JP2003007526A

JP2003007526A - 冷凍機冷却型超電導磁石装置

Info

Publication number: JP2003007526A
Application number: JP2001186829A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Watasawa; 恵一渡沢; Hitoshi Mitsubori; 仁志三堀
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】操作が簡単で、装置の小型化の可能な水平磁
場発生用の超電導磁石装置を提供する。【解決手段】超電導磁石装置は、中央部に大気空間を
有する２重円筒状の真空容器１０と、該真空容器内に縦
に配置されて水平磁場を発生するための２対の超電導コ
イル１１ａ〜１１ｄと、各超電導コイルを冷却するため
の低温冷凍機とを含む。２対の超電導コイルは、各対の
超電導コイルが大気空間を間にして対向し合い、かつ一
方の対の超電導コイルの中心を結ぶ線分Ｌ１と他方の対
の超電導コイルの中心を結ぶ線分Ｌ２との間の配置角θ
が４０°≦θ≦９０°となるように隣接させて配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機冷却型の超電
導磁石装置に関し、特に溶融シリコンから単結晶半導体
を製造する単結晶成長装置における溶融シリコンに磁界
を与えるための磁場発生装置に適した冷凍機冷却型超電
導磁石装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶製造において、多結晶シ
リコンを溶融して単結晶種結晶に結晶成長させるチョク
ラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。溶融シリコン
は坩堝内で溶融するために熱対流が発生して生成する単
結晶の品質が低下する場合がある。そこで、生成した単
結晶の品質向上などを目的に、溶融シリコンに磁界を印
加し電磁制動により対流を抑制する方法が知られてい
る。この方法は、磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣ
Ｚ法）と呼ばれている。磁界の印加方向としては、溶融
シリコンの液面に対して垂直方向の垂直磁場、水平方向
の水平磁場、カスプ磁場を印加する３種類がある。

【０００３】一方、磁界印加手段としては常電導磁石、
超電導磁石が利用されている。また、例えば水平磁場を
発生させるコイル形状としては、２つのソレノイド状コ
イルを間隔をあけて縦にして対向配置するスプリットコ
イル、もしくは一対の鞍型コイルが使われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、磁界印加手段
として常電導磁石を用いた場合には以下のような問題点
がある。鉄心の利用が不可欠なため、磁石の重量が重く
なる。膨大な電力、冷却水を必要とする。発生できる磁
界強度に限界がある。

【０００５】一方、液体ヘリウム浸漬型の超電導磁石を
用いた場合には以下のような問題点がある。液体ヘリウ
ム冷却が必要なため、装置が複雑、大型化する。液体ヘ
リウムの取り扱いが煩雑で、操作員の熟練が必要であ
る。液体ヘリウムの補給が必要で、液体ヘリウム費用が
大きい。

【０００６】また、水平磁場を発生させるためのコイル
として、これまでのスプリットコイルを用いた場合、形
状が単純で製作が容易であるが、必要な空間への磁界発
生効率が悪い。

【０００７】一方、鞍型コイルを用いた場合には以下の
ような問題点がある。必要な空間への磁界発生効率が良
く小型化が可能であるが、製作が非常に難しい。また、
ソレノイド状コイルでは、巻線時に張力を与えて巻くこ
とで電磁力に対抗する力を巻線内部に保持できるが、鞍
型コイルにおいては直線部、鞍部で張力を維持できない
ため、大きな電磁力に対して線材を動かないように固定
することが困難である。

【０００８】そこで、本発明の課題は、超電導コイルを
低温冷凍機のみで伝導冷却する、いわゆるヘリウムフリ
ー超電導磁石装置を利用し、水平磁界を発生するコイル
形状として、少なくとも２対のソレノイド状超電導コイ
ルを配置する構成とすることにより、操作が簡単で、装
置の小型化の可能な水平磁場発生用の超電導磁石装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による冷凍機冷却
型超電導磁石装置は、中央部に大気空間を有する２重筒
状の真空容器と、該真空容器内に縦に配置されて水平磁
場を発生するための少なくとも２対の超電導コイルと、
各超電導コイルを冷却するための低温冷凍機とを含み、
前記少なくとも２対の超電導コイルは、各対の超電導コ
イルが前記大気空間を間にして対向し合い、かつ一方の
対の超電導コイルの中心を結ぶ線分と他方の対の超電導
コイルの中心を結ぶ線分との間の角度θが水平面上で４
０°≦θ≦９０°となるように隣接して配置されている
ことを特徴とする。

【００１０】本冷凍機冷却型超電導磁石装置において
は、前記低温冷凍機は第一段、第二段の冷凍ステージを
持つ２段冷却式であり、前記超電導コイルは、前記真空
容器内に巻枠で支持されており、前記真空容器の下面あ
るいは上面には前記低温冷凍機を挿入するための挿入口
を設けると共に、該挿入口から前記真空容器内へ延びて
前記低温冷凍機を封止状態で収容するためのスリーブを
固定し、該スリーブにはその先端に前記低温冷凍機の第
二段の冷凍ステージのコールドヘッドと接触する先端伝
熱部材を設けると共に、その中間部に前記低温冷凍機の
第一段の冷凍ステージのコールドヘッドと接触する中間
伝熱部材を設け、前記低温冷凍機本体を、前記真空容器
内が極低温状態のままで脱着可能な構成としたことを特
徴とする。

【００１１】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
また、前記真空容器は前記大気空間を囲むことのできる
二重円筒構造を有し、前記巻枠を固定するための円筒形
状の構造体を有し、前記超電導コイル及び前記構造体
は、前記スリーブの先端部と共に、前記真空容器内に配
置された二重円筒型の熱輻射シールド体に収容されてお
り、該熱輻射シールド体と前記スリーブとの間の熱収縮
による応力発生を防止するために、前記スリーブの前記
中間伝熱部材と前記熱輻射シールド体との間を網線や多
層板による可撓性伝熱体で連結したことを特徴とする。

【００１２】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
更に、前記構造体と前記スリーブとの間の熱収縮による
応力発生を防止するために、前記スリーブの前記先端伝
熱部材と前記構造体に設けられた接続部とを多層板状可
撓伝熱体で連結したことを特徴とする。

【００１３】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
更に、前記構造体には、前記超電導コイルに対応する箇
所を含む複数箇所にそれぞれ被支持板を持つブラケット
が設けられており、前記真空容器内にはその底部に前記
熱輻射シールド体を貫通して前記ブラケットの前記被支
持板と面接触しつつ前記構造体を支持するための複数の
垂直方向荷重支持体を設け、前記ブラケットの前記被支
持板を前記垂直方向荷重支持体に対してスライド可能な
構成にして、前記構造体の熱収縮により前記垂直方向荷
重支持体に生じる曲げ荷重を緩和するようにしたことを
特徴とする。

【００１４】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
更に、前記超電導コイルに対応する箇所を含む複数箇所
の前記真空容器の側壁に、該側壁をシール状態にて貫通
すると共に、前記熱輻射シールド体を貫通して前記構造
体に連結された水平方向荷重支持体をそれぞれ設けるこ
とにより、前記真空容器の外側から前記超電導コイルの
位置合わせを可能とし、前記水平方向荷重支持体は、前
記構造体との連結部において回転可能に軸支されている
ことを特徴とする。

【００１５】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
更に、前記超電導コイルへ電流を供給するための酸化物
超電導体製の電流リードを備え、該電流リードの一端は
前記構造体に熱アンカーをとり、前記電流リードの他端
は前記熱輻射シールド体に熱アンカーをとり、前記電流
リードの少なくとも一端を自由端とすることを特徴とす
る。

【００１６】本冷凍機冷却型超電導磁石装置においては
更に、前記真空容器の外周に磁気シールド体を設けるこ
とにより、外周部の漏洩磁界を低減できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明による冷
凍機冷却型超電導磁石装置の概要について説明する。図
１において、この超電導磁石装置は、中央部に大気空間
を有する２重円筒状の真空容器１０と、真空容器１０内
に縦に配置されて水平磁場を発生するための２対のソレ
ノイド状の超電導コイル１１ａ〜１１ｄと、各超電導コ
イルを冷却するための極低温冷凍機（後述する）とを含
む。

【００１８】本形態では特に、２対の超電導コイル１１
ａ〜１１ｄを、一方の対の超電導コイル１１ａと１１
ｂ、他方の対の超電導コイル１１ｃと１１ｄがそれぞれ
大気空間を間にして対向し合い、かつ一方の対の超電導
コイル１１ａと１１ｂの中心を結ぶ線分Ｌ１と他方の対
の超電導コイル１１ｃと１１ｄの中心を結ぶ線分Ｌ２と
の間の角度（以下、配置角と呼ぶ）θが４０°≦θ≦９
０°となるように隣接させて固定配置する点に特徴を有
する。

【００１９】次に、図２〜図７を参照して、本発明をＭ
ＣＺ法による単結晶引き上げ用磁場発生装置に適用した
場合の実施の形態について説明する。図２において、こ
の実施の形態による冷凍機冷却型超電導磁石装置は、図
示しない単結晶成長装置の周囲に配置され、図１で述べ
たように、磁界を発生するための２対の超電導コイル１
１ａ〜１１ｄを収容した密閉構造の真空容器１０と、真
空容器１０の上面側から内部に配置され、各超電導コイ
ルを冷却するための４つの極低温冷凍機（以下、冷凍機
と呼ぶ）１２ａ〜１２ｄとを備えている。なお、極低温
冷凍機の設置台数は冷凍能力に応じて決まり、４台に限
定されるものではない。

【００２０】以下では、一方の対の超電導コイル１１
ａ、１１ｂとそれに付随する構成要素、例えば冷凍機１
２ａ、１２ｂ側について説明を行い、他方の対の超電導
コイル１１ｃ、１１ｄ及びこれらに付随する構成要素に
ついてはまったく同じであるので説明は省略する。

【００２１】真空容器１０の上面側には更に、電流導入
端子２１及び真空排気弁２２（図４では、冷凍機１２ｂ
に対応する箇所のみ図示）が設けられている。真空排気
弁２２は真空容器１０内を真空引きする際に使用され
る。なお、冷凍機１２ｂには冷媒であるヘリウムガスを
圧縮して供給、循環するための圧縮機が接続される。簡
単に言えば、冷凍機１２ｂは、ヘリウムガスの導入及び
排出を切換えるためのロータリバルブを切換える電動機
と、ディスプレーサに連結されてその往復運動を回転運
動に変え、その往復運動の上下限を設定するための運動
変換機構を備えている。詳しくは、特公昭６３−５３４
６９に開示されているので、ここでは図示、説明は省略
する。

【００２２】ソレノイド状の超電導コイル１１ａは、真
空容器１０内で構造体１３に固定された環状の巻枠１３
−３で保持されている。構造体１３は円筒形状を有す
る。

【００２３】図５において、冷凍機１２ａは、例えば５
０Ｋの第一段コールドヘッド１２−１１を持つ第一段目
の冷凍ステージ１２−１と、例えば４Ｋの第二段コール
ドヘッド１２−２１を持つ第二段目の冷凍ステージ１２
−２とを持つ２段式冷凍機である。冷凍ステージ１２−
１、１２−２はスリーブ２３内に封止状態にて収容され
ている。

【００２４】スリーブ２３は、真空容器１０の上面に設
けられた挿入口１０−１の縁部に溶接等により固定され
ている。挿入口１０−１の周囲にはフランジ１０−２が
設けられ、このフランジ１０−２に冷凍機１２ａの蓋部
材１２−３がシール状態にてボルトで取り付けられてい
る。その結果、スリーブ２３の内部空間は真空容器１０
の内部空間と完全に仕切られると共に、外部に対しても
完全にシールされる。スリーブ２３には、その先端に第
二段目の冷凍ステージ１２−２の第二段コールドヘッド
１２−２１と面接触するための先端伝熱部材２３−１を
設けると共に、その中間部に第一段目の冷凍ステージ１
２−１の第一段コールドヘッド１２−１１と接触するた
めの中間伝熱部材２３−２を設けている。

【００２５】スリーブ２３の材料はステンレス製が好ま
しく、先端伝熱部材２３−１、中間伝熱部材２３−２の
材料は銅製が好ましいが、これらの限りではない。スリ
ーブ２３の先端伝熱部材２３−１は、構造体１３に設け
られた接続部１３−１の近くに位置している。そして、
先端伝熱部材２３−１と接続部１３−１との間を、可撓
性を有する多層板状伝熱部材１４で接続している。その
結果、コイル固定用構造体１３とスリーブ２３との間の
熱収縮による応力発生が防止される。なお、構造体１３
には、通常、ＳＵＳ等の構造材料が使用されるので、接
続部１３−１から超電導コイルに至る熱伝導が十分でな
い場合には、構造体１３の表面に銅材等による熱伝導経
路を形成して冷却効率を上げるようにするのが好まし
い。

【００２６】図３に戻って、真空容器１０は単結晶成長
装置の周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有してお
り、単結晶成長装置は真空容器１０の内側に形成される
大気空間に配置される。この単結晶成長装置は、従来の
ものと同じであるので、図示、説明は省略する。２対の
超電導コイル１１ａ〜１１ｄは、単結晶成長装置の坩堝
内の溶融シリコンに対して水平磁界を与える。

【００２７】更に、２対の超電導コイル１１ａ〜１１ｄ
及びこれらを支持している構造体１３は、スリーブ２３
の下部と共に、真空容器１０内に配置された二重円筒型
の熱輻射シールド体１５に収容されている。この熱輻射
シールド体１５は、輻射熱の侵入を防止するためのもの
である。スリーブ２３は、熱輻射シールド体１５の上部
を貫通して下方に延びている。熱輻射シールド体１５と
スリーブ２３との間の熱収縮による応力発生を防止する
ために、スリーブ２３の中間伝熱部材２３−２と熱輻射
シールド体１５との間は、網線や多層板による可撓性伝
熱体２５ａで連結されている。

【００２８】図６において、超電導コイル１１ａ、構造
体１３、及び熱輻射シールド体１５は、真空容器１０内
の底部に設けられた垂直方向荷重支持体１６で支持され
ている。詳しく説明すると、構造体１３には水平方向に
延びる被支持板１３−２ａを持つブラケット１３−２が
設けられている。垂直方向荷重支持体１６は、真空容器
１０内の底部に設けられ、熱輻射シールド体１５の底部
を貫通してブラケット１３−２の被支持板１３−２ａと
面接触しつつ超電導コイル１１ａと構造体１３とを支持
する。

【００２９】特に、垂直方向荷重支持体１６の上端にお
ける被支持板１３−２ａとの接触部には、金属製の被支
持板１３−２ａに対する摩擦係数の小さな材料、例えば
テフロン（登録商標）のような板部材１６−１を設けて
いる。これにより、ブラケット１３−２の被支持板１３
−２ａを垂直方向荷重支持体１６に対してスライド可能
な構成にし、超電導コイル１１ａ及び構造体１３の熱収
縮により垂直方向荷重支持体１６に生じる曲げ荷重を緩
和するようにしている。

【００３０】詳細に示されていないが、熱輻射シールド
体１５は、その底部において垂直方向荷重支持体１６の
中間部に設けられた支持板１６−２により支持されてい
る。そして、この支持板１６−２と熱輻射シールド体１
５との間も、上記と同様に、摩擦係数の小さな材料を介
在させて熱輻射シールド体１５をスライド可能な構成と
している。なお、上記の垂直方向荷重支持体１６は、少
なくとも超伝導コイルに対応する箇所を含む複数箇所に
設けられる。

【００３１】真空容器１０の側壁には、この側壁をシー
ル状態にて貫通すると共に、熱輻射シールド体１５を貫
通して構造体１３に連結された水平方向荷重支持体１７
を設けている。水平方向荷重支持体１７は、樹脂製の無
端ベルトによるサポートストラップ１７−１と、このサ
ポートストラップ１７−１の一端側に連結したねじ軸１
７−２と、ねじ軸１７−２の反対端であって真空容器１
０の側壁から外部に突き出しているねじ部に螺合してい
るナット１７−３とから成る。サポートストラップ１７
−１の他端側は構造体１３に回転可能な状態で軸支さ
れ、サポートストラップ１７−１の一端側はねじ軸１７
−２に回転可能な状態で軸支されている。これにより、
真空容器１０と超電導コイル１１ａ及び構造体１３の熱
収縮による寸法差を吸収する。

【００３２】ねじ軸１７−２と真空容器１０の側壁との
間はシールされている。真空容器１０の側壁から外部に
突き出しているねじ部とナット１７−３は、開閉可能な
蓋１０−３でカバーされている。ねじ軸１７−２とナッ
ト１７−３は、真空容器１０の外側から超電導コイル１
１ａの位置合わせを可能とするためのものである。この
ために、超電導コイル１１ａ及び構造体１３の熱収縮分
をあらかじめ計算しておき、超電導コイル１１ａ及び構
造体１３がこの熱収縮分だけ変位可能なようにナット１
７−３を緩めておくようにする。

【００３３】水平方向荷重支持体１７は、図２に示され
るように、超電導コイル１１ａ〜１１ｄに対応する箇所
と、超電導コイル１１ａと１１ｄとの間、及び超電導コ
イル１１ｃと１１ｂとの間の合計６箇所に設けられる。
図示していないが、垂直方向荷重支持体１６も、少なく
とも水平方向荷重支持体１７の設置箇所に対応する合計
６箇所に設けられる。

【００３４】図２、図３において、真空容器１０の外周
には上面磁気シールド体２６−１、側面磁気シールド体
２６−１、及び下面磁気シールド体２６−３から成る磁
気シールド体２６を設けて、外周部の漏洩磁界を低減で
きるようにしている。

【００３５】図７において、構造体１３には、超電導コ
イル１１ｂへ電流を供給するための酸化物超電導体製の
電流リード２７が設けられる。電流リード２７の一端は
構造体１３に熱アンカーをとり、電流リード２７の他端
は熱輻射シールド体１５に熱アンカーをとる。そして、
電流リード２７の少なくとも一端は自由端とする。電流
リード２７は、図４に示された電流導入端子２１に接続
される。

【００３６】なお、上記の形態では、各冷凍機を真空容
器１０の上面側から設けるようにしているが、真空容器
１０の下面側から設けるようにしても良く、この場合、
冷凍機のメンテナンスに伴う交換作業のための空間を確
保するために、真空容器１０の底部には複数箇所に脚部
が設けられる。

【００３７】次に、上記の各構成部品について説明す
る。

【００３８】超電導コイル１１ａ〜１１ｄは、酸化物系
のみならず、金属系の超電導線材で形成されても良い。
超電導コイル１１ａ〜１１ｄの巻枠１３−３は銅、アル
ミニウムなどの熱伝導率の大きな材料で形成する。熱伝
導率の悪い材料（ステンレスやＦＲＰ）で構成した場合
は、銅やアルミニウムなどの高熱伝導材を貼り付ける。
超電導コイル１１ａ〜１１ｄは、ソレノイド状に巻線さ
れた４つのコイルを真空容器１０内の円周上に配置した
ものである。隣り合う超電導コイルの配置角θは、小さ
いとコイル直径を小さくせざるを得なくなり、大気空間
の中心で必要な磁界を発生するためには超電導コイルの
経験磁界が超電導状態を破るほど大きくなってしまう。
一方、配置角θが大きいと、大気空間の中心に発生させ
る磁界の発生効率が悪くなってしまう（１個の超電導コ
イルが装置中心に発生する磁場をＢ１とすると、４個の
超電導コイルを組み合わせて中心に発生できる水平磁場
Ｂ０は、Ｂ０＝４×Ｂ１×ｃｏｓ（θ／２）となる）。
そのため、経験磁界をあまり大きくせず、中心への磁場
発生効率をあまり下げない条件として、配置角θを４０
゜≦θ≦９０゜の範囲内とする。

【００３９】冷凍機としては、小型のＧＭ（ギフォード
マクマホン）冷凍機などを使用できる。２段式ＧＭ冷
凍機を使用する場合は、第一段コールドヘッド１２−１
１にて熱輻射シールド体１５を冷却し、第二段コールド
ヘッド１２−２１にて超電導コイルを冷却できる。更
に、熱輻射シールド体１５の冷却専用に別の冷凍機を付
加するようにしても良い。

【００４０】冷凍機挿入用のスリーブ２３は真空容器１
０に固定され、スリーブ２３には冷凍機と熱接触可能な
伝熱部材が設けられている。これにより、冷凍機本体を
極低温状態のままで真空容器１０に対して脱着できる。
前に述べたように、中間伝熱部材２３−２と熱輻射シー
ルド体１５との接合においては、熱収縮による応力発生
を防止するため、網線や多層板で接続することで力を伝
えない構造としている。

【００４１】酸化物超電導体製の電流リード２７には、
超電導コイル部への侵入熱を小さくしつつ、電流を供給
できる材料、例えばビスマス系やイットリウム系などの
酸化物超電導材料を使用する。また、酸化物超電導体と
してバルク体や線材状のものが適用可能である。この種
の材料は、機械的強度が小さい材料であるため、発熱を
低減する必要のある超電導コイルとの接合部は固定し、
もう一方の端は冷凍機の第一段冷凍ステージ温度にアン
カーするが、熱収縮による応力緩和のために自由端とす
る。つまり、積層板や平網線などを適用したフレキシブ
ルな部材で接合する。酸化物超電導体の両端には溶射に
より銀をコーティングし、その上に半田付けにより電極
を接合する。この結果、接触抵抗が小さくジュール発熱
の小さい電流リードとすることができる。

【００４２】多層状伝熱部材１４で先端伝熱部材２３−
１と接続部１３−１との間を接続するようにしている
が、冷凍機の第二段コールドヘッドを直接、構造体１３
もしくは貼り付けた伝熱部材に接触させるようにしても
良い。

【００４３】熱輻射シールド体１５は、超電導コイルへ
の熱侵入を低減するために、超電導コイルの周囲を囲
み、熱輻射を小さくする。なお、熱輻射の低減効果を高
める目的で、多層断熱材（スーパーインシュレーショ
ン）の併用もできる。熱輻射シールド体１５は、伝熱特
性の優れた材料、例えば銅、アルミニウムなどで構成す
る。また、機械的強度が必要な場合は、強度部材として
ステンレスを用い、伝熱部材として銅やアルミニウムを
併用することも可能である。更に、超電導コイルのクエ
ンチや急激な磁界変動による渦電流を防止するために、
熱輻射シールド体１５に部分的に切り欠きを入れる構造
としても良い。

【００４４】垂直方向荷重支持体１６は、超電導コイル
１１ａ〜１１ｄ、構造体１３、熱輻射シールド体１５を
支持する部材であり、機械的強度を保持しながら、断熱
性能に優れている必要がある。材料としては、例えばＧ
ＦＲＰ、ＯＦＲＰ、アルミナＦＲＰ、ステンレスなどが
使用できる。公知例として、超電導コイルを、複数本の
パイプ状のＧＦＲＰ材によって真空容器１０から支持す
る構成がある。このパイプは中間部において熱輻射シー
ルド体１５とアンカーをとり、伝導による侵入熱の低減
を図る。本形態では、上下方向に垂直方向荷重支持体１
６として複数本のパイプを設け、超電導コイルを断熱支
持するようにしている。

【００４５】水平方向荷重支持体１７は、円筒状、ベル
ト状の形状をしたＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ、アルミナＦＲ
Ｐ、ステンレスなどの材料で構成され、超電導コイル取
り付け部、真空容器１０への取り付け部のいずれかもし
くはその両方で回転自在な構成とする。真空容器１０へ
の取り付け部では真空気密を保持しながら水平方向荷重
支持体１７の位置を調整できる機構を有し、超電導コイ
ルと真空容器１０の軸合わせなどの調整が可能な構造と
なっている。

【００４６】真空空容器１０は、断熱真空を保つための
容器で、超電導コイル、構造体１３、熱輻射シールド体
１５、冷凍機などの荷重を支持する支点となる。溶接構
造による形成でも、フランジ構造でも可能である。フラ
ンジ構造の場合は、容易に分解可能となる。溶接構造の
場合でも、電流リード２７や冷凍機を設置する部分のみ
保守可能なように、一部に取り外し可能なボックスをつ
けることもできる。

【００４７】磁気シールド体２６は、真空容器１０の外
側（上下面または外周面、あるいはその両方）に強磁性
体による部材を設置し周辺部への漏洩磁界を低減する。

【００４８】以上の構成により、構造が単純で、熱応力
に強く、軽量・コンパクト、操作が容易、信頼性の高い
ＭＣＺ用の水平磁場発生用超電導磁石装置を提供するこ
とができる。

【００４９】ＭＣＺ法によるシリコン単結晶製造におけ
る磁界発生源として、水平磁界を発生する場合の作用は
以下の通りである。

【００５０】冷凍機を起動する。その後、冷却に関わる
操作は一切不要で、冷却のための熟練を要しない。

【００５１】数日から十数日後に超電導コイルは超電導
温度となる。

【００５２】必要な時に、励磁用電源を操作して単結晶
成長装置に所定の磁界を発生させる。

【００５３】発生した磁界（水平磁界）によって溶融シ
リコンの熱対流が抑制され、安定した品質のシリコン単
結晶が得られる。

【００５４】なお、上記の形態では、ＭＣＺ法による単
結晶引き上げ用磁場発生装置として適用する場合につい
て説明したが、これに限らず、磁気分離装置、ＭＲＩ、
化学反応制御、水処理装置、配向処理装置など、磁界利
用の多くの分野での冷凍機冷却型超電導磁石装置に適用
できる。

【００５５】

【発明の効果】本発明による冷凍機冷却型超電導磁石装
置によれば、冷凍機用圧縮機の電力と冷却水、励磁用電
源の電力しか必要としないため、ランニングコストを大
幅に低減できる。また、磁石部分が軽量でコンパクトな
ため、引き上げ過程において磁石高さを移動させる場合
においても、低い動力での操作が可能である。更に、磁
気シールドを設けているため、漏洩磁界が低減され、外
部機器、作業者への安全性が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による冷凍機冷却型超電導磁石装置の概
要を説明するための図であり、（ａ）は透視図、（ｂ）
はその平面図である。

【図２】本発明の実施の形態による冷凍機冷却型超電導
磁石装置の横断面図である。

【図３】図２の線Ａ−Ａ´による縦断面図である。

【図４】図２の装置を１つの極低温冷凍機とその周辺構
成要素のみについて示した上面図である。

【図５】図２における冷凍機の取り付け構造を示した断
面図である。

【図６】本発明における垂直方向荷重支持体及び水平方
向荷重支持体を説明するための断面図である。

【図７】本発明における電流リードの設置構造を示した
断面図である。

【符号の説明】

１０真空容器１０−１挿入口１０−２フランジ１１ａ〜１１ｄ超電導コイル１２ａ〜１２ｄ極低温冷凍機１２−１第一段目の冷凍ステージ１２−２第二段目の冷凍ステージ１２−１１第一段コールドヘッド１２−２１第二段コールドヘッド１３構造体１３−１接続部１４多層板状伝熱部材１５熱輻射シールド体１６垂直方向荷重支持体１７水平方向荷重支持体２３スリーブ２３−１先端伝熱部材２３−２中間伝熱部材２６磁気シールド２７電流リード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部に大気空間を有する２重筒状の真
空容器と、該真空容器内に縦に配置されて水平磁場を発生するため
の少なくとも２対の超電導コイルと、各超電導コイルを冷却するための低温冷凍機とを含み、前記少なくとも２対の超電導コイルは、各対の超電導コ
イルが前記大気空間を間にして対向し合い、かつ一方の
対の超電導コイルの中心を結ぶ線分と他方の対の超電導
コイルの中心を結ぶ線分との間の角度θが水平面上で４
０°≦θ≦９０°となるように隣接して配置されている
ことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
【請求項２】請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記低温冷凍機は第一段、第二段の冷凍
ステージを持つ２段冷却式であり、前記超電導コイル
は、前記真空容器内に巻枠で支持されており、前記真空
容器の下面あるいは上面には前記低温冷凍機を挿入する
ための挿入口を設けると共に、該挿入口から前記真空容
器内へ延びて前記低温冷凍機を封止状態で収容するため
のスリーブを固定し、該スリーブにはその先端に前記低
温冷凍機の第二段の冷凍ステージのコールドヘッドと接
触する先端伝熱部材を設けると共に、その中間部に前記
低温冷凍機の第一段の冷凍ステージのコールドヘッドと
接触する中間伝熱部材を設け、前記低温冷凍機本体を、
前記真空容器内が極低温状態のままで脱着可能な構成と
したことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
【請求項３】請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記真空容器は前記大気空間を囲むこと
のできる二重円筒構造を有し、前記巻枠を固定するため
の円筒形状の構造体を有し、前記超電導コイル及び前記
構造体は、前記スリーブの先端部と共に、前記真空容器
内に配置された二重円筒型の熱輻射シールド体に収容さ
れており、該熱輻射シールド体と前記スリーブとの間の
熱収縮による応力発生を防止するために、前記スリーブ
の前記中間伝熱部材と前記熱輻射シールド体との間を網
線や多層板による可撓性伝熱体で連結したことを特徴と
する冷凍機冷却型超電導磁石装置。
【請求項４】請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記構造体と前記スリーブとの間の熱収
縮による応力発生を防止するために、前記スリーブの前
記先端伝熱部材と前記構造体に設けられた接続部とを多
層板状可撓伝熱体で連結したことを特徴とする冷凍機冷
却型超電導磁石装置。
【請求項５】請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記構造体には、前記超電導コイルに対
応する箇所を含む複数箇所にそれぞれ被支持板を持つブ
ラケットが設けられており、前記真空容器内にはその底
部に前記熱輻射シールド体を貫通して前記ブラケットの
前記被支持板と面接触しつつ前記構造体を支持するため
の複数の垂直方向荷重支持体を設け、前記ブラケットの
前記被支持板を前記垂直方向荷重支持体に対してスライ
ド可能な構成にして、前記構造体の熱収縮により前記垂
直方向荷重支持体に生じる曲げ荷重を緩和するようにし
たことを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
【請求項６】請求項５記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記超電導コイルに対応する箇所を含む
複数箇所の前記真空容器の側壁に、該側壁をシール状態
にて貫通すると共に、前記熱輻射シールド体を貫通して
前記構造体に連結された水平方向荷重支持体をそれぞれ
設けることにより、前記真空容器の外側から前記超電導
コイルの位置合わせを可能とし、前記水平方向荷重支持
体は、前記構造体との連結部において回転可能に軸支さ
れていることを特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装
置。
【請求項７】請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記超電導コイルへ電流を供給するため
の酸化物超電導体製の電流リードを備え、該電流リード
の一端は前記構造体に熱アンカーをとり、前記電流リー
ドの他端は前記熱輻射シールド体に熱アンカーをとり、
前記電流リードの少なくとも一端を自由端とすることを
特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。
【請求項８】請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記真空容器の外周に磁気シールド体を
設けて、外周部の漏洩磁界を低減できるようにしたこと
を特徴とする冷凍機冷却型超電導磁石装置。