(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン接合とワッシャーコイルとからなる超伝導ループと、
前記ワッシャーコイルに磁気結合された入力コイル及び帰還−変調コイルと、
からなる超伝導量子干渉素子において、
前記ワッシャーコイルが、個々に前記入力コイルを備えた複数の分割ループからなり、
前記複数の分割ループに直接鎖交する磁束に対して、前記分割ループ内を流れる遮蔽電流が、互いに反対向きとなるように直列接続され、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
【請求項２】
ジョセフソン接合とワッシャーコイルとからなる超伝導ループと、
前記ワッシャーコイルに磁気結合された入力コイル及び帰還−変調コイルと、
からなる超伝導量子干渉素子において、
前記ワッシャーコイルが、個々に前記入力コイルを備えた複数の分割ループからなり、
前記複数の分割ループに直接鎖交する磁束に対して、前記複数の分割ループ内を流れる遮蔽電流が、互いに同じ向きで前記ジョセフソン接合に流れるように並列接続され、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
【請求項３】
請求項２に記載の超伝導量子干渉素子において、
前記分割ループが、前記ジョセフソン接合に対して対称となるように配置することを特徴とする超伝導量子干渉素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は微小な電流信号を検出する超伝導量子干渉素子に関し、特に、複数の入力信号を検出するマルチチャンネル超伝導量子干渉素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に従来技術による超伝導量子干渉素子（以下SQUIDと称する）の構成図を示す。SQUIDはジョセフソン接合１，ワッシャーコイル２，入力コイル３，帰還−変調コイル４で構成される。図７に示すSQUIDは、２つのジョセフソン接合１とワッシャーコイル２と上部電極５により、超伝導ループを形成するDC-SQUID
である。入力コイル３と帰還−変調コイル４はワッシャーコイル２に磁気結合
されている。さらに、SQUIDは、バイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６，入力信号端子７，制御信号入力端子８をそれぞれ持つ。
【０００３】
図８に、従来型SQUID９を用いて構成された信号検出システムの構成図を示す。SQUID９は外部制御系１０に接続され、バイアス電流Ibが供給される。外部制御系１０は、SQUID９の出力Vsに対応した制御信号Imを帰還−変調コイル４を介して、超伝導ループに帰還する。信号源１１から発生する電流信号Isは、入力信号端子７を介して、入力コイル３に入力する。そして、外部制御系１０によって、入力信号Isに対応した出力電圧信号Voutが得られる。
【０００４】
従来技術によるSQUIDを用いて、複数の信号を検出する多マルチチャンネルSQUIDを構成する場合、信号源の数だけ、SQUIDと駆動回路である外部制御系がそれぞれ必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、複数の信号を検出するためには、信号源と同じ数の超伝導量子干渉素子、および、駆動回路がそれぞれ必要であった。そのため、検出システムの大型化が問題であった。また、配線数は（各入力端子数）×（入力の数）となるため、熱侵入が大きく、冷却のためのコストが大きくなるという問題もあった。
【０００６】
また、微小な信号を検出するためには、より高い検出感度が必要であった。
また、環境磁気ノイズを除去するため、それぞれの超伝導量子干渉素子を磁気シールドするか、すべての超伝導量子干渉素子をまとめて磁気シールドする必要があった。その結果、磁気シールドのためのコストとセンサ部分の大型化が問題であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の問題点を解決するために、本発明は、入力コイルに複数の入力端子を設けることにより、一つの超伝導量子干渉素子で、複数の信号を検出できる構成にする。
また、絶縁された複数の入力コイルをワッシャーコイル上に形成し、それぞれ、磁気結合させることにより、一つの超伝導量子干渉素子で、複数の信号を検出できる構成にする。
【０００８】
また、ワッシャーコイルを複数の分割ループで構成し、その分割ループを直列、または、並列接続し、そして、それぞれの分割ループ上に独立の入力コイルを設けることにより、一つの超伝導量子干渉素子で、複数の信号を検出できる構成にする。
また、ワッシャーコイルを構成する分割ループを、直接鎖交する磁束に対して分割ループ内を流れる遮蔽電流が互いに反対向きとなるように直列接続し、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成する。
【０００９】
また、直接鎖交する磁束に対して分割ループ内を流れる遮蔽電流が同じ向きにジョセフソン接合に送られ、かつ、分割ループがジョセフソン接合に対して対称となるように、各分割ループを並列接続、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成する。
ワッシャーコイルを構成する分割ループを、直列接続と並列接続を併用することにより、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下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。
［実施の形態１］
図１に本発明の実施の形態１を示す超伝導量子干渉素子（以下SQUIDと称する）の構成図を示す。本実施の形態は、４個の信号源から発生する信号を検出するSQUIDである。SQUIDはジョセフソン接合１，ワッシャーコイル２，入力コイル３，帰還ー変調コイル４から構成される。図１に示すSQUIDは、２つのジョセフソン接合１とワッシャーコイル２と上部電極５により、超伝導ループを形成するDC-SQUIDである。４個の入力コイル３と帰還−変調コイル４はワッシャーコイル２に磁気結合されている。本実施の形態のSQUIDはバイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６，入力信号端子７，制御信号入力端子８をそれぞれ持つ。４個の入力コイル３は、共通のグランド端子gndに接続される。
【００１１】
図２は、実施の形態１のSQUID９−１を用いて構成された４チャンネル信号検出システムの構成図である。SQUID９−１は、入力信号端子７を介して、４個の信号源１０に接続されている。外部駆動系１１により駆動される。
駆動回路が一つで良いため、検出システムの小型化が可能になる。また、配線数も、１チャンネルのSQUIDと比較しても、入力信号端子の数が増えるだけであるため、配線からの熱侵入を抑制でき、冷却のためのコストを削減できる。
【００１２】
SQUIDにより検出される信号が、どの信号源からからを識別する方法として、あらかじめ各信号源に対して、固有の波形を発生する機能を持たせる。例えば、それぞれの信号源から発生する信号波形の時定数を変えて、SQUIDで検出された信号の周波数を解析することで、信号源を特定することが可能となる。
［実施の形態２］
図３に本発明の実施の形態２を示す超伝導量子干渉素子の構成図を示す。SQUIDはジョセフソン接合１，ワッシャーコイル２，入力コイル３，帰還−変調コイル４で構成される。図３に示すSQUIDは、２つのジョセフソン接合１とワッシャーコイル２と上部電極５によって、超伝導ループを形成するDC-SQUIDである。４個の入力コイル３と帰還−変調コイル４はワッシャーコイル２に磁気結合されている。本実施の形態のSQUIDはバイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６，入力信号端子７，制御信号入力端子８をそれぞれ持つ。４個の入力コイル３は互いに電気的に絶縁される。そして、それぞれ入力端子を２個ずつ持ち、２本づつ配線される。
【００１３】
図４は、実施の形態２のSQUID９−２を用いて構成された４チャンネル信号検出システムの構成図である。SQUID９−２は、入力信号端子７を介して、４個の信号源１１に接続されている。外部駆動系１０により駆動される。
本実施の形態も同様に、駆動回路が一つで良いため、小型化が可能になる。また、配線数も、１チャンネルのSQUIDと比較して、入力信号端子の数が増えるだけであるため、配線からの熱侵入を抑制でき、冷却のためのコストを縮小できる。さらに、各入力コイル３が電気的に絶縁されているため、各チャンネル間の干渉を抑制する効果がある。
［実施の形態３］
図５に本発明の実施の形態３を示す超伝導量子干渉素子の構成図を示す。SQUIDは２つのジョセフソン接合１-１，１−４，４つのワッシャーコイル２-１〜４，４つの入力コイル３−１〜４，４つの帰還−変調コイル４-１〜４から構成される。上部電極５−１３は、ワッシャーコイル２-１上に形成されているジョセフソン接合１-１とワッシャーコイル２−３とを接続する。同様に、上部電極５−２４は、ワッシャーコイル２-４上に形成されているジョセフソン接合１-４とワッシャーコイル２−４を接続する。その結果、本実施の形態のSQUIDは、２つのジョセフソン接合１-１，１−４と4個のワッシャーコイル２-１〜４と２つの上部電極５-１２，５−３４が直列接続された超伝導ループを形成する。入力コイル３−１〜４と帰還−変調コイル４-１〜４はそれぞれ、ワッシャーコイル２-１〜４に磁気結合されている。本実施の形態のSQUIDはバイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６，入力信号端子７-１〜４，制御信号入力端子８をそれぞれ持つ。バイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６は、上部電極５-１２と５−３４に接続されている。
【００１４】
超伝導ループに直接鎖交する磁束を除去するため、４個のワッシャーコイル２−１〜４は以下のように結合されている。直接鎖交する磁束に対して分割ループ内を流れる遮蔽電流が互いに反対向きとなるように直列接続されている。その結果、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成されている。帰還−変調コイル４−１〜４は直列接続されている。
【００１５】
本実施の形態も同様に、駆動回路が一つで良いため、小型化が可能になる。また、配線数も、１チャンネルのSQUIDと比較して、入力信号端子の数が増えるだけであるため、配線からの熱侵入を抑制でき、冷却のためのコストを削減できる。また、各入力コイル３−１〜４が電気的に絶縁されているため、各チャンネル間の干渉を抑制する効果がある。また、ワッシャーコイルを分割することで、各入力コイル３−１〜４をそれぞれ離して配置することができ、各チャンネル間の干渉の抑制に、より高い効果を持つ。さらに、入力コイルの巻数を増やすことが可能となるため、入力信号に対して、より高い感度を実現できる。また、超伝導ループに直接鎖交する磁束の除去が可能なため、環境磁気などの磁気ノイズを遮蔽する必要がない。その結果、システム全体の小型化と磁気シールドにかかるコストの削減が可能になる。特に、本実施の形態のSQUIDは、４つに分割されたワッシャーコイルにより、２次微分コイルを構成しており、磁気ノイズの除去に対して、より高い効果を持つ。
［実施の形態４］
図６に本発明の実施の形態４を示す超伝導量子干渉素子の構成図を示す。SQUIDは２つのジョセフソン接合１-１３，１−２４，４つのワッシャーコイル２-１〜４，４つの入力コイル３−１〜４，４つの帰還−変調コイル４-１〜４から構成される。上部電極５は、２つのジョセフソン接合１-１３と１−２４を接続している。直列接続されたジョセフソン接合列（１−１３と１−２４）の両端に、直列接続されたワッシャーコイル列（２-１と２−２）が並列接続されている。また、同様に、そのジョセフソン接合列の両端には、直列接続されたワッシャーコイル列（２-３と２−４）が並列接続されている。２つのジョセフソン接合１-１３，１−２４とワッシャーコイル２-１，２−２，上部電極５と接続配線１３−１２が直列接続された超伝導ループが形成されている。さらに、２つのジョセフソン接合１-１３，１−２４とワッシャーコイル２-３，２−４，上部電極５と接続配線１３−３４が直列接続された超伝導ループも形成されている。
【００１６】
ワッシャーコイル入力コイル３−１〜４と帰還−変調コイル４-１〜４は、それぞれ、ワッシャーコイル２-１〜４に磁気結合されている。本実施の形態のSQUIDはバイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６，入力信号端子７-１〜４，制御信号入力端子８をそれぞれ持つ。バイアス電流供給、および、電圧モニタ端子６は、上部電極５と接続配線１３−１２に接続されている。
【００１７】
超伝導ループに直接鎖交する磁束を除去するため、ワッシャーコイル２−１と２-２は、直接鎖交する磁束に対して各コイルに流れる遮蔽電流が互いに反対向きとなるように結合されている。同様に、ワッシャーコイル２−３と２-４は、直接鎖交する磁束に対して各コイルに流れる遮蔽電流が互いに反対向きとなるように結合されている。また、２対のワッシャーコイル列（２−１と２-２），（２−３と２-４）は、直接鎖交する磁束に対して分割ループ内を流れる遮蔽電流が、同じ向きにジョセフソン接合に送られ、かつ、ジョセフソン接合列（１−１３と１−２４）に対称となるように並列接続されている。超伝導ループは帰還−変調コイル４−１〜４は、直列接続されている。
【００１８】
本実施の形態も同様に、駆動回路が一つで良いため、小型化が可能になる。また、配線数も、１チャンネルのSQUIDと比較して、入力信号端子の数が増えるだけであるため、配線からの熱侵入を抑制でき、冷却のためのコストを削減できる。また、各入力コイル３−１〜４が電気的に絶縁されているため、各チャンネル間の干渉を抑制する効果がある。また、ワッシャーコイルを分割することで、各入力コイル３−１〜４をそれぞれ離して配置することができ、各チャンネル間の干渉の抑制に、より高い効果を持つ。また、入力コイルの巻数を増やすことが可能となるため、入力信号にする感度を向上させることが可能である。また、超伝導ループに直接鎖交する磁束の除去が可能なため、環境磁気のような磁気ノイズを遮蔽する必要がない。その結果、システム全体の小型化と磁気シールドにかかるコストの削減が可能になる。特に、本実施の形態のSQUIDは、４つに分割されたワッシャーコイルにより、２次微分コイルを構成しており、磁気ノイズの除去に対して、より高い効果を持つ。さらに、SQUIDループを構成するワッシャーコイルが直列接続だけでなく、並列接続されているため、感度に影響を与えるSQUIDの自己インダクタンスを減少させることができ、より高い感度を実現できる。
【００１９】
【発明の効果】
入力コイルに複数の入力端子を設けることにより、駆動回路が一つで良いため、検出システムの小型化が可能になる。また、配線数も、１チャンネルのSQUIDと比較しても、入力信号端子の数が増えるだけであるため、配線からの熱侵入を抑制でき、冷却のためのコストを縮小できる。
【００２０】
また、電気的に絶縁された複数の入力コイルをワッシャーコイル上に形成し、それぞれ、磁気結合させることにより、各チャンネル間の干渉を抑制する効果がある。
また、ワッシャーコイルを複数の分割ループで構成し、その分割ループを直列接続または並列接続接続し、そして、それぞれの分割ループ上に独立の入力コイルを設けることにより、入力コイルを離して配置することができる。その結果、各チャンネル間の干渉抑制に、より高い効果が得られる。さらに、入力コイルの巻数を増やすことが可能となるため、入力信号に対する感度の向上が可能となる。
【００２１】
また、分割ループを直列または並列接続することで、微分型のワッシャーコイルを構成することにより、超伝導ループに直接鎖交する磁束の除去が可能なため、環境磁気などの磁気ノイズを遮蔽する必要がない。その結果、システム全体の小型化と磁気シールドにかかるコストの削減が可能になる。特に、４つに分割されたワッシャーコイルにより、２次微分コイルを構成することで、磁気ノイズの除去に対して、より高い効果が得られる。
【００２２】
また、並列接続で各分割ループを結合させ、ワッシャーコイル全体で微分型コイルを形成することにより、感度に影響を与えるSQUIDの自己インダクタンスを減少させることができ、より高い感度を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる超伝導量子干渉素子を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかわる超伝導量子干渉素子を用いて構成された４チャンネル信号検出システムを示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかわる超伝導量子干渉素子を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかわる超伝導量子干渉素子を用いて構成された４チャンネル信号検出システムを示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかわる超伝導量子干渉素子を示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態４にかかわる超伝導量子干渉素子を示す構成図である。
【図７】従来例の超伝導量子干渉素子を示す構成図である。
【図８】従来例の超伝導量子干渉素子を用いて構成された信号検出システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１，１−１，１−４，１−１３，１−２４    ジョセフソン接合
２，２−１，２−２，２−３，２−４    ワッシャーコイル
３，３−１，３−２，３−３，３−４    入力コイル
４，４−１，４−２，４−３，４−４    帰還-変調コイル
５，５−１３，５−２４    上部電極
６    バイアス電流供給、および、電圧モニタ端子
７，７−１，７−２，７−３，７−４    入力信号端子
８    制御信号入力端子
９，９−１    超伝導量子干渉素子
１０    外部制御系
１１    信号源
１２    コンタクトホール
１３−１３，１３−２４    接続配線
【図１】
0004094171.tif 000002
【図２】
0004094171.tif 000003
【図３】
0004094171.tif 000004
【図４】
0004094171.tif 000005
【図５】
0004094171.tif 000006
【図６】
0004094171.tif 000007
【図７】
0004094171.tif 000008
【図８】
0004094171.tif 000009