(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導量子干渉計を用いた増幅器を単一の素子として１つのチップ上に構成したＳＱＵＩＤアンプチップを使用するに際して、外界からの磁気の進入を遮蔽する磁気遮蔽装置において、
液体ヘリウム温度に冷却される低温ステージと、
前記低温ステージ上に配置され、熱伝導によって液体ヘリウム温度に冷却されるソケットと、
前記ソケット上に位置決め固定されるとともにＳＱＵＩＤアンプチップを内部に配置し、液体ヘリウム温度で超伝導になる材料を用いて構成されて熱伝導によって液体ヘリウム温度に冷却される容器状の第１のシールドと、
前記第１のシールドを外側から被覆するとともに、極低温で透磁率が劣化しない材料を用いて構成される容器状の第２のシールドと
を有することを特徴とする磁気遮蔽装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気遮蔽装置において、
前記第２のシールドは、互いの間に所定の間隙を空けた複数層のシールドから構成される
ことを特徴とする磁気遮蔽装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の磁気遮蔽装置において、
前記第１のシールドを構成する液体ヘリウム温度で超伝導になる材料は、ニオブである
ことを特徴とする磁気遮蔽装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気遮蔽装置に関し、さらに詳細には、外部における磁場の擾乱の影響などを受けること無く作動することのできるようにした磁気遮蔽装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、微弱電流を磁場を介して増幅するための装置として、超伝導量子干渉計（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ（本明細書においては、適宜に「ＳＱＵＩＤ」と称することとする。）を用いた増幅器（本明細書においては、適宜に「ＳＱＵＩＤアンプ」と称することとする。）が知られている。
【０００３】
一般に、ＳＱＵＩＤアンプは単一の素子として１つのチップ上に構成されており、このようなＳＱＵＩＤアンプを構成するチップを、本明細書においては適宜に「ＳＱＵＩＤアンプチップ」と称することとする。
【０００４】
ところで、こうしたＳＱＵＩＤアンプとして機能するＳＱＵＩＤアンプチップを使用するに際しての条件としては、
（１）作動温度範囲が限定されているので液体ヘリウムなどで冷却する必要がある
（２）外界からの磁気の侵入を遮蔽する必要がある
（３）作動中において外界における磁場の擾乱の影響を排除する必要がある
ということが指摘されており、こうした種々の条件を満足させなければ正確な作動が期待できないという問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＳＱＵＩＤアンプチップを使用する際における種々の条件を満足することのできる磁気遮蔽装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１に記載の発明は、超伝導量子干渉計を用いた増幅器を単一の素子として１つのチップ上に構成したＳＱＵＩＤアンプチップを使用するに際して、外界からの磁気の進入を遮蔽する磁気遮蔽装置において、液体ヘリウム温度に冷却される低温ステージと、上記低温ステージ上に配置され、熱伝導によって液体ヘリウム温度に冷却されるソケットと、上記ソケット上に位置決め固定されるとともにＳＱＵＩＤアンプチップを内部に配置し、液体ヘリウム温度で超伝導になる材料を用いて構成されて熱伝導によって液体ヘリウム温度に冷却される容器状の第１のシールドと、上記第１のシールドを外側から被覆するとともに、極低温でも透磁率が劣化しない材料を用いて構成される容器状の第２のシールドとを有するようにしたものである。
【０００７】
従って、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、第２のシールドによって常温での磁気遮蔽が行われ、さらに第１のシールドによって超伝導による磁気遮蔽が行われるので、高効率で外界の磁気を遮蔽することができるようになる。
また、本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、ＳＱＵＩＤアンプチップを液体ヘリウムなどの液体寒剤に浸すことなく、ＳＱＵＩＤアンプチップをその作動温度に冷却することができるようになる。
【０００８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記第２のシールドは、互いの間に所定の間隙を開けた複数層のシールドから構成されるようにしたものである。
【０００９】
このように構成すると、常温での磁気遮蔽の効率を上げることができるようになるものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記第１のシールドを構成する液体ヘリウム温度で超伝導になる材料は、ニオブであるようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による磁気遮蔽装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１４】
図１には、本発明による磁気遮蔽装置の縦断構成説明図が示されている。
【００１５】
図１において、符号１０は低温ステージであり、熱伝導性が良好な材料、例えば、無酸素銅により形成されている。
【００１６】
この低温ステージ１０は、液体ヘリウムタンク（図示せず）に充填された液体ヘリウムによって、液体ヘリウム温度（例えば、４．２Ｋ）に冷却されている。
【００１７】
また、低温ステージ１０上には、上面中央部位に凹部１４を形成された略円柱状のソケット１２が配置されている。
【００１８】
このソケット１２は、熱伝導性が良好な材料、例えば、無酸素銅により形成されている。
【００１９】
そして、ソケット１２に形成された凹部１４の底面１４ａ上には、中空な略円柱状の容器状の超伝導磁気シールド１６が配置されている。
【００２０】
この超伝導磁気シールド１６は、略円筒状の側壁部材１６ａと、側壁部材１６ａの上方側を閉塞する上方部材１６ｂと、側壁部材１６ａの下方側を閉塞する下方部材１６ｃとより構成されている。
【００２１】
また、こうした側壁部材１６ａと上方部材１６ｂと下方部材１６ｃとにより構成される超伝導磁気シールド１６は、液体ヘリウム温度などの所定の温度で超伝導になる材料、例えば、９．２Ｋ以下の温度で超伝導になるニオブにより形成されている。
【００２２】
なお、ソケット１２に形成された凹部１４の底面１４ａ上に配置された超伝導磁気シールド１６は、熱伝導性が良好な材料、例えば、無酸素銅により形成された超伝導磁気シールド位置決め蓋１８によって、凹部１４の底面１４ａ上の所定位置に位置決め固定されるものである。
【００２３】
即ち、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８は、略円筒状の側壁部１８ａと側壁部１８ａの上方側を閉塞する上方部１８ｂとよりなる上面が閉塞された略円筒状形状を備えている。
【００２４】
この超伝導磁気シールド位置決め蓋１８の側壁部１８ａの外周面と凹部１４の側壁面１４ｂとが嵌合するとともに、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８の上方部１８ｂと凹部１４の底面１４ａとの間で超伝導磁気シールド１６を当接支持することにより、超伝導磁気シールド１６が凹部１４の底面１４ａ上の所定位置に位置決め固定されることになる。
【００２５】
なお、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８には、後述する配線用の電線路４０を通過させるための開口部１８ｃが形成されている。
【００２６】
また、図２に示すように、超伝導磁気シールド１６の下方部材１６ｃには、溝部２０が形成されていて、この溝部２０内には、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２を固定的に支持する基板２４が挿入されて固定的に支持されている。
【００２７】
この基板２４は、熱伝導性が良好な材料、例えば、無酸素銅により形成されている。
【００２８】
また、基板２４の表面には、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２を配線するための配線パターンが形成されている。
【００２９】
即ち、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２を支持する基板２４を内部に固定した超伝導磁気シールド１６は、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８によってソケット１２の凹部１４内に固定されることになるが、こうして超伝導磁気シールド位置決め蓋１８によってソケット１２の凹部１４内に固定され超伝導磁気シールド１６は、さらに容器状の外部シールド２６によって外側を被覆されるようにして外部から遮蔽されている。
【００３０】
この外部シールド２６は、内側に位置する内側シールド２８と、スペーサー３０を介して所定の間隙を開けるようにして内側シールド２８と接触することなく外側に位置する外側シールド３２との二層構造とされている。
【００３１】
これら内側シールド２８と外側シールド３２とは、温度に依らず透磁率の高い材料、例えば、パーマロイ（μメタル）により形成されている。
【００３２】
なお、パーマロイは多くの種類があるが、その中で極低温でも透磁率が劣化しないものを使用する。
【００３３】
また、スペーサー３０は、熱伝導性が良好な材料、例えば、無酸素銅により形成されている。
【００３４】
ここで、内側シールド２８は、ソケット１２の外周壁面１２ａ上に突出形成された下側部材２８ａと、下側部材２８ａに嵌合する略円筒状の側壁部２８ｂ−１と当該側壁部２８ｂ−１の上方側を閉塞する上方部２８ｂ−２とよりなる上面が閉塞された略円筒状形状の蓋部材２８ｂとより構成されている。
【００３５】
また、外側シールド３２は、略円筒状の側壁部３２ａと側壁部３２ａの上方側を閉塞する上方部３２ｂとよりなる上面が閉塞された略円筒状形状を備えている。
【００３６】
なお、符号４０は、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２の配線のための電線路であり、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２から延長された電線路４０は、超伝導磁気シールド１６を貫通し、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８の開口部１８ｃを通過し、内側シールド２８の下側部材２８ａを貫通して外部シールド２６の外側へ延長され、所定の装置に接続されることになる。
【００３７】
以上の構成において、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２は、それぞれ接触する低温ステージ１０、ソケット１２、超伝導磁気シールド１６ならびに基板２４を介して、これら低温ステージ１０、ソケット１２、超伝導磁気シールド１６ならびに基板２４の熱伝導によって、その作動温度である液体ヘリウム温度に冷却されることになる。
【００３８】
従って、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２を液体ヘリウムなどの液体寒剤に浸すことなく、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２をその作動温度に冷却することができる。
【００３９】
また、外部シールド２６の存在によって、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２が存在する外部シールド２６の内側においては、外部シールド２６の外側である外部の磁気の大部分が侵入することなく遮蔽されることになる。
【００４０】
ここで、超伝導磁気シールド１６は上記したように熱伝導によって液体ヘリウム温度に冷却されることになり、従って、超伝導磁気シールド１６がニオブにより形成されているとするならば、超伝導磁気シールド１６は超伝導となり、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２が存在する超伝導磁気シールド１６の内側においては、超伝導磁気シールド１６の外側における磁場の擾乱の影響を遮断することができる。
【００４１】
つまり、外部シールド２６によって常温での磁気遮蔽が行われ、さらに超伝導磁気シールド１６によって液体ヘリウム温度での磁気遮蔽が行われるので、高効率で外界の磁気を遮蔽することができるようになる。
【００４２】
このように、上記した本発明による磁気遮蔽装置においては、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２の作動温度範囲をカバーする温度範囲で、高効率で外界の磁気を遮蔽することができることになる。
【００４３】
従って、発明者の実験によれば、図１に示す磁気遮蔽装置においては、図３（ａ）（ｂ）のオシロスコープの波形に示すように、外界における磁気の擾乱の影響を排除することができるようになるものである。
【００４４】
即ち、図３（ａ）には外界に磁場が存在しない場合における４．２Ｋに冷却した際のＶ−Φカーブ（Ｖ−Φ  ｃｕｒｖｅ  ｏｂｔａｉｎｅｄ  ａｔ  ４．２Ｋｗｉｔｈｏｕｔ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｅｌｄ）を示すオシロスコープの波形（横軸：入力電流（Ｉｎｐｕｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ），縦軸：ＳＱＵＩＤアンプ出力電圧（ＳＱＵＩＤ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）が示されており、図３（ｂ）には外界に０．０１Ｔの磁場が存在する場合における４．２Ｋに冷却した際のＶ−Φカーブ（Ｖ−Φ  ｃｕｒｖｅ  ｏｂｔａｉｎｅｄ  ａｔ  ４．２Ｋ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ０．０１Ｔ））を示すオシロスコープの波形（横軸：入力電流（Ｉｎｐｕｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ），縦軸：ＳＱＵＩＤアンプ出力電圧（ＳＱＵＩＤ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）が示されているが、両者の波形は完全に一致しており、ＳＱＵＩＤアンプチップの作動が外界における磁気の擾乱により影響されていないことが判明した。
【００４５】
なお、上記した実施の形態においては、低温ステージ１０、ソケット１２、超伝導磁気シールド位置決め蓋１８ならびにスペーサー３０の材料として無酸素銅を示したが、無酸素銅に限られることなしに、熱伝導性が良好な材料であるならば任意の材料を選択することができる。
【００４６】
また、上記した実施の形態においては、超伝導磁気シールド１６の材料としてニオブを示したが、ニオブに限られることなしに、液体ヘリウム温度などの所定の温度で超伝導になる材料であるならば任意の材料を選択することができる。
【００４７】
また、上記した実施の形態においては、外部シールド２６の材料としてパーマロイ（μメタル）を示したが、パーマロイ（μメタル）に限られることなしに、温度に依らず透磁率の高い材料、即ち、極低温でも透磁率がほとんど劣化しない材料であるならば任意の材料を選択することができる。
【００４８】
また、上記した実施の形態においては、外部シールド２６を内側シールド２８と外側シールド３２との二層構造の複層構造としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、外界の磁気を遮蔽できるのであるならば単層構造としてもよいし、一方、磁気遮蔽の効率を上げるために三層以上の複層構造としてもよい。
【００４９】
また、上記した実施の形態においては、基板２４として無酸素銅を用いた場合を示したが、例えば、無酸素銅に代えてガラスエポキシなどの樹脂を用いてもよい。このように、無酸素銅に代えてガラスエポキシを用いた場合には、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２の冷却効率は劣るが、電線路４０の配線作業は容易となる。
【００５０】
また、上記した実施の形態においては、基板２４として無酸素銅を用いた場合を示したが、例えば、図４乃至図５に示すように、無酸素銅により形成される基板２４にＳＱＵＩＤアンプチップ２２を固定支持し、さらにこの基板２４にガラスエポキシにより形成される配線板５０を固定支持するようにして、電線路４０の配線は配線板５０の表面に行うようにしてもよい。このように構成すると、構造が複雑化するが、ＳＱＵＩＤアンプチップ２２の冷却効率も劣ることがなく、また、電線路４０の配線作業も容易になる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、ＳＱＵＩＤアンプチップを使用する際における種々の条件を満足することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による磁気遮蔽装置の断面構成説明図である。
【図２】超伝導磁気シールドの下方部材の斜視図である。
【図３】オシロスコープの波形を示し、（ａ）は外界に磁場が存在しない場合における４．２Ｋに冷却した際のＶ−Φカーブ（Ｖ−Φ  ｃｕｒｖｅ  ｏｂｔａｉｎｅｄａｔ  ４．２Ｋ  ｗｉｔｈｏｕｔ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｅｌｄ）を示すオシロスコープの波形（横軸：入力電流（Ｉｎｐｕｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ），縦軸：ＳＱＵＩＤアンプ出力電圧（ＳＱＵＩＤ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）であり、（ｂ）は外界に０．０１Ｔの磁場が存在する場合における４．２Ｋに冷却した際のＶ−Φカーブ（Ｖ−Φ  ｃｕｒｖｅ  ｏｂｔａｉｎｅｄ  ａｔ  ４．２Ｋ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ０．０１Ｔ））を示すオシロスコープの波形（横軸：入力電流（Ｉｎｐｕｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ），縦軸：ＳＱＵＩＤアンプ出力電圧（ＳＱＵＩＤ  ｏｕｔｐｕｔ  ｖｏｌｔａｇｅ）である。
【図４】基板とＳＱＵＩＤアンプチップとの取付構造の変形例を示す一部縦断構成説明図である。
【図５】基板とＳＱＵＩＤアンプチップとの取付構造の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０        低温ステージ
１２        ソケット
１４        凹部
１６        超伝導磁気シールド
１８        超伝導磁気シールド位置決め蓋
２０        溝部
２２        ＳＱＵＩＤアンプチップ
２４        基板
２６        外部シールド
２８        内側シールド
３０        スペーサー
３２        外側シールド
４０        電線路
５０        配線板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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