JP2002270421A

JP2002270421A - 磁場装置

Info

Publication number: JP2002270421A
Application number: JP2001072476A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ito; 佳孝伊藤; Masaaki Yoshikawa; 雅章吉川; Yosuke Yanagi; 陽介柳; Tetsuo Oka; 徹雄岡
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-20
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: JP4788050B2; US20020130747A1; US6847278B2

Abstract

(57)【要約】【課題】磁場を印加しても破損を生じることなく、耐
久性、信頼性および安全性に優れた磁場装置を提供する
こと。【解決手段】本発明の磁場装置は、冷凍機の作用によ
り冷却されたコールドヘッド２３を有する冷却装置２
と、磁性体１に非定常磁場を印加する磁場発生装置３
と、磁性体１とコールドヘッド２３とを熱的に接続する
コールドヘッド延長部４と、を有する磁場装置におい
て、コールドヘッド延長部４が、低抵抗部材４１、４２
と高抵抗部材４３の少なくとも２種類の抵抗率を有する
部材よりなることを特徴とする。本発明の磁場装置は、
コールドヘッド延長部に生じる渦電流が減少し、コール
ドヘッド延長部がコールドヘッドに与える電磁力を小さ
くしているため、耐久性、信頼性、安全性に優れた装置
となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却した磁性体に
磁場を作用させて対象物の物理的、化学的性質を変化さ
せる磁場処理装置やそれらの物性測定装置等に応用され
る、または、冷却した磁性体を着磁して磁石装置に応用
される磁場装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バルク形状（塊状）の超電導体に
磁場を印加することで、超伝導体を強力なバルク磁石と
して応用することが検討されている。

【０００３】この超電導バルク磁石の着磁方法及び応用
機器として、例えば、特開平１１−２８３８２２号公報
には冷凍機で超電導体を冷却し着磁コイルにパルス電流
を通電して超電導体に着磁をして超電導バルク磁石とす
る超電導磁石装置が、特開２０００−２７７３３３号公
報には強磁性体を超電導体に近接させた状態で着磁コイ
ルにパルス電流を通電して超電導体に着磁をして超電導
バルク磁石とする方法が開示されている。

【０００４】これらの公報においては、超電導体が磁場
を捕捉し外部に磁場を発生できる能力（捕捉磁場性能）
は低温になるほど向上することから、強力な超伝導バル
ク磁石を得るために、冷凍機等の冷却手段を用いて超電
導体をより低温に冷却している。

【０００５】特に、特開平１１−２８３８２２号公報に
記載の磁石装置においては、所望の位置に磁場を発生さ
せる構造を有していることから、冷凍機のコールドヘッ
ドと着磁される超電導体との距離が長くなり、超電導体
を冷凍機で直接冷却することが困難となっていた。この
ため、冷凍機のコールドヘッドと超電導体とを、熱伝導
率のよい銅などの材質で形成されたコールドヘッド延長
部を介して接続することで、超電導体を冷却している。

【０００６】また、超電導体の簡便な着磁法として、着
磁コイルにパルス電流を通電するパルス着磁法が採用さ
れ、さらに、着磁の性能を上げることを目的として、特
開２０００−２７７３３３号公報に記載されているよう
に、超電導体に強磁性体よりなるヨークを近接させ、こ
れらを共に冷凍機で冷却して着磁を行うことが示されて
いる。

【０００７】しかしながら、特開平１１−２８３８２２
号公報および特開２０００−２７７３３３号公報に記載
された磁場装置は、コールドヘッド延長部に熱伝導率の
良い銅を用いているため、パルス磁場を印加した際にコ
ールドヘッド延長部に大きな渦電流が誘起されるという
問題を有していた。渦電流が生じると、コールドヘッド
延長部がコールドヘッドを押圧することとなり、この結
果として、冷凍機が破損を生じるようになるためであ
る。

【０００８】また、コールドヘッドが管状部に保持され
た冷却手段においては、渦電流が生じることで、コール
ドヘッドを保持している管状部が座屈するという問題が
あった。さらに、管状部の破損は、冷凍機の機能を損な
うだけでなく、内部に封入されている高圧ガスを噴出さ
せる。高圧ガスが噴出すると、人体にけがを生じさせる
危険性もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実情に鑑
みてなされたものであり、磁場を印加しても破損を生じ
ることなく、耐久性、信頼性および安全性に優れた磁場
装置を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明者等はコールドヘッド延長部に生じる渦電流を
低減する方法について検討を重ねた結果、コールドヘッ
ド延長部が異なる抵抗率を有することで上記課題を解決
できることを見出した。

【００１１】すなわち、本発明の磁場装置は、冷凍機の
作用により冷却されたコールドヘッドを有する冷却装置
と、磁性体に非定常磁場を印加する磁場発生装置と、電
気伝導性を有する部材よりなり磁性体とコールドヘッド
とを熱的に接続するコールドヘッド延長部と、を有する
磁場装置において、コールドヘッド延長部が、低抵抗部
材と高抵抗部材の少なくとも２種類の抵抗率を有する部
材よりなることを特徴とする。

【００１２】本発明の磁場装置は、電磁力を受けるコー
ルドヘッド延長部が低抵抗部材と高抵抗部材とからなる
ことで、コールドヘッド延長部に生じる渦電流が減少
し、コールドヘッド延長部がコールドヘッドに与える電
磁力を小さくすることができる。より詳しくは、高抵抗
部材は、その電気抵抗の高さから渦電流が流れにくくな
っている。このため、高抵抗部材は低抵抗部材に比べ
て、渦電流が生じにくく、この結果、渦電流の発生によ
るコールドヘッド延長部がコールドヘッドを押圧する応
力が減少する。

【００１３】一般に、電気抵抗率を大きくすると熱伝導
性は低下するが、本発明の磁場装置のコールドヘッド延
長部は、低抵抗部材と高抵抗部材とを共存させているの
で、コールドヘッド延長部全体としての熱伝導性を大き
く低下させることなく渦電流により生じる電磁力を低減
することができる。

【００１４】冷却装置は、冷凍機の作用により冷却され
たコールドヘッドを有する装置であり、磁性体を冷却す
るための低温を発生させる装置である。詳しくは、冷凍
機の作用によりコールドヘッドに寒冷が発生し、この寒
冷により磁性体が冷却される。冷却装置は、磁場を印加
する所定の温度に磁性体を冷却することが好ましい。

【００１５】ここで、磁性体とは、大なり小なり磁場と
相互作用を生じる物質を示し、この磁性体には、強磁性
体、常磁性体、反磁性体とがある。また、量子効果によ
り磁場と相互作用を生じるという意味では、超電導体も
磁性体に含まれる。

【００１６】冷却装置は、冷凍機とコールドヘッドとを
有する装置であれば特に限定されるものではなく、従来
の冷却装置に用いられた装置を用いることができる。冷
却装置としては、たとえば、ＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−Ｍ
ｃＭａｈｏｎ）冷凍機、スターリング冷凍機、パルス管
冷凍機等の蓄冷型冷凍機をあげることができる。

【００１７】コールドヘッドは、管状部を介して冷凍機
に接続されたことが好ましい。ここで、管状部とは、例
えば、ＧＭ冷凍機の場合は内部でディスプレーサが往復
運動をするシリンダーであり、パルス管冷凍機の場合は
蓄冷器の円筒またはパルス管と呼ばれる中空の管を示
す。すなわち、コールドヘッドが管状部に接続されるこ
とで、熱の流入を最小限に抑制し、コールドヘッドによ
り低温の寒冷が得られる。

【００１８】磁場発生装置は、磁性体に非定常磁場を印
加する装置である。磁場発生装置が磁性体に非定常磁場
を印加することで、たとえば、磁性体が着磁され、磁場
空間を生じるようになる。

【００１９】磁場発生装置は、磁性体に非定常磁場を印
加できる装置であれば特に限定されるものではなく、従
来の磁場装置に用いられる磁場発生装置を用いることが
できる。また、この磁場発生装置は、固定式にすること
が好ましい。

【００２０】磁場発生装置としては、例えば、電源から
の通電により磁場を発生する種々の形状のコイルを用い
ることができる。この場合、時間的に変化する電流をコ
イルに流すことにより、磁性体に非定常磁場を印加する
ことができる。

【００２１】磁性体に非定常磁場を印加するための電流
は、特に限定されるものではなく、パルス状の電流を１
回だけ通電することもできるし、繰り返し通電すること
もできる。また、周期的に変動する電流を通電すること
もできる。また、これらのパルス状電流、周期変動電流
の波形形状は、正弦波、矩形波、鋸波、コンデンサ放電
波等の各種形状のいずれを用いてもよい。

【００２２】磁場発生装置は、一定の磁場を発生する磁
石を動かして磁性体との距離を変化させることができる
ことが好ましい。この場合、磁場発生装置と磁性体との
距離の変化に対応して変動する非定常磁場を磁性体に印
加することができる。

【００２３】一定の磁場を発生する磁石としては、例え
ば、常伝導および超電導の電磁石を用いることができ
る。すなわち、常電導線や超電導線で構成されたコイル
に、電源から時間的に変動しない一定の電流を流して構
成される磁石である。

【００２４】また、一定の磁場を発生する磁石として、
希土類磁石等の永久磁石や、バルク（塊）状の超電導体
に磁場を捕捉させてなる超電導バルク磁石を用いること
もできる。

【００２５】コールドヘッド延長部は、磁性体とコール
ドヘッドとを熱的に接続する部材である。コールドヘッ
ド延長部が磁性体とコールドヘッドとを熱的に接続する
ことで、磁性体の熱がコールドヘッドに伝導され、磁性
体が冷却される。

【００２６】コールドヘッド延長部が電気伝導性を有す
る部材よりなることが好ましい。コールドヘッド延長部
が電気伝導性を有する部材よりなると、磁性体の熱をコ
ールドヘッドに効率よく伝導させることができる。すな
わち、電気絶縁性の材料は、一般に、熱伝導性が低く、
磁性体から熱を奪って冷却することに長時間を要するた
めである。

【００２７】本発明の磁場装置は、コールドヘッド延長
部が、低抵抗部材と高抵抗部材の少なくとも２種類の抵
抗率を有する部材よりなることで、コールドヘッド延長
部に生じる渦電流が減少され、コールドヘッド延長部が
コールドヘッドに与える電磁力が小さくなっている。す
なわち、高抵抗部材が渦電流を阻害するため、渦電流に
より生じた電磁力が低減するためである。

【００２８】ここで、低抵抗部材とは、コールドヘッド
延長部を構成する部材において最も抵抗率が小さな部材
を示し、高抵抗部材とは低抵抗部材より抵抗率が大きな
部材を示す。また、高抵抗部材は、１種以上でもよい。
すなわち、高抵抗部材は低抵抗部材より高い抵抗値を有
していればよく、高抵抗部材が、それぞれ異なる抵抗値
を有する複数の部材であってもよい。

【００２９】また、高抵抗部材と低抵抗部材の抵抗率の
差は、特に限定されるものではなく、コールドヘッド延
長部が用いられたときに、渦電流の発生を低減できる差
でよい。すなわち、コールドヘッド延長部の部位や、磁
場発生装置により磁性体に付与される磁場が異なるた
め、コールドヘッド延長部に生じる渦電流が異なるため
である。

【００３０】コールドヘッド延長部は、その抵抗率の変
化が限定されるものではなく、たとえば、低抵抗部材と
高抵抗部材の少なくとも２種類の抵抗率を有する複数の
部材が一体に接合された構成の部材であっても、低抵抗
部材から高抵抗部材へと抵抗率が傾斜した部材であって
もよい。

【００３１】コールドヘッド延長部の低抵抗部材及び高
抵抗部材に用いる材料は、使用する低温度領域で強度と
熱伝導率が大きいことが好ましい。コールドヘッド延長
部に用いられる標準的な材料として、例えば、無酸素
銅、タフピッチ銅、ステンレス、電磁軟鉄、鉄基合金、
銅合金、アルミ合金等をあげることができる。

【００３２】コールドヘッド延長部は、コールドヘッド
の耐荷重をＦ₀とし、磁場発生源により磁性体に磁場を
印加した時にコールドヘッド延長部に働く力をＦ₁、磁
性体に働く力をＦ₂、としたときに、Ｆ₀≧Ｆ（Ｆ：Ｆ₁
とＦ₂の合力とＦ₁のうちいずれか大きい方）となるよう
に、低抵抗部材と高抵抗部材が配置されていることが好
ましい。ここで、Ｆ₀、Ｆ₁およびＦ₂は力であり、力の
方向も考慮されるものである。すなわち、耐荷重Ｆ
₀は、Ｆ₁とＦ₂の合力またはＦ₁の力の方向が、コールド
ヘッドに対し圧縮方向となる場合は圧縮耐荷重、引張方
向となる場合は引張耐荷重、曲げ方向となる場合は曲げ
耐荷重とすることができる。

【００３３】ここで、コールドヘッドの耐荷重とは、コ
ールドヘッドがコールドヘッド延長部から受ける荷重に
対する耐荷重を示し、コールドヘッドが管状部を介して
冷却装置に接続されたときには、管状部の耐荷重を示
す。すなわち、コールドヘッドが管状部を介して冷却装
置に接続されたときには、コールドヘッドの耐荷重は実
質的には管状部の耐荷重であるためである。

【００３４】コールドヘッドが管状部を介して冷却装置
に接続されたときに、例えば、Ｆ₁とＦ₂の合力またはＦ
₁の力の方向が引張方向の力となる場合、管状部の材料
部分の面積をＳ、引張強度をσ₀とし、安全率をαとす
ると、引張耐荷重はσ₀×Ｓ／αで表すことができる。

【００３５】磁場発生装置が磁場を発生させたときに高
磁場密度となる位置に高抵抗部材が配されることが好ま
しい。すなわち、磁場発生源により発生する非定常磁場
は、磁性体にもっとも有効に印加されるように発せられ
るため、磁性体の近傍ほど磁場の時間変化の割合が大き
くなっている。このような場所を高抵抗部材とすること
で、渦電流が抑制でき、有効に渦電流により生じる電磁
力を低減することができる。ここで、高磁場密度となる
位置とは、最も大きな渦電流が発生する磁場発生装置の
近傍を示す。すなわち、高抵抗部材が配される位置は、
発生した磁場により異なるため一概に決定されるもので
はない。

【００３６】コールドヘッド延長部は、低抵抗部材の周
囲に高抵抗部材が配される、あるいは、それぞれが異な
る抵抗率を有する高抵抗部材のうち抵抗率がより大きい
ものがより小さいものの周囲に配置されていることが好
ましい。すなわち、コールドヘッド延長部に生じる電磁
力は、渦電流の強度が大きいほど、また、渦電流の流れ
るループが大きいほど大きくなる。このため、磁性体の
近傍で、抵抗率が小さい部分の周囲を高抵抗部材とする
ことで、渦電流の強度とループを共に小さくすることが
できる。このため、効率よく電磁力を低減することがで
きる。

【００３７】コールドヘッド延長部は、コールドヘッド
と当接するコールドヘッド側ステージと、磁性体に接続
される試料側ステージと、コールドヘッド側ステージと
試料側ステージとを接合したロッドと、を有することが
好ましい。コールドヘッド延長部が、コールドヘッド側
ステージ、試料側ステージおよびロッドを有すること
で、コールドヘッド延長部の熱容量を不必要に大きくす
ることなく、磁性体を確実に、かつ効率良く冷却するこ
とができる。

【００３８】コールドヘッド延長部は、コールドヘッド
側ステージと試料側ステージとがコールドヘッドと磁性
体に接続されるため、ロッドは両ステージを保持すると
ともに低温を伝導させる必要最小限の太さとすることが
できる。これにより、コールドヘッド延長部の熱容量を
低減することができ、コールドヘッド延長部を介して磁
性体から熱を伝導させるときに、冷却に要する時間を短
縮することができる。

【００３９】このようなコールドヘッド延長部として、
例えば、コールドヘッドが円形で超電導体が円柱形状の
場合、コールドヘッド延長部のコールドヘッド側および
試料側の両ステージを円盤状のステージとし、両ステー
ジより径の小さい円柱よりなり両端に両ステージが接合
されたロッドと、を有するコールドヘッド延長部をあげ
ることができる。

【００４０】コールドヘッド延長部は、試料側ステージ
と磁性体とを接続する伝熱材を有することが好ましい。
すなわち、磁性体が伝熱材を介して試料側ステージに接
続されることでコールドヘッド延長部を変更することな
く、磁性体の取り付け位置を調節することができる。

【００４１】伝熱材を構成する材質は、特に限定される
ものではないが、高抵抗部材よりなることが好ましい。
すなわち、伝熱材は、試料側ステージと磁性体とを接続
する部材であるため、導電体に印加される磁場に曝され
る部材であり、低抵抗部材よりなると、渦電流を生じる
ためである。

【００４２】伝熱材は、低抵抗部材の周囲に高抵抗部材
が配される、あるいは、それぞれが異なる抵抗率を有す
る高抵抗部材のうち抵抗率がより大きいものがより小さ
いものの周囲に配置されていることが好ましい。すなわ
ち、伝熱材に生じる電磁力は、コールドヘッド延長部と
同様に、渦電流の強度が大きいほど、また、渦電流の流
れるループが大きいほど大きくなる。このため、磁性体
の近傍で、抵抗率が小さい部分の周囲を高抵抗部材とす
ることで、渦電流の強度とループを共に小さくすること
ができる。このため、効率よく電磁力を低減することが
できる。

【００４３】伝熱材は、強磁性体よりなることが好まし
い。伝熱材が高抵抗部材である強磁性体よりなること
で、磁性体により多くの磁場を効率的に印加できるよう
になる。すなわち、強磁性体は磁場がかかると強く磁化
され、それ自体が磁場を発生するようになる。このた
め、たとえば、強磁性体を磁性体に近接させて着磁コイ
ルによりパルス磁場を印加すると、磁性体には着磁コイ
ルが発するパルス磁場だけでなく、そのパルス磁場によ
り磁化された強磁性体による磁場が重畳して印加され
る。それ故、磁性体に実効的にかかる磁場は、強磁性体
のない場合よりも大きくなる。

【００４４】強磁性体は、磁場装置として磁性体により
強い磁場を効果的に印加する観点から、飽和磁化または
残留磁化ができるだけ大きいことが好ましい。このよう
な条件を満たす強磁性体としては、たとえば、パーメン
ジュール、電磁軟鉄、ケイ素鋼、センダスト、パーマロ
イ、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ、Ｓｍ−Ｃｏ等をあげることができ
る。

【００４５】磁場発生装置は、パルス電流を通電するこ
とにより非定常磁場を発生するコイルを有することが好
ましい。コイルにパルス電流を通電するため、より大き
な電流が通電でき、より大きな磁場を磁性体に印加する
ことができる。従って、磁場装置としての性能をより高
めることができる。

【００４６】パルス電流が通電されるコイルの形状は、
ソレノイド型、渦巻型（内径ゼロのソレノイド）等を用
いることが好ましい。ソレノイド型の場合には、コイル
のボアに導電体が位置するように配置でき、渦巻型の場
合には、磁性体と対向するように配置できる。

【００４７】コールドヘッド延長部は、コイルの外部に
低抵抗部材が配されることが好ましい。コイルの外部に
低抵抗部材が配されることで、より効果的にコールドヘ
ッド延長部に生じる電磁力を低減することができる。例
えば、コイルがソレノイド型の場合、中心ボアの巻線が
巻かれている長さの範囲（中心軸に垂直な両端面の内
側）は発生する磁場が極めて強く、この領域から遠ざか
ると磁場強度は急激に減少する。従って、コイルの中心
軸に垂直な端面より外側に低抵抗部材を配置することに
より、より効果的に電磁力を低減することができる。

【００４８】なお、コイルの外部とは、コイルにおいて
は電流により磁場を発する部分が問題となるので、コイ
ル表面の凹凸に関わらず、実質的にはコイル巻線の端面
を示す。

【００４９】磁性体は、超電導体であることが好まし
い。磁性体が超電導体よりなることで、テスラ級の強力
な磁場をコンパクトに発生する強磁場発生装置となる。

【００５０】超電導体は、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（ＲＥ
はＹ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｎｄ（ネオ
ジム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピウム）、
Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジ
スプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ（エルビウ
ム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｌ
ｕ（ルテチウム）から選ばれる少なくとも１種）を有す
ることが好ましい。これらの元素を主成分とする超電導
体にすることにより、磁場を捕捉する性能が高い超電導
体が得られる。

【００５１】また、超電導体がＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏを
有することで、この超電導体を冷却装置により冷却し、
コイルにより磁場を印加すると、超電導体が着磁され自
分自身で磁場を発するようになり、強力な磁石装置とし
ての磁場装置にすることができる。

【００５２】超電導体は、結晶方位の揃ったＲＥ₁Ｂａ₂
Ｃｕ₃Ｏ_xで表される超電導相の中に、絶縁体であるＲＥ
₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅相またはＲＥ₄Ｂａ₂Ｃｕ₂Ｏ₁₀相が数μ
ｍ以下のサイズで微細に分散しているものを用いること
が好ましい。この場合、磁場を捕捉する性能をより高く
することができ、磁場装置としての性能をより高めるこ
とができる。

【００５３】また、超電導体には、Ｐｔ（白金）、Ａｇ
（銀）、Ａｕ（金）等の超電導体と反応しない貴金属を
添加したものを用いることができる。超電導体がこれら
の元素を含有することで、超電導体が着磁され自分自身
で磁場を発する超電導磁石の特性が向上する。詳しく
は、Ｐｔは、超電導磁石においてピン止め点としての機
能を向上させる。またＡｇ、Ａｕは、超電導体の強度を
向上させ、着磁時に電磁力により破壊されることが防止
される。

【００５４】さらに、超電導体の周囲に、上記超電導体
より膨張係数の大きい金属のリングを嵌めたものを用い
ることができる。これらの場合には、超電導体の機械的
強度が向上し、磁場装置としての耐久性や信頼性を向上
させることができる。

【００５５】コールドヘッド延長部は、非導電性かつ熱
伝導性の材料よりなる伝熱ブロックを介して磁性体と接
続されることが好ましい。非導電性の伝熱ブロックを用
いることでコールドヘッド延長部を磁場発生装置から遠
ざけることができるとともに、伝熱ブロックに生じる渦
電流をゼロにすることができ、結果的に、コールドヘッ
ド延長部に働く電磁力を大幅に低減することができる。
また、伝熱ブロックが熱伝導性を有しているため、冷却
性能が損なわれない。

【００５６】本発明の磁場装置は、その製造方法は、特
に限定されるものではない。

【００５７】本発明の磁場装置は、電磁力を受けるコー
ルドヘッド延長部が低抵抗部材と高抵抗部材とからなる
ことで、コールドヘッド延長部に生じる渦電流が減少
し、コールドヘッド延長部がコールドヘッドに与える電
磁力が小さくなっている。

【００５８】

【発明の実施の形態】本発明の磁場装置について、図１
〜図１６を用いて説明する。

【００５９】（実施形態例１）実施形態例１は、真空容
器５中に磁性体として超電導体１を配し、冷却装置２で
低温を発生させ、この低温をコールドヘッド延長部４を
介して超電導体１に伝導して超電導体１を冷却し、冷却
された超電導体１が磁場発生コイル３により非定常磁場
を印加されて着磁され、超電導体１より磁場を発する磁
石装置となる磁場装置である。実施形態例１の磁場装置
の構成を図１に示した。

【００６０】超電導体１は、１５重量％のＡｇ₂Ｏ（酸
化銀）と０．５重量％のＰｔ（白金）を添加して溶融法
で作製したＳｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体を用いた。
超電導体１は、直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱状に
形成された。超電導体１は、冷却や電磁力によるクラッ
クの発生を防ぐため、ステンレスリングとスタイキャス
トにより補強された状態で着磁される。

【００６１】冷却装置２は、ＧＭ冷凍機を用い、ＧＭ冷
凍機の冷却部２１は管状部であるシリンダ２２とコール
ドヘッド２３からなり、３３Ｋまで冷却することができ
る。コールドヘッド２３は、シリンダ２２ののびる方向
に対して垂直な方向に広がる円盤状に形成されている。

【００６２】また、シリンダ２２の耐荷重Ｆ₀は、圧縮
荷重の場合２２０００Ｎ、引張荷重の場合４０００Ｎで
あった。

【００６３】磁場発生コイル３は、巻数１１２ターンの
ソレノイドコイルを用い、電源（図示せず）より図２に
示した波形のパルス電流を通電し、超電導体１に非定常
磁場を印加する。また、超電導体１は、超電導体１とコ
イル３の中心が互いに一致するように配置されている。
このため、非定常磁場を印加しても、超電導体１には電
磁力は働かず、超電導体１がコールドヘッド２３を押圧
する力Ｆ₂＝０となっている。

【００６４】コールドヘッド延長部４は、コールドヘッ
ド２３の表面と一致する円盤状に形成されたコールドヘ
ッド側ステージ４１と、コールドヘッド側ステージ４１
に一体に形成された柱状のロッド４２と、ロッド４２の
コールドヘッド側ステージ４１が接合されていない端部
側にコールドヘッド側ステージ４１と並行な状態で一体
に形成された円盤状を有する試料側ステージ４３と、か
ら構成される。

【００６５】コールドヘッド側ステージ４１は冷却装置
２のコールドヘッド２３に接続され、超電導体１は伝熱
ブロック７を介して試料側ステージ４３に取り付けられ
ている。また、伝熱ブロック７は、超電導体１の端面の
形状と一致する直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍの円柱状の
サファイアブロックであった。

【００６６】コールドヘッド延長部４は、コールドヘッ
ド側ステージ４１およびロッド４２が低抵抗部材である
無酸素銅（３０Ｋでの抵抗率：０．０００６μΩｍ）に
より形成され、試料側ステージ４３が高抵抗部材である
タフピッチ銅（３０Ｋでの抵抗率：０．０１０８μΩ
ｍ、ステンレス０．４μΩｍ）により形成された。

【００６７】真空容器５は、シリンダ２２、コールドヘ
ッド２３、コールドヘッド延長部４、伝熱ブロック７お
よび超電導体１を収容した内部を真空雰囲気下に保持す
るとともに、磁場発生コイル３により発生した磁場が超
電導体１に印加できるようにその一部が磁場発生コイル
３の軸心部に挿入された部材である。

【００６８】実施形態例１の磁場装置は、真空容器５中
にコールドヘッド２３の低温が超電導体１の熱を奪って
冷却できるように、コールドヘッド延長部４、伝熱ブロ
ック７および超電導体１が収容される。このとき、超電
導体１は、磁場発生コイル３の中心と超電導体１の中心
とが一致する位置で真空容器５中に保持される。また、
コールドヘッド延長部４の低抵抗部位であるロッド４２
は、伝熱ブロック７を介することで、磁場発生コイル３
の端面から突出した位置に配置された。

【００６９】その後、真空容器５の内部を真空状態に保
持し、冷却装置２を作動させて超電導体１を冷却する。
超電導体１が冷却された状態で、図２に示されたパルス
電流を磁場発生コイル３に通電して、超電導体１を着磁
した。

【００７０】（評価）実施形態例１の磁場装置の評価と
して、超電導体に着磁時にコールドヘッド延長部に生じ
る力を測定した。また、試料側ステージ４３をタフピッ
チ銅に替えてステンレス（３０Ｋでの抵抗率：０．４μ
Ωｍ）としたときの力も測定した。この測定結果を図３
に示した。なお、図３の縦軸は、図１においてコールド
ヘッド延長部４の中心軸をｚ軸とし、右向きを正とした
時の電磁力Ｆであり、Ｆ＞０はシリンダ２２に引張力
が、Ｆ＜０は圧縮力が働くことを意味する。また、斜線
の範囲は、圧縮耐荷重以下かつ引張耐荷重以下（２２０
００Ｎ≦Ｆ≦４０００Ｎ）の許容荷重範囲を示す。

【００７１】図３に示されたように、試料側ステージが
タフピッチ銅およびステンレスのいずれの部材よりなっ
ても、圧縮耐荷重および引張耐荷重に対して、Ｆ₀≧Ｆ₁
（＝｜Ｆ₁＋Ｆ₂｜）となっており、管状部に働く電磁力
が耐荷重以下に低減している。

【００７２】この結果、実施形態例１の磁場装置は、冷
凍機の破損がなく、耐久性、信頼性、安全性に優れた磁
場装置となっている。

【００７３】（比較例１）比較例１は、図４にその構成
が示された磁場装置である。比較例１の磁場装置は、伝
熱ブロック７を介することなく試料側ステージ４３が直
接超電導体１に接続されるとともに、コールドヘッド延
長部４が無酸素銅よりなる以外は、実施形態例１の磁場
装置と同様の磁場装置である。

【００７４】比較例１は、伝熱ブロック７を用いていな
いため、試料側ステージ４３およびロッド４２が磁場発
生コイル３の軸心部の内部に配置されている。

【００７５】（比較例２）比較例２は、図５にその構成
が示された磁場装置である。比較例２の磁場装置は、コ
ールドヘッド延長部４の試料側ステージ４３が無酸素銅
よりなる以外は、実施形態例１の磁場装置と同様の磁場
装置である。

【００７６】（評価）比較例１および２の磁場装置の評
価として、超電導体１に着磁を行ったときのコールドヘ
ッド延長部４に生じる力を測定した。具体的な測定条件
は、実施形態例１の磁場装置の評価と同様の操作により
行われた。比較例１および２の測定結果を図６に示し
た。

【００７７】図６より、比較例１の磁場装置で超電導体
１にパルス磁場を印加した時に、コールドヘッド延長部
４に働く力は図６の破線に示された値となる。すなわ
ち、コールドヘッド延長部４には、シリンダ２２の圧縮
耐荷重を越える６１０００Ｎの力が働いた。このため、
比較例１の磁場装置は、シリンダ２２が座屈した。

【００７８】また、比較例の磁場装置においても比較例
１のときと同様に、コールドヘッド延長部４に２３００
００Ｎの圧縮力がはたらき、やはりシリンダ２２が座屈
を生じた。

【００７９】すなわち、コールドヘッド延長部４の全体
が無酸素銅により形成された比較例１および２の磁場装
置は、シリンダ２２が座屈を生じるため、磁場装置とし
て十分な性能を発揮できなくなっている。

【００８０】（実施形態例２）実施形態例２は、図７に
その構成が示された磁場装置である。実施形態例２は、
実施形態例１の磁場装置のコールドヘッド延長部４の全
体を無酸素銅とし、伝熱ブロック７に替えて強磁性体の
パーメンジュール（３０Ｋでの抵抗率：０．２μΩｍ）
よりなる伝熱材６とした以外は、実施形態例１の磁場装
置と同様な磁場装置である。

【００８１】また、パーメンジュールは超電導体と同じ
φ６０の円柱状であった。

【００８２】（評価）実施形態例２の磁場装置の評価と
して、超電導体１に着磁を行ったときのコールドヘッド
延長部４に生じる力を測定した。具体的な測定条件は、
実施形態例１の磁場装置の評価と同様の操作により行わ
れた。測定結果を図８に示した。

【００８３】図８より、圧縮耐荷重及び引張耐荷重に対
し、Ｆ₀≧Ｆ₁（＝｜Ｆ｜）となっている。すなわち、強
磁性体１の磁化により生じる力は、コールドヘッド延長
部４に生じる渦電流による力と逆向きになるので、試料
側ステージ４３を熱伝導率の高い無酸素銅のままで電磁
力が低減した。

【００８４】また、実施形態例２の磁場装置は、超電導
体１に当接した状態で強磁性体のパーメンジュールを伝
熱材６として配置しているので、強磁性体のヨーク効果
により超電導体１により有効に磁場を印加することがで
きた。

【００８５】（実施形態例３）実施形態例３は、図９に
その構成が示された磁場装置である。実施形態例３は、
伝熱ブロック７に替えて強磁性体のパーメンジュールと
ステンレスとからなる複合伝熱材６１を用いた以外は、
実施形態例１の磁場装置と同様な磁場装置である。

【００８６】パーメンジュールとステンレスとからなる
複合伝熱材６１は、直径４０ｍｍの円柱状のパーメンジ
ュールを、内径４０ｍｍ、外径６０ｍｍのステンレスリ
ングの軸心部に嵌入して形成された円柱状の部材であ
る。

【００８７】（評価）実施形態例３の磁場装置の評価と
して、超電導体に着磁を行ったときのコールドヘッド延
長部にかかる力を測定した。また、実施形態例３の磁場
装置の評価は、試料側ステージ４３をステンレスに替え
てタフピッチ銅としたときの力も測定した。具体的な測
定条件は、実施形態例１の磁場装置の評価と同様にして
行われた。測定結果を図１０に示した。

【００８８】図１０より、実施形態例３の磁場装置は、
圧縮耐荷重及び引張耐荷重に対し、Ｆ₀≧Ｆ₁（＝｜Ｆ
｜）となっていることが確認される。

【００８９】また、複合伝熱材６１のパーメンジュール
の直径を超電導体１の直径よりも小さい直径４０ｍｍと
しているので、磁場を集中させて超電導体１に印加させ
ることができる。

【００９０】（実施形態例４）実施形態例４は、図１１
にその構成が示された磁場装置である。実施形態例４
は、試料側ステージ４３を無酸素銅とステンレスとから
形成された円盤状のステージ用部材とした以外は、実施
形態例２の磁場装置と同様な磁場装置である。

【００９１】試料側ステージ４３は、直径５４ｍｍの円
板状の無酸素銅が、内径５４ｍｍ、外径７０ｍｍのステ
ンレスリングに嵌入した構造を有する。

【００９２】（評価）実施形態例４の磁場装置の評価と
して、超電導体１に着磁を行ったときのコールドヘッド
延長部４にかかる力を測定した。具体的な測定条件は、
実施形態例１の磁場装置の評価と同様にして行われた。
測定結果を図１２に示した。

【００９３】図１２より、実施形態例４の磁場装置は、
圧縮耐荷重及び引張耐荷重に対し、Ｆ₀≧Ｆ₁（＝｜Ｆ
｜）となっていることが確認される。すなわち、試料側
ステージ４３の中央部分が熱伝導率の高い低抵抗部材で
ある無酸素銅であり、その外周部に高抵抗部材のステン
レスを配しているので、磁場発生コイル３から発生した
磁場の高密度となる部分が高抵抗となっている。このた
め、コールドヘッド延長部４全体の熱伝導性を保持した
まま、渦電流による電磁力が低減される。

【００９４】（実施形態例５）実施形態例５は、図１３
にその構成が示された磁場装置である。実施形態例５
は、試料側ステージ４３をタフピッチ銅とステンレスと
から形成された円盤状のステージ用部材とし、かつ伝熱
ブロック７に替えてタフピッチ銅とパーメンジュールと
から形成された円柱状の複合部材とした伝熱材６を用い
た以外は、実施形態例１の磁場装置と同様な磁場装置で
ある。

【００９５】試料側ステージ４３は、直径５４ｍｍの円
板状のタフピッチ銅が、内径５４ｍｍ、外径７０ｍｍの
ステンレスリングに嵌入した構造を有する。

【００９６】また、伝熱材６は、直径６０ｍｍのパーメ
ンジュールの円板に複数のタフピッチ銅の円柱が貫通し
た構造を有する。この伝熱材６を、パーメンジュールと
タフピッチ銅の状態がわかるように、円柱状の一方の端
面を図１４に示した。図１４より、伝熱材６は、高抵抗
部材であるタフピッチ銅の周囲に、タフピッチ銅より高
い抵抗値を有する高抵抗部材のパーメンジュールが配さ
れた構造を有している。

【００９７】（評価）実施形態例５の磁場装置の評価と
して、超電導体１に着磁を行ったときのコールドヘッド
延長部４にかかる力を測定したところ、抵抗率が比較的
無酸素銅に近いタフピッチ銅を試料側ステージ４３と伝
熱材６に部分的に用いたことで、コールドヘッド延長部
４全体の熱伝導性を高く保ちながら、渦電流により生じ
る電磁力を低減できた。さらに、強磁性体のヨーク効果
で、超電導体１に有効に磁場を印加することができるこ
とが確認された。

【００９８】（実施形態例６）実施形態例６は、冷凍機
２で冷却した磁性体としてのリング状超電導体１を磁場
発生コイルにより非定常磁場を印加して着磁し、超電導
体１のボア内に磁場を発するＮＭＲ用の磁石装置となる
磁場装置である。本磁場装置の冷凍機冷却部を図１５に
示した。

【００９９】リング状超電導体１は、１５重量％のＡｇ
₂Ｏ（酸化銀）と０．５重量％のＰｔ（白金）を添加し
て溶融法で作製したＳｍ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系超電導体を
２個積層して形成された。冷却や電磁力によるクラック
の発生を防ぐため、リング状超電導体１は、ステンレス
リングとスタイキャストにより補強された。

【０１００】冷凍機２には、パルス管冷凍機が用いられ
た。図１５に示された冷凍機冷却部２１は連結管、圧力
切替装置、圧縮機（いずれも図示せず）へと接続されて
いる。冷凍機冷却部２１は、管状部である蓄冷器２２と
コールドヘッド２３とパルス管（下部のブロック内にあ
り図には示されず）から構成される。

【０１０１】コールドヘッド延長部４は、コールドヘッ
ド側ステージ４１、ロッド４２、試料側ステージ４３か
らなる。コールドヘッド側ステージ４１は冷凍機冷却部
２１のコールドヘッド２３に接続され、超電導体１は伝
熱材６を介して試料側ステージ４３に接続されている。

【０１０２】コールドヘッド延長部４のコールドヘッド
側ステージ４１およびロッド４２はともに無酸素銅より
なり、試料側ステージ４３は、タフピッチ銅とステンレ
スとから形成された円盤状のステージ用部材よりなる。

【０１０３】試料側ステージ４３は、直径３５ｍｍの円
板状のタフピッチ銅が、内径３５ｍｍ、外径５５ｍｍの
ステンレスリングに嵌入した構造を有する。

【０１０４】また、伝熱材６は、強磁性体である電磁軟
鉄よりなる。

【０１０５】蓄冷器２２は内部に蓄冷材が入った円筒で
あり、コールドヘッド延長部４及び超電導体１に働く電
磁力を受ける部材である。この場合の耐荷重Ｆ₀は、圧
縮耐荷重と引張耐荷重となる。

【０１０６】磁場発生源３はソレノイドコイルを用い、
電源（図示せず）より図３に示されたパルス電流を通電
することで超電導体１に磁場を印加する。超電導体１
は、２個の超電導体１の境界がコイルの中心と一致する
ように配置されている。従って、非定常磁場を超電導体
１に印可したときに、超電導体１に電磁力は働かない。
このため、Ｆ₂＝０となっている。

【０１０７】真空容器５は、リング状超電導体１が内部
に保持されたときに、リング状超電導体１の軸心の中空
部に嵌入される凹部が形成されている。この凹部は、軸
心部に外気が侵入できるように空間が形成されている。

【０１０８】実施形態例６の磁場装置は、リング状超電
導体１が超電導磁石となったときに、リング状超電導体
１の軸心部の空間の内部に磁場が生じる磁場装置であ
る。

【０１０９】（評価）実施形態例６の磁場装置の評価と
して、超電導体１に着磁を行ったときのコールドヘッド
延長部４にかかる力を測定したところ、圧縮耐荷重及び
引張耐荷重に対し、Ｆ₀≧Ｆ₁（＝｜Ｆ｜）となってい
た。

【０１１０】また、着磁された超電導体１によりボアの
中に強磁場を発生することができるため、実施形態例６
の磁場装置は、ボア内に測定試料を置いて信号を検出す
るＮＭＲ用磁石装置として利用できる。

【０１１１】（実施形態例７）実施形態例７は、冷凍機
２で冷却した磁性材料等の測定材料１に磁場発生コイル
３を用いて非定常磁場を印加し、その時の材料特性を測
定する物性評価装置として用いられる磁場装置である。
実施形態例７の磁場装置を図１６に示した。

【０１１２】冷凍機２は、実施形態例６とは別のタイプ
のパルス管冷凍機を用いた。図１６に示す冷凍機冷却部
２１は連結管、圧力切替装置、圧縮機（いずれも図示せ
ず）へと接続されている。

【０１１３】冷凍機冷却部２１は管状部である蓄冷器２
２とコールドヘッド２３とパルス管２４とからなり、蓄
冷器２２でコールドヘッド２３およびパルス管２４を支
持している。

【０１１４】コールドヘッド延長部４は、冷凍機冷却部
２１とは垂直な方向にコールドヘッド２３からロッド４
５として横に伸び、その先端がステージ４６となってい
る。測定材料１はステージ４６に取り付けられ所定の温
度に冷却される。すなわち、コールドヘッド延長部４
は、一方の端部がコールドヘッド２３に接続されたロッ
ド４５と、ロッド４５の他方の端部に一体に接合された
ステージ４６と、からなる。

【０１１５】ロッド４５は無酸素銅よりなり、磁場発生
コイル３の軸に垂直な端面より外側に配置されている。
ステージ４６はステンレスよりなり、測定材料１を磁場
発生コイル３の軸心部に保持する部材である。

【０１１６】コールドヘッド延長部４及び測定材料１に
働く電磁力は、コールドヘッド延長部４の長手方向に働
き、コールドヘッド２３を介して蓄冷器２２に対する曲
げ荷重として働く。従って、この場合の蓄冷器２２の耐
荷重Ｆ₀は曲げ耐荷重となる。

【０１１７】磁場発生コイル３はソレノイドコイルを用
い、電源（図示せず）より図３に示したパルス電流、ま
たは周期変動電流を通電することで、測定材料１に磁場
を印加する。測定材料１は中心が磁場発生コイル３の中
心と一致するように配置されている。このため、非定常
磁場の印加による電磁力が働かず、Ｆ₂＝０となってい
る。

【０１１８】（評価）実施形態例７の磁場装置の評価と
して、測定材料１に磁場を印加したときのコールドヘッ
ド延長部４にかかる力を測定したところ、荷重に対し、
Ｆ₀≧Ｆ₁（＝｜Ｆ｜）とすることができる。

【０１１９】このため、実施形態例７の磁場装置は、測
定材料１の温度や印加する磁場の強度、周期等を変化さ
せた時の物理的、化学的特性を測定する物性評価装置と
して用いることができる。

【０１２０】

【発明の効果】本発明の磁場装置は、電磁力を受けるコ
ールドヘッド延長部が低抵抗部材と高抵抗部材とからな
ることで、コールドヘッド延長部に生じる渦電流が減少
し、コールドヘッド延長部がコールドヘッドに与える電
磁力が小さくなっている。このため、本発明の磁場装置
は、耐久性、信頼性、安全性に優れた装置となってい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１の磁場装置の構成を示した図で
ある。

【図２】磁場装置の磁場発生コイルに通電されるパル
ス電流を示した図である。

【図３】実施形態例１の磁場装置の評価の測定結果を
示した図である。

【図４】比較例１の磁場装置の構成を示した図であ
る。

【図５】比較例２の磁場装置の構成を示した図であ
る。

【図６】比較例の磁場装置の評価の測定結果を示した
図である。

【図７】実施形態例２の磁場装置の構成を示した図で
ある。

【図８】実施形態例２の磁場装置の評価の測定結果を
示した図である。

【図９】実施形態例３の磁場装置の構成を示した図で
ある。

【図１０】実施形態例３の磁場装置の評価の測定結果
を示した図である。

【図１１】実施形態例４の磁場装置の構成を示した図
である。

【図１２】実施形態例４の磁場装置の評価の測定結果
を示した図である。

【図１３】実施形態例５の磁場装置の構成を示した図
である。

【図１４】実施形態例５の磁場装置の評価の測定結果
を示した図である。

【図１５】実施形態例６の磁場装置の構成を示した図
である。

【図１６】実施形態例７の磁場装置の構成を示した図
である。

【符号の説明】

１…超電導体２…冷却装置３…磁場発生
コイル４…コールドヘッド延長部５…真空容器６…伝熱材７…伝熱ブロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柳陽介愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内 (72)発明者岡徹雄愛知県刈谷市八軒町５丁目50番地株式会社イムラ材料開発研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷凍機の作用により冷却されたコールド
ヘッドを有する冷却装置と、磁性体に非定常磁場を印加する磁場発生装置と、該磁性体と該コールドヘッドとを熱的に接続するコール
ドヘッド延長部と、を有する磁場装置において、該コールドヘッド延長部が、低抵抗部材と高抵抗部材の
少なくとも２種類の抵抗率を有する部材よりなることを
特徴とする磁場装置。
【請求項２】前記磁場発生装置が磁場を発生させたと
きに高磁場密度となる位置に前記高抵抗部材が配される
請求項１記載の磁場装置。
【請求項３】前記コールドヘッド延長部は、前記低抵
抗部材の周囲に前記高抵抗部材が配される、あるいは、
それぞれが異なる抵抗率を有する該高抵抗部材のうち抵
抗率がより大きいものがより小さいものの周囲に配置さ
れている請求項１〜２のいずれかに記載の磁場装置。
【請求項４】前記コールドヘッド延長部は、前記コー
ルドヘッドと当接するコールドヘッド側ステージと、前
記磁性体に接続される試料側ステージと、該コールドヘ
ッド側ステージと該試料側ステージとを接合したロッド
と、を有する請求項１〜３記載の磁場装置。
【請求項５】前記コールドヘッド延長部は、前記試料
側ステージと前記導電体とを接続する伝熱材を有する請
求項４記載の磁場装置。
【請求項６】前記伝熱材は、強磁性体よりなる請求項
５に記載の磁場装置。
【請求項７】前記磁場発生装置は、パルス電流を通電
することにより非定常磁場を発生するコイルを有する請
求項１〜６のいずれかに記載の磁場装置。
【請求項８】前記コールドヘッド延長部は、前記コイ
ルの外部に前記低抵抗部材が配される請求項１〜７のい
ずれかに記載の磁場装置。
【請求項９】前記磁性体は、超電導体である請求項１
〜８のいずれかに記載の磁場装置。
【請求項１０】前記超電導体は、ＲＥ−Ｂａ−Ｃｕ−
Ｏ（ＲＥはＹ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、Ｎ
ｄ（ネオジム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユーロピ
ウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、
Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｅｒ
（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｙｂ（イッテルビ
ウム）、Ｌｕ（ルテチウム）から選ばれる少なくとも１
種）を有する請求項９記載の磁場装置。
【請求項１１】前記コールドヘッド延長部は、非導電
性かつ熱伝導性の材料よりなる伝熱ブロックを介して前
記磁性体と接続される請求項１〜１０のいずれかに記載
の磁場装置。