高感度性と広ダイナミックレンジを有する 超伝導ディジタル磁気センシングシステム

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1 高感度性と広ダイナミックレンジを有する 超伝導ディジタル磁気センシングシステム
2013/02/13　 Bグループ 修士論文審査会　　 高感度性と広ダイナミックレンジを有する 超伝導ディジタル磁気センシングシステム M2 津賀 優斗 山梨研究室

2 研究背景：微小磁場計測 医療 非破壊検査 不純物検出 地質調査 超伝導磁場検出* 生体磁場計測 脳磁計（MEG） 材料の欠陥検出
金属混入検査 地質調査 資源探査 超伝導磁場検出* 脳磁計（MEG） * M.Shimogawara et al., Yokogawa Technical Report English Edition, No38, p.23-27, (2004)

3 研究背景：磁気センサの比較 Analog SQUID Digital SQUID × 分解能 Φ0 〇 分解能 10-4 Φ0
〇 高スルーレート 〇 広ダイナミックレンジ 〇 多チャネル化しやすい 〇 分解能 10-4 Φ0 × 室温側に駆動回路が必要 × 多チャネル化に向かない 磁束量子 Φ0　= 2.07×10-15　Wb

4 研究目的 有用なディジタルSQUID磁気センサシステムの構築 目標 0.1 105 109 外 *Ilmenau工科大 1 制限なし 107
磁束 分解能 （Φ0） ダイナミック レンジ スルー レート（Φ0/s） 磁気 シールド 動作 目標 0.1 105 109 外 *Ilmenau工科大 1 制限なし 107 内 同期式 横国大1 1011 非同期式 横国大2 0.35 10 5×1010 * I. Haverkamp et al., IEEE Tran. Appl. Supercond., vol. 21, pp , (2011)

5 非同期式ディジタルSQUID 相補出力 (outp, outn) 入力磁束がΦ0変化するごとにSFQパルスを出力 磁束分解能
Φex 磁束分解能 22 Φ0 22 ＝ Φ0 Φex 22 Φ0 22 outn ダイナミックレンジ 22 outp 原理的に制限なし

6 フィードバックによる高感度化 フィードバックなし フィードバックあり outn Φex outp outn Φex outp Φ Φfb Φ
SQUID 磁束保持 3 3 <Φ0 2 2 Φex/Φ0 Φ0 Φex/Φ0 <Φ0 1 1 1 1 Φ/Φ0 Φ/Φ0 Φ0 Φ0 Φfb outp outp 1 2 1 2 time (ns) time (ns)

7 高感度ディジタルSQUID 磁束分解能 ダイナミックレンジ フィードバックループに 保持できる磁束量 Φfb Φex Φ outp outn
磁束保持 フィードバックなし フィードバックあり 16 Φ0 Φex 磁束分解能 16 20 outn 16 Φ0 20 ＝ 0.8 Φ0 16 20 outp ダイナミックレンジ フィードバックループに 保持できる磁束量

8 広ダイナミックレンジシステム ディジタルSQUIDを2ペア用いる. “高感度モード” 、 “リセットモード” を自動で切り替える. Φex
outp1 outp2 Φex Φex outp1 outp2 High sensitive mode Reset mode High sensitive mode Reset mode output Time

9 広ダイナミックレンジシステムの測定結果 ディジタルSQUIDを2ペア用いる. “高感度モード” 、 “リセットモード” を自動で切り替える.
outp1 Φex outp2 Φex 72 Φ0 Φex 高感度 リセット 高感度 outp1 outp2 リセット 高感度 リセット

10 出力による入力波形の再構築 磁束分解能 ダイナミックレンジ 原理的に制限なし 高感度性と広ダイナミックレンジを 同時に実現 36 Φ0
Time (s) 5 10 15 25 20 30 36 Φ0 61 ＝ 0.59 Φ0 ダイナミックレンジ 原理的に制限なし 高感度性と広ダイナミックレンジを 同時に実現

11 研究目的 有用なディジタルSQUID磁気センサシステムの構築 目標 0.1 105 109 外 *Ilmenau工科大 1 制限なし 107
磁束 分解能 （Φ0） ダイナミック レンジ スルー レート（Φ0/s） 磁気 シールド 動作 目標 0.1 105 109 外 *Ilmenau工科大 1 制限なし 107 内 同期式 横国大1 1011 非同期式 横国大2 0.35 10 5×1010 横国大3 0.59 1010 * I. Haverkamp et al., IEEE Tran. Appl. Supercond., vol. 21, pp , (2011)

12 SFQ回路の測定環境 微小な磁束Φ0を情報の担体としているため、 磁場に弱い SFQ回路 磁気シールド環境下で動作させる 低温測定用プローブ
データジェネレータ 減衰器 磁気シールド DC電源 LabVIEW PXI ファンクション ジェネレータ 液体He缶

13 SFQ回路のレイアウト構造 最上部のNb層は使用していない アンダーグランド構造（U/ GND）
Wallを形成しバイアス電流による 磁束をシールド ISTEC Nb STP Nb 4層構造 回路 Wall Wall JJ R GND Bias line Si substrate Bias line Nb SiO2 AlOx Mo

14 磁場耐性を持つレイアウト構造 最上部のNb層で覆う オーバー・アンダーグランド構造（O/U GND）
Wallを形成しバイアス電流による 磁束をシールド ISTEC Nb STP Nb 4層構造 GND 回路 Wall Wall JJ R GND Bias line Si substrate Bias line Nb SiO2 AlOx Mo

15 レイアウト比較 U/ GND O/U GND 40 µm JJ 40 µm 40 µm

16 磁場耐性テスト回路 平均電圧法によるT-FFの測定 平均電圧法によるT-FFの測定 out1 in in out1 out2 out2
F/2 [Hz] out1 F [Hz] out2 out2 F/2 [Hz] out1、out2交互に出力される 出力周波数は入力周波数の半分

17 磁場耐性テスト回路 平均電圧法によるT-FFの測定 V = F・Φ0 ジョセフソン伝送路（JTL） SFQパルス F [Hz] F [Hz]
JJ V = F・Φ0 ジョセフソン接合（JJ）の電圧を測定 周波数に比例した電圧が得られる。

18 磁場耐性テスト回路 平均電圧法によるT-FFの測定 Vin = 2Vout1 = 2Vout2 Vout1 input Vin Vout2
320 µm Vin = 2Vout1 = 2Vout2

19 磁場耐性レイアウト構造のテスト内容 動作マージンと最高動作周波数を測定 磁気シールド内 T-FFセルの動作テスト
電流（IMAG）を流すことで磁場を印加 磁気シールド外 IMAG U/ GND O/U GND T-FF 150 µm

20 T-FFセルの動作テスト Vin(10 mV/div.)、 Vout1,2(5 mV/div.)
Vin = 2Vout1 = 2Vout2 を満たせば重なる。 磁場印加電流（IMAG）を流すことによって 回路動作が変化 input 磁場（IMAG）印加 Vin Vout1 Vout2

21 動作マージンの磁場印加電流依存性 0 %が設計バイアスマージン 100 GHz動作 地磁気（45 µT） O/U GND U/ GND

22 T-FFの最大動作周波数 inputを大きくする Vin = 2Vout1 = 2Vout2 が成立しなくなる電圧 Vmax
Vmax = Fmax・Φ0 input Vin (10 mV/div.) Vout1、Vout2 (5 mV/div.) Vin Vout1 Vmax Vout2

23 最大動作速度の磁場印加電流依存性 地磁気（45 µT） O/U GND U/ GND

24 超伝導回路の測定環境 微小な磁束Φ0を情報の担体としているため、 磁場に弱い 磁気シールド環境下で動作させる 低温測定用プローブ
微小な磁束Φ0を情報の担体としているため、 磁場に弱い 磁気シールド環境下で動作させる 低温測定用プローブ データジェネレータ 減衰器 磁気シールド DC電源 LabVIEW PXI ファンクション ジェネレータ 液体He缶

25 磁気シールド外での回路測定　U/ GND U/ GND 磁気シールド内 磁気シールド外 input Vin Vout1 Vout2

26 磁気シールド外での回路測定 O/U GND 磁気シールド内 磁気シールド外 O/U GND Vmax input Vin Vout1

27 磁気シールド外での動作マージン 地磁気環境下で 動作可能な SFQ回路 U/ GND 誤動作 動作マージン 変化なし 動作周波数 変化なし
動作マージン　変化なし 動作周波数 　変化なし O/U GND 正常動作 地磁気環境下で 動作可能な SFQ回路 磁気シールド内 磁気シールド外 磁気シールド内 磁気シールド外 U/ GND O/U GND

28 まとめ 地磁気環境下で動作可能な 高感度ディジタルSQUID磁気センシングシステム
磁場耐性を持つ レイアウト構造 磁束分解能：　0.59 Φ0 ダイナミックレンジ： 原理的に制限なし スルーレート：　1010 Φ0/s 平均電圧法によるT-FFの 測定 磁気シールド外での 正常動作確認 地磁気環境下で動作可能な 高感度ディジタルSQUID磁気センシングシステム

29 本研究に関する発表 論文 （1件） [1] Y. Tsuga, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Asynchronous Digital SQUID Magnetometer with an On-Chip Magnetic Feedback for Improvement of Magnetic Resolution,” IEEE Trans. Appl. Supercond., to be published. 国際会議 （3件） [1] Y. Tsuga, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Development of an Asynchronous Digital SQUID Magnetometer,” 6th East Asia Symposium on Superconductor Electronics, Yonezawa, Japan, Oct [2] Y. Tsuga, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Asynchronous Digital SQUID Magnetometer with an On-Chip Magnetic Feedback for Improvement of Magnetic Resolution,” Applied Superconductivity Conference (ASC) 2012, Portland, Oct [3] Y. Tsuga, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Wide Dynamic Range High-Sensitive Digital SQUID,” Superconductive Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV) 2012, Nagoya, Japan, Dec 国内研究会議（4件） [1] 津賀優斗, 青木一希, 山梨裕希, 吉川信行, “非同期式ディジタルSQUID磁気センサの動作検証と評価” 応用物理学会関係連合講演会, 山形大学, 2011年9月. [2] 津賀優斗, 山梨裕希, “超伝導ディジタルSQUID磁気センシングシステムの構築” 第7回ナノテクシンポジウム, 横浜国立大学, 2012年3月. [3] 津賀優斗, 山梨裕希, 吉川信行, “高感度ディジタルSQUID磁気センサのダイナミックレンジの改善” 応用物理学会関係連合講演会, 早稲田大学, 2012年3月. [4] 津賀優斗, 山梨裕希, 吉川信行, “磁束フィードバックを用いた高感度ディジタルSQUIDにおける広ダイナミックレンジシステムの検討” 電子情報通信学会超伝導エレクトロニクス研究会, 東京, 2012年7月.

30

31 平均電圧測定結果 input電流増加によりJJがスイッチすると電圧が 発生する。 260 µV 130 µV input Vin Vout1

32 同期式ディジタルSQUID磁気センサ 同期式 正負クロックを生成する必要がある. タイミング設計により回路が複雑化する.
クロック周期によりスルーレートが制限される. T. Reich et al. IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.15, pp , (2005)

33 チップ写真 switch signal Number of JJ : 645 Total bias : 82 mA

34 磁束フィードバック量の増加 出力1つに対してフィードバックループに 入力するパルス量を2つに増やす。 磁束フィードバック量の増加

35 広ダイナミックレンジシステム測定結果 Iex outp1 outn1 outp2 outn2 switch signal a.u.
200 ms/div.

36 インダクタンスの減少 インダクタンス 約0.6倍 測定値とLmeter値の誤差 w/o CTL → 4.4 %
インダクタンス　約0.6倍 測定値とLmeter値の誤差 w/o CTL → 4.4 % w/o CTL → 8.4 %

37 O/U GND構造 T-FFセルのビットエラーレート

38 T-FFセルの動作テスト：観測波形 clk O/U GND T-FF out1 out2 10 20 30 40 50 Time (ms)
10 20 30 40 50 Time (ms) Voltage (10 mV/div.) clk out1 out2 O/U GND T-FF out1 out2

39 設計したT-FFセル U/ GND O/U GND

40 入力振幅増加時の再構築波形と誤差 input signal reconstructed signal 入力磁束増加に対する誤差 %

41 再構築波形と誤差：w/ feedback w/ feedback
Error = (normalized re-signal) (input signal) normalization Input signal re-signal Φ0 0.8 Φ0 0.8 Φ0 量子化誤差 ヒステリシス

42 再構築波形と誤差：w/o feedback
Error = (re-signal) - (input signal) 量子化誤差 ヒステリシス Ibを調節することで減らすことができる. Φ0 良好な線形性

43 再構築波形と誤差：広ダイナミックレンジシステム
Error = (normalized re-signal) (input signal) 量子化誤差 ヒステリシス スイッチによる誤差 0.8 Φ0 = (maximum) 35 Φ0 入力磁束増加に対する 最大誤差 % 0.8 Φ0

44 再構築波形と誤差：広ダイナミックレンジシステム
量子化誤差 ヒステリシス スイッチによる誤差 0.8 Φ0 = (maximum) 23 Φ0 入力磁束増加に対する 最大誤差 % 高感度性と広ダイナミックレンジを 同時に実現

45 出力による入力波形の再構築 磁束分解能 ダイナミックレンジ 原理的に制限なし 高感度性と広ダイナミックレンジを 同時に実現 36 Φ0
61 ＝ 0.59 Φ0 ダイナミックレンジ 原理的に制限なし 高感度性と広ダイナミックレンジを 同時に実現

46 ダイナミックレンジ w/o feedback → 3000 Φ0 フィードバックループに 保持できる磁束量
w/ feedback → 35 Φ0 フィードバックループに 保持できる磁束量 高感度時のダイナミックレンジの改善が必須

47 入力波形のリアルタイム再構築

48 モード切り替えによる誤差 wide dynamic range sys. switch outp1 outp2 output 0.8 Φ0
time

49 磁場応答のヒステリシス 印加磁束の増減が変わる際に生じる. SQUIDのJJのバイアス量 Ib によって調節できる. Ibが小さい時
Time Amp. re-signal Input signal Φ0 Ibが小さい時 ヒステリシス　大 Ib調節時 ヒステリシス　小

50 磁場応答のヒステリシス 出力磁束 Φ0 入力磁束

51 広ダイナミックレンジシステム A A B A B B

52 磁束フィードバック量の増加

53 Previous Measurement Result
55 55 66 66 66 66

54 広ダイナミックレンジシステム

55 Wide Dynamic Range System
Φex Sensitive mode Reset mode Reset mode Sensitive mode