高温超伝導磁気センサを用いた電子回路内の高周波電流測定システムの開発

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650430
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 円福 敬二 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 助教授 (20150493)
• 研究分担者: 吉田 啓二 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 教授 (80108670) ; 木須 隆暢 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 助教授 (00221911)
• キーワード: 超伝導磁気センサ / 高温超伝導 / ジョセフソン接合 / バイクリスタル接合 / 高周波磁界 / 電流プローブ / ジョセフソン侵入長 / 臨界電流

研究概要

本研究では高温超伝導磁気センサを用いた高周波磁界測定システムを開発し、電子回路内の電流分布の計測に応用することを目的としている。本年度は磁気センサとして用いるジョセフソン接合アレイの高性能化を行った。本センサはジョセフソン接合の電流-電圧特性が印加磁界に対して変化することを利用して、磁界を信号電圧に変換する。この際、接合の特性は接合幅wとジョセフソン侵入長λ_Jの比により変化する。このため両者の比w/λ_Jが接合特性に及ぼす影響をシミュレーションと実験により明らかにし、センサの磁界-電圧変換効率dV/dBを最適化するためには接合幅wを侵入長λ_Jの5倍程度にする必要があることを示した。また、バイクリスタル形ジョセフソン接合に特有な磁界収束効果を考慮し、接合幅wと変換効率dV/dBの関係を定量的に明らかにした。さらに、変換効率の温度依存性を実験的に明らかにし、センサの動作温度を77Kから60Kに下げることにより、変換効率を4倍程度改善出来ることを示した。これらの結果により変換効率を最適化するための設計指針が確立された。また本磁気センサの雑音特性を測定し、理論的予想に対して数倍高いものの10pT/Hz^<1/2>という高い性能を得た。理論との違いの原因は現在のところ測定系の雑音に起因しており、測定システムを改善することにより更なる高性能化が期待できる。これらの結果から、本センサの性能を従来の誘導コイルと比較し、数GHzの広帯域で本センサの高感度動作が期待されることを示した。なお、本センサを用いて数100MHzの高周波磁界を測定しているが、現時点では測定系の問題のためこれ以上の高周波測定が出来ていない。今後、測定系を改良することにより数GHzの高周波磁界の測定は可能であると思われる。

研究成果

• [文献書誌] K.Enpuku et al.: "Properties of a flux dam inserted in the pickup coil of a high T_c superconducting quantum interference device magnetometer"Japanese Journal of Applied Physics. 40(6A). 4013-4018 (2001)
• [文献書誌] K.Enpuku et al.: "A four-junction switch for controlling the opening and closing of a pickup coil in high T_c superconducting quantum interference device magnetometer"Japanese Journal of Applied Physic. 40(8B). L869-L871 (2001)
• [文献書誌] 泥谷信太郎 他: "幅広のバイクリスタル接合を用いた磁気センサの開発"電子情報通信学会技術報告. SCE2001(32). 49-54 (2001)
• [文献書誌] K.Enpuku et al.: "Josephson Junction array for high-frequency current probe"Physica C. 367. 256-259 (2002)
• [文献書誌] K.Enpuku et al.: "Thermally-activated flux entry into a pickup coil through a flux dam in high Tc SQUID magnetometer"IEICE Trans. Electron. (in press). (2002)