JPH0896993A - パルス電流センサヘッド、パルス電流位置検出装置、およびパルス電流プロファイル計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルス電流の重心位置を非破壊で計測するだ
けでなく、パルス電流プロファイルを非破壊で計測でき
るようにする。 【構成】 空間を流れるパルス電流を通過させるハウジ
ング１２を設ける。このハウジング１２の内側には４個
のセンサ１３を設け、互いに直交する２組のセンサ対を
構成する。センサ１３は、パルス電流により生じる磁界
を通すチップ状またはワイヤ状の高透磁率素子１４と、
高透磁率素子１４に巻かれ磁界の変化に比例した電圧を
取り出すピックアップコイル１５とで構成される。パル
ス電流からの距離に反比例する電圧をピックアップコイ
ル１５から取り出すことができる。重心位置は４個のセ
ンサ電圧から求めることができ、電流プロファイルはハ
ウジング１２を動かすことによって求めることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電流により生じた磁界
を検出することで加速器から発生したパルス電流を計測
するパルス電流センサヘッド、パルス電流位置検出装
置、およびパルス電流プロファイル計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、加速器から発生するパルス電流
（各種の荷電ビーム電流）をモニタするには、電流ない
し電流の位置を検出する電流センサと、パルス電流プロ
ファイル（濃度断面形状）を計測する電流プロファイル
計測装置とがある。

【０００３】図９は、パルス電流ないしその位置を検出
する従来の電流センサヘッドを示す。このヘッドは、空
間（図示省略）を流れるパルス電流を通過させる円筒状
のハウジング１と、ハウジング１の中央に埋め込まれて
パルス電流を検出するセンサ２とから構成される。金属
製のハウジング１は、その両端に取付け用のフランジ
３、３をもち、中央の拡径部４の内径側にリング状のセ
ラミック５が埋め込まれ、ここで、戻り電流が拡径部４
の外径寄りを迂回するようになっている。

【０００４】センサ２は、このリング状セラミック５の
外周に同心円上に配置されている。センサ２は、図１０
に示すように、アモルファスのトロイダルコア７と、コ
ア７に巻回された４個のピックアップコイル８とから構
成される。ピックアップコイル８で検出された信号はコ
ネクタ６より外部に取り出される。

【０００５】電流センサヘッドのハウジング１内にパル
ス電流が流れると、その回りに磁界が生じる。その磁界
はハウジング１に設けた高透磁率のトロイダルコア７を
通る。すると、その磁界の強度変化がトロイダルコア７
に巻回されたピックアップコイル８に拾われてピックア
ップコイル８から電圧が検出される。この検出電圧は、
ハウジング１内を流れるパルス電流に比例する。これは
トランスの原理と同じである。また、このトロイダルコ
ア７を用いた電流センサヘッドは、４つのピックアップ
コイル８から検出された電圧を演算処理することによ
り、空間内のパルス電流の重心位置を非破壊で計測する
ことができる。このヘッドの特徴は、アモルファスのコ
アを使ったことにより、高速応答性がよく、感度が高い
点にある。

【０００６】一方、空間内を流れるパルス電流プロファ
イルを計測する従来のプロファイル計測装置は、図１１
に示すように、パルス電流９が流れる流路中にアルミナ
スクリーン１０を立て、そのスクリーン１０に写った画
像を適当な傾斜角から光ファイバスコープやレンズ等を
用いて観察し、その像をカメラ１１に取り込むものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のパルス電流モニタには、次のような欠点があっ
た。

【０００８】（１）パルス電流位置センサヘッドにあっ
ては、トロイダルコアがハウジングの全周を取り囲み、
しかもそのコアが高透磁率のアモルファスで構成されて
いるため、パルス電流により発生した磁界分布がトロイ
ダルコアの影響を受けて乱される。被測定系が乱される
ので、高精度なパルス電流、及びその位置測定ができな
い。また、アモルファスコアでハウジング全周を囲む必
要があるので、材料費が高くなる。

【０００９】（２）プロファイル計測装置にあっては、
パルス電流をスクリーンに衝突させるため、スクリーン
を高強度のアルミナで構成しても損傷が大きく、頻繁に
スクリーンを交換しなければならない。また、パルス電
流の流路を遮断するビーム破壊方式であるため、加速器
の実運転中にリアルタイム測定ができない。また、スク
リーンを正面からではなく、適当な傾斜角から観測しな
ければならないため、正しいプロファイルの計測が困難
である。

【００１０】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消し、パルス電流またはその重心位置を高精度に計
測することができるパルス電流センサヘッド、およびパ
ルス電流位置測定装置を提供することにある。また、本
発明の目的は、パルス電流位置を測定できるだけでな
く、パルス電流プロファイルを非破壊で計測することが
できるパルス電流プロファイル計測装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、空間を流
れるパルス電流を通過させるハウジングと、該ハウジン
グに少なくとも１個設けられ上記パルス電流により生じ
る磁界を通すチップ状またはワイヤ状の高透磁率素子
と、該高透磁率素子に巻かれ上記磁界の変化に比例した
電圧を取り出すピックアップコイルとを有するパルス電
流センサヘッドである。

【００１２】第２発明は、空間を流れるパルス電流を通
過させるハウジングと、該ハウジングの周方向に沿って
９０°間隔で４個設けられ上記パルス電流により生じる
磁界を通すチップ状またはワイヤ状の高透磁率素子と、
該高透磁率素子に巻かれ上記磁界の変化に比例した電圧
を取り出すピックアップコイルとを有するパルス電流セ
ンサヘッドと、該パルス電流センサヘッドのピックアッ
プコイルから検出される電圧（周方向に沿って順に
Ｖ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 、Ｖ₄ とする）から、次式 ｘ＝Ｒ（Ｖ₁ −Ｖ₃ ）／（Ｖ₁ ＋Ｖ₃ ） ｙ＝Ｒ（Ｖ₂ −Ｖ₄ ）／（Ｖ₂ ＋Ｖ₄ ） に基づいてパルス電流位置（ｘ，ｙ）を求める演算器と
を備えたパルス電流位置検出装置である。

【００１３】また、第３の発明は、第１の発明のパルス
電流センサヘッドと、該パルス電流センサヘッドを周方
向に回転させるθステージおよび、径方向に移動させる
Ｘ−Ｙ軸ステージと、これらθステージ、Ｘ−Ｙ軸ステ
ージによって上記パルス電流センサヘッドを動かしたと
き、動かした各点における上記ピックアップコイルから
検出される電圧に基づいてパルス電流プロファイルを求
める演算器とを備えたパルス電流プロファイル計測装置
である。

【００１４】

【作用】第１の発明においては、空間にパルス電流が流
れると、その電流によって生じた磁界が高透磁率素子を
通る。そして高透磁率素子に巻かれたピックアップによ
り、磁界の強度の変化に比例した電圧が出力され、この
電圧はパルス電流に比例する。したがって、ピックアッ
プ電圧に基づいて空間に流れるパルス電流値を求めるこ
とができる。また、いわばトロイダルコアを切片化した
チップないしワイヤを使用するので、使用材料が少なく
て済み、構造も簡素化できる。

【００１５】第２の発明においては、高透磁率素子とピ
ックアップとからなる１個のセンサを合計４個、これら
をハウジングの周方向に沿って９０°間隔で設けるよう
にしている。したがって、互いに直交する２組のセンサ
対が構成されることになる。そうすると、上式に基づき
２組のセンサ対からのセンサ電圧により、空間を流れる
Ｘ方向及びＹ方向のパルス電流の重心位置成分が分か
る。これより空間内の径方向におけるパルス電流の重心
位置が分かる。

【００１６】第３の発明においては、パルス電流センサ
ヘッドをθ、Ｘ、Ｙ方向に移動自在に設け、センサ自体
を動かせるようにしてある。このため空間内を通過する
パルス電流の位置は、少なくとも１個のセンサがあれば
足りる。ピックアップコイルの検出電圧はパルス電流か
らの距離に反比例する。したがって、θステージ、Ｘ−
Ｙ軸ステージを用いてパルス電流センサヘッドを動かし
て得られた各点の出力電圧を信号処理、例えば最小二乗
法を用いて計算処理を行うと、パルス電流プロファイル
が計算できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は本
実施例によるパルス電流センサヘッドを示す。パルス電
流センサヘッドは、電子線加速器から発生したパルス電
流が流れる空間（図示省略）に設けられるハウジング１
２を有する。該ハウジング１２は、図９に示した従来例
と同様な金属製の筒状体をしている。

【００１８】このハウジング１２の中央に絶縁体のセラ
ミックリングが埋め込まれ、その内側には、図示するよ
うに周方向に沿って９０°間隔に４個のセンサ１３が設
けられる。このセンサ１３は、パルス電流により生じる
磁界を通すチップ状またはワイヤ状の高透磁率素子１４
と、高透磁率素子１４に巻かれ磁界の変化に比例した電
圧を取り出すピックアップコイル１５とから構成され
る。高透磁率素子１４は、高速応答性のよいアモルファ
ス磁性体で構成することが好ましく、高透磁率素子１４
に巻かれるピックアップコイル１５のターン数は１回な
いし数回でよい。また、アモルファスチップは断面１ｍ
ｍ² 、長さ５ｍｍ程度の矩形状に、アモルファスワイヤ
は直径１０μｍφ、長さ１ｍｍ程度の線状に形成するこ
とができる。なお、１６はピックアップコイル１５で検
出された電圧をハウジング１２の外部に取り出すコネク
タである。

【００１９】センサ１３の個数は、パルス電流を検出す
るだけであれば、少なくとも１個で足りる。ハウジング
１２内のパルス電流位置を検出するのであれば、図示す
るように少なくとも４個のセンサ１３が必要となり、Ｘ
方向とＹ方向に対応する互いに直交する２組のセンサ対
を構成して、後述するように各対のセンサ出力を加減算
して比を取ることによって、電流パルスの重心位置を計
算する。

【００２０】図２に示すように、ハウジング内のセンサ
１３、１３間にパルス電流１７が流れると、その電流に
よって生じた磁界が高透磁率素子１４を通る。このとき
高透磁率素子１４は、ハウジング径に対して寸法の小さ
なチップないしワイヤで構成されているので、被測定系
である磁界を乱さず、パルス電流が発生した磁界を正確
に捕捉する。磁界の強度の変化に比例した電圧が、高透
磁率素子１４に巻かれたピックアップコイル１５から出
力される。したがって、ピックアップ電圧に基づいてハ
ウジングに流れるパルス電流値を高精度に求めることが
できる。

【００２１】次に、このパルス電流ヘッドを使用してパ
ルス電流の重心位置を検出する装置について説明する。

【００２２】図３は本実施例によるパルス電流位置検出
装置のシステム構成図を示す。センサヘッドには、図１
に示したパルス電流センサヘッド１８を用いる。センサ
ヘッド１８のピックアップコイルで検出された４つの出
力電圧は、それぞれピークホールドアンプ１９でそのピ
ーク値を後段に必要な振幅まで増幅される。そして、Ａ
Ｄコンバータ２０に導かれここでデジタル信号に変換さ
れた後、インタフェース回路２１を通って演算器を構成
するパーソナルコンピュータ２２に取り込まれる。パー
ソナルコンピュータ２２では、入力されたデータに基づ
いて、次のようなパルス電流位置を求める演算が行われ
る。

【００２３】各ピックアップコイルで検出された出力電
圧をＶ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 、Ｖ₄ とすると、パルス電流１７
の重心位置、すなわち図７に示すハウジング内を流れる
パルス電流Ｉの重心位置（ｘ，ｙ）は、 ｘ＝Ｒ（Ｖ₁ −Ｖ₃ ）／（Ｖ₁ ＋Ｖ₃ ） ｙ＝Ｒ（Ｖ₂ −Ｖ₄ ）／（Ｖ₂ ＋Ｖ₄ ） （ １） で求められる。Ｒはハウジングの半径である。

【００２４】なお、システムとして４ｃｈ，５ＧＨｚサ
ンプリング，垂直分解能８ｂｉｔ，１ｃｈで１ＧＨｚの
デジタルオシロスコープ（例えば、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ
ＴＤＳ４８６Ａなど）を使用すると、このデジタルオシ
ロスコープと、センサヘッド、パーソナルコンピュータ
とで、よりシンプルなシステムを構成することができ
る。

【００２５】次に、上記システムを利用してパルス電流
のプロファイルを計測する装置について説明する。

【００２６】図４は、本実施例によるパルス電流プロフ
ァイル計測装置のセンサヘッド部を示す。センサヘッド
部以降の構成は図３のものと同じである。この装置は、
図３に示すセンサヘッド１８を動かすことによって、空
間内を流れるパルス電流プロファイルを計測するもので
あり、ピックアップコイル電圧が、通過パルス電流の距
離に反比例することを利用している。すなわち、センサ
ヘッド１８は、Ｘ−Ｙステージ２３、θステージ２４の
上に載置され、径方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の移動、および
周方向の回転が可能になっている。なお、これらのステ
ージは手動またはパルスモータによって駆動される。

【００２７】次に、このような装置によってパルス電流
プロファイルを計測する原理を説明する。図５のように
ハウジング１２の空間内に多数のセンサＳ₁ 、Ｓ₂ …、
Ｓ_n、Ｓ_n+1 を規則正しく配置したモニタを考える。本
実施例のようにセンサ自体を空間内を自在に動かせるよ
うにすれば、最小１個のセンサだけでも、図示するモニ
タと等価にすることができる。しかし、効率の点からセ
ンサの個数は４個以上が妥当である。

【００２８】（１）モニタの校正 各センサＳ_i についてパルス状の線電流Ｉ₀ が流れたと
きの距離Ｒ₀ でのピックアップコイル出力Ｖ_0iを予め計
測しておく。さて図６のように、ある分布をもつ電流Ｉ
（ｒ* ）（ｒに付した* はｒがベクトルであることを意
味する）が流れたときのセンサＳ_i の出力Ｖ_i は、 Ｖ_i ＝〓Ｖ_0i×（Ｒ₀ ／｜ｒ* −ｒ_si* ｜）×（Ｉ（ｒ* ）／Ｉ₀ ）ｄｒ * ＝（Ｖ_0i×Ｒ₀ ／Ｉ₀ ）〓（Ｉ（ｒ* ）／｜ｒ* −ｒ_si* ｜）ｄｒ* ＝ａ_i 〓（Ｉ（ｒ* ）／｜ｒ* −ｒ_si* ｜）ｄｒ* （ ２） となる。ただし、ａ_i ＝Ｖ_0i×Ｒ₀ ／Ｉ₀ （定数）であ
り、予め行う計測によって得られる値である。

【００２９】（２）重心位置の算出 既述したように、図７のような４個のセンサＳ₁ 〜Ｓ₄
があれば、電流Ｉの重心位置（ｘ，ｙ）（近似値である
が、中心付近にある場合はかなり精度がよい。）は、式
（１）から求めることができる。

【００３０】（３）プロファイルの計測 プロファイルの計測方法には種々の方法があるが、ここ
では２つの例をあげて説明する。

【００３１】ガウス分布近似方法 求めるパルス電流分布をガウス分布と仮定すると、電流
Ｉはピーク電流値Ｉ_p、ｘ，ｙ方向の標準偏差σ_x ，σ
_y 、重心位置ｘ，ｙ（ｘ，ｙに引いた下線は上線

【数１】 となる。結局、Ｖ_i はＩ_p 、σ_x 、σ_y 、ｘ、ｙの５つ
の変数で決まり、 Ｖ_i （Ｉ_p ，σ_x ，σ_y ，ｘ，ｙ） である。このとき残差関数Ａを Ａ＝Σ_i ｗ_i （ｖ_i −Ｖ_i ）² （ ４） を定義する（Σに付した_i は、Σの下に付す記号であ
る）。Σ_i は全てのセンサの出力での和を表す。ｗ_i は
重み関数、ｖ_i はセンサＳ_i の出力（すなわち測定
値）、Ｖ_i は式（３）でＩ_p , σ_x , σ_y , ｘ, ｙを仮
定したときの計算値である。

【００３２】式（４）のＡが最小になるように最小二乗
法等でＩ_p ，σ_x ，σ_y ，ｘ，ｙを決定する。因みに、
センサ４個で１０°おきにセンサヘッドを３６０°回転
させると、（４）式は１４４個の和となる。このとき
ｘ，ｙの初期値に（２）で求めた値を使えば、収束性は
かなり良いと考えられる。

【００３３】メッシュ分割方法 空間を図８に示すようにメッシュ状に分割し、ポイント
（ｉ，ｊ）を流れる電流をＩ_i,j とする。このときセン
サＳ_k の出力Ｖ_k は式（３）より Ｖ_k ＝ａ_k Σ_i,j （Ｉ_i,j ／〓（（ｘ_i −ｘ_sk）² ＋
（ｙ_j −ｙ_sk）² ））（５） となる（Σに付した_i,j はΣの下に付す記号である）。
このときも（４）式のように残差関数Ａを定義すれば、
最小二乗法等により各メッシュ上での電流Ｉ_i,jを求め
ることができる。

【００３４】このように本パルス電流プロファイル計測
装置によれば、センサヘッド自体を動かし、各点のデー
タを取り込むことによって、空間内を流れるパルス電流
のプロファイルを非破壊で計測し、その計測結果をパー
ソナルコンピュータ上の画面に画像化することができ
る。この場合において、による方法は、のようにガ
ウス分布近似をしていないので、精度の高いプロファイ
ルを計測することができる。なお、本パルス電流プロフ
ァイル計測装置によっても重心位置が検出できることは
勿論である。

【００３５】

【発明の効果】請求項１に記載のパルス電流センサヘッ
ドによれば、センサ素子にチップ状またはワイヤ状の高
透磁率素子を用いたので、トロイダルコアを用いた場合
に比して、被測定系を乱さず、高精度に電流検出を行う
ことができる。また、センサ素子がチップ状またはワイ
ヤ状をしているから、トロイダルコアを用いる場合に比
して材料費を安くでき構造も簡素化できる。

【００３６】請求項２に記載のパルス電流位置検出装置
によれば、チップ状またはワイヤ状の高透磁率素子を４
個のセンサに用いたので、高精度にパルス電流の重心位
置を求めることができる。

【００３７】請求項３に記載のパルス電流プロファイル
計測装置によれば、パルス電流位置を検出できるだけで
なく、パルス電流センサヘッドを動かすことによってパ
ルス電流プロファイルを計測でき、しかも、従来のよう
にアルミナスクリーンを用いて画像を取り込む場合と異
なり、非破壊で電流プロファイルを計測することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルス電流センサヘッドの実施例を説
明するための概略構成図。

【図２】本実施例によるパルス電流検出の説明図。

【図３】本発明のパルス電流位置検出装置の実施例を説
明するためのシステム構成図。

【図４】本発明のパルス電流プロファイル計測装置を説
明するためのセンサヘッド部の構成図。

【図５】本実施例のプロファイル計測を説明するための
センサ配置図。

【図６】本実施例のプロファイル計測を説明するための
分布電流測定図。

【図７】本実施例のプロファイル計測を説明するための
重心位置測定図。

【図８】本実施例のプロファイル計測を説明するための
メッシュ方式測定図。

【図９】従来例のパルス電流センサヘッドを示す部分断
面図。

【図１０】図９に示すパルス電流センサヘッドを構成す
るセンサの構成図。

【図１１】従来例のパルス電流プロファイル計測の説明
図。

【符号の説明】

１２ ハウジング １３ センサ １４ 高透磁率素子 １５ ピックアップコイル

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【手続補正書】

【提出日】平成６年９月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】（１）モニタの校正 各センサＳ_ｉについてパルス状の線電流Ｉ_ｏが流れたと
きの距離Ｒ_ｏでのピックアップコイル出力Ｖ_ｏｉを予め
計測しておく。さて図６のように、ある分布をもつ電流
Ｉ（ｒ＊）（ｒに付した＊はｒがベクトルであることを
意味する）が流れたときのセンサＳ_ｉの出力Ｖ_ｉは、 となる。ただし、ａ_ｉ＝Ｖ_ｏｉ×Ｒ_ｏ／Ｉ_ｏ（定数）で
あり、予め行う計測によって得られる値である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】メッシュ分割方法 空間を図８に示すようにメッシュ状に分割し、ポイント
（ｉ，ｊ）を流れる電流をＩ_ｉ，ｊとする。このときセ
ンサＳ_ｋの出力Ｖ_ｋは式（３）より となる（Σに付した_ｉ，ｊはΣの下に付す記号であ
る）。このときも（４）式のように残差関数Ａを定義す
れば、最小二乗法等により各メッシュ上での電流Ｉ
_ｉ，ｊを求めることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 利明 茨城県那珂郡東海村白方91 やよい宿舎 302 (72)発明者 古澤 孝弘 茨城県那珂郡東海村白方91 やよい宿舎 104 (72)発明者 上田 徹 茨城県那珂郡瓜連町平野1800−3518 (72)発明者 宮 健三 茨城県那珂郡東海村白方91 やよい宿舎 301 (72)発明者 上坂 充 茨城県那珂郡東海村白方91 やよい宿舎 403 (72)発明者 小林 仁 茨城県石岡市南台１−30−７ (72)発明者 田川 精一 大阪府茨箕面市小野原東４丁目３番 ３− 201 (72)発明者 吉田 陽一 神奈川県藤沢市片瀬山５−８−４

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空間を流れるパルス電流を通過させるハウ
   ジングと、 該ハウジングに少なくとも１個設けられ上記パルス電流
   により生じる磁界を通すチップ状またはワイヤ状の高透
   磁率素子と、 該高透磁率素子に巻かれ上記磁界の変化に比例した電圧
   を取り出すピックアップコイルとを有するパルス電流セ
   ンサヘッド。
2. 【請求項２】空間を流れるパルス電流を通過させるハウ
   ジングと、該ハウジングの周方向に沿って９０°間隔で
   ４個設けられ上記パルス電流により生じる磁界を通すチ
   ップ状またはワイヤ状の高透磁率素子と、該高透磁率素
   子に巻かれ上記磁界の変化に比例した電圧を取り出すピ
   ックアップコイルとを有するパルス電流センサヘッド
   と、 該パルス電流センサヘッドのピックアップコイルから検
   出される電圧（周方向に沿って順にＶ₁ 、Ｖ₂ 、Ｖ₃ 、
   Ｖ₄ とする）から、次式 ｘ＝Ｒ（Ｖ₁ −Ｖ₃ ）／（Ｖ₁ ＋Ｖ₃ ） ｙ＝Ｒ（Ｖ₂ −Ｖ₄ ）／（Ｖ₂ ＋Ｖ₄ ） に基づいてパルス電流位置（ｘ，ｙ）を求める演算器と
   を備えたパルス電流位置検出装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載のパルス電流センサヘッド
   と、 該パルス電流センサヘッドを周方向に回転させるθステ
   ージおよび、径方向に移動させるＸ−Ｙ軸ステージと、 これらθステージ、Ｘ−Ｙステージによって上記パルス
   電流センサヘッドを動かしたとき、動かした各点におけ
   る上記ピックアップコイルから検出される電圧に基づい
   てパルス電流プロファイルを求める演算器とを備えたパ
   ルス電流プロファイル計測装置。
4. 【請求項４】上記高透磁率素子がアモルファスで構成さ
   れている請求項１に記載のパルス電流センサヘッド、請
   求項２に記載のパルス電流位置検出装置、または請求項
   ３に記載のパルス電流プロファイル計測装置。