JP2004356573A - ビーム電流計 - Google Patents
ビーム電流計 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004356573A JP2004356573A JP2003155407A JP2003155407A JP2004356573A JP 2004356573 A JP2004356573 A JP 2004356573A JP 2003155407 A JP2003155407 A JP 2003155407A JP 2003155407 A JP2003155407 A JP 2003155407A JP 2004356573 A JP2004356573 A JP 2004356573A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic shield
- squid
- current sensor
- magnetic
- beam current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 223
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 28
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 claims abstract 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 23
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 6
- 238000007710 freezing Methods 0.000 abstract 1
- 230000008014 freezing Effects 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 31
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 20
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 20
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 11
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 235000012489 doughnuts Nutrition 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/24—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the tube and not otherwise provided for
- H01J37/243—Beam current control or regulation circuits
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
【課題】超伝導体の冷却機構を簡素化するとともに、コストの大幅な削減を可能とする。測定作業の簡素化を図るとともに、測定時間の短縮化を図る。
【解決手段】真空容器内に、上記真空容器内に入射されたビームが内径側を通過するようにして外径側にブリッジ部が形成された筒状の超伝導体のビーム電流センサーを配設し、上記ビーム電流センサーの上記ブリッジ部にＳＱＵＩＤを配設し、上記ビーム電流センサーとの間に上記ＳＱＵＩＤを位置させるようにして上記ビーム電流センサーの外径側を囲うように筒状の超伝導体の磁気シールドを配設し、 上記ビーム電流センサーの内径側にビームを通過させ上記ビームのビーム電流を計測するビーム電流計において、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いる。
【選択図】 図７
【解決手段】真空容器内に、上記真空容器内に入射されたビームが内径側を通過するようにして外径側にブリッジ部が形成された筒状の超伝導体のビーム電流センサーを配設し、上記ビーム電流センサーの上記ブリッジ部にＳＱＵＩＤを配設し、上記ビーム電流センサーとの間に上記ＳＱＵＩＤを位置させるようにして上記ビーム電流センサーの外径側を囲うように筒状の超伝導体の磁気シールドを配設し、 上記ビーム電流センサーの内径側にビームを通過させ上記ビームのビーム電流を計測するビーム電流計において、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いる。
【選択図】 図７
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム電流計に関し、さらに詳細には、微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定することのできるビーム電流計に関する。
【０００２】
【発明の背景ならびに従来の技術】
従来より、ビーム電流計として、例えば、磁気変調型のＤＣＣＴ（ＤＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が知られている。
【０００３】
ところが、従来の磁気変調型のＤＣＣＴでは、電流測定の下限は数μＡのオーダーであり、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することができないという問題点があった。
【０００４】
こうした問題点を解決するため、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定可能なビーム電流計として、脳や心臓が発生する磁場を測定するために用いられているＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）と液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いたビーム電流計が、ドイツのＧＳＩ（Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｆｕｒ Ｓｃｈｗｅｒｉｏｎｅｎｆｏｒｓｃｈｕｎｇ）、旧東京大学原子核研究所あるいは大阪大学核物理研究センターなどで開発されてきた。
【０００５】
【非特許文献１】
“Ａ Ｃｒｙｏｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ＤＣ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏ−ａｍｐｅｒｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”， Ｋ．Ｇｒｏｈｍａｎｎ，ｅｔ ａｌ．， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， １９７７， ｐ．３１１
【０００６】
【非特許文献２】
“ＳＱＵＩＤ” ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｅｒ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ． ＭＡＧ−２１， Ｎｏ．２， １９８５， ｐ．９９７
【０００７】
【非特許文献３】
“Ａ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎＡ ｂｅａｍｓ”， ＡＩＰ Ｃｏｎｆ． Ｐｒｏｃ． ４５１（Ｂｅａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）， １９９８， ｐ．１６３
【０００８】
【非特許文献４】
“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ＨＴＳ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｂｅａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”， Ｌ．Ｈａｏ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ａｐｐｌ． Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． （ＡＳＣ２０００）， Ｖｏｌ．１１， Ｎｏ．１， ２００１−３， ｐ．６３５
【０００９】
【非特許文献５】
“貯蔵リングにおけるビーム電流の高感度測定”， 田辺 徹美， 品田 恵， 日本物理学会誌 Ｖｏｌ．５４， Ｎｏ．１， １９９９， ｐ．３４
なお、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することのできるビーム電流計は、従来の数μＡのオーダーのビーム電流を測定するビーム電流計と比較すると、１０００倍高い感度を有することになる。具体的な磁場の比較において、地磁気が１０−５Ｔ、脳磁場は１０−１３Ｔ、１ｎＡのビームが作り出す磁場の中心から２０ｃｍの地点においては１０−１５Ｔであるので、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することのできるビーム電流計は、非常に微弱な磁場を測定しなければならないものである。
【００１０】
ここで、図１ならびに図２には、上記したＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の構造的な概略構成が示されている。即ち、図１ならびに図２は、本発明の理解に資するための機械構造的な構成のみを示すものであり、各種の電気的な接続状態や電気的導通状態ならびに温度などの検出手段については図示を省略している。なお、図１は図２のＡ−Ａ線による断面図であり、図２は図１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【００１１】
また、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００１２】
図１乃至図２において、符号１は超伝導体よりなるビーム電流センサーを示し、符号２は超伝導体よりなる磁気シールドを示し、符号３はＳＱＵＩＤを示し、符号４は冷媒タンクを示し、符号５は真空容器を示し、符号６は上フランジを示し、符号７はビームダクトを示し、符号８は架台を示し、符号９は冷媒たる液体ヘリウムを示し、符号１０は真空容器５内の真空領域を示し、符号１１は真空容器５外の大気領域を示している。
【００１３】
より詳細には、真空容器５は、上面５ａ側を上フランジ６により閉塞されるとともに、周壁面の対向する位置にビームダクト７を構成する貫通孔５ｃがそれぞれ形成されており、その底面５ｂ側が架台８上に支持されている。
【００１４】
このビーム電流計において、ビームは、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５ｃから入射し、他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようになされている。
【００１５】
そして、真空容器５内には、真空容器５内に入射されたビームが内径側を通過するようにして、円筒状のビーム電流センサー１が設置され、ビーム電流センサー１の上面側にＳＱＵＩＤ３が設置されている。また、ビーム電流センサー１との間にＳＱＵＩＤ３を位置させるようにして、ビーム電流センサー１の外径側を囲うように超伝導体よりなる円筒状の磁気シールド２が設置されている。
【００１６】
これら上記したビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２は、ドーナツ形状の冷媒タンク４内に配置されており、ドーナツ形状の冷媒タンク４の内径側の中空部位をビームが通過するようにして、上記した各構成部材が配置されている。
【００１７】
なお、冷媒タンク４内には冷媒たる液体ヘリウムが充填されており、冷媒タンク４内に配置されたビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２は液体ヘリウム温度に冷却されることになる。
【００１８】
以上の構成において、図示しない真空装置によって真空容器５内を１×１０−４Ｐａに維持し、ビーム電流計にビームを通過させる。即ち、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５ｃから入射して他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようにビームを通過させ、そのビームのビーム電流を計測する。
【００１９】
こうしたビーム電流センサー１ならびにＳＱＵＩＤ３を用いたビーム電流計の測定原理については公知の技術であるが、本願発明の理解を容易にするために、図３を参照しながら簡単に説明しておく。
【００２０】
図３には、ＳＱＵＩＤ３を取り付けたビーム電流センサー１の概略構成斜視説明図が示されている。
【００２１】
このビーム電流センサー１は、超伝導体よりなる周壁面の外径側表面に、一部の領域（ブリッジ部）のみを残して線状の絶縁体が周状（鉢巻き状）に形成されている。上記絶縁体は、ビーム電流センサー１の軸方向の中心位置に周状に配置されている。また、上記したブリッジ部には、ＳＱＵＩＤ３が配置されている。
【００２２】
こうしたビーム電流センサー１の内径側の空間をビームが通過すると、マイスナー効果によって超伝導体の表面を遮蔽電流が流れる。この遮蔽電流はブリッジ部だけを流れ、電流の通過によって方位角方向の磁場が形成されることになる。
【００２３】
ブリッジ部にはＳＱＵＩＤ３が配置されているので、電流の通過によってブリッジ部に形成された磁場を高感度に測定することができ、高感度に測定した磁場を電流値に換算することにより、ビーム電流を非破壊かつ高精度で測定することができる。
【００２４】
即ち、円筒状の超伝導体の表面にブリッジ部を形成することによって、遮蔽電流を効率よく集中させることが可能となる。
【００２５】
このようなブリッジ部上方位角方向に形成される磁場をＳＮ比良く測定するためには、ＳＱＵＩＤ３としてグラジオメーターを用いることが好ましい。
【００２６】
その理由は、図４に示すように、グラジオメーターは磁場を検出するためのインプットコイルが左右にあり、外部ノイズ磁束が左右インプットコイルに入ろうとする際に、もし外部ノイズ磁場の大きさと方向が全く同じである同相ノイズ磁場ならば、外部ノイズ磁束は完全にキャンセルされることになり、一方、ビームの通過によってブリッジ部に形成される磁場は、上記したように大きさは同じであるが向きが反対の逆相磁場なので、通常使用されるインプットコイルが１つのタイプのＳＱＵＩＤと比べると、２倍の感度で検出することができるからである。
【００２７】
ＳＱＵＩＤ３としてグラジオメーターを採用することによって、外部ノイズ磁場を大幅に低減することができ、こうした超伝導の技術を応用することによって、従来の磁気変調型のＤＣＣＴによる感度の限界を大幅に改善することができるようになった。
【００２８】
ところで、上記したビーム電流計においては、高感度化するためにＳＱＵＩＤ３を用いているが、いくら高感度のセンサーを用いても外部からの雑音に埋もれてしまっては、本当に必要とされる信号を検出することができない。そこで、上記した従来のビーム電流計においては、超伝導体よりなる磁気シールド２を配設している。
【００２９】
即ち、超伝導の特質として、超伝導材に外部から磁場がかかると、マイスナー効果によって、その磁場を打ち消すように超伝導表面に電流が流れる。この効果を応用することにより、強力な磁気シールドを実現することが可能になることが広く知られている。
【００３０】
また、高透磁率の金属を囲う従来の磁気シールドは、高周波磁場では効果的だが、低周波磁場ではその効果は激減する。超伝導体による磁気シールドの場合は、シールドの効率は周波数に依存しないという大きな利点がある。
【００３１】
ここで、磁気シールド２として、例えば、９９．９％以上の純度の高い酸化マグネシウムで作られた筒状のセラミックに、ビスマス系の超伝導材を３００ミクロンの厚さで焼成して作成することができる。なお、こうした磁気シールドの作成には、約４週間の焼成、圧縮などのプロセスが必要である。
【００３２】
上記のようにして作成した磁気シールド２の効果を測定するために、ヘルムホルツコイルを装備したステッピングモーター駆動のＸ−Ｙステージおよび磁場測定用のＳＱＵＩＤシステムを製作して測定を行った。即ち、図５に示すように、磁気シールド２に外部磁場をヘルムホルツコイルによって発生し、磁気シールド２とビーム電流センサー１との間を、ＳＱＵＩＤ３を備えた磁場プローブを駆動することによって、磁場の減衰率を測定した。
【００３３】
図６には、３．５μＴの磁場を１Ｈｚの周期で磁気シールド２に対して平行にかけ、磁場の減衰率を測定した結果を示している。ここで、磁気シールド２の位置０ｍｍが、磁気シールド２の円筒形状の中央を表している。減衰率Ｓ（ｚ）はヘルムホルツコイルによって造られた磁場をＢ０とし、磁気シールド２内の磁気プローブの位置ｚにおける磁場をＢ（ｚ）とすると、
Ｓ（ｚ）＝Ｂ（ｚ）／Ｂ０
で定義する。
【００３４】
この測定結果より、磁気シールド２に平行に磁場をかけた場合は、磁気シールド２中央においては減衰率が３×１０−４という結果を得た。
【００３５】
しかしながら、上記において示したように、液体ヘリウム温度で動作する超伝導体を用いたビーム電流計においては、冷媒として液体ヘリウムを用いるため、そのための冷却機構が複雑になってしまうとともに、冷却剤（冷媒）たる液体ヘリウム自体のコストも安価ではないため、コストが嵩むという問題点があった。
【００３６】
また、冷媒として液体ヘリウムを用いる場合には、液体ヘリウムの補給の際にＳＱＵＩＤが安定して動作するまでに数時間を必要とするため、その補給作業に手間と時間を要するという問題点があった。
【００３７】
さらに、上記した図６に示す測定結果が示す減衰率に鑑みると、上記した従来の磁気シールドでは、高感度のビーム電流測定を行うことができないという問題点があった。
【００３８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超伝導体の冷却機構を簡素化するとともに、コストの大幅な削減を可能としたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００３９】
また、本発明の目的とするところは、測定作業の簡素化を図るとともに、測定時間の短縮化を図るようにしたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００４０】
また、本発明の目的とするところは、外部磁場の遮蔽を十分に行って、外部磁場に影響されずに高感度のビーム電流測定を行うことができるようにしたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるビーム電流計は、ビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドを断熱真空容器の真空中に配置するとともに、これらビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いるようにして、断熱真空容器の内部に配置された冷凍機のコールドヘッドやコールドフィンガーなどの熱伝導手段からの熱伝導によって、ビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドを冷却するようにしたものである。
【００４２】
従って、本発明によるビーム電流計によれば、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を用いる必要がないので冷却機構が簡素化され、また、コストの大幅な削減が可能となる。
【００４３】
さらに、測定作業中に液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を補給する必要はないので測定作業が簡素化され、しかもＳＱＵＩＤを安定して連続的に動作させることができるので測定時間を短縮化することができる。
【００４４】
また、本発明によるビーム電流計の冷却手段たる冷凍機としてパルス管冷凍機を用いた場合には、そのコールドヘッド部に機械的駆動装置がないので、機械振動を低減でき、ビーム電流計のノイズを低減できる効果がある。そして、その上、冷却機構が簡素化され、メインテナンスが容易になるとともに、コストの大幅な削減が可能となる。
【００４５】
さらに、冷媒として液体窒素を用いた場合には、液体窒素中には液体酸素が含まれる可能性があり、液体酸素は磁性を持つためノイズ源となり得るが 液体窒素を用いない本発明によるビーム電流計においては、液体窒素を用いることによるノイズ発生に対する処置を行う必要がない。
【００４６】
また、本発明は、磁気シールドを重層構造にすることにより外部磁場の遮蔽を十分に行って、外部磁場に影響されずに高感度のビーム電流測定を行うようにしている。
【００４７】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、真空容器内に、上記真空容器内に入射されたビームが内径側を通過するようにして外径側にブリッジ部が形成された筒状の超伝導体のビーム電流センサーを配設し、上記ビーム電流センサーの上記ブリッジ部にＳＱＵＩＤを配設し、上記ビーム電流センサーとの間に上記ＳＱＵＩＤを位置させるようにして上記ビーム電流センサーの外径側を囲うように筒状の超伝導体の磁気シールドを配設し、 上記ビーム電流センサーの内径側にビームを通過させ上記ビームのビーム電流を計測するビーム電流計において、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いるようにしたものである。
【００４８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記冷凍機は上記真空容器内に配置された熱伝導手段を有し、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドは上記熱伝導手段を介して熱伝導により冷却されるようにしたものである。
【００４９】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記冷凍機はパルス管冷凍機であるようにしたものである。
【００５０】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器内における上記ＳＱＵＩＤの近傍にヒーターを配設し、上記ＳＱＵＩＤの温度の一定化を図るようにしたものである。
【００５１】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器内で上記磁気シールドを囲むように磁性磁気シールドを配設したものである。
【００５２】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器を囲むように磁性磁気シールドを配設したものである。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるビーム電流計の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、上記したように、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００５４】
また、以下に説明する本発明によるビーム電流計を示す図７乃至図９ならびに図１２乃至図１５においては、本発明に係るビーム電流計の機械構造的な構成のみを示すものであり、各種の電気的な接続状態や電気的導通状態ならびに温度などの検出手段については、公知の技術を適用することができるので図示を省略するとともに、その説明も公知の技術を援用することにより適宜に省略する。
【００５５】
ここで、図７、図８ならびに図９には、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の構造的な概略構成が示されている。なお、図７は図８のＣ−Ｃ線ならびに図９のＥ−Ｅ線による断面図であり、図８は図７のＤ−Ｄ線による断面図であり、図９は冷凍機の配置を含む全体の概略外観構成図である。また、この図７は上記した図１に対応する図面であり、図８は上記した図２に対応する図面である。
【００５６】
図７乃至図９において、真空容器５’は断熱真空容器として構成されており、真空容器５’の上面５’ａ側は、中央に開口部６’ａが形成された上フランジ６’により閉塞されている。なお、後述するように、パルス管冷凍機１２のコールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガー１２ｆは、この開口部６’ａから真空容器５’内部に挿通されることになる。
【００５７】
即ち、符号１２は真空容器５’内に配置されたビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２を冷却する冷凍機としてのパルス管冷凍機を示し、符号１２ａはパルス管冷凍機１２の熱伝導手段としてのコールドヘッドを示し、符号１２ｆはパルス管冷凍機１２の熱伝導手段としてのコールドフィンガーを示しており、コールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガー１２ｆは真空容器５’の開口部６’ａから真空容器５’内部に挿通されている。
【００５８】
さらに、符号１２ｂは架台８上に設置されたパルス管冷凍機１２のバルブモータを示し、符号１２ｃはパルス管冷凍機１２のガス圧縮機を示し、符号１２ｄはパルス管冷凍機１２のガス配管を示し、符号１２ｅはパルス管冷凍機１２のガス配管を示し、符号１２ｆは上記したようにコールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガーを示し、符号１３はコールドフィンガー１２ｆに接続されて当該コールドフィンガー１２ｆを介してコールドヘッド１２ａからの熱伝導によって冷却される熱伝導手段としての冷却板を示し、符号１４はビーム電流センサー１および磁気シールド２を支持するためのドーナツ形状に形成された一対の支持板を示し、符号１５は冷却板１３と支持板１４とを連結して熱伝導を確保するために配置された機械的にフレキシブルな編組導体を示し、符号１６は一対の支持板１４とビーム電流センサー１および磁気シールド２の両端面との間にそれぞれ配置されて熱抵抗を低減する熱伝導シートを示し、符号１７は一対の支持板１４を連結するための締付けボルトを示し、符号１８は締付けボルト１７を支持板１４に固定するためのナットを示し、符号１９は支持板１４とナット１８との間に配置された皿ばねを示し、符号２０は一方の端部を真空容器５’の内壁側に固定されるとともに他方の端部を支持板１４に固定されて当該支持板１４を真空容器５’内の所定の位置に配置して固定する断熱支持棒を示し、符号２１は架台８と真空容器５’の底面５’ｂとの間に配設された防振ゴムを示し、符号２２はＳＱＵＩＤ３近傍の位置として冷却板１３に取り付けられた電気ヒーターを示している。
【００５９】
なお、符号５’ｃは、周壁面の対向する位置にビームダクト７を構成する貫通孔を示している。
【００６０】
また、図示は省略したが、ＳＱＵＩＤ３とコントローラー（図示せず。）をつなぐクライオジェニックケーブルは、真空気密フランジ（図示せず。）を通して大気側と接続される。なお、信号に混入する電気的ノイズを最小化するために、コントローラーとフィードバック回路（図１１参照）との間は、制御信号がデジタル化され、光ファイバーケーブルを介して通信が行われるようになされている。
【００６１】
また、上記したように、ＳＱＵＩＤ３の近傍位置として、冷却板１３に電気ヒーター２２が配置されている。ＳＱＵＩＤ３は数ｍＫ以内の安定度が必要なため、電気ヒーター２２の加熱量を制御することにより、ＳＱＵＩＤ３の温度が一定となるように制御されている。即ち、冷却板１３には電気ヒーター２２とともに温度センサー（図示せず。）が取り付けられており、電気ヒーター２２の加熱量を制御する温度コントローラー（図示せず。）は、温度センサーからの温度情報をもとに、電気ヒーター２２の電流値にフィードバックをかけ、ＳＱＵＩＤ３の温度の安定化を図っている。ＳＱＵＩＤ３の温度の高安定化の実現のために、温度コントローラーとしては、例えば、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕｓ Ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｌｕｓ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御を用いることができる。
【００６２】
より詳細には、真空容器５’は、その底面５’側が防振ゴム２１を介して架台８上に支持されている。
【００６３】
このビーム電流計において、ビームは、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５’ｃから入射し、他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５’ｃから出射するようになされている。
【００６４】
そして、真空容器５’内には、真空容器５’内に入射されたビームが内径側を通過するようにして、円筒状のビーム電流センサー１が設置され、ビーム電流センサー１の上面側にＳＱＵＩＤ３が設置されている。また、ビーム電流センサー１との間にＳＱＵＩＤ３を位置させるようにして、ビーム電流センサー１の外径側を囲うように超伝導体よりなる円筒状の磁気シールド２が設置されている。
【００６５】
これら上記したビーム電流センサー１およびＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２は、それらの両端をドーナツ形状の一対の支持板１４にそれぞれ支持され、一対の支持板１４が締付けボルト１７およびナット１８により締結されることにより、ビーム電流センサー１とＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２と支持板１４とが一体化されている。
【００６６】
こうして一体化されたビーム電流センサー１とＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２と支持板１４とは、真空容器５’内に入射されたビームがビーム電流センサー１の内径側ならびに支持板１４の内径側の空間を通過するような位置関係で、断熱支持棒２０を介して真空容器５’内に配置される。具体的には、断熱支持棒２０の一方の端部が真空容器５’の内壁面に固定され、断熱支持棒２０の他方の端部が支持板１４に固定されている。断熱支持棒２０は各支持板１４に対して２本ずつ配設され、図７において中心線Ｏ−Ｏに対して外方に角度Ｐ（角度Ｐは、１０度以上とすることが好ましい。）だけ傾けられているとともに、図８において中心線Ｏ−Ｏに対して外方に角度Ｑ（角度Ｑは、１０度以上とすることが好ましい。）だけ傾けられている。
【００６７】
さらに、支持板１４は、編組導体１５を介して冷却板１３に接続されており、コールドフィンガー１２ｆを介してコールドヘッド１２ａに接続された冷却板１３からの熱伝導により支持板１４、ビーム電流センサー１、磁気シールド２およびＳＱＵＩＤ３が冷却されるように構成されている。
【００６８】
なお、支持板１４は、ビーム電流センサー１ならびに磁気シールド２に対して機械的支持および熱伝導冷却の作用をするものであるので、機械的強度が高く、かつ、熱伝導のよい材料、例えば、銅などにより構成することが好ましい。
【００６９】
また、コールドヘッド１２ａ、コールドフィンガー１２ｆ、冷却板１３、編組導体１５、支持板１４、熱伝導シート１６、ビーム電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３におけるそれぞれの接触部には、オイルコンパウンドやアピエゾングリスなど低温でも熱伝導の良いものを塗りこむことが好ましい。
【００７０】
以上の構成において、図示しない真空装置によって真空容器５’内を１×１０−４Ｐａに維持し、ビーム電流計にビームを通過させる。即ち、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５’ｃから入射して他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようにビームを通過させ、そのビームのビーム電流を計測する。
【００７１】
こうしたビーム電流センサー１ならびにＳＱＵＩＤ３を用いたビーム電流計の測定原理については、上記の「発明の背景ならびに従来の技術」の項において説明した測定原理と同一であるので、その記載をここに援用することにより、その説明を省略する。
【００７２】
ここで、上記した本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を真空中に配置し、パルス管冷凍機１２の熱伝導手段たるコールドヘッド１２ａならびにコールドフィンガー１２ｆからの熱伝導により、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却している。
【００７３】
即ち、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３の冷却のために液体ヘリウムや液体窒素を用いる必要がないので、図１に示すような冷媒を貯蔵する冷媒タンク４などが不要になるなど、冷却機構が簡素化され、製造コストを大幅に削減することができる。
【００７４】
また、液体ヘリウム自体が高価であるが、こうした高価な冷媒を使用する必要が無い点においても、コスト削減を図ることができる。
【００７５】
さらに、冷媒として液体ヘリウムや液体窒素を補給する作業が無いので、液体ヘリウムや液体窒素の補給の際におけるＳＱＵＩＤの不安定性を排除することができ、測定作業が簡便になるとともに測定時間を短縮化することができる。
【００７６】
また、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却する冷却手段たる冷凍機として、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３が受ける振動ノイズを最小限にするために、冷凍発生部に稼動部品を全く持たないパルス管冷凍機１２を用いている。
【００７７】
さらに、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３が受ける振動ノイズを抑制するために、架台８上にバルブモータ１２ｂを設置し、かつ、架台８と真空容器５’の間に防振ゴム２１を配置することにより、バルブモータ１２ｂの機械振動を電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３に伝達するのを防止しているとともに、機械的にフレキシブルな編組導体１５により冷却板１３と支持板１４とを接続することにより、コールドヘツド１２ａ、コールドフィンガー１２ｆおよび冷却板１３からの機械振動の電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３への伝達を低減している。
【００７８】
なお、この実施の形態において用いたパルス管冷凍機１２は、例えば、５．５Ｈｚのポンピング周期で作動するが、パルス管冷凍機１２の作動するポンピング周期を加振周波数として装置全体の固有振動数を計算し、両方の周波数が一致しないように、適切なばね乗数を持つ防振ゴム２１を選定することが好ましい。
【００７９】
ここで、上記した本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、冷却熱収縮により締付けボルト１８に過大な力の発生した際の力の吸収や、緩みを生じさせないようにするために、締付けボルト１８と支持板１４との間に皿ばね１９を配置することにより締め付け強度を高めている。また、支持板１４を２本づつの断熱支持棒２０で支持し、それぞれの取り付けの際の傾斜角度たる角度ＰおよびＱを１０度以上とすることにより、水平方向の支持剛性を大きくし、機械振動の発生を低減している。
【００８０】
また、上フランジ６’にコールドヘッド１２ａを支持させるようにしたので、組立て分解を簡単に行うことができるようになる。
【００８１】
上記したように、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、冷却板１３に配置された電気ヒーター２２の加熱量を制御することにより、ＳＱＵＩＤ３の温度を一定になるようにしている。
【００８２】
この電気ヒーター２２について、図１０に示す電気ヒーター２２の電流模式図を参照しながら説明する。
【００８３】
電気ヒーター２２は、所謂、フィルムヒーターとして構成されているが、電気ヒーター２２に電流を流すと磁界を発生し、これがＳＱＵＩＤ３の外乱ノイズとなる。この実施の形態においては、フィルムヒーターを２枚重ねて電気ヒーター２２を構成し、上下のフィルムヒーターの電流方向を反対に配置することにより、電気ヒーター２２からの磁界発生を低減するようにしている。
【００８４】
なお、ＳＱＵＩＤ３の動作については、ＳＱＵＩＤ素子の両端に電流を流すと、臨界電流値Ｉｃまでは抵抗がないため電圧が生じないが、臨界電流値Ｉｃを超えると抵抗が現れる。臨界電流値Ｉｃは、ＳＱＵＩＤ素子を貫く磁束Φが、磁束量子Φ０単位（ｈ／２ｅ＝２．０６８×１０−１５Ｗｅｂｅｒ）を周期としてＣＯＳ関数的に変化する。
【００８５】
このように、ＳＱＵＩＤ素子の出力は非線形なので、汎用の磁場計測にはそのままでは使用できない。そこで、通常は図１１に示したフィードバック回路を用いる。ＳＱＵＩＤ素子は、ピックアップコイル、入力コイル、フィードバックコイル、モジュレーシヨンコイルと磁気的に結合している。まず、ピックアップコイルに誘起された磁場Ｂはインプットコイルに伝達され、ＳＵＩＱＤ素子の両端電圧が変化しようとする。しかし、その変化分を元に戻すように、フィードバック回路のフィードバックコイルに電流を流す。この働きは、負帰還ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）と同じ原理である。フィードバック電流の電圧（図１１中のＯｕｔｐｕｔ）を測定することによって、ピックアップの磁場を測定することが可能になる。図１１中のモジュレーシヨン回路は、周波数帯域を広げるために用いられている。
【００８６】
次に、図１２を参照しながら、本発明によるビーム電流計の他の実施の形態について説明する。なお、図１２は、図１ならびに図７に対応する断面図である。
【００８７】
この図１２に示すビーム電流計は、磁気シールド性能を向上するために、高透磁率材料からなる複数の磁性磁気シールドを配置している。
【００８８】
即ち、図１２において、符号２３は磁性第１磁気シールドを示し、符号２３ａは磁性第１磁気シールド２３の円板部を示し、符号２３ｂは磁性第１磁気シールド２３の円筒部を示し、符号２４は磁性第２磁気シールドを示し、符号２５は煙突シールドを示し、符号２６は磁性第３磁気シールドを示し、符号２７は煙突シールドを示している。
【００８９】
より詳細には、円板部２３ａおよび円筒部２３ｂよりなる磁性第１磁気シールド２３は、磁気シールド２に近接して設けられている。具体的には、磁性第１磁気シールド２３の円板部２３ａは、支持板１４と電流センサー１ならびに磁気シールド２との端部との間に配置され、一方、磁性第１磁気シールド２３の円筒部２３ｂは、周壁部が磁気シールド２と冷却板１３との間に位置するように配置されている。
【００９０】
このように磁気シールド２に近接して円板部２３ａおよび円筒部２３ｂよりなる磁性第１磁気シールド２３を設けることにより、ＳＱＵＩＤ３に対する磁気シールド性能を向上することができる。ここで、円板部２３ａと円筒部２３ｂとの間に隙間ｇを設けることにより、さらに磁気シールド性能を向上することができる。なお、隙間ｇは、例えば、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００９１】
また、磁性第２磁気シールド２４は、一対の支持板１４を連結することにより一体化された電流センサー１、磁気シールド２、ＳＱＵＩＤ３および支持板１４ならびに冷却板１３や編組導体１５を含む真空容器５’内の各構成部材を覆うように配置されている。
【００９２】
こうした磁性第２磁気シールド２４を配置することにより、さらに一層磁気シールド性能を向上することができる。
【００９３】
また、上記したように、磁性第１磁気シールド２３および磁性第２磁気シールド２４を真空容器５’内に配置することにより、全体をコンパクトな装置にすることができ、また磁性材料の使用量を少なくすることができる。
【００９４】
次に、磁性第３磁気シールド２６は、真空容器５’全体を覆うようにして大気中に配置されている。
【００９５】
こうした磁性第３磁気シールド２６を配置することにより、また一層磁気シールド性能を向上することができる。
【００９６】
ところで、超伝導磁気シールドはその円筒軸に直角方向の外部磁界に対するシールド性能が劣るので、磁性第２磁気シールド２４におけるコールドフィンガー１２ｆを貫通させるための貫通穴２４ａは、磁気シールド性能の低下を生じさせる。このため、貫通孔２４ａからコールドフィンガー１２ｆに沿って立ち上がり形成された磁性磁気シールドとして煙突シールド２５を設けることにより、貫通穴２４ａによる磁気シールド性能の低下の影響を低減することができる。なお、煙突シールド２５の直径ｄ、即ち、貫通孔２４の直径と高さｈとの比であるｈ／ｄを１以上とすることが好ましい。
【００９７】
同様に、磁性第３磁気シールド２６におけるビームダクト７を貫通させる貫通孔２６ａにも、ビームダクト７に沿って延長する磁性磁気シールドとして煙突シールド２７を設けることができる。
【００９８】
なお、上記した磁性第１磁気シールド２３，磁性第２磁気シールド２４、煙突シールド２５、磁性第３磁気シールド２６ならびに煙突シールド２７に、高導電材を貼り付けたりメッキすることにより、電波に対するシールド性能をさらに向上することができる。
【００９９】
次に、図１３乃至図１５には、本発明によるビーム電流計の他の実施の形態が示されており、超伝導磁気シールドそのものの磁気シールド性能を向上させることができる。
【０１００】
即ち、図１３に示す実施の形態は、電流センサー１ならびに磁気シールド２の両方の端部に、超伝導磁気シールド端板２８をそれぞれ配置するようにしたものである。こうした超伝導磁気シールド端板２８を配置することにより、磁気シールド性能を向上させることができる。
【０１０１】
ところで、図１４には、図１３において円形破線で示した端部の拡大概念断面図が示されている。
【０１０２】
ここで、電流センサー１や磁気シールド２を全て超伝導体で製作することは、製造性や価格から困難であり、一般には、図１４に示すようにセラミックや金属の基板の表面に超伝導体の膜を作って形成することになる。
【０１０３】
即ち、図１４において、符号１ａは電流センサー１の基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号１ｂは超伝導体の膜を示しており、電流センサー１は、超伝導体の膜１ｂを基板１ａに接合することにより構成されている。なお、電流センサー１の超伝導体の膜１ｂは、ビーム電流を測定するために円筒状の基板１ａの内径周壁面、端面、外径周壁面に作成されている。
【０１０４】
また、符号２ａは磁気シールドの基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号２ｂは超伝導体の膜を示しており、磁気シールド２は、超伝導体の膜２ｂを基板２ａに接合することにより構成されている。なお、磁気シールド２の超伝導体の膜２ｂは、円筒状の基板２ａの外径周壁面にのみ作成されている。
【０１０５】
同様に、符号２８ａは超伝導磁気シールド端板２８の基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号２８ｂは超伝導体の膜を示しており、超伝導磁気シールド端板２８は、超伝導体の膜２８ｂを基板２８ａに接合することにより構成されている。なお、超伝導磁気シールド端板２８の超伝導体の膜２８ｂは、ドーナツ形状の基板２８ａの片面（電流センサー１ならびに磁気シールド２の端面と対向する面）にのみ作成されている。
【０１０６】
なお、超伝導体の膜１ｂ、２ｂ、２８ｂの膜厚は、例えば、０．１ｍｍ程度である。
【０１０７】
上記のようして作成した電流センサー１ならびに磁気シールド２の端部と超伝導磁気シールド端板２８との間には、製造状の誤差により隙間ｇ１，ｇ２が存在することになる恐れがあり、こうした隙間ｇ１，ｇ２が存在すると磁気シールド性能を向上することが困難になる。例えば、隙間ｇ１，ｇ２として０．０５ｍｍの隙間が生じても、磁気シールド性能の向上の幅は小さい。
【０１０８】
こうした図１４に示すような隙間ｇ１，ｇ２の存在に伴う磁気シールド性能の向上の低下を改善するためには、図１５に示すように、磁気シールド２の超伝導磁気シールド端板２８と対向する端面にも超伝導体２ｂを作成すればよい。
【０１０９】
さらに、隙間ｇ１と電流センサー１の厚さｈ１との比であるｇ１／ｈ１と、隙間ｇ２と磁気シールド２の厚さｈ２との比であるｇ２／ｈ２とを、それぞれ１／１０以下にすることにより、磁気シールド性能の向上を図ることができる。
【０１１０】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【０１１１】
（１）上記した実施の形態においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を構成する超伝導体の種類については特に限定するものではないが、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を構成する超伝導体としては、低温（液体ヘリウム温度）で作動する低温超伝導体でもよいし、高温（液体窒素温度）で作動する高温超伝導体でもよく、どちらの超伝導体も用いることができる。
【０１１２】
（２）上記した実施の形態においては、電流センサー１ならびに磁気シールド２の形状を円筒状としたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、電流センサー１ならびに磁気シールド２は筒形をしていればよく、円筒形状の他、楕円筒形状であってもよいし、多角筒形状であってもよい。
【０１１３】
また、支持板１４は、電流センサー１ならびに磁気シールド２の筒形の形状に合わせて、ドーナツ形状を適宜に変形すればよい。
【０１１４】
（３）上記した実施の形態においては、断熱支持棒２０は各支持板１４に対して２本ずつ配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。断熱支持棒２０は各支持板１４に１本ずつ配設するようにしてもよいし、あるいは、３本以上ずつ配設するようにしてもよい。また、一方の支持板１４に配設される断熱支持棒２０の本数と他方の支持板１４に配設される断熱支持棒２０の本数とが、異なっていてもよい。
【０１１５】
（４）上記した図１２に示す実施の形態においては、磁性第１磁気シールド２３と磁性第２磁気シールド２４と煙突シールド２５と磁性第３磁気シールド２６と煙突シールド２７とを全て配設するように図示したが、これらを全て配設しなくてもよいことは勿論である。磁性第１磁気シールド２３、磁性第２磁気シールド２４、煙突シールド２５、磁性第３磁気シールド２６ならびに煙突シールド２７の中で、所望のものを適宜に選択的に配設するようにしてもよい。また、磁性第１磁気シールド２３についても、円板部２３ａと円筒部２３ｂとの両方を配設する必要はなく、いずれか一方のみを配設するようにしてもよい。
【０１１６】
（５）上記した実施の形態においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却する冷却手段たる冷凍機として、機械振動低減のためにパルス管冷凍機を用いたが、これに限られるものではなく、機械振動の影響が問題とされない場合には、コールドヘッド部に機械的駆動装置を持った冷凍機を用いてもよい。
【０１１７】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、超伝導体の冷却機構を簡素化することができ、コストを大幅に削減することができるようになるという優れた効果を奏する。
【０１１９】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、測定作業の簡素化を図ることができるようになるとともに、測定時間の短縮化を図ることができるようになるという優れた効果を奏する。
【０１２０】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、磁気シールド性能を向上することができ、高感度のビーム電流測定を行うことができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図２のＡ−Ａ線による断面図である。
【図２】ＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図３】ＳＱＵＩＤを取り付けたビーム電流センサーの概略構成斜視説明図である。
【図４】グラジオメーターの説明図である。
【図５】磁気シールドの効果を測定するための磁場測定用のＳＱＵＩＤシステムの説明図である。
【図６】図５に示すＳＱＵＩＤシステムを用いて磁場の減衰率を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図８のＣ−Ｃ線ならびに図９のＥ−Ｅ線による断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図７のＤ−Ｄ線による断面図である。
【図９】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の構成説明図であり、冷凍機の配置を含む全体の概略外観構成図である。
【図１０】電気ヒーターの電流模式図である。
【図１１】ＳＱＵＩＤ素子のフィードバック回路構成を示すブロック構成図である。
【図１２】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す概略構成断面説明図であり、図１ならびに図７に対応する断面図である。
【図１３】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す概略構成説明図である。
【図１４】図１３において円形破線で示した端部の拡大概念断面図である。
【図１５】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す拡大概念断面図であり、図１４に対応する断面図である。
【符号の説明】
１ ビーム電流センサー
１ａ 基板
１ｂ 超伝導体の膜
２ 磁気シールド
２ａ 基板
２ｂ 超伝導体の膜
３ ＳＱＵＩＤ
４ 冷媒タンク
５，５’ 真空容器
５ａ，５’ａ 上面
５ｂ，５’ｂ 底面
５ｃ，５’ｃ 貫通孔
６，６’ 上フランジ
６’ａ 開口部
７ ビームダクト
８ 架台
９ 液体ヘリウム
１０ 真空領域
１１ 大気領域
１２ パルス管冷凍機
１２ａ コールドヘッド
１２ｂ バルブモータ
１２ｃ ガス圧縮機
１２ｄ ガス配管
１２ｅ ガス配管
１２ｆ コールドフィンガー
１３ 冷却板
１４ 支持板
１５ 編組導体
１６ 熱伝導シート
１７ 締付けボルト
１８ ナット
１９ 皿ばね
２０ 断熱支持棒
２１ 防振ゴム
２２ 電気ヒーター
２３ 磁性第１磁気シールド
２３ａ 円板部
２３ｂ 円筒部
２４ 磁性第２磁気シールド
２４ａ 貫通孔
２５ 煙突シールド
２６ 磁性第３磁気シールド
２６ａ 貫通孔
２７ 煙突シールド
２８ 超伝導磁気シールド端板
２８ａ 基板
２８ｂ 超伝導体の膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム電流計に関し、さらに詳細には、微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定することのできるビーム電流計に関する。
【０００２】
【発明の背景ならびに従来の技術】
従来より、ビーム電流計として、例えば、磁気変調型のＤＣＣＴ（ＤＣ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が知られている。
【０００３】
ところが、従来の磁気変調型のＤＣＣＴでは、電流測定の下限は数μＡのオーダーであり、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することができないという問題点があった。
【０００４】
こうした問題点を解決するため、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定可能なビーム電流計として、脳や心臓が発生する磁場を測定するために用いられているＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）と液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いたビーム電流計が、ドイツのＧＳＩ（Ｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ ｆｕｒ Ｓｃｈｗｅｒｉｏｎｅｎｆｏｒｓｃｈｕｎｇ）、旧東京大学原子核研究所あるいは大阪大学核物理研究センターなどで開発されてきた。
【０００５】
【非特許文献１】
“Ａ Ｃｒｙｏｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ＤＣ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏ−ａｍｐｅｒｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”， Ｋ．Ｇｒｏｈｍａｎｎ，ｅｔ ａｌ．， Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， １９７７， ｐ．３１１
【０００６】
【非特許文献２】
“ＳＱＵＩＤ” ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｅｒ”， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ． ＭＡＧ−２１， Ｎｏ．２， １９８５， ｐ．９９７
【０００７】
【非特許文献３】
“Ａ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎＡ ｂｅａｍｓ”， ＡＩＰ Ｃｏｎｆ． Ｐｒｏｃ． ４５１（Ｂｅａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）， １９９８， ｐ．１６３
【０００８】
【非特許文献４】
“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ＨＴＳ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｂｅａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”， Ｌ．Ｈａｏ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ａｐｐｌ． Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． （ＡＳＣ２０００）， Ｖｏｌ．１１， Ｎｏ．１， ２００１−３， ｐ．６３５
【０００９】
【非特許文献５】
“貯蔵リングにおけるビーム電流の高感度測定”， 田辺 徹美， 品田 恵， 日本物理学会誌 Ｖｏｌ．５４， Ｎｏ．１， １９９９， ｐ．３４
なお、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することのできるビーム電流計は、従来の数μＡのオーダーのビーム電流を測定するビーム電流計と比較すると、１０００倍高い感度を有することになる。具体的な磁場の比較において、地磁気が１０−５Ｔ、脳磁場は１０−１３Ｔ、１ｎＡのビームが作り出す磁場の中心から２０ｃｍの地点においては１０−１５Ｔであるので、数ｎＡ程度の微弱なビーム電流を測定することのできるビーム電流計は、非常に微弱な磁場を測定しなければならないものである。
【００１０】
ここで、図１ならびに図２には、上記したＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の構造的な概略構成が示されている。即ち、図１ならびに図２は、本発明の理解に資するための機械構造的な構成のみを示すものであり、各種の電気的な接続状態や電気的導通状態ならびに温度などの検出手段については図示を省略している。なお、図１は図２のＡ−Ａ線による断面図であり、図２は図１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【００１１】
また、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００１２】
図１乃至図２において、符号１は超伝導体よりなるビーム電流センサーを示し、符号２は超伝導体よりなる磁気シールドを示し、符号３はＳＱＵＩＤを示し、符号４は冷媒タンクを示し、符号５は真空容器を示し、符号６は上フランジを示し、符号７はビームダクトを示し、符号８は架台を示し、符号９は冷媒たる液体ヘリウムを示し、符号１０は真空容器５内の真空領域を示し、符号１１は真空容器５外の大気領域を示している。
【００１３】
より詳細には、真空容器５は、上面５ａ側を上フランジ６により閉塞されるとともに、周壁面の対向する位置にビームダクト７を構成する貫通孔５ｃがそれぞれ形成されており、その底面５ｂ側が架台８上に支持されている。
【００１４】
このビーム電流計において、ビームは、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５ｃから入射し、他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようになされている。
【００１５】
そして、真空容器５内には、真空容器５内に入射されたビームが内径側を通過するようにして、円筒状のビーム電流センサー１が設置され、ビーム電流センサー１の上面側にＳＱＵＩＤ３が設置されている。また、ビーム電流センサー１との間にＳＱＵＩＤ３を位置させるようにして、ビーム電流センサー１の外径側を囲うように超伝導体よりなる円筒状の磁気シールド２が設置されている。
【００１６】
これら上記したビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２は、ドーナツ形状の冷媒タンク４内に配置されており、ドーナツ形状の冷媒タンク４の内径側の中空部位をビームが通過するようにして、上記した各構成部材が配置されている。
【００１７】
なお、冷媒タンク４内には冷媒たる液体ヘリウムが充填されており、冷媒タンク４内に配置されたビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２は液体ヘリウム温度に冷却されることになる。
【００１８】
以上の構成において、図示しない真空装置によって真空容器５内を１×１０−４Ｐａに維持し、ビーム電流計にビームを通過させる。即ち、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５ｃから入射して他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようにビームを通過させ、そのビームのビーム電流を計測する。
【００１９】
こうしたビーム電流センサー１ならびにＳＱＵＩＤ３を用いたビーム電流計の測定原理については公知の技術であるが、本願発明の理解を容易にするために、図３を参照しながら簡単に説明しておく。
【００２０】
図３には、ＳＱＵＩＤ３を取り付けたビーム電流センサー１の概略構成斜視説明図が示されている。
【００２１】
このビーム電流センサー１は、超伝導体よりなる周壁面の外径側表面に、一部の領域（ブリッジ部）のみを残して線状の絶縁体が周状（鉢巻き状）に形成されている。上記絶縁体は、ビーム電流センサー１の軸方向の中心位置に周状に配置されている。また、上記したブリッジ部には、ＳＱＵＩＤ３が配置されている。
【００２２】
こうしたビーム電流センサー１の内径側の空間をビームが通過すると、マイスナー効果によって超伝導体の表面を遮蔽電流が流れる。この遮蔽電流はブリッジ部だけを流れ、電流の通過によって方位角方向の磁場が形成されることになる。
【００２３】
ブリッジ部にはＳＱＵＩＤ３が配置されているので、電流の通過によってブリッジ部に形成された磁場を高感度に測定することができ、高感度に測定した磁場を電流値に換算することにより、ビーム電流を非破壊かつ高精度で測定することができる。
【００２４】
即ち、円筒状の超伝導体の表面にブリッジ部を形成することによって、遮蔽電流を効率よく集中させることが可能となる。
【００２５】
このようなブリッジ部上方位角方向に形成される磁場をＳＮ比良く測定するためには、ＳＱＵＩＤ３としてグラジオメーターを用いることが好ましい。
【００２６】
その理由は、図４に示すように、グラジオメーターは磁場を検出するためのインプットコイルが左右にあり、外部ノイズ磁束が左右インプットコイルに入ろうとする際に、もし外部ノイズ磁場の大きさと方向が全く同じである同相ノイズ磁場ならば、外部ノイズ磁束は完全にキャンセルされることになり、一方、ビームの通過によってブリッジ部に形成される磁場は、上記したように大きさは同じであるが向きが反対の逆相磁場なので、通常使用されるインプットコイルが１つのタイプのＳＱＵＩＤと比べると、２倍の感度で検出することができるからである。
【００２７】
ＳＱＵＩＤ３としてグラジオメーターを採用することによって、外部ノイズ磁場を大幅に低減することができ、こうした超伝導の技術を応用することによって、従来の磁気変調型のＤＣＣＴによる感度の限界を大幅に改善することができるようになった。
【００２８】
ところで、上記したビーム電流計においては、高感度化するためにＳＱＵＩＤ３を用いているが、いくら高感度のセンサーを用いても外部からの雑音に埋もれてしまっては、本当に必要とされる信号を検出することができない。そこで、上記した従来のビーム電流計においては、超伝導体よりなる磁気シールド２を配設している。
【００２９】
即ち、超伝導の特質として、超伝導材に外部から磁場がかかると、マイスナー効果によって、その磁場を打ち消すように超伝導表面に電流が流れる。この効果を応用することにより、強力な磁気シールドを実現することが可能になることが広く知られている。
【００３０】
また、高透磁率の金属を囲う従来の磁気シールドは、高周波磁場では効果的だが、低周波磁場ではその効果は激減する。超伝導体による磁気シールドの場合は、シールドの効率は周波数に依存しないという大きな利点がある。
【００３１】
ここで、磁気シールド２として、例えば、９９．９％以上の純度の高い酸化マグネシウムで作られた筒状のセラミックに、ビスマス系の超伝導材を３００ミクロンの厚さで焼成して作成することができる。なお、こうした磁気シールドの作成には、約４週間の焼成、圧縮などのプロセスが必要である。
【００３２】
上記のようにして作成した磁気シールド２の効果を測定するために、ヘルムホルツコイルを装備したステッピングモーター駆動のＸ−Ｙステージおよび磁場測定用のＳＱＵＩＤシステムを製作して測定を行った。即ち、図５に示すように、磁気シールド２に外部磁場をヘルムホルツコイルによって発生し、磁気シールド２とビーム電流センサー１との間を、ＳＱＵＩＤ３を備えた磁場プローブを駆動することによって、磁場の減衰率を測定した。
【００３３】
図６には、３．５μＴの磁場を１Ｈｚの周期で磁気シールド２に対して平行にかけ、磁場の減衰率を測定した結果を示している。ここで、磁気シールド２の位置０ｍｍが、磁気シールド２の円筒形状の中央を表している。減衰率Ｓ（ｚ）はヘルムホルツコイルによって造られた磁場をＢ０とし、磁気シールド２内の磁気プローブの位置ｚにおける磁場をＢ（ｚ）とすると、
Ｓ（ｚ）＝Ｂ（ｚ）／Ｂ０
で定義する。
【００３４】
この測定結果より、磁気シールド２に平行に磁場をかけた場合は、磁気シールド２中央においては減衰率が３×１０−４という結果を得た。
【００３５】
しかしながら、上記において示したように、液体ヘリウム温度で動作する超伝導体を用いたビーム電流計においては、冷媒として液体ヘリウムを用いるため、そのための冷却機構が複雑になってしまうとともに、冷却剤（冷媒）たる液体ヘリウム自体のコストも安価ではないため、コストが嵩むという問題点があった。
【００３６】
また、冷媒として液体ヘリウムを用いる場合には、液体ヘリウムの補給の際にＳＱＵＩＤが安定して動作するまでに数時間を必要とするため、その補給作業に手間と時間を要するという問題点があった。
【００３７】
さらに、上記した図６に示す測定結果が示す減衰率に鑑みると、上記した従来の磁気シールドでは、高感度のビーム電流測定を行うことができないという問題点があった。
【００３８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような発明の背景ならびに従来の技術の有する問題点や従来の技術に対する要望に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、超伝導体の冷却機構を簡素化するとともに、コストの大幅な削減を可能としたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００３９】
また、本発明の目的とするところは、測定作業の簡素化を図るとともに、測定時間の短縮化を図るようにしたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００４０】
また、本発明の目的とするところは、外部磁場の遮蔽を十分に行って、外部磁場に影響されずに高感度のビーム電流測定を行うことができるようにしたビーム電流計を提供しようとするものである。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるビーム電流計は、ビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドを断熱真空容器の真空中に配置するとともに、これらビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いるようにして、断熱真空容器の内部に配置された冷凍機のコールドヘッドやコールドフィンガーなどの熱伝導手段からの熱伝導によって、ビーム電流センサー、ＳＱＵＩＤおよび磁気シールドを冷却するようにしたものである。
【００４２】
従って、本発明によるビーム電流計によれば、液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を用いる必要がないので冷却機構が簡素化され、また、コストの大幅な削減が可能となる。
【００４３】
さらに、測定作業中に液体ヘリウムや液体窒素などの冷媒を補給する必要はないので測定作業が簡素化され、しかもＳＱＵＩＤを安定して連続的に動作させることができるので測定時間を短縮化することができる。
【００４４】
また、本発明によるビーム電流計の冷却手段たる冷凍機としてパルス管冷凍機を用いた場合には、そのコールドヘッド部に機械的駆動装置がないので、機械振動を低減でき、ビーム電流計のノイズを低減できる効果がある。そして、その上、冷却機構が簡素化され、メインテナンスが容易になるとともに、コストの大幅な削減が可能となる。
【００４５】
さらに、冷媒として液体窒素を用いた場合には、液体窒素中には液体酸素が含まれる可能性があり、液体酸素は磁性を持つためノイズ源となり得るが 液体窒素を用いない本発明によるビーム電流計においては、液体窒素を用いることによるノイズ発生に対する処置を行う必要がない。
【００４６】
また、本発明は、磁気シールドを重層構造にすることにより外部磁場の遮蔽を十分に行って、外部磁場に影響されずに高感度のビーム電流測定を行うようにしている。
【００４７】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、真空容器内に、上記真空容器内に入射されたビームが内径側を通過するようにして外径側にブリッジ部が形成された筒状の超伝導体のビーム電流センサーを配設し、上記ビーム電流センサーの上記ブリッジ部にＳＱＵＩＤを配設し、上記ビーム電流センサーとの間に上記ＳＱＵＩＤを位置させるようにして上記ビーム電流センサーの外径側を囲うように筒状の超伝導体の磁気シールドを配設し、 上記ビーム電流センサーの内径側にビームを通過させ上記ビームのビーム電流を計測するビーム電流計において、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いるようにしたものである。
【００４８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記冷凍機は上記真空容器内に配置された熱伝導手段を有し、上記ビーム電流センサー、上記ＳＱＵＩＤおよび上記磁気シールドは上記熱伝導手段を介して熱伝導により冷却されるようにしたものである。
【００４９】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の発明において、上記冷凍機はパルス管冷凍機であるようにしたものである。
【００５０】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器内における上記ＳＱＵＩＤの近傍にヒーターを配設し、上記ＳＱＵＩＤの温度の一定化を図るようにしたものである。
【００５１】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器内で上記磁気シールドを囲むように磁性磁気シールドを配設したものである。
【００５２】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記真空容器を囲むように磁性磁気シールドを配設したものである。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるビーム電流計の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。なお、上記したように、本明細書における説明ならびに添付の図面において、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容については、それぞれ同一の符号を用いて示すことにより、その構成ならびに作用に関する重複する説明は省略する。
【００５４】
また、以下に説明する本発明によるビーム電流計を示す図７乃至図９ならびに図１２乃至図１５においては、本発明に係るビーム電流計の機械構造的な構成のみを示すものであり、各種の電気的な接続状態や電気的導通状態ならびに温度などの検出手段については、公知の技術を適用することができるので図示を省略するとともに、その説明も公知の技術を援用することにより適宜に省略する。
【００５５】
ここで、図７、図８ならびに図９には、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の構造的な概略構成が示されている。なお、図７は図８のＣ−Ｃ線ならびに図９のＥ−Ｅ線による断面図であり、図８は図７のＤ−Ｄ線による断面図であり、図９は冷凍機の配置を含む全体の概略外観構成図である。また、この図７は上記した図１に対応する図面であり、図８は上記した図２に対応する図面である。
【００５６】
図７乃至図９において、真空容器５’は断熱真空容器として構成されており、真空容器５’の上面５’ａ側は、中央に開口部６’ａが形成された上フランジ６’により閉塞されている。なお、後述するように、パルス管冷凍機１２のコールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガー１２ｆは、この開口部６’ａから真空容器５’内部に挿通されることになる。
【００５７】
即ち、符号１２は真空容器５’内に配置されたビーム電流センサー１、ＳＱＵＩＤ３および磁気シールド２を冷却する冷凍機としてのパルス管冷凍機を示し、符号１２ａはパルス管冷凍機１２の熱伝導手段としてのコールドヘッドを示し、符号１２ｆはパルス管冷凍機１２の熱伝導手段としてのコールドフィンガーを示しており、コールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガー１２ｆは真空容器５’の開口部６’ａから真空容器５’内部に挿通されている。
【００５８】
さらに、符号１２ｂは架台８上に設置されたパルス管冷凍機１２のバルブモータを示し、符号１２ｃはパルス管冷凍機１２のガス圧縮機を示し、符号１２ｄはパルス管冷凍機１２のガス配管を示し、符号１２ｅはパルス管冷凍機１２のガス配管を示し、符号１２ｆは上記したようにコールドヘッド１２ａに接続されたコールドフィンガーを示し、符号１３はコールドフィンガー１２ｆに接続されて当該コールドフィンガー１２ｆを介してコールドヘッド１２ａからの熱伝導によって冷却される熱伝導手段としての冷却板を示し、符号１４はビーム電流センサー１および磁気シールド２を支持するためのドーナツ形状に形成された一対の支持板を示し、符号１５は冷却板１３と支持板１４とを連結して熱伝導を確保するために配置された機械的にフレキシブルな編組導体を示し、符号１６は一対の支持板１４とビーム電流センサー１および磁気シールド２の両端面との間にそれぞれ配置されて熱抵抗を低減する熱伝導シートを示し、符号１７は一対の支持板１４を連結するための締付けボルトを示し、符号１８は締付けボルト１７を支持板１４に固定するためのナットを示し、符号１９は支持板１４とナット１８との間に配置された皿ばねを示し、符号２０は一方の端部を真空容器５’の内壁側に固定されるとともに他方の端部を支持板１４に固定されて当該支持板１４を真空容器５’内の所定の位置に配置して固定する断熱支持棒を示し、符号２１は架台８と真空容器５’の底面５’ｂとの間に配設された防振ゴムを示し、符号２２はＳＱＵＩＤ３近傍の位置として冷却板１３に取り付けられた電気ヒーターを示している。
【００５９】
なお、符号５’ｃは、周壁面の対向する位置にビームダクト７を構成する貫通孔を示している。
【００６０】
また、図示は省略したが、ＳＱＵＩＤ３とコントローラー（図示せず。）をつなぐクライオジェニックケーブルは、真空気密フランジ（図示せず。）を通して大気側と接続される。なお、信号に混入する電気的ノイズを最小化するために、コントローラーとフィードバック回路（図１１参照）との間は、制御信号がデジタル化され、光ファイバーケーブルを介して通信が行われるようになされている。
【００６１】
また、上記したように、ＳＱＵＩＤ３の近傍位置として、冷却板１３に電気ヒーター２２が配置されている。ＳＱＵＩＤ３は数ｍＫ以内の安定度が必要なため、電気ヒーター２２の加熱量を制御することにより、ＳＱＵＩＤ３の温度が一定となるように制御されている。即ち、冷却板１３には電気ヒーター２２とともに温度センサー（図示せず。）が取り付けられており、電気ヒーター２２の加熱量を制御する温度コントローラー（図示せず。）は、温度センサーからの温度情報をもとに、電気ヒーター２２の電流値にフィードバックをかけ、ＳＱＵＩＤ３の温度の安定化を図っている。ＳＱＵＩＤ３の温度の高安定化の実現のために、温度コントローラーとしては、例えば、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｐｌｕｓ Ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｌｕｓ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御を用いることができる。
【００６２】
より詳細には、真空容器５’は、その底面５’側が防振ゴム２１を介して架台８上に支持されている。
【００６３】
このビーム電流計において、ビームは、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５’ｃから入射し、他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５’ｃから出射するようになされている。
【００６４】
そして、真空容器５’内には、真空容器５’内に入射されたビームが内径側を通過するようにして、円筒状のビーム電流センサー１が設置され、ビーム電流センサー１の上面側にＳＱＵＩＤ３が設置されている。また、ビーム電流センサー１との間にＳＱＵＩＤ３を位置させるようにして、ビーム電流センサー１の外径側を囲うように超伝導体よりなる円筒状の磁気シールド２が設置されている。
【００６５】
これら上記したビーム電流センサー１およびＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２は、それらの両端をドーナツ形状の一対の支持板１４にそれぞれ支持され、一対の支持板１４が締付けボルト１７およびナット１８により締結されることにより、ビーム電流センサー１とＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２と支持板１４とが一体化されている。
【００６６】
こうして一体化されたビーム電流センサー１とＳＱＵＩＤ３を配置した磁気シールド２と支持板１４とは、真空容器５’内に入射されたビームがビーム電流センサー１の内径側ならびに支持板１４の内径側の空間を通過するような位置関係で、断熱支持棒２０を介して真空容器５’内に配置される。具体的には、断熱支持棒２０の一方の端部が真空容器５’の内壁面に固定され、断熱支持棒２０の他方の端部が支持板１４に固定されている。断熱支持棒２０は各支持板１４に対して２本ずつ配設され、図７において中心線Ｏ−Ｏに対して外方に角度Ｐ（角度Ｐは、１０度以上とすることが好ましい。）だけ傾けられているとともに、図８において中心線Ｏ−Ｏに対して外方に角度Ｑ（角度Ｑは、１０度以上とすることが好ましい。）だけ傾けられている。
【００６７】
さらに、支持板１４は、編組導体１５を介して冷却板１３に接続されており、コールドフィンガー１２ｆを介してコールドヘッド１２ａに接続された冷却板１３からの熱伝導により支持板１４、ビーム電流センサー１、磁気シールド２およびＳＱＵＩＤ３が冷却されるように構成されている。
【００６８】
なお、支持板１４は、ビーム電流センサー１ならびに磁気シールド２に対して機械的支持および熱伝導冷却の作用をするものであるので、機械的強度が高く、かつ、熱伝導のよい材料、例えば、銅などにより構成することが好ましい。
【００６９】
また、コールドヘッド１２ａ、コールドフィンガー１２ｆ、冷却板１３、編組導体１５、支持板１４、熱伝導シート１６、ビーム電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３におけるそれぞれの接触部には、オイルコンパウンドやアピエゾングリスなど低温でも熱伝導の良いものを塗りこむことが好ましい。
【００７０】
以上の構成において、図示しない真空装置によって真空容器５’内を１×１０−４Ｐａに維持し、ビーム電流計にビームを通過させる。即ち、一方のビームダクト７を構成する一方の貫通孔５’ｃから入射して他方のビームダクト７を構成する他方の貫通孔５ｃから出射するようにビームを通過させ、そのビームのビーム電流を計測する。
【００７１】
こうしたビーム電流センサー１ならびにＳＱＵＩＤ３を用いたビーム電流計の測定原理については、上記の「発明の背景ならびに従来の技術」の項において説明した測定原理と同一であるので、その記載をここに援用することにより、その説明を省略する。
【００７２】
ここで、上記した本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を真空中に配置し、パルス管冷凍機１２の熱伝導手段たるコールドヘッド１２ａならびにコールドフィンガー１２ｆからの熱伝導により、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却している。
【００７３】
即ち、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３の冷却のために液体ヘリウムや液体窒素を用いる必要がないので、図１に示すような冷媒を貯蔵する冷媒タンク４などが不要になるなど、冷却機構が簡素化され、製造コストを大幅に削減することができる。
【００７４】
また、液体ヘリウム自体が高価であるが、こうした高価な冷媒を使用する必要が無い点においても、コスト削減を図ることができる。
【００７５】
さらに、冷媒として液体ヘリウムや液体窒素を補給する作業が無いので、液体ヘリウムや液体窒素の補給の際におけるＳＱＵＩＤの不安定性を排除することができ、測定作業が簡便になるとともに測定時間を短縮化することができる。
【００７６】
また、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却する冷却手段たる冷凍機として、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３が受ける振動ノイズを最小限にするために、冷凍発生部に稼動部品を全く持たないパルス管冷凍機１２を用いている。
【００７７】
さらに、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３が受ける振動ノイズを抑制するために、架台８上にバルブモータ１２ｂを設置し、かつ、架台８と真空容器５’の間に防振ゴム２１を配置することにより、バルブモータ１２ｂの機械振動を電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３に伝達するのを防止しているとともに、機械的にフレキシブルな編組導体１５により冷却板１３と支持板１４とを接続することにより、コールドヘツド１２ａ、コールドフィンガー１２ｆおよび冷却板１３からの機械振動の電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３への伝達を低減している。
【００７８】
なお、この実施の形態において用いたパルス管冷凍機１２は、例えば、５．５Ｈｚのポンピング周期で作動するが、パルス管冷凍機１２の作動するポンピング周期を加振周波数として装置全体の固有振動数を計算し、両方の周波数が一致しないように、適切なばね乗数を持つ防振ゴム２１を選定することが好ましい。
【００７９】
ここで、上記した本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、冷却熱収縮により締付けボルト１８に過大な力の発生した際の力の吸収や、緩みを生じさせないようにするために、締付けボルト１８と支持板１４との間に皿ばね１９を配置することにより締め付け強度を高めている。また、支持板１４を２本づつの断熱支持棒２０で支持し、それぞれの取り付けの際の傾斜角度たる角度ＰおよびＱを１０度以上とすることにより、水平方向の支持剛性を大きくし、機械振動の発生を低減している。
【００８０】
また、上フランジ６’にコールドヘッド１２ａを支持させるようにしたので、組立て分解を簡単に行うことができるようになる。
【００８１】
上記したように、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計においては、冷却板１３に配置された電気ヒーター２２の加熱量を制御することにより、ＳＱＵＩＤ３の温度を一定になるようにしている。
【００８２】
この電気ヒーター２２について、図１０に示す電気ヒーター２２の電流模式図を参照しながら説明する。
【００８３】
電気ヒーター２２は、所謂、フィルムヒーターとして構成されているが、電気ヒーター２２に電流を流すと磁界を発生し、これがＳＱＵＩＤ３の外乱ノイズとなる。この実施の形態においては、フィルムヒーターを２枚重ねて電気ヒーター２２を構成し、上下のフィルムヒーターの電流方向を反対に配置することにより、電気ヒーター２２からの磁界発生を低減するようにしている。
【００８４】
なお、ＳＱＵＩＤ３の動作については、ＳＱＵＩＤ素子の両端に電流を流すと、臨界電流値Ｉｃまでは抵抗がないため電圧が生じないが、臨界電流値Ｉｃを超えると抵抗が現れる。臨界電流値Ｉｃは、ＳＱＵＩＤ素子を貫く磁束Φが、磁束量子Φ０単位（ｈ／２ｅ＝２．０６８×１０−１５Ｗｅｂｅｒ）を周期としてＣＯＳ関数的に変化する。
【００８５】
このように、ＳＱＵＩＤ素子の出力は非線形なので、汎用の磁場計測にはそのままでは使用できない。そこで、通常は図１１に示したフィードバック回路を用いる。ＳＱＵＩＤ素子は、ピックアップコイル、入力コイル、フィードバックコイル、モジュレーシヨンコイルと磁気的に結合している。まず、ピックアップコイルに誘起された磁場Ｂはインプットコイルに伝達され、ＳＵＩＱＤ素子の両端電圧が変化しようとする。しかし、その変化分を元に戻すように、フィードバック回路のフィードバックコイルに電流を流す。この働きは、負帰還ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）と同じ原理である。フィードバック電流の電圧（図１１中のＯｕｔｐｕｔ）を測定することによって、ピックアップの磁場を測定することが可能になる。図１１中のモジュレーシヨン回路は、周波数帯域を広げるために用いられている。
【００８６】
次に、図１２を参照しながら、本発明によるビーム電流計の他の実施の形態について説明する。なお、図１２は、図１ならびに図７に対応する断面図である。
【００８７】
この図１２に示すビーム電流計は、磁気シールド性能を向上するために、高透磁率材料からなる複数の磁性磁気シールドを配置している。
【００８８】
即ち、図１２において、符号２３は磁性第１磁気シールドを示し、符号２３ａは磁性第１磁気シールド２３の円板部を示し、符号２３ｂは磁性第１磁気シールド２３の円筒部を示し、符号２４は磁性第２磁気シールドを示し、符号２５は煙突シールドを示し、符号２６は磁性第３磁気シールドを示し、符号２７は煙突シールドを示している。
【００８９】
より詳細には、円板部２３ａおよび円筒部２３ｂよりなる磁性第１磁気シールド２３は、磁気シールド２に近接して設けられている。具体的には、磁性第１磁気シールド２３の円板部２３ａは、支持板１４と電流センサー１ならびに磁気シールド２との端部との間に配置され、一方、磁性第１磁気シールド２３の円筒部２３ｂは、周壁部が磁気シールド２と冷却板１３との間に位置するように配置されている。
【００９０】
このように磁気シールド２に近接して円板部２３ａおよび円筒部２３ｂよりなる磁性第１磁気シールド２３を設けることにより、ＳＱＵＩＤ３に対する磁気シールド性能を向上することができる。ここで、円板部２３ａと円筒部２３ｂとの間に隙間ｇを設けることにより、さらに磁気シールド性能を向上することができる。なお、隙間ｇは、例えば、０．５ｍｍ以上であることが好ましい。
【００９１】
また、磁性第２磁気シールド２４は、一対の支持板１４を連結することにより一体化された電流センサー１、磁気シールド２、ＳＱＵＩＤ３および支持板１４ならびに冷却板１３や編組導体１５を含む真空容器５’内の各構成部材を覆うように配置されている。
【００９２】
こうした磁性第２磁気シールド２４を配置することにより、さらに一層磁気シールド性能を向上することができる。
【００９３】
また、上記したように、磁性第１磁気シールド２３および磁性第２磁気シールド２４を真空容器５’内に配置することにより、全体をコンパクトな装置にすることができ、また磁性材料の使用量を少なくすることができる。
【００９４】
次に、磁性第３磁気シールド２６は、真空容器５’全体を覆うようにして大気中に配置されている。
【００９５】
こうした磁性第３磁気シールド２６を配置することにより、また一層磁気シールド性能を向上することができる。
【００９６】
ところで、超伝導磁気シールドはその円筒軸に直角方向の外部磁界に対するシールド性能が劣るので、磁性第２磁気シールド２４におけるコールドフィンガー１２ｆを貫通させるための貫通穴２４ａは、磁気シールド性能の低下を生じさせる。このため、貫通孔２４ａからコールドフィンガー１２ｆに沿って立ち上がり形成された磁性磁気シールドとして煙突シールド２５を設けることにより、貫通穴２４ａによる磁気シールド性能の低下の影響を低減することができる。なお、煙突シールド２５の直径ｄ、即ち、貫通孔２４の直径と高さｈとの比であるｈ／ｄを１以上とすることが好ましい。
【００９７】
同様に、磁性第３磁気シールド２６におけるビームダクト７を貫通させる貫通孔２６ａにも、ビームダクト７に沿って延長する磁性磁気シールドとして煙突シールド２７を設けることができる。
【００９８】
なお、上記した磁性第１磁気シールド２３，磁性第２磁気シールド２４、煙突シールド２５、磁性第３磁気シールド２６ならびに煙突シールド２７に、高導電材を貼り付けたりメッキすることにより、電波に対するシールド性能をさらに向上することができる。
【００９９】
次に、図１３乃至図１５には、本発明によるビーム電流計の他の実施の形態が示されており、超伝導磁気シールドそのものの磁気シールド性能を向上させることができる。
【０１００】
即ち、図１３に示す実施の形態は、電流センサー１ならびに磁気シールド２の両方の端部に、超伝導磁気シールド端板２８をそれぞれ配置するようにしたものである。こうした超伝導磁気シールド端板２８を配置することにより、磁気シールド性能を向上させることができる。
【０１０１】
ところで、図１４には、図１３において円形破線で示した端部の拡大概念断面図が示されている。
【０１０２】
ここで、電流センサー１や磁気シールド２を全て超伝導体で製作することは、製造性や価格から困難であり、一般には、図１４に示すようにセラミックや金属の基板の表面に超伝導体の膜を作って形成することになる。
【０１０３】
即ち、図１４において、符号１ａは電流センサー１の基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号１ｂは超伝導体の膜を示しており、電流センサー１は、超伝導体の膜１ｂを基板１ａに接合することにより構成されている。なお、電流センサー１の超伝導体の膜１ｂは、ビーム電流を測定するために円筒状の基板１ａの内径周壁面、端面、外径周壁面に作成されている。
【０１０４】
また、符号２ａは磁気シールドの基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号２ｂは超伝導体の膜を示しており、磁気シールド２は、超伝導体の膜２ｂを基板２ａに接合することにより構成されている。なお、磁気シールド２の超伝導体の膜２ｂは、円筒状の基板２ａの外径周壁面にのみ作成されている。
【０１０５】
同様に、符号２８ａは超伝導磁気シールド端板２８の基板（通常はセラミックもしくは金属を使用する。）を示し、符号２８ｂは超伝導体の膜を示しており、超伝導磁気シールド端板２８は、超伝導体の膜２８ｂを基板２８ａに接合することにより構成されている。なお、超伝導磁気シールド端板２８の超伝導体の膜２８ｂは、ドーナツ形状の基板２８ａの片面（電流センサー１ならびに磁気シールド２の端面と対向する面）にのみ作成されている。
【０１０６】
なお、超伝導体の膜１ｂ、２ｂ、２８ｂの膜厚は、例えば、０．１ｍｍ程度である。
【０１０７】
上記のようして作成した電流センサー１ならびに磁気シールド２の端部と超伝導磁気シールド端板２８との間には、製造状の誤差により隙間ｇ１，ｇ２が存在することになる恐れがあり、こうした隙間ｇ１，ｇ２が存在すると磁気シールド性能を向上することが困難になる。例えば、隙間ｇ１，ｇ２として０．０５ｍｍの隙間が生じても、磁気シールド性能の向上の幅は小さい。
【０１０８】
こうした図１４に示すような隙間ｇ１，ｇ２の存在に伴う磁気シールド性能の向上の低下を改善するためには、図１５に示すように、磁気シールド２の超伝導磁気シールド端板２８と対向する端面にも超伝導体２ｂを作成すればよい。
【０１０９】
さらに、隙間ｇ１と電流センサー１の厚さｈ１との比であるｇ１／ｈ１と、隙間ｇ２と磁気シールド２の厚さｈ２との比であるｇ２／ｈ２とを、それぞれ１／１０以下にすることにより、磁気シールド性能の向上を図ることができる。
【０１１０】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【０１１１】
（１）上記した実施の形態においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を構成する超伝導体の種類については特に限定するものではないが、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を構成する超伝導体としては、低温（液体ヘリウム温度）で作動する低温超伝導体でもよいし、高温（液体窒素温度）で作動する高温超伝導体でもよく、どちらの超伝導体も用いることができる。
【０１１２】
（２）上記した実施の形態においては、電流センサー１ならびに磁気シールド２の形状を円筒状としたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、電流センサー１ならびに磁気シールド２は筒形をしていればよく、円筒形状の他、楕円筒形状であってもよいし、多角筒形状であってもよい。
【０１１３】
また、支持板１４は、電流センサー１ならびに磁気シールド２の筒形の形状に合わせて、ドーナツ形状を適宜に変形すればよい。
【０１１４】
（３）上記した実施の形態においては、断熱支持棒２０は各支持板１４に対して２本ずつ配設するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。断熱支持棒２０は各支持板１４に１本ずつ配設するようにしてもよいし、あるいは、３本以上ずつ配設するようにしてもよい。また、一方の支持板１４に配設される断熱支持棒２０の本数と他方の支持板１４に配設される断熱支持棒２０の本数とが、異なっていてもよい。
【０１１５】
（４）上記した図１２に示す実施の形態においては、磁性第１磁気シールド２３と磁性第２磁気シールド２４と煙突シールド２５と磁性第３磁気シールド２６と煙突シールド２７とを全て配設するように図示したが、これらを全て配設しなくてもよいことは勿論である。磁性第１磁気シールド２３、磁性第２磁気シールド２４、煙突シールド２５、磁性第３磁気シールド２６ならびに煙突シールド２７の中で、所望のものを適宜に選択的に配設するようにしてもよい。また、磁性第１磁気シールド２３についても、円板部２３ａと円筒部２３ｂとの両方を配設する必要はなく、いずれか一方のみを配設するようにしてもよい。
【０１１６】
（５）上記した実施の形態においては、電流センサー１、磁気シールド２ならびにＳＱＵＩＤ３を冷却する冷却手段たる冷凍機として、機械振動低減のためにパルス管冷凍機を用いたが、これに限られるものではなく、機械振動の影響が問題とされない場合には、コールドヘッド部に機械的駆動装置を持った冷凍機を用いてもよい。
【０１１７】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、超伝導体の冷却機構を簡素化することができ、コストを大幅に削減することができるようになるという優れた効果を奏する。
【０１１９】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、測定作業の簡素化を図ることができるようになるとともに、測定時間の短縮化を図ることができるようになるという優れた効果を奏する。
【０１２０】
また、本発明は、以上説明したように構成されているので、磁気シールド性能を向上することができ、高感度のビーム電流測定を行うことができるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図２のＡ−Ａ線による断面図である。
【図２】ＳＱＵＩＤと液体ヘリウム温度で動作する超伝導体よりなる磁気シールドとを用いた従来のビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図１のＢ−Ｂ線による断面図である。
【図３】ＳＱＵＩＤを取り付けたビーム電流センサーの概略構成斜視説明図である。
【図４】グラジオメーターの説明図である。
【図５】磁気シールドの効果を測定するための磁場測定用のＳＱＵＩＤシステムの説明図である。
【図６】図５に示すＳＱＵＩＤシステムを用いて磁場の減衰率を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図８のＣ−Ｃ線ならびに図９のＥ−Ｅ線による断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の概略構成断面説明図であり、図７のＤ−Ｄ線による断面図である。
【図９】本発明の実施の形態の一例によるビーム電流計の構成説明図であり、冷凍機の配置を含む全体の概略外観構成図である。
【図１０】電気ヒーターの電流模式図である。
【図１１】ＳＱＵＩＤ素子のフィードバック回路構成を示すブロック構成図である。
【図１２】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す概略構成断面説明図であり、図１ならびに図７に対応する断面図である。
【図１３】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す概略構成説明図である。
【図１４】図１３において円形破線で示した端部の拡大概念断面図である。
【図１５】本発明によるビーム電流計の他の実施の形態を示す拡大概念断面図であり、図１４に対応する断面図である。
【符号の説明】
１ ビーム電流センサー
１ａ 基板
１ｂ 超伝導体の膜
２ 磁気シールド
２ａ 基板
２ｂ 超伝導体の膜
３ ＳＱＵＩＤ
４ 冷媒タンク
５，５’ 真空容器
５ａ，５’ａ 上面
５ｂ，５’ｂ 底面
５ｃ，５’ｃ 貫通孔
６，６’ 上フランジ
６’ａ 開口部
７ ビームダクト
８ 架台
９ 液体ヘリウム
１０ 真空領域
１１ 大気領域
１２ パルス管冷凍機
１２ａ コールドヘッド
１２ｂ バルブモータ
１２ｃ ガス圧縮機
１２ｄ ガス配管
１２ｅ ガス配管
１２ｆ コールドフィンガー
１３ 冷却板
１４ 支持板
１５ 編組導体
１６ 熱伝導シート
１７ 締付けボルト
１８ ナット
１９ 皿ばね
２０ 断熱支持棒
２１ 防振ゴム
２２ 電気ヒーター
２３ 磁性第１磁気シールド
２３ａ 円板部
２３ｂ 円筒部
２４ 磁性第２磁気シールド
２４ａ 貫通孔
２５ 煙突シールド
２６ 磁性第３磁気シールド
２６ａ 貫通孔
２７ 煙突シールド
２８ 超伝導磁気シールド端板
２８ａ 基板
２８ｂ 超伝導体の膜
Claims (6)
- 真空容器内に、前記真空容器内に入射されたビームが内径側を通過するようにして外径側にブリッジ部が形成された筒状の超伝導体のビーム電流センサーを配設し、前記ビーム電流センサーの前記ブリッジ部にＳＱＵＩＤを配設し、前記ビーム電流センサーとの間に前記ＳＱＵＩＤを位置させるようにして前記ビーム電流センサーの外径側を囲うように筒状の超伝導体の磁気シールドを配設し、 前記ビーム電流センサーの内径側にビームを通過させ前記ビームのビーム電流を計測するビーム電流計において、
前記ビーム電流センサー、前記ＳＱＵＩＤおよび前記磁気シールドの冷却手段として冷凍機を用いる
ことを特徴とするビーム電流計。 - 請求項１に記載のビーム電流計において、
前記冷凍機は、前記真空容器内に配置された熱伝導手段を有し、
前記ビーム電流センサー、前記ＳＱＵＩＤおよび前記磁気シールドは前記熱伝導手段を介して熱伝導により冷却される
ことを特徴とするビーム電流計。 - 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のビーム電流計において、
前記冷凍機は、パルス管冷凍機である
ことを特徴とするビーム電流計。 - 請求項１、請求項２または請求項３のいずれか１項に記載のビーム電流計において、
前記真空容器内における前記ＳＱＵＩＤの近傍にヒーターを配設し、前記ＳＱＵＩＤの温度の一定化を図る
ことを特徴とするビーム電流計。 - 請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のビーム電流計において、
前記真空容器内において、前記磁気シールドを囲むように磁性磁気シールドを配設した
ことを特徴とするビーム電流計。 - 請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のいずれか１項に記載のビーム電流計において、
前記真空容器を囲むように磁性磁気シールドを配設した
ことを特徴とするビーム電流計。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003155407A JP4550375B2 (ja) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | ビーム電流計 |
| PCT/JP2004/007346 WO2004107463A1 (ja) | 2003-05-30 | 2004-05-28 | ビーム電流計 |
| US10/558,419 US7435970B2 (en) | 2003-05-30 | 2004-05-28 | Beam current meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003155407A JP4550375B2 (ja) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | ビーム電流計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004356573A true JP2004356573A (ja) | 2004-12-16 |
| JP4550375B2 JP4550375B2 (ja) | 2010-09-22 |
Family
ID=33487357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003155407A Expired - Fee Related JP4550375B2 (ja) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | ビーム電流計 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7435970B2 (ja) |
| JP (1) | JP4550375B2 (ja) |
| WO (1) | WO2004107463A1 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005076039A1 (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | ビーム測定装置およびこれを用いたビーム測定方法 |
| JP2009117473A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Railway Technical Res Inst | 極低温容器の支持装置 |
| JP2014143243A (ja) * | 2013-01-22 | 2014-08-07 | Institute Of Physical & Chemical Research | 荷電粒子ビームの電流検知装置 |
| CN104409401A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-03-11 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 一种等离子清洗设备 |
| CN105068110A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-18 | 广东恒聚医疗科技有限公司 | 一种新型束流探测器 |
| JP2016048169A (ja) * | 2014-08-27 | 2016-04-07 | 公益財団法人国際超電導産業技術研究センター | 振動センサ及び振動センシングシステム |
| JP2021056036A (ja) * | 2019-09-27 | 2021-04-08 | 明星工業株式会社 | 低温熱伝導率測定装置 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9383460B2 (en) | 2012-05-14 | 2016-07-05 | Bwxt Nuclear Operations Group, Inc. | Beam imaging sensor |
| US9535100B2 (en) | 2012-05-14 | 2017-01-03 | Bwxt Nuclear Operations Group, Inc. | Beam imaging sensor and method for using same |
| CN114034906B (zh) * | 2021-11-09 | 2023-03-21 | 南京大学 | 一种用于弱束流信号测量的交流电流互感器探头模块 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4687987A (en) * | 1984-09-28 | 1987-08-18 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Beam current sensor |
| JPS6418280A (en) * | 1987-07-13 | 1989-01-23 | Sharp Kk | Superconducting device |
| JPH07135099A (ja) * | 1993-11-09 | 1995-05-23 | Japan Atom Energy Res Inst | イオンビーム電流測定装置および方法 |
| JP2000275289A (ja) * | 1999-03-24 | 2000-10-06 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | マイクロ波検出装置、その製造方法及び超伝導素子を用いた電磁波検出装置 |
| JP2001066354A (ja) * | 1999-08-30 | 2001-03-16 | Hitachi Ltd | 超電導量子干渉デバイス格納用極低温容器 |
| JP2003021670A (ja) * | 2001-07-08 | 2003-01-24 | Yuichiro Sasaki | 非接触型イオンビーム電流強度測定装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0288022B1 (en) | 1987-04-22 | 1995-11-15 | Sharp Kabushiki Kaisha | Superconductive apparatus |
| JPS6418280U (ja) | 1987-07-23 | 1989-01-30 | ||
| JP2001066351A (ja) | 1999-08-30 | 2001-03-16 | Sony Corp | 回路基板検査装置及びコネクタ |
| WO2005029100A1 (ja) * | 2003-09-24 | 2005-03-31 | Riken | ビーム電流センサー |
-
2003
- 2003-05-30 JP JP2003155407A patent/JP4550375B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2004
- 2004-05-28 WO PCT/JP2004/007346 patent/WO2004107463A1/ja active Application Filing
- 2004-05-28 US US10/558,419 patent/US7435970B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4687987A (en) * | 1984-09-28 | 1987-08-18 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Beam current sensor |
| JPS6418280A (en) * | 1987-07-13 | 1989-01-23 | Sharp Kk | Superconducting device |
| JPH07135099A (ja) * | 1993-11-09 | 1995-05-23 | Japan Atom Energy Res Inst | イオンビーム電流測定装置および方法 |
| JP2000275289A (ja) * | 1999-03-24 | 2000-10-06 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | マイクロ波検出装置、その製造方法及び超伝導素子を用いた電磁波検出装置 |
| JP2001066354A (ja) * | 1999-08-30 | 2001-03-16 | Hitachi Ltd | 超電導量子干渉デバイス格納用極低温容器 |
| JP2003021670A (ja) * | 2001-07-08 | 2003-01-24 | Yuichiro Sasaki | 非接触型イオンビーム電流強度測定装置 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005076039A1 (ja) * | 2004-02-10 | 2005-08-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | ビーム測定装置およびこれを用いたビーム測定方法 |
| US7535220B2 (en) | 2004-02-10 | 2009-05-19 | Panasonic Corporation | Beam measuring equipment and beam measuring method using the same |
| JP2009117473A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Railway Technical Res Inst | 極低温容器の支持装置 |
| JP2014143243A (ja) * | 2013-01-22 | 2014-08-07 | Institute Of Physical & Chemical Research | 荷電粒子ビームの電流検知装置 |
| JP2016048169A (ja) * | 2014-08-27 | 2016-04-07 | 公益財団法人国際超電導産業技術研究センター | 振動センサ及び振動センシングシステム |
| CN104409401A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-03-11 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 一种等离子清洗设备 |
| CN105068110A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-11-18 | 广东恒聚医疗科技有限公司 | 一种新型束流探测器 |
| JP2021056036A (ja) * | 2019-09-27 | 2021-04-08 | 明星工業株式会社 | 低温熱伝導率測定装置 |
| JP7332413B2 (ja) | 2019-09-27 | 2023-08-23 | 明星工業株式会社 | 低温熱伝導率測定装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20070069722A1 (en) | 2007-03-29 |
| WO2004107463A1 (ja) | 2004-12-09 |
| JP4550375B2 (ja) | 2010-09-22 |
| US7435970B2 (en) | 2008-10-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4950135B2 (ja) | セラミック巻型を持つヒートパイプ冷却型超伝導磁石 | |
| JP5942699B2 (ja) | 磁気共鳴信号検出モジュール | |
| EP0826977B1 (en) | Compact MRI superconducting magnet | |
| JP2010272633A (ja) | 超電導マグネット | |
| JP2010283186A (ja) | 冷凍機冷却型超電導磁石 | |
| JPS6196299A (ja) | 低温槽貫入管用の支持体 | |
| JPH0511642B2 (ja) | ||
| US8965468B2 (en) | Persistent-mode high-temperature superconducting shim coils to enhance spatial magnetic field homogeneity for superconducting magnets | |
| JP4550375B2 (ja) | ビーム電流計 | |
| WO2015079921A1 (ja) | 磁気共鳴イメージング装置 | |
| Ahokas et al. | A large octupole magnetic trap for research with atomic hydrogen | |
| JP2016217818A (ja) | 交流損失測定装置 | |
| Zhang et al. | Thermal analysis and experimental study of cryostat for superconducting wiggler of the HEPS-TF | |
| JPH0219430B2 (ja) | ||
| Zbanik et al. | ALS superbend magnet system | |
| CN216928214U (zh) | 超导磁体装置 | |
| Hatanaka et al. | A HTS scanning magnet and AC operation | |
| JP4716872B2 (ja) | ビーム電流センサー | |
| Watanabe et al. | A prototype of a highly sensitive cryogenic current comparator with a HTS SQUID and HTS magnetic shield | |
| JPH05267889A (ja) | センサー用磁気シールド体 | |
| Han et al. | Design and thermal performance of spoke cavity prototype cryomodule of the Chinese Accelerator Driven Sub-critical system Injector-I | |
| Nikulshin et al. | Design and testing of a system for measuring high-frequency AC losses in superconducting wires and coils carrying dc and ac currents | |
| Choi et al. | Design and fabrication of vibration-free cryostat for cryocooler-cooled superconducting magnet in CPS | |
| JP2005185319A (ja) | 超電導磁石装置及び磁気共鳴イメージング装置 | |
| JP4503405B2 (ja) | 超電導磁石装置及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060410 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100706 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100708 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716 Year of fee payment: 3 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |