JP6813903B2 - 荷電粒子ビームの電流測定装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子ビームの電流測定装置に関する。さらに詳細には、本発明は高い感度で荷電粒子ビームの強度を検出しうる荷電粒子ビームの電流測定装置に関する。

粒子加速器などにより生成された荷電粒子ビームを出力しながら測定することを目的として、荷電粒子ビームのつくる電荷の流れ（以下、「ビーム電流」と呼ぶ）を測定する手法が開発されている。そのための電流計または電流測定装置の典型が超伝導材料を環状または筒状の形状に形成し、その環または筒の内部中央を通り抜けるように荷電粒子のビームを通過させるものである。その測定原理は、ビーム電流からアンペールの法則により生じた磁場が当該環または筒に誘導電流を生じ、その誘導電流が作る二次的な磁束を磁気センサーにより測定する、というものである。その際の二次的な磁束はごく微弱であることから、通例、高感度な磁気センサーである超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ；Superconducting Quantum Interference Device）によるセンサー（以下「ＳＱＵＩＤセンサー」と呼ぶ）が採用される。なお、誘導電流は超伝導体を流れる超伝導電流であるため、ビームから生じた磁場からさらに誘導電流が生じる作用は、超伝導体が完全反磁性体となるマイスナー効果の渦電流（遮蔽電流）と同じである。

本発明者は、理化学研究所におけるＲＩＢＦ（Radioisotope Beam Factory）において、液体ヘリウムを必要としない高精度な電流測定装置の開発に取り組んでいる（たとえば非特許文献１）。ＲＩＢＦのビーム電流測定装置は、液体ヘリウムを必須とせず冷凍機により到達可能な比較的高い温度の超伝導臨界温度Ｔｃを示す超伝導材料（以下、「高温超伝導体（ｈｉｇｈ−Ｔｃ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）」という）を採用するものである。ただし、高温超伝導体は一般に酸化物などでありセラミックスに近い材質であることから、いったん高温超伝導体材料として形成された後の機械加工が難しい。そこで、本発明者の作製したビーム電流測定装置では、誘導電流を作り測定磁束を生成するという役割と、磁気シールドという別の役割を果たすために、別々の高温超伝導体部材を組み合わせることにより高精度化を目指している（特許文献１；非特許文献１、４の欄；および非特許文献２）。さらに、互いに接して組上げられる別々の部材に、測定磁場を生成する役割と磁気シールドとして振る舞う役割を担わせることによりコンパクトな装置構成となるビーム電流測定装置を創出している（特許文献２）。

特開２００４−３５６５７３号公報 特開２０１４−１４３２４３号公報

渡邉 環、加瀬 昌之、片山 武司、「SQUIDと超伝導磁気シールドを用いた高感度ビーム電流モニターの開発」、低温工学 ３８巻、９号、５０９−５２１、（２００３） Watanabe T., Fukunishi N., Sasaki Y., Kase M., Goto A., and Kamigaito O., "Development of Beam Current Monitor with High-Tc SQUID at RIBF" Proceedings of BIW10, Santa Fe, New Mexico, US, WEIANB02, (2010) M. Kuchnir et al., "SQUID based beam current meter," IEEE Trans. on Magnetics 21, 2, 997-999, (1985), DOI:10.1109/TMAG.1985.1063601 Michael I. Faley, "Epitaxial Oxide Heterostructures for Ultimate High-Tc Quantum Interferometers," Chapt. 7 in "Applications of High-Tc Superconductivity," (Adir Moyses Luiz ed.), InTech,(2011), ISBN 978-953-307-308-8, DOI:10.5772/2522, Chapter 7 URL:http://cdn.intechopen.com/pdfs-wm/16189.pdf （最終検索日：2016年7月14日) 長谷山秀悦、吉澤秀治、村上法史、「スプレー塗布法による銀基板上Bi-2212超伝導厚膜の臨界電流密度(Jc)の向上」、日本金属学会誌 第６６巻第７号、７２３−７２７（２００２）

しかし、上述した従来のビーム電流測定装置と同程度またはそれよりコンパクトな装置構成を採用することや、一層微弱なビーム電流を測定することに対し、継続したニーズが存在する。本発明は少なくともかかる課題のいずれかを解決するものである。

本発明者は、従来のビーム電流測定装置において微弱な電流の測定限界を決定している要因を詳細に解析した。そして、装置のサイズを増大させることなく高い感度を実現しうるビーム電流測定装置の構成を案出し本発明を完成させた。

すなわち、本発明のある実施形態においては、ある空間領域を通る軸の周りに該空間領域を囲んで実質的に環をなしている高透磁率材料のマグネティックコアと、該マグネティックコアと略同軸に配置されている誘導環であって、前記空間領域の少なくとも一部を占めて前記軸の周りに環をなしており、表面または表層のうち前記軸に向かう軸側表面領域と前記マグネティックコアに向かうコア側表面領域との一部または全部に超伝導体が配置されており、該超伝導体がポロイダル方向の径路で超伝導電流を伝えるようになっている、誘導環と、前記マグネティックコアの内部をトロイダル方向に通る磁束に磁気的に結合される磁束検出部を備えるＳＱＵＩＤセンサーとを備えてなる荷電粒子ビームの電流測定装置が提供される。

上記態様のビーム電流測定装置は、高透磁率材料のマグネティックコアと、表面または表層の少なくとも一部に超伝導体が配置されている誘導環とを備えている。誘導環がマグネティックコアと略同軸に配置されることにより、ビーム電流に応じその周りに生成された磁場が誘導環の超伝導体に電流を誘導する。この電流は超伝導に伴うマイスナー効果の完全反磁性をもたらす強さの超伝導電流となる。この電流は誘導された渦電流であるものの、適切に導けば二次的な磁束を生成させることができる。そのための形状が、誘導環の環状の形状である。そしてその磁束を、可能な限り漏れなく、また外部磁場の影響も排除したまま直接ＳＱＵＩＤセンサーで検出する構成とすることにより高い感度が実現する。実施形態にて後述するように、このような構成を持つビーム電流測定装置は、全体のサイズを特段増大させることなく、高い検出感度を達成することができる。

上記態様のビーム電流測定装置は、前記マグネティックコアと略同軸に配置されて、前記軸の周りに環をなしているシールド環をさらに備えており、前記誘導環と該シールド環とが、前記マグネティックコアを収容する環状の収容空間を形成しており、該収容空間が超伝導体により実質的に囲まれているものであると好ましい。

かかる好ましい構成にて採用されるシールド環は、上記誘導環とともに、環状の収容空間にマグネティックコアを収容し、その収容空間にあるマグネティックコアを誘導環およびシールド環の外界から磁気的に隔離する磁気シールドの役割を補う。本発明の上記態様における好ましい構成においては、例えばビーム電流測定装置の機能を維持するために利用される最小限の経路が侵入路となる点を除き、マグネティックコアやＳＱＵＩＤセンサーに影響する磁気ノイズが外界から侵入しうるほぼ全ての侵入路が塞がれる。このビーム電流測定装置の機能を維持するために利用される最小限の侵入路として最も典型的なものは、磁気センサーの信号線を外部に取出すための経路のほか、誘導環とシールド環の間の絶縁のための領域である。この好ましい構造では、誘導環のマイスナー効果とシールド環の作用により外界の磁気ノイズが効果的に抑制され、高精度な電流検知動作を実現することが可能となる。これにより、外界の磁気ノイズによる検出感度の悪影響を極力抑制することができる。

本発明のいずれかの態様のビーム電流測定装置においては、装置のサイズを比較的コンパクトに保ったまま微弱な荷電粒子ビームの微弱な電流を正確に測定することができる。

従来のビーム電流測定装置の一例であるＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計の構成を示す模式図である。 従来のビーム電流測定装置の一例であるＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計の構成を示す模式図である。 従来のＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計のＳＱＵＩＤセンサーを含む回路系の模式回路図である。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置の典型的な構成例であり、その要部を示す一部破断分解斜視図（図４Ａ）および断面図（図４Ｂ）である。 本発明の実施形態において図４に示したビーム電流測定装置のマグネティックコアと電磁気学的に等価なビーム電流測定装置モデルを示す模式図である。 本発明の実施形態において、有限要素法による数値計算のために採用した四角枠形状を持つ誘導環、シールド環、およびマグネティックコアを備えるビーム電流測定装置モデルの一部破断斜視図である。 本発明の実施形態において軟磁性磁気シールドによりビーム電流測定装置への環境磁場をシールドする構成を示す概略断面図である。 本発明の実施形態においてビーム電流測定装置に適合させた磁場発生装置と環境磁気センサーを配置した様子を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置において、マグネティックコアとＳＱＵＩＤセンサーとの関係を示す断面図であり、磁気ギャップを設ける構成（図９Ａ）、磁気ギャップを設けない構成（図９Ｂ）、アンテナコアを用いる構成（図９Ｃ）、およびアンテナコアを用いてマグネティックコアにファンネル部を設ける構成（図９Ｄ）を示す。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置のためのＢｉ２２１２テストピースを焼成および徐冷して表面を観察した走査型電子顕微鏡象であり、図１０Ａ〜Ｄは順に（雰囲気、徐冷レート）の組み合わせの条件が（大気、−４℃／時）、（大気、−１２℃／時）、（酸素、−４℃／時）、および（酸素、−１２℃／時）とした条件のものである。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置のためのＢｉ２２１２テストピースを酸素雰囲気にて徐冷レートを−４℃／時として形成して取得したＸ線回折のチャートである。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置のためのＢｉ２２１２テストピースを酸素雰囲気にて徐冷レートを−１２℃／時として形成して取得したＸ線回折のチャートである。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置のためのＢｉ２２１２テストピースにおいて超伝導臨界温度を測定するために昇温および降温にて磁化率を測定したグラフである。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置のためのＢｉ２２１２テストピースにおいて超伝導臨界電流を測定するために磁化率のヒステリシス特性を測定したグラフである。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置の実施例において、動作検証のためのセットアップを示す説明図である。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置の実施例において、ＳＱＵＩＤコントローラーからの出力波形をアナログオシロスコープに表示した表示像の写真である。 本発明の実施形態におけるビーム電流測定装置の実施例において、ＳＱＵＩＤコントローラーからの出力波形をＦＦＴ処理して周波数空間で示すＦＦＴアナライザーの表示像の写真である。

以下、本発明に係るビーム電流測定装置に関する実施形態を図面を参照して説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。

１．ビーム電流検出装置の動作解析
本発明の実施形態の説明に当たり、その動作原理の着想に至る際に従来のビーム電流検出装置の動作を解析し詳細な知見を得たのでその説明から始める。
１−１．従来例１（ＦＮＡＬのＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計）
図１は、ＦＮＡＬ（米国、フェルミ国立加速器研究所）にて創出された従来のビーム電流測定装置の一例であるＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計７００の構成を示す模式図である（非特許文献３）。図１に示すように、超伝導ピックアップループ７１０が超伝導インプット回路７２０につながっている。超伝導インプット回路７２０の先には、自己インダクタンスＬ_ｓを持つＳＱＵＩＤ向けコイル（ＳＱＵＩＤインプットコイル）７２２が接続されている。超伝導ピックアップループ７１０中をビームが通過すると、誘導電流が荷電粒子ビームの電荷の流れを打ち消すように流れる。例えば荷電粒子が正に帯電していれば、超伝導ピックアップループ７１０内部と外部において、内部ではビームとは逆向きに、外部では荷電粒子ビームと同じ向きに遮蔽電流ｉが流れる。超伝導ピックアップループ７１０は超伝導転移温度以下で動作されるため、遮蔽電流ｉは超伝導電流であり、マイスナー効果のための完全反磁性を担う。遮蔽電流ｉは超伝導インプット回路７２０にも流れ、ＳＱＵＩＤインプットコイル７２２に磁束を生じさせる。この磁束はＳＱＵＩＤセンサー７３０に磁束が伝達される。図１にはこの動作に関与する量を示すシンボルも示している。これらの意味と典型値は表１の通りである。

図１に示すＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計７００にてビーム電流Ｉの周囲にアンペールの法則に従って生じる磁束φは、マイスナー効果のために超伝導ピックアップループ７１０の内部への侵入が妨げられ、その値が以下の式で表される。

この磁束φに応じＳＱＵＩＤインプットコイル７２２に流れる電流ｉは、

となる。ＳＱＵＩＤセンサー７３０のループ（ＳＱＵＩＤループ）７３２とＳＱＵＩＤインプットコイル７２２の相互インダクタンスＭを使うことによりＳＱＵＩＤループ７３２内の磁束φ_ｓは以下の式で表される。

ビーム電流ＩとＳＱＵＩＤインプットコイル７２２に流れる電流ｉは、

と表される。ここに上記値を代入することにより、ｉ＝Ｉ／１４５の関係が得られる。１μＡのビーム電流に対しＳＱＵＩＤループ７３２内に生じる磁束φ_ｓを式（３）から算出すると、磁束量子φ_０を単位に用いてφ_ｓ＝６．６７×１０^−２φ_０と表される。

１−２．従来例２（理化学研究所のＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計）
図２は、理化学研究所にてプロトタイプとして稼働している従来のビーム電流測定装置の一例であるＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００の構成を示す模式図である（特許文献２）。ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００はＨＴＳ電流センサー筒８１０と磁気センサー８３０と磁気遮蔽部材８４０とを備えている。ＨＴＳ電流センサー筒８１０は、筒状部材８１２と、それを基材として形成される高温超伝導体膜８１４とを備えている。筒状部材８１２は、内部において筒の軸の方向に向かって荷電粒子ビームＩＢの通過を許容するようになっている。高温超伝導体膜８１４は、液体ヘリウム温度より高い温度の超伝導臨界温度Ｔｃを示す高温超伝導体の膜であり、筒状部材８１２の内表面、外表面、および端部表面に形成されている。磁気センサー８３０はブリッジ８２２に近接して配置される。ブリッジ部８２２が図１のインプットコイル７２２（図１）として動作することから、ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００の動作解析のために式（１）〜式（４）を採用することができる。ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００についてはすでに感度が測定されているため、ここでの解析は性能を決している動作機構やその実際の数値範囲を調査することが目的である。

まずカップリング係数αを以下のように定義する。

このカップリング係数αは、式（４）から明らかなように、ビーム電流Ｉに対するインプットコイルに流れる電流ｉの比率である。なお、このカップリング係数αにより式（３）を表現し直すと次のようになる。

他方、アンペールの法則から、電流ｉが中心からｒ（ｍｍ）の場所に作り出す磁場Ｂ_ｃａｌｃは、

となる。図２に示したＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００の場合、ＳＱＵＩＤセンサー８３０として用いるＳＱＵＩＤグラジオメーターの導通部分（図１のＳＱＵＩＤループ７３２に相当）がインプットコイル（ブリッジ部８２２）から６ｍｍ離れて位置している。これを反映するために６ｍｍの値を式（７）に代入すると、ビーム電流１μＡの際の計算上の磁場Ｂ_ｃａｌｃは３３．３ｐＴとなる。ここで、現実のＳＱＵＩＤグラジオメーターの感度は実測で０．９ｎＴ／Ｖであり、またプロトタイプのＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計の感度が実測で１０ｍＶ／１μＡである。これらから、同プロトタイプでのＳＱＵＩＤグラジオメーターが直接測定している磁束密度の実際の値は、１μＡのビーム電流Ｉに対して９ｐＴとなっているといえる。この実測値と計算上の磁場Ｂ_ｃａｌｃとにより、上記カップリング係数αが０．２７０と算出される。また、ＳＱＵＩＤグラジオメーターの磁束と磁場の関係が予め測定されているので、１μＡの場合の磁束２．１７×１０^−２φ_０を式（６）に代入すると、ＳＱＵＩＤループと超伝導電流センサーブリッジ回路の相互インダクタンスＭは０．１６６ｎＨと算出される。

超伝導ピックアップループ７１０（図１）に相当するＨＴＳ電流センサー筒８１０の自己インダクタンスＬ_ｐは、外径Ｒ_ｏ、内径Ｒ_ｉ、高さｈを持つため一般のトロイダルコアの解析に基づき、以下の式（８）で与えられる。

プロトタイプのＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計８００の場合、ｒ_２＝４９．５ｍｍ、ｒ_１＝４３．０ｍｍ、ｈ＝２５０ｍｍとなり、比透磁率μ_ｒ＝１とした場合にＨＴＳ電流センサー筒８１０の自己インダクタンスＬ_ｐは７．０４ｎＨと算出される。この値を用い式（５）でＮ＝１とおくことにより、超伝導電流センサーブリッジ回路の自己インダクタンスＬ_ｓは１９．０ｎＨと算出される。

１−３．従来例３（ＴＡＲＮ−ＩＩにおけるＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計）
ＴＡＲＮ−ＩＩ（高エネルギー加速器研究機構）において過去に採用されているＳＱＵＩＤ電流計（非特許文献１、Ｆｉｇ．７およびＦｉｇ．８）を例に、ビーム電流が作り出す磁束を計算しビーム電流測定の分解能について説明する。この分解能はＴＡＲＮ−ＩＩのＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計のノイズレベルと比較すべきものであり、実測のＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計の感度は５ｍＶ／１ｎＡである。

ＴＡＲＮ−ＩＩのＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００のＳＱＵＩＤセンサーを含む回路系の模式回路図を図３に示す。ＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００は、フィードバックコイル９５２、フィードバック抵抗９５４、バッファーアンプ９５６により構成される、ＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）動作のためのフィードバックパス９５０を備えている。ここでピックアップコイル９１０はマグネティックコア９０２に巻かれており、荷電粒子ビームの通過によって発生した電流は、このピックアップコイル９１０内（すなわちマグネティックコア９０２内）に磁束をもたらす。ピックアップコイル９１０とインプットコイル９２２は、それらの間の配線も含めてニオブの超伝導線によって作製されている。このような構成により、マグネティックコア９０２に生じた磁束φは、上記超伝導線中の超導電流Ｉ_ｐを介しＳＱＵＩＤセンサー９３０に磁束を生じさせる。マグネティックコア９０２の仕様は表２のとおりである。

これらの値を上述した式（８）に代入することにより、このマグネティックコア９０２のインダクタンスつまりピックアップコイル９１０の自己インダクタンスが２７μＨと求まる。

図３中の各パラメータの意味とそれらの典型値な値は次の表３の通りである。

ピックアップコイル９１０に磁束φが生成されることにより、ピックアップコイル９１０とインプットコイル９２２とを含むループに生じる遮蔽電流Ｉ_ｐとの間に次の関係が成立する。

但し、Ｌ_ｐ≫Ｌ_ｉなので、以下のように近似できる。

この電流Ｉ_ｐによってＳＱＵＩＤセンサー９３０に磁束φ_ｓが伝達されるので、

の関係が成り立つ。フィードバック測定で磁束ロック状態になると、このＳＱＵＩＤループ９３２内の磁束がゼロになるようにフィードバックコイル９５２に電流Ｉ_ｆが流れる。したがって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔをＳＱＵＩＤセンサー９３０の出力電圧とすると磁束φ_ｓは以下の式で表される。

この際Ｍ_ｆｓ（ｅｆｆ）と表現するのは、フィードバックコイル９５２とＳＱＵＩＤループ９３２の間の実効的な相互インダクタンスであることを示すためである。この値に反映されるのは、フィードバックコイル９５２からの磁束伝達が直接ＳＱＵＩＤループ９３２に伝達する成分（つまりＭ_ｆｓ）とインプットコイル９２２経由で伝達する成分である。すなわちＭ_ｆｓ（ｅｆｆ）は、

と表される。上記の過程を整理すると信号磁束φと出力電圧Ｖ_ｏｕｔの関係が、

と導き出される。

次に、これらに従って具体的な数値を用いて信号磁束φを求め、実際の出力と比較する。ピックアップコイル９１０の自己インダクタンスＬ_ｐを２７μＨとすると、１ｎＡのビーム電流に対してピックアップコイル９１０に生じるべき信号磁束φが２．７×１０^−１４ｗｅｂｅｒ、さらに１ｎＡの場合の計算上の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが２６ｍＶとなる。他方、ＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００の現実の感度は上述したとおり１ｎＡの場合に５ｍＶである。これらから、実際の感度は計算上の出力の約１／５に相当するといえる。

式（１１）よりＳＱＵＩＤセンサー９３０上での磁束φ_ｓは、５×１０^−１８ｗｅｂｅｒとなる。ここで、ＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００の磁束換算ノイズは、１０μＴφ_０／Ｈｚ^１／２＝２．０７Ｅ−２０ｗｅｂｅｒ以下である。このため１Ｈｚの帯域とした場合、１ｎＡのビーム電流が作り出す磁束はＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００の磁束換算ノイズの約２５０倍となる。このノイズレベルと等価になるような信号の帯域は１５Ｈｚである。

２．改良による実施形態
各種のビーム電流測定装置を動作解析して得られた上記詳細な知見を踏まえ、本発明者は、ＳＱＵＩＤ電流計の高感度化を目指すための重要なパラメータが存在することに気づいた。上記各知見は、超伝導体の超伝導転移温度とは独立しており、ピックアップコイル、インプットコイル、およびＳＱＵＩＤセンサーの間の電磁気的な結合条件を整理したものである。加えて、ビーム電流計の分解能を決定するのは信号対ノイズ比（ＳＮ比）であるため、ノイズ成分が抑制できない状況で分解能を上げるためには信号成分を増大させるしかない。その信号成分とは、式（１２）中のＳＱＵＩＤセンサー上に伝達される磁束φ_ｓである。この磁束φ_ｓを効果的に増やすためにピックアップコイルの自己インダクタンスＬ_ｐを増大させることに着目する。

すなわち、自己インダクタンスＬ_ｐが大きくなると、付随するインダクタンスが存在したとしても、それが無視しうる程度であるなら、マイスナー効果のためにビーム電流に伴う遮蔽表面電流とそのビーム電流とが互いに一致する。また式（１１）から明らかなように、ピックアップコイルの自己インダクタンスＬ_ｐが大きければ集められる磁束φも多くなり、ＳＱＵＩＤ上に伝達される磁束φ_ｓも増える。さらに、ＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００（図３）では、ピックアップコイル９１０で得られた磁束を一旦電流に変換し、ＳＱＵＩＤセンサーのインプットコイル９２２で磁束を発生させてＳＱＵＩＤセンサー９３０に磁束を伝達している。このような方法で磁束の漏れがあると、それだけ伝達される磁束が減少してしまう可能性がある。そこで、本発明者は、ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計を改良するために、磁束の漏れが原理的に生じにくく、かつ高いカップリング係数を実現する構造（「ダイレクトカップリング」と呼ぶ）を採用することとする。

２−１．ダイレクトカップリング
図４は、本実施形態のビーム電流測定装置１００の典型的な構成例において要部を示す一部破断分解斜視図（図４Ａ）およびその断面図（図４Ｂ）である。本実施形態のビーム電流測定装置１００は、高透磁率材料により作製されており実質的に環をなしているマグネティックコア１０２と誘導環１１０を備えている。これらの相対配置をみると、誘導環１１０はマグネティックコア１０２に対して概ね同軸に配置され、典型的には図示するように互いに同軸に配置される。同軸に配置されている場合の荷電粒子ビームＩＢの典型的な向きは、誘導環１１０およびマグネティック１０２の共通する回転対称軸つまり軸１０２Ｃに一致する方向である。なお、誘導環１１０およびマグネティックコア１０２の相対配置、ならびにこれらに対する荷電粒子ビームＩＢの向きの相対配置は必要に応じ適宜に調整できる。誘導環１１０はマグネティックコア１０２の図示した円環形状のものは典型例であり、本実施形態を実施するためには、例えば矩形の環状や他の形状の環状とすることもできる。ここで、高透磁率材料のマグネティックコア１０２や誘導環１１０は任意の形状とすることができ、図４に典型例として示した円環といった特定の形状には限定されない。ただし、説明の目的にて、以降の説明においてマグネティックコア１０２は概してトロイド形状（円環）であり、誘導環１１０も回転対称軸がマグネティックコア１０２の軸１０２Ｃと一致して同軸であるような回転対称の環であるとする。

構成例のビーム電流測定装置１００における誘導環１１０は、互いに同軸になっている内筒部１１０Ａと外筒部１１０Ｂを備え、これらにより挟まれる空間のうちの軸１０２Ｃの延びる方向のうちの一方が底部１１０Ｃにより塞がれている。このため図４に示すように、ビーム電流測定装置１００における誘導環１１０はＣ字型断面を持ち全体が環をなしている。この誘導環１１０では、当該Ｃ字型断面のために三方が囲われ一方が開放された環状の空間（収容空間Ｖ_ｒ）が画定される。

その一方、マグネティックコア１０２はそれ自体がある軸１０２Ｃ周りに全体に環をなし、軸１０２Ｃを通る空間領域Ｖ_ｃを囲んでいる。この空間領域Ｖ_ｃの少なくとも一部を誘導環１１０の一部が占めている。図４の構成例では、誘導環１１０の内筒部１１０Ａが空間領域Ｖ_ｃの一部を占めている。マグネティックコア１０２は高透磁率材料により作製されている。このため、それ自体が環状であるマグネティックコア１０２にとっての周囲空間に電流が流れると、その電流の周りに生じる磁場がマグネティックコア１０２中にトロイダル方向に向かう磁束を生成する。

誘導環１１０の誘導電流はポロイダル方向の成分を持つ超伝導電流であり、同軸に配置された上記マグネティックコア１０２の内部にはトロイダル方向に磁束が生じる（図４Ｂ）。ここで、図４Ａに示すように、トロイダル方向は円環の回転対称軸を中心軸にその周りを回る方向であり、ポロイダル方向は円環の表面の各位置においてトロイダル方向に沿った回転軸を持つ回転動作で描かれる軌跡の方向である。

誘導環１１０の表面は、マグネティックコアに向かうコア側表面領域１１２と、軸１０２Ｃに向かう軸側表面領域１１４とを含んでいる。この誘導環１１０の表面または表層の一部には超伝導体が配置されており、典型例では、超伝導体は誘導環１１０の表面または表層を、マグネティックコア１０２に面する側も含めてすべてを覆っている。ここでの表面または表層とは、文字通りの最表面に達するある厚みの層であることに加え、電磁的な誘導作用や超伝導作用に影響のない追加の物質が超伝導体の上層に形成されることも許容する意味である。さらに、表面または表層の一部とは、ポロイダル方向に超伝導電流を伝える径路が確保される限り超伝導体が配置されないような領域が存在しても構わないことを意味している。誘導環１１０の超伝導体が形成される基材の材質は特段限定されず、例えば超伝導体の形成に適する任意の材質を採用することができる。このような材質は、例えば、超伝導体の結晶成長を阻害しない材質や、超伝導体と合金を形成しない材質ものが選択される。本出願の図面では誘導環１１０の断面では超伝導体の範囲を特定せずに示すが、誘導環１１０はその厚みすべてが超伝導体からなるものとすることができ、逆に必ずしも誘導環１１０のすべてが超伝導体であることも要さない。超伝導体の厚みは、例えば磁場侵入長を越す厚みであることが好ましい。

上述したマグネティックコア１０２に磁束を生成させる電流は、典型的には誘導環１１０をポロイド方向に流れる超伝導になった遮蔽電流である（図４Ｂ）。本実施形態においては、コア側表面領域１１２と軸側表面領域１１４の一部または全部この空間領域の少なくとも一部にも超伝導体が配置されているため、遮蔽電流を超伝導電流としてポロイド方向に伝えるようになっている。図４Ｂにはこの超伝導電流を鎖線にて図示している。

荷電粒子ビームＩＢがマグネティックコア１０２と誘導環１１０にとっての回転対称軸である軸１０２Ｃに沿って進む場合、ビーム電流が生成する磁場は、アンペールの法則と右ネジの法則に従いマイスナー効果により誘導環１１０にとってのポロイダル方向に遮蔽電流を生じさせる。このポロイダル方向の遮蔽電流が、マグネティックコアの内部に磁束を生成する。図４Ｂでは電流、荷電粒子ビームＩＢを、ともに電荷の流れの向きにより矢印で示している。荷電粒子ビームＩＢが負の電荷を帯びた粒子の場合には、荷電粒子ビームＩＢとビーム電流とが逆向きとなるため、電流および磁束とも反転することに注意されたい。また、誘導環１１０の表面または表層には超伝導体が形成されているため、マグネティックコア１０２の磁束が収容空間Ｖ_ｒから漏れにくくなり、磁束の漏れが原因となったカップリング係数αの悪化が防止される。

好ましい構成においては、収容空間Ｖ_ｒの開口には、やはり環をなしているシールド環１６０が配置される。シールド環１６０は、誘導環１１０の形状に概ね適合されており、典型的には穴あき円盤形状を持つ。図４Ａの分解斜視図に示すシールド環１６０は、図４Ｂに示すとおり、使用時において誘導環１１０の開口を塞ぐことにより、誘導環１１０とともにマグネティックコア１０２のための収容空間Ｖ_ｒを完成させている。このシールド環１６０は、高透磁率材料により作製されるようなもの（高透磁率シールド環）と、誘導環１１０と同様に少なくとも表面または表層に超伝導体を形成したもの（超伝導シールド環）とのいずれのものでも本実施形態に採用することができる。以下の説明では、特に断らない限りシールド環１６０の典型例として超伝導シールド環の場合の構成例を説明する。その構成例では、シールド環１６０の超伝導体にも、荷電粒子ビームＩＢによる磁場の侵入を防ぐ方向の遮蔽電流が、マイスナー効果に従った超伝導電流となったシールド環にとってのポロイダル方向に流れる（図４Ｂ）。

シールド環１６０を採用する場合に遮蔽電流のうち直接的にマグネティックコア１０２に作用するのは、誘導環１１０、シールド環１６０それぞれにおいて流れる超伝導電流のうち、マグネティックコア１０２に面する範囲にて流れる成分である。このため、マグネティックコア１０２からみた場合の電流の方向は、誘導される超伝導電流の示す回転方向が誘導環１１０の内と外で反転している。図４Ｂでは、荷電粒子ビームＩＢの帯びる電荷が正であれば、荷電粒子ビームＩＢより紙面上の上方では紙面から手前に飛び出す向きに、また荷電粒子ビームＩＢより下方では紙面に向かって奥に進む向きに、磁束が生じる。図４Ｂでは、紙面と磁束の向きとの関係を矢印の矢尻を先から向かって見るマークと矢羽根を後ろから見るマークにより示している。このようなシールド環１６０を採用すると、マグネティックコア１０２の磁束は、シールド環１６０誘導環１１０とが作る収容空間Ｖ_ｒに閉じ込められるため、磁束の漏れが原因となったカップリング係数αの悪化は防止される。最終的にマグネティックコア１０２の内部にトロイダル方向に通る向きに誘起される磁束は、誘導環１１０およびシールド環１６０の超伝導体に流れる超伝導電流が収容空間Ｖ_ｒに作る磁場に応じたものである。

なお、超伝導電流が誘導環１１０の表面とシールド環１６０の表面との間で相互に伝達する場合、誘導環１１０とシールド環１６０の外側表面のみを流れてしまうような超伝導電流の成分が生じる。そのような成分は、マグネティックコア１０２における磁束の生成に寄与しないため、ビーム電流の値に比して磁束が弱まる原因ともなる。実際には、超伝導体が表面または表層に形成されているとしても、誘導環１１０の表面をシールド環１６０の表面に接触させたのみで、超伝導状態の領域が連続するとは必ずしもいえない。しかしながら、安定した測定動作のためには、本実施形態においては誘導環１１０とシールド環１６０との互いの接触を防止するための電気絶縁用の部材（図示しない）が配置されると好ましい。

マグネティックコア１０２には、その内部を通る磁束と磁気的に結合する位置に磁束検出部分となるＳＱＵＩＤループ１３２を持つようにしてＳＱＵＩＤセンサー１３０が配置される。マグネティックコア１０２が高透磁率材料で作製されていることは、高い磁束密度を通じ、マグネティックコア１０２の自己インダクタンスを高める作用を持つ（式（２））。さらにマグネティックコア１０２の透磁率が高いことにより、ＳＱＵＩＤセンサー１３０のＳＱＵＩＤループ１３２つまり磁束検出部に対して誘導電流の作る磁束を集中させる作用も持つ。

上述した超伝導シールド環を対象とした説明は、シールド環１６０が高透磁率材料により作製される高透磁率シールド環である場合にもほぼ同様に成り立つ。その場合、高透磁率シールド環の高透磁率材料が十分な厚みをもっていれば、収容空間Ｖ_ｒと外界とが磁気的に互いに影響しなくなる。この点は超伝導シールド環の場合と同様である。超伝導シールド環の説明からのわずかな修正は、シールド環１６０に超伝導電流が流れないことに伴うものである。高透磁率シールド環では図４Ｂにおけるシールド環１６０のようにポロイダル方向の超伝導電流が誘導されないため、高透磁率シールド環の場合のマグネティックコア１０２に生じる磁束は、誘導環１１０に流れるポロイダル方向の超伝導電流によって誘起されるもののみとなる。このため、高透磁率シールド環を採用してもビーム電流は原理的に支障なく測定することができる。

マグネティックコア１０２に生成される磁束を検出するためのダイレクトカップリングの構成として、本発明者は、マグネティックコア１０２に磁気ギャップを形成する構成と、磁気ギャップを形成しない構成との両者が有望であると考えている。そこで、磁気ギャップを用いる構成についてまず説明し、次に磁気ギャップを用いないものについて述べる。

２−２．磁気ギャップを用いるＳＱＵＩＤセンサーとのカップリング
磁気ギャップを用いるダイレクトカップリングでの典型的なマグネティックコア１０２は、トロイダル方向に高透磁率材料が途切れる磁気ギャップ１０４が設けられており全体として環状の形状をもつ。ＳＱＵＩＤセンサー１３０は、磁束検出部が当該磁気ギャップ１０４に位置するようにして配置されている。ＳＱＵＩＤセンサー１３０は、典型的には高温超伝導体を採用したＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサーである。例えばＳＱＵＩＤセンサー１３０はマグネティックコア１０２の端面に挟まれるようにして磁気ギャップ１０４中に配置される。ＳＱＵＩＤセンサー１３０にてその位置の磁束を定量すれば、荷電粒子ビームＩＢにより生成されているビーム電流を測定することができる。

この構成例におけるビーム電流測定装置１００の測定性能は次のようにして見積もることができる。図５は、図４に示した本実施形態のビーム電流測定装置のマグネティックコア１０２と電磁気学的に等価な仮想コアモデル２００を示す模式図である。マグネティックコア２０２には磁気ギャップ２０４（長さＧ）が形成されている。この磁気ギャップ２０４がＳＱＵＩＤセンサー１３０が配置されるギャップ１０４（図４）に相当する。図５の磁気回路の動作を解析するための各パラメータは表４のように与えられる。

ここで、起磁力Ｆ_ｍは、

と表され、磁束φと磁気抵抗Ｒ_ｍを用いて、

の関係がある。また、この磁気ギャップ２０４がある仮想コアモデル２００においてマグネティックコア２０２の磁気回路全体での磁気抵抗Ｒ_ｍは、

で表される。磁束φは式（１５）と式（１６）を用いると

と表される。例えばマグネティックコア２０２が高い透磁率材料で作製され、磁気ギャップ２０４が空気や非磁性材の冷媒である場合、μ≫μ_０の条件が成り立つ。その場合には式（１８）は

と近似することができる。このような動作を評価するために、ビーム電流ＩをＩ＝１ｎＡとした場合の数値を見積もる。その見積りでは、荷電粒子ビームがワンパスであるためにＮ＝１とし、実際に作製した一例のＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサーの詳細な仕様（表５に摘記）を反映させる。

計算のため、マグネティックコア２０２の断面積ＳとエアギャップＧそれぞれをＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサーの有効面積と高さに等しくなるように製作したと仮定する。これらの値を式（１９）に代入すると、ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサー上での磁束φ_ｓは、５．３×１０^−１９ｗｅｂｅｒとなる。つまり帯域を１Ｈｚとした場合の１ｎＡのビーム電流が作り出す磁束は、ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサーの磁束換算ノイズの約１３倍程度の値である。

なお、ＴＡＲＮ−ＩＩのために開発されたＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計での上記比率を算出すると、約２５０倍となる（上述１−３）。本実施形態によるビーム電流測定装置を採用した場合にもこの比率と同様の値を実現するためには式（１９）に基づいて形状を調整すればよく、例えばエアギャップを１／１０の１ｍｍ、インプットコイルの有効面積を２倍の８．４ｍｍ^２にそれぞれに設定する。このようにＳＮ比を２０倍程度向上させる構成も本実施形態では現実的なものとなる。

さらに、式（１９）に至る解析的な近似計算による見積り結果の確認のために、ＯＰＥＲＡ ３Ｄ（英国Cobham Technical Services社製）による有限要素法での電磁場シミュレーションによる数値計算を実施した。数値計算では簡単のために、トロイド形状のマグネティックコア１０２（図４）に代えて、正方形の四角枠形状をもち比透磁率μ_ｒを１０^５とした条件でのマグネティックコアを設定し、それを誘導環１１０およびシールド環１６０の役割を果たす導体で包んだ形状モデルを利用した。図６は、有限要素法による数値計算のために採用した四角枠形状を持つ誘導環３１０、シールド環３６０、およびマグネティックコア３０２を備えるビーム電流測定装置モデル３００の一部破断斜視図である。なお、誘導環１１０（図４）と異なりトロイド形状ではない物体（例えば図６の四角枠形状）の場合のポロイド方向とは、環を通り抜ける軸を含んで環を輪切りにする平面において環の表面が描く軌跡をたどる方向である。

四角枠形状である誘導環３１０およびシールド環３６０により画定される収容空間には、同様に四角枠形状であるマグネティックコア３０２が収容される。マグネティックコア３０２の四角枠形状は、１０ｃｍ×１０ｃｍの正方形の辺に枠の各辺の中心を一致させており、枠の各辺のマグネティックコアの断面を２ｍｍ×２ｍｍとした。この断面はＳＱＵＩＤセンサー（図示しない）の磁束検出部となるＳＱＵＩＤループの有効面積に一致させて設定したものである。マグネティックコア３０２には、磁気ギャップ３０４が形成されている。この磁気ギャップ３０４は、トロイド方向長さを１ｃｍとし、正方形の枠をなす４辺のうちの一辺に１カ所のみ辺の長手方向中央部に設けた。そして数値計算の結果、１ｎＡのビーム電流の条件では、ＳＱＵＩＤセンサーを置くべき磁気ギャップ３０４の中心の磁束が８．６×１０^−１９ｗｅｂｅｒと計算された。この値は式（１９）までの解析的近似計算に基づいて得られた結果（５．３×１０^−１９ｗｅｂｅｒ）と同一の桁となる。こうして、解析的計算および数値計算のいずれも性能予測の上において類似した結果をもたらすことを確認した。また、磁気ギャップを用いる場合、ギャップを設けることおよびそのサイズを広げることに応じ磁気抵抗が増大することを確認した。磁束を増大させるためには磁気ギャップを適切な構造とすることが重要である。

２−３．磁気ギャップを用いないＳＱＵＩＤセンサーとのカップリング
次に磁気ギャップを用いないダイレクトカップリングの構成を説明する。解析的計算のために採用するモデルは、磁気ギャップを形成せず途切れのない環状とする点を除き図５に示した仮想コアモデル２００と同じ構造とする。磁気ギャップを式（１８）にてＧ＝０とすると、生成される磁束φは次のように表せる。

ここで、μ_ｒは比透磁率である。マグネティックコアの半径ｒを５０ｍｍ、面積Ｓを４ｍｍ^２、比透磁率μ_ｒを１０^５、ビーム電流Iを１ｎＡとすると、磁束φは１．６×１０^−１５ｗｅｂｅｒと見積もられる。この磁束φは、ＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計の磁気ギャップがあった場合（上述２−３）の３０００倍もの値であり、ＴＡＲＮ−ＩＩで使用されたＬＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計９００（図３）に比べても約３００倍である。

さらに磁気ギャップがある場合と同様に有限要素法による数値計算を行った。その際もＯＰＥＲＡ ３Ｄを使い、図６に示したビーム電流測定装置モデル３００のマグネティックコア３０２と、磁気ギャップ３０４が形成されていない点を除き同一の構造を仮定した。マグネティックコアの比透磁率μ_ｒを１０^５、コアの形状を１０ｃｍ四方の正方形のギャップのない四角枠形状、断面を２ｍｍ×２ｍｍとした。結果、マグネティックコアにおけるコア材質中の中心での磁束φの値は５．０×１０^−１５ｗｅｂｅｒと計算され、解析的計算の値（１．６×１０^−１５ｗｅｂｅｒ）の約３倍と算出された。こうして磁気ギャップを用いない場合についても、解析的計算および数値計算のいずれの性能予測においても類似した結果をもたらすことを確認した。

２−４．磁気シールド
２−４−１．磁気シールド性能の見積
さらに、シールド環１６０と誘導環１１０とが互いに別体のものから一体化されることや、上述した電気絶縁用の部材を配置して組上げられることがどの程度磁気シールド性能に影響を及ぼすかを見積もった。すなわち、一般に、ビーム電流の測定分解能を決する信号対ノイズ比（ＳＮ比）を高めるには、環境磁場などに起因する外部ノイズの遮蔽が役立つ。なお、この環境磁場となるものは、主に地磁気や測定環境に配置される他の機器が生じる磁場である。超伝導体のマイスナー効果による完全反磁性が実現していれば外部磁場は遮蔽されるはずと言える。実際の図４の典型的な構成では、誘導環１１０とシールド環１６０は、それぞれの表面または表層の全面に超伝導体が形成され、互いに別体に作製される。これは、本実施形態のマグネティックコアを収容するためであり、そのマグネティックコアに対し誘導電流による磁束を生じさせるためにも採用される構造である。さらに、好ましい構成では、誘導環とシールド環の間には絶縁層が挟まれる。その一方で、これらの構造のために、誘導環とシールド環との間には超伝導体が連続しない領域が生じ、そこからの環境磁場の侵入が問題となり得る。このため、このシールドの性能を有限要素法にて電磁場を計算機上で再現することにより検討したのである。

数値計算による磁場の収容空間への侵入の程度は、具体的には、図６に示したビーム電流測定装置モデル３００を対象にＴＯＳＣＡ（Dassault Systemes製）を用いて静磁場のシミュレーションを行うことによりを見積もった。超伝導体の特性を近似的に表すため、誘導環３１０とシールド環３６０の比透磁率の値を１．０×１０^−１２として計算している。つまり、マイスナー効果による完全反磁性は正しく計算されていないものの、類似した状況としたのである。ここで、遮蔽率Ｓを、
Ｓ＝シールド内部の磁場Ｓ_ＩＮ／シールド外部の環境磁場Ｓ_ＯＵＴ
と定義する。誘導環３１０とシールド環３６０との間の超伝導体が存在しない領域は、互いの間に比透磁率１で０．５ｍｍの厚さの隙間を設けることによりモデルに反映させた。その結果、遮蔽率Ｓは環境磁場の向きに依存することが判明した。具体的には、図６に示す座標軸でｚ方向に向く環境磁場に対する遮蔽率は、マグネティックコア３０２が配置される全周位置で外部の１０^−３程度となり、殆ど侵入しなかった。他方、ｘ方向またはｙ方向に外部磁場をかけた場合は、超伝導体の切れ目となる誘導環３１０とシールド環３６０の隙間からの磁場の侵入は大きく、例えばｘ方向の環境磁場に対して四角枠のうちｘ方向に延びる辺ではほとんど遮蔽できず遮蔽率Ｓは０．９８程度、ｙ方向に延びる辺ではＳが０．０９程度となった。上述したように現時点では実際の超伝導体のマイスナー効果は計算に精密には反映されていないものの、ノイズとなる環境磁場の磁気シールドの観点では誘導環３１０とシールド環３６０との隙間は有意な影響を持ちうることが確認された。

２−４−２．磁気シールド性能の補完
上述した状況から、磁気シールド性能には完全性は期しがたいといえる。そこで磁気シールド性能のわずかな不完全さを補完する好ましい構成として、ビーム電流測定装置の位置における環境磁場を可能な限り低減するために追加の手段を採用することを検討した。

その補完手法の一つが、ビーム電流測定装置１００の全体を内包するような磁気シールドである。具体的には、高透磁率材料（軟磁性材料）であるパーマロイからなる磁気シールド（以下、「軟磁性磁気シールド」と呼ぶ）を単層または複層となるように配置することにより、内部に置かれたビーム電流測定装置に対する環境磁場の影響を低減することができる。図７は、軟磁性磁気シールド４００によりビーム電流測定装置１００への環境磁場をシールドする構成を示す概略断面図である。軟磁性磁気シールド４００には、ビーム電流測定装置１００へのおよびビーム電流測定装置１００からの荷電粒子ビームＩＢの通過を許容するポート４１０、４２０が開口している。さらに、必要に応じてビーム電流測定装置１００にて超伝導転移を起こさせる低温環境のための冷凍機からのコールドヘッド（図示しない）を内部に配置できるように、煙突形状の冷却ポート４３０および必要な空間が確保されている。このように、好ましい軟磁性磁気シールド４００では、機能上必要な通り道以外がカバーされて磁気シールドとして機能する。

もう一つの追加手段が、環境磁場をキャンセルする磁場を能動的に発生する手法である。図８は、ビーム電流測定装置に適合させた磁場発生装置５１０と環境磁気センサー５２０を配置した様子を模式的に示す斜視図である。典型的な動作は、ビーム電流測定装置１００の周囲の空間に磁場発生装置５１０を配置して環境磁場をキャンセルするものである。環境磁気センサー５２０は、磁場発生装置５１０の生成する磁場および他の原因による環境磁場を測定するために利用される。磁場発生装置５１０は、ビーム電流測定装置の配置された範囲の空間に概ね均一な磁場を形成できるように一対のコイル５１２Ａ、５１２Ｂおよびそれに直交した向きの別の対のコイル５１４Ａ、５１４Ｂ、という計２組の対にしたコイルを備えており、荷電粒子ビームＩＢに直交する平面内の任意の方向に強度を制御しながら磁場を生成することができる。図８に示す磁場発生装置５１０では、荷電粒子ビームＩＢの向きをｚ方向としてコイル５１２Ａ、５１２Ｂによりｘ方向の磁場を、またコイル５１４Ａ、５１４Ｂによりｙ方向の磁場を印加することができる。典型的には、適当な制御装置５３０により、環境磁気センサー５２０つまり例えば方向別センサー５２０Ａおよび５２０Ｂからの測定値に応じて磁場発生装置５１０を動作させ環境磁場をキャンセルするよう動作する。こうして周囲からの環境磁場がビーム電流の測定値に与える影響を軽減することができる。なお、荷電粒子ビームＩＢに直交する平面の成分は、図６のビーム電流測定装置モデル３００にて侵入が生じやすい磁場成分に相当している。

２−５．具体的材質および構造
本実施形態のマグネティックコアは種々の高透磁率材料のものを採用することができる。微弱な電流による磁束を低いノイズおよび高い線形性で伝えるには、透磁率が高いことに加え、保磁力が十分に小さく、それらの特性が低温でも維持できることが好ましい。この目的では、例えば従来のビーム電流計でも採用されることがあるアモルファス鉄系やアモルファスコバルト系の合金、結晶系合金、ナノクリスタル系材料が適しており、例えばファインメット（日本、日立金属株式会社製）など種々の材質を採用することができる。

２−６．マグネティックコアとＳＱＵＩＤセンサーの磁気的結合
また、上述したように、本実施形態のマグネティックコアは磁気ギャップが形成されている構成と形成されていない構成により実施することかできる。図９は、マグネティックコアとＳＱＵＩＤセンサーとの関係を示す断面図であり、荷電粒子ビームに平行な向きに切断した向きに描いたものである。各図は、マグネティックコア自体に磁気ギャップを設ける構成（図９Ａ）、磁気ギャップを設けない構成（図９Ｂ）、アンテナコアを用いる構成（図９Ｃ）、およびアンテナコアを用いてマグネティックコアにファンネル部を設ける構成（図９Ｄ）を示す。

図９Ａに示すマグネティックコアに磁気ギャップ部を設ける構成は、ビーム電流測定装置１００（図４）に示した通りであり、ＳＱＵＩＤセンサー１３０のＳＱＵＩＤループ１３２がマグネティックコア１０２の磁気ギャップ１０４にそのまま配置される。ギャップ部に漏出した磁束を測定することから比較的簡易に製作できる。

図９Ｂに示す磁気ギャップを設けないマグネティックコア１０２Ａの構成は、ＳＱＵＩＤセンサー１３０のＳＱＵＩＤループ１３２内にマグネティックコア１０２Ａを通すものである。このような構成は磁気的側面のみをみれば有利である。その一方、作製には何らかの工夫が必要となる。例えば最初にＳＱＵＩＤセンサー１３０を作製しておいてそのＳＱＵＩＤループ１３２にマグネティックコア１０２Ａを通すことによりこのような構成を実現することができる。ここで、マグネティックコア１０２Ａの断面積を大きくすることは、捕捉できる磁束が増えるため、ＳＮ比を更に改善できる。そのためには、一つはＨＴｃ−ＳＱＵＩＤセンサー１３０を大口径化し、それを通るマグネティックコア１０２Ａも断面積を増大させる構成が考えられる。

上記作製上の工夫の一つとして、本発明者が開発済みのＨＴｃ−ＳＱＵＩＤ電流計のためにアンテナコアを通す手法を採用することができる（非特許文献４：第７章、第１６９頁およびＦｉｇ．１３（ｂ））。すなわち図９Ｃに示すように、ＳＱＵＩＤセンサー１３０にアンテナコア１３４を組み付けることが有用である。この場合には、図４に示したような磁気ギャップ１０４が設けられたマグネティックコア１０２を採用することができる。その磁気ギャップ１０４を画定するマグネティックコア１０２の対向面の双方に当接させながらアンテナコア１３４を挟むことにより、磁束が切れ目無くマグネティックコア１０２とアンテナコア１３４とを通ることができる。この場合、実質的に磁気ギャップが存在しないのと同じ磁気的動作となることから、より多くの磁束が生成されて磁気抵抗を減じることができ、自己インダクタンスＬ_ｐが増大する。加えて、磁束が漏れなくアンテナコア１３４を通りＳＱＵＩＤセンサー１３０で検出されるため、測定感度を高めることができる。この構成におけるＳＱＵＩＤセンサー１３０のＳＱＵＩＤループ１３２内にマグネティックコアを通すのに比べた工作上の利点は、組立が容易なことである。すなわち、マグネティックコア１０２に磁気ギャップ１０４を一旦形成し、またＳＱＵＩＤセンサー１３０の磁束検出部となるＳＱＵＩＤループ１３２にアンテナコア１３４を通しておき、これらを磁気的に一体化して実質的に磁気ギャップのない構成とする工程は、組立てが比較的容易である。

さらに、アンテナコア１３４を用いる場合、マグネティックコアの断面積はＳＱＵＩＤセンサー１３０のサイズの制約を必ずしも受けない。これにより一層実用性の高い構成を実現することができる。すなわち図９Ｄのように、小径のＳＱＵＩＤセンサーを採用した場合に、磁束集中部となるファンネル部１０２Ｆを形成するマグネティックコア１０２Ｂを採用することができる。このファンネル部１０２Ｆでは、磁気ギャップ１０４に向けてトロイダル方向にたどったとき磁束が通る断面積が絞りこまれている。このような構造では、磁気ギャップ１０４に適切にアンテナコア１３４を磁気的に結合させつつ、マグネティックコア１０２Ｂ中の磁束を相対的に小径のアンテナコア１３４に集中させることができる。自己インダクタンスを高めうる太いマグネティックコア１０２Ｂを採用しつつ、ＳＱＵＩＤセンサー１３０の径を増す困難を回避することができる。

なお、ファンネル部１０２Ｆのような磁束集中部は、必ずしもアンテナコア１３４が取り付けられたＳＱＵＩＤセンサー１３０とのみ組み合わせる必要はない。磁気ギャップ１０４の間にアンテナコアもマグネティックコアも置くことなく、ファンネル部１０２Ｆにより集中させた磁束をＳＱＵＩＤセンサー１３０により検出することも有用である（図示しない）。磁気ギャップ１０４が存在していても例えばファンネル部１０２Ｆのような磁束集中部により集中した磁束を形成することができれば、磁気ギャップ１０４から漏れた磁束をＳＱＵＩＤセンサー１３０で捕捉することができ、検出感度を高めることができる。

２−７．誘導環およびシールド環の具体的構造
誘導環１１０や超伝導シールド環によるシールド環１６０（図４）を作製する材質は、基板または基材となる材質として銀を採用し、例えばビスマス系酸化物高温超伝導体Ｂｉ２２１２（組成式：Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_１Ｃｕ_２Ｏ_８＋δ）、を採用することが好ましい。この際、δが０以上の任意の値であるような組成を採用することができる。Ｂｉ２２１２は比較的高い超伝導転移温度（Ｔ_ｃ〜８０Ｋ）を示し液体ヘリウムでの冷却を必要とせず、さらに銀を基材にして十分な性能の超伝導体の層を形成できる。なお、銀はＢｉ２２１２と合金を形成しないためＢｉ２２１２の超伝導特性に悪影響を与えない。また、誘導環１１０やシールド環１６０のようなＣ字形状断面程度の複雑さを持つ形状は、電子ビーム溶接を用いた手法などにより作製することができる。たとえビーム電流測定装置モデル３００（図６）程度に複雑な形状となっても同様である。銀表面へ成膜されたＢｉ２２１２では、雰囲気や温度条件を適切にした溶融法などの適切な成膜手法により、高い超伝導転移温度を発揮させることができる。したがって、本実施形態のビーム電流測定装置は高い実用性を発揮するものである。銀以外に誘導環１１０や超伝導シールド環によるシールド環１６０のための基板または基材のために採用可能な材質の例はＭｇＯである。

また、シールド環１６０を高透磁率シールド環とした場合には、シールド環１６０のためには例えばパーマロイなどの高透磁率材料を採用することができる。

３．実施例
上述した本実施形態のビーム電流測定装置１００の動作を確認する実施例について以下具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、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、上述した各図の説明は実施例の説明でも引き続きそのまま参照する。実施例では、第１に、誘導環１１０やシールド環１６０に形成するためのＢｉ２２１２の形成条件を探索する実験を行った。また、第２に、誘導環１１０には超伝導体を形成し、それと組み合わせるシールド環１６０には高透磁率シールド環を採用した構成の動作検証用のビーム電流測定装置を作製することにより、ビームの電流の代用に用いた交流電流（模擬電流）の実測に成功し、感度を決定することができた。

３−１．Ｂｉ２２１２の形成条件の探索
実際の誘導環１１０にＢｉ２２１２の超伝導層を形成するための作製条件は、雰囲気、焼成温度、焼成温度からの徐冷レート、といった各種条件を調整して良好な超伝導状態が実現するようなものに決定することができる。本実施例のためには、Ｂｉ２２１２の超伝導層についての報告例（非特許文献５）の開示に基づいて原材料を準備した上で大気雰囲気と酸素雰囲気において、徐冷レートを調整する最適化を実施した。評価指標は、表面ＳＥＭ観察、Ｘ線回折での結晶性評価、超伝導臨界温度、超伝導臨界電流とした。

具体的には、原材料となる純度９９．９％のＢｉ_２Ｏ_３、ＳｒＣＯ_３、ＣａＯ、ＣｕＯを用い、さらに微量のＰｂを添加して、組成比がＢｉ：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝２：２：１：２となるようとなるよう秤量し、混合粉を作製した。混合粉に、焼成と粉砕を繰り返すことにより、粒径が平均３μｍとなるＢｉ２２１２の仮焼粉を作製した。その後、Ｂｉ２２１２の仮焼粉に有機ビヒクルを混合することにより、超伝導ペーストを作製し、スプレーガンで塗布が可能なように、酢酸ブチルを希釈材として添加した。これを複数片の銀基板（４ｍｍ×８ｍｍ矩形、１．５ｍｍ厚）の片面にスプレー塗布法によって均一の厚みに塗布した。そして１５０℃、３０分の条件で動作する強制排気乾燥機において、スプレー塗布と乾燥を繰り返したものをテストピースとして複数準備した。そしてＢｉ２２１２のための焼成処理には電気炉を使用し、各テストピースを、酸素雰囲気では、炉の内部にセラミックの管を通して、強制的に酸素を送り込みながら、６０℃／時で昇温し、１０分間保持して焼成処理をした。そして焼成処理の直後に続けてその温度からの８３０℃まで一定レートで徐冷処理した。このような一連の熱処理では、塗布された材料が焼成処理で溶融し、ペロブスカイト構造のＢｉ２２１２結晶が徐冷処理を通じて形成される。雰囲気ごとの焼成処理の条件は予め調査済であり、大気雰囲気のものは８８０℃、酸素雰囲気のものは８８４℃（温度はいずれも雰囲気温度計の指示値）としている。本実施例の記載では、決定すべき条件を、大気雰囲気または酸素雰囲気のいずれとするか、および徐冷レートを−４℃／時または−１２℃／時のいずれとするか、に絞って説明する。これら条件は、例示のものであり、本実施形態のビーム電流測定装置に採用可能な条件を限定するものではない。

図１０は、Ｂｉ２２１２テストピースを焼成して徐冷して表面を観察した走査型電子顕微鏡象であり、図１０Ａ〜Ｄは順に（雰囲気、徐冷レート）の組み合わせの条件が（大気、−４℃／時）、（大気、−１２℃／時）、（酸素、−４℃／時）、および（酸素、−１２℃／時）とした条件のものである。表面に針状などの不定形粒子形状に見える構造物は適切に形成されない結晶や非結晶部分であり、そういった構造物が少ないほど目的とする結晶が良好に形成されていると考えている。図１１および図１２は、Ｂｉ２２１２のテストピースを酸素雰囲気にて徐冷レートをそれぞれ−４℃／時または−１２℃／時として形成して取得したＸ線回折のチャートである。図１２に示される−１２℃／時に比べ、図１１の−４℃／時では００８、００１０、００１２の各ピークが−１２℃／時に比べて高く、−４℃／時と−１２℃／時とを比較した範囲ではＢｉ２２１２の結晶が−４℃／時でより良好に形成されていることを確認した。なお、大気雰囲気でも−４℃／時または−１２℃／時を比較すると−４℃／時のほうが一層良好な結晶が形成されていることを確認している（図示しない）。

次に、これら４片のテストピースにおける超伝導層の性能を確認するために、超伝導臨界温度、超伝導臨界電流を測定した。図１３は、Ｂｉ２２１２のテストピースにおいて超伝導臨界温度を測定するために昇温および降温にて磁化率を測定したグラフである。まず、絶対温度５０ Ｋで測定装置（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ社ＭＰＭＳ−ＸＬ７）に配置したテストピースのセンタリング操作を行う。磁化率の測定は、テストピースに対しその厚み方向に１００Ｏｅの外部磁場を印加し続けた状態で、表６に示す順の温度操作のような各温度区間の温度刻みの昇温および降温操作を行いつつ、各温度で実施した。なお、Ｏｅを単位とする磁場の強さについて、１０，０００Ｏｅは７９５．８ｋＡ／ｍに相当しており、真空に１Ｔの磁束密度を生じさせる磁場の強さに換算される。

その結果は図１３に示すとおりである。図１３の曲線から、各テストピースについての臨界温度（Ｋ）は表７のように得られた。

また、図１４は、Ｂｉ２２１２のテストピースにおいて超伝導臨界電流を測定するために磁化率のヒステリシス特性を測定したグラフである。この測定では、最初に着磁した磁束を開放する操作として、磁場を０Ｏｅにした状態で一旦３００Ｋまで昇温させた。その後、いずれのテストピースでも超伝導状態に転移する７７Ｋまで降温して温度を保持しながら測定した。ヒステリシス特性を測定する磁場印加条件は、最初に磁場を０Ｏｅから７０３００Ｏｅまで一度掃引することによって初期磁化を打ち消し、その後に測定のための磁場操作として表８に示すように各磁場の区間についての磁場強度の刻みで外部磁場を操作し、各磁場の値で磁化率を測定した。

その結果は図１４に示すとおりである。図１４の曲線から、各テストピースについての臨界電流値Ｊ_Ｃ（Ａ／ｃｍ^２）は表９のように得られた。

なお、表９の臨界電流値Ｊ_Ｃは、以下の式（２１）により与えられる。

ここで、サンプルの超伝導体部分が長さｌ、幅ｗ、厚さｔの平板形状であり、Δｍは、測定装置（ＭＰＭＳ−ＸＬ７）のＳＱＵＩＤを用いて計測された磁化されたヒステリシス（磁気モーメント）の幅、すなわち、測定された磁気モーメントの２倍の値とする。表９において同じ値の磁気モーメントのものが臨界電流値Ｊ_Ｃが異なる値を与えているのは、実際のテストピースにおける超伝導体のサイズに基づいて式（２１）に従って値を求めたためである。

これらの結果から、最高の転移温度（８４Ｋ）と最大の臨界電流密度（３６１．１０Ａ／ｃｍ^２）が得られる条件、すなわち、雰囲気を大気として徐冷レート−４℃／時で作製したＢｉ２２１２を選択することが合理的である。

３−２．動作検証
次に、実際に超伝導体が形成された誘導環１１０を利用し、高透磁率のパーマロイを採用したシールド環１６０に組み合わせた構成で動作検証を行ったので説明する。図１５は、この動作検証のためのセットアップを示す説明図である。なお、誘導環１１０に形成した超伝導体は銀基体に形成したＢｉ２２１２であり、３−１欄で説明したものとは徐冷の条件は異なるものの、大気雰囲気での焼成条件により形成したものである。また、この動作検証を行った誘導環１１０それ自体に形成した超伝導体の示す超伝導転移温度は測定できていないものの、別途用意し同条件で溶融したサンプルでは約９０〜９２Ｋで超伝導転移することが確認されており、また、動作検証を行った誘導環１１０でも測定動作の前にマグネットを近づけることにより液体窒素温度（７７Ｋ）にてマイスナー効果が生じて超伝導に転移したことを確認した上で測定を実施した。動作検証のための測定は、本来測定するビーム電流ではなく、シールド環１６０にビーム電流の位置に通した模擬電流を対象とした。この模擬電流は、信号発生器で発生させた２０Ｈｚの周波数の交流正弦波電流である。

計算上の出力は、模擬電流ＩによってＳＱＵＩＤセンサー１３０上に生じる磁束密度Ｂは、同センサー上での磁束をφ、マグネティックコアの断面積をＳ、エアギャップをＧ、ターン数をＮとすると以下の式（２２）で表される。

式（２２）から、ターン数Ｎ＝１、ギャップ長Ｇ＝１７×１０^−３ｍ、模擬電流Ｉ＝０．５ｍＡの条件では、磁束密度Ｂは３７．０ｎＴと計算される。ＳＱＵＩＤセンサー１３０の信号を処理するＳＱＵＩＤコントローラー（住友電工ハイテックス株式会社（現：住友電工システムソリューション株式会社）製、図１５）が１４ｎＴ／Ｖの磁場―電圧変換係数をもつので、コントローラーからの出力は上記条件において２．６４Ｖと計算される。

実際のビーム電流測定装置１００の検証では、ピークトゥーピークでの振幅０．５ｍＡの模擬電流によってビーム電流測定装置１００を動作させた。図１６は、コントローラーからの出力波形をアナログオシロスコープに表示した表示像の写真であり、図１７はその出力波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理して周波数空間で示すＦＦＴアナライザーの表示像の写真である。振幅０．５ｍＡの正弦波模擬電流に対して約２．２Ｖの振幅をもつコントローラー出力波形が観察された。こうして計算値と実測値の間に良い一致が見出せることを確認した。さらに、図１７のＦＦＴアナライザーの表示像では、２０Ｈｚの成分が高いＳＮ比の信号により確認された。この表示像においてノイズフロアを規定するピーク周辺のノイズレベルの値は、５０ｎＡのビーム電流に相当する値である。したがって、本実施例のビーム電流測定装置１００を採用すれば、実際のビーム電流は５０ｎＡ程度まで測定可能となって高い感度をもちうることが確認された。なお、５０ｎＡと対比されるべき数値例を挙げれば、従来本発明者が開発してきた電流測定装置では電流分解能が約５００ｎＡ程度、従来市販されている非接触直流電流計の電流分解能が１０μＡ、である。

以上本発明の実施形態について具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含むコンビネーションおよびサブコンビネーションのうち本発明の範囲内に存在する変形例もまた請求の範囲に含まれるものである。

本発明のビーム電流測定装置は荷電粒子ビームを生成する任意の機器に利用可能である。

１００ ビーム電流測定装置
１０２、１０２Ａ、１０２Ｂ、２０２、３０２ マグネティックコア
１０２Ｃ 軸
１０２Ｆ ファンネル部
１０４ 磁気ギャップ
１１０、３１０ 誘導環
１１０Ａ 内筒部
１１０Ｂ 外筒部
１１０Ｃ 底部
１１２ コア側表面領域
１１４ 軸側表面領域
１３０ ＳＱＵＩＤセンサー
１３２ ＳＱＵＩＤループ
１３４ アンテナコア
１６０、３６０ シールド環
２００ 仮想コアモデル
３００ ビーム電流測定装置モデル
２０４、３０４ 磁気ギャップ
４００ 磁気シールド
４１０、４２０ ポート
４３０ 冷却ポート
５１０ 磁場発生装置
５１２Ａ、５１２Ｂ、５１４Ａ、５１４Ｂ コイル
５２０、５２０Ａ、５２０Ｂ 磁気センサー
５３０ 制御装置

Claims (14)

1. ある空間領域を通る軸の周りに該空間領域を囲んで実質的に環をなしている高透磁率材料のマグネティックコアと、
   該マグネティックコアと略同軸に配置されている誘導環であって、前記空間領域の少なくとも一部を占めて前記軸の周りに環をなしており、表面または表層のうち前記軸に向かう軸側表面領域と前記マグネティックコアに向かうコア側表面領域との一部または全部に超伝導体が配置されており、該超伝導体がポロイダル方向の径路で超伝導電流を伝えるようになっている、誘導環と、
   前記マグネティックコアの内部をトロイダル方向に通る磁束に磁気的に結合される磁束検出部を備えるＳＱＵＩＤセンサーと
   を備えてなる荷電粒子ビームの電流測定装置。
2. 前記マグネティックコアと略同軸に配置されて前記軸の周りに環をなしているシールド環
   をさらに備えており、
   前記誘導環と該シールド環とが、前記マグネティックコアを収容する環状の収容空間を形成しているものである、請求項１に記載の電流測定装置。
3. 前記シールド環と前記誘導環とが互いに電気的に絶縁されている、請求項２に記載の電流測定装置。
4. 前記シールド環は、高透磁率材料を含む高透磁率シールド環である、請求項２に記載の電流測定装置。
5. 前記シールド環は、その表面または表層の少なくとも一部に超伝導体が形成されているものであり、
   前記収容空間が前記誘導環および前記シールド環の超伝導体により実質的に囲まれているものである、請求項２に記載の電流測定装置。
6. 前記超伝導体がＢｉ２２１２である、請求項１に記載の電流測定装置。
7. 前記ＳＱＵＩＤセンサーの前記磁束検出部に前記マグネティックコアが通っている、請求項１に記載の電流測定装置。
8. 前記マグネティックコアは、トロイダル方向にたどって前記高透磁率材料が途切れる磁気ギャップ部が形成されており、
   前記ＳＱＵＩＤセンサーは、該磁気ギャップ部に前記磁束検出部を位置付けるように配置されているものである、請求項１に記載の電流測定装置。
9. 前記マグネティックコアは、トロイダル方向にたどって前記磁気ギャップに向かうにつれ断面積が絞られている磁束集中部が形成されているものである、請求項８に記載の電流測定装置。
10. 前記ＳＱＵＩＤセンサーの前記磁束検出部を通る高透磁率材料のアンテナコアをさらに備えている請求項８または請求項９に記載の電流測定装置。
11. 前記電流測定装置は検知する荷電粒子ビームが前記空間領域のうち前記誘導環より内側を通るように設置されており、
    前記誘導環および前記ＳＱＵＩＤセンサーがそれぞれの超伝導転移温度以下に保たれており、
    前記誘導環は、前記荷電粒子ビームの強度に応じ誘導された前記超伝導電流が、前記軸側表面領域から前記コア側表面領域を通って前記軸側表面領域に戻ることによって、前記超伝導体の前記ポロイダル方向の径路を流れうるようになっており、
    前記ＳＱＵＩＤセンサーは、前記超伝導電流が前記マグネティックコアの内部に作るトロイダル方向の磁束を前記磁束検出部で検出するようになっている、請求項１に記載の電流測定装置。
12. 前記電流測定装置は検知する荷電粒子ビームが前記空間領域のうち前記誘導環および前記シールド環より内側を通るように設置されており、
    前記誘導環、前記シールド環および前記ＳＱＵＩＤセンサーがそれぞれの超伝導転移温度以下に保たれており、
    前記誘導環は、前記荷電粒子ビームの強度に応じ誘導された前記超伝導電流が、前記軸側表面領域から前記コア側表面領域を通って前記軸側表面領域に戻ることによって、前記超伝導体の前記ポロイダル方向の径路を流れうるようになっており、
    前記シールド環は、前記荷電粒子ビームの強度に応じ誘導された超伝導電流が、前記シールド環の前記超伝導体のポロイダル方向の径路を流れうるようになっており、
    前記ＳＱＵＩＤセンサーは、前記超伝導電流が前記マグネティックコアの内部に作るトロイダル方向の磁束を前記磁束検出部で検出するようになっている、請求項５に記載の電流測定装置。
13. 前記マグネティックコア、前記誘導環、および前記ＳＱＵＩＤセンサーの少なくともいずれかを内包する形状にされ、環境磁場を遮蔽するようになっている磁気シールド
    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測定装置。
14. 前記マグネティックコア、前記誘導環、および前記ＳＱＵＩＤセンサーの少なくともいずれかに対し制御された磁場を与える磁場発生装置と、
    該磁場発生装置の生成する磁場を含みうる環境磁場の強さおよび方向の少なくともいずれかを測定するための環境磁気センサーと、
    該環境磁気センサーの検出した磁場の強さおよび方向の少なくともいずれかに応じ、前記磁場発生装置が与える前記磁場を制御するための制御装置と
    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測定装置。

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