JP2011128247A - 内部状態を観察可能な極低温機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部への熱侵入を抑えるとともに、観察・点検位置を自由に設定できる内部状態を観察可能な極低温機器を提供する。
【解決手段】 内部状態を観察可能な極低温機器において、撮像装置と、この撮像装置に接続されるイメージガイド光ファイバー２と、このイメージガイド光ファイバー２と前記撮像装置を接続するアダプタレンズ系２Ａと、前記イメージガイド光ファイバー２の先端に配置される対物レンズ系３とを備える撮像光学系と、照明用光源装置４と、この照明用光源装置４に接続されるライトガイド光ファイバー５と、このライトガイド光ファイバー５の先端に配置される光照射装置６とを有する照明光学系とを備え、前記撮像光学系と前記照明光学系とを極低温機器内に別個に配置し、前記対物レンズ系３と前記光照射装置６とを前記極低温機器内部の観察対象部７に対応させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内部状態を観察可能な極低温機器に係り、超電導磁石などの極低温機器の内部状態を観察可能としたものである。

極低温状態で各種の試験を行う極低温試験装置は、極低温機器内部の試験の状況を観察できることが求められている。また、超電導磁石をはじめとする極低温機器は、その運用を安定的に行うため、内部の状態を点検し異常の兆候を発見できる手段が必要である。しかし、これらの極低温機器は熱侵入を極力低減する必要があり、内部は断熱のため真空になっている。また、伝導伝熱や輻射熱を防止するため、支持構造材は熱伝導率の低い材料を使用し、さらに極低温部を熱シールド板やＭＬＩ（積層断熱材）等で覆った構成としている。このため、内部が真空・極低温という環境であることにより内部の状況を観察するためにＣＣＤカメラ等の撮像装置を設置した場合は、動作を保証することができず、実施が困難であった。また、内部を観察又は点検するための窓を設置するには、真空隔壁や熱シールド、ＭＬＩに開口部を設置する必要があり、熱侵入を増加させることになるので、観察する箇所・範囲を最小限にせざるを得なかったり、設置が不可能なことがあった。

さらに、内視鏡で内部を観察、点検する方法があり、例えば、熱侵入を抑えるため断熱材で覆った管を対象部直近まで設置し、この中に内視鏡を挿入して内部を観察する例（下記特許文献１参照）や、対象部直近を透視できる断熱直管を設置して内視鏡を挿入し内部を観察する例（下記特許文献２参照）がある。しかし、これらの例を設置した断熱管の先端付近のみが観察可能で、断熱管を設置可能な箇所も限定されるため観察可能箇所は非常に限られた範囲となっていた。

図４は従来の観察装置としての一般的な内視鏡の模式図であり、図４（ａ）はその内視鏡の全体構成図、図４（ｂ）は内視鏡挿入部の構成図である。
これらの図において、１００は撮像装置、１０１は照明用光源装置、１０２は照明用光源装置１０１に接続されるライトガイド光ファイバー、１０３はイメージガイド光ファイバー１０６と撮像装置１００を接続するアダプタレンズ系（通常アダプタレンズ系１０３は目視できる接眼レンズと撮像部での像倍率を決めるリレーレンズで構成されている）、１０４はライトガイド光ファイバー１０２を内視鏡挿入部１０５に接続する接続器、内視鏡挿入部１０５は、撮像装置１００に接続されるイメージガイド光ファイバー１０６を中心部に備えており、このイメージガイド光ファイバー１０６の周囲に又は平行してライトガイド光ファイバー１０７が配置され、このライトガイド光ファイバー１０７は照明用光源装置１０１の光を伝送するライトガイド光ファイバー１０２に接続され、内視鏡挿入部１０５の先端までその光を伝送する。内視鏡挿入部１０５の外周部は金属及び樹脂からなり内部の光学系を保護、補強するとともに遮光を行う保護管１０８によって構成されている。また、イメージガイド光ファイバー１０６の先端には対物レンズ系１０９が形成されている。１１０は内視鏡挿入部１０５の先端部に対向する観察対象部である。

このように、一般的な内視鏡は、対物レンズ系１０９に入射した観察対象部１１０の像をアダプタレンズ系１０３又は接眼レンズまで伝送するイメージガイド光ファイバー１０６と、照明用光源装置１０２の光を内視鏡挿入部１０５の先端まで伝送するライトガイド光ファイバー１０２及び１０７とで構成される光学系からなり、このうち対物レンズ系１０９とイメージガイド光ファイバー１０６とライトガイド光ファイバー１０７は内視鏡挿入部１０５として、これらを支持・保護する金属及び樹脂で構成された硬性又は軟性の保護管１０８の中に収納された構造をしている。

特開平１０−２１１４３５号公報 特開平５−３２７０３６号公報

前述のとおり、極低温機器内部を観察又は点検するには、内部へ撮像装置を設置することが考えられるが、動作の保証が非常に困難である。内部に点検又は観察用の窓を設置することは極低温機器内部への熱侵入が非常に大きく、また断熱管を設置してその中に内視鏡を挿入して内部を観察する方法もあるが、この方法も極低温機器内部への熱侵入を増加させてしまうので、極低温機器の冷却能力を向上させる必要が生じたり、冷却に必要なエネルギが増大したり、必要とされる内部温度に到達できなくなるという問題が生じる。

また、これらの方法は、内視鏡の数が限定されたり、内視鏡の先端が観察対象部１１０に近づけないなどの理由で、観察・点検できる範囲が限定される。
このため、極低温機器内部に直接内視鏡を挿入できる方法を考えた。
しかしながら、上記した保護管１０８は、熱伝導率が大きい金属などを使用しているため内部への熱侵入量が増大してしまう。さらに、極低温下では、装置構成部品の材料の熱伸縮率差や低温による接着剤の脆化によって破損しやすい。このため、内視鏡を直接極低温機器に挿入するには、極低温機器内部への熱侵入の低減と内視鏡部品の破損の防止が必要である。また、極低温機器のうち超電導磁石は内部に超電導電流が流れており、励消磁などの過渡的な状態の時や異常時などには電圧が発生するので、絶縁の考慮が必要になるが、こうした場合に金属製の保護管１０８は絶縁性に問題がある。

さらに、極低温機器内部は断熱のため真空となっているが、この真空を維持するため、保護管１０８と低温機器の圧力隔壁との間は密閉された構造でシールする必要があり、保護管１０８内部の内視鏡挿入部１０５の光学系と保護管１０８との間および内視鏡挿入部１０５の光学系構成部品であるイメージガイド光ファイバー１０６とライトガイド光ファイバー１０７の間もシールを行って、真空のリークが発生しないようにする必要がある。

本発明は、上記状況に鑑みて、内部への熱侵入を抑えるとともに、観察・点検位置を自由に設定できる内部状態を観察可能な極低温機器を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕内部状態を観察可能な極低温機器において、撮像装置と、この撮像装置に接続されるイメージガイド光ファイバーと、このイメージガイド光ファイバーと前記撮像装置を接続するアダプタレンズ系と、前記イメージガイド光ファイバーの先端に配置される対物レンズ系とを備える撮像光学系と、照明用光源装置と、この照明用光源装置に接続されるライトガイド光ファイバーと、このライトガイド光ファイバーの先端に配置される光照射装置とを有する照明光学系とを備え、前記撮像光学系と前記照明光学系とを極低温機器内に別個に配置し、前記対物レンズ系と前記光照射装置とを前記極低温機器内部の観察対象部に対応させることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記極低温機器内の複数の観察対象部に、前記対物レンズ系をそれぞれ備えた複数のイメージガイド光ファイバーと前記光照射装置をそれぞれ備えた複数のライトガイド光ファイバーとをそれぞれ対応させて配置し、前記複数のイメージガイド光ファイバーに共通に接続された１つの前記撮像装置と前記複数のライトガイド光ファイバーに共通に接続された１つの前記照明用光源装置とを、前記複数の観察対象部のうち観察すべき対象部に対応して配置された光ファイバーに切り換える光路切換器を備えることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記極低温機器が超電導磁石であることを特徴とする。
〔４〕上記〔３〕記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記超電導磁石の内部の観察対象部は、パワーリード冷却配管の溶接部および屈折部、冷媒配管の溶接部および屈曲部、荷重支持断熱材の取付部、ならびにパワーリードの接続部であることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）熱伝導率の高い金属および樹脂製の保護管を設置せず、光ファイバーの光学系のみの構成とすることで、接着箇所を減らすことができ、低温での接着剤の脆化による破損や、保護管の金属と光学系のガラスとの熱伸縮率差に起因する破損の可能性を低減させるとともに、金属製の保護管による熱伝導や電気抵抗を低減でき、熱侵入を減らし、絶縁性を確保することが可能となる。また、極低温機器内部は一般に遮光された空間であるため、外力による光ファイバ光学系の破損の可能性が低く、遮光の必要性も高くないためこのような構成が容易となる。さらに、内部へ光ファイバーを導入する部分にのみ極低温機器真空隔壁に小さな開口部を設けるだけでよいので、この部分をシール材によりシールすることにより、極低温機器内部の真空を維持することが容易となる。

（２）設置の制約が少なく自由度が高いので、輻射シールド板やＭＬＩなどに開口部や窓を設置することができない場合、他の目的で設置された開口部を利用するか、内部への影響が少ない箇所に開口部を設け、輻射シールド板やＭＬＩを迂回して内視鏡を設置することも可能となる。このような構成により極低温機器内部に侵入する熱をさらに低減させることが可能となる。

（３）従来に比べて部品の点数が少なくコストを低減できるので、熱侵入が少ないことと相まって複数の観察装置を容易に設置することができ、多数の箇所の観察が可能となり、観察・検査の制限も少なくなる。
（４）イメージガイド光ファイバーとライトガイド光ファイバーを別々に敷設できることから、イメージガイド光ファイバーとは独立にライトガイド光ファイバー先端を対象部直近まで配置することが可能になり、これにより観察対象部を明るく照射することができ、熱源となる照明光を最小限とするとともに観察対象部を鮮明に観察することが可能となる。

本発明の実施例を示す極低温機器の内部状態を観察する観察装置の模式図である。 本発明の実施例を示す内部状態を観察可能な超電導磁石装置を示す模式図である。 本発明の実施例を示す内部状態を観察可能とする超電導磁石装置の観察時の切り換え態様を示す図である。 従来の観察装置としての内視鏡の一般的な模式図である。

本発明の内部状態を観察可能な極低温機器は、撮像装置と、この撮像装置に接続されるイメージガイド光ファイバーと、このイメージガイド光ファイバーと前記撮像装置を接続するアダプタレンズ系と、前記イメージガイド光ファイバーの先端に配置される対物レンズ系とを備える撮像光学系と、照明用光源装置と、この照明用光源装置に接続されるライトガイド光ファイバーと、このライトガイド光ファイバーの先端に配置される光照射装置とを有する照明光学系とを備え、前記撮像光学系と前記照明光学系とを極低温機器内に別個に配置し、前記対物レンズ系と前記光照射装置とを前記極低温機器内部の観察対象部に対応させる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す極低温機器の内部状態を観察する観察装置の模式図である。
この図において、１はＣＣＤカメラ（撮像装置であればよい）、２はＣＣＤカメラ１に接続されるイメージガイド光ファイバー、２Ａはイメージガイド光ファイバー２とＣＣＤカメラ１を撮像するアダプタレンズ系、３はイメージガイド光ファイバー２の先端に配置される対物レンズ系、４は照明用光源装置、５は照明用光源装置４に接続されるライトガイド光ファイバー、６はライトガイド光ファイバー５の先端に配置される光照射装置（例えば、散光板）である。なお、この光照射装置はない場合もある。７はイメージガイド光ファイバー２の先端に配置される対物レンズ系３とライトガイド光ファイバー５の先端に配置される光照射装置６とに対向し、観察の対象となる観察対象部である。

このように、極低温に適用できる観察装置として、図４に示した従来の観察装置の保護管を省略した、イメージガイド光ファイバー２とライトガイド光ファイバー５の光学系のみからなる構造の内視鏡としている。これらの光ファイバーを有する光学系は、ＣＣＤカメラ１の光学系と照明用光源装置４の光学系とを別個に配置するようにしており、これらを極低温機器内部の必要箇所のみに固定するようにしている。

設置方法としては、イメージガイド光ファイバー２とライトガイド光ファイバー５とをそれぞれ個別に集約した束とし、極低温機器内の必要な箇所のみにそれぞれを離散的に固定する。このように構成することによって、保護管による支持・保護の必要性がなくなり、熱伝導率の大きい金属製の保護管による熱侵入を抑えることができるので、内視鏡自体による熱侵入を低減することが可能となる。また、ライトガイド光ファイバーとイメージガイド光ファイバーを全く別系統とすることにより、ライトガイド光ファイバーを観察対象部直近まで配置し効率的に照射することにより、熱源となる照明光を必要最小限として熱侵入を抑えるとともに観察対象部を鮮明に照射することが可能となる。

また、敷設経路の自由度が高いことから、輻射シールド板やＭＬＩの熱侵入の少ない箇所にのみ開口部を設置し、これらの開口部を経由して内視鏡を設置することにより、極低温機器自体に開口部を設置することよる熱侵入量の増加も最小限に抑えることが可能となる。さらに、イメージガイド光ファイバー２とライトガイド光ファイバー５は、束ねない構成も可能であり、薄型の断面とすることで断熱離隔を確保したり、既存の開口部の形状に合わせた断面形状とすることで熱侵入を抑制する構成をとることも可能である。

図２は本発明の実施例を示す内部状態を観察可能な超電導磁石装置を示す模式図である。
この図において、１１は超電導コイル、１２は荷重支持断熱材、１３はパワーリード（電流リード）、１４はパワーリード冷却配管、１５は冷媒（ヘリウム）配管、１６は冷媒（ヘリウム）配管のサービスポート、１７は内槽容器、１８は低温輻射シールド、１９は高温輻射シールド、２０は積層断熱材（ＭＬＩ）、２１は冷凍機である。

内視鏡による観察対象は、亀裂の発生や構造部材の破損など、目視での観察が必要となる部分であり、これらの発生頻度が高いと考えられるパワーリード冷却配管１４や冷媒配管１５の溶接部や屈曲部、および荷重支持断熱材１２の取付部、パワーリード１３の接続部などを観察できる構成とする。イメージガイド光ファイバー３１とライトガイド光ファイバー３２を、パワーリード冷却配管１４や冷媒配管１５の溶接部や屈曲部、および荷重支持断熱材１２の取付部、パワーリード１３の接続部などの箇所の直近まで敷設して、それぞれの光ファイバー３１，３２の先端がこれらの箇所を視認できる位置・角度となるよう配置する。

イメージガイド光ファイバー３１の外部端はＣＣＤカメラ３３に、ライトガイド光ファイバー３２の外部端は照明用光源装置３４に接続できるようにしておき、必要に応じてＣＣＤカメラ３３、照明用光源装置３４をイメージガイド光ファイバー３１、ライトガイド光ファイバー３２にそれぞれ接続して超電導磁石装置の内部を観察する。
図３は本発明の実施例を示す内部状態を観察可能な超電導磁石装置の観察時の切り換え態様を示す図である。

この図において、４１はＣＣＤカメラ（撮像装置であればよい）、４２は照明用光源装置、４３は光路切換器であり、ＣＣＤカメラ４１及び照明用光源装置４２を、各観察対象部に対して配置されたイメージガイド光ファイバー４４〜４７、ライトガイド光ファイバー４８〜５１へと切り換える。ここでは、観察対象部であるパワーリード冷却配管１４や冷媒（ヘリウム）配管１５の溶接部１４Ａ，１５Ａ、屈曲部１４Ｂ，１５Ｂ、荷重支持断熱材１２の取付部１２Ａ、パワーリード１３の接続部１３Ａに対して配置されたイメージガイド光ファイバー４４〜４７及びライトガイド光ファイバー４８〜５１に共通のＣＣＤカメラ４１及び照明用光源装置４２を用意し、光路切換器４３により、観察する箇所を切り換えることができる。

このように、これらの光ファイバー４４〜５１の外部端を、光学的に切り換え可能な光路切換器４３を介してＣＣＤカメラ４１及び照明用光源装置４２に接続することにより、必要箇所を観察することが可能である。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の内部状態を観察可能な極低温機器は、内部状態の観察・点検位置を自由に設定し、極低温機器を試験に使用する際、内部の試験対象部や共試体の観察を可能とするとともに、実運用に使用する際、内部の点検、状態監視を行うことにより、その安定的な運用に寄与することができる極低温機器として利用可能となる。

１，３３，４１ ＣＣＤカメラ
２，３１，４４〜４７ イメージガイド光ファイバー
２Ａ アダプタレンズ系
３ 対物レンズ系
４，３４，４２ 照明用光源装置
５，３２，４８〜５１ ライトガイド光ファイバー
６ 光照射装置
７ 観察対象部
１１ 超電導コイル
１２ 荷重支持断熱材
１２Ａ 荷重支持部材断熱材の取付部
１３ パワーリード（電流リード）
１３Ａ パワーリード（電流リード）の接続部
１４ パワーリード冷却配管
１４Ａ パワーリード冷却配管の溶接部
１４Ｂ パワーリード冷却配管の屈曲部
１５ 冷媒（ヘリウム）配管
１５Ａ 冷媒（ヘリウム）配管の溶接部
１５Ｂ 冷媒（ヘリウム）配管の屈曲部
１６ 冷媒（ヘリウム）配管のサービスポート
１７ 内槽容器
１８ 低温輻射シールド
１９ 高温輻射シールド
２０ 積層断熱材（ＭＬＩ）
２１ 冷凍機
４３ 光路切換器

Claims (4)

1. （ａ）撮像装置と、該撮像装置に接続されるイメージガイド光ファイバーと、該イメージガイド光ファイバーと前記撮像装置を接続するアダプタレンズ系と、前記イメージガイド光ファイバーの先端に配置される対物レンズ系とを備える撮像光学系と、
   （ｂ）照明用光源装置と、該照明用光源装置に接続されるライトガイド光ファイバーと、該ライトガイド光ファイバーの先端に配置される光照射装置とを有する照明光学系とを備え、
   （ｃ）前記撮像光学系と前記照明光学系とを極低温機器内に別個に配置し、前記対物レンズ系と前記光照射装置とを前記極低温機器内部の観察対象部に対応させることを特徴とする内部状態を観察可能な極低温機器。
2. 請求項１記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記極低温機器内の複数の観察対象部に、前記対物レンズ系をそれぞれ備えた複数のイメージガイド光ファイバーと前記光照射装置をそれぞれ備えた複数のライトガイド光ファイバーとをそれぞれ対応させて配置し、前記複数のイメージガイド光ファイバーに共通に接続された１つの前記撮像装置と前記複数のライトガイド光ファイバーに共通に接続された１つの前記照明用光源装置とを、前記複数の観察対象部のうち観察すべき対象部に対応して配置された光ファイバーに切り換える光路切換器を備えることを特徴とする内部状態を観察可能な極低温機器。
3. 請求項１記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記極低温機器が超電導磁石であることを特徴とする内部状態を観察可能とする極低温機器。
4. 請求項３記載の内部状態を観察可能な極低温機器において、前記超電導磁石の内部の観察対象部は、パワーリード冷却配管の溶接部および屈折部、冷媒配管の溶接部および屈曲部、荷重支持断熱材の取付部、ならびにパワーリードの接続部であることを特徴とする内部状態を観察可能な極低温機器。

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