JP2013143478A - Superconducting magnet device and current lead used in the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導マグネット装置及びこの装置に用いられる電流リードに関する。 The present invention relates to a superconducting magnet device and a current lead used in the device.
従来の超電導マグネット装置は、超電導コイルと、この超電導コイルを収容してこれを冷却するための冷却容器と、冷却容器の外部に設けられる電源と超電導コイルとを接続するための電流リードとを備える。冷却容器は、例えば、その内部に超電導コイルとこれを冷却するための液体ヘリウム等の冷媒とを収容することにより超電導コイルを冷却してその超電導状態を維持する。 A conventional superconducting magnet device includes a superconducting coil, a cooling container for accommodating and cooling the superconducting coil, and a current lead for connecting a power supply provided outside the cooling container and the superconducting coil. . For example, the cooling container accommodates a superconducting coil and a refrigerant such as liquid helium for cooling the inside thereof to cool the superconducting coil and maintain the superconducting state.
前記電流リードについては、当該電流リードを通じての冷却容器内への熱侵入が大きな課題となる。当該電流リードには、導電率の高い銅が多用されているが、この銅は高い熱伝導率を有していて外部からの熱侵入を許容し易いのに加え、銅自身の持つ電気抵抗による発熱が前記熱侵入の大きな要因となる。この熱侵入は、冷媒(液体ヘリウム等)の消費量の増大等を生じさせる。特に、超電導コイルが電流リードと切り離された状態で当該超電導コイルに永久電流が流れる永久電流モードではなく、超電導コイルと外部電源とが電流リードにより接続されたままの駆動モードで運転が行われる超電導マグネット装置、例えば、超電導コイルが酸化物系超電導線材により構成されていて永久電流スイッチの使用が困難な装置、では、当該電流リードを通じての熱侵入の抑制が望まれる。 As for the current lead, heat penetration into the cooling container through the current lead becomes a big problem. Copper with high conductivity is often used for the current lead, but this copper has high thermal conductivity and easily allows heat intrusion from the outside, and also due to the electrical resistance of the copper itself. Heat generation is a major factor in the heat penetration. This heat intrusion causes an increase in consumption of the refrigerant (liquid helium or the like). In particular, the superconducting coil is operated in the driving mode in which the superconducting coil and the external power source are connected to each other by the current lead instead of the permanent current mode in which the superconducting coil is disconnected from the current lead. In a magnet device, for example, a device in which a superconducting coil is made of an oxide-based superconducting wire and it is difficult to use a permanent current switch, it is desired to suppress heat penetration through the current lead.
従来、前記のような電流リードを通じての熱侵入を抑制する超電導マグネット装置としては、例えば、特許文献1に記載されるものが知られている。この超電導マグネット装置は、電流リードに接続される冷凍装置を備え、この冷凍装置によって電流リードを冷却することにより当該電流リードを通じた熱侵入を抑制している。 Conventionally, as a superconducting magnet device that suppresses heat intrusion through the current lead as described above, for example, a device described in Patent Document 1 is known. The superconducting magnet device includes a refrigeration device connected to a current lead, and the current lead is cooled by the refrigeration device, thereby suppressing heat penetration through the current lead.
上記の超電導マグネット装置において冷凍装置が駆動すると、当該冷凍装置において振動が発生する。この振動は、冷凍装置が接続されている電流リードを通じて超電導コイルに伝達されると、当該コイルを備えた超電導マグネット装置の形成する磁場に影響を与える。このため、当該超電導マグネット装置が他の装置(例えば、磁場を利用した分析装置等)において磁場を形成する手段として用いられた場合に、前記振動は、当該他の装置での分析結果や計測結果等の精度を低下させる等の問題を生じさせることがある。 When the refrigeration apparatus is driven in the superconducting magnet apparatus, vibration is generated in the refrigeration apparatus. When this vibration is transmitted to the superconducting coil through the current lead to which the refrigeration apparatus is connected, the vibration affects the magnetic field formed by the superconducting magnet device provided with the coil. For this reason, when the superconducting magnet device is used as a means for forming a magnetic field in another device (for example, an analysis device using a magnetic field), the vibration is an analysis result or a measurement result in the other device. In some cases, this may cause problems such as a decrease in accuracy.
そこで、上記問題点に鑑み、電流リードを冷却するための冷凍装置を備えた超電導マグネット装置であって冷凍装置において発生する振動が超電導コイルに伝わり難い超電導マグネット装置及びこの装置に用いられる電流リードを提供することを目的とする。 Accordingly, in view of the above problems, a superconducting magnet apparatus having a refrigeration apparatus for cooling the current leads, in which vibration generated in the refrigeration apparatus is difficult to be transmitted to the superconducting coil, and a current lead used in the apparatus is provided. The purpose is to provide.
上記課題を解消すべく、本発明は、超電導マグネット装置であって、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容してこれを冷却するための冷却容器と、前記冷却容器との間に真空断熱層が形成されるように当該冷却容器をその内部に収容する保温容器と、前記冷却容器から離れた位置に配置される冷凍装置と、前記超電導コイルと前記保温容器の外部の電源とを接続するための電流リードと、を備える。そして、前記電流リードは、前記保温容器内に配置され且つ導電性を有する金属からなる可撓導体部を有し、この可撓導体部は、前記冷却容器から前記冷凍装置に向かって延び、前記冷却容器側の端部であって前記超電導コイルが接続される低温端と前記冷凍装置側の端部であって前記冷凍装置が接続されて冷却されると共に前記電源が接続される高温端とを有し、且つ、前記冷凍装置で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法を有する。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a superconducting magnet device, comprising a superconducting coil, a cooling container for accommodating and cooling the superconducting coil, and a vacuum heat insulating layer between the cooling container. A heat insulating container for accommodating the cooling container therein, a refrigeration apparatus disposed at a position away from the cooling container, and the superconducting coil and a power supply external to the heat insulating container. A current lead. The current lead has a flexible conductor portion made of a conductive metal disposed in the heat insulation container, and the flexible conductor portion extends from the cooling container toward the refrigeration apparatus, and A low temperature end to which the superconducting coil is connected, and a high temperature end to which the refrigerating apparatus is connected and cooled while being connected with the power supply And has a length that can be bent and deformed so as to absorb vibration generated in the refrigeration apparatus.
本発明によれば、冷凍装置によって電流リードを冷却することにより当該電流リードを通じた外部からの熱侵入を抑えながら、特定の方向に延びる可撓導体部が冷凍装置で生じた振動を吸収することによりこの冷凍装置が発する振動が電流リードを通じて超電導コイルに伝わるのを効果的に抑えることができる。 According to the present invention, the flexible conductor portion extending in a specific direction absorbs the vibration generated in the refrigeration apparatus while suppressing the heat intrusion from the outside through the current lead by cooling the current lead by the refrigeration apparatus. Therefore, it is possible to effectively suppress the vibration generated by the refrigeration apparatus from being transmitted to the superconducting coil through the current lead.
具体的に、この超電導マグネット装置では、冷凍装置によって可撓導体部の高温端を冷却することにより、常温である保温容器外部の空間に近い位置の高温端と極低温の冷却容器に近い位置の低温端との間の可撓導体部における熱勾配を抑え、これにより高温端から電流リードに熱が侵入することを効果的に抑制することができる。即ち、外部電源と電流リードとを接続する電線等は常温雰囲気中に配置されて保温容器内よりも温度が高いが、冷凍装置によって電流リード(可撓導体部)の前記温度勾配を小さくすることにより、前記電線等の熱が当該電線等の接続される高温端を通じて電流リード内に侵入するのを効果的に防ぐことができる。しかも、電流リードが冷却されることにより、電流リード自身の電気抵抗によって発生する熱も好適に抑えられる。さらに、金属からなる可撓導体部が所定の長さを有することにより、高温端に接続された冷凍装置からの振動が当該可撓導体部自身の撓み等によって吸収することができ、これにより、前記振動が低温端まで到達し難くなる。その結果、低温端に接続された超電導コイルへの電流リードを介した前記振動の伝達が抑制される。 Specifically, in this superconducting magnet device, the high temperature end of the flexible conductor portion is cooled by the refrigeration device, so that the high temperature end near the space outside the heat insulation container at room temperature and the position near the cryogenic cooling container are located. It is possible to suppress the thermal gradient in the flexible conductor portion between the low temperature end and effectively prevent heat from entering the current lead from the high temperature end. That is, the electric wire or the like connecting the external power source and the current lead is arranged in a normal temperature atmosphere and has a higher temperature than in the heat insulation container, but the temperature gradient of the current lead (flexible conductor) is reduced by a refrigeration apparatus. Thus, it is possible to effectively prevent the heat of the electric wire or the like from entering the current lead through the high temperature end to which the electric wire or the like is connected. In addition, since the current lead is cooled, heat generated by the electric resistance of the current lead itself can be suitably suppressed. Furthermore, since the flexible conductor portion made of metal has a predetermined length, vibrations from the refrigeration apparatus connected to the high temperature end can be absorbed by the bending of the flexible conductor portion itself, The vibration is difficult to reach the low temperature end. As a result, the transmission of the vibration via the current lead to the superconducting coil connected to the low temperature end is suppressed.
例えば、当該超電導マグネット装置がNMR装置に用いられる場合、具体的に、前記可撓導体部は、前記NMR装置において解析を行ったときに検出される解析対象物質に対応するメインピーク信号と、このメインピーク信号の片側又は両側に現れるサイドバンドのピーク信号と、の高さの比が0.10未満となるような長さ寸法を有する。 For example, when the superconducting magnet apparatus is used in an NMR apparatus, specifically, the flexible conductor portion includes a main peak signal corresponding to an analysis target substance detected when an analysis is performed in the NMR apparatus, and this It has a length dimension such that the height ratio of the peak signal of the sideband appearing on one side or both sides of the main peak signal is less than 0.10.
本発明に係る超電導マグネット装置においては、前記保温容器は、前記冷却容器を収容する容器本体と、前記容器本体から前記冷凍装置に向かう方向に延びてその内部が前記容器本体内と連通する管状部と、を有し、前記可撓導体部は、その長手方向が前記管状部の延びる方向に沿った姿勢で当該管状部内に配置されることが好ましい。 In the superconducting magnet apparatus according to the present invention, the heat retaining container includes a container main body that accommodates the cooling container, and a tubular portion that extends in a direction from the container main body toward the refrigeration apparatus and communicates with the inside of the container main body. The flexible conductor portion is preferably disposed in the tubular portion in a posture in which the longitudinal direction is along the direction in which the tubular portion extends.
このように、保温容器が容器本体と管状部とによって構成されることにより、当該保温容器を、その内部に収容する冷却容器とこの冷却容器の側から冷凍装置に向けて延びる可撓導体部との形状に即した形状とすることが可能となり、真空断熱状態の保温容器内に可撓導体部を収容して当該可撓導体部の断熱と霜の付着の回避とを達成しつつ保温容器の大型化を防ぐことが可能となる。 As described above, the heat insulating container is constituted by the container main body and the tubular portion, so that the heat insulating container is accommodated therein, and the flexible conductor portion extending from the cooling container side toward the refrigeration apparatus. It is possible to make the shape conforming to the shape of the heat insulating container, and the flexible conductor portion is accommodated in the heat insulating container in a vacuum heat insulating state to achieve heat insulation of the flexible conductor portion and avoidance of frost adhesion. An increase in size can be prevented.
前記管状部は、前記容器本体から延びてその内部が前記容器本体内と連通し、且つ、前記高温端が先端面から突出するように前記可撓導体部をその内部に収容する管状部本体と、この管状部本体から突出した前記高温端とこれに接続される前記冷凍装置との周囲を前記先端面と共に気密状態で囲うカバー部と、を備え、前記カバー部は、前記管状部本体に着脱可能に取り付けられることが好ましい。 The tubular portion extends from the container body, communicates with the interior of the container body, and accommodates the flexible conductor portion therein so that the high temperature end protrudes from the distal end surface. A cover portion that surrounds the periphery of the high-temperature end protruding from the tubular portion main body and the refrigeration apparatus connected to the high-temperature end together with the tip end surface in an airtight state, and the cover portion is attached to and detached from the tubular portion main body It is preferable to be able to attach.
かかる構成によれば、カバー部を取り外すことができるため、冷凍装置のメンテナンス作業が容易になる。 According to such a configuration, since the cover portion can be removed, maintenance work of the refrigeration apparatus is facilitated.
この超電導マグネット装置では、断熱及び霜の付着を避けるために保温容器内が真空状態(真空断熱状態)となっているが、容器本体及び管状部本体の内部空間と、先端面とカバー部とによって囲まれた空間とが独立した空間になっているため、カバー部を取り外すことにより容器本体内の真空断熱状態を維持したままで冷凍装置を外部に露出させることができる。このため、冷却容器を保温しつつ冷凍装置のメンテナンスを行うことが可能となる。 In this superconducting magnet device, the inside of the heat insulation container is in a vacuum state (vacuum heat insulation state) in order to avoid heat insulation and adhesion of frost, but by the internal space of the container body and the tubular part body, the tip surface and the cover part. Since the enclosed space is an independent space, the refrigeration apparatus can be exposed to the outside while maintaining the vacuum insulation state in the container body by removing the cover. For this reason, it is possible to perform maintenance of the refrigeration apparatus while keeping the cooling container warm.
また、冷凍装置のメンテナンス後に冷凍装置の周囲を真空断熱状態にする作業時間の短縮を図ることができる。即ち、保温容器内の空間全体を真空断熱状態にする場合に比べ、当該超電導マグネット装置のようにカバー部と管状部本体の先端面とに囲まれた空間内だけを真空断熱状態にする場合の方が排気作業等の時間を短くすることができる。 In addition, it is possible to shorten the work time for placing the surroundings of the refrigeration apparatus in a vacuum insulation state after maintenance of the refrigeration apparatus. That is, compared to the case where the entire space in the heat insulation container is in a vacuum heat insulation state, only in the space surrounded by the cover portion and the distal end surface of the tubular portion main body is in a vacuum heat insulation state as in the superconducting magnet device. This can shorten the time for exhaust work and the like.
前記電流リード部は、所定の温度以下になることにより超電導状態となる酸化物系超電導材料からなる超電導導体部を有し、前記可撓導体部及び前記超電導導体部は、互いに並列に配置され、前記冷却容器から前記冷凍装置に向かって延び、且つ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されていることが好ましい。 The current lead portion has a superconducting conductor portion made of an oxide-based superconducting material that becomes a superconducting state when it becomes a predetermined temperature or less, and the flexible conductor portion and the superconducting conductor portion are arranged in parallel with each other, It extends from the cooling container toward the refrigeration apparatus, and is superposed on each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction, and joined so as to be electrically connected to each other at an arbitrary position within the superposed region. preferable.
かかる構成によれば、超電導導体部が冷凍装置と保温容器内の温度とによって冷却されて超電導状態となることにより、外部電源から電流リードを通じて超電導コイルに電流を供給する際の内部抵抗による発熱をより抑えることができ、その結果、電流リードを通じた熱侵入をより効果的に抑えることができる。しかも、超電導導体部の一部の領域の温度が上昇して常電導状態になっても当該領域と重ね合わされて導通可能な可撓導体部が低抵抗で電流が流れるのを許容する。従って、この電流リードは、超電導導体部の冷却状態にかかわらず、その冷却状態において最も抵抗の低い電流経路を提供することができる。 According to such a configuration, the superconducting conductor is cooled by the refrigeration apparatus and the temperature in the heat insulation container to be in a superconducting state, thereby generating heat due to the internal resistance when supplying current from the external power source to the superconducting coil through the current lead. As a result, heat penetration through the current lead can be more effectively suppressed. In addition, even when the temperature of a part of the superconducting conductor portion rises and becomes a normal conducting state, the flexible conductor portion that is superposed on the region and can be conducted allows the current to flow with low resistance. Therefore, this current lead can provide a current path with the lowest resistance in the cooling state regardless of the cooling state of the superconducting conductor portion.
また、上記課題を解消すべく、本発明は、超電導コイルと、前記超電導コイルを収容してこれを冷却するための冷却容器と、前記冷却容器との間に真空断熱層が形成されるように当該冷却容器をその内部に収容する保温容器と、前記冷却容器から離れた位置に配置される冷凍装置と、を備える超電導マグネット装置に用いられる電流リードであって、前記保温容器内に配置され且つ導電性を有する金属からなる可撓導体部を有し、この可撓導体部は、前記冷却容器から前記冷凍装置向かって延び、前記冷却容器側の端部であって前記超電導コイルが接続される低温端と前記冷凍装置側の端部であって前記冷凍装置が接続されて冷却されると共に前記電源が接続される高温端とを有し、且つ、前記冷凍装置で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法を有する。 Further, in order to solve the above problems, the present invention provides a vacuum heat insulating layer formed between the superconducting coil, a cooling container for accommodating and cooling the superconducting coil, and the cooling container. A current lead used in a superconducting magnet device comprising a heat retaining container that houses the cooling container therein and a refrigeration device disposed at a position away from the cooling container, the current lead being disposed in the heat retaining container and A flexible conductor made of conductive metal, the flexible conductor extending from the cooling container toward the refrigeration apparatus, and being connected to the superconducting coil at the end of the cooling container; It has a low temperature end and an end on the refrigeration apparatus side, and has a high temperature end to which the refrigeration apparatus is connected and cooled, and to which the power supply is connected, and so as to absorb vibration generated in the refrigeration apparatus Deflection change It has a length dimension as possible.
かかる電流リードが上記超電導マグネット装置に用いられることにより、冷凍装置によって当該電流リードが冷却されることによって当該電流リードを通じた外部からの熱侵入が抑えられ、且つ、特定の方向に延びる可撓導体部が冷凍装置で生じた振動を吸収することによりこの冷凍装置が発する振動が超電導コイルに伝わるのが効果的に抑えられる。 When such a current lead is used in the superconducting magnet device, the current lead is cooled by the refrigeration apparatus, thereby preventing heat from entering from the outside through the current lead and extending in a specific direction. When the part absorbs the vibration generated in the refrigeration device, the vibration generated by the refrigeration device is effectively suppressed from being transmitted to the superconducting coil.
例えば、当該電流リードが用いられる超電導マグネット装置がNMR装置に用いられる場合、具体的に、前記可撓導体部は、前記NMR装置において解析を行ったときに検出される解析対象物質に対応するメインピーク信号と、このメインピーク信号の片側又は両側に現れるサイドバンドのピーク信号と、の高さの比が0.10未満となるような長さ寸法を有する。 For example, when a superconducting magnet device in which the current lead is used is used in an NMR apparatus, specifically, the flexible conductor portion is a main corresponding to an analysis target substance detected when analysis is performed in the NMR apparatus. It has a length dimension such that the height ratio of the peak signal and the peak signal of the sideband appearing on one side or both sides of the main peak signal is less than 0.10.
以上より、本発明によれば、電流リードを冷却するための冷凍装置を備えた超電導マグネット装置であって冷凍装置において発生する振動が超電導コイルに伝わり難い超電導マグネット装置及びこの装置に用いられる電流リードを提供することができる。 As described above, according to the present invention, a superconducting magnet apparatus having a refrigeration apparatus for cooling a current lead, in which vibration generated in the refrigeration apparatus is difficult to be transmitted to the superconducting coil, and a current lead used in the apparatus. Can be provided.
以下、本発明の一実施形態について、図1〜図3を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態では、本発明に係る超電導マグネット装置の具体例としてNMR装置(核磁気共鳴装置)10を示すが、本発明に係る超電導マグネット装置の用途は限定されない。 In the present embodiment, an NMR apparatus (nuclear magnetic resonance apparatus) 10 is shown as a specific example of the superconducting magnet apparatus according to the present invention, but the use of the superconducting magnet apparatus according to the present invention is not limited.
NMR装置10は、図1に示されるように、超電導コイル12と、この超電導コイル12を収容してこれを冷却するための冷却槽(冷却容器)14と、この冷却槽14を囲う複数(本実施形態では2つ)の熱シールド16、18と、これらの各構成要素12、14、16、28をその内部に収容する真空槽(保温容器)20と、電流リード30と、この電流リード30を冷却する冷凍装置40と、を備える。
As shown in FIG. 1, the
超電導コイル12は、超電導線材が中空の筒状に巻回された所謂ソレノイド形状のコイルであり、この形状に応じて、冷却槽14、各熱シールド16、18、及び真空槽20も上下方向に延びる中央の試料空間11を取り巻く円筒形状に形成されている。
The
冷却槽14は、超電導コイル12及びこれを冷却する冷媒(例えば、液体ヘリウム等)13を収容し、超電導コイル12を冷却して超電導状態にする。具体的に、冷却槽14の内部には、超電導コイル12が配置されると共に、この超電導コイル12が浸漬されるに十分な量の冷媒(例えば、液体ヘリウム等)13が収容されている。
The
複数の熱シールド16、18は、冷却槽14の外側に配置される第1の熱シールド(例えば、40Kシールド)16と、第1の熱シールド16の外側に配置される第2の熱シールド(例えば、77Kシールド槽)18とである。これら各熱シールド16、18は、図略の冷凍装置等によって冷却され(例えば、第1の熱シールド16が40Kに冷却され、第2の熱シールド18が77Kに冷却され)、内部(冷却槽14側)への熱侵入を抑制する。
The plurality of
真空槽20は、冷却槽14との間に真空断熱層19が形成されるように冷却槽14をその内部に収容する。本実施形態の真空断熱層19は、真空槽20に接続された図略の真空ポンプによって真空槽20の内部が真空排気されることにより、第2の熱シールド18と真空槽20との間に形成される。また、真空断熱層19は、第1の熱シールド16と第2の熱シールド18との間、及び、冷却槽14と第1の熱シールド16との間にも形成される。この真空槽20は、冷却槽14及び各熱シールド16、18を収容する槽本体(容器本体)21と、槽本体21から冷凍装置40に向かって延びる管状部22と、を有する。槽本体21は、第2の熱シールド18等に応じた形状、即ち、上記の試料空間11を囲う円筒形状を有する。そして、槽本体21は、第2の熱シールド18から径方向に間隔をおいた位置で当該シールド18を周方向に囲うようにしながら液体窒素23を収容する液体窒素槽24を有する。即ち、槽本体21は、第2の熱シールド18を外側から囲う側壁(周壁)25に液体窒素槽24を有する。
The
管状部22は、槽本体21の天壁26から上方に向かって延び、その内部が槽本体21内と連通する。このため、管状部22内も真空断熱状態となる。具体的に、管状部22は、管状部本体27と、カバー部28とを有する。
The
管状部本体27は、槽本体21から延びてその内部が槽本体21内と連通している。この管状部本体27は、電流リード30の端部(ブスバー(可撓導体部)34の高温端34b)がその先端面27aから突出するように当該電流リード30をその内部に収容する。これにより、電流リード30が真空断熱層19内に位置することとなり、外部からの熱の侵入及び霜の付着を防ぐことができる。
The
カバー部28は、管状部本体27から突出した高温端34bと、これに接続される冷凍装置40と、の周囲を先端面27aと共に気密状態で囲う。このカバー部28は、管状部本体27に着脱可能に取り付けられる。カバー部28には図略の真空ポンプが接続され、カバー部28と先端面27aとにより囲まれた空間内は、槽本体21内とは独立して真空排気することができる。このように真空ポンプが接続されることによって高温端34b及び冷凍装置40の周囲を真空断熱状態にすることができ、これら高温端34b及び冷凍装置40への熱の侵入や霜の付着を防ぐことができる。
The
電流リード30は、図2にも示されるように、超電導コイル12と、真空槽20の外部の図略の電源(外部電源)とを接続する。本実施形態では、一対の電流リード30が配置され、前記外部電源によって超電導コイルに直流電流が供給される。各電流リード30は、第1の熱シールド16から冷凍装置40に向けて延びるリード本体32と、リード本体32と超電導コイル12とを接続するリード線33と、を有する。
As shown in FIG. 2, the
リード本体32は、ブスバー(可撓導体部)34と、このブスバー34と第1の熱シールド16との間に配置される熱絶縁部35と、を有する。
The lead
ブスバー34は、冷凍装置40が駆動することにより生じた振動を吸収することにより、電流リード30を通じて前記振動が超電導コイル12に伝わるのを抑制する。このブスバー34は、真空槽20内に配置され且つ導電性を有する金属からなる。本実施形態のブスバー34は、銅又は銅基合金により形成されている。具体的に、ブスバー34は、第1の熱シールド16の近傍から冷凍装置40に向かって延び、第1の熱シールド16側(冷却槽14側)の端部である低温端34a及び冷凍装置40側の端部である高温端34bを有する。即ち、本実施形態のブスバー34は、上下方向に延び、下端が低温端34a、上端が高温端34bを構成する。低温端34aには、熱絶縁部35とリード線33とを介して超電導コイル12が接続されている。一方、高温端34bには、冷凍装置40が接続されると共に前記外部電源が電流ケーブル(電線)50を介して接続されている。そして、このブスバー34は、冷凍装置40で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法を有する。詳しくは、ブスバー34は、当該NMR装置10において解析を行ったときに検出される図3に示されるような解析対象物質に対応するメインピーク信号S1とこのメインピーク信号S1の片側又は両側に現れるサイドバンドのピーク信号S2との高さの比S2/S1が0.10未満となるような長さ寸法を有する。例えば、本実施形態のブスバー34は、幅寸法(図2の左右方向の寸法)に対して厚み寸法(図2の紙面に垂直方向の寸法)が1/5となる矩形の断面形状を有し、幅寸法の50倍の長さ寸法(図2の上下方向の寸法)を有する。ここで、メインピーク信号S1とは、NMR装置10において解析対象物質のNMR信号を測定したときに解析対象物質に対応する周波数位置で得られるスペクトルのピーク(吸収線)である。また、サイドバンドのピーク信号S2とは、NMR装置10において解析対象物質のNMR信号を測定したときにメインピーク信号S1に近い周波数位置に現れるスペクトルのピークであり、NMR装置10において電流リード30を冷却するための冷凍装置40から超電導コイル12に伝わった振動に起因するノイズ成分である。このサイドバンドのピーク信号S2がメインピーク信号S1に対して大きいと、具体的には、メインピーク信号S1とサイドバンドのピーク信号S2との高さの比S2/S1が0.10以上であると、解析対象物質の分子構造の同定が困難となる。
The
尚、ブスバー34は、この形状(断面が矩形のテープ状)に限定されず、中実の円柱形状等であってもよい。即ち、ブスバー34は、冷凍装置40で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法(好ましくは、前記メインピーク信号S1とサイドバンドのピーク信号S2との高さの比が0.10未満となるような長さ寸法)を有していればよい。
The
このようなブスバー34は、その低温端34aに熱絶縁部35が接続されてこの熱絶縁部35が第1の熱シールド16に固定されることにより取り付けられる。これにより、ブスバー34は、その長手方向が管状部22の延びる方向に沿った姿勢となる。このとき、高温端34bが管状部本体27の先端面27aから突出した状態となっている。また、ブスバー34は、第2の熱シールド18の天壁18aを貫通している。
Such a
熱絶縁部35は、酸化物系超電導材料からなる超電導バルク36と、導電材料からなる電極37と、を有し、ブスバー34からの熱が冷却槽14側(本実施形態では第1の熱シールド16)に伝わるのを防ぐ。本実施形態の超電導バルク36は、Y系酸化物超電導材料からなり、幅が30mm、厚さが8mm、長さが70mmの各寸法を有する。この超電導バルク36は、銀を含むハンダによってコーティングされている。また、電極37は、銅からなり、幅が30mm、厚さが2mm、長さが30mmの各寸法を有する。この電極37も、銀を含むハンダによってコーティングされている。熱絶縁部35では、超電導バルク36の上端部及び下端部にそれぞれ電極37が接続されている。また、上端側の電極37には、ブスバー34の下端(低温端)34aが接続されている。
The
以上のように構成されるリード本体32は、その下端が窒化アルミニウム製の固定部材38によって第1の熱シールド16の天壁16aに固定される。尚、固定部材38は、窒化アルミニウムに限定されず、電気的な絶縁性を有すると共に高い熱伝導率を有する部材であればよい。
The lower end of the lead
熱絶縁部35は、固定部材38によって第1の熱シールド16に固定された状態では、第1の熱シールド16と第2の熱シールド18との間に位置する。本実施形態では、第1の熱シールド16が40Kシールドであり、第2の熱シールド18が77Kシールドであるため、その間に位置する熱絶縁部35の超電導バルク36は極低温になるまで冷却されて超電導状態となる。この状態では、熱絶縁部35は、ブスバー34から冷却槽14側への熱侵入を防ぐ一方、電流の通過を許容する。
The
冷凍装置40は、冷却槽14から離れた位置に配置され、電流リード30を冷却する。本実施形態の冷凍装置40は、パルスチューブ冷凍機であり、冷却槽14の上方に配置されている。この冷凍装置40は、サーマルアンカ42と絶縁部44とを介してリード本体32の上端(ブスバー34の高温端34b)に接続される。本実施形態のサーマルアンカ42は、銅平編線であり、一端が冷凍装置40の第一段冷却ステージに接続され、他端が絶縁部44を介して高温端34bに接続される。絶縁部44は、電気的な絶縁性を有すると共に高い熱伝導率を有する。本実施形態の絶縁部44は、窒化アルミニウムからなる。
The
本実施形態では、冷凍装置40が高温端34bを、例えば、82Kに冷却すると、リード本体32の熱絶縁部35の高温端(ブスバー34の低温端34aとの接続部位)が63Kになる。このとき、熱絶縁部35の低温端(冷却槽14側の端部)の温度は、41Kとなっている。
In the present embodiment, when the
以上のNMR装置10によれば、冷凍装置40によって電流リード30を冷却することにより電流リード30を通じた外部からの熱侵入を抑えながら、特定の方向に延びるブスバー34が冷凍装置40で生じた振動を吸収することによりこの冷凍装置40が発する振動が電流リード30を通じて超電導コイル12に伝わるのを効果的に抑えることができる。
According to the
具体的に、このNMR装置10では、冷凍装置40によってブスバー34の高温端34bを冷却することにより、常温である真空槽20外部の空間に近い位置の高温端34bと極低温の冷却槽14に近い位置の低温端34aとの間のブスバー34における熱勾配が抑えられる。これにより、高温端34bから電流リード30に熱が侵入することが効果的に抑制される。即ち、外部電源と電流リード30とを接続する電流ケーブル50等は常温雰囲気中に配置されて真空槽20内よりも温度が高いが、冷凍装置40によって電流リード30(ブスバー34)の前記温度勾配を小さくすることにより、前記電流ケーブル50等の熱が当該電流ケーブル50等の接続される高温端34bを通じて電流リード30内に侵入するのを効果的に防ぐことができる。しかも、電流リード30が冷却されることにより、電流リード30自身の電気抵抗によって発生する熱も好適に抑えられる。さらに、金属からなるブスバー34が所定の長さを有することにより、高温端34bに接続された冷凍装置40からの振動が当該ブスバー34自身の撓み等によって吸収することができ、これにより、前記振動が低温端34aまで到達し難くなる。その結果、低温端34aに接続された超電導コイル12への電流リード30を介した前記振動の伝達が抑制される。
Specifically, in the
また、本実施形態のNMR装置10のように、真空槽20が槽本体21と管状部22とによって構成されることにより、当該真空槽20を、冷却槽14とこの冷却槽14近傍から冷凍装置40に向けて延びる電流リード30(ブスバー34)との形状に即した形状とすることが可能となる。このため、当該NMR装置10では、真空断熱状態の真空槽20内にブスバー34を収容して当該ブスバー34の断熱と霜の付着の回避とを達成しつつ真空槽20の大型化を防ぐことが可能となる。
Further, as in the
また、管状部22が、管状部本体27と、この管状部本体27に着脱可能に取り付けられるカバー部28と、によって構成されることにより、冷凍装置40のメンテナンス作業が容易になる。
In addition, since the
詳しくは、このNMR装置10では、断熱及び霜の付着を避けるために真空槽20内が真空断熱状態となっているが、槽本体21及び管状部本体27の内部空間と、管状部本体27の先端面27aとカバー部28とによって囲まれた空間とが独立した空間になっている。このため、カバー部28を取り外すことにより槽本体21内の真空状態を維持したままで冷凍装置40を外部に露出させることができる。その結果、冷却槽14を保温しつつ冷凍装置40のメンテナンスを行うことが可能となる。
Specifically, in this
また、冷凍装置40のメンテナンス後に冷凍装置40の周囲を真空断熱状態にする作業時間の短縮を図ることができる。即ち、真空槽20内の空間全体を真空断熱状態にする場合に比べ、当該NMR装置10のようにカバー部28と管状部本体27の先端面27aとに囲まれた空間内だけを真空断熱状態にする場合の方が排気作業等の時間を短くすることができる。
In addition, it is possible to shorten the work time for bringing the surroundings of the
尚、本発明の超電導マグネット装置及びこの装置に用いられる電流リードは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The superconducting magnet device of the present invention and the current lead used in the device are not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、リード本体32において熱絶縁部35は必須ではなく、ブスバー34の低温端34aが熱シールド16、18や冷却槽14に固定されてもよい。
For example, the
また、上記実施形態のリード本体32では、冷凍装置40において生じた振動を吸収する部位は、ブスバー34のみで構成されているが、これに限定されない。例えば、図4に示されるように、前記振動を吸収する部位は、ブスバー34と超電導導体(超電導導体部)52とを備えてもよい。この超電導導体52は、酸化物系超電導材料からなる。この酸化物系超電導材料は、真空槽20内の温度及び冷凍装置40による冷却によって所定の温度(転移温度)以下に冷却されることにより超電導状態となり得るものである。例えば、90K以上の転移温度を有するBi系高温超電導材料やY系高温超電導材料が好適である。図4に示す例では、超電導導体52は、ブスバー34よりも薄肉のシート状をなし、ブスバー34に対してその厚み方向に重ね合わされる。具体的に、超電導導体52は、ブスバー34の全長に亘って当該ブスバー34と重ねられてハンダ付けにより固定されている。即ち、ブスバー34と超電導導体52とは、互いに並列に配置され、管状部22に沿って延び、且つ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている。
Moreover, in the lead
この構成によれば、超電導導体52が冷凍装置40と真空槽20内の温度とによって冷却されて転移温度以下になって超電導状態となることにより、外部電源から電流リード30を通じて超電導コイル12に電流を供給する際の電流リード30自身の内部抵抗による発熱を抑えることができる。その結果、前記振動吸収のためにブスバー34が長尺で内部抵抗の比較的高い材質とされているにもかかわらず、電流リード30を通じた熱侵入をより効果的に抑えることができる。しかも、超電導導体52の一部の領域の温度が上昇して常電導状態になっても当該常電導状態となった領域と重ね合わされて導通可能なブスバー34が低抵抗で電流が流れるのを許容する。従って、この電流リード30は、超電導導体52の冷却状態にかかわらず、その冷却状態において最も抵抗の低い電流経路を提供することができる。
According to this configuration, the
上記実施形態の超電導マグネット装置10は、試料空間11が上下に延びるように各構成要素(超電導コイル12、冷却槽14、各熱シールド16、18、及び真空槽20等)が構成されているが、試料空間が左右に延びるように前記各構成要素が構成されてもよい。
In the
また、上記実施形態の超電導マグネット装置10は、超電導コイル12を冷媒(本実施形態では液体ヘリウム)13によって冷却しているが、冷媒13を用いずに冷凍装置等によって冷却するように構成されてもよい。
The
ここで、上記実施形態のNMR装置(超電導マグネット装置)10において冷凍装置40で生じた振動が電流リード30を通じて超電導コイル12に伝達されているか否かを評価するために、上記実施形態のNMR装置10と、リード本体においてブスバーが設けられていないこと(即ち、電流ケーブル50と冷凍装置40とが熱絶縁部35に接続されている構成)以外は、上記実施形態のNMR装置10と同じ構成のNMR装置(第1比較用NMR装置)とにより、純粋サンプルの水素原子核のNMR信号を測定した。尚、本実施例1では、上記実施形態のNMR装置において、幅が10mm、厚さが2mm、長さが500mmのブスバー34が用いられた。
Here, in order to evaluate whether the vibration generated in the
外部電源から各NMR装置(上記実施形態のNMR装置10と第1比較用NMR装置と)に対して220Aの直流電流がそれぞれ供給され、これにより、各NMR装置において18.8Tの磁場(この磁場における水素の原子核の共鳴周波数は800MHzである。)がそれぞれ発生した。各NMR装置において磁場均一がそれぞれ調整され、純粋サンプルの水素原子核のNMR信号がそれぞれ測定された。
A 220 A direct current is supplied from an external power source to each NMR apparatus (the
上記実施形態のNMR装置10において検出されたNMR信号では、800MHzのメインピーク信号S1に対するサイドバンドのピーク信号S2の高さの比S1/S2は、0.082であった。このように、上記実施形態のNMR装置10では、前記高さの比S1/S2をサンプルの分子構造同定の障害となる0.10未満に抑えることができた。
In the NMR signal detected by the
一方、第1比較用NMR装置において検出されたNMR信号では、前記メインピーク信号S1とサイドバンドのピーク信号S2との高さの比S1/S2が0.34であり、サイドバンドのピーク信号S2が分子構造同定の障害となっている。 On the other hand, the detected NMR signal in NMR apparatus for the first comparison, the main peak signals S 1 and the side ratio of the height of the peak signal S 2 of the band S 1 / S 2 is 0.34, sideband peak signal S 2 of which is an obstacle of the molecular structure identification.
以上のように、冷凍装置40で発生した振動が超電導コイル12に伝わることによって生じるサイドバンドのピーク信号S2が上記実施形態のNMR装置10において好適に抑えられている。このことから、電流リード30が上記実施形態のブスバー(所定の長さ寸法を有する可撓導体部)34を備えることによって冷凍装置40の振動が超電導コイル12に伝わるのを効果的に抑制することができることが確認できた。
As described above, vibrations generated by the
また、ブスバーの長さが400mmである以外は、上記実施形態のNMR装置10と同じ構成のNMR装置(第2比較用NMR装置)により、純粋サンプルの水素原子核のNMR信号を測定した。
Moreover, the NMR signal of the hydrogen nucleus of a pure sample was measured with the NMR apparatus (2nd comparative NMR apparatus) of the same structure as the
上記実施例1と同様に、外部電源から第2比較用NMR装置に対して220Aの直流電流が供給され、第2比較用NMR装置において18.8Tの磁場(この磁場における水素の原子核の共鳴周波数は800MHzである。)が発生した。そして、磁場均一が調整されて、純粋サンプルの水素原子核のNMR信号が測定された。 As in Example 1 above, a 220 A direct current was supplied from an external power source to the second comparative NMR apparatus, and in the second comparative NMR apparatus, a 18.8 T magnetic field (resonance frequency of hydrogen nuclei in this magnetic field). Is 800 MHz). Then, the magnetic field uniformity was adjusted, and the NMR signal of the hydrogen nucleus of the pure sample was measured.
この第2比較用NMR装置において検出されたNMR信号では、800MHzのメインピーク信号S1に対するサイドバンドのピーク信号S2の高さの比S1/S2が0.15であり、サイドバンドのピーク信号S2が分子構造同定の障害となっている。 In the NMR signal detected by the second comparative NMR apparatus, the ratio S 1 / S 2 of the height of the sideband peak signal S 2 to the main peak signal S 1 of 800 MHz is 0.15, peak signal S 2 is an obstacle to molecular structure identification.
以上より、ブスバーの形状(断面形状)が同じであれば、ブスバーの長さ寸法を大きくすることにより、サイドバンドのピーク信号S2をより抑えることができることが確認できた。 As described above, if the shape of the bus bar (cross-section) is the same, by increasing the length of the bus bar, it was confirmed that it is possible to further suppress the peak signal S 2 of the side bands.
10 NMR装置(超電導マグネット装置)
12 超電導コイル
14 冷却槽(冷却容器)
19 真空断熱層
20 真空槽(保温容器)
21 槽本体(容器本体)
22 管状部
27 管状部本体
27a 先端面
28 カバー部
30 電流リード
34 ブスバー(可撓導体部)
34a 低温端
34b 高温端
40 冷凍装置
S1 メインピーク信号
S2 サイドバンドのピーク信号
10 NMR device (superconducting magnet device)
12
19
21 Tank body (container body)
22
34a
Claims (7)
超電導コイルと、
前記超電導コイルを収容してこれを冷却するための冷却容器と、
前記冷却容器との間に真空断熱層が形成されるように当該冷却容器をその内部に収容する保温容器と、
前記冷却容器から離れた位置に配置される冷凍装置と、
前記超電導コイルと前記保温容器の外部の電源とを接続するための電流リードと、を備え、
前記電流リードは、前記保温容器内に配置され且つ導電性を有する金属からなる可撓導体部を有し、この可撓導体部は、前記冷却容器から前記冷凍装置に向かって延び、前記冷却容器側の端部であって前記超電導コイルが接続される低温端と前記冷凍装置側の端部であって前記冷凍装置が接続されて冷却されると共に前記電源が接続される高温端とを有し、且つ、前記冷凍装置で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法を有する超電導マグネット装置。 A superconducting magnet device,
A superconducting coil;
A cooling vessel for accommodating the superconducting coil and cooling it;
A heat retaining container for accommodating the cooling container therein so that a vacuum heat insulating layer is formed between the cooling container, and
A refrigeration apparatus disposed at a position away from the cooling container;
A current lead for connecting the superconducting coil and a power supply outside the heat insulation container;
The current lead has a flexible conductor portion made of a conductive metal and disposed in the heat insulation container, and the flexible conductor portion extends from the cooling container toward the refrigeration apparatus, and the cooling container A low temperature end to which the superconducting coil is connected, and a high temperature end to which the refrigerating apparatus is connected and cooled while being connected to the power source. And the superconducting magnet apparatus which has a length dimension which can bend and deform | transform so that the vibration which arose in the said freezing apparatus may be absorbed.
当該超電導マグネット装置は、NMR装置に用いられるものであり、
前記可撓導体部は、前記NMR装置において解析を行ったときに検出される解析対象物質に対応するメインピーク信号と、このメインピーク信号の片側又は両側に現れるサイドバンドのピーク信号と、の高さの比が0.10未満となるような長さ寸法を有する超電導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to claim 1,
The superconducting magnet device is used for an NMR device,
The flexible conductor portion includes a main peak signal corresponding to a substance to be detected that is detected when analysis is performed in the NMR apparatus, and a sideband peak signal that appears on one side or both sides of the main peak signal. A superconducting magnet device having a length dimension such that the thickness ratio is less than 0.10.
前記保温容器は、前記冷却容器を収容する容器本体と、前記容器本体から前記冷凍装置に向かう方向に延びてその内部が前記容器本体内と連通する管状部と、を有し、
前記可撓導体部は、その長手方向が前記管状部の延びる方向に沿った姿勢で当該管状部内に配置される超電導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to claim 1 or 2,
The heat retaining container includes a container main body that houses the cooling container, and a tubular portion that extends in a direction from the container main body toward the refrigeration apparatus and communicates with the inside of the container main body.
The flexible conductor portion is a superconducting magnet device that is disposed in the tubular portion in a posture in which a longitudinal direction thereof extends along a direction in which the tubular portion extends.
前記管状部は、前記容器本体から延びてその内部が前記容器本体内と連通し、且つ、前記高温端が先端面から突出するように前記可撓導体部をその内部に収容する管状部本体と、この管状部本体から突出した前記高温端とこれに接続される前記冷凍装置との周囲を前記先端面と共に気密状態で囲うカバー部と、を備え、
前記カバー部は、前記管状部本体に着脱可能に取り付けられる超電導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to claim 3,
The tubular portion extends from the container body, communicates with the interior of the container body, and accommodates the flexible conductor portion therein so that the high temperature end protrudes from the distal end surface. A cover portion that surrounds the periphery of the high temperature end protruding from the tubular portion main body and the refrigeration apparatus connected thereto in an airtight state together with the tip end surface,
The cover part is a superconducting magnet device that is detachably attached to the tubular part body.
前記電流リード部は、所定の温度以下になることにより超電導状態となる酸化物系超電導材料からなる超電導導体部を有し、
前記可撓導体部及び前記超電導導体部は、互いに並列に配置され、前記冷却容器から前記冷凍装置に向かって延び、且つ、その長手方向と直交する方向に互いに重ね合わされていてその重ね合わせ領域内の任意の位置で互いに導通可能となるように接合されている超電導マグネット装置。 The superconducting magnet device according to any one of claims 1 to 4,
The current lead portion has a superconducting conductor portion made of an oxide-based superconducting material that becomes a superconducting state when it becomes a predetermined temperature or lower,
The flexible conductor portion and the superconducting conductor portion are arranged in parallel to each other, extend from the cooling container toward the refrigeration apparatus, and are overlapped with each other in a direction perpendicular to the longitudinal direction thereof. Superconducting magnet device joined so as to be able to conduct each other at any position.
前記保温容器内に配置され且つ導電性を有する金属からなる可撓導体部を有し、この可撓導体部は、前記冷却容器から前記冷凍装置向かって延び、前記冷却容器側の端部であって前記超電導コイルが接続される低温端と前記冷凍装置側の端部であって前記冷凍装置が接続されて冷却されると共に前記電源が接続される高温端とを有し、且つ、前記冷凍装置で生じた振動を吸収するように撓み変形できる長さ寸法を有する電流リード。 A superconducting coil, a cooling container for accommodating and cooling the superconducting coil, and a heat retaining container for accommodating the cooling container therein so that a vacuum heat insulating layer is formed between the cooling container, A current lead used in a superconducting magnet device comprising a refrigeration device disposed at a position away from the cooling container,
There is a flexible conductor portion made of a conductive metal disposed in the heat insulation container, and the flexible conductor portion extends from the cooling container toward the refrigeration apparatus and is an end portion on the cooling container side. A refrigeration apparatus having a low temperature end to which the superconducting coil is connected and an end on the refrigeration apparatus side that is connected to the refrigeration apparatus to be cooled and connected to the power supply. A current lead having a length that can be bent and deformed so as to absorb the vibration generated in step 1.
当該電流リードが用いられる超電導マグネット装置は、NMR装置に用いられるものであり、
前記可撓導体部は、前記NMR装置において解析を行ったときに検出される解析対象物質に対応するメインピーク信号と、このメインピーク信号の片側又は両側に現れるサイドバンドのピーク信号と、の高さの比が0.10未満となるような長さ寸法を有する電流リード。 The current lead according to claim 6,
The superconducting magnet device in which the current lead is used is used in an NMR device,
The flexible conductor portion includes a main peak signal corresponding to a substance to be detected that is detected when analysis is performed in the NMR apparatus, and a sideband peak signal that appears on one side or both sides of the main peak signal. A current lead having a length dimension such that the thickness ratio is less than 0.10.
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