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 20130213 B グループ 修士論文審査会 研究背景微小磁場計測 医療 ID: 653072
Download Presentation The PPT/PDF document "高感度性と広ダイナミックレ..." is the property of its rightful owner. Permission is granted to download and print the materials on this web site for personal, non-commercial use only, and to display it on your personal computer provided you do not modify the materials and that you retain all copyright notices contained in the materials. By downloading content from our website, you accept the terms of this agreement.
Slide1
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
2013/02/13
B
グループ 修士論文審査会 Slide2
研究背景：微小磁場計測
医療生体磁場計測非破壊検査材料の欠陥検出
不純物検出
金属混入検査
地質調査資源探査
脳磁計（
MEG）
超伝導磁場検出
*
*
M.Shimogawara
et al.,
Yokogawa Technical Report English Edition
, No38, p.23-27, (2004)Slide3
研究背景：磁気センサの比較
Digital SQUID
Analog SQUID
×
分解能 Φ
0〇
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
Φ
0
×
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
Φ
0
= 2.07×10
-15
WbSlide4
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
磁束
分解能
（
Φ
0
）
ダイナミック
レンジ
（
Φ
0
）
スルー
レート
（
Φ
0
/s
）
磁気
シールド動作目標0.1105109外*Ilmenau工科大1制限なし107内同期式横国大11制限なし1011内非同期式横国大20.35105×1010内非同期式
* I.
Haverkamp
et al.,
IEEE Tran. Appl.
Supercond
.,
vol. 21, pp. 705-708, (2011)Slide5
非同期式ディジタルSQUID
相補出力 (outp, outn)
入力磁束が
Φ
0変化するごとにSFQパルスを出力
Φ
ex
out
n
out
p
22
22 Φ
0
22
out
p
out
n
Φ
ex
原理的に制限なし
ダイナミックレンジ22 Φ022＝ Φ0磁束分解能Slide6
フィードバックによる高感度化
<Φ
0
<
Φ
0
Φ
0
Φ
0
Φ
ex
Φ
ex
/Φ
0
1
2
3
0
Φ
Φ/Φ0outpΦfbΦexΦoutnΦfbΦ0outpoutn10outpΦex/Φ0 1230Φ/Φ010outp
フィードバックなし
フィードバックあり
磁束保持
time
(ns)
1
0
2
time
(ns)
1
0
2
SQUIDSlide7
高感度ディジタルSQUID
フィードバックループに
保持できる磁束量
ダイナミックレンジ
Φ
fb
Φ
ex
Φ
outp
outn
磁束保持
Φ
ex
out
n
out
p
フィードバックなし
フィードバックあり
16
16 Φ
020201616 Φ020＝ 0.8 Φ0磁束分解能Slide8
High sensitive
mode
広ダイナミックレンジシステム
Reset
mode
High sensitive
mode
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
.
outp1outp2outp1outp2
output
Time
Reset
mode
Φ
ex
Φ
ex
Φ
exSlide9
広ダイナミックレンジシステムの測定結果
高感度高感度リセット
リセット
高感度
リセット
outp1
outp2
Φ
ex
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.outp1outp2ΦexΦex72 Φ0Slide10
出力による入力波形の再構築
高感度性と広ダイナミックレンジを同時に実現
原理的に制限なし
ダイナミックレンジ
36 Φ
0
61
＝
0.59
Φ
0
磁束分解能
Time (s)
0
5
10
15
2
5
20
30Slide11
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
磁束
分解能
（
Φ
0
）
ダイナミック
レンジ
（
Φ
0
）
スルー
レート
（
Φ
0
/s
）
磁気
シールド動作目標0.1105109外*Ilmenau工科大1制限なし107内同期式横国大11制限なし1011内非同期式横国大20.35105×1010内非同期式
横国大
3
0.59
制限なし
10
10
内
非同期式
* I.
Haverkamp
et al.,
IEEE Tran. Appl.
Supercond
.,
vol. 21, pp. 705-708, (2011)Slide12
SFQ
回路の測定環境
微小な磁束
Φ
0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
磁気シールド
液体
He
缶
減衰器
低温測定用プローブ
DC
電源
ファンクション
ジェネレータ
データジェネレータ
LabVIEW
PXI
SFQ
回路Slide13
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
JJ
GND
Si
s
ubstrate
R
Bias line
Nb
SiO
2
AlO
x
Mo
Nb
4
層構造
ISTEC Nb STPBias lineWallWall回路Slide14
磁場耐性を持つレイアウト構造
JJ
GND
Si
s
ubstrate
R
Bias line
Nb
SiO
2
AlO
x
Mo
Nb
4
層構造
ISTEC
Nb
STP
Bias line
WallWall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 磁束をシールド回路GNDSlide15
レイアウト比較
JJ
U
/ GND
O
/U GND
40
µm
40
µm
40
µmSlide16
磁場耐性テスト回路
平均電圧法によるT-FFの測定
in
out1
out2
F
[Hz]
in
out1
out2
F/2
[Hz]
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
平均電圧法による
T-FF
の測定Slide17
磁場耐性テスト回路
Φ0
SFQ
パルス
JJ
V
V
= F
・
Φ
0
ジョセフソン伝送路
（
JTL
）
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。
平均電圧法
による
T-FF
の測定F [Hz]F [Hz]Slide18
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
input
V
in
V
out1
V
out2
T-FF
320
µmSlide19
磁場耐性レイアウト構造のテスト内容
磁気シールド内T-FFセルの動作テスト電流（I
MAG
）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
動作マージンと最高動作周波数を測定Slide20
T-FFセルの動作テスト
V
in
(10 mV/div.)
、 Vout1,2(5 mV/div.) V
in = 2V
out1 = 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
磁場（
I
MAG
）印加
input
V
in
V
out1
V
out2Slide21
動作マージンの磁場印加電流依存性
地磁気（
45 µT
）
U/ GND
O
/U GND0 %
が設計バイアスマージン100 GHz
動作Slide22
T-FFの最大動作周波数
inputを大きくするV
in
= 2V
out1 = 2Vout2 が成立しなくなる電圧 Vmax
V
max = Fmax
・Φ0
V
in
(10 mV/div.)
V
out1
、
V
out2
(5 mV/div.)
V
max
input
V
inVout1Vout2Slide23
最大動作速度の磁場印加電流依存性
地磁気（45 µT
）
U/ GND
O
/U GNDSlide24
超伝導回路の測定環境
微小な磁束
Φ
0
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
磁気シールド
液体
He
缶
減衰器
低温測定用プローブ
DC
電源
ファンクション
ジェネレータ
データジェネレータ
LabVIEW
PXISlide25
磁気シールド外での回路測定 U/ GND
磁気シールド内
磁気シールド外
U/ GND
input
V
in
V
out1
V
out2Slide26
磁気シールド外での回路測定 O/U GND
O/U GND
磁気シールド内
磁気シールド外
V
max
input
V
in
V
out1
V
out2Slide27
磁気シールド外での動作マージン
動作マージン 変化なし
動作周波数
変化なしU/ GND
O
/U GND正常動作
誤動作
地磁気環境下で
動作可能な
SFQ
回路
磁気シールド内
U/ GND
O
/U GND
磁気シールド内
磁気シールド外
磁気シールド外Slide28
まとめ
高感度性・
広ダイナミックレンジを
有する
ディジタル
SQUID
磁場耐性を持つ
レイアウト構造
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
磁束分解能：
0.59 Φ
0
ダイナミックレンジ：
原理的に制限なし
スルーレート：
10
10
Φ
0
/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Slide29
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. 2011.[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. 2012.
[3]
Y.
Tsuga
, Y. Yamanashi, N. Yoshikawa, “Wide Dynamic Range High-Sensitive Digital SQUID,”
Superconductive Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV) 2012
, Nagoya, Japan, Dec. 2012.
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. Slide30Slide31
平均電圧測定結果
input
V
in
Vout1
V
out2
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
µ
V
130
µVSlide32
同期式ディジタルSQUID磁気センサ
T. Reich et al. IEEE Trans. Appl.
Supercond
., vol.15, pp.304-307,
(2005)
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.
同期式
正負クロックSlide33
チップ写真
Number of JJ : 645Total bias : 82 mA
switch
signalSlide34
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Slide35
広ダイナミックレンジシステム測定結果
Iexoutp1
outn1
outp2
outn2
switch
signal
200 ms/div.
a.u
.Slide36
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 % w/o CTL → 8.4
%Slide37
O/U GND構造 T-FFセルのビットエラーレートSlide38
T-FFセルの動作テスト：観測波形
0
10
20
3
0
4
0
50
Time (ms)
Voltage (10 mV/div.)
c
lk
out1
out2
O/U
GND
T-FF
clk
out1
out2Slide39
設計したT-FFセル
U/ GND
O/U GNDSlide40
入力振幅増加時の再構築波形と誤差入力磁束増加に対する誤差
0.64 %input signal
reconstructed signalSlide41
再構築波形と誤差：
w/ feedbackw/ feedback
Error = (normalized re-signal)
- (input signal)
Φ
0
0.8
Φ
0
normalization
Input
signal
re-signal
量子化誤差
ヒステリシス
0.8 Φ
0Slide42
再構築波形と誤差：
w/o feedback
量子化誤差
ヒステリシス
w/o feedback
Error = (re-signal) - (input signal)
Φ
0
良好な線形性
I
b
を調節することで減らすことができる
.Slide43
再構築波形と誤差：広ダイナミックレンジシステム
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
Error = (normalized re-signal)
- (input signal)
0.8 Φ
0
35 Φ
0
0.8 Φ
0
= 0.0229 (maximum)
入力磁束増加に対する
最大誤差
2.29 %Slide44
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
23 Φ
00.8 Φ0
= 0.0348 (maximum)
入力磁束増加に対する
最大誤差
3.48 %
高感度性と広ダイナミックレンジを
同時に実現Slide45
出力による入力波形の再構築
高感度性と広ダイナミックレンジを同時に実現
原理的に制限なし
ダイナミックレンジ
36 Φ
0
61
＝
0.59
Φ
0
磁束分解能Slide46
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
w
/o feedback
→ 3000 Φ0
w/ feedback →
35 Φ0
高感度時のダイナミックレンジの改善が必須Slide47
入力波形のリアルタイム再構築Slide48
モード切り替えによる誤差
outp2
output
time
outp1
switch
wide dynamic range sys.
0.8 Φ
0Slide49
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
I
b
によって調節できる
.
I
b
が小さい時
ヒステリシス 大
I
b
調節時
ヒステリシス 小
re-signal
Input
signalTimeAmp.Φ0Slide50
磁場応答のヒステリシス
Φ
0
入力磁束
出力磁束Slide51
広ダイナミックレンジシステム
A
B
A
B
B
ASlide52
磁束フィードバック量の増加Slide53
Previous Measurement Result
55
55
66
66
66
66Slide54
広ダイナミックレンジシステムSlide55
Wide Dynamic
Range System
Sensitive
mode
Reset
mode
Sensitive
mode
Reset
mode
Φ
ex