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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetvorrichtung.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Supraleitende Magnetvorrichtungen werden als Magnetfeld-Erzeugungsquellen von Einkristall-Ziehvorrichtungen durch das Magnetfeld-angewandte Czochralski (MCZ) -Verfahren verwendet. Ein starkes Magnetfeld, das von einem supraleitenden Magneten erzeugt wird, kann Wärmekonvektion in der Schmelze eines Halbleitermaterials unterdrücken. Eine anzuwendende Magnetfeldverteilung beeinflusst den Grad von Unterdrückung von Wärmekonvektion, und infolgedessen ändert sich die Sauerstoffkonzentration bei dem zu ziehenden Einkristall. Die gewünschte Sauerstoffkonzentration variiert in Abhängigkeit von den Anwendungen von schließlich hergestellten Halbleitervorrichtungen. Somit ist im Stand der Technik eine Einkristall-Ziehvorrichtung bekannt, bei der die Richtungen von Strömen, die durch einige supraleitende Spulen fließen, umgeschaltet werden, um zwischen zwei Typen unterschiedlicher Magnetfeldverteilungen umzuschalten (siehe beispielsweise japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2017-206396) .
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine der beispielhaften Aufgaben eines Aspekts der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine supraleitende Magnetvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine zu erzeugende Magnetfeldverteilung feiner zu steuern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine supraleitende Magnetvorrichtung einen rohrförmigen Kryostaten, der darin einen zentralen Hohlraum definiert, einen ersten supraleitenden Spulensatz und einen zweiten supraleitenden Spulensatz, die außerhalb des zentralen Hohlraums und innerhalb des rohrförmigen Kryostaten angeordnet sind, und ein Stromversorgungssystem, das in der Lage ist, eine Größe eines ersten Erregerstroms zu dem ersten supraleitenden Spulensatz und eine Größe eines zweiten Erregerstroms zu dem zweiten supraleitenden Spulensatz unabhängig voneinander zu steuern. Wenn eine Mittelachse des rohrförmigen Kryostaten als eine Z-Achse definiert ist und zwei Achsen senkrecht zu der Z-Achse und senkrecht zueinander entsprechend als eine X-Achse und eine Y-Achse definiert sind, erzeugt der erste supraleitende Spulensatz eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach unten konvex und auf der Y-Achse nach oben konvex ist, wenn der erste Erregerstrom zugeführt wird, in dem zentralen Hohlraum, und der zweite supraleitende Spulensatz erzeugt eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach oben konvex und auf der Y-Achse nach unten konvex ist, wenn der zweite Erregerstrom zugeführt wird, in dem zentralen Hohlraum.
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Darüber hinaus sind auch optionale Kombinationen der obigen Bestandteile und diejenigen, die durch Ersetzen der Bestandteile oder Ausdrücke der vorliegenden Erfindung miteinander unter Verfahren, Vorrichtungen, Systemen und dergleichen erhalten werden, als Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wirksam.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die supraleitende Magnetvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die zu erzeugende Magnetfeldverteilung feiner zu steuern.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Schnittansicht, die Hauptteile einer supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß einer Ausführungsform schematisch zeigt.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die die Anordnung einer supraleitenden Spule schematisch zeigt, die bei der in 1 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung vorgesehen ist.
- 3A bis 3C sind Diagramme, die Magnetfeldverteilungen schematisch zeigen, die von der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der Ausführungsform erzeugt werden.
- 4A und 4B sind Graphen, die eine Magnetfeldverteilung darstellen, bei der die Magnetfelder, die von einem ersten supraleitenden Spulensatz und einem zweiten supraleitenden Spulensatz erzeugt werden, einander überlappen.
- 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Spulen-Stromversorgungsschaltung der in 1 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung schematisch zeigt.
- 6 ist ein Graph, der ein Beispiel eines Konturdiagramms eines Magnetfelds, das von der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der Ausführungsform erzeugt wird, mit einem ersten Erregerstrom und einem zweiten Erregerstrom entsprechend als die Horizontalachse und die Vertikalachse zeigt.
- 7 ist eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen der supraleitenden Magnetvorrichtung schematisch zeigt.
- 8A bis 8C sind schematische Ansichten, die die Anordnungsposition eines Kryokühlers bei der in 7 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung darstellen.
- 9 ist eine Schnittansicht, die eine Spulenträgerstruktur der supraleitenden Magnetvorrichtung schematisch zeigt.
- 10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel der supraleitenden Spulenanordnung bei der supraleitenden Magnetvorrichtung gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachstehend werden Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Bei der Beschreibung und den Zeichnungen werden dieselben oder äquivalente Komponenten, Elemente und Verarbeitungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und redundante Beschreibungen werden in geeigneter Weise weggelassen. Die Maßstäbe und Formen der jeweiligen Teile, die in den Figuren gezeigt sind, sind der Einfachheit halber festgelegt, um die Beschreibung zu erleichtern, und sollten nicht als einschränkend interpretiert werden, sofern nicht anders angegeben. Die Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und schränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Alle bei den Ausführungsformen beschriebenen Merkmale und Kombinationen sind nicht notwendigerweise wesentlich für die Erfindung.
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1 ist eine Schnittansicht, die Hauptteile einer supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß einer Ausführungsform schematisch zeigt. Zusätzlich ist 2 eine perspektivische Ansicht, die die Anordnung einer supraleitenden Spule schematisch zeigt, die bei der in 1 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung 10 vorgesehen ist.
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Die supraleitende Magnetvorrichtung 10 kann als eine Magnetfeld-Erzeugungsquelle für eine Einkristall-Ziehvorrichtung durch das MCZ (HMCZ; Horizontal-MCZ) -Verfahren des horizontalen Magnetfeldtyps verwendet werden. Die Einkristall-Ziehvorrichtung ist beispielsweise eine Silicium-Einkristall-Ziehvorrichtung.
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Wie in 1 gezeigt, enthält die supraleitende Magnetvorrichtung 10 einen rohrförmigen Kryostaten 20, einen ersten supraleitenden Spulensatz 30, einen zweiten supraleitenden Spulensatz 40 und ein Stromversorgungssystem 50.
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Der rohrförmige Kryostat 20 weist einen Innenraum auf, der von einem umgebenden Umfeld 22, das den rohrförmigen Kryostaten 20 umgibt, isoliert ist, und der erste supraleitende Spulensatz 30 und der zweite supraleitende Spulensatz 40 sind in dem Innenraum angeordnet. Der Innenraum weist beispielsweise eine Ringform oder eine zylindrische Form auf. Der rohrförmige Kryostat 20 ist ein adiabatischer Vakuumbehälter, und während des Betriebs der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 wird in dem Innenraum des rohrförmigen Kryostaten 20 eine kryogene Vakuumumgebung bereitgestellt, die geeignet ist, den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und den zweiten supraleitenden Spulensatz 40 in einen supraleitenden Zustand zu bringen. Der rohrförmige Kryostat 20 ist aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Edelstahl, oder einem anderen geeigneten hochfesten Material gebildet, um Umgebungsdruck (zum Beispiel Atmosphärendruck) standzuhalten.
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Der rohrförmige Kryostat 20 definiert im Inneren einen zentralen Hohlraum 24. Der erste supraleitende Spulensatz 30 und der zweite supraleitende Spulensatz 40 sind so angeordnet, dass sie den zentralen Hohlraum 24 außerhalb des zentralen Hohlraums 24 umgeben. Wenn die supraleitende Magnetvorrichtung 10 an der Einkristall-Ziehvorrichtung montiert ist, ist ein Tiegel zum Aufnehmen der Schmelze eines Einkristallmaterials in dem zentralen Hohlraum 24 angeordnet. Der zentrale Hohlraum 24 ist ein Teil des umgebenden Umfelds 22, das den rohrförmigen Kryostaten 20 umgibt (das heißt außerhalb des rohrförmigen Kryostaten 20), und ist beispielsweise ein säulenförmiger Raum, der von dem rohrförmigen Kryostaten 20 umgeben ist.
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Im Folgenden wird der Einfachheit der Erläuterung halber ein kartesisches Koordinatensystem betrachtet, in dem eine Mittelachse des rohrförmigen Kryostaten 20 die Z-Achse ist und zwei Achsen senkrecht zu der Z-Achse und senkrecht zueinander entsprechend als eine X-Achse und eine Y-Achse definiert sind. In dem Fall der Einkristall-Ziehvorrichtung entspricht eine Kristallziehachse der Z-Achse, und die X-Achse und die Y-Achse können auf einer Schmelzoberfläche senkrecht zu der Kristallziehachse definiert werden. In diesem Fall kann eine Richtung parallel zu dem Magnetfeld, das von der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 in der Mitte der Schmelzoberfläche erzeugt wird, die X-Achse sein, und eine Richtung senkrecht zu der X-Achse kann die Y-Achse sein. 1 zeigt einen Schnitt der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 in einer XY-Ebene, und die Z-Achse erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene.
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Obwohl die Details unten beschrieben werden, erzeugt der erste supraleitende Spulensatz 30 eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach unten konvex und auf der Y-Achse nach oben konvex wird, wenn ein erster Erregerstrom I1 von dem Stromversorgungssystem 50 zugeführt wird, in dem zentralen Hohlraum 24. Wenn ein zweiter Erregerstrom I2 von dem Stromversorgungssystem 50 zugeführt wird, erzeugt der zweite supraleitende Spulensatz 40 eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach oben konvex und auf der Y-Achse nach unten konvex wird, in dem zentralen Hohlraum 24.
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Das Stromversorgungssystem 50 ist als eine Stromversorgung für den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und den zweiten supraleitenden Spulensatz 40 vorgesehen und ist außerhalb des rohrförmigen Kryostaten 20 angeordnet. Das Stromversorgungssystem 50 ist so konfiguriert, dass eine Größe des ersten Erregerstroms I1 zu dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und eine Größe des zweiten Erregerstroms I2 zu dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 unabhängig voneinander gesteuert werden können.
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3A bis 3C sind Diagramme, die schematisch Magnetfeldverteilungen zeigen, die von der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform erzeugt werden. 3A zeigt die Linien von Magnetkräften, die durch die Mitten der jeweiligen supraleitenden Spulen verlaufen, die durch Pfeile angegeben sind und die Magnetfeldverteilungen darstellen, die in dem zentralen Hohlraum 24 entsprechend von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden. 3B zeigt magnetische Flussdichten auf der X-Achse entsprechend für den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und den zweiten supraleitenden Spulensatz 40, und 3C zeigt magnetische Flussdichten auf der Y-Achse entsprechend für den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und den zweiten supraleitenden Spulensatz 40. Die horizontalen Achsen von 3B und 3C geben den Abstand von dem Ursprung des XYZ-Koordinatensystems an (in dem Fall der Einkristall-Ziehvorrichtung den Abstand von der Mitte der Schmelzoberfläche).
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Die Spulenanordnung des ersten supraleitenden Spulensatzes 30 und des zweiten supraleitenden Spulensatzes 40 und die zu erzeugenden Magnetfeldverteilungen werden unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3A bis 3C beschrieben.
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Die supraleitende Magnetvorrichtung 10 ist mit sechs supraleitenden Spulen versehen, von denen zwei den ersten supraleitenden Spulensatz 30 bilden und die anderen vier den zweiten supraleitenden Spulensatz 40 bilden. Wie in der Figur gezeigt, weisen die jeweiligen supraleitenden Spulen des ersten supraleitenden Spulensatzes 30 und des zweiten supraleitenden Spulensatzes 40 die gleiche Form und die gleiche Größe auf, und in diesem Beispiel sind die supraleitenden Spulen kreisförmige Spulen mit dem gleichen Durchmesser. Somit sind die sechs supraleitenden Spulen von oben aus gesehen in einer regelmäßigen sechseckigen Form angeordnet.
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Der erste supraleitende Spulensatz 30 enthält ein Paar erster supraleitender Spulen 30a und 30b, die so angeordnet sind, dass sie einander auf der X-Achse zugewandt sind, wobei der zentrale Hohlraum 24 dazwischen eingefügt ist. Das Paar erster supraleitender Spulen 30a und 30b ist so angeordnet, dass jede Spulenmittelachse mit der X-Achse zusammenfällt. Die Richtung des ersten Erregerstroms I1, der einer ersten supraleitenden Spule (in diesem Beispiel 30a) zugeführt wird, wird so bestimmt, dass diese supraleitende Spule ein radial nach außen gerichtetes Magnetfeld (ein Magnetfeld in der Richtung des Austretens aus dem zentralen Hohlraum 24 durch die Spule) erzeugt. Die Richtung des ersten Erregerstroms I1, der der anderen ersten supraleitenden Spule (in diesem Beispiel 30b) zugeführt wird, wird so bestimmt, dass die supraleitende Spule ein radial nach innen gerichtetes Magnetfeld (ein Magnetfeld in der Richtung des Eintretens in den zentralen Hohlraum 24 durch die Spule) erzeugt. Somit erstrecken sich, wie in 3A gezeigt, die Linien von Magnetkräften, die durch die Mitten der ersten supraleitenden Spulen 30a und 30b verlaufen, linear entlang der X-Achse.
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Ein von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 erzeugtes erstes Magnetfeld ist in den Mitten der ersten supraleitenden Spulen 30a und 30b am stärksten und wird von den Mitten entlang der X-Achse zu der Mitte des zentralen Hohlraums 24 hin (das heißt von den Spulenmitten weg) schwächer. Somit ist, wie in 3B gezeigt, das erste Magnetfeld, das von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 erzeugt wird, auf der X-Achse nach unten konvex.
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Zusätzlich ist, wie in 3C gezeigt, das erste Magnetfeld, das von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 erzeugt wird, auf der Y-Achse nach oben konvex. Dies liegt daran, dass die Abstände von den Mitten der ersten supraleitenden Spulen 30a und 30b zunehmen, wenn die Mitte des zentralen Hohlraums 24 entlang der Y-Achse nach außen liegt, so dass das erste Magnetfeld, das von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 erzeugt wird, in der Mitte des zentralen Hohlraums 24 am stärksten ist und von der Mitte nach außen hin schwächer wird.
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Der zweite supraleitende Spulensatz 40 enthält ein Paar zweiter supraleitender Spulen 40a und 40b, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, wobei der zentrale Hohlraum 24 dazwischen eingefügt ist, und benachbart zu dem Paar erster supraleitender Spulen 30a und 30b in einer Richtung im Uhrzeigersinn um die Z-Achse angeordnet sind, und ein anderes Paar zweiter supraleitender Spulen 40c und 40d, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, wobei der zentrale Hohlraum 24 dazwischen eingefügt ist, und benachbart zu dem Paar erster supraleitender Spulen 30a und 30b in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn um die Z-Achse angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist, wie in 1 gezeigt, das erste Paar zweiter supraleitender Spulen 40a und 40b so angeordnet, dass jede Spulenmittelachse mit einer Linie 42 zusammenfällt, die 60 Grad von der X-Achse im Uhrzeigersinn um die Z-Achse bildet, und das zweite Paar zweiter supraleitender Spulen 40c und 40d ist so angeordnet, dass jede Spulenmittelachse mit einer Linie 44 zusammenfällt, die 60 Grad von der X-Achse gegen den Uhrzeigersinn um die Z-Achse bildet.
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Die Richtung des zweiten Erregerstroms 12, der den zweiten supraleitenden Spulen (in diesem Beispiel 40a und 40d) zugeführt wird, die zu beiden Seiten der einen ersten supraleitenden Spule (in diesem Beispiel 30a) benachbart sind, die das radial nach außen gerichtete Magnetfeld erzeugt, wird so bestimmt, dass diese zwei zweiten supraleitenden Spulen ebenfalls das radial nach außen gerichtete Magnetfeld erzeugen. Die Richtung des zweiten Erregerstroms 12, der den zweiten supraleitenden Spulen (in diesem Beispiel 40b und 40c) zugeführt wird, die zu beiden Seiten der anderen ersten supraleitenden Spule (in diesem Beispiel 30b) benachbart sind, die das radial nach innen gerichtete Magnetfeld erzeugt, wird so bestimmt, dass diese zwei zweiten supraleitenden Spulen ebenfalls das radial nach innen gerichtete Magnetfeld erzeugen. Aus diesem Grund sind, wie in 3A gezeigt, die Linien von Magnetkräften, die durch die Mitten der zwei zweiten supraleitenden Spulen (40a und 40c oder 40b und 40d) verlaufen, die einander benachbart sind, gekrümmt, um durch eine der zwei zweiten supraleitenden Spulen in den zentralen Hohlraum 24 einzutreten und durch die andere zweite supraleitende Spule aus dem zentralen Hohlraum 24 auszutreten.
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Ein zweites Magnetfeld, das von dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt wird, ist in einer gekrümmten Magnetfeldlinie, die durch die Spulenmitte verläuft, am stärksten und wird von der Spulenmitte nach außen hin schwächer. Somit ist das zweite Magnetfeld in der Mitte des zentralen Hohlraums 24 auf der X-Achse relativ stark und wird von der Mitte entlang der X-Achse nach außen hin schwächer. Das heißt, wie in 3B gezeigt, ist das zweite Magnetfeld auf der X-Achse nach oben konvex. Zusätzlich ist das zweite Magnetfeld in der Mitte des zentralen Hohlraums 24 auf der Y-Achse relativ schwach und wird von der Mitte entlang der Y-Achse nach außen hin stärker. Das heißt, wie in 3C gezeigt, ist das zweite Magnetfeld auf der Y-Achse nach unten konvex.
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4A und 4B sind Graphen, die eine Magnetfeldverteilung darstellen, bei der die Magnetfelder, die von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden, einander überlappen. 4A zeigt eine magnetische Flussdichte auf der X-Achse und 4B zeigt eine magnetische Flussdichte auf der Y-Achse. Alle Dichten sind Berechnungsergebnisse des Erfinders. Die Vertikalachse des Graphen stellt die magnetische Flussdichte dar, die mit der magnetischen Flussdichte in der Mitte des zentralen Hohlraums 24 als 1 standardisiert ist, und die Horizontalachse stellt den Abstand von der Mitte des zentralen Hohlraums 24 dar.
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4A und 4B zeigen drei Fälle, bei denen die Verhältnisse des ersten Erregerstroms I1 zu dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und des zweiten Erregerstroms I2 zu dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 unterschiedlich gemacht sind. Fall A ist ein Fall, bei dem das Verhältnis des ersten Erregerstroms I1 zu dem zweiten Erregerstrom I2 auf 1:0 eingestellt ist, das heißt ein Fall, bei dem ein Strom nur durch den ersten supraleitenden Spulensatz 30 fließt und kein Strom durch den zweiten supraleitenden Spulensatz 40 fließt. Da in diesem Fall nur der erste supraleitende Spulensatz 30 ein Magnetfeld erzeugt, kann die Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach unten konvex und auf der Y-Achse nach oben konvex ist, wie oben beschrieben erhalten werden. Fall B ist ein Fall, bei dem das Verhältnis des ersten Erregerstroms I1 zu dem zweiten Erregerstrom I2 auf 0:1 eingestellt ist, das heißt, kein Strom fließt durch den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und ein Strom fließt nur durch den zweiten supraleitenden Spulensatz 40. In diesem Fall erzeugt nur der zweite supraleitende Spulensatz 40 ein Magnetfeld, und wie oben beschrieben, wird die Magnetfeldverteilung erhalten, die auf der X-Achse nach oben konvex und auf der Y-Achse nach unten konvex ist.
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Fall C ist ein Fall, bei dem das Verhältnis des ersten Erregerstroms I1 zu dem zweiten Erregerstrom I2 auf 1:1 eingestellt ist, das heißt ein Fall, bei dem Ströme der gleichen Größe durch den ersten supraleitenden Spulensatz 30 und den zweiten supraleitenden Spulensatz 40 fließen. In Fall C wird, wie in 4A und 4B gezeigt, eine Magnetfeldverteilung mit einer konvexen Form erhalten, die durch Mitteln von Fall A und Fall B erhalten wird. Ähnlich wird in einem Fall, bei dem das Verhältnis des ersten Erregerstroms I1 zu dem zweiten Erregerstrom I2 auf einen anderen Wert eingestellt ist, davon ausgegangen, dass eine Magnetfeldverteilung mit einer konvexen Form zwischen Fällen A und B abhängig von dem Verhältnis erhalten werden kann.
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Auf diese Weise kann die konvexe Form der Magnetfeldverteilung, die von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 in dem zentralen Hohlraum 24 erzeugt wird, durch Ändern der Größe des ersten Erregerstroms I1 geändert werden, und die konvexe Form der Magnetfeldverteilung, die von dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 in dem zentralen Hohlraum 24 erzeugt wird, kann durch Ändern der Größe des zweiten Erregerstroms I2 geändert werden.
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Es ist bekannt, dass die Magnetfeldverteilung des ersten supraleitenden Spulensatzes 30 (die Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach unten konvex und auf der Y-Achse nach oben konvex ist) geeignet ist, einen Einkristall mit einer relativ hohen Sauerstoffkonzentration herzustellen, und dass die Magnetfeldverteilung des zweiten supraleitenden Spulensatzes 40 (die Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach oben konvex und auf der Y-Achse nach unten konvex ist) geeignet ist, einen Einkristall mit einer relativ niedrigen Sauerstoffkonzentration herzustellen. Die gewünschte Sauerstoffkonzentration variiert in Abhängigkeit von den Anwendungen von schließlich hergestellten Halbleitervorrichtungen. Beispielsweise erfordern sogenannte horizontale Vorrichtungen wie CPUs und Speicher und vertikale Vorrichtungen wie Leistungshalbleiter unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen.
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Gemäß der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform ist es durch voneinander unabhängiges Steuern des ersten Erregerstroms I1 und des zweiten Erregerstroms I2 möglich, die konvexe Form der Magnetfeldverteilung des zentralen Hohlraums 24 zu steuern, die die Überlappung der Magnetfelder ist, die entsprechend von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden.
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Bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik kann nur eine einzige Magnetfeldverteilung erzeugt werden, oder es ist nur möglich, zwischen zwei Typen von Magnetfeldverteilungen umzuschalten, und es gibt eine Grenze bezüglich der Verbesserung von Kristallqualität. Im Unterschied dazu kann die supraleitende Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform die zu erzeugende Magnetfeldverteilung feiner steuern. Dementsprechend kann der Grad von Unterdrückung von Wärmekonvektion in der Schmelze fein eingestellt werden, die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall kann feiner eingestellt werden und die Kristallqualität kann verbessert werden.
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Die Einkristall-Ziehvorrichtung, die mit der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform montiert ist, kann verwendet werden, um Einkristalle mit verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen herzustellen, die in Abhängigkeit von Endprodukten gewünscht sind. Die Einkristall-Ziehvorrichtung gemäß der Ausführungsform weist im Vergleich zu der Vorrichtung nach dem Stand der Technik eine verbesserte Betriebsrate an einer Produktionsstätte auf und ermöglicht wirtschaftlichere Fabrikverwaltung.
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5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Spulen-Stromversorgungsschaltung der in 1 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung 10 schematisch zeigt. Das Stromversorgungssystem 50 enthält eine erste Stromversorgung 52, die den ersten Erregerstrom I1 zu dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 zuführt, eine zweite Stromversorgung 54, die den zweiten Erregerstrom I2 zu dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 zuführt, und eine Stromversorgungs-Steuervorrichtung 56, die die erste Stromversorgung 52 und die zweite Stromversorgung 54 steuert.
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Wie oben beschrieben, ist der erste supraleitende Spulensatz 30 innerhalb des rohrförmigen Kryostaten 20 angeordnet, und das Stromversorgungssystem 50 ist außerhalb des rohrförmigen Kryostaten 20 angeordnet. Aus diesem Grund weist eine erste Schaltung 53, die die erste Stromversorgung 52 mit dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 verbindet, Durchführungsabschnitte 58 entsprechend auf einer Seite von positiver Elektrode und einer Seite von negativer Elektrode auf. Jeder Durchführungsabschnitt 58 ist ein luftdichter Anschluss zum Einleiten eines Stroms in den rohrförmigen Kryostaten 20 und ist so vorgesehen, dass er eine Wandfläche des rohrförmigen Kryostaten 20 durchdringt. Die zwei Durchführungsabschnitte 58 sind entsprechend mit entsprechenden Stromleitungsabschnitten 60 verbunden. Das Paar erster supraleitender Spulen 30a und 30b ist bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 in Reihe geschaltet. Eine positive Elektrode der ersten Stromversorgung 52 ist mit einer ersten supraleitenden Spule 30a via einen Durchführungsabschnitt 58 und einen Stromleitungsabschnitt 60 verbunden und die andere erste supraleitende Spule 30b ist mit einer negativen Elektrode der ersten Stromversorgung 52 via den anderen Durchführungsabschnitt 58 und den anderen Stromleitungsabschnitt 60 verbunden, um die erste Schaltung 53 zu bilden.
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Bei einer zweiten Schaltung 55, die die zweite Stromversorgung 54 mit dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 verbindet, ist eine positive Elektrode der zweiten Stromversorgung 54 via den Durchführungsabschnitt 58 und den Stromleitungsabschnitt 60 mit dem ersten Paar zweiter supraleitender Spulen 40a und 40b verbunden. Das erste Paar zweiter supraleitender Spulen 40a und 40b ist bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 in Reihe geschaltet. Das erste Paar zweiter supraleitender Spulen 40a und 40b und das zweite Paar zweiter supraleitender Spulen 40c und 40d sind via den Stromleitungsabschnitt 60 und den Durchführungsabschnitt 58 auf einer Seite von erstem Paar, eine externe Verdrahtungsleitung 62, die die zwei Durchführungsabschnitte 58 außerhalb des rohrförmigen Kryostaten 20 verbindet, und den Stromleitungsabschnitt 60 und den Durchführungsabschnitt 58 auf einer Seite von zweitem Paar miteinander verbunden. Das zweite Paar zweiter supraleitender Spulen 40c und 40d ist bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 in Reihe geschaltet. Das zweite Paar zweiter supraleitender Spulen 40c und 40d ist via den Durchführungsabschnitt 58 und den Stromleitungsabschnitt 60 mit einer negativen Elektrode der zweiten Stromversorgung 54 verbunden.
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Dementsprechend kann die erste Stromversorgung 52 den ersten Erregerstrom I1 via die erste Schaltung 53 zu dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 zuführen, und die zweite Stromversorgung 54 kann den zweiten Erregerstrom I2 via die zweite Schaltung 55 zu dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 zuführen. Die erste Schaltung 53 und die zweite Schaltung 55 sind nicht miteinander verbunden.
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Die Stromversorgungs-Steuervorrichtung 56 kann den ersten Erregerstrom I1 und den zweiten Erregerstrom I2 so bestimmen, dass eine gewünschte Magnetfeldverteilung realisiert wird. Hier kann die Stromversorgungs-Steuervorrichtung 56 die Größe des ersten Erregerstroms I1 und die Größe des zweiten Erregerstroms I2 so steuern, dass der Gesamtwert der Magnetfelder, die an einer vorbestimmten Position (zum Beispiel der Mitte) in dem zentralen Hohlraum 24 von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden, einen oberen Grenzwert nicht überschreitet.
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6 ist ein Graph, der ein Beispiel eines Konturdiagramms eines Magnetfelds, das von der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform erzeugt wird, mit dem ersten Erregerstrom I1 und dem zweiten Erregerstrom I2 entsprechend als die Horizontalachse und die Vertikalachse zeigt. Ein in dem Graphen gezeigter Magnetfeldwert gibt den Gesamtwert der Magnetfelder an, die an einer vorbestimmten Position (zum Beispiel der Mitte) in dem zentralen Hohlraum 24 von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden. Bei diesem Beispiel weist eine obere rechte Konturlinie einen größeren Magnetfeldwert auf, und eine untere linke Konturlinie weist einen kleineren Magnetfeldwert auf.
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Die Stromversorgungs-Steuervorrichtung 56 kann eine Konturlinie 64 (durch eine dicke Linie angegeben) aus mehreren Konturlinien auswählen und kann die Kombination des ersten Erregerstroms I1 und des zweiten Erregerstroms I2 aus einem Bereich 66 bestimmen, der einen Magnetfeldwert der ausgewählten Konturlinie 64 oder einen niedrigeren Magnetfeldwert als diesen angibt. Das heißt, Bestimmen des ersten Erregerstroms I1 und des zweiten Erregerstroms I2 aus einem Bereich 68, der einen höheren Magnetfeldwert als die ausgewählte Konturlinie 64 angibt, ist verboten. Der Magnetfeldwert der auszuwählenden Konturlinie 64 kann in geeigneter Weise als eine Spezifikation der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 oder der Einkristall-Ziehvorrichtung definiert werden und kann in die Stromversorgungs-Steuervorrichtung 56 eingegeben oder in dieser gespeichert werden.
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Auf diese Weise ist es möglich zu vermeiden, dass die übermäßigen Größen von erstem Erregerstrom I1 und zweitem Erregerstrom 12, die ein Magnetfeld erzeugen, das den Magnetfeldwert überschreitet, der der ausgewählten Konturlinie 64 entspricht, dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 zugeführt werden. Indem übermäßige Stromversorgung zu der supraleitenden Spule vermieden wird, können die elektromagnetische Kraft und Wärmebelastung, die auf die Spule wirken, unterdrückt werden, und das Risiko des Brechens der Supraleitung kann verringert werden. Die supraleitende Magnetvorrichtung 10 kann sicherer betrieben werden.
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7 ist eine perspektivische Ansicht, die das Aussehen der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 schematisch zeigt. 8A bis 8C sind schematische Ansichten, die die Anordnungsposition eines Kryokühlers bei der in 7 gezeigten supraleitenden Magnetvorrichtung 10 darstellen.
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Wie in 7 gezeigt, enthält die supraleitende Magnetvorrichtung 10 mindestens einen Kryokühler 70, und der erste supraleitende Spulensatz 30 und der zweite supraleitende Spulensatz 40, die bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 angeordnet sind, sind mit dem Kryokühler 70 thermisch gekoppelt. Der Kryokühler 70 kann beispielsweise ein zweistufiger Gifford-McMahon (GM)-Kryokühler oder ein anderer Typ von Kryokühler sein. Jede supraleitende Spule wird in einem Zustand verwendet, in dem sie durch den Kryokühler 70 auf eine kryogene Temperatur gekühlt ist, die gleich oder niedriger als die supraleitende Übergangstemperatur ist. Bei dieser Ausführungsform ist die supraleitende Magnetvorrichtung 10 als ein sogenannter Leitungskühlungstyp konfiguriert, bei dem die supraleitende Spule direkt durch den Kryokühler 70 gekühlt wird, anstatt in ein kryogenes flüssiges Kältemittel, wie beispielsweise flüssiges Helium, eingetaucht zu werden.
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Bei dem in 7 gezeigten Beispiel sind vier Kryokühler 70 auf einer oberen Fläche des rohrförmigen Kryostaten 20 installiert. Der Kryokühler 70 kann zwischen zwei supraleitenden Spulen, die um die Z-Achse zueinander benachbart sind, wenn von der Z-Achse aus gesehen, angeordnet sein. Durch Installieren des Kryokühlers 70 unter Verwendung eines leeren Raums zwischen den Spulen kann der rohrförmige Kryostat 20 kompakter ausgelegt werden, und die supraleitende Magnetvorrichtung 10 kann verkleinert werden.
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Wie in 8A gezeigt, kann der erste Kryokühler 70 zwischen der ersten supraleitenden Spule 30a und der zweiten supraleitenden Spule 40a angeordnet sein, der zweite Kryokühler 70 kann zwischen der ersten supraleitenden Spule 30a und der zweiten supraleitenden Spule 40d angeordnet sein, der dritte Kryokühler 70 kann zwischen der ersten supraleitenden Spule 30b und der zweiten supraleitenden Spule 40b angeordnet sein, und der vierte Kryokühler 70 kann zwischen der ersten supraleitenden Spule 30b und der zweiten supraleitenden Spule 40c angeordnet sein. Auf diese Weise kann jede supraleitende Spule direkt durch irgendeinen Kryokühler 70 gekühlt werden.
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Die Anzahl an bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 zu installierenden Kryokühlern 70 kann geringer sein. Beispielsweise können, wie in 8B gezeigt, drei Kryokühler 70 bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 installiert sein, und jeder Kryokühler 70 kann zwischen zwei supraleitenden Spulen, die um die Z-Achse zueinander benachbart sind, angeordnet sein. In diesem Fall können, wie in der Figur gezeigt, die Kryokühler 70 in gleichen Winkelabständen um die Z-Achse angeordnet sein.
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Alternativ können, wie in 8C gezeigt, zwei Kryokühler 70 bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 installiert sein und können in Abständen von 180 Grad um die Z-Achse angeordnet sein. Bei dem gezeigten Beispiel ist der erste Kryokühler 70 zwischen der ersten supraleitenden Spule 30a und der zweiten supraleitenden Spule 40d angeordnet, und der zweite Kryokühler 70 ist zwischen der ersten supraleitenden Spule 30b und der zweiten supraleitenden Spule 40c angeordnet. In diesem Fall sind einige supraleitende Spulen (zum Beispiel die zweiten supraleitenden Spulen 40a und 40b) weiter von dem Kryokühler 70 entfernt als andere supraleitende Spulen, die zu dem Kryokühler 70 benachbart sind, angeordnet. Die supraleitenden Spulen (40aund40b) können via ein geeignetes Wärmeübertragungselement mit dem Kryokühler 70 (oder den zu dem Kryokühler 70 benachbarten supraleitenden Spulen) verbunden sein und können gekühlt werden.
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Alternativ können nach Bedarf weitere Kryokühler 70 bei dem rohrförmigen Kryostaten 20 installiert sein. Beispielsweise kann für jede supraleitende Spule ein Kryokühler 70 vorgesehen sein. Eine supraleitende Spule kann durch mehrere Kryokühler 70 gekühlt werden.
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9 ist eine Schnittansicht, die eine Spulenträgerstruktur 72 der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 schematisch zeigt. 9 zeigt einen Schnitt entlang Linie A-A von 7. Die Spulenträgerstruktur 72 verbindet eine supraleitende Spule (in dem dargestellten Beispiel die erste supraleitende Spule 30a), die zu dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 oder dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 gehört, mit dem rohrförmigen Kryostaten 20 und trägt das auf die supraleitende Spule wirkende Gewicht und die während Betrieb erzeugte elektromagnetische Kraft. Wie in 9 gezeigt, enthält die Spulenträgerstruktur 72 eine Spulenträgerplatte 74 und einen Spulenträgerkörper 76. Die Spulenträgerplatte 74 ist vorgesehen, um die supraleitende Spule und den Spulenträgerkörper 76 miteinander zu verbinden, und ist an einer Seite (beispielsweise einer Innenumfangsseite des rohrförmigen Kryostaten 20) der supraleitenden Spule befestigt.
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Der Spulenträgerkörper 76 trägt die supraleitende Spule an einer Umfangsfläche (zum Beispiel einer Außenumfangsfläche) des rohrförmigen Kryostaten 20 und ist innerhalb der supraleitenden Spule angeordnet. Ein Ende des Spulenträgerkörpers 76 ist an der Spulenträgerplatte 74 innerhalb der supraleitenden Spule befestigt, und das andere Ende davon ist an der Außenumfangsfläche des rohrförmigen Kryostaten 20 befestigt. Der Spulenträgerkörper 76 weist eine Stabform auf und erstreckt sich in einer horizontalen Richtung. 7 zeigt einen an der Außenumfangsfläche des rohrförmigen Kryostaten 20 vorgesehenen Endabschnitt des Spulenträgerkörpers 76. Eine supraleitende Spule kann an dem rohrförmigen Kryostaten 20 von mehreren (zum Beispiel zwei) Spulenträgerkörpern 76 getragen werden.
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10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein weiteres Beispiel der supraleitenden Spulenanordnung bei der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform schematisch zeigt. Wie in der Figur gezeigt, können bei der supraleitenden Magnetvorrichtung 10 zwei Typen von sattelförmigen Spulen mit unterschiedlichen Größen verwendet werden.
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Der erste supraleitende Spulensatz 30 enthält ein Paar erster supraleitender Spulen, die so angeordnet sind, dass sie einander auf der X-Achse zugewandt sind, wobei der zentrale Hohlraum 24 dazwischen eingefügt ist. Der zweite supraleitende Spulensatz 40 enthält ein Paar zweiter supraleitender Spulen, die so angeordnet sind, dass sie einander auf der X-Achse zugewandt sind, wobei der zentrale Hohlraum 24 dazwischen eingefügt ist. Das Paar erster supraleitender Spulen ist innerhalb des Paars zweiter supraleitender Spulen angeordnet.
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Selbst in einem Fall, bei dem eine solche doppelsattelförmige Spulenanordnung verwendet wird, erzeugt der erste supraleitende Spulensatz 30 ähnlich dem oben beschriebenen 6-Spulen-Typ eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach unten konvex und auf der Y-Achse nach oben konvex ist, wenn der erste Erregerstrom I1 zugeführt wird, in dem zentralen Hohlraum 24, und der zweite supraleitende Spulensatz 40 erzeugt eine Magnetfeldverteilung, die auf der X-Achse nach oben konvex und auf der Y-Achse nach unten konvex ist, wenn der zweite Erregerstrom I2 zugeführt wird, in dem zentralen Hohlraum 24. Durch voneinander unabhängiges Steuern des ersten Erregerstroms I1 und des zweiten Erregerstroms I2 ist es möglich, die konvexe Form der Magnetfeldverteilung des zentralen Hohlraums 24 zu steuern, die die Überlappung der Magnetfelder ist, die entsprechend von dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 erzeugt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde oben auf der Grundlage der Ausführungsform beschrieben. Es sollte Fachleuten klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist, dass verschiedene Konstruktionsänderungen möglich sind und verschiedene Modifikationsbeispiele möglich sind und dass solche Modifikationsbeispiele auch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Verschiedene in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform beschriebene Merkmale können auch auf andere Ausführungsformen angewendet werden. Durch Kombination erzeugte neue Ausführungsformen haben die Wirkungen von jeweiligen kombinierten Ausführungsformen in Kombination.
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Bei der oben beschriebenen 6-Spulen-Typ-Ausführungsform weisen alle supraleitenden Spulen die gleiche Form und Größe auf, aber dies ist nicht unerlässlich. Beispielsweise können bei dem ersten supraleitenden Spulensatz 30 und dem zweiten supraleitenden Spulensatz 40 die supraleitenden Spulen unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Größen aufweisen.
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Das Stromversorgungssystem 50 kann die Richtung des ersten Erregerstroms I1 und/oder des zweiten Erregerstroms I2 zusätzlich zu oder anstelle von Ändern der Größe des ersten Erregerstroms I1 und/oder des zweiten Erregerstroms I2 ändern.
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Die Einkristall-Ziehvorrichtung, an der die supraleitende Magnetvorrichtung 10 gemäß der Ausführungsform montiert ist, kann eine Einkristall-Ziehvorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls aus einem anderen Halbleitermaterial als Silicium oder aus anderen Materialien sein.
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Gegebenenfalls kann die supraleitende Magnetvorrichtung 10 an einer anderen Vorrichtung als der Einkristall-Ziehvorrichtung montiert sein. Die supraleitende Magnetvorrichtung 10 kann an einer Hochmagnetfeld-Nutzungsvorrichtung als eine Magnetfeldquelle der Hochmagnetfeld-Nutzungsvorrichtung montiert sein und kann ein für die Vorrichtung erforderliches hohes Magnetfeld erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung wurde unter Verwendung spezifischer Begriffe und Ausdrücke auf der Grundlage der Ausführungsformen beschrieben, aber die Ausführungsformen zeigen nur einen Aspekt der Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Erfindung. Bei den Ausführungsformen sind viele Modifikationsbeispiele und Anordnungsänderungen innerhalb eines Bereichs erlaubt, der nicht von dem in den Ansprüchen definierten Konzept der vorliegenden Erfindung abweicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- supraleitende Magnetvorrichtung
- 20
- rohrförmiger Kryostat
- 24
- zentraler Hohlraum
- 30
- erster supraleitender Spulensatz
- 40
- zweiter supraleitender Spulensatz
- 50
- Stromversorgungssystem
- 52
- erste Stromversorgung
- 54
- zweite Stromversorgung
- 56
- Stromversorgungs-Steuervorrichtung
- 70
- Kryokühler
