JPWO2018025786A1 - 荷電粒子ビームの電流測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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Ls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。
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。
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φsである。この磁束φs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Lpを増大させることに着目する。
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。
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。
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。
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。
S=シールド内部の磁場SIN/シールド外部の環境磁場SOUT
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。
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。
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。
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。
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:Bi2Sr2Ca1Cu2O8+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(Tc〜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。
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。
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。
なお、表9の臨界電流値JCは、以下の式(21)により与えられる。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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