WO2004107463A1

WO2004107463A1 - ビーム電流計

Info

Publication number: WO2004107463A1
Application number: PCT/JP2004/007346
Authority: WO
Inventors: Tamaki Watanabe; Takeshi Katayama; Masayuki Kase; Tokihiro Ikeda; Shin-Ichi Watanabe; Takeo Kawaguchi
Original assignee: Riken
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2004-12-09
Also published as: US20070069722A1; JP2004356573A; US7435970B2; JP4550375B2

Abstract

　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、また、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ことを目的とするものであり、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。

Description

明細書

ビーム電流計

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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 Tra nsformer)力 S失ロられてレ、る。

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 μ A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つた。

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レ、る SQUI D (超 is導子干渉§十： Superconducting Quantum Interference Deviceノ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力ドイツの 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 (非特許文献 1一 5参照）。

[0003] 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 μ A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— ¹³Τ、 ΙηΑのビームが作り出す磁場の中心力も 20cmの地点においては 1 0_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レ、ものである。

[0004] 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。

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っレ、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。

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はビームダタトを示し、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。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。

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。

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が設置されてレ、る。

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レ、る。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。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 X 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。

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力 S、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。

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。

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）に形成されてレ、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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を用いている力レ、くら高感度のセンサーを用いても外部からの雑音に坦もれてしまっては、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。

即ち、超伝導の特質として、超伝導材に外部から磁場力かかると、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。

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、シ一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。

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ゥ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。

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、ヘルムホルツコィ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 SQU ID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。

図 6には、 3. 5 μ Τ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 Omm力磁気シールド 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 B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

0

場を B (z)とすると、

S (z) =B (z) /B

o

で定義する。

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 X 10— ⁴という結果を得た。

し力、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。

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 SQUI D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。

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つた。

特午文 S I : A Cryodevice for induction monitoring of Dし electron or ion beams with nano— ampere resolution", K. Grohmann, et al. ， Superconducting Quantum Interference Devices and Their Appli cations, 1977， p. 311

非特許文献 2 : "SQUID" based beam current meter", IEEE Trans, o n Magnetics, Vol. MAG— 21， No. 2， 1985， p. 997

非特許文献 3： i Cryogenic current comparator for the absolute mea surement of nA beams", AIP Conf. Proc. 451 (Beam Instrumenta tion Workshop) , 1998， p. 163

非特許文献 4 : "Design and performance of an HTS current comparat or for charged particle— beam measurements", L. Hao et al. ， IEE E Trans, on Appl. Supercond. (ASC2000) , Vol. 11, No. 1, 20 01-3, p. 635

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

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] 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ょうとするものである。

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ょうとするものである。

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ょうとするものである。

課題を解決するための手段

[0010] 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。

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。

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、し力 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。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。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っためノイズ源となり得るが液体窒素を用レ、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。

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。即ち、本発明は、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および上記磁気シ一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。

また、本発明は、上記冷凍機が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が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。

また、本発明は、上記冷凍機がパルス管冷凍機であるようにしたものである。

また、本発明は、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。

また、本発明は、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。

また、本発明は、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。発明の効果

[0012] 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。

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。

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

[0013] [図 1]図 1は、 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]図 2は、 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]図 3は、 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]図 4は、グラジオメーターの説明図である。

[図 5]図 5は、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 6は、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]図 7は、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]図 8は、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。園 9]図 9は、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]図 10は、電気ヒーターの電流模式図である。

[図 11]図 11は、 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園 12]図 12は、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]図 13は、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。

園 14]図 14は、図 13におレ、て円形破線で示した端部の拡大概念断面図である。園 15]図 15は、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

la 基板

lb 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

5b, 5 ' b 底面

5c, 5 c ； h通孑し

6, 6 ' 上フランジ

6 ' a 開口部

7 ビームダクト木口

液体ヘリウム真空領域

大気領域

パルス管冷凍機a コーノレド、ヘッドb ノノレブモータc ガス圧縮機

d ガス配管

e ガス配管

f コールドフィンガ

冷却板

支持板

編組導体

熱伝導シート締付けボルトナット

皿ばね

断熱支持棒防振ゴム

電気ヒーター磁性第 1磁気シ -ルドa 円板部

b 円筒部

磁性第 2磁気シ- -ルドa 貫通孔

煙突シールド磁性第 3磁気シ -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

発明を実施するための最良の形態

[0015] 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ぉレ、て、それぞれ同一あるいは相当する構成や内容にっレ、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。

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 1 2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。

[0016] 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一 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。

[0017] 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。

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 '内部に揷通されている。

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を介してコールドへッド 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レ、る。

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。

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、光ファイバ一ケープルを介して通信が行われるようになされてレ、る。

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力け、 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、温度コントローラ一としては、例えば、 PID (Proportional plus Integ ral plus Derivative)制御を用いることができる。

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。

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。

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が設置されてレ、る。

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。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本ずっ配設され、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 0—0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。

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、コールドフインガー 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。

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、機械的強度が高ぐかつ、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。

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ァ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。

[0019] 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 X 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。

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。

[0020] 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。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ゥムゃ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。

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。

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、液体ヘリゥムゃ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。

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。

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一 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、コールドヘッド 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。

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のポンビング周期で作動するが、パルス管冷凍機 12の作動するボンビ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。

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。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。

[0022] 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。

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。

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力電気ヒーター 2 2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。

[0023] 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までは抵抗がなレ、ため電圧が生じなレ、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 Φ 単位 (h/2e = 2

0

. 068 X 10"¹⁵Weber)を周期として COS関数的に変化する。

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、インプットコイル、フィードバックコイル、モジュレーショ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ょうとする。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中のアウトプット）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中のモジュレーション回路は、周波数帯域を広げるために用いられている。

[0024] 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。

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。

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 2 6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。

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。

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力 S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。

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レ、る。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。

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。

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。

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。

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。

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を設けること力できる。

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ツキすることにより、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。

[0026] 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。

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力 Sできる。

[0027] 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。

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。

即ち、図 14において、符号 la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 lb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 lbを基板 laに接合することにより構成されている。なお、電流センサ一 1の超伝導体の膜 lbは、ビーム電流を測定するために円筒状の基板 laの内径周壁面、端面、外径周壁面に作成されている。

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。

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 28 a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。

なお、超伝導体の膜 lb、 2b、 28bの膜厚は、例えば、 0. 1mm程度である。

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 gl , g2が存在することになる恐れがあり、こうした隙間 gl , 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 gl , 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。

こうした図 14に示すような隙間 g 1 , g 2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。

さらに、隙間 glと電流センサー 1の厚さ hiとの比である gl/hlと、隙間 g2と磁気シ一ノレド 2の厚さ h2との比である g2Zh2とを、それぞれ 1Z10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。

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。

(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 SQ UID3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レ、し、高温 (液体窒素温度）で作動する高温超伝導体でもよぐどちらの超伝導体も用いることができる。

(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ぐ円筒形状の他、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。

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。

(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本ずっ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レ、。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。

(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力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レ、。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ぐいずれか一方のみを配設するようにしてもよい。

(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 SQ UID3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ぐ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。

(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。

産業上の利用可能性

数 nA程度の微弱な微弱なビーム電流を、非破壊かつ高精度で測定する際に利用すること力 Sできる。

Claims

請求の範囲

[1] 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一との間に前記 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。

[2] 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。

[3] 請求項 1または請求項 2のいずれ力 4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。

[4] 請求項 1、請求項 2または請求項 3のいずれ力 4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。

[5] 請求項 1、請求項 2、請求項 3または請求項 4のいずれ力 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のいずれ力 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。