ビーム電流センサー
電流から磁場を形成する効率を向上させ、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするものであり、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部は、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、上記第１のコイル部の内径側の中心部位と上記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム電流センサーに関し、さらに詳細には、ＳＱＵＩＤと組み合わせて、微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定するビーム電流計を構成する際に用いて好適なビーム電流センサーに関する。
【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 Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が知られている。
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μＡ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った。
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いるＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）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が、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（後述する非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４ならびに非特許文献５を参照する。）。
【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μＡ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１０−１３Ｔ、１ｎＡのビームが作り出す磁場の中心から２０ｃｍの地点においては１０−１５Ｔ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いものである。
【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ついては、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。
【０００５】
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はビームダクトを示し、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が設置されている。
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いる。
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。
【０００６】
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１×１０−４Ｐａ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の構成および作用ならびにこれら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が、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、ビーム電流センサー１のブリッジ部（後述する。）上にＳＱＵＩＤ３を取り付けたビーム電流センサー１の概略構成斜視概念説明図が示されており、図４には、図３のＡ矢視一部拡大概略構成概念説明図が示されている。
このビーム電流センサー１は、円筒形状をした絶縁体よりなる基板上に超伝導物質を形成した超伝導体よりなるものであるが、その周壁面の軸方向中央位置の外径側表面には、ブリッジ部となる直線状の一部の領域を除いて周状に（鉢巻き状）に超伝導物質が形成されておらず、直線状のブリッジ部（図４参照）を除いて線状形状を備えた絶縁体、即ち、基板が周状（鉢巻き状）に露出している。
つまり、ビーム電流センサー１においては、円筒形状の超伝導体の周壁面の外径側表面に、直線状の一部の領域たるブリッジ部のみを残して線状の絶縁体が周状（鉢巻き状）に形成されることになる。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。
即ち、円筒形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。ブリッジ部にＳＱＵＩＤ３を置くことによって、電流が作る磁場を測定して当該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ものである。
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。
【０００７】
ところで、上記において説明した従来のビーム電流センサーにおいては、空気中に形成された磁場をＳＱＵＩＤにより検出してビーム電流値を計測しているため、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流により形成される磁場の検出が困難であり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値を計測することが困難であるという問題点があった。
【非特許文献１】“Ａ Ｃｒｙｏｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ＤＣ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏ−ａｍｐｅｒｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”，Ｋ．Ｇｒｏｈｍａｎｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９７７，ｐ．３１１
【非特許文献２】“ＳＱＵＩＤ ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｅｒ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＭＡＧ−２１，Ｎｏ．２，１９８５，ｐ．９９７
【非特許文献３】“Ａ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎＡ ｂｅａｍｓ”，ＡＩＰ Ｃｏｎｆ．Ｐｒｏｃ．４５１（Ｂｅａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ），１９９８，ｐ．１６３
【非特許文献４】“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ＨＴＳ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｂｅａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”，Ｌ．Ｈａｏ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．（ＡＳＣ２０００），Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１，２００１−３，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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電流が形成する磁束を効率良く磁場測定器に伝達させ、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを提供しようとするものである。
また、本発明の目的とするところは、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようにして、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、ビーム電流センサーのブリッジ部をコイル形状（螺旋形状）、例えば、渦巻形状（螺旋状に巻いた平面曲線の形状）に形成して構成するようにして、電流から磁場を形成する際の効率を向上するようにしたものである。このブリッジ部は、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料で形成することが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明は、ビーム電流センサーのブリッジ部に軟磁性体、例えば、高透磁率トロイダルコアなどを配置するようにして、高透磁率トロイダルコアなどの軟磁性体を介して電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようにしたものである。
【００１０】
即ち、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部をコイル形状に形成したものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、上記第１のコイル部の内径側の中心部位と上記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部の近傍に配置された軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との間に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、上記第１のコイル部の内径側の中心部位と上記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成するようにし、上記第１のコイル部上に配置された略長方体状の第１の軟磁性体と、上記第２のコイル部上に配置された略長方体状の第２の軟磁性体と、一方の端部が上記第１の軟磁性体側に配置されるとともに他方の端部が上記第２の軟磁性体側に配置されて上記第１の軟磁性体と上記第２の軟磁性体とを架橋する略Ｕ字形状を備えた第３の軟磁性体とを有し、上記第１の軟磁性体と上記第３の軟磁性体の上記一方の端部との間と上記第２の軟磁性体と上記第３の軟磁性体の上記他方の端部との間とに上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を囲む磁気閉ループを形成する軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との間に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部は、絶縁体を跨ぐように架橋されて上記絶縁体との間に空隙を形成して立ち上がり形成され、上記空隙に一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにした軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との近傍に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上説明したように構成されているので、電流から磁場を形成する効率を向上させたビーム電流センサーを提供することができ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、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達可能なビーム電流センサーを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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、ビーム電流センサーのブリッジ部上にＳＱＵＩＤを取り付けたビーム電流センサーの概略構成斜視概念説明図である。
【図４】図４は、図３のＡ矢視一部拡大概略構成概念説明図である。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図４に対応する一部拡大概略構成概念説明図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）のＶ−Ｖ線による一部断面概略構成概念説明図である。
【図６（ａ）】図６（ａ）は巻回数が８０回、即ち、８０ターンを備えた第１コイル部のシミュレーション図であり、このシミュレーション図に示す第１コイル部は、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形にしており、外直径は８ｍｍである。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は、有限要素法のプログラム（ＯＰＥＲＡ３Ｄ）を用いた計算結果、即ち、図６（ａ）に示す第１コイル部と、第１コイル部と同様に巻回数が８０回、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形、外直径は８ｍｍの第２コイル部とを仮定し、１Ａの電流をこれら第１コイル部ならびに第２コイル部に通電したときに発生される磁場の計算結果を示す。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）に対応する一部拡大概略構成概念説明図である。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ｂ）に対応するＶＩＩ−ＶＩＩ線による一部断面概略構成概念説明図である。
【図８（ａ）】図８（ａ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、この実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透磁率トロイダルコアのような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものであり、要部概略構成斜視説明図である。
【図８（ｂ）】図８（ｂ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、この実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透過磁率トロイダルコアのような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものであり、図５（ｂ）に対応する一部断面概略構成概念説明図である。
【図９】図９は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果を示すものであり、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に０．５ｍｍの間隙を開けて配置された第３軟磁性体の他方の端部における磁束の様子を示す。
【図１０】図１０は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、図９の断面図を示す。
【図１１】図１１は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、ＳＱＵＩＤのＺ軸方向の磁場を示す。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示す斜視図であり、図１２とは異なる方向からの斜視図である。
【図１４】図１４は、図１２乃至図１３に示す本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示し、図１４（ａ）は正面図であり、図１４（ｂ）はＸＩＶ（ｂ）矢視図であり、図１４（ｃ）はＸＩＶ（ｃ）矢視図である。
【図１５】図１５は、図１２乃至図１３に示す本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部と組み合わせて使用する軟磁性体としての略四角枠形状の高透磁率トロイダルコアの斜視図である。
【図１６】図１６は、ブリッジ部へ高透磁率トロイダルコアおよびＳＱＵＩＤを取り付けた状態を示し、図１６（ａ）は図１４（ａ）に示す方向から見た状態の要部拡大構成説明図であり、図１６（ｂ）は図１４（ｃ）に示す方向から見た状態の要部拡大構成説明図である。
【図１７】図１７（ａ）は高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを配置する状態を示す上方斜視図であり、図１７（ｂ）は高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを配置する状態を示す上方斜視図である。
【図１８】図１８（ａ）はＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ａ）に対応する上方斜視図であり、図１８（ｂ）はＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ｂ）に対応する下方斜視図である。
【図１９】図１９（１）乃至（５）は、ブリッジ部への高透磁率トロイダルコアおよびＳＱＵＩＤを取り付ける手順を示す説明図である。
【図２０】図２０は、高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを取り付けた状態を示し、図２０（ａ）は正面図であり、図２０（ｂ）はＸＸ（ｂ）矢視図であり、図２０（ｃ）はＸＸ（ｃ）矢視図である。
【図２１】図２１は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果を示すものであり、高透磁率トロイダルコアの磁束の様子を示す。
【図２２】図２２は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、図２１の断面図を示す。
【図２３】図２３は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、ＳＱＵＩＤのＺ軸方向の磁場を示す。
【図２４】図２４は、Ｂｉ２２１２の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図である。
【図２５】図２５は、Ｂｉ２２２３の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１３】
１ ビーム電流センサー
２ 磁気シールド
３ ＳＱＵＩＤ
４ 冷媒タンク
５ 真空容器
５ａ 上面
５ｂ 底面
５ｃ 貫通孔
６ 上フランジ
７ ビームダクト
８ 架台
９ 液体ヘリウム
１０ 真空領域
１１ 大気領域
５０、１５０ ブリッジ部
５２ 第１コイル部
５４ 第２コイル部
５２ａ，５２ｂ 中心部位
５６ 連結部
５６ａ 第１部位
５６ｂ 第２部位
５６ｃ 第３部位
８０、１８０ 高透磁率トロイダルコア
８２ 第１軟磁性体
８４ 第２軟磁性体
８６ 第３軟磁性体
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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センサーの実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１５】
図５（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）は図４に対応する一部拡大概略構成概念説明図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ線による一部断面概略構成概念説明図である。
なお、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーは、ブリッジ部の構成のみが図１に示す上記した従来のビーム電流センサー１と異なるものであるので、以下の説明においては、ブリッジ部の構成のみを説明することとし、他の部分の説明は上記した説明ならびに図１を援用することにより省略する。
【００１６】
この図５（ａ）（ｂ）に示すビーム電流センサーのブリッジ部５０は、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により渦巻形状（螺旋状に巻いた平面曲線の形状）をなすように構成されている。
より詳細には、ブリッジ部５０は、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの左側の領域に外径側から内径側に反時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第１コイル部５２と、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの右側の領域に外径側から内径側に時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第２コイル部５４と、渦巻形状の第１コイル部５２の内径側の中心部位５２ａと渦巻形状の第２コイル部５４の内径側の中心部位５４ａとを接続する連結部５６とを有して構成されており、これら第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６は超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により形成されている。
なお、連結部５６は、第１コイル部５２の中心部位５２ａと第２コイル部５４の中心部位５４ａとのみを接続するように配設されており、第１コイル部５２の中心部位５２ａ以外の箇所あるいは第２コイル部５４の中心部位５４ａ以外の箇所と接触して、短絡することのないように配設されている。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、連結部５６は、中心部位５２ａからビーム電流センサー１の中心軸Ｏ−Ｏ方向に延長する第１部位５６ａと、中心部位５４ａからビーム電流センサー１の中心軸Ｏ−Ｏ方向に延長する第２部位５６ｂと、第１部位５６ａと第２部位５６ｂとを連結する第３部位５６ｃとより構成されている。
【００１７】
ここで、上記したブリッジ部５０の作製方法について説明すると、まず、基板におけるブリッジ部５０が配置される領域に凹所６０を形成するとともに、この凹所６０内に配置される基板ブロック７０を作製する。
この基板ブロック７０を作製する際には、底部側絶縁体７２の上面に連結部５６の第３部位５６ｃとなる超伝導体７４を形成し、さらにその上に上部側絶縁体７６を形成し、底部側絶縁体７２と上部側絶縁体７６とにより第３部位５６ｃとなる超伝導体７４を挟み込むようにする。
次に、上部側絶縁体７２の表面に超伝導物質、例えば、高温超伝導材を塗布してから焼成することにより、超伝導体を形成する。その後に、第１コイル部５２と第２コイル部５４との形状のパターンを示すマスクを配置し、イオンビームの照射によるエッチングによってマスクされていない領域の超伝導体を除去して基板を露出させ、第１コイル部５２と第２コイル部５４を形成する。
次に、第１コイル部５２の中心部位５２ａと第２コイル部５４の中心部位５４ａとに、第３部位５６ｃとなる超伝導体７４まで到達するように微細な穴を開け、その穴内に超伝導物質、例えば、高温超伝導材を充填して焼成することにより、第１部位５６ａと第２部位５６ｂとを形成し、第１部位５６ａと第２部位５６ｂと第３部位５６ｃとが接続された連結部５６を形成する。これにより、第１コイル部５２と第２コイル部５４とは短絡することなく接続される。
このように第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６の部分を小さな基板７０上に予め作製しておき、ビーム電流センサーの基板に形成された凹所６０内に第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６を形成した基板７０を接合し、その接合後に再度超伝導物質を塗布焼成し、ビーム電流センサーを完成するものである。
このブリッジ部５０を備えたビーム電流センサーによれば、磁場は第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４の巻回数だけ増え、電流から磁場を形成する効率を向上することができ、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００１８】
なお、絶縁体（基板）の材料としては、例えば、ＭｇＯを用いることができ、また、超伝導物質としては、Ｂｉ系の高温超伝導材料を用いることができる。
【００１９】
ここで、図６（ａ）には、巻回数が８０回、即ち、８０ターンを備えた第１コイル部５２のシミュレーション図が示されている。このシミュレーション図に示す第１コイル部５２は、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形にしており、外直径は８ｍｍである。
また、図６（ｂ）には、有限要素法のプログラム（ＯＰＥＲＡ３Ｄ）を用いた計算結果、即ち、図６（ａ）に示す第１コイル部５２と、第１コイル部５２と同様に巻回数が８０回、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形、外直径は８ｍｍの第２コイル部５４とを仮定し、１Ａの電流をこれら第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４に通電したときに発生される磁場の計算結果が示されている。
この図６（ｂ）に示す計算結果と図４に示す従来の直線形状のブリッジ部が作る磁場と比較すると、第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４によれば３１倍のゲインが得られた。
【００２０】
次に、図７（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されている。なお、図７（ａ）は図５（ａ）に対応する一部拡大概略構成概念説明図であり、図７（ｂ）は図５（ｂ）に対応するＶＩＩ−ＶＩＩ線による一部断面概略構成概念説明図である。
この実施の形態は、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に、軟磁性体として略Ｕ字形状の高透磁率トロイダルコア８０を配置し、ブリッジ部と高透磁率トロイダルコア８０との間にＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した点において、従来のビーム電流センサー１と異なっている。
このようにブリッジ部上に高透磁率トロイダルコア８０を配置することにより、磁束が高透磁率トロイダルコア８０に集中するようになるため、ブリッジ部と高透磁率トロイダルコア８０との間に配置したＳＱＵＩＤインプットコイルに電流が作る磁場を効率よく捕捉させることができる。
従って、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようになり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００２１】
次に、図８（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されている。
この図８（ａ）（ｂ）に示す実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透磁率トロイダルコア８０のような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものである。
なお、図８（ａ）は要部概略構成斜視説明図であり、図８（ｂ）は図５（ｂ）に対応する一部断面概略構成概念説明図である。
この実施の形態は、第１コイル部５２上に配置された略長方体状、より詳細には、上方が細径に形成された四角錐台状の高透磁率コアなどの第１軟磁性体８２と、第２コイル部５４上に配置された略長方体状、より詳細には、上方が細径に形成された四角錐台状の高透磁率コアなどの第２軟磁性体８４と、一方の端部８６ａが第１軟磁性体８２側に配置されるとともに他方の端部８６ｂが第２軟磁性体８４側に配置されて第１軟磁性体８２と第２軟磁性体８４とを架橋する略Ｕ字形状を備えた高透磁率コアなどの第３軟磁性体８６とを備えている。
そして、第１軟磁性体８２と第３軟磁性体８６の一方の端部８６ａとの間と、第２軟磁性体８４と第３軟磁性体８６の他方の端部８６ｂとの間とに、ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしている。
こうした実施の形態においては、第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４の巻回数に応じて増加した磁場の磁束が、第１軟磁性体８２および第２軟磁性体８４に集中し、さらに第３軟磁性体８６に集中するようになるため、第１軟磁性体８２と第３軟磁性体８６の一方の端部８６ａとの間と第２軟磁性体８４と第３軟磁性体８６の他方の端部８６ｂとの間とに配置したＳＱＵＩＤインプットコイルに、電流が作る磁場を効率よく捕捉させることができる。
従って、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようになり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００２２】
図９乃至図１１には、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示されている。
なお、計算の条件は、メッシュ数（要素数）が２×１０６個で均等に切っている。そして、図９に関して説明すると、ＺＹ面のみ磁場が垂直に向かい、他の面は全て磁場の垂直成分は０というバランダリーコンディションを入れている。即ち、ＺＹ面が垂直成分のみというのは、上記計算がＺＹ面で対称ということを意図し、全体の半分の計算でよいことを意味する。
また、第１軟磁性体８２、第２軟磁性体８４および第３軟磁性体８６の比透磁率は５×１０５であり、ＭＡＦＩＡはアキュラシーを設定し、その設定値以内になるまで、アイテレーションを繰り返す。アキュラシーは前回の計算と今回の計算との残差であり、今回の計算では１０−６に設定し、数千回のアイテレーションで収束した。なお、電流値は、図９に示す通りトータルで１ｎＡである。
【００２３】
ここで、図９には、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に０．５ｍｍの間隙を開けて配置された第３軟磁性体８６の端部８６ｂにおける磁束の様子が示されている。
また、図１０には図９の断面図が示されており、図１１にはＳＱＵＩＤ３のＺ軸方向の磁場が示されている。
これらの計算結果からは、ＳＱＵＩＤの感度が３００倍程度向上し、１ｎＡの微弱なビーム電流値を測定することが可能になることを示している。
【００２４】
次に、図１２乃至図２０を参照しながら、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーについて説明する。
この図１２乃至図２３に示す実施の形態によるビーム電流センサーは、そのブリッジ部が、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により、絶縁体（基板）を跨ぐように架橋されたコ字状形状に立ち上がり形成された三次元形状の立体的なブリッジ部１５０として構成されている。
即ち、ブリッジ部１５０は、図１２乃至図１４に示されているように、コ字状形状の両端部によって、絶縁体（基板）により電気的に絶縁された超伝導物質を電気的に接続するようにして配置されている。立ち上がり形成されたブリッジ部１５０と絶縁体（基板）との間には、空隙１５０ａが形成されることになる。
また、図１５には、ブリッジ部１５０と組み合わせて使用する軟磁性体としての略四角枠形状の高透磁率トロイダルコア１８０が示されている。この高透磁率トロイダルコア１８０により、磁気閉ループが形成される。
この高透磁率トロイダルコア１８０は、両方の脚部の端部が離隔して開口した略Ｕ字形状の第１軟磁性体１８０ａと、略Ｕ字形状の第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部の端部が離隔した開口部位に隙間なく嵌め込み可能に寸法設定された長方体形状の第２軟磁性体１８０ｂと、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部の端部にそれぞれ形成された貫通孔１８０ａ−１、１８０ａ−２および第２軟磁性体１８０ｂの略中央に形成された貫通孔１８０ｂ−１内に貫入されて第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂとを磁気的に遮断なく接続する第３軟磁性体１８０ｃとより構成されている。なお、第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂと第３軟磁性体１８０ｃとは、第２軟磁性体１８０ｂが、貫通孔１８０ｂ−１の延長方向と絶縁体（基板）の延長方向とを一致させて空隙１５０ａ内に配置可能に寸法設定され（図１９の（１）（２）を参照する。）、第１軟磁性体１８０ａと第３軟磁性体１８０ｃとが、ブリッジ部１５０を跨ぐようにして第１軟磁性体１８０ａを配置して第２軟磁性体１８０ｂと連結可能に寸法設定されている（図１９の（３）（４）（５）を参照する。）。
図１２乃至図２０に示す実施の形態によるビーム電流センサーは、上記した構成を備えたブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０とを用いて、ブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０とに隣接してＳＱＵＩＤ３を配置するものである。
即ち、図１６に示すように、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部をＳＱＵＩＤインプットコイルの空間領域に挿通するようにしてＳＱＵＩＤ３を配置して、ブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０との間にＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
ここで、図１７（ａ）には高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を配置する状態を示す上方斜視図が示されており、図１７（ｂ）には高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を配置する状態を示す下方斜視図が示されており、図１８（ａ）にはＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ａ）に対応する上方斜視図が示されており、図１８（ｂ）にはＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ｂ）に対応する下方斜視図が示されているが、図１９を参照しながらブリッジ部１５０への高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３の取り付け方法について説明する。なお、図１９においては、理解を容易にするために、ＳＱＵＩＤ３についてはＳＱＵＩＤインプットコイルのみを図示した。
ブリッジ部１５０へ高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３を取り付けるには、まず、ブリッジ部１５０の空隙１５０ａに、貫通孔１８０ｂ−１の延長方向と絶縁体（基板）の延長方向とを一致させて第２軟磁性体１８０ｂを配置する（図１９（１）（２）を参照する。）。
次に、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部をＳＱＵＩＤインプットコイルの空間領域に挿通するようにして、ブリッジ部１５０を跨ぐように第１軟磁性体１８０ａをブリッジ部１５０上に配置する（図１９（３）を参照する。）。
さらに、貫通孔１８０ａ−１、１８０ａ−２、１８０ｂ−１内に第３軟磁性体１８０ｃを挿通して、ブリッジ部１５０へ高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３を取り付ける（図１９（４）（５）を参照する。）。
なお、図２０には、高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を取り付けた状態が示されており、（ａ）は正面図であり、（ｂ）はＸＸ（ｂ）矢視図であり、（ｃ）はＸＸ（ｃ）矢視図である。
【００２５】
図２１乃至図２３には、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示されている。
なお、計算の条件は、メッシュ数（要素数）が２×１０６個で均等に切っている。そして、図２１に関して説明すると、ＺＹ面のみ磁場が垂直に向かい、他の面は全て磁場の垂直成分は０というバランダリーコンディションを入れている。即ち、ＺＹ面が垂直成分のみというのは、上記計算がＺＹ面で対称ということを意図し、全体の半分の計算でよいことを意味する。
また、高透磁率トロイダルコア１８０の比透磁率は５×１０５であり、ＭＡＦＩＡはアキュラシーを設定し、その設定値以内になるまで、アイテレーションを繰り返す。アキュラシーは前回の計算と今回の計算との残差であり、今回の計算では１０−６に設定し、数千回のアイテレーションで収束した。なお、電流値は、図２１に示す通りトータルで１ｍＡである。
ここで、図２１には、高透磁率トロイダルコア１８０における磁束の様子が示されている。また、図２２には図２１の断面図が示されており、図２３にはＳＱＵＩＤ３のＺ軸方向の磁場が示されている。
これらの計算結果からは、１ｍＡの電流がこのブリッジ部１５０を流れると、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に５ｍＴの磁場が発生する。これをリニアーに換算すると、１ｎＡの電流では、５ｎＴの磁場に相当する。
即ち、図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０が磁気的に閉じたループ（磁気閉ループ）を形成しているため磁場の逃げがないので、ＳＱＵＩＤの感度が著しく向上し、１ｎＡの微弱なビーム電流値を測定することが可能になることを示している。
【００２６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（８）に説明するように適宜に変形してもよい。
（１）上記した実施の形態においては、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの左側の領域に外径側から内径側に反時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第１コイル部５２と、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの右側の領域に外径側から内径側に時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第２コイル部５４と、渦巻形状の第１コイル部５２の内径側の中心部位５２ａと渦巻形状の第２コイル部５４の内径側の中心部位５４ａとを接続する連結部５６とを有してブリッジ部５０を構成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。即ち、第１コイル部５２や第２コイル部５４におけるコイルの巻回方向や巻回数、また、断面形状やその大きさ、さらには外直径などは、所望の仕様要求に応じて適宜に変更するようにしてよい。また、第１コイル部５２と第２コイル部５４とのようにブリッジ部を二つのコイル部で構成することなく、単一のコイル部で構成するようにしてもよい。
（２）上記した実施の形態においては、基板に高温超伝導材を塗布生成後にコイルのパターンのマスクを着け、イオンビームの照射によるエッチングによってコイル状のブリッジ部を形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、ＭｇＯなどにより形成された基板上にレーザーによってコイルの溝を精密に加工し、当該溝にＢｉ系の高温超伝導材料などの超伝導物質を塗布して焼成することにより、ブリッジ部におけるコイル部を作製するようにしてもよい。
（３）高透磁率トロイダルコア８０、第１軟磁性体８２、第２軟磁性体８４あるいは第３軟磁性体８６の形状は、上記した形状に限定されるものではないことが勿論であり、所望の仕様要求に応じて長方体や立方体などの任意の形状を適宜に選択することができる。
（４）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、ブリッジ部１５０を立体的に構成することにより空隙１５０ａを形成して、この空隙１５０ａに高透磁率トロイダルコア１８０の一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、超伝導体におけるブリッジ部を従来の構成や他の実施の形態のように構成し、当該超伝導体のブリッジ部近傍に貫通孔を形成して、この貫通孔に高透磁率トロイダルコア１８０を挿通することにより、高透磁率トロイダルコア１８０によりブリッジ部を囲む閉ループを構成するようにしてもよい。
（５）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０とＳＱＵＩＤ３とを別体として構成し、ブリッジ部１５０に取り付ける際にそれぞれ組み込むようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、予め高透磁率トロイダルコア１８０とＳＱＵＩＤ３とを一体的に形成しておいてもよい。
（６）上記した実施の形態においては、高温超伝導材料としてＢｉ系の材料を用いたが、こうしたＢｉ系の材料としては、例えば、Ｂｉ２２２３やＢｉ２２１２などを用いることができる。
つまり、Ｂｉ２２２３を９９．９％のＭｇＯ上に塗布焼成することで、ビーム電流センサーや磁気シールドを製作することができる。
このＢｉ２２２３の特徴としては、１０６Ｋと転移温度が高いので液体窒素温度までのマージンが大きくとれ、このため温度変化に対して安定している点があげられる。しかしながら、最適な膜厚が３００μｍ程度と厚いので、そのため、例えば、５日間の焼結と２０気圧の水で圧縮するプロセスを３回行わなければならない。また、複雑な形状を必要とする場合において、水で圧縮する際にＭｇＯの基板が破損しないようにすることには非常な困難が伴う。また、ＭｇＯの基板を破損なく複雑な形状に形成することができても、高温超伝導体とＭｇＯ基板との温度係数が異なるために、両者が剥離しないように管理する必要がある。
一方、同じくＢｉ系の高温超伝導体でも、Ｂｉ２２１２は、９９．９％の銀上に溶融法というプロセスで形成される。このＢｉ２２１２の最適な膜厚は７０μｍ程度とＢｉ２２２３に比べて薄いため、例えば、一週間の工程で製作することができ、水圧で圧縮するプロセスも必要ない。これは、基板である銀の融点よりもわずかに低い温度で超伝導体を形成するため、文字通り溶融させて形成する。ただし、臨界温度が８３Ｋと低いため液体窒素温度までのマージンが少なくなるが、冷凍機の使用により７０Ｋよりも低い温度に保つことは可能である。また、複雑な形状を形成する場合においては、Ｂｉ２２１２は、水圧による圧縮プロセスがなく、高温超伝導体と銀の基板との結合が強いため、Ｂｉ２２２３よりは剥離の問題がおこらない。
従って、高温超伝導材料としては、上記したような各材料の特徴を考慮して、所望の材料を選択するようにすればよい。
なお、図２４にはＢｉ２２１２の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図が示されており、図２５にはＢｉ２２２３を表面の電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図が示されている。これら図２４と図２５とを比較すると、Ｂｉ２２１２の方が表面が滑らかである。
（７）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０を第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂと第３軟磁性体１８０ｃとより構成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、高透磁率トロイダルコア１８０は磁気閉ループを構成すればよいので、第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂとを適宜の材料の連結部材により連結するようにして構成してもよい。
（８）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明と、環境磁場を、例えば、シールドがない従来の場合と比較して１／１０６位までに低減する手法とを組み合わせると、ｎＡオーダーの微弱なビーム電流を一層高精度で測定することが可能となる。
なお、シールドがない従来の場合と比較して１／１０６位までに低減する手法として、例えば、本願出願人である独立行政法人理化学研究所により平成１５年５月３０日付けで出願された特願２００３−１５５４０７に開示された手法などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、ｎＡオーダーの微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定するビーム電流計を構成する際に利用することができ、特に、ＳＱＵＩＤと組み合わせて用いられることが好ましいものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム電流センサーに関し、さらに詳細には、ＳＱＵＩＤと組み合わせて、微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定するビーム電流計を構成する際に用いて好適なビーム電流センサーに関する。
【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 Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）が知られている。
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μＡ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った。
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いるＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）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が、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（後述する非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４ならびに非特許文献５を参照する。）。
【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μＡ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１０−１３Ｔ、１ｎＡのビームが作り出す磁場の中心から２０ｃｍの地点においては１０−１５Ｔ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いものである。
【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ついては、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。
【０００５】
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はビームダクトを示し、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が設置されている。
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いる。
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。
【０００６】
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１×１０−４Ｐａ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の構成および作用ならびにこれら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が、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、ビーム電流センサー１のブリッジ部（後述する。）上にＳＱＵＩＤ３を取り付けたビーム電流センサー１の概略構成斜視概念説明図が示されており、図４には、図３のＡ矢視一部拡大概略構成概念説明図が示されている。
このビーム電流センサー１は、円筒形状をした絶縁体よりなる基板上に超伝導物質を形成した超伝導体よりなるものであるが、その周壁面の軸方向中央位置の外径側表面には、ブリッジ部となる直線状の一部の領域を除いて周状に（鉢巻き状）に超伝導物質が形成されておらず、直線状のブリッジ部（図４参照）を除いて線状形状を備えた絶縁体、即ち、基板が周状（鉢巻き状）に露出している。
つまり、ビーム電流センサー１においては、円筒形状の超伝導体の周壁面の外径側表面に、直線状の一部の領域たるブリッジ部のみを残して線状の絶縁体が周状（鉢巻き状）に形成されることになる。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。
即ち、円筒形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。ブリッジ部にＳＱＵＩＤ３を置くことによって、電流が作る磁場を測定して当該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ものである。
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。
【０００７】
ところで、上記において説明した従来のビーム電流センサーにおいては、空気中に形成された磁場をＳＱＵＩＤにより検出してビーム電流値を計測しているため、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流により形成される磁場の検出が困難であり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値を計測することが困難であるという問題点があった。
【非特許文献１】“Ａ Ｃｒｙｏｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ＤＣ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｉｏｎ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｎａｎｏ−ａｍｐｅｒｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”，Ｋ．Ｇｒｏｈｍａｎｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９７７，ｐ．３１１
【非特許文献２】“ＳＱＵＩＤ ｂａｓｅｄ ｂｅａｍ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｅｒ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．ＭＡＧ−２１，Ｎｏ．２，１９８５，ｐ．９９７
【非特許文献３】“Ａ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎＡ ｂｅａｍｓ”，ＡＩＰ Ｃｏｎｆ．Ｐｒｏｃ．４５１（Ｂｅａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ），１９９８，ｐ．１６３
【非特許文献４】“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ＨＴＳ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ−ｂｅａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”，Ｌ．Ｈａｏ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ．（ＡＳＣ２０００），Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ．１，２００１−３，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】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電流が形成する磁束を効率良く磁場測定器に伝達させ、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを提供しようとするものである。
また、本発明の目的とするところは、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようにして、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、ビーム電流センサーのブリッジ部をコイル形状（螺旋形状）、例えば、渦巻形状（螺旋状に巻いた平面曲線の形状）に形成して構成するようにして、電流から磁場を形成する際の効率を向上するようにしたものである。このブリッジ部は、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料で形成することが好ましい。
また、上記目的を達成するために、本発明は、ビーム電流センサーのブリッジ部に軟磁性体、例えば、高透磁率トロイダルコアなどを配置するようにして、高透磁率トロイダルコアなどの軟磁性体を介して電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようにしたものである。
【００１０】
即ち、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部をコイル形状に形成したものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、上記第１のコイル部の内径側の中心部位と上記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部の近傍に配置された軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との間に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、上記第１のコイル部の内径側の中心部位と上記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成するようにし、上記第１のコイル部上に配置された略長方体状の第１の軟磁性体と、上記第２のコイル部上に配置された略長方体状の第２の軟磁性体と、一方の端部が上記第１の軟磁性体側に配置されるとともに他方の端部が上記第２の軟磁性体側に配置されて上記第１の軟磁性体と上記第２の軟磁性体とを架橋する略Ｕ字形状を備えた第３の軟磁性体とを有し、上記第１の軟磁性体と上記第３の軟磁性体の上記一方の端部との間と上記第２の軟磁性体と上記第３の軟磁性体の上記他方の端部との間とに上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部を囲む磁気閉ループを形成する軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との間に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
また、本発明は、ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、上記ブリッジ部は、絶縁体を跨ぐように架橋されて上記絶縁体との間に空隙を形成して立ち上がり形成され、上記空隙に一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにした軟磁性体を有し、上記ブリッジ部と上記軟磁性体との近傍に上記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、以上説明したように構成されているので、電流から磁場を形成する効率を向上させたビーム電流センサーを提供することができ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、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達可能なビーム電流センサーを提供することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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、ビーム電流センサーのブリッジ部上にＳＱＵＩＤを取り付けたビーム電流センサーの概略構成斜視概念説明図である。
【図４】図４は、図３のＡ矢視一部拡大概略構成概念説明図である。
【図５（ａ）】図５（ａ）は、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図４に対応する一部拡大概略構成概念説明図である。
【図５（ｂ）】図５（ｂ）は、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）のＶ−Ｖ線による一部断面概略構成概念説明図である。
【図６（ａ）】図６（ａ）は巻回数が８０回、即ち、８０ターンを備えた第１コイル部のシミュレーション図であり、このシミュレーション図に示す第１コイル部は、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形にしており、外直径は８ｍｍである。
【図６（ｂ）】図６（ｂ）は、有限要素法のプログラム（ＯＰＥＲＡ３Ｄ）を用いた計算結果、即ち、図６（ａ）に示す第１コイル部と、第１コイル部と同様に巻回数が８０回、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形、外直径は８ｍｍの第２コイル部とを仮定し、１Ａの電流をこれら第１コイル部ならびに第２コイル部に通電したときに発生される磁場の計算結果を示す。
【図７（ａ）】図７（ａ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）に対応する一部拡大概略構成概念説明図である。
【図７（ｂ）】図７（ｂ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ｂ）に対応するＶＩＩ−ＶＩＩ線による一部断面概略構成概念説明図である。
【図８（ａ）】図８（ａ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、この実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透磁率トロイダルコアのような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものであり、要部概略構成斜視説明図である。
【図８（ｂ）】図８（ｂ）は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、この実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透過磁率トロイダルコアのような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものであり、図５（ｂ）に対応する一部断面概略構成概念説明図である。
【図９】図９は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果を示すものであり、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に０．５ｍｍの間隙を開けて配置された第３軟磁性体の他方の端部における磁束の様子を示す。
【図１０】図１０は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、図９の断面図を示す。
【図１１】図１１は、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、ＳＱＵＩＤのＺ軸方向の磁場を示す。
【図１２】図１２は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示す斜視図であり、図１２とは異なる方向からの斜視図である。
【図１４】図１４は、図１２乃至図１３に示す本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の構成を示し、図１４（ａ）は正面図であり、図１４（ｂ）はＸＩＶ（ｂ）矢視図であり、図１４（ｃ）はＸＩＶ（ｃ）矢視図である。
【図１５】図１５は、図１２乃至図１３に示す本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部と組み合わせて使用する軟磁性体としての略四角枠形状の高透磁率トロイダルコアの斜視図である。
【図１６】図１６は、ブリッジ部へ高透磁率トロイダルコアおよびＳＱＵＩＤを取り付けた状態を示し、図１６（ａ）は図１４（ａ）に示す方向から見た状態の要部拡大構成説明図であり、図１６（ｂ）は図１４（ｃ）に示す方向から見た状態の要部拡大構成説明図である。
【図１７】図１７（ａ）は高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを配置する状態を示す上方斜視図であり、図１７（ｂ）は高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを配置する状態を示す上方斜視図である。
【図１８】図１８（ａ）はＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ａ）に対応する上方斜視図であり、図１８（ｂ）はＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ｂ）に対応する下方斜視図である。
【図１９】図１９（１）乃至（５）は、ブリッジ部への高透磁率トロイダルコアおよびＳＱＵＩＤを取り付ける手順を示す説明図である。
【図２０】図２０は、高透磁率トロイダルコアにＳＱＵＩＤを取り付けた状態を示し、図２０（ａ）は正面図であり、図２０（ｂ）はＸＸ（ｂ）矢視図であり、図２０（ｃ）はＸＸ（ｃ）矢視図である。
【図２１】図２１は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果を示すものであり、高透磁率トロイダルコアの磁束の様子を示す。
【図２２】図２２は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、図２１の断面図を示す。
【図２３】図２３は、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示すものであり、ＳＱＵＩＤのＺ軸方向の磁場を示す。
【図２４】図２４は、Ｂｉ２２１２の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図である。
【図２５】図２５は、Ｂｉ２２２３の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００１３】
１ ビーム電流センサー
２ 磁気シールド
３ ＳＱＵＩＤ
４ 冷媒タンク
５ 真空容器
５ａ 上面
５ｂ 底面
５ｃ 貫通孔
６ 上フランジ
７ ビームダクト
８ 架台
９ 液体ヘリウム
１０ 真空領域
１１ 大気領域
５０、１５０ ブリッジ部
５２ 第１コイル部
５４ 第２コイル部
５２ａ，５２ｂ 中心部位
５６ 連結部
５６ａ 第１部位
５６ｂ 第２部位
５６ｃ 第３部位
８０、１８０ 高透磁率トロイダルコア
８２ 第１軟磁性体
８４ 第２軟磁性体
８６ 第３軟磁性体
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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センサーの実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１５】
図５（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されており、図５（ａ）は図４に対応する一部拡大概略構成概念説明図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶ−Ｖ線による一部断面概略構成概念説明図である。
なお、本発明の実施の形態の一例によるビーム電流センサーは、ブリッジ部の構成のみが図１に示す上記した従来のビーム電流センサー１と異なるものであるので、以下の説明においては、ブリッジ部の構成のみを説明することとし、他の部分の説明は上記した説明ならびに図１を援用することにより省略する。
【００１６】
この図５（ａ）（ｂ）に示すビーム電流センサーのブリッジ部５０は、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により渦巻形状（螺旋状に巻いた平面曲線の形状）をなすように構成されている。
より詳細には、ブリッジ部５０は、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの左側の領域に外径側から内径側に反時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第１コイル部５２と、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの右側の領域に外径側から内径側に時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第２コイル部５４と、渦巻形状の第１コイル部５２の内径側の中心部位５２ａと渦巻形状の第２コイル部５４の内径側の中心部位５４ａとを接続する連結部５６とを有して構成されており、これら第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６は超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により形成されている。
なお、連結部５６は、第１コイル部５２の中心部位５２ａと第２コイル部５４の中心部位５４ａとのみを接続するように配設されており、第１コイル部５２の中心部位５２ａ以外の箇所あるいは第２コイル部５４の中心部位５４ａ以外の箇所と接触して、短絡することのないように配設されている。
具体的には、図５（ｂ）に示すように、連結部５６は、中心部位５２ａからビーム電流センサー１の中心軸Ｏ−Ｏ方向に延長する第１部位５６ａと、中心部位５４ａからビーム電流センサー１の中心軸Ｏ−Ｏ方向に延長する第２部位５６ｂと、第１部位５６ａと第２部位５６ｂとを連結する第３部位５６ｃとより構成されている。
【００１７】
ここで、上記したブリッジ部５０の作製方法について説明すると、まず、基板におけるブリッジ部５０が配置される領域に凹所６０を形成するとともに、この凹所６０内に配置される基板ブロック７０を作製する。
この基板ブロック７０を作製する際には、底部側絶縁体７２の上面に連結部５６の第３部位５６ｃとなる超伝導体７４を形成し、さらにその上に上部側絶縁体７６を形成し、底部側絶縁体７２と上部側絶縁体７６とにより第３部位５６ｃとなる超伝導体７４を挟み込むようにする。
次に、上部側絶縁体７２の表面に超伝導物質、例えば、高温超伝導材を塗布してから焼成することにより、超伝導体を形成する。その後に、第１コイル部５２と第２コイル部５４との形状のパターンを示すマスクを配置し、イオンビームの照射によるエッチングによってマスクされていない領域の超伝導体を除去して基板を露出させ、第１コイル部５２と第２コイル部５４を形成する。
次に、第１コイル部５２の中心部位５２ａと第２コイル部５４の中心部位５４ａとに、第３部位５６ｃとなる超伝導体７４まで到達するように微細な穴を開け、その穴内に超伝導物質、例えば、高温超伝導材を充填して焼成することにより、第１部位５６ａと第２部位５６ｂとを形成し、第１部位５６ａと第２部位５６ｂと第３部位５６ｃとが接続された連結部５６を形成する。これにより、第１コイル部５２と第２コイル部５４とは短絡することなく接続される。
このように第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６の部分を小さな基板７０上に予め作製しておき、ビーム電流センサーの基板に形成された凹所６０内に第１コイル部５２、第２コイル部５４および連結部５６を形成した基板７０を接合し、その接合後に再度超伝導物質を塗布焼成し、ビーム電流センサーを完成するものである。
このブリッジ部５０を備えたビーム電流センサーによれば、磁場は第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４の巻回数だけ増え、電流から磁場を形成する効率を向上することができ、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００１８】
なお、絶縁体（基板）の材料としては、例えば、ＭｇＯを用いることができ、また、超伝導物質としては、Ｂｉ系の高温超伝導材料を用いることができる。
【００１９】
ここで、図６（ａ）には、巻回数が８０回、即ち、８０ターンを備えた第１コイル部５２のシミュレーション図が示されている。このシミュレーション図に示す第１コイル部５２は、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形にしており、外直径は８ｍｍである。
また、図６（ｂ）には、有限要素法のプログラム（ＯＰＥＲＡ３Ｄ）を用いた計算結果、即ち、図６（ａ）に示す第１コイル部５２と、第１コイル部５２と同様に巻回数が８０回、断面形状が一辺３０ミクロンの正方形、外直径は８ｍｍの第２コイル部５４とを仮定し、１Ａの電流をこれら第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４に通電したときに発生される磁場の計算結果が示されている。
この図６（ｂ）に示す計算結果と図４に示す従来の直線形状のブリッジ部が作る磁場と比較すると、第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４によれば３１倍のゲインが得られた。
【００２０】
次に、図７（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されている。なお、図７（ａ）は図５（ａ）に対応する一部拡大概略構成概念説明図であり、図７（ｂ）は図５（ｂ）に対応するＶＩＩ−ＶＩＩ線による一部断面概略構成概念説明図である。
この実施の形態は、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に、軟磁性体として略Ｕ字形状の高透磁率トロイダルコア８０を配置し、ブリッジ部と高透磁率トロイダルコア８０との間にＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した点において、従来のビーム電流センサー１と異なっている。
このようにブリッジ部上に高透磁率トロイダルコア８０を配置することにより、磁束が高透磁率トロイダルコア８０に集中するようになるため、ブリッジ部と高透磁率トロイダルコア８０との間に配置したＳＱＵＩＤインプットコイルに電流が作る磁場を効率よく捕捉させることができる。
従って、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようになり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００２１】
次に、図８（ａ）（ｂ）には、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーのブリッジ部の概略構成説明図が示されている。
この図８（ａ）（ｂ）に示す実施の形態は、図５（ａ）（ｂ）に示す実施の形態に高透磁率トロイダルコア８０のような磁性体を導入した場合の構成の一例を示すものである。
なお、図８（ａ）は要部概略構成斜視説明図であり、図８（ｂ）は図５（ｂ）に対応する一部断面概略構成概念説明図である。
この実施の形態は、第１コイル部５２上に配置された略長方体状、より詳細には、上方が細径に形成された四角錐台状の高透磁率コアなどの第１軟磁性体８２と、第２コイル部５４上に配置された略長方体状、より詳細には、上方が細径に形成された四角錐台状の高透磁率コアなどの第２軟磁性体８４と、一方の端部８６ａが第１軟磁性体８２側に配置されるとともに他方の端部８６ｂが第２軟磁性体８４側に配置されて第１軟磁性体８２と第２軟磁性体８４とを架橋する略Ｕ字形状を備えた高透磁率コアなどの第３軟磁性体８６とを備えている。
そして、第１軟磁性体８２と第３軟磁性体８６の一方の端部８６ａとの間と、第２軟磁性体８４と第３軟磁性体８６の他方の端部８６ｂとの間とに、ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしている。
こうした実施の形態においては、第１コイル部５２ならびに第２コイル部５４の巻回数に応じて増加した磁場の磁束が、第１軟磁性体８２および第２軟磁性体８４に集中し、さらに第３軟磁性体８６に集中するようになるため、第１軟磁性体８２と第３軟磁性体８６の一方の端部８６ａとの間と第２軟磁性体８４と第３軟磁性体８６の他方の端部８６ｂとの間とに配置したＳＱＵＩＤインプットコイルに、電流が作る磁場を効率よく捕捉させることができる。
従って、電流から形成された磁場を効率よくＳＱＵＩＤに伝達することができるようになり、１ｎＡ程度の微弱なビーム電流値も計測することを可能にするビーム電流センサーを実現することができる。
【００２２】
図９乃至図１１には、図８に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示されている。
なお、計算の条件は、メッシュ数（要素数）が２×１０６個で均等に切っている。そして、図９に関して説明すると、ＺＹ面のみ磁場が垂直に向かい、他の面は全て磁場の垂直成分は０というバランダリーコンディションを入れている。即ち、ＺＹ面が垂直成分のみというのは、上記計算がＺＹ面で対称ということを意図し、全体の半分の計算でよいことを意味する。
また、第１軟磁性体８２、第２軟磁性体８４および第３軟磁性体８６の比透磁率は５×１０５であり、ＭＡＦＩＡはアキュラシーを設定し、その設定値以内になるまで、アイテレーションを繰り返す。アキュラシーは前回の計算と今回の計算との残差であり、今回の計算では１０−６に設定し、数千回のアイテレーションで収束した。なお、電流値は、図９に示す通りトータルで１ｎＡである。
【００２３】
ここで、図９には、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に０．５ｍｍの間隙を開けて配置された第３軟磁性体８６の端部８６ｂにおける磁束の様子が示されている。
また、図１０には図９の断面図が示されており、図１１にはＳＱＵＩＤ３のＺ軸方向の磁場が示されている。
これらの計算結果からは、ＳＱＵＩＤの感度が３００倍程度向上し、１ｎＡの微弱なビーム電流値を測定することが可能になることを示している。
【００２４】
次に、図１２乃至図２０を参照しながら、本発明の実施の形態の他の例によるビーム電流センサーについて説明する。
この図１２乃至図２３に示す実施の形態によるビーム電流センサーは、そのブリッジ部が、超伝導物質、例えば、高温超伝導材料により、絶縁体（基板）を跨ぐように架橋されたコ字状形状に立ち上がり形成された三次元形状の立体的なブリッジ部１５０として構成されている。
即ち、ブリッジ部１５０は、図１２乃至図１４に示されているように、コ字状形状の両端部によって、絶縁体（基板）により電気的に絶縁された超伝導物質を電気的に接続するようにして配置されている。立ち上がり形成されたブリッジ部１５０と絶縁体（基板）との間には、空隙１５０ａが形成されることになる。
また、図１５には、ブリッジ部１５０と組み合わせて使用する軟磁性体としての略四角枠形状の高透磁率トロイダルコア１８０が示されている。この高透磁率トロイダルコア１８０により、磁気閉ループが形成される。
この高透磁率トロイダルコア１８０は、両方の脚部の端部が離隔して開口した略Ｕ字形状の第１軟磁性体１８０ａと、略Ｕ字形状の第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部の端部が離隔した開口部位に隙間なく嵌め込み可能に寸法設定された長方体形状の第２軟磁性体１８０ｂと、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部の端部にそれぞれ形成された貫通孔１８０ａ−１、１８０ａ−２および第２軟磁性体１８０ｂの略中央に形成された貫通孔１８０ｂ−１内に貫入されて第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂとを磁気的に遮断なく接続する第３軟磁性体１８０ｃとより構成されている。なお、第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂと第３軟磁性体１８０ｃとは、第２軟磁性体１８０ｂが、貫通孔１８０ｂ−１の延長方向と絶縁体（基板）の延長方向とを一致させて空隙１５０ａ内に配置可能に寸法設定され（図１９の（１）（２）を参照する。）、第１軟磁性体１８０ａと第３軟磁性体１８０ｃとが、ブリッジ部１５０を跨ぐようにして第１軟磁性体１８０ａを配置して第２軟磁性体１８０ｂと連結可能に寸法設定されている（図１９の（３）（４）（５）を参照する。）。
図１２乃至図２０に示す実施の形態によるビーム電流センサーは、上記した構成を備えたブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０とを用いて、ブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０とに隣接してＳＱＵＩＤ３を配置するものである。
即ち、図１６に示すように、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部をＳＱＵＩＤインプットコイルの空間領域に挿通するようにしてＳＱＵＩＤ３を配置して、ブリッジ部１５０と高透磁率トロイダルコア１８０との間にＳＱＵＩＤインプットコイルを配置するようにしたものである。
ここで、図１７（ａ）には高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を配置する状態を示す上方斜視図が示されており、図１７（ｂ）には高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を配置する状態を示す下方斜視図が示されており、図１８（ａ）にはＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ａ）に対応する上方斜視図が示されており、図１８（ｂ）にはＳＱＵＩＤインプットコイルを配設したＳＱＵＩＤインプットコイル基板を取り囲むモールドを取り外した状態の図１７（ｂ）に対応する下方斜視図が示されているが、図１９を参照しながらブリッジ部１５０への高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３の取り付け方法について説明する。なお、図１９においては、理解を容易にするために、ＳＱＵＩＤ３についてはＳＱＵＩＤインプットコイルのみを図示した。
ブリッジ部１５０へ高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３を取り付けるには、まず、ブリッジ部１５０の空隙１５０ａに、貫通孔１８０ｂ−１の延長方向と絶縁体（基板）の延長方向とを一致させて第２軟磁性体１８０ｂを配置する（図１９（１）（２）を参照する。）。
次に、第１軟磁性体１８０ａの両方の脚部をＳＱＵＩＤインプットコイルの空間領域に挿通するようにして、ブリッジ部１５０を跨ぐように第１軟磁性体１８０ａをブリッジ部１５０上に配置する（図１９（３）を参照する。）。
さらに、貫通孔１８０ａ−１、１８０ａ−２、１８０ｂ−１内に第３軟磁性体１８０ｃを挿通して、ブリッジ部１５０へ高透磁率トロイダルコア１８０およびＳＱＵＩＤ３を取り付ける（図１９（４）（５）を参照する。）。
なお、図２０には、高透磁率トロイダルコア１８０にＳＱＵＩＤ３を取り付けた状態が示されており、（ａ）は正面図であり、（ｂ）はＸＸ（ｂ）矢視図であり、（ｃ）はＸＸ（ｃ）矢視図である。
【００２５】
図２１乃至図２３には、図１２乃至図２０に示す実施の形態に関して、有限要素法のプログラム（ＭＡＦＩＡ）を用いた計算結果が示されている。
なお、計算の条件は、メッシュ数（要素数）が２×１０６個で均等に切っている。そして、図２１に関して説明すると、ＺＹ面のみ磁場が垂直に向かい、他の面は全て磁場の垂直成分は０というバランダリーコンディションを入れている。即ち、ＺＹ面が垂直成分のみというのは、上記計算がＺＹ面で対称ということを意図し、全体の半分の計算でよいことを意味する。
また、高透磁率トロイダルコア１８０の比透磁率は５×１０５であり、ＭＡＦＩＡはアキュラシーを設定し、その設定値以内になるまで、アイテレーションを繰り返す。アキュラシーは前回の計算と今回の計算との残差であり、今回の計算では１０−６に設定し、数千回のアイテレーションで収束した。なお、電流値は、図２１に示す通りトータルで１ｍＡである。
ここで、図２１には、高透磁率トロイダルコア１８０における磁束の様子が示されている。また、図２２には図２１の断面図が示されており、図２３にはＳＱＵＩＤ３のＺ軸方向の磁場が示されている。
これらの計算結果からは、１ｍＡの電流がこのブリッジ部１５０を流れると、ＳＱＵＩＤインプットコイル上に５ｍＴの磁場が発生する。これをリニアーに換算すると、１ｎＡの電流では、５ｎＴの磁場に相当する。
即ち、図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０が磁気的に閉じたループ（磁気閉ループ）を形成しているため磁場の逃げがないので、ＳＱＵＩＤの感度が著しく向上し、１ｎＡの微弱なビーム電流値を測定することが可能になることを示している。
【００２６】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（８）に説明するように適宜に変形してもよい。
（１）上記した実施の形態においては、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの左側の領域に外径側から内径側に反時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第１コイル部５２と、図５（ａ）上においてＳＱＵＩＤインプットコイルの中心Ｃの右側の領域に外径側から内径側に時計回りに進行する渦巻形状を備えるように形成された第２コイル部５４と、渦巻形状の第１コイル部５２の内径側の中心部位５２ａと渦巻形状の第２コイル部５４の内径側の中心部位５４ａとを接続する連結部５６とを有してブリッジ部５０を構成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。即ち、第１コイル部５２や第２コイル部５４におけるコイルの巻回方向や巻回数、また、断面形状やその大きさ、さらには外直径などは、所望の仕様要求に応じて適宜に変更するようにしてよい。また、第１コイル部５２と第２コイル部５４とのようにブリッジ部を二つのコイル部で構成することなく、単一のコイル部で構成するようにしてもよい。
（２）上記した実施の形態においては、基板に高温超伝導材を塗布生成後にコイルのパターンのマスクを着け、イオンビームの照射によるエッチングによってコイル状のブリッジ部を形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。即ち、ＭｇＯなどにより形成された基板上にレーザーによってコイルの溝を精密に加工し、当該溝にＢｉ系の高温超伝導材料などの超伝導物質を塗布して焼成することにより、ブリッジ部におけるコイル部を作製するようにしてもよい。
（３）高透磁率トロイダルコア８０、第１軟磁性体８２、第２軟磁性体８４あるいは第３軟磁性体８６の形状は、上記した形状に限定されるものではないことが勿論であり、所望の仕様要求に応じて長方体や立方体などの任意の形状を適宜に選択することができる。
（４）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、ブリッジ部１５０を立体的に構成することにより空隙１５０ａを形成して、この空隙１５０ａに高透磁率トロイダルコア１８０の一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、超伝導体におけるブリッジ部を従来の構成や他の実施の形態のように構成し、当該超伝導体のブリッジ部近傍に貫通孔を形成して、この貫通孔に高透磁率トロイダルコア１８０を挿通することにより、高透磁率トロイダルコア１８０によりブリッジ部を囲む閉ループを構成するようにしてもよい。
（５）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０とＳＱＵＩＤ３とを別体として構成し、ブリッジ部１５０に取り付ける際にそれぞれ組み込むようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、予め高透磁率トロイダルコア１８０とＳＱＵＩＤ３とを一体的に形成しておいてもよい。
（６）上記した実施の形態においては、高温超伝導材料としてＢｉ系の材料を用いたが、こうしたＢｉ系の材料としては、例えば、Ｂｉ２２２３やＢｉ２２１２などを用いることができる。
つまり、Ｂｉ２２２３を９９．９％のＭｇＯ上に塗布焼成することで、ビーム電流センサーや磁気シールドを製作することができる。
このＢｉ２２２３の特徴としては、１０６Ｋと転移温度が高いので液体窒素温度までのマージンが大きくとれ、このため温度変化に対して安定している点があげられる。しかしながら、最適な膜厚が３００μｍ程度と厚いので、そのため、例えば、５日間の焼結と２０気圧の水で圧縮するプロセスを３回行わなければならない。また、複雑な形状を必要とする場合において、水で圧縮する際にＭｇＯの基板が破損しないようにすることには非常な困難が伴う。また、ＭｇＯの基板を破損なく複雑な形状に形成することができても、高温超伝導体とＭｇＯ基板との温度係数が異なるために、両者が剥離しないように管理する必要がある。
一方、同じくＢｉ系の高温超伝導体でも、Ｂｉ２２１２は、９９．９％の銀上に溶融法というプロセスで形成される。このＢｉ２２１２の最適な膜厚は７０μｍ程度とＢｉ２２２３に比べて薄いため、例えば、一週間の工程で製作することができ、水圧で圧縮するプロセスも必要ない。これは、基板である銀の融点よりもわずかに低い温度で超伝導体を形成するため、文字通り溶融させて形成する。ただし、臨界温度が８３Ｋと低いため液体窒素温度までのマージンが少なくなるが、冷凍機の使用により７０Ｋよりも低い温度に保つことは可能である。また、複雑な形状を形成する場合においては、Ｂｉ２２１２は、水圧による圧縮プロセスがなく、高温超伝導体と銀の基板との結合が強いため、Ｂｉ２２２３よりは剥離の問題がおこらない。
従って、高温超伝導材料としては、上記したような各材料の特徴を考慮して、所望の材料を選択するようにすればよい。
なお、図２４にはＢｉ２２１２の表面を電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図が示されており、図２５にはＢｉ２２２３を表面の電子顕微鏡で観察した状態を示す説明図が示されている。これら図２４と図２５とを比較すると、Ｂｉ２２１２の方が表面が滑らかである。
（７）上記した図１２乃至図２０に示す実施の形態においては、高透磁率トロイダルコア１８０を第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂと第３軟磁性体１８０ｃとより構成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、高透磁率トロイダルコア１８０は磁気閉ループを構成すればよいので、第１軟磁性体１８０ａと第２軟磁性体１８０ｂとを適宜の材料の連結部材により連結するようにして構成してもよい。
（８）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００２７】
また、本発明と、環境磁場を、例えば、シールドがない従来の場合と比較して１／１０６位までに低減する手法とを組み合わせると、ｎＡオーダーの微弱なビーム電流を一層高精度で測定することが可能となる。
なお、シールドがない従来の場合と比較して１／１０６位までに低減する手法として、例えば、本願出願人である独立行政法人理化学研究所により平成１５年５月３０日付けで出願された特願２００３−１５５４０７に開示された手法などを用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、ｎＡオーダーの微弱なビーム電流を非破壊かつ高精度で測定するビーム電流計を構成する際に利用することができ、特に、ＳＱＵＩＤと組み合わせて用いられることが好ましいものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、コイル形状に形成された
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項２】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、前記第１のコイル部の内径側の中心部位と前記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成された
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項３】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部の近傍に配置された軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との間に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項４】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、前記第１のコイル部の内径側の中心部位と前記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成され、
前記第１のコイル部上に配置された略長方体状の第１の軟磁性体と、前記第２のコイル部上に配置された略長方体状の第２の軟磁性体と、一方の端部が前記第１の軟磁性体側に配置されるとともに他方の端部が前記第２の軟磁性体側に配置されて前記第１の軟磁性体と前記第２の軟磁性体とを架橋する略Ｕ字形状を備えた第３の軟磁性体とを有し、
前記第１の軟磁性体と前記第３の軟磁性体の前記一方の端部との間と前記第２の軟磁性体と前記第３の軟磁性体の前記他方の端部との間とに前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項５】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部を囲む磁気閉ループを形成する軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との間に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項６】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、絶縁体を跨ぐように架橋されて前記絶縁体との間に空隙を形成して立ち上がり形成され、
前記空隙に一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにした軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との近傍に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項１】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、コイル形状に形成された
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項２】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、前記第１のコイル部の内径側の中心部位と前記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成された
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項３】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部の近傍に配置された軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との間に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項４】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、外径側から内径側に向かって反時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第１のコイル部と、外径側から内径側に向かって時計回りに巻回された渦巻形状を備えるように形成された第２のコイル部と、前記第１のコイル部の内径側の中心部位と前記第２のコイル部の内径側の中心部位とを接続する連結部とを有して構成され、
前記第１のコイル部上に配置された略長方体状の第１の軟磁性体と、前記第２のコイル部上に配置された略長方体状の第２の軟磁性体と、一方の端部が前記第１の軟磁性体側に配置されるとともに他方の端部が前記第２の軟磁性体側に配置されて前記第１の軟磁性体と前記第２の軟磁性体とを架橋する略Ｕ字形状を備えた第３の軟磁性体とを有し、
前記第１の軟磁性体と前記第３の軟磁性体の前記一方の端部との間と前記第２の軟磁性体と前記第３の軟磁性体の前記他方の端部との間とに前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項５】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部を囲む磁気閉ループを形成する軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との間に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【請求項６】
ビームが内径側を通過するようにした筒状体であって、外径側にＳＱＵＩＤインプットコイルが隣接して配置されるブリッジ部を形成した超伝導体よりなるビーム電流センサーにおいて、
前記ブリッジ部は、絶縁体を跨ぐように架橋されて前記絶縁体との間に空隙を形成して立ち上がり形成され、
前記空隙に一部を挿通して磁気閉ループを形成するようにした軟磁性体を有し、
前記ブリッジ部と前記軟磁性体との近傍に前記ＳＱＵＩＤインプットコイルを配置した
ことを特徴とするビーム電流センサー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５（ａ）】
【図５（ｂ）】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２９１００
【国際公開日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【発行日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１４０９９（Ｐ２００５−５１４０９９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１３８０４
【国際出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【発行日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／０１３８０４
【国際出願日】平成１６年９月２２日（２００４．９．２２）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]