(57)【要約】超電導磁界検出素子は、共通の可撓性基板上に形成された少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループを備え、共通の可撓性基板は、非平面位置にあり、それにより、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループは、異なった配向の磁界を検出するように動作可能である。
2005535134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の可撓性基板上に形成された少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループを備え、共通の可撓性基板は、非平面位置にあり、それにより、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループは、異なった配向の磁界を検出するように動作可能である超電導磁界検出素子。
【請求項２】
共通の可撓性基板は、部分的に第１の平面内に延び、部分的に、第１の平面と実質的に直角の第２の平面内に延び、それにより、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループは、第１の平面及び第２の平面の双方に位置付けられる請求項１に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項３】
共通の可撓性基板は、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが、公称焦点の回りの所定の角度に対する弧を描くように位置付けられる請求項１に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項４】
共通の可撓性基板上に形成された複数個の超電導ピックアップ・ループを備え、共通の可撓性基板は非平面位置にあり、それにより、複数個の超電導ピックアップ・ループは、異なった配向の磁界を検出するように動作可能である超電導磁界検出素子。
【請求項５】
共通の可撓性基板は、別のピックアップ・ループが位置付けられているどの平面とも同平面でない独特の平面内に、複数個のピックアップ・ループの各々を位置付けるように配列されている請求項４に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項６】
第１の平面内に位置付けられた第１の超電導ピックアップ・ループと、該第１の平面と実質的に直角の第２の平面内に位置付けられた第２の超電導ピックアップ・ループとを備えた請求項５に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項７】
第１の平面内に位置付けられた第１の超電導ピックアップ・ループと、該第１の平面と実質的に平行でそれから離間された第２の平面内に位置付けられた第２の超電導ピックアップ・ループとを備えた請求項５に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項８】
第１の平面内に位置付けられた第１の超電導ピックアップ・ループと、第２の平面内に位置付けられた第２の超電導ピックアップ・ループとを備え、第１の超電導ピックアップ・ループ及び第２の超電導ピックアップ・ループは、公称焦点の回りの所定の角度に対する、共通の可撓性基板に沿った弧を描く請求項５に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項９】
共通の可撓性基板は、ハステロイ・テープを備える請求項１または６乃至８のいずれかに記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１０】
ハステロイ・テープは、５０μｍと２００μｍとの間の厚さを有する請求項９に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１１】
共通の可撓性基板は、部分的にもしくは全体的にＣｅｒａｆｌｅｘのような安定化ジルコニアの基板を備える請求項１または６乃至８のいずれかに記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１２】
少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが形成されるかまたは複数個の超電導ピックアップ・ループが形成される超電導材料の双軸配列を改善するために、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような双軸的に整列されたバッファ層が、共通の可撓性基板を覆って形成される請求項９乃至１１のいずれかに記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１３】
バッファ層は、イオン・ビーム・アシスト蒸着によって沈積される請求項１２に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１４】
バッファ層は、重複イオン・ビーム・アシスト蒸着により沈積される請求項１２に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１５】
ＹＢＣＯのような超電導材料層がバッファ層を覆って形成される請求項１２乃至１４のいずれかに記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１６】
少なくとも１つのまたは多数のピックアップ・ループを通して通過する磁界の結果として少なくとも１つのまたは多数のピックアップ・ループ内に誘起される電流を検出するためのＳＱＵＩＤをさらに備えた請求項１または４に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１７】
ＳＱＵＩＤは、共通の可撓性基板上に形成される請求項１６に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１８】
ＳＱＵＩＤは、共通の可撓性基板上に形成されるフラックス転換体を介して少なくとも１つまたは多数のピックアップ・ループに磁気的に結合される請求項１６に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項１９】
ＳＱＵＩＤは、フラックス転換体及びＳＱＵＩＤ間の結合を許容するよう位置付けられる請求項１８に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項２０】
ＳＱＵＩＤは、フラックス転換体に対して装着される請求項１９に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項２１】
共通の可撓性基板の最小曲率またはねじれが、超電導磁界検出素子に対する損傷を避けるように制御される請求項１または４に記載の超電導磁界検出素子。
【請求項２２】
共通の可撓性基板は、超電導ピックアップ・ループのような回路素子を第３の平面内に提供するようにねじられる請求項６乃至８のいずれかに記載の超電導磁界検出素子。
【請求項２３】
磁界を検出するための超電導デバイスの素子を形成する方法であって、
共通の可撓性基板上に少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループを形成する段階と、
少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが異なった配向の磁界を検出するよう動作可能であるように、非平面形態に共通の可撓性基板を位置付ける段階と、
を含む方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが第１の平面及び第２の平面の双方に位置付けられるように、第１の平面内に共通の可撓性基板を部分的に延長し、かつ第１の平面と実質的に直角の第２の平面内に共通の可撓性基板を部分的に延長する段階をさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが、公称焦点の回りの所定の角度に対する弧を描くように、共通の可撓性基板を位置付ける段階をさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
磁界を検出するための超電導デバイスの素子を形成する方法であって、
共通の可撓性基板上に複数個の超電導ピックアップ・ループを形成する段階と、
複数個の超電導ピックアップ・ループが異なった配向の磁界を検出するよう動作可能であるように、非平面形態に共通の可撓性基板を位置付ける段階と、
を含む方法。
【請求項２７】
別のピックアップ・ループが位置付けられているどの平面とも同平面でない独特の平面内に、複数個のピックアップ・ループの各々を位置付けるように、共通の可撓性基板を配列する段階をさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
第１の平面内に第１の超電導ピックアップ・ループを位置付け、該第１の平面と実質的に直角の第２の平面内に第２の超電導ピックアップ・ループを位置付ける段階をさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
第１の平面内に第１の超電導ピックアップ・ループを位置付け、該第１の平面と実質的に平行でかつそれから離間された第２の平面内に第２の超電導ピックアップ・ループを位置付ける段階をさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
第１の超電導ピックアップ・ループ及び第２の超電導ピックアップ・ループが、公称焦点の回りの所定の角度に対する、共通の可撓性基板に沿った弧を描くように、第１の平面内に第１の超電導ピックアップ・ループを位置付け、第２の平面内に第２の超電導ピックアップ・ループを位置付ける段階をさらに含む請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
少なくとも１つのまたは多数のピックアップ・ループを通して通過する磁界の結果として、少なくとも１つのまたは多数のピックアップ・ループ内に誘起される電流を検出する段階をさらに含む請求項２３または２６に記載の方法。
【請求項３２】
可撓性の多結晶基板と、
双軸方向に配列されたバッファ層と、
該双軸方向に配列されたバッファ層を覆って形成される少なくとも１つの超電導成分と、
を備えた可撓性の超電導デバイス。
【請求項３３】
超電導デバイスの以下の非制限リスト：
ピックアップ・ループ；
接地平面；
ストリップライン・コネクタ；
導波路；
フラックス転換体；
ジョフセソン接合；及び
ＳＱＵＩＤ
の１つまたは２つ以上をさらに備える請求項３２に記載の可撓性の超電導デバイス。
【請求項３４】
可撓性の超電導デバイスを形成する方法であって、
可撓性の多結晶基板を提供する段階と、
該可撓性の多結晶基板を覆って、双軸方向に配列されたバッファ層を形成する段階と、
該双軸方向に配列されたバッファ層上に少なくとも１つの超電導成分を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項３５】
可撓性の超電導デバイスは、超電導デバイスの以下の非制限リスト：
ピックアップ・ループ；
接地平面；
ストリップライン・コネクタ；
導波路；
フラックス転換体；
ジョフセソン接合；及び
ＳＱＵＩＤ
の１つまたは２つ以上を備える請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
第１の公称平面を定義し、かつ該第１の公称平面内に実質的に存する第１のピックアップ・ループと、
第２の公称平面を定義し、かつ該第２の公称平面内に実質的に存する第２のピックアップ・ループと、
を備え、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループは、共通の可撓性基板上に形成され、第１の公称平面及び第２の公称平面は、実質的に平行であり、そして第１の公称平面及び第２の公称平面は、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループが、背景磁界から局部磁界を識別するために動作するのを許容するよう、充分に離間されている超電導グラジオメータ。
【請求項３７】
共通の可撓性基板上にパターン化された超電導フラックス転換体のピックアップ・ループ構造を使用することにより履行され、軸方向にある請求項３６に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項３８】
フラックス転換体は、第１または第２のピックアップ・ループを通して通過する磁界の結果として第１または第２のピックアップ・ループのいずれか内に誘起される電流を検出するための検出手段に誘導的に結合される請求項３７に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項３９】
検出手段は、ＳＱＵＩＤ磁気計である請求項３８に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４０】
フラックス転換体は、該フランクス転換体に近接して配置されたＳＱＵＩＤに検出されたフラックスを結合するために、第１及び第２のピックアップ・ループ間に位置付けられる請求項３９に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４１】
第１及び第２のピックアップ・ループの各々をフラックス転換体に接続する可撓性のストリップライン導体をさらに備える請求項４０に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４２】
ＳＱＵＩＤは、フラックス転換体に対して装着される請求項４１に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４３】
ＳＱＵＩＤは、フリップチップ配列でフラックス転換体に対してサンドイッチ状に装着される請求項４２に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４４】
ＳＱＵＩＤは、ジョセフソン接合の形成によって共通の可撓性基板上に形成される請求項４１に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４５】
ジョセフソン接合は、基板にエッチングされた段状エッジ上に形成される請求項４４に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４６】
イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような双軸方向に配列されたバッファ層が、第１及び第２のピックアップ・ループが形成される超電導材料の双軸方向配列を改善するために、共通の可撓性基板を覆って形成される請求項３６乃至４５のいずれかに記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４７】
ＹＢＣＯのような超電導材料層がバッファ層を覆って形成される請求項４６に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４８】
保護層が超電導材料層を覆って与えられる請求項４７に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項４９】
フラックス転換体は、超電導材料層を覆って回路をパターン化することによって形成される請求項４７または４８に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項５０】
可撓性の超電導テープの追加の長さが、接地平面を形成するストリップライン導体の各々を覆う請求項４１に記載の超電導グラジオメータ。
【請求項５１】
共通の可撓性基板は、ハステロイから作られる可撓性テープを備える請求項３６乃至５０のいずれかに記載の超電導グラジオメータ。
【請求項５２】
共通の可撓性基板は、Ｃｅｒａｆｌｅｘテープを備える請求項３６乃至５０のいずれかに記載の超電導グラジオメータ。
【請求項５３】
超電導グラジオメータを製造する方法であって、
単一の公称平面内に実質的に位置付けられる共通の可撓性基板上に第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループを形成する段階と、
第１の公称平面に実質的に第１のピックアップ・ループを位置付け、第２の公称平面に実質的に第２のピックアップ・ループを位置付けるよう、可撓性基板を引き続き変形する段階と、
を含み、第１の公称平面及び第２の公称平面は、実質的に平行であり、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループが、背景磁界から局部磁界を識別するように動作するのを許容するよう充分に離間されている方法。
【請求項５４】
可撓性基板上にフラックス転換体を形成する段階と、
該フラックス転換体に対してＳＱＵＩＤをサンドイッチ状に装着する段階と、
をさらに含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
フラックス転換体を形成し、第１及び第２のピックアップ・ループを形成する段階は、同時に行なわれる請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
可撓性基板上に段状のエッジを形成する段階と、
可撓性基板上に、前記段状エッジを覆って形成されるジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤを形成する段階と、
をさらに含む請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記ピックアップ・ループの形成に先立って可撓性基板上にバッファ層を形成する段階と、
第１及び第２のピックアップ・ループ上に保護膜を形成する段階と、
をさらに含む請求項５４または５６に記載の方法。
【請求項５８】
第１及び第２のピックアップ・ループは、バッファ層を覆って超電導層の部分として形成される請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
バッファ層は、超電導層における超電導材料の双軸方向の成長を促進するための、及び共通の可撓性基板から第１及び第２のピックアップ・ループを隔離するための双軸方向に配列されたＹＳＺである請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
超電導層は、５０ｎｍと５００ｎｍとの間の厚さを有する請求項５８または５９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元に位置付けられた素子を有する超電導装置に関し、特に、３次元に位置付けられた素子を有する高温超電導装置に関する。本発明は、特に、可撓性の超電導テープ上の転換体ループ構造をエッチングすることにより形成される傾度測定用ピックアップ・ループを用いた高温超電導軸方向グラジオメータに関する。ピックアップ・ループは、超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）の磁気計に誘導的に結合されるのが好ましい。グラジオメータの軸と交差する方向における磁界に対する感度が疑わしい場合の応用において、均一な背景磁界は、遮蔽の状態を創設するよう、フラックス転換体の二次ループと、磁気計との間の相互インダクタンスを整合させることにより、減少され得る。
【背景技術】
【０００２】
超電導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）は、しばしば、高感度磁界センサとして用いられる。このようなＳＱＵＩＤセンサは、人間の脳または人間の他の臓器からの磁界放射のような生物学的な磁界検出及び物理探鉱のような領域において高感度の感知能力のためにますます普及してきている。
【０００３】
ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（ＹＢＣＯ）のような高臨界温度超電導（ＨＴＳ）材料の出現で、ＨＴＳ−ＳＱＵＩＤは、７７Ｋ（−１９６℃）以上で動作することができ、それ故、４Ｋ（−２６９℃）での動作のための冷却材として必要な液体ヘリウムの代わりに、比較的安価な液体窒素によって冷却され得る。液体窒素は、また、液体ヘリウムよりも使用するのに便利であり、全体としてのシステムがコンパクトな形態で作られるのを許容する。
【０００４】
ＳＱＵＩＤをベースにした磁気計及びグラジオメータの製造のために高温超電導（ＨＴＳ）材料を用いることは、今やかなり良く確立されている。（例えば、Ｗ．Ｅｉｄｅｌｌｏｔｈ，Ｂ．Ｏｈ，Ｒ．Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔａｚｚｉ，Ｗ．Ｊ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ，のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，５９，３４７３（１９９１）；Ｓ．Ｋｎａｐｐｅ，Ｄ．Ｄｒｕｎｇ，Ｔ．Ｓｃｈｕｒｉｇ，Ｈ．Ｋｏｃｈ，Ｍ．Ｋｌｉｎｇｅｒ，Ｊ．Ｈｉｎｋｅｒ，のＣｒｙｏｇｅｎｉｃｓ  ３２，８８１，（１９９２）；Ｍ．Ｎ．Ｋｅｅｎｅ，Ｓ．Ｗ．Ｇｏｏｄｙｅａｒ，Ｎ．Ｇ．Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ，Ｊ．Ｓ．Ｓａｔｃｈｅｌｌ，Ｊ．Ａ．Ｅｄｗａｒｄｓ，Ｋ．Ｌａｎｄｅｒ，のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６４，３６６（１９９４）；Ｇ．Ｍ．Ｄａａｌｍａｎｓ，のＡｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．３，３９９，（１９９５）；Ｍ．Ｉ．Ｆａｌｅｙ，Ｕ．Ｐｏｐｐｅ，Ｋ．Ｕｒｂａｎ，Ｈ．Ｊ．Ｋｒａｕｓｅ，Ｈ．Ｓｏｌｔｎｅｒ，Ｒ．Ｈｏｈｍａｎｎ，Ｄ．Ｌｏｍｐａｒｓｋｉ，Ｒ．Ｋｕｔｚｎｅｒ，Ｒ．Ｗｏｒｄｅｎｗｅｂｅｒ，Ｈ．Ｂｏｕｓａｃｋ，Ａ．Ｉ．Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ，Ｖ．Ｙ．Ｓｌｏｂｏｄｃｈｉｋｏｖ，Ａ．Ｖ．Ｇａｐｅｌｙｕｋ，Ｖ．Ｖ．Ｋｈａｎｉｎ，Ｙ．Ｖ．Ｍａｓｌｅｎｎｉｋｏｖ，のＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，７，３７０２（１９９７））。液体窒素の温度で動作することができることから生じる相当の利点にもかかわらず、ＨＴＳ材料は、代替的な低温超電導よりも使用するのに一層困難なままであり、低温ヘリウムで冷却された超電導（ＬＴＳ）における多くの設計手法はＨＴＳ材料で履行されることができない。特に、ＨＴＳ超電導ワイヤがないこと及びＨＴＳ材料における超電導接続を形成することが困難なことは、超電導ワイヤからグラジオメータ・コイルを形成することの標準のＬＴＳ設計手法が、ＨＴＳ材料において適用可能でないということを意味する。
【０００５】
対角線上の成分（軸方向グラジオメータ）
【数１】
2005535134.tif 000003
に対して感度を有するＨＴＳグラジオメータのための設計が記載されてきたが（例えば、Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ，Ｊ．Ｒ．Ｒｏｚｅｎ，Ｊ．Ｚ．Ｓｕｎ，Ｗ．Ｊ．Ｇａｌｌａｇｈｅｒ，のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６３，４０３，（１９９３）；Ｈ．Ｊ．Ｍ．ｔｅｒ  Ｂｒａｋｅ，Ｎ．Ｊａｎｓｓｅｎ，Ｊ．Ｆｌｏｋｓｔｒａ，Ｄ．Ｖｅｌｄｅｈｕｉｓ，Ｈ．Ｒｏｇａｌｌａ，のＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．，７，２５４５，（１９９７）；Ｊ．Ｂｏｒｇｍａｎｎ，Ｐ．Ｄａｖｉｄ，Ｇ．Ｏｃｋｅｎｆｕｓｓ，Ｒ．Ｏｔｔｏ，Ｊ．Ｓｃｈｕｂｅｒｔ，Ｗ．Ｚａｎｄｅｒ，Ａ．Ｊ．Ｂｒａｇｉｎｓｋｉ，のＲｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６８，２７３０，（１９９７））、しかし、これらは、共通の垂直軸上で互いから固定の距離で概して位置付けられている一対のＳＱＵＩＤ磁気計の出力の、電子的またはソフトウェア的な引き算によってのみ履行されてきた。これらの設計は、双方の磁気計が全周囲磁界（しばしば地球の磁界）において線形に動作しなければならないという不利益を蒙る。ほとんどの履行において約１０−３程度に概して制限される良好な共通モードの排除（均一磁界の排除）を達成することが困難である。さらに、達成可能なノイズ性能は、均一な背景磁界の大きさに依存し得、２つのＳＱＵＩＤの対称軸のランダムに変化する不整列を生じる振動から生じるマイクロホニックスによって決定される。
【０００６】
これらの問題の幾つかは、本来的のグラジオメータの構造の使用によって改善される。ＨＴＳフィルムを用いる本来の磁気グラジオメータのための幾つかの設計は文献に記載されてきたけれども、これらの設計は一次勾配テンソルの非対角成分（横断グラジオメータ）
【数２】
2005535134.tif 000004
に対してのみ感度を有する。これらの設計は概して２つの型の一方に分類される。第１のものは、傾度測定用ピックアップ・ループの構造が、直流（ＤＣ）ＳＱＵＩＤによって遮断される共通の導体を有した一対の超電導ループからなるという「数字８」トポロジーを用いる。ＳＱＵＩＤは、２つのポートのデバイス（ＳＱＵＩＤ増幅器）として動作し、その理由は、ＳＱＵＩＤにおけるフラックスが、一対の入力端子に直接注入された電流から導出されるからである。グラジオメータ入力ループの等価な磁気領域及びインダクタンスの整合に依存して，ＳＱＵＩＤにおける電流は、外部の磁界勾配に応答してピックアップ・ループに誘起された遮蔽電流における差に比例する。２つのピックアップ・ループは電気的に並列であり、それ故、このトポロジーの欠点は、均一な磁界においてさえ、大きな全体遮蔽電流が、超電導フィルムにおける多くの数のアブリコソフの渦の関連の生成によりノイズ性能を劣化させるという可能性を有してピックアップ・ループ構造の外周に誘起されるということである。
【０００７】
ＨＴＳ横断グラジオメータの開発に対するもう１つの方法は、平面ピックアップ・ループ構造を用い、該平面ピックアップ・ループ構造は、それが誘導的に結合されるＳＱＵＩＤ磁気計とフリップチップされる。一次設計において、フラックス転換体(flux transformer)は、一対のピックアップ・ループからなり、その一方はＳＱＵＩＤ磁気計に結合される。ＳＱＵＩＤとループ間の相互インダクタンスを整合させることにより、ＳＱＵＩＤ／ループ結合の全有効磁気領域は、フラックス転換体の他方のループのものと正確に対向させられ得る。これらの条件下で、均一磁界に対する感度は消滅するが、磁界勾配に関してはゼロでないままである。二次横断グラジオメータもこの方法を用いて履行されてきた。
【０００８】
本明細書に含まれている文献、文書、資料、図案、論文等に関するいずれの議論も、本発明のための文脈を提供する目的のためだけにある。これらの事項のいずれかまたはすべてが、従来技術の基礎の部分を形成するという、もしくは本件出願の特許請求の範囲の各々の優先日前に存在したという理由で、本発明に関連する分野において一般的な共通知識であったという、承認として取られるべきでない。
【０００９】
この明細書全体を通して、用語「備える」または「備えた」は、ここで説明する要素、完全体またはステップ（段階）、もしくは要素、完全体またはステップ（段階）のグループを含むことを意味するものであるが、何等かの他の要素、完全体またはステップ（段階）、もしくは要素、完全体またはステップ（段階）のグループの排除を意味すると解されるものではない。
【００１０】
この明細書全体を通して、用語「超電導材料もしくは物質」及び「超電導装置もしくはデバイス」等は、或る状態において及び或る温度において超電導性を示すことができる材料（物質）または装置（デバイス）に言及するために用いられている。このような用語の使用は、該材料（物質）または装置（デバイス）が、すべての状態またはすべての温度で超電導性を示すということを意味するものではない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様によれば、共通の可撓性基板上に形成された少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループを備え、共通の可撓性基板は、非平面位置にあり、それにより、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループは、異なった配向の磁界を検出するように動作可能である超電導磁界検出素子が提供される。
【００１２】
本発明の第２の態様によれば、磁界を検出するための超電導デバイスの素子を形成する方法であって、
共通の可撓性基板上に少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループを形成する段階と、
少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが異なった配向の磁界を検出するよう動作可能であるように、非平面形態に共通の可撓性基板を位置付ける段階と、
を含む方法が提供される。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態において、共通の可撓性基板は、第１の平面内に部分的に延び得、第１の平面と実質的に直角の第２の平面内に部分的に延び得、それにより、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループは、第１の平面及び第２の平面の双方に位置付けられる。本発明のこのような実施形態は、第１の平面に対する垂線が第２の平面に対する垂線と交わる位置に、未知のランダムな配向の磁気ダイポールが置かれる場合に長所的であることを示す。２つの直角の平面内における少なくとも１つのピックアップ・ループの位置づけは、磁気ダイポールの磁界が少なくとも幾つかのピックアップ・ループを通して通過する可能性を増し、従って、ピックアップ・ループ内に電流を誘起して、磁気ダイポールの検出を可能とする。
【００１４】
代替的には、共通の可撓性基板は、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが、弧を描くように、例えば、公称焦点の回りに９０°の角度に対する弧を描くように位置付けられ得る。このような実施形態においては、ピックアップ・ループの弧の公称焦点に、もしくはその近辺に、ランダムに配向された磁気ダイポールを位置付けることは、ピックアップ・ループが単一の平面内に位置付けられる場合において存在するであろうよりも、磁気ダイポールの検出の一層高い可能性を提供する。本発明のこのような実施形態は、ランダムに配向されて埋設された磁気物体の検出のために物質または物品をふるい分けるに際し特定の応用を有し得る。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態において、共通の可撓性基板上に複数個の超電導ピックアップ・ループが形成され得る。かかる実施形態においては、共通の可撓性基板は、別のピックアップ・ループが位置付けられる任意の平面とは同平面ではない独自の平面内に複数個のピックアップ・ループの各々を位置付けるように配列され得る。例えば、２つの超電導ピックアップ・ループが設けられて、それぞれの第１及び第２の平面内に位置づけられ得、第１及び第２の平面は、互いに実質的に直角である。代替的には、２つの超電導ピックアップ・ループが設けられ得て、それぞれの第１及び第２の平面内に位置付けられ得、それぞれの第１及び第２の平面は、互いに平行で離間されている。
【００１６】
さらに、共通の可撓性基板上に形成された２つの超電導ピックアップ・ループを有する装置が設けられた本発明の実施形態において、臨界電流及び有効面積のような、２つの超電導ピックアップ・ループの固有の特性は、離れた基板上に形成されたピックアップ・ループまたは装置の特性に対する場合であるよりも、整合されるために相当に近接しているように思われる。従って、このような装置の誤差マージンは、相当に小さいことが予想され得、事実、地球の磁界よりも低い１０８までの磁界が、本発明の幾つかの実施形態によって検出され得る。さらに、共通の可撓性基板上に２つの超電導ピックアップ・ループを提供する本発明の実施形態は、単一のＳＱＵＩＤだけを備えた軸方向グラジオメータのような磁界検出装置の構成を可能とする。このような回路は、物理的な装置の製造及び装置の電気的特性の双方に関して、複数個のＳＱＵＩＤを提供する余分の複雑さを必要とする回路よりも相当の利点を提供する。
【００１７】
超電導テープは、主に、電力伝送の適用のために開発されてきた。初期の開発においては、このようなテープは、種々のセラミックＨＴＳ材料の１つで満たされた銀のチューブ内の粉末を用いて形成されたが、テープ技術における一層最近の開発では、介在するバッファ層を有する金属及び絶縁基板の双方上にＹＢＣＯフィルムを形成する能力がもたらされた。
【００１８】
本発明の好適な実施形態においては、共通の可撓性基板は、好ましくは５０から２００μｍの厚さのハステロイ・テープを含み得る。本発明による共通の可撓性基板を提供することに加えて、ハステロイ・テープは、また、ＭｇＯ，ＳｒＴｉＯ３，ＬａＡｌ２Ｏ３等のような非可撓性の結晶基板と比較した場合、相当大きい面積のピックアップ・ループが相当の低価格で形成され得るという点で長所的である。本発明の代替的な実施形態においては、共通の可撓性基板は、例えば、米国９８３６８、ＷＡ，Ｐｏｒｔ  Ｔｏｗｎｓｅｎｄ，４７５０Ｍａｇｎｏｌｉａ  Ｓｔ．のＭａｒｋｅ  Ｔｅｃｈ  ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏａｌによるＣｅｒａｆｌｅｘという名称のもとで提供されるような非常に薄い可撓性のシートの形態における部分的もしくは完全な安定化ジルコニア基板を含み得る。Ｃｅｒａｆｌｅｘは、ハステロイ・テープよりも改善されたノイズ特性を有することが発見されており、Ｃｅｒａｆｌｅｘ基板上に形成された超電導装置のＳＮＲは、ハステロイ・テープに対して多分３０％だけ改善されることが可能である。
【００１９】
共通の可撓性基板がハステロイまたはＣｅｒａｆｌｅｘのような多結晶基板である本発明の実施形態においては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような双軸方向に配列されたバッファ層は、少なくとも１つの超電導ピックアップ・ループが形成される超電導材料の双軸方向配列を改善するために、共通の可撓性基板上に形成されるのが好ましい。バッファ層は、本願と同時係属中の国際特許出願第ＰＣＴ／ＡＵ０２／００６９６号に述べられたような（この内容は参照によりここに組み込まれる）、イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＩＢＡＤ）によって、または重複イオン・ビーム・アシスト蒸着（ＤＩＢＡＤ）によって沈積され得る。
【００２０】
本発明の実施形態において、少なくとも１つのピックアップ・ループに電流を誘起する、少なくとも１つのピックアップ・ループを通って通過する磁界は、ＳＱＵＩＤを用いることによって検出され得る。ＳＱＵＩＤは、共通の可撓性基板上に形成され得る。代替的には、ＳＱＵＩＤは、共通の可撓性基板上に形成されるフラックス転換体を介して、及びフラックス転換体及びＳＱＵＩＤ間の結合を許容するようにＳＱＵＩＤを位置付けることによって、少なくとも１つのピックアップ・ループに磁気的に結合され得る。例えば、ＳＱＵＩＤは、“フリップ・チップ”配列でフラックス転換体に対して装着され得る。
【００２１】
本発明者は、双軸方向に配列されたバッファ層を支持するために、従って、バッファ層を覆って形成される可撓性超電導回路を支持するために、ハステロイ・テープまたはＣｅｒａｆｌｅｘのような可撓性基板を用いることが可能であるということを認識した。例えば、このような基板は、磁気計のための大きい面積のピックアップ・ループのような可撓性の超電導回路を支持するために用いられ得る。従って、本発明は、グラジオメータのピックアップ・ループ、及び超電導ストリップラインのための可撓性接地平面を含む可撓性の超電導回路を製造するための可撓性超電導媒体としての使用を含むよう、このような可撓性基板を用いた超電導テープの応用を拡張する。さらに、このような応用は、可撓性の超電導の導波路の形成を含む。本発明によって予想されるこのような多くの応用において、数百ミリメートル程度の比較的短い長さのテープでさえ充分であるであろう。
【００２２】
従って、本発明の第３の態様によれば、可撓性の多結晶基板と、双軸方向に配列されたバッファ層と、該双軸方向に配列されたバッファ層を覆って形成される少なくとも１つの超電導成分と、を備えた可撓性の超電導デバイスが提供される。
【００２３】
同様に、本発明の第４の態様によれば、可撓性の超電導デバイスを形成する方法であって、
可撓性の多結晶基板を提供する段階と、
該可撓性の多結晶基板を覆って、双軸方向に配列されたバッファ層を形成する段階と、
該双軸方向に配列されたバッファ層上に少なくとも１つの超電導成分を形成する段階と、を含む方法が提供される。
【００２４】
本発明の第３及び第４の態様の実施形態によれば、可撓性の超電導デバイスは、超電導デバイスの以下の非制限リスト：
ピックアップ・ループ；
接地平面；
ストリップライン・コネクタ；
導波路；
フラックス転換体；
ジョフセソン接合；及び
ＳＱＵＩＤ
の１つまたは２つ以上を備え得る。
【００２５】
共通の可撓性基板の最小の曲率半径が制御されるべきである。これは、多結晶の可撓性基板、双軸方向に配列されたバッファ層、結晶性の超電導層または上にある銀の不動態化層のような任意の他の層に起因して損傷を生じる装置の過度にきつい曲率の可能性に起因している。共通の可撓性基板、バッファ層、超電導ピックアップ・ループ及び不動態化層のような任意の他の層が形成される材料に依存して、装置の最小の許容し得る曲率半径が変わり得る。
【００２６】
テープは、また、例えば、第３の平面に回路素子を提供するためにねじられ得、３つの直交平面に素子を提供する。再度、最小の曲率半径またはねじれは、装置に対する損傷を避けるように制御されるのが好ましい。
【００２７】
本発明の第５の態様によれば、
第１の公称平面を定義し、かつ該第１の公称平面内に実質的に存する第１のピックアップ・ループと、
第２の公称平面を定義し、かつ該第２の公称平面内に実質的に存する第２のピックアップ・ループと、
を備え、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループは、共通の可撓性基板上に形成され、第１の公称平面及び第２の公称平面は、実質的に平行であり、そして第１の公称平面及び第２の公称平面は、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループが、背景磁界から局部磁界を識別するために動作するのを許容するよう、充分に離間されている超電導グラジオメータが提供される。
【００２８】
共通の可撓性基板上に形成される第１及び第２のピックアップ・ループを提供することによって、本発明の第５の態様は、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループ間に別々に形成される接続を必要とすることなく、グラジオメータが構成されるのを許容する。
【００２９】
本発明の第５の態様による可撓性基板の使用は、平面蒸着技術によるような、単一平面に超電導グラジオメータを形成することを許容する。ピックアップ・ループが可撓性基板上に形成されてしまった後、可撓性基板の変形または曲げは、第１及び第２のピックアップ・ループが、それぞれ第１及び第２の公称平面に位置付けられるのを許容する。
【００３０】
本発明の第５の態様により第１及び第２のピックアップ・ループを位置付けることは、超電導の軸方向グラジオメータの構成を可能とする。本発明の第５の態様の幾つかの実施形態において、このような軸方向グラジオメータは、共通の可撓性基板上にパターン化された超電導フラックス転換体ピックアップ・ループ構造の使用により履行され得、該フラックス転換体ピックアップ・ループは、ＳＱＵＩＤ磁気計に誘導的に結合される。
【００３１】
このような実施形態において、軸方向グラジオメータは、例えば可撓性基板の双軸方向に配列されたバッファ層を覆って形成されたＹＢＣＯ層であって良い、テープの超電導層上に、通常のレジスト技術を用いて、適切な回路をパターン化することにより形成されるフラックス転換体を含む。このような実施形態において、フラックス転換体は、一対の可撓性のストリップライン導体を介して、中央に配置された二次ループと直列に接続された２つの外部ピックアップ・ループを備える。ＳＱＵＩＤ磁気計は、次に、二次ループ上に“フリップチップ化”され、絶縁スペーサにより二次ループから離間される。このような実施形態において、可撓性の超電導テープの２つの追加の長さが、各外部ピックアップ・ループ及び二次ループ間のストリップライン・コネクタを覆うために用いられるのが好ましい。ストリップライン・コネクタに対し、可撓性の超電導テープの追加の長さは、接地平面を形成する。可撓性超電導テープのこれらの追加の長さは、３つの目的を行なうように構成されるのが好ましい。第１に、超電導テープのこのような追加の長さは、もしそうでなければストリップライン・コネクタからループ構造内に誘起されるかも知れない、望まれない遮蔽電流を減少するように働き得、そして第２に、ストリップライン・コネクタのインダクタンスを減少するように働き得る。グラジオメータの性能への、ストリップライン・インダクタンスの影響は、以下に一層詳細に考察される。最後に、追加の超電導テープの接地平面は、必要ならば、主ピックアップ・ループの等価面積の平衡または整合を容易にするために用いられ得、これは例えば、２つの外部のピックアップ・ループの等価面積を平衡する態様で、ストリップラインの適切な面積を外部磁界に露出させるように、接地テープを覆う追加の超電導をスライドさせることにより行なわれる。
【００３２】
本発明の好適な実施形態において、可撓性の基板は、ハステロイのような圧延された金属合金から作られた可撓性のテープを備える。長所的には、Ｃｅｒａｆｌｅｘテープが代替的には用いられ得る。過去においては、Ｃｅｒａｆｌｅｘテープは、ＨＴＳ応用に対しては用いられてこなかったが、しかしながら、Ｃｅｒａｆｌｅｘテープは、ハステロイ・テープのような従来のテープよりも改善されたノイズ性能を提供し、ハステロイテープに対しおそらく３０％だけテープ上に形成された超電導装置のＳＮＲを改善するということが、本発明者により認識された。
【００３３】
バッファ層は、基板及びピックアップ・ループ間に位置付けられ得、例えば、ピックアップ・ループが形成される超電導材料に双軸方向の結晶配列を促進するか、及び／または超電導材料を基板から隔離する。バッファ層は、双軸方向に配列されたイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）層を備え得る。超電導材料は、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７（略語ＹＢＣＯ）またはＢｉ１．６Ｐｂ０．４Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０（略語ＢＳＣＣＯ）であって良い。Ａｇ層のような保護層は、ピックアップ・ループが形成される超電導材料を覆って提供され得る。
【００３４】
本発明の第５の態様の好適な実施形態において、フラックス転換体は、該フラックス転換体に近接したＳＱＵＩＤに、検出されたフラックスを結合するために、第１及び第２のピックアップ・ループ間に設けられる。例えば、ＳＱＵＩＤは、離れた基板上に通常の手段によって形成されて、先に説明したように“フリップ・チップ”配列でフラックス転換体に対してサンドイッチ状に装着される。
【００３５】
代替的には、ＳＱＵＩＤは、例えば基板にエッチングされた段状エッジ上に、ジョセフソン結合の形成により、可撓性の基板自体上に形成され得る。
【００３６】
本発明の第６の態様によれば、超電導グラジオメータを製造する方法であって、
単一の公称平面内に実質的に位置付けられる共通の可撓性基板上に第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループを形成する段階と、
第１の公称平面に実質的に第１のピックアップ・ループを位置付け、第２の公称平面に実質的に第２のピックアップ・ループを位置付けるよう、可撓性基板を引き続き変形する段階と、
を含み、第１の公称平面及び第２の公称平面は、実質的に平行であり、第１のピックアップ・ループ及び第２のピックアップ・ループが、背景磁界から局部磁界を識別するように動作するのを許容するよう充分に離間されている方法が提供される。
【００３７】
本発明の第６の態様の方法は、
可撓性基板上にフラックス転換体を形成する段階と、
該フラックス転換体に対してＳＱＵＩＤをサンドイッチ状に装着する段階と、
の追加の段階を含み得る。
【００３８】
フラックス転換体を形成する段階は、最も便宜的には、第１及び第２のピックアップ・ループを形成する段階と同時に行なわれ得ることが理解されるであろう。
【００３９】
代替的には、本発明の第６の態様の方法は、
可撓性基板上に段状のエッジを形成する段階と、
可撓性基板上に、前記段状エッジを覆って形成されるジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤを形成する段階と、
の追加の段階を含み得る。
【００４０】
本発明の第６の態様の方法は、
前記ピックアップ・ループの形成に先立って可撓性基板上にバッファ層を形成する段階と、及び／または
第１及び第２のピックアップ・ループ上に保護膜を形成する段階と、
の追加の段階を含み得る。
【００４１】
バッファ層は、双軸方向に配列されたＹＳＺであって良く、ピックアップ・ループが形成される超電導材料の双軸方向の成長を促進するように働き得、そして可撓性基板からピックアップ・ループを隔離するように働き得る。保護被膜は、銀の被膜であって良い。
【００４２】
今日まで、ＨＴＳ可撓性テープは、主に、電力伝送の目的に対して考慮されてきた。従って、より厚い電力搬送超電導層とは対照的に、本発明では、おそらく５０−５００ｎｍの比較的薄い超電導層が用いられ得るということが予想される。
【００４３】
例示としてのみ、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、本発明の第１及び第５の双方の態様の実施形態に従った高温超電導（ＨＴＳ）軸方向グラジオメータ１０を示す。軸方向グラジオメータは、該グラジオメータの超電導素子のための基板を提供する、可撓性のハステロイ・テープ１１を備える。ハステロイ・テープの表面上には、ＹＳＺのバッファ層が成長されており、ＹＳＺに渡って形成されたＹＢＣＯの双軸配列を高める。ＹＢＣＯから形成された第１のピックアップ・ループ１２がテープ１１の一端に近接して設けられ、同様にＹＢＣＯから形成された第２のピックアップ・ループ１３は、テープ１１の反対側の単に近接して設けられる。ピックアップ・ループは、地球磁界のような共通モードの磁界を実質的に相殺する態様で、ストリップライン・コネクタ１４及びフラックス転換体（flux transformer）１５を介して互いに接続され、それにより、第１及び第２のピックアップ・ループ間の勾配を有する磁界だけが、超電導ＹＢＣＯ素子１１、１２、１３、１４、１５内に電流を流させる。
【００４５】
図示から分かるように、グラジオメータ１０のすべての超電導素子は、テープ１１の単一の表面上に製造され得、平面配置技術を用いて、単一平面に位置付けられている間に形成され得る（図１Ｂ参照）。さらに、ハステロイ・テープの柔軟性に起因して、一度製造されると、第１及び第２のピックアップ・ループ１２、１３は、軸方向に整列されて、距離ｄだけ離れた実質的に平行な平面内に位置付けられる。
【００４６】
図示しないＳＱＵＩＤが、次に、フラックス転換体１５に近接して、ＳＱＵＩＤとフラック転換体１５との間の磁気結合を最大にするように、ハステロイ・テープ１１にサンドウィッチ状に装着され得る。従って、第１及び第２のピックアップ・ループ１２、１３間の勾配を有する磁界によってフラックス転換体１５に電流が誘起されるとき、転換体１５内を循環する電流は、もう１つの磁界を誘起し、これがＳＱＵＩＤに結合されて検出される。
【００４７】
単一のＳＱＵＩＤだけを用いることによって、本発明は、異なった固有の特性を有する２つの異なったＳＱＵＩＤによって得られる測定に依存した測定と関連した欠陥をこうむらないＨＴＳグラジオメータを構成することが可能である。さらに、柔軟なハステロイ・テープ等を用いることにより、本発明は、柔軟なＨＴＳ回路がこのような基板上に形成され得るので、単一のＳＱＵＩＤのＨＴＳグラジオメータを構成することが可能である。
【００４８】
図２は、本発明の第１の態様の実施形態による磁界検出素子２０を示す。磁界検出素子２０は、第１のピックアップ・ループ２１、フラックス転換体２２及び第２のピックアップ・ループ２３を備える。第２のピックアップ・ループ２３は見えないが、ピックアップ・ループ２１と等しい寸法を有する。ピックアップ・ループ２１及び２３並びにフラックス転換体２２は、セラフレックス（Ceraflex）・テープ２５を備える柔軟な基板上に形成される。ＹＳＺのバッファ層（図示せず）がテープ２５を渡って形成され、ピックアップ・ループ２１、２３及びフラックス転換体２２は、バッファ層を覆って沈積されるＹＢＣＯで形成される。トラック２４は、ピックアップ・ループ２１、２３をフラックス転換体２２に接続する。
【００４９】
本発明によれば、柔軟な基板もしくは可撓性の基板２５は、第２のピックアップ・ループ２３が位置付けられている第２の平面と実質的に直角である第１の平面内に、ピックアップ・ループ２１が位置付けられるように、配列される。２６、２７で示すように、ピックアップ・ループ２１、２３が位置付けられている平面に対する垂線が、実質的に９０度で交わる。
【００５０】
従って、垂線２６、２７が交わるランダムな配向で磁気ダイポールが位置付けられる場合、磁気検出素子２０は、ピックアップ・ループが１つの平面だけに設けられる従来技術の配列よりも一層磁気ダイポールを検出し易そうである。例えば、磁気ダイポールが軸２７に沿って配列される場合、ダイポールの磁界は、ピックアップ・ループ２３を通して強力に結合するが、ピックアップ・ループ２１には強力には結合しない。磁気ダイポールが軸２６に沿って配列される場合、ダイポールの磁界は、ピックアップ・ループ２１には強力に結合するが、ピックアップ・ループ２３には強力に結合しない。ダイポールが各軸２６、２７に対して４５度で配列されるならば、ダイポールの磁界は、各ピックアップ・ループに等しい強度で結合するであろう。
【００５１】
磁界がピックアップ・ループ２１、２３の一方または双方に結合する場合、電流が誘起される。この電流はフラックス転換体２２を通過され、該フラックス転換体２２は、テープ２５にサンドウィッチ状に装着されているはずのＳＱＵＩＤ（図示せず）への磁気結合を最大にするように設計されているのが好ましい。ダイポールの磁界の検出は、次に、ＳＱＵＩＤによって高感度で行われ得る。
【００５２】
図３は、本発明の第１の態様のもう１つの実施形態による磁界検出素子３０を示す。素子３０は、第１のピックアップ・ループ３１、フラックス転換体３２及び第２のピックアップ・ループ３３を備える。ピックアップ・ループ３１は、９０度よりも大きい角度θを延びる。従って、角度θ内のどこかの軸に沿って配列された磁気ダイポールは、ピックアップ・ループ３１を通して比較的強力に結合するであろう。同様に、ピックアップ・ループ３３が延びる角度（図示せず）内のどこかに配列された軸を有する磁気ダイポールは、ピックアップ・ループ３３を通して比較的強力に結合するであろう。より強力な結合は、ピックアップ・ループ内に一層大きい電流を誘起し、従って、フラックス転換体３２を覆ってサンドウィッチ状に装着されたＳＱＵＩＤによる検出のための一層強力な信号を提供するであろう。
【００５３】
さらなる実施形態によれば、ＨＴＳグラジオメータ４０が図４（ａ）乃至（ｃ）に示されている。図４（ａ）は、第１のピックアップ・ループ４２、第２のピックアップ・ループ４４及びフラックス転換体４６を示す。ピックアップ・ループ４２、４４の各々は、それぞれのストリップ導体／コネクタ４８及び５０を介してフラックス転換体４６の二次ループに直接連結される。ピックアップ・ループ４２、４４の各々及びフラックス転換体４６の二次ループは、各々、ＹＢＣＯ材料で形成され得る。それらは、各々、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に斜線で示されている可撓性のハステロイ・テープ５２上に製造される。図４（ｂ）は、ストリップ導体セクション４８及び５０を曲げる前に組み立てられるグラジオメータ４０を示す。図４（ｃ）は、完全な軸方向グラジオメータの平面図及び側面図を示す。超電導接地面５６がストリップ導体４８及び５０の各々を覆う。図４（ｃ）におけるグラジオメータの側面図において、接地面５６及びストリップ導体４８、５０は、半径ｒで曲率をもって示されている。
【００５４】
第１のピックアップ・ループ４２は、内部寸法ｄｐ１、ｄｐ２及び外部寸法Ｄｐ１、Ｄｐ２を有する。第２のピックアップ・ループ４４は、第１のピックアップ・ループ４２と同様の寸法を有し、フラックス転換体４６の二次ループは、内部長さｄｓ及び外部長さＤｓを有する。ＳＱＵＩＤは、フラックス転換体４６の二次ループに近接しているピックアップ・ループ５４が示されたハステロイ・テープ５２にサンドウィッチ状に装着され得て、両者間に磁気結合を確率している。磁気計ピックアップ・ループ５４は、インダクタンスＬＭ及び面積ＡＭを有し、フラックス転換体の二次ループは、インダクタンスＬＳ及び有効面積ＡＳを有する。ピックアップ・ループ４２及び４４の各々は、それぞれインダクタンスＬ１、Ｌ２を有し、それぞれ等価面積Ａ１及びＡ２を有する。
【００５５】
図４（ｃ）には、距離ｄだけ離された平行な平面内のピックアップ・ループ４２及び４４の各々を、曲率半径ｒで曲げられたストリップライン・コネクタ４８、５０と共に有するグラジオメータが示される。磁界ＢＺは、ＳＱＵＩＤ及びフラックス転換体４６と垂直に示されており、他方、第１のピックアップ・ループ４２に作用する磁界は、ＢＸ１−Ｂｘ＋（ｄ／２）ｇＸＸであり、第２のピックアップ・ループ４４に作用する磁界は、ＢＸ２−ＢＸ−（ｄ／２）ｇＸＸである。従って、第１及び第２のピックアップ・ループ４２、４４間の勾配を有する磁界によってフラックス転換体４６の二次ループに電流が誘起されるとき、二次ループ内を循環する電流は、さらなる磁界を誘起し、該磁界はＳＱＵＩＤのピックアップ・ループ５４と結合し、それにより、ＳＱＵＩＤにより検出されるさらなる電流を誘起する。
【００５６】
軸方向グラジオメータの設計に関して、ストリップラインは、Ｕ形状を形成するように折りたたまれて、一次ピックアップ・ループは、ＳＱＵＩＤの軸と直角の共通軸上に配列される。ＳＱＵＩＤは、勾配ピックアップ・ループと直角に配向されて、その向きを取るので、この装置は、一次軸方向勾配
【数３】
2005535134.tif 000005
及び磁界の横断成分
【数４】
2005535134.tif 000006
の双方に対して感度を有する。
【数５】
2005535134.tif 000007
に対する感度が減少されなければならない応用に対して、これは、二次ピックアップ・ループに誘起された電流によって磁気計の遮蔽を確実にするために、二次ループ及びＳＱＵＩＤの適切な設計によって達成され得る。そのように形成されたピックアップ構造は、シリーズ型である。これは、ＳＱＵＩＤ軸と直角の平面における任意の外部の均一な磁界の成分から帰結する遮蔽電流の大きさを減少する。ピックアップ・ループにおける電流は、
【数６】
2005535134.tif 000008
の方向における磁界勾配、一次ループの磁気等価面積間の不整合、外部磁界に対するスリップラインの直接露出によってのみ、または二次ループ及びＳＱＵＩＤ間の不正確な相互インダクタンスによって誘起される。
【００５７】
軸方向グラジオメータは、また、グラジオメータ装置の有用性に対するさらなる改善を達成するために、ＳＱＵＩＤ及びピックアップ・ループのいずれかを一緒にグラジオメータ装置を回転させるか、または静止したＳＱＵＩＤを有するピックアップ・ループを回転させることが可能であるように装着され得る。これらの改善は、
−  勾配磁界及び磁界の本当の値であり、
−  均一磁界の大いに高められた共通モード拒絶であり、
−  ＳＱＵＩＤ動作の状態の実時間情報であり、
−  ３つの軸方向グラジオメータが直角近辺でまたは直交するように装着される場合、結合して、それらは、一次勾配テンソルの５つの独特の成分の全て及び全磁界の３つの成分を提供し、
−  これらの改善は、柔軟なもしくは可撓性のテープのピックアップ・ループの物理的な配列によって通常達成される完全な平衡を得る必要なく達成され得る。
【００５８】
ここで説明したＨＴＳ軸方向グラジオメータ及びＬＴＳ軸方向グラジオメータの双方の軸方向グラジオメータの回転は、上述の向上を提供する。
【００５９】
動作の理論
フラックス転換体の二次ループ及び磁気計間の相互インダクタンス
【数７】
2005535134.tif 000009
以外に無視し得るものとみなされる全ての相互インダクタンスを有する集中インダクタンス・モデルを仮定する。以下に続くものにおいて、用いられる磁気計は、ＳＱＵＩＤをベースにした直接結合される磁気計であると仮定する。この型の磁気計において、超電導ピックアップ・ループは、外部の磁界を感知するために用いられる。磁気計ピックアップ・ループのインダクタンス及び等価面積は、それぞれ、
【数８】
2005535134.tif 000010
及び
【数９】
2005535134.tif 000011
で示される。このループに誘起される電流は、最小のフラックス・ノイズに対して最適化された幾何学的形状を有するＳＱＵＩＤ増幅器に注入される。この型の磁気計は、２つの理由で取られる。第１に、これらの装置は，ＨＴＳＣ  ＳＱＵＩＤをベースにした磁気計からの可能な最高の感度を現在提供し、従って、実際の装置としておそらく有望である。第２に、以下に見られるように、フラックス焦点ウォッシャ(a flux-focussing washer)を有するＤＣまたはＲＦ  ＳＱＵＩＤの代替的な選択が、本件の理論の特別の場合としてみなされ得る。
【００６０】
磁気計は、短絡回路の超電導ループによって二次的に転換体に結合されるので、このループにおけるフラックスは、外部磁界における変化に対して保存される。磁気計ピックアップ・ループにおける全フラックスは、外部磁界、それ自体の遮蔽電流に起因するフラックス、及び転換体の二次ループにおける、電流
【数１０】
2005535134.tif 000012
から相互インダクタンス
【数１１】
2005535134.tif 000013
を介して結合されるフラックスの合計である。一般性の損失なく、装置がゼロ磁界冷却される（Ｚ．Ｆ．Ｃ）と仮定すると、この合計は消滅し、すなわち、
【数１２】
2005535134.tif 000014
である。
【００６１】
フラックス転換体は、また、短絡された超電導ループであり、再度、Ｚ．Ｆ．Ｃと仮定すると、
【数１３】
2005535134.tif 000015
であり、ここに、
【数１４】
2005535134.tif 000016
は転換体の全インダクタンスであり、すなわち、
【数１５】
2005535134.tif 000017
であり、
【数１６】
2005535134.tif 000018
は、一次ループ
【数１７】
2005535134.tif 000019
のインダクタンス及び等価面積を示し、
【数１８】
2005535134.tif 000020
は、ストリップラインの各々のインダクタンスであり、そして
【数１９】
2005535134.tif 000021
は、二次ループのインダクタンスである。
【００６２】
式を解くと、磁気計電流に対して、同時に
【数２０】
2005535134.tif 000022
を与え、ここに、
【数２１】
2005535134.tif 000023
及び
【数２２】
2005535134.tif 000024
である。これは、標準関係
【数２３】
2005535134.tif 000025
の使用によって、結合定数αについて書き直すことができ、
【数２４】
2005535134.tif 000026
をもたらし、ここに、
【数２５】
2005535134.tif 000027
である。
【００６３】
ＢＺに対する感度を抑制するための遮蔽に対する条件
外部磁界が均一であるならば、
【数２６】
2005535134.tif 000028
であり、式は、
【数２７】
2005535134.tif 000029
となり、これは、
【数２８】
2005535134.tif 000030
である場合に消滅する。
【００６４】
最適化及び勾配感度
これが果たされると、式及び磁気計電流は、単に、
【数２９】
2005535134.tif 000031
となる。
【００６５】
式（１）の性質を研究するために、一般に、転換体の一次ループの等価面積
【数３０】
2005535134.tif 000032
及び
【数３１】
2005535134.tif 000033
の双方は、一次ループの寸法に依存するということに留意されたし。本件出願人が気づいている限りにおいて、これらの関係のための正確な形状は、正方形または長方形のいずれの超電導構造に対しても存在せず、実験または数値シミュレーションのいずれかによって動機付けされる実験式に頼ることが普通である。以下の実際的関係、
【数３２】
2005535134.tif 000034
及び
【数３３】
2005535134.tif 000035
が用いられ、ここに、
【数３４】
2005535134.tif 000036
は、ほぼ一定であり、
【数３５】
2005535134.tif 000037
とすれば、
【数３６】
2005535134.tif 000038
である。
【００６６】
上の式（２）［数３３］は、正方形ウォッシャ（a square washer）［Ｋｅｔｃｈｅｎ １］の等価面積に対する広く受け入れられる形態であり、それにおいて、矩形ループの内部及び外部寸法の平均値が用いられる。
【００６７】
上の式（１）［数２９］におけるこれらの関係を用いれば、
【数３７】
2005535134.tif 000039
が与えられる。図５、６、７には、Ｌｃの３つの異なった値、すなわち、２０ｎＨ、５ｎＨ及び０．５ｎＨに対し、ｄｐ及びαの関数としてプロットされたプロットが示されている。他のパラメータは以下のように設定される。Ｄｐ＝０．０１，γｐ＝０．９，Lｍ＝５ｎＨ，Ｌｓ＝１０ｎＨ
【００６８】
広範に説明された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示された本発明に対し、多くの変形及び／または変更が為され得るということが当業者には理解されるであろう。例えば、図３に示されたものと同様の装置は、ピックアップ・ループによって検出され得る磁気ダイポール配向の範囲を増加するために、弧に対する単一のピックアップ・ループだけを備え得る。さらに、このような装置は、フラックス転換体の代わりにそれ自身テープ上に製造されるＳＱＵＩＤを備えていて良く、それにより、ピックアップ・ループ内の電流は、ＳＱＵＩＤ内に直接流れて検出される。さらに、本発明は、オーストラリア仮特許出願第２００２９５０６２４号からの優先権を主張した同時係属中のＰＣＴ出願に述べられた発明と共に適用され得、その内容は、参照によりここに含まれる。従って、本実施形態は、全ての観点において、説明的なものであって制限的なものではないとみなされるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態によるＨＴＳグラジオメータを示す図である。
【図１Ｂ】本発明の第１の実施形態によるＨＴＳグラジオメータを示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による磁界検出素子を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による磁界検出素子を示す図である。
【図４】（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第４の実施形態によるＨＴＳグラジオメータを示す図である。
【図５】２０ｎＨのストリップライン・インダクタンスを有する磁気計電流及び勾配感度の変形を示す図である。
【図６】５ｎＨのストリップライン・インダクタンスを有する磁気計電流及び勾配感度の変形を示す図である。
【図７】０．５ｎＨのストリップライン・インダクタンスを有する磁気計電流及び勾配感度の変形を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０・・・高温超電導（ＨＴＳ）軸方向グラジオメータ
１１・・・可撓性のハステロイ・テープ
１２・・・第１のピックアップ・ループ
１３・・・第２のピックアップ・ループ
１４・・・ストリップライン・コネクタ
１５・・・フラックス転換体
２０・・・磁界検出素子
２１・・・第１のピックアップ・ループ
２２・・・フラックス転換体
２３・・・第２のピックアップ・ループ
２４・・・トラック
２５・・・セラフレックス（Ceraflex）・テープ
３０・・・磁界検出素子
３１・・・第１のピックアップ・ループ
３２・・・フラックス転換体
３３・・・第２のピックアップ・ループ
４０・・・ＨＴＳグラジオメータ
４２・・・第１のピックアップ・ループ
４４・・・第２のピックアップ・ループ
４６・・・フラックス転換体
４８・・・ストリップ導体／コネクタ
５０・・・ストリップ導体／コネクタ
５２・・・可撓性のハステロイ・テープ
５４・・・ピックアップ・ループ
５６・・・超電導接地面
2005535134.tif 000040
【図２】
2005535134.tif 000041
【図３】
2005535134.tif 000042
【図４】
2005535134.tif 000043
【図５】
2005535134.tif 000044
【図６】
2005535134.tif 000045
【図７】
2005535134.tif 000046
【国際調査報告】
2005535134.tif 000047
2005535134.tif 000048