JP6044033B2 - 荷電粒子ビームの電流検知装置 - Google Patents
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Description
図2は、本実施形態における電流検知装置を含むビーム強度測定装置の外観を示す正面図である。図3は、本実施形態における電流検知装置を含むビーム強度測定装置の内部構造を示す正面断面図である。そして図4は、本実施形態における電流検知装置を含むビーム強度測定装置の内部構造を示す側方断面図である。ビーム強度測定装置1000には、クライオスタット200中に電流検知装置100が設置され、その電流検知装置100に冷熱を供給するためにパルス管冷凍機などの冷凍機300が接続されている。
図6は、本実施形態の好適な構成における電流検知装置の筒状部材の構造を示す一部断面図である。特に図6(a)および図6(b)は、それぞれ、ブリッジ部102Bを通る位置において、および超伝導体膜非配置部102Sを通る位置において、HTS電流センサー筒102を切断した場合の断面図である。
次に誘導電流の生成原理について説明する。荷電粒子ビームIBの強度は、電荷の時間的な流れすなわち電流を生じさせる。この電流は荷電粒子ビームIBの周りに磁界を生成する。図5に示したようにHTS電流センサー筒102の内表面、外表面、および端部表面に高温超伝導体膜102Hが形成されていると、荷電粒子ビームIBがHTS電流センサー筒102の内部を通り抜ける際に、その周囲の磁界は、マイスナー効果により、HTS電流センサー筒102に形成された高温超伝導体膜102Hの内部に侵入することはできない。マイスナー効果は、高温超伝導体膜102Hに形成される反磁界に見合うように当該膜の表面または膜内の誘導電流が増大してもたらされる。図5および図6に示したように、電流検知装置100の具体的構成としてHTS電流センサー筒102の外表面に超伝導体膜非配置部102Sが形成されている場合、HTS電流センサー筒102の外表面における誘導電流はブリッジ部102Bに集中する。このため、集中した電流に従って増大した磁束がブリッジ部102Bの近傍に形成される。この磁束を磁気センサー104によって測定できれば、最終的に荷電粒子ビームIBの強度を測定することが可能となるのである。
次に磁気センサー104の構成について説明する。本実施形態の具体的な電流検知装置100の好適な構成において磁気センサー104の好適な一例がSQUID素子である。とりわけ、グラジオメータ(勾配計)とも呼ばれる磁束密度の勾配を測定するために適したSQUID素子を採用すると、外界の磁束密度の影響を受けにくいために高精度な測定が可能となる。さらに、その磁気センサー104はFLL(Flux Lock Loop)とも呼ばれるフィードバック測定構成を採用することにより、感度の高い検出信号を得ることができる。このような測定を行うために、磁気センサー104はフィードバック回路(図示しない)に対して制御信号を伝達可能な信号線により接続されている。
再び図3および図4を参照して、本実施形態の電流検知装置100の具体的な構成について説明する。本実施形態の構成において、高温超伝導体磁気シールド筒112(以下「HTS磁気シールド筒112」という)を採用することが好適である。当該好適な構成において、超伝導体膜非配置部102Sおよびブリッジ部102BはHTS電流センサー筒102の外表面に配置されており、磁気センサー104および磁束検出位置は外表面に面している。そして当該構成において、磁気遮蔽部材106がHTS電流センサー筒102の外表面に対し固定されて外表面の超伝導体膜102Hに対し磁気センサーを内封している場合に採用される。HTS磁気シールド筒112の配置は、HTS電流センサー筒102、磁気センサー104、および磁気遮蔽部材106を内部に収容する配置である。さらにHTS磁気シールド筒112は、超伝導体膜を少なくとも表面に有している。このHTS磁気シールド筒112は、同軸上に配置されたHTS電流センサー筒102とともに、それらの表面に形成された超伝導体膜の示すマイスナー効果により、外界からの磁気ノイズが内部に侵入することを抑制する。
次に磁気遮蔽部材106の構成について説明する。上述したように、磁気遮蔽部材106は、HTS電流センサー筒102の内表面、外表面、および端部表面のうちの磁束検出位置に向かう高温超伝導体膜102Hの表面に接しており、さらに、表面とともに磁気センサー104を内封するようにHTS電流センサー筒102に対し固定されている。磁気遮蔽部材106は、被測定磁束MB以外の磁束が磁気センサーへ到達することを抑制している。すなわち、磁気遮蔽部材106は、HTS磁気シールド筒112、第2軟磁性磁気シールド132、第1軟磁性磁気シールド122のいずれによっても防ぎ切れない磁界ノイズをさらに低減するように作用する。
電流検知動作の際に、高温超伝導体膜102Hは冷凍機300により冷却される。この冷却は、高温超伝導体膜102Hを超伝導状態に転移させる目的にて行なわれる。そして、高温超伝導体膜102Hが超伝導状態に転移させれば、HTS電流センサー筒102に形成されている高温超伝導体膜102Hにはマイスナー効果による磁気シールドの作用を期待することができる。つまり、高温超伝導体膜102Hの材質を適切に選択することにより、高温超伝導体膜102Hの超伝導臨界温度Tcを液体ヘリウム温度よりも高い温度とすることができる。そうすれば、電流検知動作の際に、液体ヘリウムを利用せず冷凍機300による冷却だけで、高温超伝導体膜102Hを超伝導状態に転移することができるため、本実施形態の電流検知装置100の動作に支障は生じない。冷凍機300による冷却を採用すれば液体ヘリウムを必要とせずに動作させることができる。
上述した実施形態における磁気遮蔽部材106による磁気シールドの作用を端的に示す目的の下、本願の発明者らはその実施例として、具体的な電流検知装置100の構造を想定して電磁界シミュレーションを実施した。そのシミュレーションの条件および結果について以下具体的に説明する。なお、本実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。また、すでに説明した図面を引き続き参照し、説明済みの要素については同様の符号により説明する。
上述した具体的構成に加え、本発明の実施形態には各種の変形を施すことができる。まず、上述した実施の形態においては、HTS電流センサー筒102や、磁気センサー104がSQUID素子である場合の超伝導体の種類については、超伝導臨界温度Tcを除き、特に限定するものではない。HTS電流センサー筒102のための超伝導体としては液体ヘリウム温度より高温に超伝導臨界温度Tcを有する高温超伝導体であれば、任意の材質を採用することができる。HTS磁気シールド筒112のための超伝導体についても同様である。
100 電流検知装置
102 HTS電流センサー筒
102B ブリッジ部
102C 筒状部材
102H 高温超伝導体膜
102HA、102HB 高温超伝導体膜の一部
102P 平面部
102S 膜非配置部
104 磁気センサー
106 磁気遮蔽部材
1062 フレーム部材
1062C 収容開口
1062R 凹み部
1064 キャップ部
1066 バンド部
112 シールド筒
122 磁気シールド
132 磁気シールド
134、136 磁性ディスク
140 支持板
200 クライオスタット
202 架台
204 防振ゴム
206 壁
208 天板
208A 開口部
210 入力ポート
220 出力ポート
300 冷凍機
312 ガス圧縮機
314、318 ガス配管
320 バルブモータ
322、324 コールドヘッド
326 冷却板
328 編組導体
Claims (10)
- 内部において軸の方向への荷電粒子ビームの通過を許容するようになっている筒状部材と、該筒状部材の内表面、外表面、および端部表面に形成されており、液体ヘリウム温度より高い超伝導臨界温度Tcを有する高温超伝導体膜とを有する高温超伝導体(HTS)電流センサー筒と、
被測定磁束が生成される磁束検出位置に配置されている磁気センサーであって、該被測定磁束は、前記荷電粒子ビームの強度に応じ該高温超伝導体膜の表面または内部を流れる電流に対応したものである、磁気センサーと、
前記HTS電流センサー筒の前記内表面、前記外表面、および前記端部表面のうちの前記磁束検出位置に向かう前記高温超伝導体膜の表面に接して、該表面とともに前記磁気センサーを内封するように前記HTS電流センサー筒に対して固定されている高透磁率材料の磁気遮蔽部材であって、前記被測定磁束以外の磁束が前記磁気センサーへ到達することを抑制している磁気遮蔽部材と
を備える荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 前記荷電粒子ビームの電流検知装置の機能を維持するために利用される経路を除き、外界から前記磁束検出位置に磁気ノイズが侵入しうる全ての経路が、前記磁気遮蔽部材および前記高温超伝導体膜の少なくともいずれかにより塞がれている、請求項1に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。
- 前記HTS電流センサー筒の前記内表面、前記外表面、または前記端部表面のいずれかの表面には、前記高温超伝導体膜が配置されていない超伝導体膜非配置部が設けられており、
前記磁気遮蔽部材は該超伝導体膜非配置部を覆っているものである、請求項2に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 前記超伝導体膜非配置部は、前記内表面、前記外表面、または前記端部表面において延び、前記軸の周りを少なくとも一周する周回路の部分となっており、
前記内表面、前記外表面、または前記端部表面のうち、前記超伝導体膜非配置部とともに前記周回路を完成させる位置に、前記電流が集中するよう前記高温超伝導体膜が残されたブリッジ部が設けられており、
前記磁気遮蔽部材は、該ブリッジ部および前記超伝導体膜非配置部を覆いながら前記周回路に沿って前記軸の周りを少なくとも一周している、請求項3に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 前記磁束検出位置が前記ブリッジ部の近傍であり、
前記被測定磁束が該ブリッジ部に集中させられた電流が生成する磁束である、請求項4に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 前記超伝導体膜非配置部および前記ブリッジ部が前記HTS電流センサー筒の前記外表面に配置されており、
前記磁気センサーおよび前記磁束検出位置が前記外側面に面しており、
前記磁気遮蔽部材が前記HTS電流センサー筒の前記外表面に対し固定されて該外表面の超伝導体膜に対し前記磁気センサーを内封しており、
前記HTS電流センサー筒、前記磁気センサー、および前記磁気遮蔽部材を内部に収容し、超伝導体膜を少なくとも表面に有する筒状の高温超伝導体(HTS)磁気シールド筒をさらに備えている、請求項1に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 前記磁気センサーがSQUID素子である、請求項1に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。
- 前記磁気遮蔽部材が金属材料であり、
前記SQUID素子が前記磁気遮蔽部材を通じて冷却される、請求項7に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。 - 電流検知動作の際に、冷凍機により前記SQUID素子が液体ヘリウム温度より高い温度に冷却される、請求項7に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。
- 電流検知動作の際に、冷凍機により前記高温超伝導体膜が液体ヘリウム温度より高い温度の前記超伝導臨界温度Tc以下に冷却される、請求項1に記載の荷電粒子ビームの電流検知装置。
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