JPH07135099A - Ion beam current measuring device and method - Google Patents

Ion beam current measuring device and method

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JPH07135099A
JPH07135099A JP27916093A JP27916093A JPH07135099A JP H07135099 A JPH07135099 A JP H07135099A JP 27916093 A JP27916093 A JP 27916093A JP 27916093 A JP27916093 A JP 27916093A JP H07135099 A JPH07135099 A JP H07135099A
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JP
Japan
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ion beam
magnetic field
magnetic
superconducting element
current
Prior art date
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Application number
JP27916093A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiyoshi Mizuhashi
清 水橋
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a device and method to measure an ion beam current contactlessly at high precision without disconnecting flow of an ion beam accelerated by an accelerator or the like. CONSTITUTION:A magnetic field by an ion beam inside vacuum piping 10 is introduced to a superconductive element 14 by a magnetism collector (permalloy) 16, and the superconductive element 14 cooled by a cooling part 20 detects a magnetic flux of the field to be displayed in an ion beam current meter 26, so an ion beam current is measured. A magnetic shield 18 is provided around the vacuum piping for eliminating effects of an external magnetic field.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、加速器等によって加速
されたイオンビーム電流を測定する装置および方法に関
し、特に、イオンビーム電流を非接触かつ連続的に測定
可能な装置および方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and method for measuring an ion beam current accelerated by an accelerator or the like, and more particularly to an apparatus and method capable of non-contact and continuous measurement of an ion beam current. .

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、加速器等によって加速されたイオ
ンビーム電流を精度良く測定する方法として、ファラデ
ーカップを使用する方法がある。この方法は、イオンビ
ームをカップ内に受けとめ、直接その電流量を測定する
ものである。
2. Description of the Related Art At present, there is a method of using a Faraday cup as a method of accurately measuring an ion beam current accelerated by an accelerator or the like. In this method, the ion beam is received in the cup and the amount of current is directly measured.

【0003】また、間接的にビームプロファイルモニタ
のピーク値よりビーム量を推定したり、ターゲット上に
打ち込まれた電流量を測定する方法が取られている。
Further, a method of indirectly estimating the beam amount from the peak value of the beam profile monitor or measuring the amount of current injected into the target has been adopted.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】従来の方法は上記した
ように測定するので、イオンビームをカップ内で受けと
めてしまうためイオンビーム電流を計測している間は製
品等へのイオンビーム照射は行えなかった。逆に、製品
等へイオンビーム照射を行っている間はイオンビーム電
流を測定することができなかった。また、製品等への照
射中におけるビーム電流の計測においてビームプロファ
イルモニタを使用する場合があるが、この方法ではピー
ク値の変化が正確にイオンビーム電流を表していないた
め、正確な照射時のイオンビーム量を測定していない。
さらに、イオンビームをターゲット上で受けとめての測
定では、ターゲットにイオンが衝突した瞬間に発生する
2次電子が測定すべきイオンビーム電流量に与える影響
が大きく、この影響を考慮してターゲット物質の種類お
よび形状によって補正し、イオンビーム電流量を求めて
いたので、精度良く測定することができなかった。
Since the conventional method measures as described above, the ion beam is received in the cup, so that the ion beam irradiation to the product or the like can be performed while the ion beam current is being measured. There wasn't. On the contrary, the ion beam current could not be measured while the product etc. were being irradiated with the ion beam. In addition, a beam profile monitor may be used to measure the beam current during irradiation of products, but in this method, the change in the peak value does not accurately represent the ion beam current, so the ion beam current during accurate irradiation Beam quantity is not measured.
Further, in the measurement by receiving the ion beam on the target, the secondary electrons generated at the moment when the ion collides with the target have a great influence on the amount of ion beam current to be measured. Since the amount of ion beam current was determined by making corrections according to the type and shape, it was not possible to perform accurate measurement.

【0005】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、加速器等により加速されたイオ
ンビームの流れを遮断せずにイオンビーム電流を非接触
で、即ち2次電子の影響もなく精度良く測定する装置お
よび方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the ion beam current is non-contacted without interrupting the flow of the ion beam accelerated by an accelerator or the like, that is, secondary electrons. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for measuring accurately without the influence of

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のイオンビーム電流測定装置は、イオンビー
ムの流れにより生じ、前記イオンビーム電流に対応した
磁場を収集する磁場収集手段と、前記磁場収集手段によ
り収集された磁場に感応する超伝導素子を有し、前記磁
場の磁束を測定する磁束測定手段と、前記超伝導素子が
前記磁場に感応する温度に前記超伝導素子を冷却する冷
却手段と、前記イオンビームが流れている空間、前記磁
場収集手段および前記超伝導素子をこれらに対する外部
の磁場から磁気遮蔽する磁気遮蔽手段とを備えることを
特徴とする。
In order to achieve the above object, an ion beam current measuring apparatus of the present invention comprises a magnetic field collecting means for collecting a magnetic field generated by the flow of an ion beam and corresponding to the ion beam current. A magnetic flux measuring means having a superconducting element sensitive to the magnetic field collected by the magnetic field collecting means, for measuring the magnetic flux of the magnetic field, and cooling for cooling the superconducting element to a temperature at which the superconducting element is sensitive to the magnetic field. And a magnetic shielding means for magnetically shielding the space in which the ion beam is flowing, the magnetic field collecting means and the superconducting element from a magnetic field external thereto.

【0007】上記目的を達成するため、本発明のイオン
ビーム電流測定方法は、イオンビームの流れにより生
じ、前記イオンビーム電流に対応した磁場を、それ以外
の外部磁場を除いて収集するステップと、磁場に感応す
る温度に冷却された超伝導素子を用いて前記外部磁場を
除く前記の収集された磁場の磁束を測定するステップと
を備えることを特徴とする。
To achieve the above object, the ion beam current measuring method of the present invention comprises a step of collecting a magnetic field generated by the flow of an ion beam and corresponding to the ion beam current, excluding other external magnetic fields. Measuring the magnetic flux of the collected magnetic field excluding the external magnetic field using a superconducting element cooled to a temperature sensitive to the magnetic field.

【0008】[0008]

【作用】上記のように構成された本発明のイオンビーム
電流測定装置においては、磁場収集手段は、前記イオン
ビームの流れにより生じ、前記イオンビーム電流に対応
した磁場を収集し、冷却手段により磁場に感応する温度
まで冷却された超伝導素子が前記の収集された磁場に感
応することにより、前記磁束測定手段は当該磁場の磁束
を測定し、これにより、イオンビーム電流が測定され
る。なお、磁気遮蔽手段によりイオンビームが流れてい
る空間、磁場収集手段および超伝導素子がこれらに対す
る外部の磁場から磁気遮蔽されているので、前記磁場収
集手段および超伝導素子はノイズとなる外部磁場を除く
イオンビームにより生じた磁場のみを収集してその磁場
の磁束に感応することにより、磁束測定手段は精度良く
イオンビームにより生じた磁場のみを測定することが可
能となり、従って、イオンビーム電流が精度良く測定さ
れる。
In the ion beam current measuring apparatus of the present invention constructed as described above, the magnetic field collecting means collects a magnetic field corresponding to the ion beam current generated by the flow of the ion beam, and the magnetic field is collected by the cooling means. The magnetic flux measuring means measures the magnetic flux of the magnetic field, as the superconducting element cooled to a temperature sensitive to the magnetic field is sensitive to the collected magnetic field, whereby the ion beam current is measured. Since the space in which the ion beam is flowing, the magnetic field collecting means and the superconducting element are magnetically shielded from the magnetic field external to them by the magnetic shielding means, the magnetic field collecting means and the superconducting element are protected from external magnetic fields which become noise. By collecting only the magnetic field generated by the ion beam except for and sensitive to the magnetic flux of the magnetic field, the magnetic flux measuring means can accurately measure only the magnetic field generated by the ion beam, and therefore the ion beam current is accurate. Well measured.

【0009】上記のように構成された本発明のイオンビ
ーム電流測定方法においては、前記イオンビームの流れ
により生じ、前記イオンビーム電流に対応した磁場がそ
れ以外の外部磁場を除いて収集され、磁場に感応する温
度まで冷却された超伝導素子を用いて前記外部磁場を除
く前記の収集された磁場の磁束が測定され、これによ
り、イオンビーム電流が測定される。
In the ion beam current measuring method of the present invention configured as described above, the magnetic field generated by the flow of the ion beam and corresponding to the ion beam current is collected except for the external magnetic field, and the magnetic field The magnetic flux of the collected magnetic field, excluding the external magnetic field, is measured by using a superconducting element cooled to a temperature sensitive to, and thereby the ion beam current is measured.

【0010】[0010]

【実施例】始めに、本発明によるイオンビーム電流の測
定原理を述べる。加速されたイオンビームは真空の管内
を流れる電流とみなすことができる。そして、電流が流
れるところには電流量に応じて必ず磁場が発生する。こ
の磁場を精度良く測定すれば間接的にイオンビーム電流
を測定することが可能である。しかし、加速されたイオ
ンビームにより生じる磁場は通常それ程は多くなく、少
ない磁場を精度よく測定するために通常のコイル等を用
いた磁束計では測定できないので超伝導素子を利用して
いる。なお、超伝導素子を用いると、目的に応じて直流
磁場および交流磁場の測定が可能である。
EXAMPLES First, the principle of measurement of the ion beam current according to the present invention will be described. The accelerated ion beam can be regarded as a current flowing in a vacuum tube. Then, a magnetic field is always generated where the current flows, depending on the amount of current. The ion beam current can be indirectly measured by accurately measuring this magnetic field. However, the magnetic field generated by the accelerated ion beam is not so large in general, and a superconducting element is used because it cannot be measured by an ordinary magnetometer using a coil or the like in order to measure a small magnetic field with high accuracy. If a superconducting element is used, it is possible to measure a DC magnetic field and an AC magnetic field depending on the purpose.

【0011】その際、微小磁場を感度良く測定しようと
するとノイズとなる外部磁場の影響が生じるので、その
影響を防止するための磁気シールドがイオンビームを囲
むように設けられる。また、微小磁場を感度良く測定
し、かつ測定素子である超伝導素子に対するイオンビー
ムの位置によって測定値が変化しないようにするため、
発生した磁場を効率良く収集して超伝導素子に導くパー
マロイ等よりなる磁気コレクタがイオンビームの周りで
かつ磁気シールドの内側に設けられる。さらに、超伝導
素子は、それを安定に動作させるために断熱材等により
外部温度環境から遮断され、冷却装置によって動作温度
まで冷却されている。
At this time, if an attempt is made to measure a minute magnetic field with high sensitivity, an external magnetic field which causes noise will occur. Therefore, a magnetic shield for preventing the effect is provided so as to surround the ion beam. In addition, in order to measure the minute magnetic field with high sensitivity and to prevent the measured value from changing depending on the position of the ion beam with respect to the superconducting element which is the measuring element,
A magnetic collector made of permalloy or the like that efficiently collects the generated magnetic field and guides it to the superconducting element is provided around the ion beam and inside the magnetic shield. Furthermore, the superconducting element is shielded from the external temperature environment by a heat insulating material or the like in order to operate it stably, and is cooled to an operating temperature by a cooling device.

【0012】次に、上記した測定原理に基づいた、本発
明のイオンビーム電流の測定装置および方法の一実施例
を図面を参照して以下に説明する。なお、本発明は、か
かる実施例に限定されるものではない。
An embodiment of the ion beam current measuring apparatus and method of the present invention based on the above-described measurement principle will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to such an embodiment.

【0013】図1は、本発明のイオンビーム電流の測定
装置および方法の一実施例の基本的構成を、一部断面図
の形で示している。図1において、10は、例えば加速
器等により加速されたイオンビーム12がその中を流れ
ている真空配管を示す。真空配管10の内部は真空状態
にされ、イオンビーム12は、その中を、即ち、図面に
おいては用紙の面に対して直交する方向に流れる。流れ
ているイオンビーム12によりその方向に直交して当該
イオンビーム12を中心として円周状に発生する磁場は
通常少ないので、それを集めて効率良く超伝導素子14
に導くため、真空配管10の内部において、イオンビー
ム12を囲みリング状に例えばパーマロイ等の磁性体で
作られた磁気コレクタ16が配設されている。超伝導素
子14はリング状の磁気コレクタ16の一個所に介挿さ
れている。磁気コレクタ16によりイオンビーム12に
より発生した磁場のみを収集して超伝導素子14に導
き、超伝導素子14では当該磁場の磁束のみを検出する
ため、ノイズとなる真空配管10の外部磁場から真空配
管10の内部を遮蔽するため真空配管10の外側にそれ
を囲むように磁気シールド18が設けられている。ま
た、図面には表されていないが、本計測系の前後におい
ても、ビームの妨げにならなく磁気コレクタ16および
超伝導素子14を含む超伝導検出部が隠れるように磁気
シールドが設けられている。超伝導素子14が磁場を検
出できる温度まで冷却するための冷却部20が設けら
れ、冷却部20は、超伝導素子14を安定に動作させる
ために外部から熱を断熱する断熱材等から構成された断
熱部を有し、冷却部20の外周部は一次冷却用として液
体窒素22が入れられ、その内部には二次冷却の作用を
する液体ヘリウム24が入れられている。超伝導素子1
4により検出された磁場の磁束は電流に変換され増幅制
御部(後述)を介してイオンビーム電流計26により表
示される。なお、理解を容易にするため、図1の一部に
おいて、超伝導素子14における微小磁場と電流・電圧
との関係を摸式的に示している。
FIG. 1 shows, in the form of a partial cross-section, the basic construction of an embodiment of the ion beam current measuring apparatus and method of the present invention. In FIG. 1, 10 indicates a vacuum pipe through which an ion beam 12 accelerated by, for example, an accelerator or the like is flowing. The inside of the vacuum pipe 10 is evacuated, and the ion beam 12 flows therein, that is, in the direction orthogonal to the plane of the paper in the drawing. Since the magnetic field that is generated by the flowing ion beam 12 in the circumferential direction orthogonal to the direction of the ion beam 12 is usually small, it is collected and efficiently collected in the superconducting element 14.
In order to lead to the above, inside the vacuum pipe 10, a magnetic collector 16 made of a magnetic material such as permalloy is arranged in a ring shape so as to surround the ion beam 12. The superconducting element 14 is inserted in one place of the ring-shaped magnetic collector 16. The magnetic collector 16 collects only the magnetic field generated by the ion beam 12 and guides it to the superconducting element 14, and the superconducting element 14 detects only the magnetic flux of the magnetic field. In order to shield the inside of the vacuum pipe 10, a magnetic shield 18 is provided outside the vacuum pipe 10 so as to surround it. Although not shown in the drawing, a magnetic shield is provided before and after this measurement system so as not to obstruct the beam and to hide the superconducting detector including the magnetic collector 16 and the superconducting element 14. . A cooling unit 20 is provided for cooling the superconducting element 14 to a temperature at which it can detect a magnetic field. Further, the cooling part 20 has a heat insulating part, and liquid nitrogen 22 is put into the outer peripheral part of the cooling part 20 for primary cooling, and liquid helium 24 having a function of secondary cooling is put into the inside thereof. Superconducting element 1
The magnetic flux of the magnetic field detected by 4 is converted into a current and displayed by the ion beam ammeter 26 via an amplification control unit (described later). In order to facilitate understanding, a part of FIG. 1 schematically shows the relationship between the minute magnetic field and the current / voltage in the superconducting element 14.

【0014】図2は、図1に示される超伝導素子14お
よびイオンビーム電流計26と、超伝導素子14の増幅
制御部とを、インダクタンスの小さい超伝導ループ中に
2個のジョセフセン素子を含む公知のdcSQUID磁
束計で構成した例を示す。図2において、14は2個の
ジョセフセン素子が並列接続されたコイルにより構成さ
れた超伝導素子を、28は直流電流源を、30は増幅器
を、32はロックイン増幅器を、34は発振器をそれぞ
れ示し、L,CおよびRの記号はコイル、キャパシタお
よび抵抗をそれぞれ示す。
FIG. 2 shows the superconducting element 14 and the ion beam ammeter 26 shown in FIG. 1, and the amplification control section of the superconducting element 14, in which two Josephson elements are arranged in a superconducting loop having a small inductance. An example configured with a known dcSQUID magnetometer is shown. In FIG. 2, 14 is a superconducting device composed of a coil in which two Josephsen devices are connected in parallel, 28 is a direct current source, 30 is an amplifier, 32 is a lock-in amplifier, and 34 is an oscillator. The symbols L, C and R respectively indicate a coil, a capacitor and a resistor.

【0015】次に、図1および図2に示されるように構
成された本発明の一実施例であるイオンビーム電流の測
定装置の動作を以下に述べる。図1において、磁気シー
ルド18された真空配管10内をイオン化されたビーム
が走るとき生じる微小磁場が磁気コレクタ16により収
集され、超伝導素子14に導かれる。この際、真空配管
10内部は磁気シールド18により外部磁場から遮蔽さ
れているため、磁気コレクタ16はイオンビーム12に
より生じた磁場のみを収集して超伝導素子14に導く。
超伝導素子14は、導かれた微小磁場を検出できる温度
まで冷却部20により予め冷却されている。
Next, the operation of the ion beam current measuring apparatus according to one embodiment of the present invention constructed as shown in FIGS. 1 and 2 will be described below. In FIG. 1, the minute magnetic field generated when the ionized beam travels in the vacuum pipe 10 with the magnetic shield 18 is collected by the magnetic collector 16 and guided to the superconducting element 14. At this time, since the inside of the vacuum pipe 10 is shielded from the external magnetic field by the magnetic shield 18, the magnetic collector 16 collects only the magnetic field generated by the ion beam 12 and guides it to the superconducting element 14.
The superconducting element 14 is cooled in advance by the cooling unit 20 to a temperature at which the guided minute magnetic field can be detected.

【0016】図2において、dcSQUID素子で構成
された超伝導素子14に測定しようとする微小磁場がか
けられた状態で、直流電流源28で一定の電流を流し、
dcSQUID素子を動作状態にする。一方、イオンビ
ーム電流計26を介して測定しようとする磁場を打ち消
すように布設した電線15に電流を流し、dcSQUI
D素子が準静的状態となるように打ち消し電流を調整す
る。この準静的状態になった時の電流量がイオンビーム
電流量となる。また、準静的状態であるかの判定は発振
器によって布設した電線15に打ち消し電流と共に10
0kHzの微小発振電流を流し、SQUID素子で検出
した電流波形が100kHzであることによって確認す
る。準静的状態でない場合には200kHzに近い値を
示す。SQUID素子によって検出した電流は増幅器3
0を介し、ロックイン増幅器32に導かれ、ここで入力
周波数と同じになるように打ち消し電流を可変し、同じ
周波数になった点で打ち消し電流がロックされる。
In FIG. 2, a constant current is applied by a direct current source 28 in a state in which a minute magnetic field to be measured is applied to a superconducting element 14 composed of a dcSQUID element,
Put the dcSQUID element into operation. On the other hand, a current is passed through the ion beam ammeter 26 to the electric wire 15 laid so as to cancel the magnetic field to be measured, and dcSQUI
The canceling current is adjusted so that the D element is in the quasi-static state. The amount of current when this quasi-static state is achieved is the amount of ion beam current. In addition, it is determined whether the quasi-static state is 10 or less with the canceling current in the electric wire 15 laid by the oscillator.
It is confirmed by passing a minute oscillation current of 0 kHz and confirming that the current waveform detected by the SQUID element is 100 kHz. When not in the quasi-static state, a value close to 200 kHz is shown. The current detected by the SQUID element is the amplifier 3
It is guided to the lock-in amplifier 32 via 0, where the canceling current is varied so as to be the same as the input frequency, and the canceling current is locked at the point where the same frequency is reached.

【0017】以上のように動作することにより、イオン
ビーム電流計26の指示値は、イオンビーム電流の大き
さに比例したものなる。
By operating as described above, the indication value of the ion beam ammeter 26 becomes proportional to the magnitude of the ion beam current.

【0018】更に、上記指示値がイオンビーム電流の大
きさを表すようにするための更正は、磁気コレクタ16
の内側に真空配管10の配管方向に沿って予め付設した
電線に既知量の電流を流すことにより正確に更正するこ
とが可能である。なお、この更正用の電線は、更正後は
真空配管10から取り外しておいてもよい。
Further, the correction to make the above-mentioned indicated value represent the magnitude of the ion beam current is performed by the magnetic collector 16
It is possible to make an accurate correction by passing a known amount of electric current through an electric wire previously attached inside the vacuum pipe 10 along the piping direction of the vacuum pipe 10. The electric wire for rehabilitation may be removed from the vacuum pipe 10 after the rehabilitation.

【0019】従って、図1および図2に示される実施例
のイオンビーム電流測定装置および方法は、イオンビー
ム電流を非接触でかつ連続的に測定可能であり、しかも
精度良く測定できる。また、磁気コレクタ16がイオン
ビーム12を囲む形で配設されているので、超伝導素子
14とイオンビーム12との位置が変化しても安定に測
定できる。
Therefore, the ion beam current measuring device and method of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 can measure the ion beam current continuously without contact and with high accuracy. Further, since the magnetic collector 16 is arranged so as to surround the ion beam 12, stable measurement can be performed even if the positions of the superconducting element 14 and the ion beam 12 change.

【0020】次に、設計例を以下に示す。Next, a design example is shown below.

【0021】1.基本公式 磁界の単位をH(A/m)、起磁力の単位をNI(A)
とする。
1. Basic formula Magnetic field unit is H (A / m), magnetomotive force unit is NI (A)
And

【0022】磁束密度BはThe magnetic flux density B is

【数1】B=μH=μ0・μ*・H(T) と表せる。ここで、磁束密度の単位はT(テスラ)であ
り、1(T)=1(Wb/m2)である。なお、磁束Ф
の単位はWb(ウエーバ)とする。
[Expression 1] B = μH = μ 0 · μ * · H (T) Here, the unit of the magnetic flux density is T (tesla), and 1 (T) = 1 (Wb / m 2 ). The magnetic flux Φ
The unit of is Wb (weber).

【0023】また、上記式の中のμは透磁率、μ0は真
空の透磁率、μ*は比透磁率をそれぞれ示す。
In the above equation, μ is the magnetic permeability, μ 0 is the vacuum magnetic permeability, and μ * is the relative magnetic permeability.

【0024】なお、μ0=4π×10-7=1.257×
10-6(H/m)であり、 1(H)=1(Wb/A)=1(V/s/A) 1(Wb)=1(V/s)=1(H・A)である。
Note that μ 0 = 4π × 10 -7 = 1.257 ×
10 −6 (H / m), 1 (H) = 1 (Wb / A) = 1 (V / s / A) 1 (Wb) = 1 (V / s) = 1 (H · A) is there.

【0025】無限長電線に流れる電流によって生じる磁
界の強さはビオサバールの式によって
The strength of the magnetic field generated by the current flowing through the infinitely long wire is calculated by the Biot-Savart equation.

【数2】dH=(I/4π)・(dl・r)/r3 と表される。ここで、Iは電流、dlはIの一部分の微
小な長さ、rはdlの点からdHを表す点にいたる距離
を示す。
[Expression 2] dH = (I / 4π)  (dlr) / r 3 Here, I is a current, dl is a minute length of a part of I, and r is a distance from a point of dl to a point representing dH.

【0026】2.無限直線電流によって生じる磁界の強
さは上記ビオサバールの式より正の無限大より負の無限
大までの積分値より下記の式が導かれる。
2. The strength of the magnetic field generated by the infinite linear current is derived from the integral value from positive infinity to negative infinity according to the above Biosavart equation.

【0027】[0027]

【数3】H=∫dH=I/2πr 本式より、測定すべきイオンビーム電流が1μAの大き
さで、磁気コレクタ16の直径が11cmとすると、磁
気コレクタ16上の地点、即ちビームから5.5cmの
点の磁界の強さは次の通りである。
[Equation 3] H = ∫dH = I / 2πr From this formula, if the ion beam current to be measured is 1 μA and the diameter of the magnetic collector 16 is 11 cm, it is 5 points from the point on the magnetic collector 16, that is, the beam. The strength of the magnetic field at the point of 0.5 cm is as follows.

【0028】H5.5=2.895×10-6 (A/m) なお、起磁力はNI=1×10-6 (A) である。H 5.5 = 2.895 × 10 -6 (A / m) The magnetomotive force is NI = 1 × 10 -6 (A).

【0029】3.パーマロイの磁気コレクタ16による
磁束誘導量 ビームの周囲に環状のパーマロイの磁気コレクタ16を
設けるとして、その直径を上記のように11cmとし、
その断面を1cm×1cmの矩形とする。但し、超伝導
素子14に磁束を導く部分は、超伝導素子14のサイズ
が上記断面より小さいので、絞り込む必要があり、当該
絞り込み部分のサイズは、断面が0.5cm×0.5c
mとし、超伝導素子14の両側の当該部分の全長を2c
mとする。この場合、磁気抵抗RBは
3. Amount of magnetic flux induction by Permalloy magnetic collector 16 Assuming that an annular Permalloy magnetic collector 16 is provided around the beam, its diameter is 11 cm as described above,
The cross section is a rectangle of 1 cm × 1 cm. However, since the size of the superconducting element 14 is smaller than the cross section, the part that guides the magnetic flux to the superconducting element 14 needs to be narrowed down, and the size of the narrowed part is 0.5 cm × 0.5 c in the cross section.
m, and the total length of the portions on both sides of the superconducting element 14 is 2c.
m. In this case, the magnetic resistance RB is

【数4】RB=(L1/μ0・μ*・S1)+(L2/μ0
・μ*・S2) =0.3254/(μ0・1×106・1×10-4) +0.02/(μ0・1×106・2.5×10-5) =3225.1 ここで、L1は磁気コレクタ16の全長、S1はその断面
積、L2は超伝導素子14に磁束を導く上記絞り込み部
分の全長、S2はその断面積をそれぞれ示す。
RB = (L 1 / μ 0 · μ * · S 1 ) + (L 2 / μ 0
· Μ * · S 2) = 0.3254 / (μ 0 · 1 × 10 6 · 1 × 10 -4) + 0.02 / (μ 0 · 1 × 10 6 · 2.5 × 10 -5) = 3225 Where L 1 is the total length of the magnetic collector 16, S 1 is its cross-sectional area, L 2 is the total length of the narrowed portion that guides the magnetic flux to the superconducting element 14, and S 2 is its cross-sectional area.

【0030】従って、磁束Фは次の通りとなる。Therefore, the magnetic flux Φ is as follows.

【0031】[0031]

【数5】Ф=NI/RB=1×10-6/3225.1 =3.101×10-10 (Wb) 以上から、1μAのビームによって誘起された磁場によ
ってパーマロイの磁気コレクタ16を通して超伝導素子
14に導かれる磁束は、3.101×10-10(Wb)
となる。従って、1nAのビームであれば、3.101
×10-13(Wb)となる。
[Formula 5] Φ = NI / RB = 1 × 10 −6 /3225.1 = 3.101 × 10 −10 (Wb) From the above, superconductivity is passed through the Permalloy magnetic collector 16 by the magnetic field induced by the 1 μA beam. The magnetic flux guided to the element 14 is 3.101 × 10 −10 (Wb)
Becomes Therefore, for a 1 nA beam, 3.101
It becomes x 10 -13 (Wb).

【0032】4.超伝導素子14の大きさ ループ形状をした超伝導素子のインダクタンスLは次式
によって求められることが知られている。
4. Size of Superconducting Element 14 It is known that the inductance L of a loop-shaped superconducting element is calculated by the following equation.

【0033】[0033]

【数6】 L≒4π×10-7×r×ln(r/a) (H) ここで、rはループの半径(m)であり、aは素線の半
径(m)である。
L≈4π × 10 −7 × r × ln (r / a) (H) Here, r is the radius of the loop (m), and a is the radius of the strand (m).

【0034】超伝導素子14のループの半径を2mm、
素線の半径を0.25mmとすると、超伝導素子14の
インダクタンスLは上記式より、
The radius of the loop of the superconducting element 14 is 2 mm,
If the radius of the strand is 0.25 mm, the inductance L of the superconducting element 14 is

【数7】 L≒4π×10-7×2×10-3×ln(2/0.25) =5.23×10-9 (H) となる。## EQU7 ## L≈4π × 10 -7 × 2 × 10 -3 × ln (2 / 0.25) = 5.23 × 10 -9 (H).

【0035】ところで、4KHz以上でかつ熱的な電流
によるノイズ等のなかで安定に動作させるには、L≦2
×10-8Hでなければならなく、さらに信頼性の高い動
作をさせるには、L≒10-9Hであるとされている。
By the way, in order to operate stably above 4 KHz and in the presence of noise due to thermal current, L≤2
It has to be × 10 -8 H, and it is said that L≈10 -9 H in order to operate with higher reliability.

【0036】従って、超伝導素子14のインダクタンス
Lは5.23×10-9Hであるので、安定に動作するの
に必要な上限値より小さく、さらに信頼性の高い動作に
必要な値のオーダであり、本実施例の超伝導素子14が
安定に動作することがわかる。
Therefore, since the inductance L of the superconducting element 14 is 5.23 × 10 -9 H, it is smaller than the upper limit value required for stable operation, and is on the order of a value required for highly reliable operation. Therefore, it can be seen that the superconducting device 14 of the present embodiment operates stably.

【0037】上記した設計例から、1μA程度のイオン
ビームを流した時に誘起される磁場は約3.101×1
-10 (Wb)であり、超伝導素子による磁場測定で
は原理的に2.07×10-15(Wb)程度の微小磁場
の測定が可能であることから、原理面からも本発明の構
成によりイオンビームの電流を測定可能であることがわ
かる。
From the above design example, the magnetic field induced when an ion beam of about 1 μA is flown is about 3.101 × 1.
Since it is 0 −10 (Wb), and a minute magnetic field of about 2.07 × 10 −15 (Wb) can be measured in principle in the magnetic field measurement by the superconducting element, the configuration of the present invention is also in view of the principle. It can be seen that the current of the ion beam can be measured.

【0038】従って、1μA程度のイオンビームを流し
た時に誘起される磁場が超伝導素子による原理的に測定
可能な磁場よりほぼ5桁程度大きいことから、nA程度
以上の通常使用されている加速器のビーム出力範囲であ
れば容易に測定可能である。
Therefore, since the magnetic field induced when an ion beam of about 1 μA is caused to flow is about five orders of magnitude larger than the magnetic field that can be measured in principle by the superconducting element, the accelerator of a commonly used accelerator of about nA or more is used. It can be easily measured in the beam output range.

【0039】なお、上記実施例においては、超伝導素子
14としてdcSQUID素子を用いた磁束測定系を利
用しているが、測定対象とするイオンビーム電流の用途
に応じてRF SQUIDや他のいずれの超伝導素子を
用いた磁束測定系でもよい。
Although the magnetic flux measuring system using the dcSQUID element as the superconducting element 14 is used in the above embodiment, the RF SQUID or any other magnetic flux measuring system is used depending on the intended use of the ion beam current to be measured. A magnetic flux measurement system using a superconducting element may be used.

【0040】また、高温超伝導体の開発等によって本発
明の装置が安く構成でき、また、測定レンジの広いもの
が製作されるならば、イオン加速器の性能向上および製
品の質の向上、さらにはイオンビームを用いた各種の実
験精度の向上等その応用は広範囲のものとなる。
Further, if the apparatus of the present invention can be constructed inexpensively by developing a high temperature superconductor, and if a device having a wide measurement range is manufactured, the performance of the ion accelerator and the quality of the product can be improved, and Its applications will be wide-ranging, such as improving the accuracy of various experiments using ion beams.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明の加速器等によって加速されたイ
オンビーム電流を測定するイオンビーム電流測定装置お
よび方法は、以上説明したように構成されているので、
以下に記載されるような効果を奏する。
Since the ion beam current measuring apparatus and method for measuring the ion beam current accelerated by the accelerator of the present invention is configured as described above,
The following effects are achieved.

【0042】イオンビーム電流により生じ、その電流の
大きさに対応した磁場の磁束を、超伝導素子によりイオ
ンビームが流れている状態でかつイオンビームの流れに
影響を与えずに測定することが可能となり、これにより
イオンビーム電流を測定することが可能となる。
It is possible to measure the magnetic flux of the magnetic field generated by the ion beam current and corresponding to the magnitude of the current while the ion beam is flowing by the superconducting element and without affecting the flow of the ion beam. Therefore, it becomes possible to measure the ion beam current.

【0043】従って、イオンビームと非接触でその電流
を測定できるので、どんな状況下においてもイオンビー
ム電流が測定できる。例えば、製品にイオンビームを照
射しながら、その照射されているイオンビームを測定で
き、従来のファラデーカップを用いた方法のように照射
と測定とが別々となることによる誤差が生じないで、精
度が向上する。
Therefore, since the current can be measured without contacting the ion beam, the ion beam current can be measured under any circumstances. For example, while irradiating an ion beam on a product, the ion beam being irradiated can be measured, and there is no error due to separate irradiation and measurement unlike the method using a conventional Faraday cup, Is improved.

【0044】また、非接触であることから、従来のファ
ラデーカップを用いた方法のように2次電子の影響が無
くなり、測定精度がこの面でも向上する。
Further, since it is non-contact, the influence of secondary electrons is eliminated unlike the conventional method using a Faraday cup, and the measurement accuracy is improved in this respect as well.

【0045】本発明は、上記のような効果を有するの
で、加速器を用いた産業プロセスに広く応用可能で、本
発明の装置又は方法を利用することにより製品の質の向
上、実験精度の向上が図られ、あるいは本発明の装置又
は方法は加速器制御への応用等にも広く利用可能であ
る。
Since the present invention has the above-mentioned effects, it can be widely applied to industrial processes using an accelerator, and by using the apparatus or method of the present invention, the quality of products and the accuracy of experiments can be improved. Alternatively, the apparatus or method of the present invention can be widely used for accelerator control applications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のイオンビーム電流の測定装置および方
法の一実施例の基本的構成を、一部断面図の形で示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing, in the form of a partial cross-section, the basic configuration of an embodiment of an ion beam current measuring apparatus and method according to the present invention.

【図2】図1に示される超伝導素子14およびイオンビ
ーム電流計26と、超伝導素子14の増幅制御部とをd
cSQUID磁束計で構成した例を示す図である。
FIG. 2 illustrates the superconducting element 14 and the ion beam ammeter 26 shown in FIG.
It is a figure which shows the example comprised by the cSQUID magnetometer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:真空配管 12:イオンビーム 14:超伝導素子 16:磁気コレクタ 18:磁気シールド 20:冷却部 26:イオンビーム電流計 10: Vacuum piping 12: Ion beam 14: Superconducting element 16: Magnetic collector 18: Magnetic shield 20: Cooling part 26: Ion beam ammeter

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 イオンビームの流れにより生じ、前記イ
オンビーム電流に対応した磁場を収集する磁場収集手段
と、 前記磁場収集手段により収集された磁場に感応する超伝
導素子を有し、前記磁場の磁束を測定する磁束測定手段
と、 前記超伝導素子が前記磁場に感応する温度に前記超伝導
素子を冷却する冷却手段と、 前記イオンビームが流れている空間、前記磁場収集手段
および前記超伝導素子をこれらに対する外部の磁場から
磁気遮蔽する磁気遮蔽手段とを備えることを特徴とする
イオンビーム電流測定装置。
1. A magnetic field collecting means for collecting a magnetic field generated by a flow of an ion beam and corresponding to the ion beam current; and a superconducting element sensitive to the magnetic field collected by the magnetic field collecting means. Magnetic flux measuring means for measuring magnetic flux, cooling means for cooling the superconducting element to a temperature at which the superconducting element is sensitive to the magnetic field, space in which the ion beam is flowing, the magnetic field collecting means and the superconducting element And a magnetic shielding means for magnetically shielding them from an external magnetic field relative to them.
【請求項2】 イオンビームの流れにより生じ、前記イ
オンビーム電流に対応した磁場を、それ以外の外部磁場
を除いて収集するステップと、 磁場に感応する温度に冷却された超伝導素子を用いて前
記外部磁場を除く前記の収集された磁場の磁束を測定す
るステップとを備えることを特徴とするイオンビーム電
流測定方法。
2. A step of collecting a magnetic field generated by a flow of an ion beam, the magnetic field corresponding to the ion beam current except for an external magnetic field, and a superconducting element cooled to a temperature sensitive to the magnetic field. Measuring the magnetic flux of the collected magnetic field excluding the external magnetic field.
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