(57)【要約】【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１
2014085276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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超伝導電流計。
【請求項２】
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請求項１記載の超伝導電流計。
【請求項３】
請求項１記載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超伝導電流計。
【請求項４】
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多チャンネルの超伝導電流計。
【請求項５】
前記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ることを特徴とする請求項４記載の超伝導電流計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】R.P.Giffard,tR.A.Webb.and J.C.Wheatley,Journal of Low Temperature Physics,vol.6,p.533,1972
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【発明の効果】
【００２０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の超伝導電流計の第１の実施の形態の回路図である。
【図２】図１の規格化された入力電流とＳＱＵＩＤ出力及び信号処理回路の動作を説明する図である。
【図３】本発明の超伝導電流計の第２の実施の形態の回路図である。
【図４】図３の規格化された入力電流とＳＱＵＩＤ出力及び信号処理回路の動作を説明する図である。
【図５】本発明の多チャンネル超伝導電流計の一実施例の回路系統図である。
【図６】本発明の超伝導電流計の変形例の回路図である。
【図７】超伝導電流計の一例の回路図と規格化された入力電流とＳＱＵＩＤ出力及び入力換算雑音との特性図である。
【図８】超伝導電流計の他の例の回路図と規格化された入力電流とＳＱＵＩＤ出力及び入力換算雑音との特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【実施例】
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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)。
【００５１】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
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。
【符号の説明】
【００５３】
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
【図１】
2014085276.tif 000003
【図２】
2014085276.tif 000004
【図３】
2014085276.tif 000005
【図４】
2014085276.tif 000006
【図５】
2014085276.tif 000007
【図６】
2014085276.tif 000008
【図７】
2014085276.tif 000009
【図８】
2014085276.tif 000010