CN117941016A - 超导磁体装置及辐射屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

超导磁体装置(10)具备：超导线圈(12)；辐射屏蔽件(16)，具有以包围超导线圈(12)的方式配置的多个分割屏蔽片(17a、17b)；热桥部件(22)，将多个分割屏蔽片(17a、17b)彼此热连接，并且由导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属制成；及电阻层，存在于分割屏蔽片(17a、17b)与热桥部件(22)之间，且其电阻率比热桥部件(22)的电阻率大。

Description

超导磁体装置及辐射屏蔽结构

技术领域

本发明涉及一种超导磁体装置及辐射屏蔽结构。

背景技术

通常，超导磁体装置具有：真空容器；超导线圈，配置在真空容器内并且被冷却至超低温；及辐射屏蔽件，配置在真空容器内并且包围超导线圈。辐射屏蔽件被冷却至比超导线圈的温度高的超低温，从而防止从真空容器向超导线圈的基于辐射的热量输入。辐射屏蔽件通常由铜等导热系数良好的金属材料的薄板制成。这样的材料通常导电性也优异，因此在辐射屏蔽件中，作用的磁场变动会诱发涡电流。尤其，在超导线圈产生骤停的情况下磁场会急剧变化，因此会诱发大的涡电流，并且基于磁场与涡电流的相互作用而产生大的洛伦兹力，可能会产生辐射屏蔽件的变形或破损。因此，以往提出了通过在辐射屏蔽件上设置狭缝而将其分割成多个部分从而降低在各分割部分诱发的涡电流以及洛伦兹力的技术。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001-250711号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

然而，在分割的辐射屏蔽件中，与未分割的辐射屏蔽件相比，在屏蔽件部分之间容易产生温度差。这是因为，与自超低温制冷机等冷却源的传热路径短的分割部分相比，传热路径长的分割部分难以被冷却，温度容易变高。相对高温的屏蔽件部分会成为热源，向超导线圈的热量输入可能会增加。因此，如上所述，分割结构的辐射屏蔽件对降低洛伦兹力是有效的，但在降低向超导线圈的热量输入的原本的作用则可能比一体结构的辐射屏蔽件不利。

本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于提供一种降低进入超导线圈的辐射热的分割结构的辐射屏蔽件及具有该辐射屏蔽件的超导磁体装置。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的一种实施方式，超导磁体装置具备：超导线圈；辐射屏蔽件，具有以包围超导线圈的方式配置的多个分割屏蔽片；热桥部件，将多个分割屏蔽片彼此热连接，并且由导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属制成；及电阻层，存在于分割屏蔽片与热桥部件之间，且其电阻率比热桥部件的电阻率大。

根据本发明的一种实施方式，超导线圈用辐射屏蔽结构具备：辐射屏蔽件，具有以包围超导线圈的方式配置的多个分割屏蔽片；热桥部件，将多个分割屏蔽片彼此热连接，并且由导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属制成；及电阻层，存在于分割屏蔽片与热桥部件之间，且其电阻率比热桥部件的电阻率大。

发明效果

根据本发明，能够提供一种降低进入超导线圈的辐射热的分割结构的辐射屏蔽件及具有该辐射屏蔽件的超导磁体装置。

附图说明

图1是概略地表示实施方式所涉及的超导磁体装置的图。

图2是概略地表示实施方式所涉及的辐射屏蔽件的分割结构的连接部的图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。在以下说明及附图中，对相同或等同的构成要件、部件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。在各附图中，为了便于说明，适当设定各部的缩尺或形状，除非另有特别说明，否则其并不作限定性解释。实施方式为例示，其并不对本发明的范围作任何限定。实施方式中所记载的所有特征或其组合未必一定是发明的本质。

图1是概略地表示实施方式所涉及的超导磁体装置10的图。超导磁体装置10例如作为单晶拉制装置、NMR(Nuclear Magnetic Resonance：核磁共振)系统、MRI(MagneticResonance Imaging：核磁共振成像)系统、回旋加速器等加速器、核聚变系统等高能物理系统或其他高磁场利用设备(未图示)的磁场源而搭载在高磁场利用设备上，从而能够产生该设备所需的高磁场。

超导磁体装置10具备超导线圈12、真空容器14、辐射屏蔽件16及超低温制冷机18。

超导线圈12配置于真空容器14内。超导线圈12与设置于真空容器14的例如二级式吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon；GM)制冷机或其他形式的超低温制冷机18热连接，从而在冷却至超导转变温度以下的超低温的状态下使用。在该实施方式中，超导磁体装置10构成为利用超低温制冷机18直接冷却超导线圈12的所谓的传导冷却式。另外，在另一实施方式中，超导磁体装置10也可以由将超导线圈12浸渍在液氦等超低温液体制冷剂的浸渍冷却式构成。

真空容器14为提供适于将超导线圈12设为超导状态的超低温真空环境的绝热真空容器，又被称为低温恒温器。通常，真空容器14具有圆柱状形状或在中心部具有空心部的圆筒状形状。因此，真空容器14具有大致平坦的圆形或圆环形的顶板14a及底板14b、以及连接顶板14a及底板14b的圆筒状的侧壁(圆筒状外周壁或同轴配置的圆筒状的外周壁及内周壁)。超低温制冷机18可以设置在真空容器14的顶板14a上。真空容器14例如由不锈钢等金属材料或其他合适的高强度材料制成，从而承受周围压力(例如大气压)。并且，在真空容器14设置有用于从配置于真空容器14外的线圈电源向超导线圈12供电的电流导入端子(未图示)。

辐射屏蔽件16配置在真空容器14内并且配置成包围超导线圈12。辐射屏蔽件16具有分别与真空容器14的顶板14a及底板14b对置的顶板16a及底板16b。与真空容器14相同地，辐射屏蔽件16的顶板16a及底板16b也具有大致平坦的圆形或圆环形的形状。并且辐射屏蔽件16具有连接顶板16a和底板16b的圆筒状的侧壁(圆筒状外周壁或同轴配置的圆筒状的外周壁及内周壁)。辐射屏蔽件16屏蔽来自真空容器14的辐射热，从而能够从辐射热中热保护配置于辐射屏蔽件16的内侧且冷却至低于辐射屏蔽件16的低温的超导线圈12等低温部。

超低温制冷机18的一级冷却台与辐射屏蔽件16的顶板16a热连接，超低温制冷机18的二级冷却台在辐射屏蔽件16的内侧与超导线圈12热连接。在超导磁体装置10的运行中，辐射屏蔽件16被超低温制冷机18的一级冷却台冷却至第1冷却温度(例如，30K～70K)，超导线圈12被超低温制冷机18的二级冷却台冷却至低于第1冷却温度的第2冷却温度(例如，3K～20K(例如约4K))。

辐射屏蔽件16具有多个(在该例子中为两个)分割屏蔽片17a、17b，分割屏蔽片17a、17b通过狭缝(分割线)20彼此分开，并且配置成包围超导线圈12。优选地，辐射屏蔽件16被分割成切断超导线圈12所产生的磁场在辐射屏蔽件16上诱发的涡电流的路径。由此，在各分割屏蔽片17a、17b上诱发的涡电流相比在一体结构的辐射屏蔽件中可能诱发的涡电流降低。在辐射屏蔽件16具有圆筒形状并且磁场作用于与其中心轴垂直的方向上的情况下，涡电流能够围绕中心轴沿着辐射屏蔽件16的周向被诱发，因此辐射屏蔽件16在周向上被分割也可。构成辐射屏蔽件16的分割屏蔽片的数量并不受特别限定。

在该例子中，辐射屏蔽件16由纯铜(例如，无氧铜、韧铜等)制成。纯铜例如可以具有99.9％以上或99.95％以上的纯度。或者，辐射屏蔽件16也可以由纯铝(例如，纯度为99.5％以上)制成。已知，纯铝在100K以下的超低温下显示比高于100K的温度带更高的导热系数，并且随着温度的下降导热系数会增加，在20K以下的超低温下显示良好的导热系数。或者，辐射屏蔽件16也可以由银或金等高导热性金属、或导热系数至少比不锈钢大的其他高导热性金属制成。

多个分割屏蔽片17a、17b通过热桥部件22彼此热连接。分割屏蔽片17a、17b彼此仅通过热桥部件22相互热连接，即，热桥部件22成为连接这些分割屏蔽片17a、17b的唯一的导热路径。热桥部件22可以仅连接隔开多个分割屏蔽片17a、17b的狭缝20的一部分，在狭缝20的剩余部分可以不设置热桥部件22。在图示的例子中，热桥部件22将分割屏蔽片17a、17b各自的顶板16a彼此连接。由此，在底板16b的狭缝20上并没有用热桥部件22进行连接。在辐射屏蔽件16的侧壁的狭缝20中也没有设置热桥部件22。

在超低温制冷机18与一个分割屏蔽片17a的顶板16a连接的情况下，热桥部件22能够形成从超低温制冷机18向另一个分割屏蔽片17b的实质上最短的传热路径。这有助于有效地冷却远离超低温制冷机18的另一个分割屏蔽片17b来减小分割屏蔽片17a、17b之间的温度差从而均匀地冷却辐射屏蔽件16。并且，在该例子中，顶板16a是平坦的，因此与将热桥部件22安装在圆筒状的侧壁的情况相比，还具有容易安装热桥部件22的优点。

另外，在另一实施方式中，热桥部件22可以在底板16b连接分割屏蔽片17a、17b，也可以在圆筒状的侧壁连接分割屏蔽片17a、17b。或者，也可以设置多个热桥部件22，并且例如在顶板16a和底板16b等多个部位连接分割屏蔽片17a、17b。或者，热桥部件22也可以遍及狭缝20的总长度而延伸，从而在顶板16a、底板16b及侧壁连接分割屏蔽片17a、17b。

热桥部件22由高导热性金属(例如，导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属)制成。热桥部件22可以由热膨胀率与分割屏蔽片17a、17b的热膨胀率相等或近似的材料(例如，纯铜或纯铝等与分割屏蔽片17a、17b相同的高导热性金属)制成。如此一来，能够使热桥部件22与分割屏蔽片17a、17b的热膨胀率一致，因此能够将伴随超低温冷却而可能会在热桥部件22与分割屏蔽片17a、17b之间产生的热应力抑制到最小限度。

图2是概略地表示实施方式所涉及的辐射屏蔽件16的分割结构的连接部的图。分割结构的连接部具有被分割屏蔽片17a、17b和热桥部件22夹持的金属片材24。金属片材24的主体24a的表面被电阻率比热桥部件22的电阻率大的电阻层覆盖，具有上表面电阻层24b和下表面电阻层24c。上表面电阻层24b形成热桥部件22与金属片材24之间的接触界面，下表面电阻层24c形成分割屏蔽片17a、17b与金属片材24之间的接触界面。

在该实施方式中，金属片材24例如为不锈钢片材。由不锈钢制成的部件通常在其表面具有钝化膜。金属片材24的表面被钝化膜覆盖。因此，上表面电阻层24b和下表面电阻层24c为钝化膜。另外，金属片材24的材料并不只限于不锈钢。金属片材24例如也可以由铝、铬等在表面形成钝化膜的其他金属材料制成。

金属片材24具有上表面电阻层24b和下表面电阻层24c，因此在一个分割屏蔽片17a与热桥部件22之间设置有多个(在该例子中为两个)电阻层。在涡电流欲从分割屏蔽片17a流向热桥部件22时，由于这些电阻层串联连接，因此与电阻层只有一个的情况相比，涡电流的抑制效果变大。

热桥部件22和分割屏蔽片17a、17b在彼此之间夹有金属片材24的状态下例如使用螺栓等紧固件机械地固定在一起。在能够应用的情况下，也可以通过焊接或粘接等适当的固定方法来固定热桥部件22和分割屏蔽片17a、17b。

另外，为了使分割屏蔽片17a、17b与热桥部件22之间的热接触更良好，可以将具有良好的导热性的润滑脂涂布于分割屏蔽片17a、17b与金属片材24之间和/或热桥部件22与金属片材24之间。

典型地，分割屏蔽片17a、17b的厚度D1为毫米级，顶板16a及底板16b例如可以为5～10mm左右，辐射屏蔽件16的侧壁例如可以是1～3mm左右。热桥部件22的厚度D2也可以为与分割屏蔽片17a、17b的厚度D1相同程度。

相对于此，金属片材24的厚度D3小于分割屏蔽片17a、17b的厚度D1和/或小于热桥部件22的厚度D2。实际上，为了使经由热桥部件22的分割屏蔽片17a、17b之间的导热良好，金属片材24的厚度D3优选尽量薄，最厚例如为200μm，例如可以是20μm至100μm左右。上表面电阻层24b和下表面电阻层24c为金属片材24上的钝化膜，因此更薄，典型地为纳米级，例如可以是1～10nm左右。

根据实施方式，分割屏蔽片17a、17b经由热桥部件22在结构上彼此连接，但是上表面电阻层24b和下表面电阻层24c存在于分割屏蔽片17a、17b与热桥部件22之间。上表面电阻层24b和下表面电阻层24c为钝化膜，其具有足够的防止(或降低)欲从分割屏蔽片17a、17b流向热桥部件22的涡电流的电阻。

根据本发明人的模拟试验确认到，基于超导磁体装置10的规格上可能会产生的磁场变动而在辐射屏蔽件16上诱发的涡电流的大小在本实施方式(具有热桥部件22的屏蔽分割结构)和比较例(没有热桥的以往的屏蔽分割结构)中为相同程度。即，本实施方式能够带来与已有的分割结构等同的涡电流降低效果。

因此，实施方式所涉及的超导磁体装置10能够降低伴随超导线圈的骤停等磁场变动而产生的涡电流及洛伦兹力，从而能够减轻由于洛伦兹力而可能会产生的辐射屏蔽件16变形或破损的风险。

由于金属片材24足够薄，因此对分割屏蔽片17a、17b与热桥部件22之间的热传导率的影响不明显或者可以忽视。上表面电阻层24b和下表面电阻层24c的厚度极小，实质上不会影响分割屏蔽片17a、17b与热桥部件22之间的传热。根据本发明人的模拟试验确认到，相对于与超低温制冷机18直接连接的分割屏蔽片的冷却温度的与其相邻的分割屏蔽片的温度上升在本实施方式(具有热桥部件22的屏蔽分割结构)中相比比较例(没有热桥的以往的屏蔽分割结构)实际上充分降低。在本实施方式中，尽管具有分割结构的辐射屏蔽件16，但也能够与一体结构的辐射屏蔽件同样地均匀地冷却整体。

如此，从导电性的观点出发，能够将辐射屏蔽件16视为分割结构，从导热的观点出发，能够将辐射屏蔽件16视为一体结构。因此，根据实施方式，能够提供一种兼顾了涡电流对策和超低温冷却下的温度分布的均匀化并且抑制了向超导线圈12的辐射热输入的分割结构的辐射屏蔽件16及具有该辐射屏蔽件16的超导磁体装置10。

作为其他比较例，也可以考虑将片状的绝缘树脂(例如，聚酰亚胺片材)用作热桥部件的结构。但是，这样的绝缘树脂层的热阻通常较大，无助于改善分割屏蔽件之间的温度分布。即使在由不锈钢制成热桥部件的情况下，与纯铜等合适的高导热性金属相比，不锈钢的导热系数也相当低，温度分布也得不到改善。也可以考虑由导热系数良好的绝缘材料(例如，氮化铝等)制成热桥部件。但是，这样的绝缘材料容易破裂，难以使用。而且，与辐射屏蔽件材料之间还存在热收缩率的失配(mismatch)，因此难以使用。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应当可以理解，本发明并不只限于上述实施方式，可以进行各种设计变更，可以存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。在一种实施方式中进行了说明的各种特征也可以应用于其他实施方式中。通过组合产生的新的实施方式兼具所组合的实施方式各自的效果。

在上述实施方式中，以具有钝化膜的金属片材24为例说明了在屏蔽分割结构的连接部上安装电阻层，但是也可以采用其他结构。在一种实施方式中，可以在热桥部件22本身的表面形成电阻层，例如钝化膜。例如，如上所述，热桥部件22的主体可以由纯铜等高导热性金属制成，并在其表面形成例如不锈钢、铝、铬等形成钝化膜的金属的层(例如，电镀层)。如此一来，只要将热桥部件22固定于分割屏蔽片17a、17b上，就能够使钝化膜存在于热桥部件22与分割屏蔽片17a、17b之间。因此，在热桥部件22与分割屏蔽片17a、17b之间夹持金属片材24并不是必须的。

以上，根据实施方式并使用具体语句对本发明进行了说明，但是实施方式只不过表示本发明的原理及应用的一侧面，在不脱离技术方案中规定的本发明的思想的范围内，实施方式可以存在许多变形例或配置的变更。

产业上的可利用性

本发明能够在超导磁体装置及辐射屏蔽结构的领域中利用。

符号说明

10-超导磁体装置，12-超导线圈，16-辐射屏蔽件，17a、17b-分割屏蔽片，22-热桥部件，24-金属片材，24b-上表面电阻层，24c-下表面电阻层。

Claims (8)

1.一种超导磁体装置，其特征在于，具备：

超导线圈；

辐射屏蔽件，具有以包围超导线圈的方式配置的多个分割屏蔽片；

热桥部件，将所述多个分割屏蔽片彼此热连接，并且由导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属制成；及

电阻层，存在于所述分割屏蔽片与所述热桥部件之间，且其电阻率比所述热桥部件的电阻率大。

2.根据权利要求1所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述电阻层为钝化膜。

3.根据权利要求2所述的超导磁体装置，其特征在于，

还具备金属片材，所述金属片材在表面具有所述钝化膜，并且被所述分割屏蔽片和所述热桥部件夹持。

4.根据权利要求3所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述金属片材由不锈钢、铝或铬制成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述分割屏蔽片也由所述高导热性金属制成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超导磁体装置，其特征在于，

所述高导热性金属为纯铜或纯铝。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超导磁体装置，其特征在于，

具备多个电阻层，所述多个电阻层存在于所述分割屏蔽片与所述热桥部件之间，且其电阻率比所述热桥部件的电阻率大。

8.一种超导线圈用辐射屏蔽结构，其特征在于，具备：

辐射屏蔽件，具有以包围超导线圈的方式配置的多个分割屏蔽片；

热桥部件，将所述多个分割屏蔽片彼此热连接，并且由导热系数比不锈钢的导热系数大的高导热性金属制成；及

电阻层，存在于所述分割屏蔽片与所述热桥部件之间，且其电阻率比所述热桥部件的电阻率大。