(57)【要約】【課題】  大凡１０ＭＨｚ以下の高周波領域で高感度が得られる、超伝導量子干渉素子用電子回路及びそれを用いた装置を提供する。【解決手段】  超伝導量子干渉素子２に隣接して配設される共振器６及びフィードバックコイル７を含む超伝導量子干渉素子用電子回路１であって、共振器６が、ピックアップコイル３と入力コイル５とコンデンサ４とからなり、ピックアップコイル３及びコンデンサ４を常温の状態とし、入力コイル５及びフィードバックコイル７を超伝導量子干渉素子２を動作させる冷却容器１１に収容している。ピックアップコイル３及び入力コイル５とコンデンサ４とからなる共振器６を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の１０倍以上の磁界感度を容易に得ることができる。高温超伝導体からなる超伝導量子干渉素子を用いれば、液体窒素温度で動作する超高感度磁気センサーを構成できる。【選択図】  図１
2007064930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする、超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項２】
前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項３】
前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項４】
前記コンデンサが、可変容量のコンデンサからなることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子干渉素子用電子回路。
【請求項５】
被検査物に電磁波を照射する送信部と、該被検査物からの核四極共鳴信号を受信する受信部とを、含み構成される核四極共鳴装置であって、
上記受信部が超伝導量子干渉素子を用いた電子回路を備え、
上記電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする、核四極共鳴装置。
【請求項６】
前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項５に記載の核四極共鳴装置。
【請求項７】
前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項５に記載の核四極共鳴装置。
【請求項８】
前記コンデンサが、可変容量のコンデンサからなることを特徴とする、請求項５に記載の核四極共鳴装置。
【請求項９】
電磁波発信器及び電磁波発信アンテナからなる電磁波発信部と、該電磁波に共鳴する原子のＮＱＲを受信する受信部と、を、含み構成される非接触型化学物質検知装置であって、
上記受信部が高温超伝導体からなる量子干渉素子を用いた電子回路を備え、
上記電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、
上記共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、該ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、該入力コイル及び上記フィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする、非接触型化学物質検知装置。
【請求項１０】
前記超伝導量子干渉素子が、高温超伝導体からなることを特徴とする、請求項９に記載の非接触型化学物質検知装置。
【請求項１１】
前記冷却容器が、磁気シールド又は電磁気シールドされていることを特徴とする、請求項９に記載の非接触型化学物質検知装置。
【請求項１２】
前記コンデンサが、可変容量のコンデンサからなることを特徴とする、請求項９に記載の非接触型化学物質検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導量子干渉素子用電子回路及びそれを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に出入国に際しては、金属検知器によるチェックだけでなく麻薬等の薬物所持チェックが行なわれているが、このような薬物の持込を防止するための荷物検知装置がこれまでも数多く開発されている（例えば、特許文献１−４参照）。
【０００３】
ところが、現在でも麻薬等の化学物質の検知に対しては、大部分が犬の喚覚に依存している。しかしながら、このような特殊な才能を持つ犬は数が少なく、また、このような犬を育成するには時間がかかるため、どこの国も激増する薬物の密輸に十分対応できていないのが現状である。
【０００４】
化学物質からなる薬物の検知方法としては、核磁気共鳴法（磁気特性）、中性子法（放射化特性）、化学法（原子の結合状態）、生物法（抗体生体膜）等がある。これらの方法において、核磁気共鳴法（ＮＭＲ法、Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）は、化学物質中の核磁気モーメントが磁場中で電磁波に対して共鳴する現象を利用したものであり、化学物質の種類を直接検知することができるため、化学物質の検知方法としては優れたものとされている。現在では、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ）のような医療機器に主として利用されている。ところが、核磁気共鳴を利用するＮＭＲ法は強い磁場を発生させるための大型装置が不可欠であり、装置の小型化という意味では致命的な欠陥を持っている。
【０００５】
一方、化学物質中の窒素１４原子（14Ｎ）が発生する固有の電磁波である核四極共鳴（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＮＱＲと省略する）を電磁波と共鳴させて検知する方法が、化学物質の検知装置として知られている。このＮＱＲ法は、ＮＭＲ法と同様な原理により化学物質を検知する方法であるが、ＮＱＲ法とＮＭＲ法との本質的な違いは、ＮＭＲ法が磁気を利用するのに対して、ＮＱＲ法は原子核周辺の電界勾配を利用する点であり、ゼロ磁界でも化学物質を検知できるという優れた特徴を有している。
【０００６】
このような化学物質からなる薬物の検知方法としては、特許文献５には、本発明者等による、超伝導量子干渉素子を用いた非接触型荷物検知装置が開示されている。特許文献５には、電磁波検出コイルでは検知が困難とされる低周波数帯域の検知に超伝導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ、以下、適宜にＳＱＵＩＤと呼ぶ）からなる超高感度磁気センサを利用する点に特徴を有している。
【０００７】
ＳＱＵＩＤは、超伝導リング内に１つ又は２つのジョセフソン接合を有する素子である。ジョセフソン接合が１つの場合はｒｆ−ＳＱＵＩＤ、ジョセフソン接合が２つの場合はｄｃ−ＳＱＵＩＤと、それぞれ呼ばれている。このＳＱＵＩＤを使用すれば、微弱な磁界が検出できる。ＳＱＵＩＤは、超伝導の量子化現象を応用した超高感度磁気センサであり、従来の磁気センサに比べて１００倍以上の感度を省しており地磁気の５，０００万分の１以下という微弱電場も検出することが可能である。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−０９１６６１号公報
【特許文献２】特開２００２−０９８７７１号公報
【特許文献３】特開２０００−０２８５７９号公報
【特許文献４】特開平０７−３３３３５１号公報
【特許文献５】特開２００４−１７７１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＮＱＲ法は、原子核周辺の電界勾配を利用し、化学物質特有の共鳴周波数をゼロ磁界でも検知できるという優れた特徴を有している。しかしながら、この共鳴周波数（以下、適宜ＮＱＲ共鳴周波数と呼ぶ）は、一般に数ＭＨｚ（メガヘルツ）以下と通常のＮＭＲに比べて低周波である。例えば、代表的な爆発物であるＴＮＴの場合には、ＮＱＲ共鳴周波数は、０．７ＭＨｚと低いために、これまで検出が困難であるという課題がある。このように、ＮＱＲ法では、通常使用するような電磁波検出コイルでは目的とする化学物質を十分に検知できないという。超伝導量子干渉素子の感度自体には、周波数依存性がないので、現状では、電磁波検出コイルの限界により低周波信号の感度向上を行なうことができないという課題がある。
【００１０】
また、ＮＱＲ法において、非接触で十分な感度を得るためには、現状の超伝導量子干渉素子及び電磁波検出コイルに合わせて設計を行なうために、受信波の信号強度が十分に得られるように、発振器の出力を大きくしている。このため装置が大型になって小型化できないという課題がある。このため、ＮＱＲ法を用いた化学物質の検査に用いる非接触型荷物検知装置などの小型化が図れないという課題がある。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑み、大凡１０ＭＨｚ以下の高周波領域で高感度が得られる、超伝導量子干渉素子用電子回路及びそれを用いた装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み構成される超伝導量子干渉素子用電子回路であって、共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、入力コイル及びフィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。また、コンデンサが、好ましくは、可変容量のコンデンサからなる。
【００１３】
上記構成によれば、ピックアップコイル及び入力コイルとコンデンサとからなる共振器を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の１０倍以上の磁界感度を容易に得ることができる。
【００１４】
また、上記目的を達成するため、本発明の核四極共鳴装置は、被検査物に電磁波を照射する送信部と、被検査物からの核四極共鳴信号を受信する受信部とを、含み構成される核四極共鳴装置であって、受信部が超伝導量子干渉素子を用いた電子回路を備え、電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、入力コイル及びフィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。また、コンデンサが、好ましくは、可変容量のコンデンサからなる。
【００１５】
上記構成によれば、被検査物に含まれている化学物質を、高感度で測定することができ、かつ、装置の小型化が可能である、超伝導量子干渉素子用電子回路を用いたＮＱＲ装置を提供することができる。
【００１６】
さらに、上記目的を達成するため、本発明の非接触型化学物質検知装置は、電磁波発信器及び電磁波発信アンテナからなる電磁波発信部と、電磁波に共鳴する原子のＮＱＲを受信する受信部と、を、含み構成される非接触型化学物質検知装置であって、受信部が高温超伝導体からなる量子干渉素子を用いた電子回路を備え、電子回路は、超伝導量子干渉素子に隣接して配設される、共振器及びフィードバックコイルを、含み、共振器が、ピックアップコイルと入力コイルとコンデンサとからなり、ピックアップコイル及びコンデンサを、常温の状態とし、入力コイル及びフィードバックコイルを、超伝導量子干渉素子を動作させる冷却容器に収容していることを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子干渉素子が、好ましくは、高温超伝導体からなる。また、冷却容器が、好ましくは、磁気シールド又は電磁気シールドされている。また、コンデンサが、好ましくは、可変容量のコンデンサからなる。
【００１７】
上記構成によれば、被検査物に含まれている化学物質を、高感度で測定することができ、かつ、装置の小型化が可能である、超伝導量子干渉素子用電子回路を用いたＮＱＲ装置による非接触型化学物質検知装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路によれば、ピックアップコイル及び入力コイルとコンデンサとからなる共振器を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の１０倍以上の磁界感度を容易に得ることができる。また、高温超伝導体からなる超伝導量子干渉素子を用いれば、液体窒素温度で動作する超高感度磁気センサーを構成することができる。
【００１９】
本発明の上記超伝導量子干渉素子用電子回路を用いたＮＱＲ装置や非接触型化学物質検知装置によれば、被検査物に含まれている化学物質を、高感度で測定することができ、かつ、装置の小型化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材または同一の部分には同一の符号を付して説明する。
最初に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路による第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明による超伝導量子干渉素子用電子回路の第１の実施形態の構成を示す回路図である。
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１は、ｄｃ超伝導量子干渉素子（以下、適宜ｄｃ−ＳＱＵＩＤと呼ぶ）２と、この超伝導量子干渉素子２に隣接して配設される、ピックアップコイル３とコンデンサ４と入力コイル５とからなる共振器６と、フィードバックコイル７と、超伝導量子干渉素子２からの信号を検出する電子回路１０と、を含み構成されている。
ここで、図中の点線で囲んでいる領域１１は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２と入力コイル５とフィードバックコイル７と、が収容される冷却容器である。この冷却容器１１は、超伝導量子干渉素子２が動作する温度に保持されている液体窒素や液体窒素冷凍機などによるクライオスタットなどの冷却容器を用いることができる。この冷却容器１１は、外部磁界からの雑音を遮断するために磁気シールドされてもよい。また、ピックアップコイル３がＮＱＲ信号を検出する場合には、さらに、電界シールドを施してもよい。本発明においては、磁気シールド及び電界シールドの両方の作用をするシールドを、電磁気シールドと呼ぶ。
【００２１】
増幅器１２により増幅された信号は、さらに、積分器１３に出力されて直流電圧にされる。この積分器１３からの出力１３Ａは、帰還抵抗１４を介して、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２近傍に配置されているフィードバックコイル７に接続されている。これにより、フィードバックコイル７には電流が流れる。
ここで、増幅器１２には、図示しない基準電圧が入力されていて、常にｄｃ−ＳＱＵＩＤ２からの出力電圧が一定となるように、帰還抵抗１４を介してフィードバック制御されている。これにより、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２からの出力が一定となるように、フィードバックコイル７から磁束が発生する。このフィードバック電流の値は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２に印加される外部磁界の磁束に比例する。これにより、フィードバック電流の値から外部磁束の測定ができる。
【００２２】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１の特徴は、超伝導量子干渉素子２が検出する外部磁界検出用の共振器６を備えていることである。
この共振器６の共振周波数（ｆｒ）は、下式（１）で表わされる。
【数１】
2007064930.tif 000003
ここで、Ｃはコンデンサ４の容量、Ｌｐ及びＬｉはそれぞれ、ピックアップコイル３及び入力コイル５のインダクタンスである。ピックアップコイル３及び入力コイル５は、銅線などの抵抗率の小さい金属からなる線材又はパイプを用いることができる。
【００２３】
このような共振器６を備えたｄｃ−ＳＱＵＩＤ２の磁界感度ＳB 1/2 は、次式（２）で表わされる。
【数２】
2007064930.tif 000004
ここで、ｆｒは共振器６の共振周波数、ｎはピックアップコイル３の巻数、ｒはピックアップコイル３の半径、Ｒｐはピックアップコイル３の直列抵抗、Ｒｉは入力コイル５の直列抵抗、ＳΦ1/2 ｓｑはｄｃ−ＳＱＵＩＤ２の磁束雑音スペクトラム、Ｔｐはピックアップコイル３の温度、Ｔｉは入力コイル５の温度である（図１参照）。ピックアップコイル３の温度（Ｔｐ）は室内に配置されるので約３００Ｋであり、Ｔｉはｄｃ−ＳＱＵＩＤ２が高温超伝導体である場合には、液体窒素温度（７７．３Ｋ：−１９６℃）とすることができる。
上記（２）式から、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２の磁界感度は、ピックアップコイル３及び入力コイル５の直列抵抗を小さくするほど、高くすることができる。例えば、共振周波数１ＭＨｚにおいて、感度ＳB 1/2 として約５ｆＴ／Ｈｚ1/2 という値を実現できる。１ｆＴは、１０-15 Ｔである。この値は、共振器６を用いない場合の２０倍以上の磁界感度である。
これにより、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１によれば、ピックアップコイル３及び入力コイル５とコンデンサ４とからなる共振器６を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の１０倍以上の磁界感度を容易に得ることができる。また、高温超伝導体からなる超伝導量子干渉素子２を用いれば、液体窒素温度で動作する超高感度磁気センサーを構成することができる。
【００２４】
本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１において、上記共振回路６の共振周波数は、
用いるピックアップコイル３、入力コイル５やコンデンサ４の値を調整すれば、任意の共振周波数とすることができる。例えば、コンデンサ４として、可変容量コンデンサ（バリコン）や可変容量ダイオードを用いてもよい。可変容量ダイオードの場合には、可変容量ダイオードに印加する直流電圧を制御することにより容量を変化させることができる。
【００２５】
次に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を用いた核四極共鳴装置（以下、適宜ＮＱＲ装置と呼ぶ）について説明する。
図２は、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１を用いた核四極共鳴装置ＮＱＲ装置２０の構成を示すブロック図である。
図において、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を用いたＮＱＲ装置２０は、電磁波発振器２１と増幅器２２と送信コイル２３とからなる電磁波送信機２４と、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１を含む受信機３０と、解析装置３５と、を含み構成されている。
【００２６】
電磁波発振器２１は、被測定物質２５に固有の共振周波数を有する電磁波を発振する。この電磁波が被測定物質２５の同定と検知に必要な電力までに増幅器２２により増幅され、送信コイル２３から電磁波として、被測定物質２５に照射される。このように構成される電磁波送信機２４は、解析装置３５によりパルス波や連続波を発生する。パルス波を発生する場合には、解析装置３５から、パルス変調器３６を介して、パルス変調するように制御してもよい。
【００２７】
被測定物質２５に送信機２４から送信される電磁波により、被測定物質２５から発生するＮＱＲ波２６が、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を備えた受信機３０により受信される。受信機３０は、前記ＮＱＲ信号の時間的変化を観測し、記録する検波器３２を備えている。この検波器３２としてはロックインアンプなどを用いることができる。
【００２８】
解析装置３５は、検波器３２で得られたＮＱＲ信号の時間軸信号をフーリエ変換してＮＱＲ信号の周波数軸信号、即ちＮＭＱスペクトラムを得るように構成されている。このような解析装置３５には、高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）を含んでいることが好適である。今日では、既に数十万の化学物質の共鳴周波数が調べられており、上記得られたＮＭＱスペクトラムから、被観察物に含まれる化学物質を容易に同定することができる。
【００２９】
上記のＮＱＲ装置２０においては、電磁波の送受信態様としては、送信受信にそれぞれ、専用コイルを用いているが、送受兼用のコイルとしてもよい。
【００３０】
本発明のＮＱＲ装置２０によれば、超伝導量子干渉素子用電子回路１が、ピックアップコイル３及び入力コイル５とコンデンサ４とからなる共振器６を備えているので、従来のコイルだけでなる場合の１０倍以上の磁界感度を容易に得ることができ、被観察物からのＮＱＲ信号の検出感度を向上させることができる。したがって、電磁波送信機２４の出力を小さくすることができる。このため、従来のＮＱＲ装置よりも電磁波送信機２４の出力を低減できるので、装置の小型化ができる。
【００３１】
次に、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を有するＮＱＲ装置を用いた非接触型化学物質検知装置について説明する。
図３は、本発明のＮＱＲ装置を用いた非接触型化学物質検知装置５０の構成を示す模式図である。
図３に示すように、本発明の非接触型化学物質検知装置５０は、ベルトコンベア部６１上を搬送される被検査物６２が、本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路１を有するＮＱＲ装置を用いて検査する装置である。
ベルトコンベア部６１の途中には、電磁気シールド部６０が配設されている。この電磁
気シールド部６０は、ベルトコンベア６１Ａの移動方法の前後に被検査物６２の入口６３と出口６４が設けられた長方形の電磁気シールド６０Ａと、その上部の貫通穴に挿入した二重の円筒電磁気シールド５９と、から構成されている。この電磁気シールド６０Ａとは、磁気シールド及び電界シールドの作用をするシールドである。そして、長方形の電磁気シールド６０Ａの中を非磁性のベルトコンベア６１Ａのベルトが移動できるようにされている。
なお、ベルトコンベア６１Ａの駆動ローラやモータは、電磁気シールド部６０の外に設けられている。
【００３２】
円筒電磁気シールド５９内には液体窒素容器５８が設けられ、その中に図示しない本発明の共振器６を含むｄｃ−ＳＱＵＩＤ２が浸漬されている。
【００３３】
電磁気シールド部６０の上部左側には、ＮＱＲ装置からの送信用アンテナ５１が挿入されている。
【００３４】
ＮＱＲ装置は、送信部と、受信部と、から構成されている。送信部は、高周波発振器５３と、その出力を増幅する電力増幅部５２と、からなり、発生した高周波出力が送信用コイル５１に供給される。受信部は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ５７に接続されるピックアップコイル３及びコンデンサ４などを含む超伝導量子干渉素子用電子回路５４と、ロックインアンプ５５と、データ処理装置５６と、から構成されている。
【００３５】
上記電磁気シールド部６０を設けることによってより効率的に環境ノイズを削除することが可能になる。この電磁気シールド部６０は、二重の電磁遮蔽板からなっており、対象とする被検査物以外から発信されるＮＱＲ信号を排除する構造になっている。
【００３６】
以上のように構成されている本発明の非接触型化学物質検知装置５０の動作について説明する。
被検査物６２は、荷物入り口から電磁気シールド部６０内に導入される。ＮＱＲ装置より発生させた高周波を増幅器５２で増幅し、それを電磁気シールド部６０内に設けた送信用アンテナ５１より被検査物６２へ向けて放射しながら、被検査物６２を荷物出口方向へ移動させる。
【００３７】
被検査物６２からのＮＱＲ信号は、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ５７より検出し、超伝導量子干渉素子用電子回路５４からロックインアンプ５５へ出力される。送信部５３からの参照信号（表１参照）と同一の周波数の信号のみをロックインアンプ５５で捕まえて処理装置５６へ出力する。
【表１】
2007064930.tif 000005
【００３８】
１０００回程度の積算処理後、処理装置５６にデータとして保存する。送信部からの高周波信号は、０．１〜１０ＭＨｚまで掃引することにより、処理装置５６のデータは０．１〜１０ＭＨｚのスペクトルとして表示され、爆発物や劇薬物など既知のスペクトルと照合して、物質を同定し、異常な物について警報を発する。
【００３９】
本発明の高温超伝導ＳＱＵＩＤ用電子回路を有するＮＱＲを備えた非接触型化学物質検知装置５０は、各種の化学物質を検知することができる。例えば、被検査物６２中に火薬であるＴＮＴ（Ｔｒｉｎｉｔｒｏｔｏｌｕｅｎｅ）が存在する場合には、ＴＮＴ中に存在する窒素１４原子が照射される高周波によってＮＱＲ信号を発信し、このＮＱＲ信号が、液体窒素で冷却されている高温超伝導ＳＱＵＩＤ５４で受信される。そして、データ処理装置５６で既知の共鳴周波数と比較して、ＴＮＴや麻薬などの化学物質を、非接触で検知することができる。
【００４０】
以上、詳しく述べたように、本発明の非接触型化学物質検知装置５０は、他の化学物質検知装置に比較して数々の特徴を有するが、優れた部分を列挙すると下記のようになる。
（イ）化学物質そのものが直接検知できる。
（ロ）周波数を変化させることにより複数の化学物質を同時に検知することが可能になる。
（ハ）装置の小型化が可能になる。
（ニ）検知に磁石が不用となる。
（ホ）ＳＱＵＩＤを、センサーとして用いるため高感度の検知が可能になる。
（へ）高温超伝導ＳＱＵＩＤの利用により少量の液体窒素により作動が可能になる。
【実施例１】
【００４１】
次に、実施例に基づいて、詳細に説明する。
図４は、実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａにおいて、冷却容器周辺の構成を示す模式図である。
図４に示すように、冷却容器１１は、電磁気シールド１６内に収容されている。この冷却容器１１内には、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２と、入力コイル５などが配設され、液体窒素１１Ａで冷却されている。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２は、液体窒素温度で動作する高温超電導体を用いた。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２を載置する基板の大きさは、２ｃｍ×２ｃｍであり、その有効磁束捕獲断面積は０．４６ｍｍ2 である。
【００４２】
ピックアップコイル３と、バリコン４Ａとが、室温に配置されている。ピックアップコイル３及び入力コイル５は、直径１ｍｍの銅線からなっている。ピックアップコイル３は、直径９ｃｍで巻数が４回であり、そのインダクタンスは３．１３μＨであった。入力コイル５は、直径３．８ｃｍで巻数が１０回であり、そのインダクタンスは８．４μＨであった。この場合の、ピックアップコイル３及び入力コイル５間の相互インダクタンスは、１５０ｐＨであった。これらのコイル３，５の室温での直列抵抗は、直流測定によると、何れも０．０７Ωであった。そして、入力コイル５の液体窒素温度における直列抵抗は、直流測定によると、０．０１Ωであった。
【００４３】
コンデンサとしては、その容量が可変できるバリコン４Ａを用いているので、共振周波数を変化させることができる。ここで、ピックアップコイル３及びバリコン４Ａの配線６Ａは、撚り線状に配線されていて、ＮＱＲ共鳴周波数以外の雑音の影響を受けないようにしている。
【００４４】
図５は、実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａにおける、共振器の共振周波数測定回路を説明するための模式図である。
図５に示すように、共振器６の共振周波数波は、ネットワークアナライザー１８により測定した。ネットワークアナライザーの入力１８Ａには、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２からの信号を検出する電子回路１０の出力が入力され、その出力１８Ｂには、抵抗からなる整合回路１８Ｃを介して、伝送コイル１９を接続している。この伝送コイル１９は、ピックアップコイル３の周囲に配設されている。伝送コイル１９の直径は５０ｃｍの１回巻きコイルである。
【００４５】
図６は、実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａにおける、共振器の共振周波数の測定結果を示す図である。図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａからの信号強度（ｄＢ）を示している。バリコン４Ａの容量は１ｎＦとした。
図６から明らかなように、上記図４で説明した共振器６の共振周波数は１．３８４ＭＨｚであり、Ｑ値が１０４であることが分かった。
【００４６】
上記Ｑ値と、共振周波数から共振器の６の直列抵抗Ｒを計算することができる。直列Ｒは下記（３）で与えられる。
【数３】
2007064930.tif 000006
例として、上記図６の測定から、Ｃ＝１ｎＦ，ｆｒ＝１．３８４ＭＨｚ、Ｑ＝１０４とすれば、直列抵抗Ｒは１．１２Ωとなる。これから、ピックアップコイルの抵抗は、全体の約７／８であるので、０．９８Ωとなる。また、入力コイル５の抵抗は、全体の約１／８であるので、０．１４Ωとなる。
【００４７】
バリコン４Ａの容量値を変化させ、共振器６の共振周波数を変え、そのときの共振周波数とＱの測定により、直列抵抗Ｒを求め、ピックアップコイル３と入力コイル５の直列抵
抗を測定した。
図７は、実施例１のピックアップコイル３及びと入力コイル５の直列抵抗の周波数依存性を示す図である。図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は直列抵抗（Ω）を示している。
図７から明らかなように、周波数が０．２〜４ＭＨｚにおける直列抵抗は、周波数の増大と共に増大することが分かった。この周波数数依存性は、上記コイルを形成する銅線の表皮効果による。
【００４８】
図８は、実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａの周波数特性のための測定回路を模式的に示す図である。
図８に示すように測定回路において、伝送コイル１９に信号発生器２７を接続し、超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａからの信号出力をスペクラムアナライザー２８に接続している。この場合、信号発生器２７の出力２７Ａが、抵抗からなる整合回路２７Ｂを介して、伝送コイル１９に供給されている。ここで、信号発生器２７及びスペクラムアナライザー２８以外の回路は、シールドルーム２９に収容し、外来雑音を遮断した。
【００４９】
図９は、実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路１Ａの出力の１例を示す図である。図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は電圧スペクトラム  （Ｖ／Ｈｚ1/2 ）を示している。バリコン４Ａの容量は２．２ｎＦとした。信号発生器２６の周波数は９５４ｋＨｚとし、その出力は１０ｍＶとした。
図９から明らかなように、９５４ｋＨｚの信号は、１．６７ｍＶ／Ｈｚ1/2 であることが分かった。
【００５０】
（比較例）
比較例として、実施例１の回路において共振器を用いないで、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２を直接、伝送コイル１９に結合した。
図１０は、比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の出力の１例を示す図である。図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は電圧スペクトラム（Ｖ／Ｈｚ1/2 ）を示している。
図１０から明らかなように、９５４ｋＨｚの信号は、４３μＶ／Ｈｚ1/2 であり、実施例１の３８．８分の１の信号強度となった。ｄｃ−ＳＱＵＩＤ２自身の磁界感度ＳB 1/2
カ゛２２０ｆＴ／Ｈｚ1/2 であることから、実施例１の磁界感度ＳB 1/2 は、２２０／３８．８から計算され、５．６７ｆＴ／Ｈｚ1/2 となる。
【００５１】
上記測定において、共振器６の共振周波数をバリコン４Ａにより変化させ、そのときの実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路の出力特性を測定し、磁界感度ＳB 1/2 を測定した。
図１１は、実施例１及び比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の磁界感度ＳB 1/2 の周波数依存性を示す測定値を示す図である。図において、横軸は周波数（ＭＨｚ）であり、縦軸は磁界感度（ｆＴ／Ｈｚ1/2 ）を示している。
図１１から明らかなように、周波数が０．２〜４ＭＨｚの範囲で、磁界感度ＳB 1/2 は、４．５から８．５ｆＴ／Ｈｚ1/2 となった。この値は、比較例のｄｃ−ＳＱＵＩＤ２自身の磁界感度ＳB 1/2 である２２０ｆＴ／Ｈｚ1/2 の２５／１から１／５０／１であることが判明した。
【実施例２】
【００５２】
実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路により、実施例２のＮＱＲ装置２０を構成した。このＮＱＲ装置２０を使用して、ＴＮＴ爆発物１００ｇをｄｃ−ＳＱＵＩＤ２の下５ｃｍで通過させたところ、１ｐＴ（ピコテスラ）の信号を捕えることができ爆発物であることが検知できた。
【００５３】
上記実施例２によれば、実施例２のＮＱＲ装置２０を、非接触型化学物質検知装置５０に適用すれば、爆発物、毒劇物、薬品、麻薬、ヘロインなど種々の化学物質の同定を高感度で行なうことができることが判明し、空港の手荷物検杏、税関検査などにおいて、便利に利用することができる。
【００５４】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明による超伝導量子干渉素子用電子回路の第１の実施形態の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の超伝導量子干渉素子用電子回路を用いた核四極共鳴装置ＮＱＲ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のＮＱＲ装置を用いた非接触型化学物質検知装置の構成を示す模式図である。
【図４】実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路において、冷却容器周辺の構成を示す模式図である。
【図５】実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路における、共振器の共振周波数測定回路を説明するための模式図である。
【図６】実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路における、共振器の共振周波数の測定結果を示す図である。
【図７】実施例１のピックアップコイル及び入力コイルの直列抵抗の周波数依存性を示す図である。
【図８】実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路の周波数特性のための測定回路を模式的に示す図である。
【図９】実施例１の超伝導量子干渉素子用電子回路の出力の１例を示す図である。
【図１０】比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の出力の１例を示す図である。
【図１１】実施例１及び比較例の超伝導量子干渉素子用電子回路の磁界感度ＳB 1/2 の周波数依存性を示す測定値を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１，１Ａ，５４：超伝導量子干渉素子用電子回路
２，５７：ｄｃ超伝導量子干渉素子（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）
２Ａ，２Ｂ：超伝導体
２Ｃ，２Ｄ：ジョセフソン接合
２Ｅ，２Ｆ：電流端子
３：ピックアップコイル
４：コンデンサ
４Ａ：バリコン
５：入力コイル
６：共振器
７：フィードバックコイル
１０：電子回路
１１：冷却容器
１２：増幅器
１３：積分器
１３Ａ：出力
１４：帰還抵抗
１６：電磁気シールド
１８：ネットワークアナライザー
１８Ａ：入力
１８Ｂ：出力
１８Ｃ：整合回路
１９：伝送コイル
２０：核四極共鳴装置（ＮＱＲ装置）
２１：電磁波発振器
２３：送信コイル
２４：電磁波送信機
２５，６２：被測定物質
２６：ＮＱＲ波
２７：信号発生器
２８：スペクラムアナライザー
２９：シールドルーム
３０：受信機
３２：検波器
３５：解析装置
３６：パルス変調器
５０：非接触型化学物質検知装置
５１：送信用アンテナ
５２：電力増幅部
５３：高周波発振器
５６：ロックインアンプ
５６：データ処理装置
５８：液体窒素容器
５９：二重の円筒電磁気シールド
６０：電磁気シールド部
６０Ａ：電磁気シールド
６１：ベルトコンベア部
６１Ａ：ベルトコンベア
６３：入口
６４：出口
【図１】
2007064930.tif 000007
【図２】
2007064930.tif 000008
【図３】
2007064930.tif 000009
【図４】
2007064930.tif 000010
【図５】
2007064930.tif 000011
【図６】
2007064930.tif 000012
【図７】
2007064930.tif 000013
【図８】
2007064930.tif 000014
【図９】
2007064930.tif 000015
【図１０】
2007064930.tif 000016
【図１１】
2007064930.tif 000017