JP2000241516A - 超伝導磁気計測装置 - Google Patents

超伝導磁気計測装置

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JP2000241516A
JP2000241516A JP11040236A JP4023699A JP2000241516A JP 2000241516 A JP2000241516 A JP 2000241516A JP 11040236 A JP11040236 A JP 11040236A JP 4023699 A JP4023699 A JP 4023699A JP 2000241516 A JP2000241516 A JP 2000241516A
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JP
Japan
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squid
thermal shield
dewar
superconducting
measured
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JP11040236A
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English (en)
Inventor
Tsukasa Tomita
司 冨田
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Shimadzu Corp
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Shimadzu Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】デュワからの液体ヘリウム等の冷媒の蒸発を増
大させることなく、しかも被測定磁気をS/N比良く検
出するための超伝導磁気計測装置を提供する。 【解決手段】SQUID検出部1、SQUID駆動回路
2及び該SQUID検出部1を冷却するデュワ10から
構成され、該デュワ10の内筒容器11と外筒容器12
との間に、一端部が内筒容器11の挿入口13近傍に接
した状態で当該内筒容器11を包み込むように形成され
た非磁性金属からなるサーマルシールド20が設けら
れ、かつ、このサーマルシールド20をギフォード・マ
クマホン型ヘリウム冷凍機34を用いた冷却機30によ
って低温に保つことにより、デュワ10の側面及び底面
の厚みを狭くすることができるので、検出部1を測定対
象に接近させ、S/N比良く磁気計測を行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば生体磁気計
測や非破壊検査、磁気シールド率測定等の高感度磁気計
測が可能なSQUIDを用いた磁気計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】SQUID(超伝導量子干渉素子)を用
いた超伝導磁気計測装置はジョセフソン素子を挿入した
SQUIDリング(超伝導体リング)を用いて微小磁気
を測定する計測装置であるが、例えばrf(radio
frequency)SQUID方式の場合、図3の
概略構成図に示すようにジョセフソン素子1個を挿入し
たSQUIDリング1a、インプットコイル1b及びフ
ィードバックコイル1cからなるSQUID素子と、被
測定磁気を検出しこれをインプットコイル1bを介して
SQUIDリング1aに伝達するためのピックアップコ
イル1dからなるSQUID検出部1(プローブ)と、
被測定磁気に比例したハイレベル信号に変換するための
SQUID駆動回路2から構成されている。前記SQU
ID検出部1のSQUID素子及びピックアップコイル
1dは超伝導体により形成され、超伝導転移温度以下に
冷却されて使用されるものである。
【0003】このようなrf SQUIDにおいて、イ
ンプットコイル1bから外部磁束Φsと、フィードバッ
クコイル1cにrf発振器2aから同調周波数信号が与
えられると、検出信号S1はrf増幅器2b、検波器2
c及びaf(audio frequency)増幅器
2dによっていわゆる三角パターン信号S2に変換され
る。この三角パターン信号S2をaf発振器2eによっ
て変調するとともに、af発振器2eの発振周波数を基
準周波数としてaf増幅器2dの出力を位相検波し、積
分増幅器2fを通して得られる直流信号をフィードバッ
クコイル1cに帰還させることにより、出力端子2gか
ら外部磁束Φsの変化に比例した出力電圧が得られる。
この他、ジョセフソン素子2個を挿入したSQUIDリ
ングを用いた高感度磁気計測用のdc SQUID方式
等も使用される。
【0004】前記SQUID検出部1を冷却するための
装置としては、通常、図4に示すような液体ヘリウムを
収容したFRP製のデュワ10が用いられている。この
ようなSQUID用デュワ10においては、液体ヘリウ
ムの蒸発を抑えるために、サーマルシールドと称される
非磁性金属の熱伝導を利用した低温保持手段が用いられ
ている。
【0005】このサーマルシールドは、図4に示すよう
にデュワ10の内筒容器11と外筒容器12間の真空中
に一層または複数層配置され、それぞれの端部は内筒容
器11の挿入口13の近傍に接続されていて、内筒容器
11から液体ヘリウムへの熱侵入により蒸発した低温の
ヘリウムガスによって冷却される。
【0006】一方、外筒容器12から内筒容器11へ侵
入する熱はほとんどが輻射熱によるものであり、温度が
4.2Kの内筒容器11に最も近いサーマルシールド2
2の温度をT(K)、比例定数をαとすると、サーマル
シールド22から内筒容器11に侵入する輻射熱はα
(T−4.2)となり、サーマルシールド20、2
1、22を使用しない場合の外筒容器12から内筒容器
11に侵入する輻射熱α(300−4.2)と比較
すると、理想的には最高サーマルシールドを一層(2
2)のみを用いた場合1/4.8、三層(20、21、
22)を用いた場合1/9.5に低減されることができ
るものである。このように従来の超伝導磁気計測装置
は、サーマルシールド方式のデュワを使用して、液体ヘ
リウムの蒸発を抑えSQUID検出部1を極低温に保持
する方法を用いている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来の超伝導磁気計測
装置は上記のように構成されているが、サーマルシール
ドを有するデュワにSQUID検出部を収容して磁気測
定を行う場合、被測定磁界をS/N比良く検出するため
には、内筒容器と外筒容器の間隔が狭い方が良い場合が
ある。特に生体磁気計測や非破壊検査のように微弱な磁
場を計測する場合は、被測定物とSQUID検出部をで
きるだけ接近しS/N比を向上させるために、デュワの
一部、例えばデュワの側部や底部の内筒容器と外筒容器
の間隔をできるだけ狭くする必要があるが、図4に示し
たような多層サーマルシールド方式では、サーマルシー
ルド自体の厚みにより一定間隔以上に狭めることが困難
であるという問題がある。また、サーマルシールドが一
層の場合、外筒容器12からサーマルシールド22に侵
入する熱量が、挿入口13付近でヘリウムガスによって
冷やされる熱量を上回ると、サーマルシールド22の温
度が上昇し、低温フィードバックの機能が低下すること
になり、その結果、液体ヘリウムの蒸発量を増加させる
という問題がある。
【0008】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、デュワからの液体ヘリウム等の冷媒の
蒸発を増大させることなく、しかも被測定磁気をS/N
比良く検出することができる超伝導磁気計測装置の提供
を目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本超伝導磁気計測装置は、本発明のSQUIDリング
を備えたSQUID検出部がデュワ内に収容されてその
内部の冷媒によって冷却されるように構成された超伝導
磁気計測装置において、前記デュワの内筒容器と外筒容
器の間に、内筒容器の挿入口近傍に接した状態で当該内
筒容器を包み込むように形成された非磁性金属からなる
サーマルシールドを設け、かつ、このサーマルシールド
を冷却機で冷却するようにしたことを特徴とする。
【0010】本発明の超伝導磁気計測装置は、上記のよ
うに構成されており、デュワからの液体ヘリウム等の冷
媒の蒸発を増大させることなく、しかも被測定磁気をS
/N比良く検出することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、実施例により本発明を具体
的に説明する。図1は本発明の超伝導磁気計測装置の実
施例を示す概略構成図である。本装置は、内筒容器11
を浮かせた状態で外筒容器12とともに、上部円板14
に溶接等で密着し、真空空間15を形成し内筒容器11
を包み込むように配設したサーマルシールド20の端部
を前記内筒容器11の上部円周上に接続すると共に、前
記上部円板14上に冷却機30を配置し、該冷却機30
の冷却ステージ35を前記サーマルシールド20に接続
して構成されたデュワ10に液体ヘリウムを貯溜し、そ
の内部にSQUID検出部1を保持し、外部に設置した
SQUID駆動回路2を挿入口13を通したケーブル1
6で接続して構成されている。
【0012】前記冷却機30は、冷媒ガス(ヘリウムガ
ス)を圧縮する圧縮機ユニット31と、この圧縮機ユニ
ット31に高圧配管32及び低圧配管33で接続された
ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機(以下、GM
型冷凍機と称す)34とで構成され、該GM型冷凍機3
4は圧縮機ユニット31で圧縮され高圧となった冷媒ガ
スを高圧配管32を介して引き込み、その冷媒ガスを断
熱膨張させてステージ35を冷却した後、低圧配管33
を介して冷媒ガスを圧縮機ユニット31に送り込み、こ
のサイクルを繰り返すことにより冷却ステージ35を極
低温に保つようになっている。
【0013】GM型冷凍機34の冷却ステージ35は、
前記内筒容器11を包み込むように形成されたサーマル
シールド20に熱的に一体化されている。外筒容器12
からサーマルシールド20への熱侵入が、GM型冷凍機
34の冷却能力及び挿入口13を流れる比較的低温のヘ
リウムガスによる冷却能力を上回らない限りにおいて、
サーマルシールド20の温度はGM型冷凍機34の冷却
ステージ35の温度Tg(K)とほぼ同じ低温に保つこ
とができる。その結果、内筒容器11に侵入してくる熱
はα(T −4.2)なる輻射熱となり、この温度
を低くすることにより液体ヘリウムの蒸発量を低く
抑えることができる。例えば、Tを77Kとすると、
サーマルシールドを行なった場合と行わない場合との比
率は230分の1に低減される。
【0014】上記デュワ10に保持されたSQUID検
出部1によって検出された磁気信号は、前記図3と同様
のrf SQUID駆動回路を用いてハイレベル信号に
変換される。なお、冷凍機としては、スターリング(S
tirling)サイクル方式の小型冷凍機なども使用
することができる。
【0015】図2は本発明の超伝導磁気計測装置の他の
実施例を示す概略構成図である。本装置は、サーマルシ
ールドを20、21の2層または多層とし、冷却機30
として、例えば第1冷却ステージ36が77K、第2冷
却ステージ37が10KのGM型冷凍機34を用いて、
その第1冷却ステージ36はサーマルシールド20に、
第2冷却ステージ37をサーマルシールド21に熱的に
一体化し、それぞれのサーマルシールドを冷却するよう
にしたものである。
【0016】この場合、サーマルシールド21はサーマ
ルシールド20より低温にすることができるため、内筒
容器11に侵入してくる熱は図1のようなサーマルシー
ルド一層だけのものより、内筒容器11に侵入してくる
熱はより低減され、液体ヘリウムの蒸発量をさらに抑制
することができる。このように、GM型冷凍機34によ
りサーマルシールドを極低温近くに冷却すると共に、サ
ーマルシールド自体の熱容量により、磁気計測中GM型
冷凍機を停止しても液体ヘリウムの蒸発量を抑制できる
ため、冷凍機運転に伴う磁気・電気的なノイズの発生を
抑えS/N比の良い磁気測定を行うことができる。
【0017】
【発明の効果】本発明の超伝導磁気計測装置は上記のよ
うに構成されており、内筒容器と外筒容器の間隔を狭め
ても内筒容器に入ってくる熱を低減することができるの
で、デュワからの液体ヘリウム等の冷媒の蒸発を増大さ
せることなく、しかも被測定磁気をS/N比良く検出す
ることができる。また、サーマルシールドの熱容量が大
きいため、計測中に冷凍機を停止しても短時間ではサー
マルシールドの温度は上昇せず、十分な蒸発量の低減効
果があるので、冷凍機を停止することにより、冷凍機運
転に伴う磁気・電気的なノイズの発生を抑えることが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の超伝導磁気計測装置の実施例を示す概
略構成図である。
【図2】本発明の超伝導磁気計測装置の他の実施例を示
す概略構成図である。
【図3】従来の超伝導磁気計測装置の計測システムを示
す概略構成図である。
【図4】従来の超伝導磁気計測装置を示す概略構造図で
ある。
【符号の説明】 1・・・SQUID検出部 1a・・・SQUIDリング 1b・・・インプットコイル 1c・・・フィードバックコイル 1d・・・ピックアップコイル 2・・・SQUID駆動回路 2a・・・rf発振器 2b・・・rf増幅器 2c・・・検波器 2d・・・af増幅器 2e・・・af発振器 2f・・・積分増幅器 10・・・デュワ 11・・・内筒容器 12・・・外筒容器 13・・・挿入口 14・・・上部円板 15・・・真空空間 16・・・ケーブル 20、21、22・・・サーマルシールド 30・・・冷却機 31・・・圧縮機ユニット 32・・・高圧配管 33・・・低圧配管 34・・・ギフォード・マクマホン型ヘリウム冷凍機
(GM型冷凍機) 35・・・冷却ステージ 36・・・第1冷却ステージ 37・・・第2冷却ステージ S1・・・検出信号 S2・・・三角パターン信号

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】SQUIDリングを備えたSQUID検出
    部がデュワ内に収容されてその内部の冷媒によって冷却
    されるように構成された超伝導磁気計測装置において、
    前記デュワの内筒容器と外筒容器の間に、内筒容器の挿
    入口近傍に接した状態で当該内筒容器を包み込むように
    形成された非磁性金属からなるサーマルシールドを設
    け、かつ、このサーマルシールドを冷却機で冷却するよ
    うにしたことを特徴とする超伝導磁気計測装置。
JP11040236A 1999-02-18 1999-02-18 超伝導磁気計測装置 Pending JP2000241516A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6768300B2 (en) * 2001-11-19 2004-07-27 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Apparatus for measuring electromagnetic characteristics
CN102735964A (zh) * 2012-06-08 2012-10-17 中国科学院电工研究所 一种高温超导带材多场特性测量装置
CN113358940A (zh) * 2020-03-04 2021-09-07 中国科学院理化技术研究所 磁屏蔽性能测试装置

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