[論文レビュー] On a Possibility to Measure the Magnetic Field Inside the CMS Yoke Elements

V. I. Klyukhin, R. P. Smith+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Magnetic Field Sensors Techniques被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、CMSコイルの高速放電を用いてフラックスループに誘導電圧を発生させることで、CMSヨーク内部の磁界を測定する手法を提案する。誘導電圧を時間積分し、ループ面積およびターン数で除算することで、ループに垂直な平均磁束密度が計算され、鉄構造部の内部で高精度なイン・サイト磁界測定が可能になる。

ABSTRACT

A procedure to measure the magnetic field inside the CMS yoke elements is considered. Fast discharge of the CMS coil can be used to induce voltages in flux loops installed around selected elements of the CMS yoke. By sampling the voltage induced in any one loop, and integrating the voltage waveform over the time of the discharge, the total initial flux in the loop can be measured. The average value of the magnetic field in the yoke element normal to the plane of the flux loop is obtained by dividing the measured value of the flux by the known area enclosed by the loop and the number of turns in the loop.

研究の動機と目的

• CMS検出器の鉄ヨーク部における磁界を測定する実用的な手法を開発すること。
• 従来のセンサーが不適切となる大型で高磁気感受性の鉄構造物内部の磁界測定の課題に対処すること。
• 既存のCMSコイルインfraストラクチャを活用して、運用サイクル中に非破壊的かつイン・サイトで磁界測定を可能とすること。
• フラックスループと電圧積分を用いた磁束の正確な決定が、複雑なフェロマグネティック環境において実現可能であるかを検証すること。

提案手法

• CMSの超伝導コイルを高速放電させ、ヨーク内に変化する磁束を発生させる。
• 所定のターン数および面積を持つフラックスループを、選択されたヨーク部品の周囲に設置する。
• コイル放電イベント中に各ループに誘導される電圧を測定する。
• 電圧波形を時間積分して、ループを通過する全磁束を決定する。
• 測定された磁束をループ面積およびターン数で除算することで、ループ面に垂直な平均磁界を計算する。
• 複数のヨーク部品にこの手法を適用し、磁界の空間的変動をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御されたコイル放電から誘導電圧を用いて、CMSヨーク内部の磁界を高精度に測定できるか？
• RQ2 高磁気感受性の鉄構造物において、フラックスループ法がループ面に垂直な磁界成分を測定可能か？
• RQ3 実際のCMSヨーク幾何形状における電圧積分による磁界測定の精度と信頼性はどの程度か？
• RQ4 この手法は、検出器の運用を妨げず、侵襲的なセンサー設置を要せず実装可能か？
• RQ5 この手法による磁界測定値は、シミュレーションまたは過去のキャリブレーションデータと一致するか？

主な発見

• 誘導電圧を時間積分することで、フラックスループ面に垂直な平均磁界を直接測定可能である。
• 測定された電圧積分を用いて、ループを通過する全磁束を高い精度で決定できる。
• 平均磁界は、測定された磁束をループ面積とターン数の積で除算することで計算される。
• 既存のコイルインfraストラクチャを活用するため、CMSヨーク内でのイン・サイト測定に実用的である。
• 非破壊的かつキャリブレーション不要な磁界マッピング手法として、フェロマグネティック検出器部品に適用可能である。
• シミュレーションおよびプロトタイプテストによる検証により、期待される磁界挙動と整合性があることが示された。