JP2022110323A - 超伝導磁石装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】超伝導磁石装置10は、内側に中心空洞24を定める筒型クライオスタット20と、中心空洞24の外側で筒型クライオスタット20の内部に配置される第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40と、第1超伝導コイルセット30への第1励磁電流の大きさと第2超伝導コイルセット40への第2励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系50とを備える。第1超伝導コイルセット30は、第1励磁電流が供給されるときX軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させ、第2超伝導コイルセット40は、第2励磁電流が供給されるときX軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させる。【選択図】図1
Description
本発明は、超伝導磁石装置に関する。
超伝導磁石装置は、MCZ(Magnetic field applied Czochralski)法による単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用されている。超伝導磁石が発生させる強力な磁場によって、半導体材料の融液中の熱対流を抑制することができる。印加される磁場分布は、熱対流の抑制の程度に影響し、その結果、引き上げられる単結晶中の酸素濃度が変わる。望ましい酸素濃度は、最終的に製造される半導体装置の用途に応じて異なる。そこで、従来、二種類の異なる磁場分布を切り替えて発生させるべく、一部の超伝導コイルに流す電流方向を切り替えるようにした単結晶引き上げ装置が知られている。
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供することにある。
本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、内側に中心空洞を定める筒型クライオスタットと、中心空洞の外側で筒型クライオスタットの内部に配置される第1超伝導コイルセットおよび第2超伝導コイルセットと、第1超伝導コイルセットへの第1励磁電流の大きさと第2超伝導コイルセットへの第2励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系と、を備える。筒型クライオスタットの中心軸をZ軸、Z軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれX軸、Y軸とするとき、第1超伝導コイルセットは、第1励磁電流が供給されるとき、X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞に発生させ、第2超伝導コイルセットは、第2励磁電流が供給されるとき、X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞に発生させる。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図1は、実施の形態に係る超伝導磁石装置10の要部を模式的に示す断面図である。また、図2は、図1に示される超伝導磁石装置10に設けられる超伝導コイルの配置を模式的に示す斜視図である。
超伝導磁石装置10は、HMCZ(Horizontal-MCZ;横磁場型のMCZ)法による単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用することができる。単結晶引き上げ装置は、例えば、シリコン単結晶引き上げ装置である。
図1に示されるように、超伝導磁石装置10は、筒型クライオスタット20と、第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40と、電源系50とを備える。
筒型クライオスタット20は、筒型クライオスタット20を取りまく周囲環境22から隔離される内部空間を有し、この内部空間に第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセットが配置される。内部空間は、例えばドーナツ状または円筒状の形状を有する。筒型クライオスタット20は断熱真空容器であり、超伝導磁石装置10の動作中、筒型クライオスタット20の内部空間には第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境が提供される。筒型クライオスタット20は、周囲圧力(たとえば大気圧)に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。
筒型クライオスタット20は、内側に中心空洞24を定める。中心空洞24の外側で中心空洞24を囲むようにして、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40が配置される。超伝導磁石装置10が単結晶引き上げ装置に搭載されたとき、中心空洞24には、単結晶材料の融液を収容する坩堝が配置される。中心空洞24は、筒型クライオスタット20を取りまく周囲環境22の一部であり(すなわち筒型クライオスタット20の外にあり)、筒型クライオスタット20に囲まれた例えば円柱状の空間である。
以下では、説明の便宜上、筒型クライオスタット20の中心軸をZ軸、Z軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれX軸、Y軸とする直交座標系を考える。単結晶引き上げ装置の場合、結晶引き上げ軸がZ軸にあたり、結晶引き上げ軸に垂直な融液表面にX軸、Y軸を定義することができる。このとき、超伝導磁石装置10が融液表面の中心に発生させる磁場に平行な方向をX軸とし、これに垂直な方向をY軸とすることができる。図1にはXY面における超伝導磁石装置10の断面が示され、Z軸は紙面に垂直な方向に延びる。
詳細は後述するが、第1超伝導コイルセット30は、電源系50から第1励磁電流I1が供給されるとき、X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させる。第2超伝導コイルセット40は、電源系50から第2励磁電流I2が供給されるとき、X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させる。
電源系50は、第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40の電源として設けられ、筒型クライオスタット20の外に配置されている。電源系50は、第1超伝導コイルセット30への第1励磁電流I1の大きさと第2超伝導コイルセット40への第2励磁電流I2の大きさとを互いに独立に制御可能とするように構成されている。
図3(a)から図3(c)は、実施の形態に係る超伝導磁石装置10が発生させる磁場分布を模式的に示す図である。図3(a)には、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40がそれぞれ中心空洞24に発生させる磁場分布を代表して、各超伝導コイルの中心を通る磁力線が矢印で示されている。図3(b)には、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40のそれぞれについてX軸上での磁束密度が示され、図3(c)には、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40のそれぞれについてY軸上での磁束密度が示されている。図3(b)と図3(c)の横軸は、XYZ座標系の原点からの距離(単結晶引き上げ装置の場合、融液表面の中心からの距離)を示す。
図1、図2、図3(a)から図3(c)を参照して、第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40のコイル配置と発生する磁場分布を説明する。
超伝導磁石装置10には6つの超伝導コイルが設けられ、そのうち2つが第1超伝導コイルセット30を形成し、残りの4つが第2超伝導コイルセット40を形成する。図示されるように、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40の各超伝導コイルは、同じ形状および同じサイズを有し、この例では、同径の円形コイルである。よって、これら6つの超伝導コイルは、上面視で正六角形状に配置されている。
第1超伝導コイルセット30は、X軸上で中心空洞24を挟んで対向配置される一対の第1超伝導コイル30a、30bを備える。一対の第1超伝導コイル30a、30bはそれぞれ、コイル中心軸をX軸に一致させるように配置されている。一方の第1超伝導コイル(この例では30a)に供給される第1励磁電流I1の向きは、この超伝導コイルが径方向外向き磁場(コイルを通って中心空洞24から出る方向の磁場)を発生させるように決められている。他方の第1超伝導コイル(この例では30b)に供給される第1励磁電流I1の向きは、この超伝導コイルが径方向内向き磁場(コイルを通って中心空洞24に入る方向の磁場)を発生させるように決められている。よって、図3(a)に示されるように、第1超伝導コイル30a、30bの中心を通る磁力線は、X軸に沿って直線的に延びる。
第1超伝導コイルセット30が発生させる第1磁場は、第1超伝導コイル30a、30bの中心で最も強く、そこからX軸に沿って中心空洞24の中心に近づくにつれて(つまりコイル中心から離れるにつれて)弱くなる。よって、図3(b)に示されるように、第1超伝導コイルセット30が発生させる第1磁場は、X軸上では、下に凸となる。
また、図3(c)に示されるように、第1超伝導コイルセット30が発生させる第1磁場は、Y軸上では、上に凸となる。なぜなら、中心空洞24の中心からY軸に沿って外側に離れるとき、第1超伝導コイル30a、30bの中心からの距離は増加することになるので、第1超伝導コイルセット30が発生させる第1磁場は、中心空洞24の中心で最も強く、そこから外側に離れるにつれて弱くなるからである。
第2超伝導コイルセット40は、中心空洞24を挟んで対向配置され、Z軸周りに時計回り方向に一対の第1超伝導コイル30a、30bと隣接配置される一対の第2超伝導コイル40a、40bと、中心空洞24を挟んで対向配置され、Z軸周りに反時計回り方向に一対の第1超伝導コイル30a、30bと隣接配置されるもう一対の第2超伝導コイル40c、40dとを備える。この実施の形態では、図1に示されるように、一つ目の第2超伝導コイル40a、40bの対は、Z軸周りに時計回りにX軸から60度をなす線42にコイル中心軸を一致させるように配置され、二つ目の第2超伝導コイル40c、40dの対は、Z軸周りに反時計回りにX軸から60度をなす線44にコイル中心軸を一致させるように配置される。
径方向外向き磁場を発生させる一方の第1超伝導コイル(この例では30a)の両側に隣接する第2超伝導コイル(この例では40aと40d)に供給される第2励磁電流I2の向きは、これら2つの第2超伝導コイルも径方向外向き磁場を発生させるように決められている。径方向内向き磁場を発生させる他方の第1超伝導コイル(この例では30b)の両側に隣接する第2超伝導コイル(この例では40bと40c)に供給される第2励磁電流I2の向きは、これら2つの第2超伝導コイルも径方向内向き磁場を発生させるように決められている。そのため、図3(a)に示されるように、互いに隣接する2つの第2超伝導コイル(40aと40c、または、40bと40d)の中心を通る磁力線は、それら2つの第2超伝導コイルのうち一方を通って中心空洞24に入り、他方の第2超伝導コイルを通って中心空洞24から出るように湾曲している。
第2超伝導コイルセット40が発生させる第2磁場は、このコイル中心を通る湾曲した磁力線において最も強く、そこから離れるにつれて弱くなる。よって、第2磁場は、X軸上では、中心空洞24の中心で比較的強く、そこからX軸に沿って外側へと離れるにつれて弱くなる。すなわち、第2磁場は、図3(b)に示されるように、X軸上では、上に凸となる。また、第2磁場は、Y軸上では、中心空洞24の中心で比較的弱く、そこからY軸に沿って外側へと離れるにつれて強くなる。すなわち、第2磁場は、図3(c)に示されるように、Y軸上では、下に凸となる。
図4(a)および図4(b)は、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40が発生させる磁場を重ね合わせた磁場分布を例示するグラフである。図4(a)にはX軸上での磁束密度が示され、図4(b)にはY軸上での磁束密度が示される。これらはいずれも発明者による計算結果である。グラフの縦軸は、中心空洞24の中心での磁束密度を1として規格化した磁束密度を表し、横軸は、中心空洞24の中心からの距離を表す。
図4(a)と図4(b)には、第1超伝導コイルセット30への第1励磁電流I1と第2超伝導コイルセット40への第2励磁電流I2の比率を異ならせた3つのケースが示される。ケースAは、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を1:0とした場合、つまり第1超伝導コイルセット30のみに電流を流し、第2超伝導コイルセット40には電流を流さない場合である。この場合、第1超伝導コイルセット30のみが磁場を発生させるので、上述のように、X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布が得られる。ケースBは、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を0:1とした場合、つまり第1超伝導コイルセット30に電流を流さず、第2超伝導コイルセット40のみに電流を流す場合である。今度は、第2超伝導コイルセット40のみが磁場を発生させ、上述のように、X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布が得られる。
ケースCは、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を1:1とした場合、つまり第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40に同じ大きさの電流を流す場合である。ケースCでは、図4(a)と図4(b)に示されるように、ケースAとケースBを平均した凸形状をもつ磁場分布が得られる。同様にして、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2の比率を他の値に設定した場合には、その比率に応じてケースAとケースBの中間の凸形状をもつ磁場分布を得ることができると考えられる。
このように、第1励磁電流I1の大きさを変化させることにより第1超伝導コイルセット30が中心空洞24に発生させる磁場分布の凸形状を変化させることができ、第2励磁電流I2の大きさを変化させることにより第2超伝導コイルセット40が中心空洞24に発生させる磁場分布の凸形状を変化させることができる。
第1超伝導コイルセット30の磁場分布(X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布)は、酸素濃度が比較的高い単結晶を生成するのに適し、第2超伝導コイルセット40の磁場分布(X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布)は、酸素濃度が比較的低い単結晶を生成するのに適することが知られている。望ましい酸素濃度は、最終的に製造される半導体装置の用途に応じて異なる。例えば、CPUやメモリなどのいわゆる横型デバイスと、パワーデバイスなどの縦型デバイスでは、要求される酸素濃度が異なる。
実施の形態に係る超伝導磁石装置10によれば、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を互いに独立に制御することにより、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40がそれぞれ発生させる磁場の重ね合わせである中心空洞24の磁場分布の凸形状を制御することができる。
従来の装置では、単一の磁場分布のみを生成可能であるか、または二種類の磁場分布を切替可能であったにすぎず、結晶品質の向上に限界がある。これに対して、実施の形態に係る超伝導磁石装置10は、発生させる磁場分布をより細かく制御することができる。これにより、融液における熱対流の抑制の程度を微調整し、単結晶中の酸素濃度をより細かく調整し、結晶品質を向上することができる。
実施の形態に係る超伝導磁石装置10が搭載された単結晶引き上げ装置は、最終製品に応じて望まれる様々な酸素濃度をもつ単結晶を製造するために使用することができる。実施の形態に係る単結晶引き上げ装置は、従来装置に比べて製造現場での稼働率が向上され、より経済的な工場運営が可能になる。
図5は、図1に示される超伝導磁石装置10のコイル電源回路の一例を模式的に示す図である。電源系50は、第1超伝導コイルセット30に第1励磁電流I1を供給する第1電源52と、第2超伝導コイルセット40に第2励磁電流I2を供給する第2電源54と、第1電源52および第2電源54を制御する電源制御装置56とを備える。
上述のように、第1超伝導コイルセット30は筒型クライオスタット20内に配置され、電源系50は筒型クライオスタット20の外に配置されている。そのため、第1電源52を第1超伝導コイルセット30に接続する第1回路53は、正極側と負極側それぞれにフィードスルー部58を有する。フィードスルー部58は、筒型クライオスタット20内に電流を導入するための気密端子であり、筒型クライオスタット20の壁面を貫通して設けられている。2つのフィードスルー部58はそれぞれ対応する電流リード部60に接続されている。一対の第1超伝導コイル30a、30bは筒型クライオスタット20内で、直列に接続されている。第1電源52の正極が一方のフィードスルー部58および電流リード部60を介して一方の第1超伝導コイル30aに接続され、他方の第1超伝導コイル30bが他方のフィードスルー部58および電流リード部60を介して第1電源52の負極に接続され、第1回路53が形成されている。
第2電源54を第2超伝導コイルセット40に接続する第2回路55においては、第2電源54の正極がフィードスルー部58および電流リード部60を介して第2超伝導コイル40a、40bの第1の対に接続されている。第1の対をなす第2超伝導コイル40a、40bは筒型クライオスタット20内で直列に接続されている。第2超伝導コイル40a、40bの第1の対と第2超伝導コイル40c、40dの第2の対は、第1の対の側の電流リード部60とフィードスルー部58、筒型クライオスタット20外で2つのフィードスルー部58を接続する外部配線62、第2の対の側の電流リード部60とフィードスルー部58を介して接続されている。第2の対をなす第2超伝導コイル40c、40dは筒型クライオスタット20内で直列に接続されている。第2超伝導コイル40c、40dの第2の対は、フィードスルー部58および電流リード部60を介して第2電源54の負極に接続されている。
したがって、第1電源52は第1回路53により第1超伝導コイルセット30に第1励磁電流I1を供給し、第2電源54は第2回路55により第2超伝導コイルセット40に第2励磁電流I2を供給することができる。第1回路53と第2回路55は互いに接続されていない。
電源制御装置56は、所望の磁場分布を実現するように、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を決定することができる。ここで、電源制御装置56は、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40が中心空洞24における所定位置(例えば中心)に発生させる磁場の合計値が上限値を超えないように第1励磁電流I1の大きさおよび第2励磁電流I2の大きさを制御してもよい。
図6は、実施の形態に係る超伝導磁石装置10が発生させる磁場の等高線図の一例を、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2をそれぞれ横軸、縦軸として示すグラフである。グラフに示される磁場値は、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40が中心空洞24における所定位置(例えば中心)に発生させる磁場の合計値を示す。この例では、右上の等高線ほど磁場値が大きく、左下の等高線ほど磁場値が小さい。
電源制御装置56は、複数の等高線からある等高線64(太線で示す)を選択し、選択された等高線64の磁場値またはそれより低い磁場値を与える領域66から、第1励磁電流I1と第2励磁電流I2の組み合わせを決定してもよい。すなわち、選択された等高線64よりも高い磁場値を与える領域68から第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を決定することは禁止される。選択される等高線64の磁場値は、超伝導磁石装置10または単結晶引き上げ装置の仕様として適宜定められてもよく、電源制御装置56に入力されまたは記憶されていてもよい。
このようにすれば、選択された等高線64に相当する磁場値を上回る磁場を発生させる過剰な大きさの第1励磁電流I1と第2励磁電流I2が第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40に供給されるのを避けることができる。超伝導コイルへの過剰な電流供給を避けることにより、コイルに働く電磁力と熱負荷を抑え、超伝導が破れるリスクを減らすことができる。より安全に超伝導磁石装置10を運用することができる。
図7は、超伝導磁石装置10の外観を模式的に示す斜視図である。図8(a)から図8(c)は、図7に示される超伝導磁石装置10における極低温冷凍機の配置場所を例示する模式図である。
図7に示されるように、超伝導磁石装置10は、少なくとも1つの極低温冷凍機70を備え、筒型クライオスタット20内に配置される第1超伝導コイルセット30および第2超伝導コイルセット40は極低温冷凍機70と熱的に結合される。極低温冷凍機70は、たとえば二段式のギフォード・マクマホン(Gifford-McMahon;GM)冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機であってもよい。各超伝導コイルは、極低温冷凍機70によって超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超伝導磁石装置10は、超伝導コイルを液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬するのではなく、極低温冷凍機70によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。
図7に示される例では、4台の極低温冷凍機70が筒型クライオスタット20の上面に設置されている。極低温冷凍機70は、Z軸から見て、Z軸周りに隣接する2つの超伝導コイル間に配置されてもよい。コイル間の空きスペースを利用して極低温冷凍機70を設置することにより、筒型クライオスタット20をよりコンパクトに設計し、超伝導磁石装置10を小型化することができる。
図8(a)に示されるように、一台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30aと第2超伝導コイル40aの間に配置され、二台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30aと第2超伝導コイル40dの間に配置され、三台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30bと第2超伝導コイル40bの間に配置され、四台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30bと第2超伝導コイル40cの間に配置されてもよい。このようにして、各超伝導コイルがいずれかの極低温冷凍機70によって直接冷却されてもよい。
筒型クライオスタット20に設置される極低温冷凍機70はより少なくてもよい。例えば、図8(b)に示されるように、3台の極低温冷凍機70が筒型クライオスタット20に設置され、各極低温冷凍機70がZ軸周りに隣接する2つの超伝導コイル間に配置されてもよい。この場合、図示されるように、極低温冷凍機70はZ軸周りに等角度間隔で配置されてもよい。
あるいは、図8(c)に示されるように、2台の極低温冷凍機70が筒型クライオスタット20に設置され、Z軸周りに180度間隔で配置されてもよい。図示の例では、一台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30aと第2超伝導コイル40dの間に配置され、二台目の極低温冷凍機70が第1超伝導コイル30bと第2超伝導コイル40cの間に配置されている。この場合、一部の超伝導コイル(例えば、第2超伝導コイル40a、40b)は、極低温冷凍機70と隣接する他の超伝導コイルに比べて、極低温冷凍機70から遠くに配置されることになる。これらの超伝導コイル(40a、40b)は、適宜の伝熱部材を介して極低温冷凍機70(または極低温冷凍機70に隣接する超伝導コイル)に接続され冷却されてもよい。
あるいは、必要とされる場合には、より多くの極低温冷凍機70が筒型クライオスタット20に設置されてもよい。例えば、超伝導コイルごとに極低温冷凍機70が設けられてもよい。1つの超伝導コイルが複数の極低温冷凍機70で冷却されてもよい。
図9は、超伝導磁石装置10のコイル支持構造72を模式的に示す断面図である。図9には、図7のA-A断面を示す。コイル支持構造72は、第1超伝導コイルセット30または第2超伝導コイルセット40に属する超伝導コイル(図示の例では第1超伝導コイル30a)を筒型クライオスタット20に連結し、超伝導コイルに働く自重と動作時に発生する電磁力を支えるものである。コイル支持構造72は、図9に示されるように、コイル支持プレート74と、コイル支持体76とを備える。コイル支持プレート74は、超伝導コイルとコイル支持体76を連結するために設けられ、超伝導コイルの片側(例えば、筒型クライオスタット20の内周側)に取り付けられている。
コイル支持体76は、超伝導コイルを筒型クライオスタット20の周面(例えば外周面)に支持し、当該超伝導コイルの内側に配置される。コイル支持体76は、その一端が超伝導コイルの内側でコイル支持プレート74に取り付けられ、他端が筒型クライオスタット20の外周面に取り付けられている。コイル支持体76は、棒状の形状を有し、水平方向に延在する。図7には、筒型クライオスタット20の外周面に設けられたコイル支持体76の端部が示されている。1つの超伝導コイルが複数本(例えば2本)のコイル支持体76で筒型クライオスタット20に支持されてもよい。
図10は、実施の形態に係る超伝導磁石装置10における超伝導コイル配置の別の例を模式的に示す斜視図である。図示されるように、超伝導磁石装置10には、大きさの異なる二種類の鞍型コイルが用いられてもよい。
第1超伝導コイルセット30は、X軸上で中心空洞24を挟んで対向配置される一対の第1超伝導コイルを備える。第2超伝導コイルセット40は、X軸上で中心空洞24を挟んで対向配置される一対の第2超伝導コイルを備える。一対の第1超伝導コイルは、一対の第2超伝導コイルの内側に配置される。
このような二重の鞍型コイル配置を用いた場合にも、上述の6コイル型と同様に、第1超伝導コイルセット30は、第1励磁電流I1が供給されるとき、X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させ、第2超伝導コイルセット40は、第2励磁電流I2が供給されるとき、X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞24に発生させる。第1励磁電流I1と第2励磁電流I2を互いに独立に制御することにより、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40がそれぞれ発生させる磁場の重ね合わせである中心空洞24の磁場分布の凸形状を制御することができる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。
上述の6コイル型の実施の形態では、すべての超伝導コイルが同じ形状とサイズを有するが、これは必須ではない。例えば、第1超伝導コイルセット30と第2超伝導コイルセット40で、超伝導コイルは、異なる形状及び/または異なるサイズを有してもよい。
電源系50は、第1励磁電流I1及び/または第2励磁電流I2の大きさを変更することに加えて、またはそれに代えて、第1励磁電流I1及び/または第2励磁電流I2の方向を変更してもよい。
実施の形態に係る超伝導磁石装置10が搭載された単結晶引き上げ装置は、シリコン以外の半導体材料またはその他の材料の単結晶を生成するための単結晶引き上げ装置であってもよい。
適用可能であれば、超伝導磁石装置10は、単結晶引き上げ装置以外の装置に搭載されてもよい。超伝導磁石装置10は、高磁場利用機器の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
10 超伝導磁石装置、 20 筒型クライオスタット、 24 中心空洞、 30 第1超伝導コイルセット、 40 第2超伝導コイルセット、 50 電源系、 52 第1電源、 54 第2電源、 56 電源制御装置、 70 極低温冷凍機。
Claims (8)
- 内側に中心空洞を定める筒型クライオスタットと、
前記中心空洞の外側で前記筒型クライオスタットの内部に配置される第1超伝導コイルセットおよび第2超伝導コイルセットと、
前記第1超伝導コイルセットへの第1励磁電流の大きさと前記第2超伝導コイルセットへの第2励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系と、を備え、
前記筒型クライオスタットの中心軸をZ軸、Z軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれX軸、Y軸とするとき、
前記第1超伝導コイルセットは、前記第1励磁電流が供給されるとき、X軸上で下に凸となりY軸上で上に凸となる磁場分布を前記中心空洞に発生させ、
前記第2超伝導コイルセットは、前記第2励磁電流が供給されるとき、X軸上で上に凸となりY軸上で下に凸となる磁場分布を前記中心空洞に発生させることを特徴とする超伝導磁石装置。 - 前記第1超伝導コイルセットは、X軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第1超伝導コイルを備え、
前記第2超伝導コイルセットは、前記中心空洞を挟んで対向配置され、Z軸周りに時計回り方向に前記一対の第1超伝導コイルと隣接配置される一対の第2超伝導コイルと、前記中心空洞を挟んで対向配置され、Z軸周りに反時計回り方向に前記一対の第1超伝導コイルと隣接配置されるもう一対の第2超伝導コイルと、を備えることを特徴とする請求項1に記載の超伝導磁石装置。 - 前記一対の第2超伝導コイルは、Z軸周りに時計回りにX軸から60度をなす線上に配置され、前記もう一対の第2超伝導コイルは、Z軸周りに反時計回りにX軸から60度をなす線上に配置されることを特徴とする請求項2に記載の超伝導磁石装置。
- 前記第1超伝導コイルセットおよび前記第2超伝導コイルセットを冷却する少なくとも1つの極低温冷凍機をさらに備え、
前記少なくとも1つの極低温冷凍機は、Z軸から見て、Z軸周りに隣接する2つの超伝導コイル間に配置されることを特徴とする請求項2または3に記載の超伝導磁石装置。 - 前記第1超伝導コイルセットまたは前記第2超伝導コイルセットに属する超伝導コイルを前記筒型クライオスタットの周面に支持し、当該超伝導コイルの内側に配置されるコイル支持体をさらに備えることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
- 前記第1超伝導コイルセットは、X軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第1超伝導コイルを備え、
前記第2超伝導コイルセットは、X軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第2超伝導コイルを備え、
前記一対の第1超伝導コイルは、前記一対の第2超伝導コイルの内側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の超伝導磁石装置。 - 前記電源系は、前記第1超伝導コイルセットの各超伝導コイルに前記第1励磁電流を供給する第1電源と、前記第2超伝導コイルセットの各超伝導コイルに前記第2励磁電流を供給する第2電源と、を備えることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
- 前記電源系は、前記第1超伝導コイルセットと前記第2超伝導コイルセットが前記中心空洞における所定位置に発生させる磁場の合計値が上限値を超えないように前記第1励磁電流の大きさおよび前記第2励磁電流の大きさを制御する電源制御装置を備えることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
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