JP2020008233A

JP2020008233A - 冷却装置、及びセンサ装置

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Publication number: JP2020008233A
Application number: JP2018130999A
Authority: JP
Inventors: 波頭　経裕; Tsunehiro Namigashira; 経裕波頭; 晃塚本; Akira Tsukamoto; 塚本　　晃; 田辺　圭一; Keiichi Tanabe; 圭一田辺
Original assignee: Superconductivity Sensing Technology Research Association; Fujitsu Ltd
Current assignee: Superconductivity Sensing Technology Research Association; Fujitsu Ltd
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: JP7131147B2

Abstract

【課題】ノイズの影響を抑制し、かつ長時間の冷却が可能な冷却装置とこれを用いたセンサ装置を提供する。【解決手段】超電導磁気センサを冷却する冷却装置は、開口を有する容器と、前記開口を封止する断熱材と、前記容器の外に配置される冷却ヘッドと、前記断熱材と前記容器の内壁の少なくとも一方を前記冷却ヘッドに熱的に接続する接続手段と、を有する。【選択図】図６

Description

本発明は、冷却装置と、これを用いたセンサ装置に関する。

地磁気観測、資源探査、生体磁気観測などに、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device：超電導量子干渉素子）を用いた高感度の磁気センサが使用されている。超電導体のうち、酸化物系の超電導体は液体窒素の沸点である７７Ｋの高温で使用できることから、高温超電導体のＳＱＵＩＤを用いたセンシング技術の開発が進められている。

ＳＱＵＩＤは、極低温下で適切な動作温度に冷却される。ＳＱＵＩＤは、一般的に冷媒に浸漬されて冷却される。高温超電導ＳＱＵＩＤの場合は、クライオスタット等の真空容器内で液体窒素に浸漬される。ニオブ系等の金属超電導体を用いたＳＱＵＩＤは、液体ヘリウムや液体水素に浸漬される。ＳＱＵＩＤではノイズの問題から冷凍機をＳＱＵＩＤの至近に設置することが難しく、冷凍機を用いる場合は冷媒を循環させて再液化する大型の装置に限られているのが現状である。

しかし超電導装置の種類によっては、低温環境を維持するために、容器に冷凍機が設けられている場合もある。液体冷媒は、被冷却物から熱を受け取ることによって、徐々に蒸発する。冷凍機により冷媒を極低温に保つとともに、蒸発した冷媒を再凝縮（または再液化）することで、冷媒の減少を抑制している。

寒剤が収納されたタンクと、前記寒剤を冷却する冷凍機と、前記タンクに配設されており、一端部が前記タンクの外部に延出すると共に他端部が前記タンクの内部で寒剤の液面に向けて延出し、前記タンクの外部の熱を前記タンクの内部に導く導熱部材と、を有する極低温冷却装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−１７３７５５号公報

ＳＱＵＩＤは、微弱な磁場を高感度で検出する素子であり、振動ノイズや磁気的なノイズの影響は極力排除したい。そのため、真空ガラスデュワ、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic：繊維強化プラスチック）などの容器内に液体窒素、液体ヘリウム等の冷却材を充填して、ＳＱＵＩＤを間接的に冷却する。

冷却材を用いる場合、熱交換による蒸発により、冷却材が徐々に減少する。システムの小型化と冷却材の保持時間はトレードオフの関係にあり、小型で長時間にわたって冷却環境を維持できる冷却容器は実現していない。たとえば、１リットルの液体窒素で１５０時間を超える冷却保持時間を保つことは難しい。

ノイズが問題にならない場合は、公知例のように、冷凍機と再液化用のヒータ機構を容器内に導入し得るが、微弱な磁場を高感度に検知する場合は、ノイズの影響が大きくなる構成は望ましくない。

本発明は、ノイズの影響を抑制し、かつ長時間の冷却が可能な冷却装置とこれを用いたセンサ装置の提供を目的とする。

一つの態様では、超電導磁気センサを冷却する冷却装置は、
開口を有する容器と、
前記開口を封止する断熱材と、
前記容器の外に配置される冷却ヘッドと、
前記断熱材と前記容器の内壁の少なくとも一方を前記冷却ヘッドに熱的に接続する接続手段と、
を有する。

ノイズの影響を抑制し、かつ長時間の冷却が可能になる。

一般的なＳＱＵＩＤ冷却装置の熱流入の経路を示す図である。熱流入計測用の容器の形状と諸元を示す図である。タイプＡの容器で、各流入経路の熱入流量を冷媒の減少量の関数としてプロットした図と、冷媒の残存量の変化（計算値と実測値）を示す図である。タイプＢの容器で、各流入経路の熱入流量を冷媒の減少量の関数としてプロットした図と、冷媒の残存量の変化（計算値と実測値）を示す図である。タイプＣの容器で、各流入経路の熱入流量を冷媒の減少量の関数としてプロットした図と、冷媒の残存量の変化（計算値と実測値）を示す図である。第１実施形態の冷却装置の概略図である。図６の冷却装置を用いたセンサ装置の概略図である。第２実施形態の冷却装置の概略図である。図８の冷却装置を用いたセンサ装置の概略図である。第３実施形態の冷却装置の概略図である。図１０の冷却装置を用いたセンサ装置の概略図である。

発明者らは、ＳＱＵＩＤのように発熱量の小さい被冷却物を冷却する場合、外部からの熱流入が冷媒の蒸発に大きく関与することをみいだした。ＳＱＵＩＤ自体の発熱量は数ナノワットであるが、外部からの熱流入は数ワットである。熱流入の経路自体を冷却または遮断することで、冷媒の蒸発を抑制して冷媒の保持時間を長くすることができるはずである。

図１は、一般的なＳＱＵＩＤ冷却装置の熱流入の経路を示す図である。容器１１の内部に液体窒素などの冷媒２１が収容されている。容器１１の上端の開口部は、断熱材１３で封止されている。断熱材１３を貫通するロッド１４が容器１１の内部に延びており、ロッド１４の先端にＳＱＵＩＤ２０が固定され、冷媒２１に浸漬されている。ＳＱＵＩＤ２０は、ロッド１４内に挿入された配線１６によって、外部の電子回路と接続されている。

容器１１は、たとえば、二重の真空ガラスデュワであり、内壁１１３と外壁１１１の間の空間１１５は真空となっている。二重壁の内側に、銀めっき等の輻射シールド１１２が施されている。

液体の冷媒２１は、容器１１の上端部まで充填されるが、時間の経過とともに蒸発して液面が低下する。容器１１の上端（あるいは断熱材１３の下端）から液面までの距離ｈが増大して、液面の位置が所定のレベル以下になると、冷媒２１は補充される。長期にわたる資源探査や地質調査の場合、冷媒２１の保持時間は長ければ長い方が望ましい。

容器１１への熱流入経路には、主として次の４つの要素がある。容器１１を介した熱流入（第１要素）、輻射シールド１１２を介した熱流入（第２要素）、蒸発した冷媒ガスを介した熱流入（第３要素）、及び断熱材１３からの輻射熱（第４要素）である。このような冷却容器への熱流入の経路と影響については、これまで検討されてこなかった。

容器１１に真空ガラスを用いる場合、ガラス容器を通した熱流入量をＱ_Ｇと表記する。輻射シールド１１２が銀（Ａｇ）コーティングである場合、Ａｇコーティングを介した熱流入量をＱ_Agと表記する。冷媒２１に液体窒素を用いる場合、容器１１内の窒素ガスを介した熱入流量をＱ_Ｎと表記する。断熱材１３からの輻射熱をＱ_Ｒと表記する。

後述するように、４つの流入経路からのトータルの熱流入量は、ＳＱＵＩＤ２０自体の発熱量と比較して格段に大きい。一方、熱流入路となりそうな配線１６は、リン青銅、電気抵抗用銅マンガン線等の熱伝導の小さい材料で形成され、かつガラスエポキシ等の熱流入の小さいロッド１４の中に挿入されている。このため、配線１６を介した熱流入は、Ａｇコーティングや窒素ガスを介した熱流入よりも小さい。ただし、ロッド１４から露出する部分の配線１６は、熱流入経路となり得る。

＜予備計測＞
予備計測として、容器の形状を変えて、各容器で熱流入を計算する。具体的には、各容器で、流入経路（要素）ごとの熱流入量と、トータルの熱流入量を計算する。

図２は、計測用の容器ＤＷの形状と諸元を示す図である。計測用の容器ＤＷとしてタイプＡ、タイプＢ、タイプＣの３通りの容器を準備する。いずれのタイプも、円筒形のパイレックス（登録商標）ガラスの真空二重構造のデュワである。容器の内径をφ、厚さをｔ、内部空間の高さをＨとする。冷媒２１の減少レベルをｈとする。

タイプＡは、内径φが１１５ｍｍ、厚さが３．０ｍｍ、内部空間の高さＨが２６５ｍｍである。この容器ＤＷの容量は、約２Ｌであり、アスペクト比（内径φに対する高さＨの比）は、約２．３である。

タイプＢは、内径φが７０ｍｍ、厚さが２．４ｍｍ、内部空間の高さＨが６００ｍｍである。この容器ＤＷの容量は、タイプＡと同じく約２Ｌであるが、タイプＡと比較して容器の厚さが薄くなり、かつアスペクト比が約８．５７と大きくなっている。

タイプＣは、内径φが４０ｍｍ、厚さが２．４ｍｍ、内部空間の高さＨが７００ｍｍである。この容器ＤＷの容量は約０．８Ｌである。容器は縦長で容量が少なく、アスペクト比は１７．５である。

これらの３通りの容器の各々について、上述した４つの流入経路の熱流入量とトータルの熱流入量を計算する。熱流入量は、冷媒２１の蒸発量、または液面の減少レベルｈから計算する。タイプＡ〜Ｃに共通して、冷媒２１として液体窒素を用いる。容器ＤＷの開口を封止する断熱材１３として、厚さ５０ｍｍのスタイロフォーム（登録商標）を用いる。また、すべてのタイプの容器ＤＷに、輻射シールド１１２として膜厚１μｍの銀めっきが施されている。

図３の（Ａ）は、タイプＡにおける各要素（流入経路）の熱入流量を、冷媒の液面低下量の関数としてプロットした図である。図３の（Ｂ）は、冷媒の残存量の計算値と実測値を時間の関数としてプロットした図である。カーブａはトータルの熱流入を示す。カーブｂはガラス容器からの熱流入、カーブｃはＡｇコーティングからの熱流入、カーブｄは窒素ガスからの熱流入、カーブｅは容器開口部の断熱材１３からの熱輻射である。

熱流入の最大の原因は、容器ＤＷのガラスを通した熱伝導であり、液体窒素の液面レベルが下がるにつれ、容器内部の窒素ガスの量が増えて、外部からの熱流入量（または液体窒素の蒸発量）が減少する。一方で、容器ＤＷの開口部の断熱材の表面温度が環境温度に近づき、熱輻射が大きくなる。

図３の（Ｂ）を参照すると、時間の経過にともなう液体窒素の残存量は、蒸発量から計算された計算値と実測値とでほぼ一致しており、図３の（Ａ）の計算結果が正しいことを裏付けている。

図４の（Ａ）は、タイプＢにおける各要素（流入経路）の熱入流量を冷媒の液面の低下量の関数としてプロットした図である。図４の（Ｂ）は、冷媒の残存量の計算値と実測値を時間の関数としてプロットした図である。タイプＢの容器は、容量はタイプＡと同等であるが、タイプＡと比較して容器ＤＷの厚さが薄く、縦に長い形状である。

カーブａはトータルの熱流入を示す。カーブｂはガラス容器からの熱流入、カーブｃはＡｇコーティングからの熱流入、カーブｄは窒素ガスからの熱流入、カーブｅは容器開口部の断熱材１３からの熱輻射である。

液体窒素の減少または窒素蒸気の増加にともなう熱流入量の変化の傾向はタイプＡと同じであるが、外部からの熱流入の量は、タイプＡの容器の半分以下になっている。容器を縦長にしたことで、開口部から容器底面近くの発熱源（ＳＱＵＩＤ）までの距離が長くなり、開口部からガラスを伝って発熱源の近傍に到達する熱量が小さくなるからと考えられる。また、容器ＤＷの厚さを薄くしたことで、ガラスに蓄積される単位面積当たりの熱量が小さくなる。

ここから、容量が同じ場合に、容器のアスペクト比を３以上、より好ましくは５以上、さらに好ましくは８以上にすることで、液体窒素の蒸発を効果的に防止できることがわかる。容器の強度と熱流入の抑制の双方を考慮すると、容器の厚さを１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ未満、より好ましくは、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にすることで、容器の強度を維持し、かつ熱流入を低減することができる。

図４の（Ｂ）でも、時間の経過にともなう液体窒素の残存量は、計算値と実測値でほぼ一致しており、図４の（Ａ）の計算結果が正しいことを裏付けている。

図５の（Ａ）は、タイプＣにおける各要素（流入経路）の熱入流量を冷媒の液面の低下量の関数としてプロットした図である。図５の（Ｂ）は冷媒の残存量の計算値と実測値を時間の関数としてプロットした図である。タイプＣの容器は、タイプＢと同じ厚さであるが、容量はタイプＢの半分以下で、アスペクト比がさらに大きくなっている。

液体窒素の減少または窒素蒸気の増大にともなう熱流入量の変化の傾向はタイプＡ、及びタイプＢと同じであるが、熱流入の量は、タイプＢよりもさらに小さくなっている。

図５（Ｂ）で、時間の経過にともなう液体窒素の残存量は、計算値と実測値でほぼ一致しており、図５（Ａ）の計算結果が正しいことを裏付けている。タイプＣの容器の容量はタイプＢの容器の容量の半分以下であるにもかかわらず、液体窒素の保持時間はタイプＢと同等である。容器の小型化と、冷媒の保持能力の双方が満たされている。

図３〜図５の結果は、容器１１の開口から延びる壁面と、開口の封止材の少なくとも一方の熱流路を冷却することで、冷媒の蒸発を抑制し得ることを示唆している。容器の壁面（たとえばガラス壁）を伝う熱流入と、断熱材１３からの輻射熱の少なくとも一方を防止すれば、冷媒の蒸発を抑制でき、冷媒の蒸気（たとえば窒素ガス）を介した熱流入も抑制できる。

図３〜図５の結果はまた、容器１１の形状と厚さを最適にすることで、熱流入を低減し得ることを示唆している。開口部からの熱伝導経路を長くするか、容器の厚さを薄くすることで、熱流入を低減することができる。

上述した予備計測の結果に基づき、実施形態では、容器１１の内壁と、開口部の断熱材の少なくとも一方を冷却して、冷媒の蒸発を防止する。この構成に替えて、またはこの構成と組み合わせて、容器本体のアスペクト比（径に対する高さの比）を３以上にしてもよい。あるいは、真空容器の厚さを１．０ｍｍ以上、３．０ｍｍ未満にしてもよい。

＜第１実施形態＞
図６は、第１実施形態の冷却装置１１０Ａの概略図である。冷却装置１１０Ａは、上端に開口１１６を有する容器１１Ａと、開口１１６を封止する断熱材１３Ａとを有し、容器１１Ａの内壁と、断熱材１３Ａの少なくとも一方を冷却する冷却機構が設けられている。

図６の例では、開口１１６の外側に冷却ヘッド３１が配置され、後述する熱伝導体を用いて、容器１１Ａの開口１１６の近傍の内壁と、断熱材１３Ａとが冷却される。冷却ヘッド３１は冷凍機３０に接続されている。冷凍機３０の能力としては、７７Ｋで５Ｗ以上の冷凍出力を有することが望ましい。

容器１１Ａは、たとえばタイプＡ（図２参照）の真空ガラスデュワである。このガラスデュワは二重構造の真空デュワであり、内壁１１３と外壁１１１の間の空間１１５は真空となっている。二重壁の内側に、銀めっき等の輻射シールド１１２が施されている。

冷却装置１１０Ａでは、熱流入をできるだけ遮断する観点から、開口１１６を封止する断熱材１３Ａに加えて、開口１１６の周囲を覆う断熱材１７も設けられている。冷却ヘッド３１は、開口１１６の外側で、断熱材１７で取り囲まれた空間に配置されている。容器１１Ａの上端部を断熱材１７で囲むことで、開口１１６の外側の温度を７７Ｋに近づけ、その状態を維持することができる。断熱材１３Ａと断熱材１７は、発泡プラスチック系、カーボン系、グラスウール、アルミナ（サファイア）、ジルコニア等、適切な断熱材料を用いることができる。この例では、この例では発泡ポリスチレンを用いている。

断熱材１３Ａの上面に冷却部材１８が設けられ、開口１１６の近傍の内壁に、冷却部材１９が配置されている。冷却部材１８と１９は、熱伝導性の高いＡｇめっき銅（またはＡｇめっき銅合金）で形成された冷却板、冷却シート、冷却体などである。冷却部材１８及び１９の基材は、純銅のほか、黄銅、リン青銅など、各種の銅合金で形成され得る。

断熱材用の冷却部材１８は、熱伝導リボン２３ａで冷却ヘッド３１に接続されている。容器内壁の冷却部材１９は、熱伝導リボン２３ｂで冷却ヘッド３１に接続されている。熱伝導リボン２３ａと２３ｂは、たとえばＡｇめっき銅リボンである。冷却部材１８及び１９と、熱伝導リボン２３ａ及び２３ｂにより、容器１１Ａは開口１１６の外側から冷却される。冷却部材１８と１９を、熱伝導リボン２３ａと２３ｂを用いて冷却ヘッド３１に熱的に接続することで、冷凍機３０の振動が冷却装置１１０Ａに直接伝わることを抑制している。

容器１１Ａの開口１１６とその近傍を冷却することで、図３の熱流入経路のうち、支配的な要因である容器壁（ガラス）による熱流入（カーブｂ）と、断熱材１３Ａからの熱輻射（カーブｅ）を抑制することができる。ガラスによる熱流入が抑制されると、容器１１Ａの真空ガラスデュワに形成されている輻射シールド１１２からの熱流入（カーブｃ）も抑制される。被冷却物の発熱量が小さい場合、外部からの熱流入の主要因を遮断することで、冷媒の蒸発量を低減することができる。その結果、冷媒の蒸気による熱流入（カーブｄ）も低減することができる。

冷却装置１１０Ａのもう一つの特徴として、冷却ヘッド３１は容器１１Ａの開口１１６の外側にあり、冷凍機３０は、開口１１６からさらに離れた位置に配置される。冷凍機３０の振動が容器１１Ａの内側に伝わりにくい構成になっており、ＳＱＵＩＤ等の高感度の磁気センサの冷却に適している。

図７は、第１実施形態の冷却装置１１０Ａを用いたセンサ装置１０Ａの概略図である。センサ装置１０Ａは、冷却装置１１０Ａと、冷却装置１１０Ａの内部に配置されるＳＱＵＩＤ２０を有する。容器１１Ａに冷媒２１が充填され、ＳＱＵＩＤ２０は冷媒２１に浸漬されて冷却される。

ＳＱＵＩＤ２０は、冷却対象であるセンサ素子の一例であり、その種類、構成を問わない。ＳＱＵＩＤ２０では、１個または２個のジョセフソン接合を有するＳＱＵＩＤループに、入力コイルとピックアップコイルが磁気的に接続されている。ピックアップコイルとＳＱＵＩＤコイルは同一平面に配置されていてもよいし、一つの基板上に積層されていてもよい。ＳＱＵＩＤループとピックアップコイルは必ずしも一体的に形成されている必要はなく、ＳＱＵＩＤループと別体で立体的にコイルを巻いたピックアップコイルを用いてもよい。

外来ノイズをキャンセルする観点からは、ピックアップコイルとして互いに逆相に巻かれた一対のコイルを用いるグラジオメータが望ましいが、単相のピックアップコイルを用いてもよい。ＳＱＵＩＤ２０は、複数のＳＱＵＩＤループを含むマルチＳＱＵＩＤチップであってもよい。

ＳＱＵＩＤ２０は、ロッド１４の下端部に固定されて冷媒２１に浸漬されている。ロッド１４はガラスエポキシ、サファイア等の熱伝導の小さい材料で形成されている。ＳＱＵＩＤ２０で検出された信号（電流）は、ロッド１４内を通る配線１６により外部の電子回路に供給される。

ＳＱＵＩＤ２０は、容器１１Ａの底面の近傍に配置されている。容器１１Ａの底面を被測定物に向けて測定する場合、ＳＱＵＩＤ２０を容器１１Ａの底面の近傍に配置するほうが磁場を検知しやすい。実施形態のセンサ装置１０Ａでは、外来熱による冷媒２１の蒸発が抑制されているので、気泡がＳＱＵＩＤ２０に衝突することによる振動ノイズはほとんど発生しない。ＳＱＵＩＤ２０からのわずかな発熱により微小な気泡が発生し得る場合でも、気泡はＳＱＵＩＤ２０の上方の液面に向かって上昇するので、ＳＱＵＩＤ２０のセンシング感度の劣化は抑制される。また、ＳＱＵＩＤと冷凍機の間に距離を置いた配置とすることで、冷凍機からＳＱＵＩＤへのノイズを抑制することができる。

図６と図７に示されるように、容器１１Ａの開口１１６の付近でロッド１４から引き出される配線１６を、冷却ヘッド３１で冷却してもよい。ロッド１４から露出する部分の配線１６は熱流入の経路になり得るからである。配線１６を冷却することで、外部からの熱の流入をさらに抑制することができる。

冷却ヘッド３１は、容器１１Ａの外部に配置されており、冷媒２１と冷却ヘッド３１は直接接触していない。加えて、冷凍機３０とロッド１４の先端のＳＱＵＩＤ２０の間の距離は十分に長く設定されている。冷凍機３０の振動が冷却装置１１０Ａの内部に伝わりにくい構成となっており、ノイズの影響を抑制することができる。

断熱材１３Ａに設けられる冷却部材１８と、容器内壁に設けられる冷却部材１９は、熱伝導リボン２３ａ、２３ｂによって冷却ヘッド３１に熱的に接続され、容器１１Ａの内部への熱流入の主要な経路が冷却されている。これにより、冷凍機３０からの直接的な振動の伝達を抑制し、かつ冷媒２１の保持時間を長くすることができる。

容器１１Ａの内径が１１４ｍｍ、厚さが３．０ｍｍの場合、図６の構成の冷却装置１１０Ａを用いることで、初期状態でのトータルの熱流入量は２Ｗ程度になる。アスペクト比が小さいタイプＡの容器１１Ａを用いつつ、容器１１Ａの開口１１６の断熱材１３Ａとガラス壁を通した熱流入の経路そのものを冷却することで、トータルの熱流入量を半分以下にすることができる。ＳＱＵＩＤ２０自体の発熱量は数ナノワットオーダーであるから、冷媒２１の蒸発が抑制され、長時間の冷却が可能になる。

容器１１ＢをタイプＣの容器にした場合、すなわちガラスデュワの内径を４０ｍｍ、内部空間の高さを７００ｍｍ、ガラスの厚さを２．４ｍｍにした場合、初期状態でのトータルの熱流入量は０．５Ｗにまで低減できる。この場合、冷媒２１はほとんど蒸発しないか、蒸発量はごくわずかである。冷媒２１の補充なしに、センサ装置１０Ａを長いスパンにわたって使用することができる。

タイプＣの容器を用いると、ＳＱＵＩＤ２０と冷凍機３０の位置がさらに離れ、ノイズの影響を軽減し、ＳＱＵＩＤ２０の近傍への熱の伝達を抑制することができる。タイプＣに替えて、タイプＢの容器を用いてもよい。タイプＢの容器もタイプＡの容器と比較して熱流入の防止効果と、振動の影響の抑制効果が高い。もっとも、図６及び図７の構成を採用することで、いずれのタイプの容器を用いてもノイズの影響が軽減され、かつ長時間にわたって冷却状態を保つことができる。

上述した例では、冷却部材１８、１９、及び熱伝導リボン２３ａ、２３ｂとして、Ａｇめっき銅またはＡｇめっき銅合金を用いたが、導電性に異方性を有する高熱伝導性のグラファイトシートを用いてもよい。

特に、地下探査のＴＥＭ（Transient Electro-Magnetic：時間領域電磁探査）法などのようにアクティブに磁場が印加される場合は、導電性が異方性のグラファイトシートを用いることが望ましい。熱的な接続手段として導電性異方性の材料を用いることで、システム内に測定を妨げる誘導電流が発生することを防止できる。

断熱材１３側の冷却部材１８と容器内壁の冷却部材１９は、一体的に形成されていてもよい。また、熱的な接続手段として、熱伝導リボン２３ａ、２３ｂに替えて、冷却部材１８と冷却部材１９の少なくとも一方から冷却ヘッド３１に向かって延びる１以上の熱伝導性のリブを設けてもよい。

容器１１Ａの材料としては、耐熱ガラスのほか、ガラスエポキシ、ＦＲＰなども有用である。冷凍機３０は、スターリング冷凍機、ＧＭ（Gifford-McMahon：ギフォード・マクマホン）冷凍機、パルスチューブ冷凍機など、その種類を問わない。

＜第２実施形態＞
図８は、第２実施形態の冷却装置１１０Ｂの概略図である。冷却装置１１０Ｂは、第１実施形態の構成を基本としており、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

第１実施形態と異なる点は、容器１１Ｂの開口１１６を封止する断熱材１３Ｂに、真空断熱構造を採用している。この例では、内部が中空の断熱材１３Ｂを用いている。

断熱材１３Ｂは、容器１１Ｂの開口１１６の形状に合わせた円環状の本体１３１を有する。本体１３１の中央には、ロッド１４を通す穴１３４が形成されている。本体１３１の内部に空間１３３が形成され、空間１３３の内部は真空になっている。内部の空間の壁面に輻射シールド１３２が形成されている。

断熱材１３Ｂの本体１３１は、パイレックス（登録商標）ガラス、ガラスエポキシ、ＦＲＰ等、適切な断熱材料で形成されている。内部の輻射シールド１３２は、たとえばＡｇコーティングである。

第１実施形態と同様に、開口１１６を封止する断熱材１３Ｂの表面に冷却部材１８が設けられ、容器１１Ｂの内壁に冷却部材１９が設けられている。冷却部材１８と冷却部材１９は、グラファイト、Ａｇめっき銅等の熱伝導リボン２３ａ、２４ｂによって、それぞれ冷却ヘッド３１に熱的に接続されている。これにより、断熱材１３Ｂからの熱輻射と、容器１１Ｂの壁面を通る熱流入の経路が冷却され、かつ冷凍機からの直接的な振動の伝達を防止することができる。

断熱材１３Ｂに真空断熱構造を適用することで、断熱材１３Ｂからの輻射熱を効果的に低減することができる。輻射熱の低減により冷媒２１の蒸発を抑制し、冷媒蒸気（たとえば窒素ガス）を通した熱伝導も低減することができる。

容器１１Ｂとしては、タイプＡ〜タイプＣのいずれを用いてもよいが、図８の構成をタイプＢまたはタイプＣの容器形状と組み合わせることで、熱流入の防止効果をいっそう高めることができる。

図９は、第２実施形態の冷却装置１１０Ｂを用いたセンサ装置１０Ｂの概略図である。センサ装置１０Ｂは、冷却装置１１０Ｂと、冷却装置１１０Ｂの内部に配置されるＳＱＵＩＤ２０を有する。冷却装置１１０Ｂの容器１１Ｂに冷媒２１が充填され、ＳＱＵＩＤ２０は冷媒２１に浸漬されて冷却される。

第１実施形態と同様に、冷却ヘッド３１は容器１１Ａの開口１１６の外側にあり、冷凍機３０は、開口１１６からさらに離れた位置に配置される。冷凍機３０の振動が容器１１Ｂの内側に伝わりにくい構成になっており、ＳＱＵＩＤ２０を用いた高感度のセンサ装置が実現される。

冷却部材１８、１９と熱伝導リボン２３ａ、２３ｂに、導電性異方性の熱伝導材料が用いられる場合は、センサ装置１０ＢをＴＥＭ法等による地下探査に有用に用いることができる。測定を妨げる誘導電流の発生を抑制できることに加えて、冷媒２１の保持時間が非常に長いことから、センサ装置１０Ｂを長期間、地中に設置することができる。

＜第３実施形態＞
図１０は、第３実施形態の冷却装置１１０Ｃの概略図である。冷却装置１１０Ｃは第１実施形態の構成を基本としており、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。

第１実施形態と異なる点は、容器１１Ｃの開口１１６の近傍の内壁に、表面が波打った領域１１９が設けられている。表面を波打たせることで、環境温度から冷媒２１の表面までの熱伝導距離をかせぐことができる。

熱伝導距離を伸長する表面パターンとしては、波打ちパターンに限定されず、断面形状がミアンダパターン、のこぎり歯状のパターンなどを用いてもよい。容器１１Ｃの開口１１６から冷媒２１の表面までの熱伝達経路を長くすることで、冷媒２１への熱の流入を抑制する。

第１実施形態と同様に、開口１１６を封止する断熱材１３Ｂの表面に冷却部材１８が設けられ、冷却部材１８は熱伝導リボン２３ａによって冷却ヘッド３１に熱的に接続されている。これにより、断熱材１３Ｂからの熱輻射の経路が冷却され、かつ冷凍機からの直接的な振動の伝達を防止することができる。

第３実施形態では、熱伝導距離を伸長する領域１１９によって、１１Ｃ容器の壁面を通る熱の流入が抑制されている。そのため、図１０の例では容器１１Ｃの内壁に冷却部材は設けられていないが、第１実施形態、第２実施形態と同様に、容器１１Ｃの内壁の波打ちパターンの表面に、冷却用の薄膜を形成してもよい。冷却用の薄膜として、銅合金と銀の積層膜、グラファイト膜、その他の高熱伝導膜を、スプレー塗布等によって形成することができる。熱伝導リボン２３ｂを用いて、冷却用の薄膜を冷却ヘッド３１に熱的に接続してもよい。波打ちパターンによって、開口１１６の近傍での冷却面積を広くとることができるので、環境温度からの熱の流入を抑制することができる。

容器１１Ｃとして、タイプＡ〜タイプＣのいずれを用いてもよい。図１０の構成をタイプＢまたはタイプＣの容器形状と組み合わせることで、熱流入の防止効果をいっそう高めることができる。

図１１は、第３実施形態の冷却装置１１０Ｃを用いたセンサ装置１０Ｃの概略図である。センサ装置１０Ｃは、冷却装置１１０Ｃと、冷却装置１１０Ｃの内部に配置されるＳＱＵＩＤ２０を有する。冷却装置１１０Ｂの容器１１Ｂに冷媒２１が充填され、ＳＱＵＩＤ２０は冷媒２１に浸漬されて冷却される。

第１実施形態及び第２実施形態と同様に、冷却ヘッド３１は容器１１Ｃの開口１１６の外側にあり、冷凍機３０は開口１１６からさらに離れた位置に配置される。冷凍機３０の振動が容器１１Ｃの内側に伝わりにくい構成になっており、ＳＱＵＩＤ２０を用いた高感度のセンサ装置が実現される。

冷却部材１８と熱伝導リボン２３ａに、導電性が異方性の熱伝導材料を用いる場合は、センサ装置１０ＣをＴＥＭ法による地下探査に適用することができる。測定を妨げる誘導電流の発生を抑制できることに加えて、冷媒２１の保持時間が非常に長いことから、センサ装置１０Ｃを長期間、地中に設置することができる。

上述した第１実施形態から第３実施形態の構成は、適宜組み合わせ可能である。たとえば、第３実施形態の容器１１Ｃの熱伝導経路の伸長構成に、第２実施形態の真空断熱の構成を組み合わせてもよい。第３実施形態の容器１１Ｃの内壁の領域１１９に冷却膜を設けて熱的な接続手段（熱伝導リボンなど）によって容器１１Ｃの上端部を冷却ヘッド３１に接続してもよい。使用環境、使用目的等に応じて、タイプＡ〜タイプＣの適切な容器形状を選択することができる。

被冷却物は、高温超電導ＳＱＵＩＤに限定されず低温超電導のＳＱＵＩＤであってもよい。冷媒２１は被冷却物の動作温度に応じて選択され、液体窒素のほか、液体水素、液体ヘリウム等が用いられる。

実施形態のセンサ装置１０と信号処理装置を用いてセンサシステムを構築してもよい。ＳＱＵＩＤ２０は、たとえば配線１６によってＦＬＬ（Flux-Locked Loop）回路に接続されてもよい。ＦＬＬ回路はパーソナルコンピュータ等によって制御され、ＳＱＵＩＤを制御し駆動する。ＦＬＬ回路はＳＱＵＩＤ２０にバイアス電流をかけ、ＳＱＵＩＤ２０で検知された磁場の変化に対応した電圧信号を出力する。センサ装置１０を移動して複数の異なる位置での信号を取得することで、あるいは複数のセンサ装置１０から出力信号を収集することで、磁場の分布を高感度に得ることができる。

実施形態のセンサ装置１０は、橋梁の劣化診断、資源探査や生産モニタリング、地磁気観察、ＳＱＵＩＤ顕微鏡、生体磁気測定など、幅広い分野に適用可能である。実施形態のセンサ装置１０は長時間の連続運用が可能であり、センシング技術の向上に貢献することができる。

以上の説明に対して、以下の付記を呈示する。
（付記１）
超電導磁気センサを冷却する冷却装置であって、
開口を有する容器と、
前記開口を封止する断熱材と、
前記容器の外に配置される冷却ヘッドと、
前記断熱材と前記容器の内壁の少なくとも一方を前記冷却ヘッドに熱的に接続する接続手段と、
を有することを特徴とする冷却装置。
（付記２）
前記接続手段は、熱伝導性リボンであることを特徴とする付記１に記載の冷却装置。
（付記３）
前記熱伝導性リボンは、導電性に異方性を有するグラファイトシートであることを特徴とする付記２に記載の冷却装置。
（付記４）
前記断熱材は、真空断熱構造を有することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の冷却装置。
（付記５）
前記容器の前記内壁は、前記開口の近傍に熱伝導距離を伸長する領域を有することを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
（付記６）
前記容器の内部空間の高さの内径に対するアスペクト比は、３以上であることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
（付記７）
前記容器の前記アスペクト比は、５以上であることを特徴とする付記６に記載の冷却装置。
（付記８）
前記断熱材に設けられる第１の冷却部材と、
前記第１の冷却部材を前記冷却ヘッドに熱的に接続する第１の接続手段と、
を有することを特徴とする付記１に記載の冷却装置。
（付記９)
前記開口の近傍で前記容器の内壁に設けられる第２の冷却部材と、
前記第２の冷却部材を前記冷却ヘッドに熱的に接続する第２の接続手段と、
を有することを特徴とする付記１に記載の冷却装置。
（付記１０）
前記開口を取り囲む第２の断熱材、
をさらに有し、
前記冷却ヘッドは前記容器の外で、かつ前記第２の断熱材によって形成される空間の中に配置されていることを特徴とする付記１〜９のいずれかに記載の冷却装置。
（付記１１）
付記１〜１０のいずれかに記載の冷却装置と、
前記容器に充填される冷媒と、
前記容器の中で前記冷媒に浸漬される超電導磁気センサと、
を有することを特徴とするセンサ装置。
（付記１２）
前記冷却ヘッドは、前記超電導磁気センサを外部の電子回路に接続する配線を冷却することを特徴とする付記１１に記載のセンサ装置。
（付記１３）
前記超電導磁気センサは、前記容器の底面近傍に配置されていることを特徴とする付記１１または１２に記載のセンサ装置。
（付記１４）
前記冷媒は、液体窒素であることを特徴とする付記１１〜１３のいずれかに記載のセンサ装置。

１０、１０Ａ〜１０Ｃセンサ装置
１１、１１Ａ〜１１Ｃ容器
１３、１３Ａ〜１３Ｃ断熱材
１７断熱材
１８、１９冷却部材
２０ＳＱＵＩＤ（超電導磁気センサ素子）
２１冷媒
２３ａ、２３ｂ熱伝導リボン（接続手段）
１１０、１１０Ａ〜１１０Ｃ冷却装置
１１２輻射シールド
１１５空間
１１６開口

Claims

超電導磁気センサを冷却する冷却装置であって、
開口を有する容器と、
前記開口を封止する断熱材と、
前記容器の外に配置される冷却ヘッドと、
前記断熱材と前記容器の内壁の少なくとも一方を前記冷却ヘッドに熱的に接続する接続手段と、
を有することを特徴とする冷却装置。
前記接続手段は、熱伝導性リボンであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記熱伝導性リボンは、導電性に異方性を有するグラファイトシートであることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
前記断熱材は、真空断熱構造を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記容器の前記内壁は、前記開口の近傍に熱伝導距離を伸長する領域を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却装置。
前記容器の内部空間の高さの内径に対するアスペクト比は、３以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置と、
前記容器に充填される冷媒と、
前記容器の中で前記冷媒に浸漬される超電導磁気センサと、
を有することを特徴とするセンサ装置。
前記冷却ヘッドは、前記超電導磁気センサを外部の電子回路に接続する配線を冷却することを特徴とする請求項７に記載のセンサ装置。