給して、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力に対して前記第2の超伝導量子干渉素子の出力に磁束オフセットを持たせるバイアス電流源と、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第1の雑音と、前記第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第2の雑音とのうち、雑音の少ない方の推定値を選択し、これを測定電流値として出力する信号処理手段とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a superconducting ammeter according to a first aspect of the present invention includes a first input coil and a second input coil to which the same current to be measured is supplied, and a first input coil connected to the first input coil. A first superconducting quantum interference device coupled with a mutual inductance; a second superconducting quantum interference device coupled with the second input coil with the first mutual inductance; and the second superconducting quantum device. A magnetic flux bias coil coupled to the interference element with a second mutual inductance, and a constant bias current is supplied to the magnetic flux bias coil, so that the output of the first superconducting quantum interference element is compared with the second superconducting quantum interference element. A bias current source for giving a magnetic flux offset to the output of the conduction quantum interference device; a first noise included in an estimated value expressed by a linkage magnetic flux / flux quantum of the output of the first superconducting quantum interference device; The second super transmission Signal processing for selecting an estimated value with less noise from the second noise included in the estimated value represented by the interlinkage magnetic flux / flux quantum of the output of the quantum interference element, and outputting this as a measured current value Means.
また、上記の目的を達成するため、第2の発明の超伝導電流計は、前記第2の入力コイル、前記第2の超伝導量子干渉素子、前記磁束バイアスコイル及び前記バイアス電流源はそれぞれ複数設けられ、前記信号処理手段は、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第1の雑音と、前記複数の第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される複数の推定値に含まれる第2の雑音とのうち、最も雑音の少ない推定値を選択し、これを測定電流値として出力することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the superconducting ammeter according to the second invention includes a plurality of the second input coil, the second superconducting quantum interference device, the magnetic flux bias coil, and the bias current source. And the signal processing means includes a first noise included in an estimated value represented by an interlinkage magnetic flux / flux quanta of an output of the first superconducting quantum interference device, and the plurality of second superconducting elements. An estimated value with the least noise is selected from the second noise included in a plurality of estimated values represented by interlinkage magnetic flux / flux quanta of the output of the quantum interference element, and this is output as a measured current value It is characterized by.
また、上記の目的を達成するため、第3の発明の超伝導電流計は、第1の発明の超伝導電流計が複数設けられており、その複数の超伝導電流計の各超伝導電流計の前記第1及び第2の入力コイルには互いに異なる被測定電流が供給され、各超伝導電流計の前記バイアス電流源は、各超伝導電流計の前記磁束バイアスコイルに同一のバイアス電流を供給することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the superconducting ammeter of the third invention is provided with a plurality of superconducting ammeters of the first invention, and each superconducting ammeter of the plurality of superconducting ammeters is provided. The first and second input coils are supplied with different currents to be measured, and the bias current source of each superconducting ammeter supplies the same bias current to the magnetic flux bias coil of each superconducting ammeter. It is characterized by doing.
また、上記の目的を達成するため、第4の発明の超伝導電流計は、同一の被測定電流が供給される第1の入力コイル及び1以上の第2の入力コイルと、前記第1の入力コイルに第1の相互インダクタンスで結合された第1の超伝導量子干渉素子と、1以上の前記第2の入力コイルに前記第1の相互インダクタンスで結合された1以上の第2の超伝導量子干渉素子と、1以上の前記第2の超伝導量子干渉素子に第2の相互インダクタンスで結合された1以上の磁束バイアスコイルと、予め割り当てられた第1の共振周波数が、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力に応じて変化する第1の共振回路と、予め割り当てられた1以上の第2の共振周波数が、1以上の前記第2の超伝導量子干渉素子の出力に応じて独立して変化する1以上の第2の共振回路と、よりなる構成を一組とする電流計部分をn組(nは2以上の所望の自然数)並列に設けるとともに、
n組の前記電流計部分の前記磁束バイアスコイルを直列に接続し、前記磁束バイアスコイルに同一のバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段と、n組の前記電流計部分に対して、n組の前記電流計部分の互いに異なるすべての前記第1及び第2の共振周波数に対応する周波数が多重された多重化信号を1本のケーブルを介して共通に供給する多重化信号供給手段と、n組の前記電流計部分を通して前記n組の第1及び第2の共振周波数の変化に応じて位相及び振幅が変化されて出力された前記多重化信号から、n組の前記電流計部分の前記n組の第1及び第2の超伝導量子干渉素子の出力のnチャンネルの復調信号を出力する復調手段と、前記復調手段から供給される前記nチャンネルの復調信号の各チャンネル毎に前記第1及び第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる雑音のうち、最も雑音の少ない推定値を選択し、そのチャンネルの測定電流値として出力するnチャンネルの信号処理手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a superconducting ammeter according to a fourth aspect of the present invention includes a first input coil and one or more second input coils to which the same current to be measured is supplied, A first superconducting quantum interference element coupled to the input coil with a first mutual inductance and one or more second superconducting elements coupled to the one or more second input coils with the first mutual inductance. A quantum interference element, one or more magnetic flux bias coils coupled to the one or more second superconducting quantum interference elements with a second mutual inductance, and a pre-assigned first resonance frequency comprising: The first resonance circuit that changes in accordance with the output of the superconducting quantum interference device and the one or more second resonance frequencies assigned in advance correspond to the output of the one or more second superconducting quantum interference devices. One or more second covariants that vary independently Circuit and, n sets of current meter portion to set a more becomes configured with (n is 2 or more desired natural number) provided in parallel,
N sets of the ammeter parts are connected in series, bias current supplying means for supplying the same bias current to the flux bias coils, and n sets of the ammeter parts Multiplexed signal supply means for commonly supplying a multiplexed signal in which the frequencies corresponding to the first and second resonance frequencies different from each other in the ammeter portion are multiplexed via one cable; and n sets The n sets of n sets of ammeter portions are output from the multiplexed signal that is output with the phase and amplitude changed according to changes in the n sets of first and second resonance frequencies through the ammeter portions of the n sets. Demodulating means for outputting n-channel demodulated signals output from the first and second superconducting quantum interference devices, and the first and second channels for each channel of the n-channel demodulated signals supplied from the demodulating means. 2 An n-channel signal that selects an estimated value with the least noise from among the noises included in the estimated value represented by the flux linkage / flux quanta of the output of the superconducting quantum interference device and outputs it as the measured current value of that channel And a processing means.
ここで、上記のn組の電流計部分は、単一基板上に集積回路プロセスにより前記第1及び第2の超伝導量子干渉素子の特性を揃えて作製されていてもよい。 Here, the n sets of ammeter portions may be fabricated on a single substrate with the characteristics of the first and second superconducting quantum interference devices being made uniform by an integrated circuit process.
本発明によれば、FLLにおける帰還ループが無いため、超伝導量子干渉素子が持つ応答速度の上限まで信号帯域を広げた高速の電流測定ができる。また、本発明によれば、多チャンネル電流計を構成したときに、出力の多重化を容易に行うことができる。 According to the present invention, since there is no feedback loop in the FLL, it is possible to perform high-speed current measurement with the signal band expanded to the upper limit of the response speed of the superconducting quantum interference device. Further, according to the present invention, when a multi-channel ammeter is configured, output multiplexing can be easily performed.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の超伝導電流計の第1の実施の形態の回路図を示す。本実施の形態の超伝導電流計100は、第1の超伝導量子干渉素子SQUID_Aと、第2の超伝導量子干渉素子SQUID_Bと、入力コイル103及び106と、磁束バイアスコイル107と、磁束バイアス源108と、信号処理回路109とを有する。磁束バイアス源108及び信号処理回路109は室温環境下にあり、それ以外のSQUID_A、SQUID_B、入力コイル103、入力コイル106、及び磁束バイアスコイル107は極低温環境下にある。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a circuit diagram of a first embodiment of a superconducting ammeter of the present invention. The
SQUID_Aは、ジョセフソン接合101とコイル102とからなる超伝導閉回路であり、コイル102が入力コイル103に相互インダクタンスM1で結合されている。また、SQUID_Bは、ジョセフソン接合104とコイル105とからなる超伝導閉回路であり、コイル105に入力コイル106が相互インダクタンスM1で結合されるとともに、磁束バイアスコイル107が相互インダクタンスM2で結合されている。
SQUID_A is superconducting closed circuit consisting of
入力コイル103と入力コイル106とは直列接続されており、同一の被測定電流I1が供給される。また、磁束バイアス源108は、磁束バイアスコイル107に一定のバイアス電流I2を供給する。信号処理回路109は、SQUID_Aの出力aとSQUID_Bの出力bとのうち雑音が低い方の出力を選択して出力する。
The
次に、本実施の形態の超伝導電流計100の動作について説明する。入力コイル103及び106に同一の被測定電流I1を供給すると、入力コイル103、106に対して同一の相互インダクタンスM1で結合されたコイル102、105を有するSQUID_A、SQUID_Bからは、被測定電流I1に対し同一の周期Φ0/M1で繰り返す出力が取り出される。ここで、Φ0は前述したように磁束量子で、2.0678×10-15Wbである。また、SQUID_Bのコイル105は磁束バイアスコイル107にも相互インダクタンスM2で結合されており、SQUID_Bの出力bは磁束バイアスコイル107に供給される一定のバイアス電流I2によりSQUID_Aの出力に対して磁束バイアス分ずれたものとなる。
Next, the operation of the
従って、入力としてΦ0/M1で規格化した電流(すなわち鎖交磁束/磁束量子)M1I1/Φ0という値を用い、その「0」から「1」の範囲を図2(a)に示すと、SQUID_Aの出力aは同図(a)に点線Iで示す特性になる。また、SQUID_Bの出力bは同図(a)に破線IIで示すように、出力aと同一周期で、かつ、出力aに対して磁束換算でM2I2/Φ0だけ入力軸方向にずれ(磁束オフセット)をもつ特性となる。 Therefore, a current normalized by Φ 0 / M 1 (ie, flux linkage / flux quantum) M 1 I 1 / Φ 0 is used as an input, and the range from “0” to “1” is shown in FIG. ), The output a of SQUID_A has the characteristic indicated by the dotted line I in FIG. The output b of SQUID_B is shifted in the input axis direction by M 2 I 2 / Φ 0 in the same period as the output a and converted to magnetic flux with respect to the output a, as indicated by the broken line II in FIG. (Magnetic flux offset).
この2つの出力a及びbから図7(a)に示した超伝導電流計と同様に入力被測定電流I1を推定する場合、図7(c)と同様の仮定で計算した入力換算雑音は、SQUID_Aの出力aについては図2(b)に点線IIIで示す特性になり、またSQUID_Bの出力bについては図2(b)に破線IVで示す特性になる。図2(b)から分かるように、2つのSQUID_A及びSQUID_Bの入力換算雑音は入力範囲に強く依存する。本実施の形態では、これらの特性を実際の電流測定に先だって取得しておき、信号処理回路109に格納しておく。
When the input measured current I 1 is estimated from these two outputs a and b in the same manner as the superconducting ammeter shown in FIG. 7A, the input conversion noise calculated under the same assumption as in FIG. The output a of SQUID_A has a characteristic indicated by a dotted line III in FIG. 2B, and the output b of SQUID_B has a characteristic indicated by a broken line IV in FIG. 2B. As can be seen from FIG. 2B, the input conversion noises of the two SQUID_A and SQUID_B strongly depend on the input range. In the present embodiment, these characteristics are acquired prior to actual current measurement and stored in the
実際の電流測定はこの信号処理回路109を用いて以下のような手順で行われる。
まず、2つのSQUID_A、SQUID_Bの出力a、bから入力被測定電流I1に相当するM1I1/Φ0の値を推定する(図2(a)の特性使用)。次に推定値の周期性から、SQUID_A及びSQUID_Bからの各M1I1/Φ0の推定値は0〜1の範囲内に2つずつあるが、それら2つのSQUIDからの推定値を比較し近い値を持つものを選ぶことで、バイアス電流I2=0のような特殊な場合を除き、0〜1の範囲で一意に決める。例えば、SQUID_Aからの推定値IA1、IA2であり、SQUID_Bからの推定値IB1、IB2であったとき、IA1がIB1、IB2のどちらかに近ければ(これをIB1だったと仮定する)、その値IA1〜IB1がI1の推定値になり、I2が適切ならばIA2とIB2は異なる値になる。
Actual current measurement is performed by the following procedure using the
First, the value of M 1 I 1 / Φ 0 corresponding to the input measured current I 1 is estimated from the outputs a and b of the two SQUID_A and SQUID_B (use of the characteristics shown in FIG. 2A). Next, from the periodicity of the estimated values, there are two estimated values of M 1 I 1 / Φ 0 from SQUID_A and SQUID_B in the range of 0 to 1 , but the estimated values from these two SQUIDs are compared. By selecting one having a close value, it is uniquely determined in the range of 0 to 1 except for a special case such as a bias current I 2 = 0. For example, when the estimated values IA1 and IA2 from SQUID_A are the estimated values IB1 and IB2 from SQUID_B, if IA1 is close to either IB1 or IB2 (assuming this is IB1), the value IA1 ~IB1 becomes the estimated value of I 1, IA2 and IB2 if I 2 is appropriate will be different values.
すなわち、SQUID_A及びSQUID_Bからの各M1I1/Φ0の推定値に含まれる雑音は図2(b)に特性III、IVで示すように、入力の範囲により大小関係が変わる。そこで、信号処理回路109は、不明なM1I1/Φ0の推定値の代わりに、SQUID_A及びSQUID_Bからの各M1I1/Φ0の推定値に含まれる雑音のうち、より雑音の少ないと考えられるSQUIDからの推定値を選択し、これを測定電流値として出力する。このとき、選択した推定値に含まれる入力換算雑音は図2(b)のα(細実線)の特性となる。なお、図2(b)において、範囲AはSQUID_Aからの推定値に含まれる雑音の方がSQUID_Bからの推定値に含まれる雑音より小さい範囲を示し、範囲BはSQUID_Bからの推定値に含まれる雑音の方がSQUID_Aからの推定値に含まれる雑音より小さい範囲を示す。
That is, the magnitude relation of the noise included in the estimated values of M 1 I 1 / Φ 0 from SQUID_A and SQUID_B varies depending on the input range, as indicated by characteristics III and IV in FIG. Therefore, the
また、より雑音を減らす処理方法として次のような手順も適用できる。信号処理回路109は上記と同様に図2(a)より2つのSQUIDから入力のM1I1/Φ0の推定値を得た後、図2(b)に示した予想される雑音に基づいて(含まれる雑音が最小となるように)加重平均し測定電流値として出力する。このとき含まれる入力換算雑音は図2(b)にβ(太実線)で示す特性となり、上述の範囲による選択を行ったときの特性αより雑音を減少することが期待できる。従って、2つのSQUID_A及びSQUID_Bの雑音が大きい領域が重複しないよう磁束オフセットの値を選ぶことで、入力全域に対して低雑音な測定が可能となることが期待できる。
The following procedure can also be applied as a processing method for further reducing noise. Similarly to the above, the
このように、本実施の形態の超伝導電流計100によれば、FLLにおける帰還ループを設けずに、SQUID_A及びSQUID_Bという2つのSQUIDの出力のうち出力の推定値に含まれる雑音の少ない方を選択することにより、SQUIDが持つ応答速度の上限まで高速で、低雑音で高感度な電流計測ができる。
As described above, according to the
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の超伝導電流計の第2の実施の形態の回路図を示す。同図中、図1と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。2つのSQUIDを用いた第1の実施の形態の超伝導電流計100において、磁束オフセットの値を調整しても感度が不十分なときがある。その場合は3つ以上のSQUIDを用いて2つのSQUIDを用いたときと同様の手法を用いて低雑音の電流測定を行うことも可能である。図3に示す第2の実施の形態の超伝導電流計200は、3つのSQUIDを用いて2つのSQUIDを用いた時と同様の手法を用いて低雑音の電流測定を行う超伝導電流計である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 shows a circuit diagram of a second embodiment of the superconducting ammeter of the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. In the
図3に示す超伝導電流計200は、第1の超伝導量子干渉素子SQUID_Aと、第2の超伝導量子干渉素子SQUID_Bと、第3の超伝導量子干渉素子SQUID_Cと、入力コイル103、106及び112と、磁束バイアスコイル107及び113と、磁束バイアス源108及び114と、信号処理回路115とを有する。磁束バイアス源108及び114と信号処理回路115は室温環境下で動作し、それ以外のSQUID_A、SQUID_B、SQUID_C、入力コイル103、106、112、及び磁束バイアスコイル107、113は極低温環境下で動作する。
A
SQUID_Cは、ジョセフソン接合110とコイル111とからなる超伝導閉回路であり、コイル111には入力コイル112が相互インダクタンスM1で結合されるとともに、磁束バイアスコイル113が相互インダクタンスM3で結合されている。入力コイル103、入力コイル106及び入力コイル112は直列接続されており、同一の被測定電流I1が供給される。また、磁束バイアス源108は、磁束バイアスコイル107に一定のバイアス電流I2を供給する。また、磁束バイアス源114は、磁束バイアスコイル113に一定のバイアス電流I3を供給する。信号処理回路115は、SQUID_Aの出力aとSQUID_Bの出力bとSQUID_Cの出力cのうち最も雑音が低い出力を選択して出力する。
SQUID_C is superconducting closed circuit consisting of Josephson junctions 110 and the coil 111., the
次に、本実施の形態の超伝導電流計200の動作について説明する。直列接続された入力コイル103、106及び112に同一の被測定電流I1を供給すると、入力コイル103、106及び112に対して同一の相互インダクタンスM1で結合されたコイル102、105、111を有するSQUID_A、SQUID_B、SQUID_Cからは、被測定電流I1に対し同一の周期Φ0/M1で繰り返す出力が取り出される。ここで、Φ0は前述したように磁束量子で、2.0678×10-15Wbである。
Next, the operation of the
また、SQUID_Bのコイル105は磁束バイアスコイル107にも相互インダクタンスM2で結合されており、SQUID_Bの出力bは磁束バイアスコイル107に供給される一定のバイアス電流I2によりSQUID_Aの出力に対して磁束バイアス分ずれたものとなる。同様に、SQUID_Cのコイル111は磁束バイアスコイル113にも相互インダクタンスM2で結合されており、SQUID_Cの出力cは磁束バイアスコイル113に供給される一定のバイアス電流I3によりSQUID_Aの出力に対して磁束バイアス分ずれたものとなる。従って、入力としてΦ0/M1で規格化した電流(すなわち鎖交磁束/磁束量子)M1I1/Φ0という値を用い、その「0」から「1」の範囲を図4(a)に示すとSQUID_Cの出力cは、同図(a)に一点鎖線Vで示すように、出力aと同一周期で、かつ、出力aに対して磁束換算でM2I3/Φ0だけ入力軸方向にずれ(磁束オフセット)をもつ特性となる。
The
これら3つの出力a、b及びcから入力被測定電流I1を推定する場合、図7(c)と同様の仮定で計算した入力換算雑音は、SQUID_Aの出力aとSQUID_Bの出力bについては図2(b)と同様に、図4(b)に点線IIIと破線IVで示す特性になる。また、SQUID_Cの出力cは図4(b)に一点鎖線VIで示す特性になる。図4(b)から分かるように、3つのSQUIDの入力換算雑音は入力範囲に強く依存する。本実施の形態では、これらの特性を実際の電流測定に先だって取得しておき、信号処理回路115に格納しておく。そして、第1の実施の形態と同様の手法により、SQUID_A、SQUID_B及びSQUID_Cからの各M1I1/Φ0の推定値に含まれる雑音のうち、最も雑音の少ないと考えられるSQUIDからの推定値を選択し、これを測定電流値として出力する。このとき、選択した推定値に含まれる入力換算雑音は図4(b)のγ(細実線)の特性となる。
When the input measured current I 1 is estimated from these three outputs a, b, and c, the input conversion noise calculated under the same assumption as in FIG. 7C is shown for the output a of SQUID_A and the output b of SQUID_B. Similar to 2 (b), the characteristics shown by the dotted line III and the broken line IV in FIG. 4 (b) are obtained. Further, the output c of SQUID_C has a characteristic indicated by a one-dot chain line VI in FIG. As can be seen from FIG. 4B, the input conversion noise of the three SQUIDs strongly depends on the input range. In the present embodiment, these characteristics are acquired prior to actual current measurement and stored in the
また、より雑音を減らす処理方法として、信号処理回路115は上記と同様に図4(a)より3つのSQUIDから入力のM1I1/Φ0の推定値を得た後、図4(b)に示した予想される雑音に基づいて(含まれる雑音が最小となるように)加重平均し測定電流値として出力する。このとき含まれる入力換算雑音は図4(b)にδ(太実線)で示す特性となり、上述の範囲による選択を行ったときの特性γより雑音を減少することが期待できる。従って、3つのSQUIDの雑音が大きい領域が重複しないよう磁束オフセットの値を選ぶことで、入力全域に対して低雑音な測定が可能となることが期待できる。このように、本実施の形態の超伝導電流計200も超伝導電流計100と同様にFLLにおける帰還ループを用いずに異なる磁束バイアスをかけた複数のSQUID出力を同時に取得・処理することで、被測定電流をその値によらず高速、かつ、高感度に計測することができる。
As a processing method for further reducing noise, the
なお、室温と極低温間の配線数については、FLLを用いた図8(a)に示した従来の超伝導電流計では入力2本、出力2本の計4本である。これに対し、図1に示した第1の実施形態の超伝導電流計100では入力2本、出力4本の計6本であり、また、図3に示した第2の実施形態の超伝導電流計200では入力3本、出力4本の計7本である。これらの超伝導電流計100、200を用いて多チャンネル電流計システムを構築する場合、出力に関しては前述のように効率良く周波数多重化を行う方法が知られており、1本の配線にまとめることが可能である。
Note that the number of wires between room temperature and cryogenic temperature is 4 in total, 2 inputs and 2 outputs in the conventional superconducting ammeter shown in FIG. 8A using FLL. On the other hand, the
一方、入力は、図8(a)に示したFLLを用いた従来の超伝導電流計では各チャンネル毎に異なり、かつ、時間的に変化する信号が与えられるが、これを多重化して配線本数を減らすことは困難である。これに対し、FLLを用いない本発明の超伝導電流計100、200では、入力は一定のバイアス電流であり、またそれらを各チャンネルで同じにすることができるため、チャンネル数によらず図1に示した超伝導電流計100では2本、図3に示した超伝導電流計200では3本にまとめることができる。
On the other hand, in the conventional superconducting ammeter using the FLL shown in FIG. 8 (a), a signal that varies for each channel and changes with time is given. It is difficult to reduce On the other hand, in the
まず、基板上への集積の実施例について説明する。本発明の超伝導電流計では、組み合わせる2個以上のSQUIDについて特性が揃っているほうが望ましい。半導体で用いられるものと類似の集積回路作製プロセスにより、単一基板上に多数の特性の揃ったSQUIDを作製することが可能であるため、その技術を採用することにより、容易に本発明の超伝導電流計に用いる特性の揃ったSQUIDを作製できる。 First, an example of integration on a substrate will be described. In the superconducting ammeter of the present invention, it is desirable that the characteristics of two or more SQUIDs to be combined are uniform. Since an SQUID having a large number of characteristics can be manufactured on a single substrate by an integrated circuit manufacturing process similar to that used in a semiconductor, the technology of the present invention can be easily achieved by adopting this technology. A SQUID with uniform characteristics used for a conduction ammeter can be produced.
次に、マイクロ波帯多重化により配線本数を抑制した多チャンネル超伝導電流計の実施例について説明する。 Next, an embodiment of a multichannel superconducting ammeter in which the number of wires is suppressed by microwave band multiplexing will be described.
図5は、多チャンネル超伝導電流計の一実施例の回路系統図を示す。同図において、多チャンネル超伝導電流計は、超低温環境下に配置されたnチャンネル超伝導電流計チップ300と、m個(mは任意の自然数)のマイクロ波帯の周波数を多重化して出力するマイクロ波信号発生源390と、室温環境下に配置されたマイクロ波信号発生源390、一定バイアス電流を出力するバイアス電流源391、多重化信号復調回路392及び信号処理回路393とから構成されている。図5は、nチャンネル(ただし、nはm=2nを満足する2以上の自然数)の超伝導電流計の構成を示す。
FIG. 5 shows a circuit diagram of one embodiment of a multi-channel superconducting ammeter. In the figure, a multi-channel superconducting ammeter multiplexes and outputs an n-channel
nチャンネル超伝導電流計チップ300は、m個のSQUIDと、n個の第1の入力コイル321〜32nと、n個の第2の入力コイル331〜33nと、n個の磁束バイアスコイル341〜34nと、n個の極低温検出器351〜35nと、互いに長さが異なるm本のコプレーナ線路361〜36mと、m個のコンデンサ371〜37mと、m+1本の線路380〜38mとが、単一基板上に集積回路作成プロセスによりm個のSQUIDの特性を揃えて作成された電流計部分であり、マイクロ波信号発生源390と1本のマイクロ波ケーブルで接続され、また多重化信号復調回路392と1本のマイクロ波ケーブルで接続されて極低温環境下にて動作する。
The n-channel
隣接する2つの(一対の)SQUIDを一組とする全部でn組のSQUIDのうち、各組のSQUIDは極低温検出器351〜35nのうち同じ極低温検出器から被測定電流が供給される。例えば、極低温検出器351から同じ被測定電流が供給される入力コイル321及び331のうち、入力コイル321に相互インダクタンスM1で結合されたコイル311とジョセフソン接合301とからなる超伝導閉回路を構成する第1のSQUIDと、入力コイル322に相互インダクタンスM1で結合されたコイル312とジョセフソン接合302とからなる超伝導閉回路を構成する第2のSQUIDとは一組のSQUIDを構成する。
Among the total of n sets of SQUIDs that are two adjacent (a pair of) SQUIDs, each set of SQUIDs is supplied with the current to be measured from the same cryogenic detector among the
上記第1のSQUIDは、コプレーナ線路361及びコンデンサ371を直列に介して線路380と381との接続点に接続されている。また、上記第2のSQUIDは、コプレーナ線路362及びコンデンサ372を直列に介して線路381と382との接続点に接続されている。第1のSQUIDの入力コイル311のインダクタンス、相互インダクタンスM1、コプレーナ線路361及びコンデンサ371等は第1の共振回路を構成し、その第1の共振回路の共振周波数は第1のSQUIDの出力に応じて僅かな周波数幅内で変化する。すると、マイクロ波信号発生源390から供給されるマイクロ波帯のm個の周波数の多重信号中の上記第1の共振回路の共振周波数と同じ周波数の信号の位相及び振幅が、上記第1の共振回路の共振周波数の変化に応じて変化する。
The first SQUID is connected to a connection point between the
同様に、第2のSQUIDの入力コイル312のインダクタンス、相互インダクタンスM1、コプレーナ線路362及びコンデンサ372等は第2の共振回路を構成し、その第2の共振回路の共振周波数は第2のSQUIDの出力に応じて僅かな周波数幅内で変化する。すると、マイクロ波信号発生源390から供給されるマイクロ波帯のm個の周波数の多重信号中の上記第2の共振回路の共振周波数と同じ周波数の信号の位相及び振幅が、上記第2の共振回路の共振周波数の変化に応じて変化する。残りのn−1組(m−2個)のSQUIDも同様の構成とされており、各々マイクロ波信号発生源390から供給されるマイクロ波帯のm個の周波数の多重信号中の設定された周波数と共振するm−2個の共振回路を構成している。マイクロ波帯のm個の周波数の多重信号中の残りのm−2個の共振回路の各共振周波数と同じ周波数の信号の位相及び振幅は、残りのm−2個のSQUIDの出力に応じた共振回路の各共振周波数の僅かな変化に応じて変化する。
Similarly, the inductance of the
マイクロ波信号発生源390は、m個のSQUIDに接続されたm個の共振回路に割り当てられたm個のマイクロ波帯の共振周波数と同一のm個のマイクロ波帯の周波数信号を周波数分割多重した多重化信号を発生する。このマイクロ波信号発生源390からのマイクロ波帯の多重化信号は、1本のケーブルを通してnチャンネル超伝導電流計チップ300に入力される。nチャンネル超伝導電流計チップ300は、m個のSQUIDの出力に応じてm個の周波数信号のうち対応する周波数信号の位相及び振幅が変化した周波数分割多重信号を出力する。
The microwave
多重化信号復調回路392は、nチャンネル超伝導電流計チップ300から1本のマイクロ波ケーブルを介して取り出された周波数分割多重信号中の周波数から2n個のSQUID出力のいずれであるかを特定し、その周波数信号の位相及び振幅から所定の規則によりSQUID出力を復調する。信号処理回路393は、図1の信号処理回路109と同様の構成の信号処理回路をn個並列に設けた構成であり、多重化信号復調回路392から供給されるnチャンネルの2n個のSQUIDの復調信号の各チャンネル毎に、鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる雑音のうち、雑音の少ない方の推定値を選択する信号処理を行うことで、n個の極低温検出器351〜35nから互いに独立して出力されたnチャンネルの被測定電流の電流測定値を並列に出力する。
The multiplexed
また、単一基板上への集積回路作製プロセスにより各チャンネルの相互インダクタンス(図5でのM1,M2)を同一に揃えることは容易であり、m組すべてのSQUIDペアに同じ磁束オフセットを与えることで同様の低雑音測定が可能となる。従って、図5では全SQUIDペアの磁束バイアスコイル341〜34nを直列に接続し同じバイアス電流を流す構成とすることができ、これによりバイアス電流源391に接続される直流用入出力線も往復2本あればよいことになる。よって、この図5の構成では電流を測定したい極低温検出器351〜35nの数nによらず室温環境下と低温環境下の間の配線は、上記の2本のマイクロ波ケーブルと2本の直流用入出力線の合計4本となり、熱流入の問題は発生しない(極低温検出器351〜35nを駆動するための配線は含まない)。
In addition, it is easy to make the mutual inductances of each channel (M 1 and M 2 in FIG. 5) the same by the integrated circuit fabrication process on a single substrate, and the same magnetic flux offset is applied to all m SQUID pairs. The same low noise measurement becomes possible by giving. Therefore, in FIG. 5, the magnetic flux bias coils 341 to 34n of all the SQUID pairs can be connected in series to allow the same bias current to flow. As a result, the DC input / output lines connected to the bias
なお、上記の実施の形態ではSQUIDを2つ又は3つ用いていたが、4つ以上用いて実施の形態と同様の構成とすることも勿論可能である。また、図5は各組のSQUIDが図1のような2つのSQUIDからなる構成であったが、本発明は各組のSQUIDが3つ以上のSQUIDからなる構成であっても同様に適用できる。また、本発明は図6の回路図の変形例の超伝導電流計400のように、図1や図3の構成の超伝導電流計を401及び402で示すように2つ設け、その2つの超伝導電流計401及び402の各第1及び第2の入力コイルには互いに異なる被測定電流を供給し、各超伝導電流計401及び402の磁束バイアス源403は、各超伝導電流計の磁束バイアスコイルに同一のバイアス電流を供給する共通の構成でもよい。なお、図6では超伝導電流計を401及び402の2つ設けているが3つ以上でも同様である。
In the above-described embodiment, two or three SQUIDs are used, but it is of course possible to use four or more SQUIDs and to have the same configuration as that of the embodiment. Further, FIG. 5 shows a configuration in which each set of SQUIDs consists of two SQUIDs as shown in FIG. 1, but the present invention can be similarly applied to a configuration in which each set of SQUIDs consists of three or more SQUIDs. . Further, the present invention provides two superconducting ammeters having the configurations of FIGS. 1 and 3 as shown by 401 and 402, like a
X線分光では波長分散方式という高分解能の分析装置があるが,検出効率が低く測定時間が長くかかるという弱点がある。一方、半導体検出器を用いた分析装置は検出効率は高く高速だがエネルギー分解能は低い。これに対し、本発明の超伝導電流計を用いることで、X線検出用のTESを用いた半導体検出器と同等の有効検出面積をもつ高分解能で高速の分析装置を実現できる。また、ガンマ線領域ではTES以上の分解能をもつ検出器はなく、やはり有効検出面積を大きくできれば,放射性物質を化学的な処理によらずに定量分析できる装置などこれまでにない分析装置を実現できることが期待される。 In X-ray spectroscopy, there is a high resolution analyzer called a wavelength dispersion method, but it has a weak point that the detection efficiency is low and the measurement time is long. On the other hand, an analyzer using a semiconductor detector has high detection efficiency and high speed, but low energy resolution. On the other hand, by using the superconducting ammeter of the present invention, it is possible to realize a high-resolution and high-speed analyzer having an effective detection area equivalent to that of a semiconductor detector using a TES for X-ray detection. In addition, there is no detector with a resolution higher than TES in the gamma ray region, and if the effective detection area can be increased, it is possible to realize an unprecedented analyzer such as a device that can quantitatively analyze radioactive substances without chemical treatment. Be expected.
100、200、400、401、402 超伝導電流計
101、104、110、301〜30m ジョセフソン接合
102、105、111、311〜31m コイル
103、106、112、321〜32n、331〜33n 入力コイル
107、113、341〜34n 磁束バイアスコイル
108、114、403 磁束バイアス源
109、115 信号処理回路
300 nチャンネル超伝導電流計チップ
351〜35n 極低温検出器
361〜36m コプレーナ線路
371〜37m コンデンサ
380〜38m 線路
390 マイクロ波信号発生源
391 バイアス電流源
392 多重化信号復調回路
393 信号処理回路
SQUID_A、SQUID_B、SQUID_C 超伝導量子干渉素子(SQUID)
I1 被測定電流
I2、I3 バイアス電流
100, 200, 400, 401, 402
I 1 Current to be measured I 2 , I 3 Bias current
Claims (5)
前記第1の入力コイルに第1の相互インダクタンスで結合された第1の超伝導量子干渉素子と、
前記第2の入力コイルに前記第1の相互インダクタンスで結合された第2の超伝導量子干渉素子と、
前記第2の超伝導量子干渉素子に第2の相互インダクタンスで結合された磁束バイアスコイルと、
前記磁束バイアスコイルに一定のバイアス電流を供給して、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力に対して前記第2の超伝導量子干渉素子の出力に磁束オフセットを持たせるバイアス電流源と、
前記第1の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第1の雑音と、前記第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第2の雑音とのうち、雑音の少ない方の推定値を選択し、これを測定電流値として出力する信号処理手段と、
を備えることを特徴とする超伝導電流計。 A first input coil and a second input coil to which the same measured current is supplied;
A first superconducting quantum interference device coupled to the first input coil with a first mutual inductance;
A second superconducting quantum interference device coupled to the second input coil with the first mutual inductance;
A magnetic flux bias coil coupled to the second superconducting quantum interference device with a second mutual inductance;
A bias current source for supplying a constant bias current to the magnetic flux bias coil so that the output of the second superconducting quantum interference device has a magnetic flux offset with respect to the output of the first superconducting quantum interference device;
The first noise included in the estimated value represented by the flux linkage / flux quantum of the output of the first superconducting quantum interference device, and the flux linkage / flux of the output of the second superconducting quantum interference device A signal processing means for selecting an estimated value with less noise from the second noise included in the estimated value represented by quantum, and outputting the selected value as a measured current value;
A superconducting ammeter characterized by comprising:
前記信号処理手段は、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる第1の雑音と、前記複数の第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される複数の推定値に含まれる第2の雑音とのうち、最も雑音の少ない推定値を選択し、これを測定電流値として出力することを特徴とする請求項1記載の超伝導電流計。 A plurality of the second input coil, the second superconducting quantum interference device, the magnetic flux bias coil, and the bias current source are provided,
The signal processing means includes a first noise included in an estimated value represented by a flux linkage / flux quantum of an output of the first superconducting quantum interference device, and the plurality of second superconducting quantum interference devices. The second noise included in the plurality of estimated values represented by the interlinkage magnetic flux / flux quantum of the output is selected and the estimated value with the least noise is selected and output as a measured current value. The superconducting ammeter according to claim 1.
前記第1の入力コイルに第1の相互インダクタンスで結合された第1の超伝導量子干渉素子と、
1以上の前記第2の入力コイルに前記第1の相互インダクタンスで結合された1以上の第2の超伝導量子干渉素子と、
1以上の前記第2の超伝導量子干渉素子に第2の相互インダクタンスで結合された1以上の磁束バイアスコイルと、
予め割り当てられた第1の共振周波数が、前記第1の超伝導量子干渉素子の出力に応じて変化する第1の共振回路と、
予め割り当てられた1以上の第2の共振周波数が、1以上の前記第2の超伝導量子干渉素子の出力に応じて独立して変化する1以上の第2の共振回路と、
よりなる構成を一組とする電流計部分をn組(nは2以上の所望の自然数)並列に設けるとともに、
n組の前記電流計部分の前記磁束バイアスコイルを直列に接続し、前記磁束バイアスコイルに同一のバイアス電流を供給するバイアス電流供給手段と、
n組の前記電流計部分に対して、n組の前記電流計部分の互いに異なるすべての前記第1及び第2の共振周波数に対応する周波数が多重された多重化信号を1本のケーブルを介して共通に供給する多重化信号供給手段と、
n組の前記電流計部分を通して前記n組の第1及び第2の共振周波数の変化に応じて位相及び振幅が変化されて出力された前記多重化信号から、n組の前記電流計部分の前記n組の第1及び第2の超伝導量子干渉素子の出力のnチャンネルの復調信号を出力する復調手段と、
前記復調手段から供給される前記nチャンネルの復調信号の各チャンネル毎に前記第1及び第2の超伝導量子干渉素子の出力の鎖交磁束/磁束量子で表される推定値に含まれる雑音のうち、最も雑音の少ない推定値を選択し、そのチャンネルの測定電流値として出力するnチャンネルの信号処理手段と、
を備えることを特徴とする多チャンネルの超伝導電流計。 A first input coil and one or more second input coils to which the same current to be measured is supplied;
A first superconducting quantum interference device coupled to the first input coil with a first mutual inductance;
One or more second superconducting quantum interference devices coupled to the one or more second input coils with the first mutual inductance;
One or more flux bias coils coupled with one or more second superconducting quantum interference elements with a second mutual inductance;
A first resonance circuit in which a pre-assigned first resonance frequency changes according to an output of the first superconducting quantum interference device;
One or more second resonance circuits in which one or more pre-assigned second resonance frequencies change independently according to the output of the one or more second superconducting quantum interference elements;
N units (n is a desired natural number greater than or equal to 2) in parallel are provided in parallel with an ammeter portion having a configuration consisting of:
bias current supply means for connecting the magnetic flux bias coils of the n sets of ammeter portions in series and supplying the same bias current to the magnetic flux bias coils;
A multiplexed signal in which frequencies corresponding to all the first and second resonance frequencies different from each other in the n sets of ammeter portions are multiplexed with respect to the n sets of ammeter portions via one cable. Multiplexed signal supply means for supplying in common,
From the multiplexed signals that are output with the phase and amplitude changed according to changes in the first and second resonance frequencies of the n sets through the n sets of ammeter parts, demodulating means for outputting an n-channel demodulated signal of the outputs of the n sets of first and second superconducting quantum interference devices;
For each channel of the n-channel demodulated signal supplied from the demodulating means, the noise contained in the estimated value represented by the interlinkage magnetic flux / flux quantum of the output of the first and second superconducting quantum interference devices Among them, an n-channel signal processing means that selects an estimated value with the least noise and outputs it as a measured current value of the channel;
A multichannel superconducting ammeter characterized by comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012235758A JP2014085276A (en) | 2012-10-25 | 2012-10-25 | Superconductive current meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012235758A JP2014085276A (en) | 2012-10-25 | 2012-10-25 | Superconductive current meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014085276A true JP2014085276A (en) | 2014-05-12 |
Family
ID=50788453
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012235758A Pending JP2014085276A (en) | 2012-10-25 | 2012-10-25 | Superconductive current meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2014085276A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017028635A (en) * | 2015-07-27 | 2017-02-02 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Frequency multiple reading device |
| CN116203302A (en) * | 2023-02-14 | 2023-06-02 | 中国原子能科学研究院 | Miniature superconductive non-contact current sensor based on superconductive quantum interferometer |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04204278A (en) * | 1990-11-30 | 1992-07-24 | Fujitsu Ltd | Multi-channel squid magnetic meter |
| JPH05172918A (en) * | 1991-09-24 | 1993-07-13 | Shimadzu Corp | Multichannel dc-squid magnetometer |
| JPH06324129A (en) * | 1993-05-12 | 1994-11-25 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Method for measuring change of magnetic flux quantity |
| JPH08313610A (en) * | 1995-05-23 | 1996-11-29 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Squid fluxmeter |
| JPH08320363A (en) * | 1995-05-26 | 1996-12-03 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Squid flux meter |
| JPH1048303A (en) * | 1996-08-02 | 1998-02-20 | Hitachi Ltd | SQUID with integrated detection coil |
| JP2001091611A (en) * | 1999-09-20 | 2001-04-06 | Hitachi Ltd | High magnetic field resolution magnetometer |
| JP2012127837A (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-05 | International Superconductivity Technology Center | High-temperature superconducting magnetic sensor and manufacturing method thereof |
-
2012
- 2012-10-25 JP JP2012235758A patent/JP2014085276A/en active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04204278A (en) * | 1990-11-30 | 1992-07-24 | Fujitsu Ltd | Multi-channel squid magnetic meter |
| JPH05172918A (en) * | 1991-09-24 | 1993-07-13 | Shimadzu Corp | Multichannel dc-squid magnetometer |
| JPH06324129A (en) * | 1993-05-12 | 1994-11-25 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Method for measuring change of magnetic flux quantity |
| JPH08313610A (en) * | 1995-05-23 | 1996-11-29 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Squid fluxmeter |
| JPH08320363A (en) * | 1995-05-26 | 1996-12-03 | Chodendo Sensor Kenkyusho:Kk | Squid flux meter |
| JPH1048303A (en) * | 1996-08-02 | 1998-02-20 | Hitachi Ltd | SQUID with integrated detection coil |
| JP2001091611A (en) * | 1999-09-20 | 2001-04-06 | Hitachi Ltd | High magnetic field resolution magnetometer |
| JP2012127837A (en) * | 2010-12-16 | 2012-07-05 | International Superconductivity Technology Center | High-temperature superconducting magnetic sensor and manufacturing method thereof |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017028635A (en) * | 2015-07-27 | 2017-02-02 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Frequency multiple reading device |
| CN116203302A (en) * | 2023-02-14 | 2023-06-02 | 中国原子能科学研究院 | Miniature superconductive non-contact current sensor based on superconductive quantum interferometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mates et al. | Simultaneous readout of 128 X-ray and gamma-ray transition-edge microcalorimeters using microwave SQUID multiplexing | |
| Huber et al. | Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples | |
| Braginski | Superconductor electronics: Status and outlook | |
| Luomahaara et al. | Kinetic inductance magnetometer | |
| CN102460196B (en) | For measuring the surveying instrument of time-varying magnetic field or magnetic field gradient, resistive element and measuring system | |
| Fagaly | Superconducting quantum interference device instruments and applications | |
| Kempf et al. | Demonstration of a scalable frequency-domain readout of metallic magnetic calorimeters by means of a microwave SQUID multiplexer | |
| Bastiaans et al. | Amplifier for scanning tunneling microscopy at MHz frequencies | |
| Kempf et al. | Multiplexed readout of MMC detector arrays using non-hysteretic rf-SQUIDs | |
| Rothfuß et al. | Noise thermometry at ultra low temperatures | |
| Lin et al. | High-sensitivity cooled coil system for nuclear magnetic resonance in kHz range | |
| Schmelz et al. | Superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometers | |
| Drung et al. | Low noise YBa2Cu3O7− x SQUID magnetometers operated with additional positive feedback | |
| Schmelz et al. | A new family of field-stable and highly sensitive SQUID current sensors based on sub-micrometer cross-type Josephson junctions | |
| Sun et al. | A superconductor/TMR composite magnetic sensor for pico-Tesla magnetic field detection | |
| Granata et al. | Improved superconducting quantum interference device magnetometer for low cross talk operation | |
| Schönau et al. | A three-axis SQUID-based absolute vector magnetometer | |
| JP2014085276A (en) | Superconductive current meter | |
| Zhao et al. | Investigation and optimization of low-frequency noise performance in readout electronics of dc superconducting quantum interference device | |
| Granata et al. | An ultralow noise current amplifier based on superconducting quantum interference device for high sensitivity applications | |
| Granata et al. | Miniaturized superconducting quantum interference magnetometers for high sensitivity applications | |
| Drung | Introduction to Nb-based SQUID sensors | |
| Wosik et al. | Superconducting array for high-field magnetic resonance imaging | |
| Wu et al. | AC measurement of the Nernst effect of thin films at low temperatures | |
| Reich et al. | Experimental study of a hybrid single flux quantum digital superconducting quantum interference device magnetometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150807 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160613 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160621 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20161220 |