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磁気測定装置

国内特許コード P07A012888
整理番号 PA-AEL021
掲載日 2008年1月18日
出願番号 特願平09-113791
公開番号 特開平10-300833
登録番号 特許第3612539号
出願日 平成9年5月1日(1997.5.1)
公開日 平成10年11月13日(1998.11.13)
登録日 平成16年11月5日(2004.11.5)
発明者
  • 賀戸 久
出願人
  • 金沢工業大学
発明の名称 磁気測定装置
従来技術、競合技術の概要 図7は、従来の磁気測定装置の一例を示す構成図である。この磁気測定装置500は、地磁気を測定するためのもので、例えば無人島や浮標などの人が容易にアクセスできないような場所に設置される。極低温容器CRは、冷媒(例えば液体ヘリウム)70を充填された内容器CRIと、その内容器CRIを囲むように設置され且つ内容器CRIとの間に断熱用の空隙Dnを形成する外容器CROとを具備して構成されている。前記空隙Dnには断熱材が入れられ、かつ真空引きされている。また、前記内容器CRIの上部の開口は、蓋Tで塞がれている。また、蓋Tを貫通して、内容器CRIに冷媒70を供給/排気するための冷媒供給排気用二重管STが設置されている。内容器CRIの底部Dには、直交する3軸方向(x軸,y軸,z軸方向)の磁気をそれぞれ感磁するSQUID部80-1,80-2,80-3が設置されている。各SQUID部のSQUIDリング(図9の81-1,81-2,81-3)からそれぞれ取り出された検出信号は、信号線L1,L2,L3を介して、第1信号処理回路501,第2信号処理回路601,第3信号処理回路701に入力され、磁場測定信号S1,S2,S3に変換されて、送信機40に送られる。送信機40は、前記磁場測定信号S1,S2,S3を電波信号に変換して、アンテナ41より送信する。図8は、磁気情報解析装置の一例を示す構成図である。この磁気情報解析装置Aは、例えば電力や通信が普通に使用できる島や船舶などんの人が容易にアクセスできる場所に設置される。前記電波信号は、アンテナA1で受信され、受信機A2で磁場測定信号S1,S2,S3に復元される。情報処理装置A3は、前記磁場測定信号S1,S2,S3を解析し、地磁気に関する情報を算出し、表示装置A4に表示する。図9は、前記SQUID部80-1,80-2,80-3および前記信号処理回路501,601,701の第1従来例(dc-SQUID/DCバイアス方式)を示す構成図である。SQUID部80-1は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-1と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-1に加える検出コイル82-1と、前記SQUIDリング81-1にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-1とを具備して構成されている。第1信号処理回路501は、磁束固定ループ(FLL; Flux Locked Loop)の制御を行うものであり、SQUIDリング81-1に直流バイアス電流Id1を供給するDCバイアス回路17dと、前記SQUIDリング81-1の端子間信号を増幅する増幅回路18と、その増幅回路18の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S1を出力する同期検波回路51(乗算器52およびローパスフィルタ53からなる)と、第1周波数F1の同期検波用信号(例えば140kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第1周波数発振回路10と、前記磁場測定信号S1と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-1に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-2は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-2と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-2に加える検出コイル82-2と、前記SQUIDリング81-2にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-2とを具備して構成されている。また、第2信号処理回路601は、SQUIDリング81-2に直流バイアス電流Id2を供給するDCバイアス回路27dと、前記SQUIDリング81-2の端子間信号を増幅する増幅回路28と、その増幅回路28の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S2を出力する同期検波回路61(乗算器62およびローパスフィルタ63からなる)と、第2周波数F2の同期検波用信号(例えば230kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第2周波数発振回路20と、前記磁場測定信号S2と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-2に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-3は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-3と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-3に加える検出コイル82-3と、前記SQUIDリング81-3にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-3とを具備して構成されている。また、第3信号処理回路701は、SQUIDリング81-3に直流バイアス電流Id3を供給するDCバイアス回路37dと、前記SQUIDリング81-3の端子間信号を増幅する増幅回路38と、その増幅回路38の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S3を出力する同期検波回路71(乗算器72およびローパスフィルタ73からなる)と、第3周波数F3の同期検波用信号(例えば320kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第3周波数発振回路30と、前記磁場測定信号S3と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-3に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。図10は、前記SQUID部80-1,80-2,80-3および前記信号処理回路501,601,701の第2従来例(rf-SQUID/rf共振方式)を示す構成図である。SQUID部80-1は、1つのジョセフソン接合を有するrf-SQUIDタイプのSQUIDリング81r1と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81r1に加える検出コイル82-1と、前記SQUIDリング81r1にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-1と、タンク回路(例えば共振周波数20MHz)84-1とを具備して構成されている。第1信号処理回路501は、磁束固定ループの制御を行うものであり、前記タンク回路84-1にその共振周波数信号Ir1(例えば20MHzの正弦波)を供給するrf発振器17rと、前記タンク回路84-1の端子信号をrf検波するrf検波回路19rと、そのrf検波回路19rのrf検波信号を増幅する増幅回路18rと、その増幅回路18rの出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S1を出力する同期検波回路51(乗算器52およびローパスフィルタ53からなる)と、第1周波数F1の同期検波用信号(例えば140kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第1周波数発振回路10と、前記磁場測定信号S1と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-1に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-2は、1つのジョセフソン接合を有するrf-SQUIDタイプのSQUIDリング81r2と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81r2に加える検出コイル82-2と、前記SQUIDリング81r2にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-2と、タンク回路(例えば共振周波数21MHz)84-2とを具備して構成されている。また、第2信号処理回路601は、前記タンク回路84-2にその共振周波数信号Ir2(例えば21MHzの正弦波)を供給するrf発振器27rと、前記タンク回路84-2の端子信号をrf検波するrf検波回路29rと、そのrf検波回路29rのrf検波信号を増幅する増幅回路28rと、その増幅回路28rの出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S2を出力する同期検波回路61(乗算器62およびローパスフィルタ63からなる)と、第2周波数F2の同期検波用信号(例えば230kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第2周波数発振回路20と、前記磁場測定信号S2と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-2に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-3は、1つのジョセフソン接合を有するrf-SQUIDタイプのSQUIDリング81r3と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81r3に加える検出コイル82-3と、前記SQUIDリング81r3にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-3と、タンク回路(例えば共振周波数22MHz)84-3とを具備して構成されている。また、第3信号処理回路701は、前記タンク回路84-3にその共振周波数信号Ir3(例えば22MHzの正弦波)を供給するrf発振器37rと、前記タンク回路84-3の端子信号をrf検波するrf検波回路39rと、そのrf検波回路39rのrf検波信号を増幅する増幅回路38rと、その増幅回路38rの出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S3を出力する同期検波回路71(乗算器72およびローパスフィルタ73からなる)と、第3周波数F3の同期検波用信号(例えば320kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第3周波数発振回路30と、前記磁場測定信号S3と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-3に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。図11は、前記SQUID部80-1,80-2,80-3および前記信号処理回路501,601,701の第3従来例(dc-SQUID/ACバイアス方式)を示す構成図である。SQUID部80-1は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-1と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-1に加える検出コイル82-1と、前記SQUIDリング81-1にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-1とを具備して構成されている。第1信号処理回路501は、磁束固定ループの制御を行うものであり、SQUIDリング81-1に交流バイアス電流(例えば70kHzで振幅が+β,0,-βの凸状波)Ia1を供給するACバイアス回路17aと、前記SQUIDリング81-1の端子間信号を増幅する増幅回路18と、その増幅回路18の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S1を出力する同期検波回路51(乗算器52およびローパスフィルタ53からなる)と、第1周波数F1の同期検波用信号(例えば140kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第1周波数発振回路10と、前記交流バイアス電流を前記第1周波数F1の1/2の周波数で且つ前記同期検波用信号に同期した信号にするための分周回路119と、前記磁場測定信号S1と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-1に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-2は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-2と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-2に加える検出コイル82-2と、前記SQUIDリング81-2にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-2とを具備して構成されている。また、第2信号処理回路601は、SQUIDリング81-2に交流バイアス電流(例えば115kHzで振幅が+β,0,-βの凸状波)Ia2を供給するACバイアス回路27aと、前記SQUIDリング81-2の端子間信号を増幅する増幅回路28と、その増幅回路28の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S2を出力する同期検波回路61(乗算器62およびローパスフィルタ63からなる)と、第2周波数F2の同期検波用信号(例えば230kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第2周波数発振回路20と、前記交流バイアス電流を前記第2周波数F2の1/2の周波数で且つ前記同期検波用信号に同期した信号にするための分周回路129と、前記磁場測定信号S2と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-2に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。同様に、SQUID部80-3は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-3と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-3に加える検出コイル82-3と、前記SQUIDリング81-3にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-3とを具備して構成されている。また、第3信号処理回路701は、SQUIDリング81-3に交流バイアス電流(例えば160kHzで振幅が+β,0,-βの凸状波)Ia3を供給するACバイアス回路37aと、前記SQUIDリング81-3の端子間信号を増幅する増幅回路38と、その増幅回路38の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S3を出力する同期検波回路71(乗算器72およびローパスフィルタ73からなる)と、第3周波数F3の同期検波用信号(例えば320kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を出力する第3周波数発振回路30と、前記交流バイアス電流を前記第3周波数F3の1/2の周波数で且つ前記同期検波用信号に同期した信号にするための分周回路139と、前記磁場測定信号S3と前記同期検波用信号を加算して前記フィードバック用コイル83-3に与える抵抗器Rs,Rfとを具備して構成されている。図12は、前記SQUID部80-1,80-2,80-3および前記信号処理回路501,601,701の第4従来例(dc-SQUID/同期バイアス方式)を示す構成図である。SQUID部80-1は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-1と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-1に加える検出コイル82-1と、前記SQUIDリング81-1にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-1とを具備して構成されている。第1信号処理回路501は、磁束固定ループの制御を行うものであり、SQUIDリング81-1のバイアス端子および同期検波回路51sに第1周波数F1の同期検波用信号(例えば140kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を供給する第1周波数発振回路10と、前記SQUIDリング81-1の端子間信号を増幅する増幅回路18と、その増幅回路18の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S1を出力する同期検波回路51s(乗算器52,オフセット加算器54およびローパスフィルタ53からなる)と、前記磁場測定信号S1を前記フィードバック用コイル83-1に与える抵抗器Rfとを具備して構成されている。なお、Is1は、同期バイアス電流である。また、Of1は、オフセット信号である。同様に、SQUID部80-2は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-2と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-2に加える検出コイル82-2と、前記SQUIDリング81-2にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-2とを具備して構成されている。また、第2信号処理回路601は、SQUIDリング81-2のバイアス端子および同期検波回路61sに第2周波数F2の同期検波用信号(例えば230kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を供給する第2周波数発振回路20と、前記SQUIDリング81-2の端子間信号を増幅する増幅回路28と、その増幅回路28の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S2を出力する同期検波回路61s(乗算器62,オフセット加算器64およびローパスフィルタ63からなる)と、前記磁場測定信号S2を前記フィードバック用コイル83-2に与える抵抗器Rfとを具備して構成されている。なお、Is2は、同期バイアス電流である。また、Of2は、オフセット信号である。同様に、SQUID部80-3は、2つのジョセフソン接合を有するdc-SQUIDタイプのSQUIDリング81-3と、測定対象の外部磁界を検出しそれに比例した磁束を前記SQUIDリング81-3に加える検出コイル82-3と、前記SQUIDリング81-3にフィードバック磁束を加えるフィードバック用コイル83-3とを具備して構成されている。また、第3信号処理回路701は、SQUIDリング81-3のバイアス端子および同期検波回路71sに第3周波数F3の同期検波用信号(例えば320kHzで振幅が+αと-αの矩形波)を供給する第3周波数発振回路30と、前記SQUIDリング81-3の端子間信号を増幅する増幅回路38と、その増幅回路38の出力信号を同期検波して同期検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号S3を出力する同期検波回路71s(乗算器72,オフセット加算器74およびローパスフィルタ73からなる)と、前記磁場測定信号S3を前記フィードバック用コイル83-3に与える抵抗器Rfとを具備して構成されている。なお、Is3は、同期バイアス電流である。また、Of3は、オフセット信号である。関連する他の従来技術は、「物性測定の進歩II-SQUID,SOR,電子分光-,小林俊一編,丸善株式会社」、「A NOVEL MODULATION TECHNIQUE FOR 1/f NOISE REDUCTION IN dc SQUIDs, IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS, VOL.MAG-23,NO2, MARCH 1987」、米国特許第4,389,612号公報などに記載されている。
産業上の利用分野 本発明は、SQUID(Superconducting QUantum Interference Device; 超伝導量子干渉デバイス)を用いて磁気を測定する磁気測定装置に関する。さらに詳しくは、無人島や浮標などの回収しにくい測定点に多数を設置して地磁気などの遠隔計測を行った後、当該測定点に遺棄したときの経済的損失を抑制し、計測コストを低減できるようにした磁気測定装置に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】磁気を検出するSQUID部と、前記SQUID部が出力する検出信号から検波用周波数成分を抽出し磁場測定信号を出力するタンク回路と、前記タンク回路で抽出した磁場測定信号を電波信号に変換して送信する送信機とを具備したことを特徴とする磁気測定装置。
【請求項2】SQUID部からの検出信号の取出端子側に接続され且つ検波用周波数に共振する第1のタンク回路と、前記検波用周波数に共振し且つ前記第1のタンク回路と結合した第2のタンク回路と、前記第2のタンク回路に現れた端子信号を増幅するアンプと、前記アンプの出力信号を検波して磁気強度に応じた変化成分を取り出す検波用ダイオードと、前記検波用ダイオードで取り出した変化成分を電波信号に変換して送信する送信機とを具備したことを特徴とする磁気測定装置。
産業区分
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
出願権利状態 権利存続中
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