JP2007142179A - 室温作業平面を備えた超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の測定用超伝導磁石装置の室温作業平面、室温ボアは、狭小であり、被測定物やその支持材、計測機器等は大きさ、形状に大きな制限を受けていた。
【解決手段】電流を通電することにより、磁場を室温作業平面に配置した被測定物に印加できる超伝導磁石と、この超伝導磁石を低温に保持し、格納するクライオスタットとを備えた超伝導磁石装置において、クライオスタットの開放側外側空間を室温で磁場を利用する空間とし、その外側空間の少なくとも一部クライオスタット外壁を測定に際して被測定物を設置する室温作業平面として利用することによって解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物に磁場を印加し、これによって、被測定物の物性や、各種検査、試験を行う超伝導磁石装置に関する。

詳しくは、本発明は、クライオスタットを構成する外部壁面を含む外部空間を室温作業空間として利用するもので、外部壁面を、磁場と干渉しない材料によって構成し、この壁面からなる平面に被測定物および関連機器類を設置するようにすることによって、被測定物、および関連機器類を安定に設置し、且つ被測定物の形状、容積によって限定されない室温作業空間を担保し、面一に形成され面全体が利用可能な室温作業平面を備えてなる超伝導磁石装置に関する。ここに室温作業とは、被測定物を室温の状態で試験、測定することを指し、室温作業平面、ないしは空間とは、そのような温度で被測定物を設定するための平面、空間を指しているものである。

超伝導磁石を利用した各種試験、検査等が活発に行われている。試験、検査以外にも、超伝導磁石を利用した磁気分離システムや、分光等磁場中計測、磁場中プロセッシング、磁場マッピング、磁場の効果を示す各種デモンストレーション等において活発に利用されている。従来、この種超伝導磁石装置は、被測定物に磁場を均等に印加するため、超伝導磁石が格納されているクライオスタットによって取り囲まれて接している狭い外部空間を室温作業磁場空間として利用し、この空間に被測定物が設置されていた（非特許文献１、２および特許文献１を参照のこと）。

クライオスタット内部には超伝導磁石が格納され、冷凍機または冷媒によって冷却されて運転される。磁場を印加して試験を行うのに専ら使用されるクライオスタットは、その格納された超伝導磁石から被測定物に強い磁場を、高い均一性でもって印加するようにするため、超伝導磁石の内側に被測定物を設置する室温作業空間を設けて、それを囲むように形成された中空のハウジングが形成され、このハウジング内に超伝導磁石が格納されている。図４は、超伝導磁石装置の概略を示す断面図であり、超伝導磁石２は、クライオスタット１内に格納され、超伝導磁石の内側を中空とされたクライオスタット１によって囲まれた空間が形成され、この空間を、磁場を利用するための空間である筒状の室温ボア７とし、この室温ボア７に被測定物、関連機器が設置され、室温ボア７のなかでも磁場強度が高く均一な領域を、磁場を利用する空間３としていた。

被測定物は、上記したようにクライオスタット２によって囲まれた、両端のみが開放された筒状の外部空間、室温ボア７の磁場の高い領域３に配置される。測定に際しては、クライオスタットに格納された超伝導磁石２に通電することによって磁場を発生させ、被測定物（図示外）に磁場を印加し、測定が行われる。このようなクライオスタットを備えた従来の超伝導磁石装置は、通常、超伝導磁石の内側に磁場を利用する室温作業空間を設けることによって、超伝導磁石からの強い磁場がクライオスタット１のハウジングを介して作業空間中心部に設置された被測定物（図示外）に対して高い均一度でもって印加されうる構造を有している点で優れている。しかしながら、その室温作業空間は、両端のみが開放された筒状の狭小な外部空間であった。そのため、測定する際に必ずしも作業が容易ではなく不都合が生じていた。

Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ， Ｓ．Ａｗａｊｉ， Ｊ．Ｓａｋｕｒａｂａ， Ｋ．Ｗａｔａｚａｗａ， Ｔ．Ｈａｓｅｂｅ， Ｋ．Ｊｉｋｉｈａｒａ， Ｙ．Ｙａｍａｄａ ａｎｄ Ｍ．Ｉｓｈｉｈａｒａ： Ｃｒｙｏｊｅｎｉｃ ３６ （１９９６） １０１９ 本河光博、三浦登：丸善実験物理学講座２基礎技術II実験環境技術 ｐ．１３４−１５０ 平成１１年６月２５日 丸善株式会社発行 特開平６−１３２５６７号公報（渡辺和雄ほか３名、「伝導冷却型超電導磁石装置」）

以上が室温作業空間を備えた従来の測定用超伝導磁石装置の概略であるが、その室温作業平面、室温ボア７は、超伝導磁石の内側に設定されているため、狭小であり、被測定物やその支持材、計測機器等は大きさ、形状に大きな制限を受けていた。一方、測定しようとする被測定物やその支持材、計測機器等は、大きさ、形状は、多岐にわたり、形や大きさも極めて多様であり、上記クライオスタットによって囲われた超伝導磁石装置では、被測定物やその支持材、計測機器等の大きさや、形状はかなりの制約があった。そのため、超伝導磁石装置を利用した測定に作業自体が困難となる事態が発生する不都合が生じ、研究現場においてはこのような不都合を解消することが求められていた。

本発明は、このような要請に応えようというものである。そのため、本発明者等においては鋭意研究した結果、クライオスタットを備えた超伝導磁石装置において、クライオスタットの開放された外側空間を室温で磁場を利用する空間、として積極的に利用することを想到し、さらに鋭意研究を進めた結果、この発想は、極めて有効であることを見いだしたものである。ここに、クライオスタットの開放された外側空間とは、前示した従来のクライオスタットにおける外側空間、室温ボアは、両端のみが開放された筒状の外部空間であることから、これと区別するために使用したものであって、クライオスタットの周囲外壁を含む外側空間を指しているものと定義される。
すなわち、本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その構成は以下（１）ないし（８）に記載する通りである。
（１）電流を通電することにより、磁場を室温作業平面に配置した被測定物に印加できる超伝導磁石と、この超伝導磁石を低温に保持し、格納するクライオスタットとを備えた超伝導磁石装置において、クライオスタットの開放側外側空間を室温で磁場を利用する空間とし、その外側空間の少なくとも一部クライオスタット外壁を測定に際して被測定物を設置する室温作業平面として利用することを特徴とした、超伝導磁石装置。
（２）前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁は、磁場と干渉しない材料によって構成され、被測定物により大きな超伝導磁石が発生する磁場を付与するために室温作業平面と超伝導磁石の距離を小さくするようにできる限り薄い板によって設計されていることを特徴とする、（１）に記載する超伝導磁石装置。
（３）前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁は、面全体を作業面として確保するため面一に形成し、周囲および中央部は、その内側部分をクライオスタットの内外圧力差、運転前と運転時との温度差、載置物の重力、ならびに被測定物が磁性を示す場合は被測定物が磁場により超伝導磁石の方向に引き寄せられることにより生じる応力による変形を防ぐようにするため肉厚フランジ構造とすると共に、下部構造物によって当接し、これによって支持されるようにされていることを特徴とする、（１）に記載する超伝導磁石装置。
（４）前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁に対し、クライオスタット内部に格納される超伝導磁石は、該外壁から間隔をあけて設置され、該外壁と超伝導磁石との間は真空断熱構造とされていることを特徴とする、（１）ないし（３）に記載する何れか一つの超伝導磁石装置。
（５）前記間隔は１ミリメートル以上２０ミリメートル以下とした、（４）に記載する超伝導磁石装置。
（６）前記クライオスタットに備えられた被測定物を設置する室温作業平面は、クライオスタットを任意の方向に向けることによって、任意の方向に向けることを可能とした、（１）ないし（５）の何れかに記載する超伝導磁石装置。
（７）前記室温作業平面が、クライオスタット上部天板に設けられていることを特徴とする、（６）記載の超伝導磁石装置。
（８）前記室温作業平面が、二面以上設けられていることを特徴とする、（６）記載の超伝導磁石装置。

本発明は、クライオスタットの開放された外壁の少なくとも一部を、被測定物が設置される室温作業平面とすることによって、従来のようにクライオスタットによって囲まれた狭小な室温作業空間から開放され、広い室温作業空間を有する超伝導磁石装置を提供することを可能としたものであり、これによって、超伝導磁石装置において広い室温作業空間を確保することに成功したものである。この成功によって、測定される対象に関し、大きさや形状にかなりの制約があった不都合が解消され、磁気を利用した各種研究に今後大きな利便性を与え、今後大いに普及することが期待される。

以下、本発明を図面および実施例に基づいて具体的に説明する。但し、本発明は、これらの例によって限定されないことに留意されたい。図１〜図３は、それぞれ本発明の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置の態様を示した図（断面図）である。

図１は、クライオスタットの上部天板１ａを被測定物が配置される平面とすることを示した態様を表した装置の断面図を示すものである。この図において、超伝導磁石装置Ａは、クライオスタット周囲外壁１と、クライオスタット天板１ａとによって容器構造に設定され、天板１ａの直下に微少なギャップを介して断熱板（輻射シールド板）として例えばポリエステル等のフィルムの片面にアルミニウムが蒸着され、多層構造に積層してなるスーパーインシュレーション１ｅ、アルミニウム金属、あるいは銅などの熱伝導性の良い非磁性金属から形成された輻射シールド１ｂが固定され、この輻射シールド１ｂ内に超伝導磁石２、冷凍機１ｃ、冷凍機１ｃの熱負荷フランジ（冷却ステージ）１ｃ（イ）、（ロ）が格納される。

クライオスタット周囲外壁１とスーパーインシュレーション１ｅおよび輻射シールド１ｂとの間には間隔があけられ真空構造とされ、これによって断熱層１ｄが形成される。さらに、冷凍機１ｃと輻射シールド１ｂとに囲まれた空間は、クライオスタット周囲外壁１と輻射シールド１ｂとに囲まれた空間と通じており真空断熱層１ｄが形成される。
クライオスタット天板１ａは、クライオスタットの中に格納されている超伝導磁石の磁場が減衰せずに被測定物に印加され得るようにできるだけ薄く形成される。クライオスタット天板は、薄く設定される分応力に対して弱い等の欠点があり、これを防ぐ必要がある。本発明においては、応力による変形対策として、クライオスタット天板１ａの周辺部と中央部を、肉厚構造のフランジ構造６とし、下部構造部材であるクライオスタット周囲外壁１、クライオスタット天板支持部材５によって支持される構造に設定し、これによって応力による天板の変形を防ぐ構造としている。

さらに、この図１において示された複数段の冷凍機冷却型システムを採用した超伝導磁石装置の場合、クライオスタット天板支持材５は、直下の冷凍機、本例では、１ｃ（イ）に支持されるように構成され、さらに下段のものが上の段にある構造物を支えるように構成される。これらの具体的取り付け構造、固定手段は、周知の取り付け構造、固定手段によって設定されうる。

すなわち、クライオスタット天板支持部材５を支える冷凍機は、冷凍機１ｃによって支えられ、クライオスタットの下部は、図示外の冷凍機冷媒ガス源へと連通している。

次に、図２は本発明の別の態様を示している。図１の超伝導磁石を９０度回転させて設置した構造、且つ両天板の中央部肉厚部を一つの支持部材５によって補強、支持されている構造に設計されている。その余の機素および機素の配置構造は、図１と基本的に変わらない。この態様によって、被測定物が載置される平面、空間は、広く設定することが出来る。クライオスタットを任意の方向に向けることにより、両天板を任意の方向に向けることが可能となり、単一の天板に比し、被測定物の載置面が増え、室温測定作業の能率が向上する。ただし、両天板の中、どちらかの天板もしくは両天板に置かれる被測定物は天板から落下するので、その場合、図示しない固定手段によって被測定物を固定すればよい。

図３は、本発明の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置の概念図である。クライオスタットは、一つの容器構造とされ、超伝導磁石２が格納、設置される。超伝導磁石２が冷凍機で冷却される場合は、超伝導磁石の端面２ａと、クライオスタットＡの外壁１、および天板１ａとの間は、ギャップが設けられ真空に保持される。また、超伝導磁石が冷媒に浸漬されて冷却するシステムを採用している場合は、クライオスタットＡは、内部の冷媒が逸散しないシール構造が付され、あるいは断熱機構や回収機構等の保持機構が付加される。何れの冷却システムを採用するにしても、被測定物の設置位置は、両天板１ａの上に設定され得、開放された広い室温作業面を確保しうる構造を有している。

次に図１に示した本発明の超伝導磁石装置の作動要領を、実施例に基づいて説明する。図１において、室温作業平面４を含む空間を、磁場を利用する空間３とし、そこに磁場を印加する対象、被測定物が設置される。本例の超伝導磁石装置Ａは、超伝導磁石２が、クライオスタット１内に格納され、同じくクライオスタット１内に設置された冷凍機（図1中、１ｃ）によって支持され、超伝導磁石２を冷却して運転するシステムによる、冷凍機冷却方式の超伝導磁石装置である。

クライオスタット天板１ａは、磁場と干渉しない、例えば薄いステンレス鋼板によって構成される。この薄いステンレス鋼板平面には、クライオスタット内外の圧力差、温度差、あるいは、設置される測定物や関連機器の重力、ならびに被測定物が磁性を示す場合、被測定物が磁場による超伝導磁石方向に引き寄せられる力、によって平面を変形させる応力が作用し、該平面を変形させる。本発明では、この変形を防ぐために、クライオスタット天板１ａの中央部および外周部６にはそれぞれ肉厚フランジ設計とし、下部構造物によって支持させる構造によって解決した。外周部は、下部のクライオスタット１のフランジ継ぎ手によって支持され、中央部は冷凍機によって支持されたクライオスタット天板支持材５によって支持されるように設定した。

クライオスタット天板支持材５は、超伝導磁石２を冷却する冷凍機によって支持される。この冷凍機としては、多段に配列した多段型冷凍機冷却システムを採用することができる。その場合、上段のものは下段の冷凍機によって支持されるように設定される。本例では、クライオスタット天板支持材５は、冷凍機２段熱負荷フランジ（冷凍機２段冷却ステージ、とも称されている）１ｃ（ロ）によって支持され、輻射シールド１ｂによって冷却される一方、室温にあるクライオスタット天板１ａを支持している。よって、クライオスタット天板支持材５は、室温にあるクライオスタット天板１ａおよび冷凍機２段熱負荷フランジより高温にある冷凍機１段熱負荷フランジ（冷凍機１段冷却ステージ）１ｃ（イ）からの熱浸入を防止するために、できる限り熱伝導率の小さな材料によって構成され、超伝導磁石２の温度上昇を抑える。

被測定物が設置される作業平面の応力による変形を防ぐ手段は前述した通りであるが、作業平面となるクライオスタット天板１ａは、熱膨張係数が正の材料のクライオスタット天板支持材５を用いて、設計温度にまで冷却された時に平坦である様にするため、室温においては、クライオスタット天板支持材５に押され凸面とされ、冷却によって収縮し、平面となる。

このクライオスタット天板１aがクライオスタット天板支持材５の熱収縮により変形する範囲は、クライオスタット天板１aが弾性的に振る舞える領域に限る。超伝導磁石２への熱侵入を、運転可能なレベルにまで低減するために、輻射シールド１ｂ、真空断熱層１ｄ、スーパーインシュレーション１ｅが設置される。超伝導磁石端面２ａと室温作業平面４との間隔が小さい程、室温作業平面４で得られる磁場の強度は高くなるが、輻射シールド１ｂ、スーパーインシュレーション１ｅ、クライオスタット天板支持材５は、超伝導磁石２や超伝導磁石巻枠２ｂと接触することがないように設置される。

次に、図２に示した態様の作動要領について説明するが、基本的には、実施例１と同様であり変わることがない。
図２において、室温作業平面４を含む空間を、磁場を利用する空間３とし、この平面に磁場を印加する対象を設置する。本例においては、室温作業平面４が２面あり、磁場を利用する空間３が超伝導磁石２の両側に存在する。本例の超伝導磁石装置は、クライオスタット１に設置された冷凍機１cにより、格納された超伝導磁石２を冷却して運転されるタイプ、すなわち、冷凍機冷却方式による超伝導磁石装置である。

クライオスタット天板１aに作用する応力により、室温作業平面４が変形するのを防止するためには、クライオスタット天板支持材５およびクライオスタット天板１aの外周部に肉厚のフランジによる外周支持構造６が形成される。その場合、クライオスタット天板支持材５は、熱膨張係数が正の材料を用いて、冷却による熱収縮分を考慮してその長さを調製する。この変形防止用クライオスタット天板支持材５は、冷凍機1段熱負荷フランジ（冷凍機１段冷却ステージ）１ｃ（イ）に設置された輻射シールド１ｂによって冷却、支持されている一方、室温にあるクライオスタット天板１ａを支持している。よって、この天板支持材５は、冷凍機１段熱負荷フランジ（冷凍機２段冷却ステージ）１ｃ（イ）より高温にある室温のクライオスタット天板１ａからの熱浸入を防止するために、できる限り熱伝導率の小さな材料を使用し、超伝導磁石２の温度上昇を抑えるようにしている。

クライオスタット天板１aは、クライオスタット天板支持材５が設計温度にまで冷却された時に平坦である様にするため、室温においては、クライオスタット天板支持材５に押され凸面となっている。クライオスタット天板１aがクライオスタット天板支持材５の熱収縮により変形する範囲は、クライオスタット天板１aが弾性的に振る舞える領域に限る。超伝導磁石２への熱侵入を、運転可能なレベルにまで低減するために、輻射シールド１ｂ、真空断熱層１ｄ、スーパーインシュレーション１ｅが設置される。超伝導磁石端面２ａと室温作業平面４の間隔が小さい程、室温作業平面４で得られる磁場の強度は高くなるが、輻射シールド１ｂ、スーパーインシュレーション１ｅ、クライオスタット天板支持材５は、超伝導磁石２や超伝導磁石巻枠２ｂと接触することがないように設置する。これらの設計態様は、図１に基づいて説明した実施例１と基本的に変わることはない。

近年、磁場を利用した技術開発は、活発化しており、利用分野も多岐にわたっている。とりわけ、磁場を利用した測定技術は、今や基本的な測定技術の一つとして定着し、重要となってきた。被測定物も多様化し、様々な形状や大きさのものを測定することが求められている。本発明は、このような要請に応えるものであり、今後、大いに利用され普及することが期待される。

本発明の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置の態様例１を示す図。 本発明の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置の態様例２を示す図。 本発明の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置の概念的に説明する図。 従来の室温作業平面を備えた超伝導磁石装置を示す図。

符号の説明

１．クライオスタット
１ａ．クライオスタット天板
１ｂ．輻射シールド、１ｃ．冷凍機
１ｃ（イ）冷凍機１段熱負荷フランジ（冷凍機１段冷却ステージ）
１ｃ（ロ）（冷凍機２段冷却ステージ）
１ｄ．断熱真空層
１ｅ．スーパーインシュレーション
２．超伝導磁石
２ａ．超伝導磁石端面
２ｂ．超伝導磁石巻枠
３．磁場を利用する空間
４．室温作業平面
５．クライオスタット天板支持材
６．クライオスタット天板外周支持構造
７．室温ボア

Claims (8)

1. 電流を通電することにより、磁場を室温作業平面に配置した被測定物に印加できる超伝導磁石と、この超伝導磁石を低温に保持し、格納するクライオスタットとを備えた超伝導磁石装置において、クライオスタットの開放側外側空間を室温で磁場を利用する空間とし、その外側空間の少なくとも一部クライオスタット外壁を測定に際して被測定物を設置する室温作業平面として利用することを特徴とした、超伝導磁石装置。
2. 前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁は、磁場と干渉しない材料によって構成され、被測定物により大きな超伝導磁石が発生する磁場を付与するために室温作業平面と超伝導磁石の距離を小さくするようにできる限り薄い板によって設計されていることを特徴とする、請求項１に記載する超伝導磁石装置。
3. 前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁は、面全体を作業面として確保するため面一に形成し、周囲および中央部は、その内側部分をクライオスタットの内外圧力差、運転前と運転時との温度差、載置物の重力、ならびに被測定物が磁性を示す場合は被測定物が磁場により超伝導磁石の方向に引き寄せられることにより生じる応力による変形を防ぐようにするため肉厚フランジ構造とすると共に、下部構造物によって当接、支持されていることを特徴とする、請求項１に記載する超伝導磁石装置。
4. 前記被測定物を設置する室温作業平面として使用されるクライオスタット外壁に対し、クライオスタット内部に格納される超伝導磁石は、該外壁から間隔をあけて設置され、該外壁と超伝導磁石との間は真空断熱構造とされていることを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１項に記載する超伝導磁石装置。
5. 前記間隔は１ミリメートル以上２０ミリメートル以下とした、請求項４に記載する超伝導磁石装置。
6. 前記クライオスタットに備えられた被測定物を設置する室温作業平面は、クライオスタットを任意の方向に向けることによって、任意の方向に向けることを可能とした、請求項１ないし５の何れか１項に記載する超伝導磁石装置。
7. 前記室温作業平面が、クライオスタット上部天板に設けられていることを特徴とする、請求項６に記載する超伝導磁石装置。
8. 前記室温作業平面が、二面以上設けられていることを特徴とする、請求項６に記載する超伝導磁石装置。