JP2869781B2 - Variable SQUID magnetometer - Google Patents
Variable SQUID magnetometerInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ジョセフソン効果
を利用した高感度SQUID磁束計に関するものであ
り、更に詳しくは、複数個のSQUIDから得られる電
気信号を可変的に演算することにより、柔軟な計測シス
テムを構成するSQUID磁束計に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-sensitivity SQUID magnetometer utilizing the Josephson effect, and more particularly, to a flexible SQUID magnetometer by variably calculating electric signals obtained from a plurality of SQUIDs. The present invention relates to a SQUID magnetometer constituting a simple measurement system.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、公知の SQUID磁束計は、液
体ヘリウムを貯めておくデュワー(またはクライオスタ
ット)と、液体ヘリウム中で動作するSQUIDプロー
ブと、室温動作のアンプ及びコントローラで構成され、
液体ヘリウム中のSQUIDプローブと室温アンプは同
軸ケーブルで接続されている。2. Description of the Related Art Conventionally, a known SQUID magnetometer comprises a dewar (or cryostat) for storing liquid helium, an SQUID probe operating in liquid helium, an amplifier and a controller operating at room temperature,
The SQUID probe in liquid helium and the room temperature amplifier are connected by a coaxial cable.
【0003】通常、この室温アンプを介してFLL(磁
束ロックループ:Flux Lock Loop)と呼ばれる線形動作
のためのフィードバックを構成することによりゼロ位法
が成り立つように制御される。そして、生体磁気や非破
壊検査などを目的とした計測で多数点の磁気計測を同時
に行なう場合、デュワー内には数十個〜数百個のSQU
IDをアレイ状に配置して磁場の空間分布をとる。Normally, a feedback for a linear operation called FLL (flux lock loop) is formed through the room temperature amplifier to control the zero-order method. When simultaneously performing magnetic measurement at many points for measurement for biomagnetism or non-destructive inspection, several tens to several hundreds of SQUAs are stored in the dewar.
IDs are arranged in an array to obtain a spatial distribution of the magnetic field.
【0004】実際には、微弱な磁気信号の計測であるた
め、通常、磁気シールドルーム内で計測が行なわれる。
この際、磁気シールドの目的は、計測対象から距離的に
離れた場所から発生する磁気的な妨害雑音を遮蔽するた
めであるが、磁気シールドで取りきれない雑音はSQU
IDに入力する磁束を拾うためのピックアップコイルを
差動構成にしたり、ピックアップコイルとSQUIDと
が一体構成の場合には、SQUIDの出力を電気的に減
算することで、測定対象に比べて離れた位置にある妨害
磁場をキャンセルすることが実施されている。In practice, since a weak magnetic signal is measured, the measurement is usually performed in a magnetically shielded room.
At this time, the purpose of the magnetic shield is to shield magnetic interference noise generated from a place distant from the object to be measured.
When the pickup coil for picking up the magnetic flux to be input to the ID has a differential configuration, or when the pickup coil and the SQUID are integrated, the output of the SQUID is electrically subtracted so that the distance between the pickup coil and the SQUID can be increased. Cancellation of the disturbing magnetic field in position has been implemented.
【0005】このような手段を差動コイル(微分コイル
とも言う)を使ったグラジオメータ等と称している。後
者のマグネトメータでの計測後、電子回路で差分をとる
方法もグラジオメータと称している。[0005] Such a means is called a gradiometer or the like using a differential coil (also called a differential coil). The method of taking the difference with an electronic circuit after measurement with the latter magnetometer is also called a gradiometer.
【0006】微分(差分)コイルの構成法には、1次微
分、2次微分などの差動コイルを1段で偏差をとるもの
と、2段にして磁場の空間分布の2次微分をとることに
より、1次勾配を持つ磁場をもキャンセルする構成法が
代表的である。コイルで微分構成とする場合には、ボビ
ン等にコイルを巻き付ける等して作成されるため、計測
対象に応じて微分構成をマグネトメータ(0次)、1次
微分グラジオメータ、2次微分グラジオメータに変更す
るということはできない。[0006] Differential (differential) coil construction methods include a method in which a differential coil such as a first derivative and a second derivative is used in a single step and a method in which a differential coil is used in two steps to obtain a second derivative of the spatial distribution of a magnetic field. Thus, a configuration method for canceling a magnetic field having a first-order gradient is typical. In the case of a differential configuration using a coil, the differential configuration is created by winding a coil around a bobbin or the like, so that the differential configuration is a magnetometer (0th order), a first-order differential gradiometer, or a second-order differential gradiometer according to the measurement target. It cannot be changed to.
【0007】例えば、生体磁気計測でも脳磁計測の場
合、大脳皮質などの浅いところから発生する磁場を対象
とするときは、1次または2次微分コイルがS/Nの面
で有利であるが、脳の深部たとえば脳幹から発生する磁
場は、マグネトメータやベースライン長の長い1次微分
コイルが有利である。[0007] For example, in the case of biomagnetic measurement and magnetoencephalography measurement, when a magnetic field generated from a shallow place such as the cerebral cortex is targeted, the primary or secondary differential coil is advantageous in terms of S / N. For a magnetic field generated from a deep part of the brain, for example, from the brain stem, a magnetometer or a primary differential coil having a long base line length is advantageous.
【0008】このように、ピックアップコイルが決めら
れてしまうと計測対象が限定されてしまうため装置の有
効活用ができない。このことは、非破壊検査でも探索す
べき傷の深さによってピックアップコイルの形状を予め
決めなければならないこでも事情は同じである。[0008] As described above, when the pickup coil is determined, the object to be measured is limited, so that the device cannot be effectively used. The same applies to the case where the shape of the pickup coil must be determined in advance in the nondestructive inspection depending on the depth of the flaw to be searched.
【0009】一方、電気的に微分構成を取る場合、マグ
ネトメータを予め微分長だけ離れた位置に配置してお
き、FLL回路で線形化した出力を電気的に差動をとる
わけであるから、フレキシビリティがある。しかしなが
ら、差動構成を取るためのマグネトメータの個数分だけ
素子とFLL回路が増えることや、常温電子回路(FL
L回路)とSQUIDを結線するラインが増えるため、
デュワー内への熱侵入が大きくなり冷媒の消耗が激しく
なることもあり、経済的に不利であるという問題を有し
ていた。On the other hand, in the case of an electrically differentiating configuration, the magnetometer is previously arranged at a position separated by the differential length, and the output linearized by the FLL circuit is electrically differentiated. There is flexibility. However, the number of elements and FLL circuits is increased by the number of magnetometers for taking a differential configuration, and the room-temperature electronic circuit (FL
L circuit) and the SQUID are connected more lines,
Heat intrusion into the dewar becomes large, and the consumption of the refrigerant may become severe, so that there is a problem that it is economically disadvantageous.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】また、マグネトメータ
のダイナミックレンジは、FLL回路の周波数特性によ
って規定されるため、ただでさえ感度が高いマグネトメ
ータに周波数が高く、且つ大振幅の妨害磁場が加わった
場合、磁束ロックを維持できなくなり、所謂ロック飛を
おこし計測を継続することが困難になる。このことは、
FLL回路を使っていることによる本質的な欠点である
が、磁場感度が本質的に高いマグネトメータを使うこと
がこの欠点を助長してしまっていた。Since the dynamic range of the magnetometer is determined by the frequency characteristics of the FLL circuit, a high-frequency and large-amplitude disturbing magnetic field is applied to a highly sensitive magnetometer. In such a case, the magnetic flux lock cannot be maintained, so-called lock jump occurs, and it becomes difficult to continue the measurement. This means
An essential drawback of using a FLL circuit is to use a magnetometer having an inherently high magnetic field sensitivity, which has been exacerbated by this drawback.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、請求項1に係る可変
差動型SQUID磁束計は、複数個の磁場感度の等しい
dc−SQUID(以下SQUIDと記す)を磁場検出
用のセンサとする磁束計において、第一の複数からなる
センサSQUIDと、該複数の第一のSQUIDのバイ
アス電流をON/OFFするためのスイッチ手段と、上
記複数の第一のSQUIDのそれぞれの電圧出力を電流
としてとりだす複数の抵抗と、該複数の抵抗と電気的に
直列に接続されたコイルと、該コイルと磁気的に結合し
た第二のSQUIDか若しくはSQUIDアレイと、か
らなる加算増幅器を有し、上記複数の第一のSQUID
か若しくは上記複数の第一のSQUIDに磁束を供給す
るピックアップコイルの隣接して配設された感度面の符
号が互いに反対となるように配設したものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such conventional problems, variable according to claim 1
The differential type SQUID magnetometer is a magnetometer using a plurality of dc-SQUIDs (hereinafter, referred to as SQUIDs) having the same magnetic field sensitivity as sensors for detecting a magnetic field. Switch means for turning on / off the bias current of one SQUID, a plurality of resistors for taking out the respective voltage outputs of the plurality of first SQUIDs as currents, and electrically connected in series with the plurality of resistors. and coil has a second SQUID to or SQUID array coupled to said coil and magnetically, the summing amplifier consisting of said plurality of first SQUID
Or or is the ash is disposed such that the code of sensitivity surface adjacent arranged pickup coil for supplying magnetic flux to said plurality of first SQUID becomes opposite to each other.
【0012】また、請求項2に係る可変差動型SQUI
D磁束計は、上記請求項1の複数の第一のセンサSQU
IDまたは上記請求項1の第二のSQUIDか若しくは
SQUIDアレイにおいて、磁束電圧変換率をdV/dΦと
すると共に抵抗Rnと結合コイルMnを備えるものとし、帰
還率β=(dV/dΦ) ×Mn/Rn ≧1となるように負帰還回路
を設け、且つ動作点を線形化したΦ−V曲線の斜面の略
中点に位置させるための磁束バイアス回路を設けたもの
である。Further, the variable differential SQUI according to claim 2 is provided.
2. The plurality of first sensors SQUI of claim 1, wherein:
ID or Oite the second SQUID to or SQUID array of claim 1, and a magnetic flux-voltage conversion ratio dV / d?
And a resistor Rn and a coupling coil Mn, a negative feedback circuit is provided so that a feedback ratio β = (dV / dΦ) × Mn / Rn ≧ 1, and a Φ−V curve in which an operating point is linearized. the flux bias circuit provided at the ash to be positioned substantially mid-point of the slope.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。先ず、本発明の原理を説明する。即
ち、磁場を検知する複数の第一のSQUID(センサS
QUID)と、これらの出力を加算または減算するため
の第二のSQUIDか若しくはSQUIDアレイと、セ
ンサSQUIDのバイアス電流をスイッチするためのア
ナログスイッチにより構成され、第一のセンサSQUI
Dに流すバイアス電流をON/OFFすることにより、
ON状態のSQUIDを選択する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the principle of the present invention will be described. That is, a plurality of first SQUIDs (sensors S
QUID), a second SQUID or SQUID array for adding or subtracting these outputs, and an analog switch for switching the bias current of the sensor SQUID.
By turning on / off the bias current flowing through D,
Select the SQUID in the ON state.
【0014】そして、センサSQUIDとして信号を検
出するSQUIDと、感度が等しく符号が反対となる参
照信号を検出するSQUIDとを予め配置しておくこと
により、1次微分構成(グラジオメータ)とマグネトメ
ータをスイッチにて切り替えるものとする。選択された
SQUIDの出力を抵抗で電流として導きだし、これを
コイルに加算または減算するように接続し、更に、この
コイルに磁気的に接続した第二のSQUIDか若しくは
SQUIDアレイで増幅して室温増幅器に接続するもの
である。The SQUID for detecting a signal as a sensor SQUID and the SQUID for detecting a reference signal having the same sensitivity and opposite sign are arranged in advance, so that a primary differential configuration (gradiometer) and a magnetometer can be obtained. Is switched by a switch. The output of the selected SQUID is derived as a current through a resistor, which is connected to a coil for addition or subtraction, and further amplified by a second SQUID or SQUID array magnetically connected to this coil to obtain a room temperature. It is connected to an amplifier.
【0015】このような構成をとることによって、セン
サSQUID及び参照SQUIDに流れるバイアス電流
を切り替えることにより、差動構成を任意に構成し直す
ことができ、例えば、1次微分、2次微分グラジオメー
タ、マグネトメータの構成をスイッチ手段で切り替える
ことができる。また、第二のSQUIDで加算増幅して
いるため、S/N比が極めて高いこと、FLL回路で線
形化した出力を演算せず、直接第二のSQUIDで加算
減算されるため周波数特性が極めて良いという特徴を有
する。By adopting such a configuration, the differential configuration can be arbitrarily reconfigured by switching the bias current flowing through the sensor SQUID and the reference SQUID. The configuration of the magnetometer can be switched by switch means. In addition, since addition and amplification are performed by the second SQUID, the S / N ratio is extremely high, and the output linearized by the FLL circuit is not calculated. It has good characteristics.
【0016】また、図1は本発明の一実施形態における
可変差動型SQUID磁束計を示しており、マグネトメ
ータと2次微分のグラジオメータをセンサSQUIDを
切り替えて任意に選択するための回路構成を示してい
る。尚、各SQUIDの空間的な配置は図2で説明す
る。FIG. 1 shows a variable differential type SQUID magnetometer according to an embodiment of the present invention, and a circuit configuration for arbitrarily selecting a magnetometer and a second derivative gradiometer by switching a sensor SQUID. Is shown. The spatial arrangement of each SQUID will be described with reference to FIG.
【0017】図において、1、2、3は磁場を検知する
ためのセンサSQUIDでピックアップコイルやシャン
ト抵抗は省略して記載してある。また、図3で説明する
負帰還回路も省略してあるが、負帰還回路は必ずしも付
属してなくてもよい。In FIG. 1, reference numerals 1, 2, and 3 denote a sensor SQUID for detecting a magnetic field, in which a pickup coil and a shunt resistor are omitted. Although the negative feedback circuit described with reference to FIG. 3 is also omitted, the negative feedback circuit does not necessarily have to be included.
【0018】また、4、5、6は次段のSQUIDに信
号を伝達するための結合用抵抗であり、それぞれ、2:
1:2の抵抗値の比を有するものとする。Reference numerals 4, 5, and 6 denote coupling resistors for transmitting signals to the next-stage SQUID.
It has a resistance value ratio of 1: 2.
【0019】7はバイアス電流をセンサSQUID1〜
3に適便な値だけ供給するための電流制限抵抗で、アナ
ログスイッチ8でON状態となったセンサSQUID1
〜3の何れかにバイアス電流が供給され、入力磁場に応
じた出力電圧を2段目のSQUIDに伝達し、OFF状
態のセンサSQUID1〜3の何れかはバイアス電流が
供給されず、出力電圧が生じない。Reference numeral 7 denotes a bias current for the sensors SQUID1 to SQUID1.
3 is a current limiting resistor for supplying only an appropriate value to the sensor 3 and the sensor SQUID1 turned on by the analog switch 8.
To 3, the output voltage corresponding to the input magnetic field is transmitted to the second-stage SQUID, and any of the OFF-state sensors SQUID1 to 3 is not supplied with the bias current, and the output voltage is reduced. Does not occur.
【0020】尚、アナログスイッチ8はメカニカルなス
イッチで代用してもよい。9はバイアス電流供給用電圧
源であるが、アナログスイッチ8及びバイアス電流供給
用電圧源9の各々に関しては、各センサSQUID1〜
3に独立してバイアス電流を供給できるよう出力電流を
コントロール可能なDAコンバータがセンサSQUIDの
個数分接続されてもよい。The analog switch 8 may be replaced by a mechanical switch. Reference numeral 9 denotes a bias current supply voltage source. Regarding each of the analog switch 8 and the bias current supply voltage source 9, each sensor SQUID1 to
The number of DA converters that can control the output current so that the bias current can be supplied independently of the number of the SQUIDs may be connected to the number of sensors SQUID.
【0021】10はアナログスイッチ8をON/OFF
するための制御装置である。また、11は各センサSQ
UID1〜3の出力電流を加算して次段のSQUIDア
レイ12に磁束として伝達するための結合インダクタン
スである。尚、SQUIDアレイ12は単一SQUID
であっても加算は実施できる。Reference numeral 10 denotes ON / OFF of the analog switch 8
It is a control device for performing. 11 is each sensor SQ
This is a coupling inductance for adding output currents of the UIDs 1 to 3 and transmitting the added magnetic flux to the SQUID array 12 at the next stage. The SQUID array 12 is a single SQUID
However, addition can be performed.
【0022】13、14はSQUIDアレイ12にバイ
アス電流を供給するための電流制限抵抗及びバイアス電
流供給用電圧源である。15は、負帰還をかけるための
負帰還抵抗である。また、16、17はSQUIDアレ
イ12の出力を適便な値に増幅するための室温増幅器で
ある。18、19は各SQUIDの動作点を設定するた
めの磁束入力コイルである。電流制限抵抗20、電圧設
定用電源21及び電流制限抵抗22、電圧設定用電源2
3は、それぞれ磁束入力コイル18、19にバイアス磁
束を加えるための電流供給源である。Reference numerals 13 and 14 denote a current limiting resistor for supplying a bias current to the SQUID array 12 and a bias current supply voltage source. Reference numeral 15 denotes a negative feedback resistor for applying negative feedback. Reference numerals 16 and 17 denote room temperature amplifiers for amplifying the output of the SQUID array 12 to a suitable value. Reference numerals 18 and 19 are magnetic flux input coils for setting the operating point of each SQUID. Current limiting resistor 20, voltage setting power source 21 and current limiting resistor 22, voltage setting power source 2
Reference numeral 3 denotes a current supply source for applying a bias magnetic flux to the magnetic flux input coils 18 and 19, respectively.
【0023】尚、図1では2次微分の構成を基本にして
いるが、1次微分の構成はセンサSQUIDを2個と
し、4、5などの結合用抵抗の比を1:1とすればよ
い。In FIG. 1, the structure of the second derivative is basically used. However, the structure of the first derivative is as follows if the number of sensors SQUID is two and the ratio of the coupling resistors such as 4, 5 is 1: 1. Good.
【0024】図2はSQUIDか若しくはSQUIDに
磁束を供給するピックアップコイルの配置例を示すため
の概念図であり、磁場を検知する面は正方形を貫く方向
であるものとする。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the arrangement of a SQUID or a pickup coil for supplying a magnetic flux to the SQUID. It is assumed that a surface for detecting a magnetic field is in a direction passing through a square.
【0025】図2(a)は1次微分の構成でセンサSQ
UID(或いははピックアップコイル)の感度面は互い
に逆方向を向くようにしてあるものとし、互いに同一平
上に配置されるものとする。FIG. 2A shows a first-order differential configuration in which the sensor SQ is used.
The sensitivity surfaces of the UIDs (or pickup coils) are oriented in opposite directions, and are arranged on the same plane.
【0026】このとき、並行磁場が加わった場合、互い
に符号が反対で等しい信号が磁束として2つのSQUI
Dで検知されるため、加算器の出力では差動演算が実行
される。At this time, when a parallel magnetic field is applied, two SQUIDs are generated as magnetic fluxes having opposite signs and equal signals.
Since detection is performed at D, a differential operation is performed on the output of the adder.
【0027】一方、図2(b)は図1の回路構成に相当す
るものであり、互いに逆向きな感度面A、B、Cが等間
隔で、しかも同一平面上に配設されているものである。
そして、各SQUIDが図1のセンサSQUID1、
2、3に対応している場合、2次の差動演算が行なわれ
る。On the other hand, FIG. 2B corresponds to the circuit configuration of FIG. 1, in which the sensitivity planes A, B, and C, which are opposite to each other, are arranged at equal intervals and on the same plane. It is.
And each SQUID is the sensor SQUID1 of FIG.
In the case where the number corresponds to 2, 3, a secondary differential operation is performed.
【0028】ここで、センサSQUID1、2、3の磁
場感度をη、磁束電圧変換率をdV/dΦ1、SQUIDア
レイ12の磁束電圧変換率をdV/dΦ2、更に結合用抵抗
4、5、6の抵抗値をR、2R、R、結合インダクタン
スの値をMとすれば、並行磁場Bに対するSQUIDア
レイ12の出力は、下記の数式1で与えられ、電圧は出
力されない。Here, the magnetic field sensitivity of the sensors SQUIDs 1, 2, and 3 is η, the magnetic flux voltage conversion rate is dV / dΦ1, the magnetic flux voltage conversion rate of the SQUID array 12 is dV / dΦ2, and the coupling resistances 4, 5, and 6 Assuming that the resistance value is R, 2R, R, and the value of the coupling inductance is M, the output of the SQUID array 12 with respect to the parallel magnetic field B is given by the following equation 1, and no voltage is output.
【0029】[0029]
【数1】 (Equation 1)
【0030】そして、信号源が例えばコイルAの近くに
あるときは並行磁場ではないから電圧が出力されるの
は、通常の2次微分コイルを構成する場合と同じであ
る。When the signal source is close to the coil A, for example, a voltage is output because it is not a parallel magnetic field, as in the case of forming an ordinary secondary differential coil.
【0031】更に、図2(c)はセンサ面が同一平面上に
ない場合の1次微分の構成を摸式的に表したものであ
り、感度面は同一平面上になくても並行移動した配置に
あれば良いことを示している。FIG. 2 (c) schematically shows the configuration of the first derivative when the sensor surface is not on the same plane, and the sensitivity surface moves in parallel even if it is not on the same plane. It indicates that it is enough to be in the arrangement.
【0032】図3、図4及び図5は以上の構成を更に詳
細に説明するものである。SQUIDの出力は図5の細
線で示すように、入力磁束に対して出力電圧は正弦波状
に変化する。従って、通常はFLL回路とよばれる磁束
ロック回路を用いて、入力磁束の変化に対して出力電圧
が直線的になるようにぜロ位法が成り立つようなフィー
ドバック補正がなされる。FIGS. 3, 4 and 5 explain the above configuration in more detail. As shown by the thin line in FIG. 5, the output voltage of the SQUID changes in a sinusoidal manner with respect to the input magnetic flux. Therefore, a magnetic flux lock circuit usually called a FLL circuit is used to perform feedback correction such that a zero-order method is established so that an output voltage becomes linear with respect to a change in input magnetic flux.
【0033】しかしながら、このような補正は従来技術
で述べたようにロック飛という問題点がある。そこで、
図3に示すような負帰還抵抗25とコイル26とから構
成される負帰還回路を設けることで出力電圧の線形化を
図る。この際、抵抗25の抵抗値をRn、コイル26とS
QUID27の相互結合インダクタンスをMn、SQUI
D26の磁束電圧変換率をdV/dΦとすると帰還率βは下
記に示す数式2で与えられる。However, such correction has a problem of lock jump as described in the prior art. Therefore,
The output voltage is linearized by providing a negative feedback circuit including a negative feedback resistor 25 and a coil 26 as shown in FIG. At this time, the resistance value of the resistor 25 is Rn, and the coil 26 and S
The mutual coupling inductance of QUID27 is Mn, SQUI
Assuming that the magnetic flux voltage conversion rate of D26 is dV / dΦ, the feedback rate β is given by the following equation (2).
【0034】[0034]
【数2】 (Equation 2)
【0035】ここで、β≧0とすると、図5で示す太線
のように(βが大きくなるに従って)Φ−V曲線は斜面
の傾きが緩やかになるように変形する。このときの帰還
後の磁束電圧変換率は下記に示す数式3で与えられる。Here, if β ≧ 0, the Φ-V curve is deformed so that the slope of the slope becomes gentle, as indicated by the thick line in FIG. 5 (as β increases). The magnetic flux voltage conversion rate after the feedback at this time is given by the following Equation 3.
【0036】[0036]
【数3】 (Equation 3)
【0037】そして、βが1から3の範囲においては、
正弦波状のΦ−V曲線は鋸波状となり、図5に示す太線
の斜面は線形性が増加する。また、帰還のないとき線形
範囲はΦ1がΦo/2以下であるのに対し、Φ2で示す範囲
のように線形部がβの値に応じて(βが2付近で)Φo
付近まで拡大される。このとき、(図5に示す)線形部
の中央に磁束バイアスを加えることで、外部から加わる
磁場はこの点を中心に変動することになる。When β is in the range of 1 to 3,
The sinusoidal Φ-V curve has a sawtooth shape, and the slope of the bold line shown in FIG. 5 has increased linearity. Further, when there is no feedback, the linear range is Φ1 at Φo / 2 or less, whereas the linear part is Φo according to the value of β (when β is around 2) as shown by Φ2.
It is enlarged to the vicinity. At this time, by applying a magnetic flux bias to the center of the linear portion (shown in FIG. 5), the externally applied magnetic field fluctuates around this point.
【0038】通常、計測する磁場の大きさは生体磁気計
測の場合数10pT程度であるが、磁場感度ηはピックア
ップコイルからSQUIDまでの伝達効率を含めて数nT
/Φo程度であるため、信号のダイナミックレンジはΦo/
10以下である。一方、直流的な磁場変動は地磁気の日変
化で50nT/Φo程度であり、磁気シールドルーム内の環
境下では1/100程度であるためバイアス点の変動は
Φoに比較して小さい。Normally, the magnitude of the magnetic field to be measured is about several tens pT in the case of biomagnetic measurement, but the magnetic field sensitivity η is several nT including the transmission efficiency from the pickup coil to the SQUID.
/ Φo, the dynamic range of the signal is Φo /
10 or less. On the other hand, the DC magnetic field fluctuation is about 50 nT / Φo due to the diurnal variation of the terrestrial magnetism, and is about 1/100 under the environment in the magnetically shielded room. Therefore, the fluctuation of the bias point is smaller than Φo.
【0039】従って、線形性さえ得られれば開ループで
も計測に支障は生じないことがわかる。このような負帰
還による線形化を図1のセンサSQUID1〜3に対し
て施すことで線形性を保ったまま磁場−電圧変換と電圧
転送ができる。Accordingly, it can be seen that there is no problem in measurement even in open loop as long as linearity can be obtained. By performing such linearization by negative feedback on the sensors SQUID1 to SQUID1 in FIG. 1, magnetic field-voltage conversion and voltage transfer can be performed while maintaining linearity.
【0040】図4はSQUIDアレイにおいても同様な
負帰還を設けることで出力電圧の線形化を図るものであ
る。すなわち、負帰還抵抗28とコイル29とから構成
される負帰還回路を設けるものである。この際、抵抗2
8の抵抗値をRn、コイル29とSQUIDアレイ30の
相互結合インダクタンスをMn、SQUIDアレイ30の
磁束電圧変換率をdV/dΦとすると帰還率βは上記した数
式2で与えられる。FIG. 4 shows a case where the same negative feedback is provided in the SQUID array to linearize the output voltage. That is, a negative feedback circuit including the negative feedback resistor 28 and the coil 29 is provided. At this time, the resistance 2
8 is Rn, the mutual coupling inductance between the coil 29 and the SQUID array 30 is Mn, and the magnetic flux voltage conversion rate of the SQUID array 30 is dV / dΦ, the feedback rate β is given by the above equation (2).
【0041】以上のように、本発明の実施形態を説明し
てきたが、本発明はここで示した実施形態に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載された構成を変更
しない限り、適宜に実施できる。As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the embodiment shown here, and unless the structure described in the claims is changed, It can be carried out as appropriate.
【0042】[0042]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の可変差動
型SQUID磁束計は、センサSQUIDをスイッチ手
段で選択して、加算増幅器(電流取り出し用の抵抗と、
該抵抗と接続されたコイルと、該コイルと磁気的に結合
した第二のSQUIDか若しくはSQUIDアレイと、
から構成)で加算的に増幅するものであるから、センサ
面を差動構成可能なように配設(隣接して配設された感
度面の符号が互いに反対となるように配設)することに
より微分出力を得ることが可能である。As described above, in the variable differential SQUID magnetometer of the present invention, the sensor SQUID is selected by the switch means, and the summing amplifier (a resistor for taking out current,
A coil connected to the resistor and magnetically coupled to the coil
A second SQUID or SQUID array
) , So that the sensor surface is arranged so that it can be configured differentially ( sensors adjacent to each other).
Differential output can be obtained by arranging such that the signs of the degrees are opposite to each other) .
【0043】そして、センサSQUID及び参照SQU
IDに流れるバイアス電流を切り替えをスイッチ手段で
おこなっているため、差動構成を任意に構成し直すこと
ができ、同一構成でマグネトメータと1次微分及び2次
微分グラジオメータを兼ねることができ、従って、電気
的に微分をおこなう場合に比べて配線本数を削減でき
る。Then, the sensor SQUID and the reference SQUI
Since the switching of the bias current flowing through the ID is performed by the switch means, the differential configuration can be arbitrarily reconfigured, and the same configuration can serve as the magnetometer and the first and second derivative gradiometers, Therefore, the number of wirings can be reduced as compared with the case of performing electrical differentiation.
【0044】また、センサSQUID及び参照SQUI
Dの出力を第二のSQUIDで加算増幅しているため、
S/N比が極めて高く、しかもFLL回路の構成をとら
ず、直接第二のSQUIDで加算減算されるため、周波
数特性が極めて良好である。Further, the sensor SQUID and the reference SQUID
Since the output of D is added and amplified by the second SQUID,
Since the S / N ratio is extremely high, the addition and subtraction are directly performed by the second SQUID without using the configuration of the FLL circuit, the frequency characteristics are extremely good.
【0045】一方、スイッチ手段をSQUIDと同様に
クライオスタット内に設置すれば、更に配線本数が減少
でき、これによって、クライオスットの熱侵入が減少す
るため、ヘリウムのランニングコストが削減でき、しか
も回路規模が小さくて済む。On the other hand, if the switch means is installed in the cryostat in the same manner as the SQUID, the number of wirings can be further reduced, thereby reducing the heat penetration of the cryostat, thereby reducing the helium running cost and the circuit scale. Is small.
【0046】更に、開ループで計測するため、過大入力
や電源雑音などで計測が一時的に阻害されても、継続し
て計測を続けることが出きる等、多大な効果を奏する。Further, since the measurement is performed in an open loop, even if the measurement is temporarily hindered by an excessive input or power supply noise, it is possible to obtain a great effect that the measurement can be continued continuously.
【図1】本発明の一実施形態における可変差動型SQU
ID磁束計の要部回路図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a variable differential SQUI according to an embodiment of the present invention.
It is a principal part circuit diagram of an ID magnetometer.
【図2】(a)、(b)、(c)は何れも本発明の一実
施形態における可変差動型SQUID磁束計のセンサS
QUIDか若しくはピックアップコイルの配置例を示す
ための概念図である。FIGS. 2A, 2B, and 2C each show a sensor S of a variable differential SQUID magnetometer according to an embodiment of the present invention.
It is a conceptual diagram for showing the example of arrangement of a QUID or a pickup coil.
【図3】SQUIDの負帰還回路の構成を示す回路図で
ある。FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a negative feedback circuit of SQUID.
【図4】SQUIDアレイの負帰還回路の構成を示す回
路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a negative feedback circuit of the SQUID array.
【図5】SQUIDの入出力特性を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing input / output characteristics of a SQUID.
1、2、3、27 センサSQUID 4、5、6 結合用抵抗 7、13、20、22 電流制限抵抗 8 アナログスイッチ 9、14 バイアス電流供給用電圧源 10 制御装置 11、26、29 結合インダクタンス 12、30 SQUIDアレイ 15、25、28 負帰還抵抗 16、17 電圧増幅器 18、19 磁束入力コイル 21、23 電圧設定用電源 24 バイアス用電源 1, 2, 3, 27 Sensor SQUID 4, 5, 6 Coupling resistor 7, 13, 20, 22 Current limiting resistor 8 Analog switch 9, 14 Bias current supply voltage source 10 Controller 11, 26, 29 Coupling inductance 12 , 30 SQUID array 15, 25, 28 Negative feedback resistor 16, 17 Voltage amplifier 18, 19 Magnetic flux input coil 21, 23 Power supply for voltage setting 24 Power supply for bias
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01R 33/035 ZAA H01L 39/22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01R 33/035 ZAA H01L 39/22
Claims (2)
ID(以下SQUIDと記す)を磁場検出用のセンサと
する磁束計において、 第一の複数からなるセンサSQUIDと、該複数の第一
のSQUIDのバイアス電流をON/OFFするための
スイッチ手段と、上記複数の第一のSQUIDのそれぞ
れの電圧出力を電流としてとりだす複数の抵抗と、該複
数の抵抗と電気的に直列に接続されたコイルと、該コイ
ルと磁気的に結合した第二のSQUIDか若しくはSQ
UIDアレイと、からなる加算増幅器を有し、上記複数
の第一のSQUIDか若しくは上記複数の第一のSQU
IDに磁束を供給するピックアップコイルの隣接して配
設された感度面の符号が互いに反対となるように配設し
たことを特徴とする可変差動型SQUID磁束計。1. A plurality of dc-SQUs having equal magnetic field sensitivities.
In a magnetometer using an ID (hereinafter, referred to as SQUID) as a sensor for detecting a magnetic field, a sensor SQUID comprising a first plurality of sensors, a switch means for turning ON / OFF a bias current of the plurality of first SQUIDs, A plurality of resistors for taking respective voltage outputs of the plurality of first SQUIDs as a current, a coil electrically connected to the plurality of resistors in series, and a second SQUID magnetically coupled to the coil. Or SQ
Has a UID array, a summing amplifier comprising a said plurality of first SQUID to or above a plurality of first SQU
Arranged adjacent to the pickup coil that supplies magnetic flux to the ID
A variable differential type SQUID magnetometer, wherein the signs of the provided sensitivity surfaces are opposite to each other .
は上記第二のSQUIDか若しくはSQUIDアレイに
おいて、磁束電圧変換率をdV/dΦとすると共に抵抗Rnと
結合コイルMnを備えるものとし、帰還率β=(dV/dΦ) ×
Mn/Rn ≧1となるように負帰還回路を設け、且つ動作点
を線形化したΦ−V曲線の斜面の略中点に位置させるた
めの磁束バイアス回路を設けたことを特徴とする請求項
1に記載の可変差動型SQUID磁束計。2. The plurality of first sensors SQUID or
Is in the second SQUID or SQUID array
Here, it is assumed that the magnetic flux voltage conversion rate is dV / dΦ and that the resistor Rn and the coupling coil Mn are provided, and the feedback rate β = (dV / dΦ) ×
A negative feedback circuit is provided so that Mn / Rn ≧ 1, and a magnetic flux bias circuit is provided for positioning an operating point at a substantially middle point on a slope of a linearized Φ-V curve. 2. The variable differential SQUID magnetometer according to 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6510896A JP2869781B2 (en) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | Variable SQUID magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6510896A JP2869781B2 (en) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | Variable SQUID magnetometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09236643A JPH09236643A (en) | 1997-09-09 |
JP2869781B2 true JP2869781B2 (en) | 1999-03-10 |
Family
ID=13277384
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6510896A Expired - Lifetime JP2869781B2 (en) | 1996-02-28 | 1996-02-28 | Variable SQUID magnetometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2869781B2 (en) |
-
1996
- 1996-02-28 JP JP6510896A patent/JP2869781B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH09236643A (en) | 1997-09-09 |
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