JP2023024006A - 超伝導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁場分布の調整を可能にす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、磁場利用空間２０の中心軸に垂直な方向の合成磁場２４を磁場利用空間２０に発生させる一群の超伝導コイル１２であって、中心軸に対して磁場利用空間２０の一方側に配置される少なくとも２つの超伝導コイル１２と、中心軸に対して磁場利用空間２０の他方側に配置される少なくとも２つの更なる超伝導コイル１２とを含む一群の超伝導コイル１２と、各々が、一群の超伝導コイル１２のうち対応する超伝導コイル１２を格納し、磁場利用空間２０の周方向に移動可能な複数の真空容器１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導磁石装置に関する。

単結晶引き上げ装置において坩堝内の融液の対流制御を目的として融液に磁場を印加するＭＣＺ(Magnetic field applied Czochralski)法が知られている。超伝導磁石装置は、こうした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。

特開２００１－２０３１０６号公報

印加される磁場分布は、融液中の対流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に影響する。望まれる酸素濃度は、最終的に製造される半導体装置の用途に応じて異なる。ところが、単結晶引き上げ装置用の超伝導磁石装置では一般に、超伝導コイルの配置は固定されている。典型的に、超伝導磁石装置は、この超伝導コイル配置によって、ある特定の酸素濃度を実現するのに適する磁場分布が生成されるように設計される。そのため、一台の単結晶引き上げ装置で、このような設計上の磁場分布から別の磁場分布へと切り替えて複数の異なる酸素濃度をもつ単結晶を作り分けることは、たいてい困難である。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、磁場分布の調整を可能にす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、磁場利用空間の中心軸に垂直な方向の合成磁場を磁場利用空間に発生させる一群の超伝導コイルであって、中心軸に対して磁場利用空間の一方側に配置される少なくとも２つの超伝導コイルと、中心軸に対して磁場利用空間の他方側に配置される少なくとも２つの更なる超伝導コイルとを含む一群の超伝導コイルと、各々が、一群の超伝導コイルのうち対応する超伝導コイルを格納し、磁場利用空間の周方向に移動可能な複数の真空容器と、を備える。

本発明によれば、磁場分布の調整を可能にする超伝導磁石装置を提供することができる。

実施の形態に係る超伝導磁石装置を模式的に示す平面図である。 図１に示される超伝導磁石装置を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係る超伝導磁石装置の真空容器を模式的に示す平面図である。 他の実施の形態に係る超伝導磁石装置を模式的に示す断面図である。 実施の形態に係り、超伝導コイルの支持体の他の一例を模式的に示す図である。

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を模式的に示す平面図である。図２は、図１に示される超伝導磁石装置１０を模式的に示す断面図である。図２には、図１のＡ－Ａ断面が示され、図１には、図２のＢ－Ｂ断面が示される。また、図１では、簡単のため、図２に示される一部の構成要素の図示が省略されている。

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。

超伝導磁石装置１０は、複数の超伝導コイル１２と、複数の真空容器１４と、案内構造１６と、磁気シールド１８とを備える。超伝導磁石装置１０のこれら構成要素は、磁場利用空間２０を囲むようにその中心軸の周りに同軸状に配置される。この実施の形態では、磁場利用空間２０の中心軸は、鉛直方向（すなわち、水平面に垂直な方向）に平行である。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、磁場利用空間２０には、単結晶材料の融液を収容する坩堝が配置される。磁場利用空間２０は、超伝導磁石装置１０を取りまく周囲環境２２（例えば室温大気圧環境）の一部である。

以下では、説明の便宜上、磁場利用空間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。

この実施の形態では、超伝導磁石装置１０には４つの超伝導コイル１２が設けられ、Ｚ軸に対して磁場利用空間２０の一方側（図中左側）に配置される２つの超伝導コイル１２と、Ｚ軸に対して磁場利用空間２０の他方側（図中右側）に配置される２つの更なる超伝導コイル１２とからなる。これら４つの超伝導コイル１２は、磁場利用空間２０の径方向外側で磁場利用空間２０を囲むようにして配置される。超伝導コイル１２の各々は、コイルの中心軸を磁場利用空間２０の径方向（Ｚ軸に垂直な方向）に向けるように配置される。超伝導コイル１２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。

図１に示される超電導コイル配置では、左側の２つの超伝導コイル１２は磁場利用空間２０の周方向（Ｚ軸まわりの方向）に互いに隣接して配置され、同様に、右側の２つの超伝導コイル１２も周方向に互いに隣接して配置される。左右の超伝導コイル１２（例えば、左上のコイルと右上のコイル、または左下のコイルと右下のコイル）は、周方向に離れて配置される。

また、図１の配置では、左側の２つの超伝導コイル１２のうち片方の超伝導コイル１２と右側の２つの超伝導コイル１２のうち片方の超伝導コイル（例えば、左上のコイルと右下のコイル、または左下のコイルと右上のコイル）は、コイル中心軸を同一とし、磁場利用空間２０を挟んで対向している。このような一組の超伝導コイル１２（例えば、左上のコイルと右下のコイル）のコイル中心軸は、Ｚ軸周りに時計回りにＸ軸から＋α度をなす直線に一致し、もう一組の超伝導コイル１２（例えば、左下のコイルと右上のコイル）のコイル中心軸は、Ｚ軸周りに反時計回りにＸ軸からβ度をなす直線に一致してもよい。多くの場合、β度は、－α度に等しく、４つの超伝導コイル１２はＸ軸に関して対称に配置される。

超伝導磁石装置１０には、周囲環境２２に配置された電源２６が設けられている。電源２６は、磁気シールド１８よりも外側に配置されてもよい。超伝導コイル１２の各々は、この電源２６からの給電により、磁場利用空間２０の径方向に磁場を発生させる。例えば、左側の２つの超伝導コイル１２が径方向内向き（または径方向外向き）の磁場を発生させ、右側の２つの超伝導コイル１２が径方向外向き（または径方向内向き）の磁場を発生させる。これにより、４つの超伝導コイル１２は、図１に示されるように、Ｚ軸に垂直な方向（この例ではＸ軸方向）の合成磁場２４を磁場利用空間２０に発生させる。よって、超伝導コイル１２は、ＨＭＣＺ型の単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用できる。

超伝導磁石装置１０には、４つの超伝導コイル１２に対応して４つの真空容器１４が設けられる。真空容器１４は、磁場利用空間２０の周方向に移動可能に磁場利用空間２０の周囲に配置される。真空容器１４の各々には対応する超伝導コイル１２が格納され、当該超伝導コイル１２は周囲環境２２から隔離される。真空容器１４は、コイルマウントと称することもできる。各真空容器１４は、個々の超伝導コイル１２のための個別のクライオスタットであり、超伝導磁石装置１０の動作中、真空容器１４の内部には超伝導コイル１２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。真空容器１４は、超伝導コイル１２が磁場利用空間２０に磁場を発生させるのを妨げないように、非磁性材料（例えばステンレス鋼などの非磁性金属材料）で形成される。

案内構造１６は、周方向の真空容器１４の移動を案内するように磁場利用空間２０の周囲に配置される。真空容器１４には案内構造１６に適合する被案内部が設けられる。案内構造１６は、この被案内部を案内構造１６に沿って案内することによって真空容器１４を磁場利用空間２０の周方向に移動させる。この実施の形態では、案内構造１６は、真空容器１４の下方に配置され、真空容器１４の被案内部も真空容器１４の下部に設けられる。案内構造１６は、真空容器１４と同様に、非磁性材料（例えばステンレス鋼などの非磁性金属材料）で形成される。

一例として、案内構造１６は、図１に示されるように、磁場利用空間２０を囲むレールを備えてもよい。図２に示されるように、このレールは、Ｚ軸を中心として円環状に設けられている。レールは、支持面２８に設置される。支持面２８は、超伝導磁石装置１０が設置される床面であってもよく。または、床面に設置され超伝導磁石装置１０を支持する支持体の表面であってもよい。真空容器１４の下部には、被案内部としての車輪が設けられてもよい。レールは、この車輪のレールに沿った移動を案内するように構成される。車輪がレールに沿って転がることによって、真空容器１４は、図１に破線矢印で示すように、レールすなわち案内構造１６に沿って磁場利用空間２０の周方向に移動することができる。車輪に代えて、または車輪とともに、真空容器１４はその他の形態の被案内部を備えてもよく、その場合、被案内部が案内構造１６に沿って滑動または摺動することによって、真空容器１４が周方向に移動されてもよい。

図１および図２に示されるように、磁気シールド１８は、複数の真空容器１４を囲むように磁場利用空間２０の周方向に延在し、超伝導コイル１２が発生させる磁場が外部に漏洩するのを抑制する。磁気シールド１８は、例えば鉄などの磁性材料で形成される。磁気シールド１８は、案内構造１６と同様に、支持面２８に設置される。磁気シールド１８は、支持面２８に立設され複数の真空容器１４に対し径方向外側でこれら真空容器１４に隣接して配置される側壁部と、この側壁部の上端部から径方向内向きに延出する上壁部とを備える。なお磁気シールド１８は、側壁部の下端部から径方向内向きに（例えば支持面２８に沿って）延出する下壁部を備えてもよい。ただし、磁気シールド１８は、超伝導コイル１２が磁場利用空間２０に磁場を発生させるのを妨げないように、複数の真空容器１４に対し径方向内側には設けられていない。

図３は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０の真空容器１４を模式的に示す平面図である。図３には、図２に示される矢印Ｃの方向から見たときの真空容器１４の外側の端面が示される。

真空容器１４は、円形ディスク状の形状をもつ超伝導コイル１２を格納するために、円筒状の形状を有する。真空容器１４は、２つの円形状の平坦な端面とこれら端面を接続する円筒状の側面とを有し、真空容器１４の直径（すなわち端面の直径）は、真空容器１４の長さ（すなわち側面の長さ）より長くなっている。する。端面の一方が磁場利用空間２０に対し外側に向けられ、他方が磁場利用空間２０側に向けられている。

図２および図３に示されるように、超伝導コイル１２の各々は、当該超伝導コイル１２から真空容器１４を貫通して磁気シールド１８に向かって延在する外側水平支持体３０を備える。後述のように、外側水平支持体３０は、磁気シールド１８によって支持される。外側水平支持体３０は、棒状の形状を有し、真空容器１４の気密性を保つように真空容器１４の外側の端面を貫通して磁場利用空間２０の径方向に延在している。外側水平支持体３０の基端部は、超伝導コイル１２に固定される。例えば、この基端部は、超伝導コイル１２の端面に取り付けられたコイル支持プレートに固定されてもよい。外側水平支持体３０の末端部は、真空容器１４の外で磁気シールド１８に向かって突出している。

この実施の形態では、１つの超伝導コイル１２について複数の外側水平支持体３０が設けられている。これら外側水平支持体３０は、超伝導コイル１２の中心周りに等角度間隔で配置されてもよい。この例では、図３に示されるように、３本の外側水平支持体３０が超伝導コイル１２の中心周りに１２０度間隔で配置される。これは一例であり、外側水平支持体３０の本数は任意である。あるいは、１つの超伝導コイル１２について１本の外側水平支持体３０が設けられ、例えば、この外側水平支持体３０がコイル中心軸上に配置され当該コイルに固定されてもよい。

磁気シールド１８は、漏洩磁場を遮蔽するだけでなく、超伝導磁石装置１０の動作中に超伝導コイル１２に働く電磁力を受ける荷重受け構造としての役割も果たす。そのために、磁気シールド１８は、外側水平支持体３０を支持する支持部３２を備える。

図２に示されるように、支持部３２は、磁気シールド１８の側壁部内周面に設けられ、真空容器１４に向かって突出している。支持部３２は、磁気シールド１８に取り付けられた別部材であってもよく、または、磁気シールド１８と一体形成された磁気シールド１８の一部であってもよい。支持部３２の表面が外側水平支持体３０の末端部と接触している。超伝導磁石装置１０の動作中に磁場利用空間２０の径方向に外向きの力が超伝導コイル１２に働いたとき、外側水平支持体３０はこの力を受け超伝導コイル１２を支持することができる。こうした水平方向外向きの力は、例えば超伝導コイル１２のクエンチ現象の発生時に超伝導コイル１２に生じうる。なお図１では、簡単のため、外側水平支持体３０と支持部３２の図示を省略している。

支持部３２は、周方向の真空容器１４の移動による外側水平支持体３０の周方向移動範囲にわたって設けられている。例えば、支持部３２は、周方向に沿って磁気シールド１８の複数箇所に設けられてもよく、または周方向に沿って連続して磁気シールド１８に設けられてもよい。このようにすれば、真空容器１４の周方向位置にかかわらず、外側水平支持体３０を支持部３２で支持することができる。

ある実施の形態では、支持部３２は、磁気シールド１８の側壁部外周面から貫通して外側水平支持体３０の末端部と接触するように構成されてもよい。支持部３２は、超伝導コイル１２を支持する支持力を調整するように磁気シールド１８の外から操作可能であってもよい。例えば、支持部３２は、磁気シールド１８に形成されたボルト穴に螺合するボルトであってもよく、このボルトの頭部が磁気シールド１８の外周面に設けられ、ボルトの先端が外側水平支持体３０の末端部と接触してもよい。このボルトすなわち支持部３２を磁気シールド１８に対し回転させることで、支持部３２は磁場利用空間２０の径方向に移動することができ、それにより、支持部３２が外側水平支持体３０を径方向に押さえる力（すなわち、超伝導コイル１２を径方向に支持する力）を調節することができる。

ある実施の形態では、外側水平支持体３０は、径方向外向きの力だけではなく径方向内向きの力も支持するように支持部３２と連結されてもよい。例えば、磁気シールド１８には、Ｚ方向に延在するピン状の支持部３２が設けられ、外側水平支持体３０の末端部には、このピンに係合するピン穴が設けられてもよい。

また、超伝導コイル１２の各々は、当該超伝導コイル１２から真空容器１４を貫通して案内構造１６に向かって延在する鉛直支持体３４を備える。鉛直支持体３４は、棒状の形状を有し、真空容器１４の気密性を保つように真空容器１４の側面を貫通してＺ軸方向に延在している。鉛直支持体３４の基端部は、超伝導コイル１２に固定され、鉛直支持体３４の末端部は、真空容器１４の外で案内構造１６に向かって突出している。鉛直支持体３４は、案内構造１６によって支持される。鉛直支持体３４の末端部には、案内構造１６に沿って案内される被案内部（例えば上述の車輪）が設けられてもよい。鉛直支持体３４の末端部が案内構造１６に沿って案内され、真空容器１４を磁場利用空間２０の周方向に移動させることができる。

この実施の形態では、１つの超伝導コイル１２について複数（例えば２本）の鉛直支持体３４が設けられている。これは一例であり、鉛直支持体３４の本数は任意であり、１つの超伝導コイル１２について１本の鉛直支持体３４のみが設けられてもよい。支持体（例えば、外側水平支持体３０、鉛直支持体３４）は、真空容器１４と同様に、非磁性材料（例えばステンレス鋼などの非磁性金属材料）で形成される。

図２に示されるように、各真空容器１４は、上述の外側水平支持体３０、鉛直支持体３４に加えて、極低温冷凍機３６と、熱シールド３８と、電流導入端子４０とをさらに備える。すなわち、これら極低温冷凍機３６、熱シールド３８、電流導入端子４０は、個々の真空容器１４に格納された超伝導コイル１２ごとに設けられる。

極低温冷凍機３６は、例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る。極低温冷凍機３６の第１段冷却部が熱シールド３８と熱的に結合され、極低温冷凍機３６の第２段冷却部が超伝導コイル１２と熱的に結合される。図示の例では、第２段冷却部は、超伝導コイル１２の端面に取り付けられ超伝導コイル１２と熱的に結合された伝熱プレート４２を介して、超伝導コイル１２と熱的に結合される。第１段冷却部によって熱シールド３８が第１冷却温度（例えば３０Ｋ～８０Ｋ）に冷却され、第２段冷却部によって超伝導コイル１２が第１冷却温度より低い第２冷却温度（例えば３Ｋ～２０Ｋ）に冷却される。

極低温冷凍機３６は、第１段冷却部と第２段冷却部を真空容器１４内に挿入した状態で、真空容器１４内の気密性を保つようにして真空容器１４に設置される。図示の例では、極低温冷凍機３６は、真空容器１４の外側の端面の上部から真空容器１４内に挿入され、横向きに（磁場利用空間２０の径方向に沿って）真空容器１４に設置されている。あるいは、極低温冷凍機３６は、真空容器１４の側面（の例えば上部）から真空容器１４内に挿入され、縦向きに（Ｚ軸方向に沿って）真空容器１４に設置されてもよい。

熱シールド３８は、真空容器１４内で超伝導コイル１２を囲むように配置される。熱シールド３８は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。熱シールド３８は、その内側に配置され熱シールド３８よりも低温に冷却される超伝導コイル１２などの低温部を、真空容器１４からの輻射熱から熱的に保護することができる。上述の外側水平支持体３０および鉛直支持体３４は、熱シールド３８に設けられた開口部を貫通して超伝導コイル１２から真空容器１４の外へと延びている。これら支持体は熱シールド３８とは接触していない。

電流導入端子４０は、真空容器１４内に電流を導入するための気密端子であり、真空容器１４の気密性を保ちながら真空容器１４の壁部を貫通して設けられている。電流導入端子４０には、正極側の端子と負極側の端子が含まれる。電流導入端子４０は、真空容器１４内で超伝導コイル１２と電気的に接続されている。真空容器１４の外側すなわち周囲環境２２において、電流導入端子４０には、適宜の給電ケーブル（図示せず）などの電気配線が接続され、この給電ケーブルにより電源２６と、または他の真空容器１４の電流導入端子４０および超伝導コイル１２を介して電源２６と接続される。よって、電源２６から給電ケーブルおよび電流導入端子４０を介して各超伝導コイル１２に励磁電流が供給される。

なお、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイル１２の移動とともに、またはこれに代えて、電源２６から各超伝導コイル１２に供給される電流の向き及び／または大きさを制御するように構成されてもよく、それにより、超伝導コイル１２が磁場利用空間２０に発生させる磁場分布が制御されてもよい。

複数の真空容器１４の各々は、個別に取り外し可能に設置されてもよい。ある真空容器１４（または、この真空容器１４内の超伝導コイル１２、極低温冷凍機３６など構成要素）に異常や故障が発生したとき、またはメンテナンスの時期が到来したときには、当該真空容器１４のみが超伝導磁石装置１０から取り外され、予備の真空容器１４（および超伝導コイル１２）と交換されてもよい。また、案内構造１６と磁気シールド１８は、超伝導磁石装置１０から取り外し可能であってもよい。案内構造１６と磁気シールド１８はそれぞれ、複数の分割部品（例えば、４つの９０度の円弧状部品）から構成されてもよく、超伝導磁石装置１０から取り外されたときこれら分割部品に分解され保管されてもよい。

実施の形態に係る超伝導磁石装置１０によると、個々の真空容器１４を磁場利用空間２０の周方向に移動させることができ、それにより、超伝導コイル１２の配置を周方向に変更し、磁場利用空間２０に生成される磁場分布を調整することができる。上述の４コイル型の場合、個々の真空容器１４およびその内部の超伝導コイル１２を、ＸＹ面の４つの象限それぞれで磁場利用空間２０まわりに円弧状に移動させ、磁場分布を調整できる。

各真空容器１４を移動させることによって、上述のように、Ｚ軸を挟んで対向する一組の超伝導コイル１２（図１において、例えば、左上のコイルと右下のコイル）のコイル中心軸をＺ軸周りに時計回りにＸ軸からα度をなす直線に一致させ、もう一組の超伝導コイル１２（例えば、左下のコイルと右上のコイル）のコイル中心軸をＺ軸周りに反時計回りにＸ軸からβ度をなす直線に一致させることができる。α度とβ度は、例えば３０度から６０度の範囲から選択されてもよく、例えば、３０度、４５度、または６０度のいずれかであってもよい。多くの場合、β度を－α度と等しくするように各真空容器１４は移動されるが、これは必須ではない。場合によっては、α度とβ度の大きさを異ならせるように真空容器１４が移動されてもよい。

その結果、超伝導磁石装置１０が単結晶引き上げ装置に搭載される場合、一台の単結晶引き上げ装置で、引き上げられる単結晶にある酸素濃度を実現するのに適する磁場分布から、それと異なる酸素濃度を実現するのに適する別の磁場分布へと切り替えることができる。よって、複数の異なる酸素濃度をもつ単結晶を一台の単結晶引き上げ装置で作り分けることができる。当該単結晶引き上げ装置の稼働率を向上でき、経済的である。

上述の実施の形態とは別の構成として、単一の巨大な真空容器内に複数の超伝導コイルとこれらコイルを移動させる移動機構を収納する形式も考えられる。超伝導磁石装置の動作中、真空容器内は極低温に冷却されるから、超伝導コイルだけでなく移動機構も一緒に冷却されることとなり、被冷却物の重量が大きくなりがちである。そうすると、超伝導磁石装置を起動するための室温から極低温への初期冷却にかかる時間は、重量の大きさに応じて相当に長くなることが懸念される。

これに対して、実施の形態によると、案内構造１６が真空容器１４の外に配置されるから、案内構造１６は冷却される必要は無い。超伝導コイル１２など、真空容器１４内の被冷却物の総重量は比較的軽くすることができ、短時間で初期冷却を完了することができる。

また、上述の実施の形態では、円形の超伝導コイル１２が採用されている。一般に円形コイルは、他の形状のコイル（例えば鞍型コイル）に比べて小型であり、その分コイルを移動させるスペースを確保しやすい。よって、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０には、円形の超伝導コイル１２が好適である。

図４は、他の実施の形態に係る超伝導磁石装置１０を模式的に示す断面図である。図４に示される実施の形態は、真空容器１４の外側だけでなく、内側（すなわち磁場利用空間２０側）にも支持構造４４を備える点で、既述の実施の形態と相違し、その余の点は同様である。以下では、相違点を中心に説明し、同様の構成については冗長を避けるため説明を適宜省略し詳述しない。

超伝導コイル１２の各々は、当該超伝導コイル１２から真空容器１４を貫通して磁場利用空間２０に向かって延在する内側水平支持体４６を備える。内側水平支持体４６は、棒状の形状を有し、真空容器１４の気密性を保つように真空容器１４の内側の端面を貫通して磁場利用空間２０の径方向に延在している。内側水平支持体４６の基端部は、超伝導コイル１２に固定される。内側水平支持体４６の末端部は、真空容器１４の外で磁場利用空間２０に向かって突出している。１つの超伝導コイル１２について１つまたは複数の内側水平支持体４６が設けられてもよい。

内側水平支持体４６は、支持構造４４によって支持される。支持構造４４は、複数の真空容器１４に囲まれるように配置される。支持構造４４は、真空容器１４の径方向内側で磁場利用空間２０を囲むように配置される円筒状の壁部材を備えてもよい。支持構造４４は、超伝導コイル１２が磁場利用空間２０に磁場を発生させるのを妨げないように、非磁性材料（例えばステンレス鋼などの非磁性金属材料）で形成される。

内側水平支持体４６の末端部が支持構造４４と接触している。超伝導磁石装置１０の動作中（超伝導コイル１２による磁場発生中）には、磁場利用空間２０の径方向に内向きの電磁力が超伝導コイル１２に働きうる。内側水平支持体４６は支持構造４４とともに、この電磁力を受け超伝導コイル１２を支持することができる。

ある実施の形態では、外側水平支持体３０は省略され、支持構造４４および内側水平支持体４６のみが設けられてもよい。この場合、内側水平支持体４６は、径方向内向きの力だけではなく径方向外向きの力も支持するように支持構造４４と連結されてもよい。

図５は、実施の形態に係り、超伝導コイル１２の支持体の他の一例を模式的に示す図である。図示されるように、超伝導コイル１２の各々は、当該超伝導コイル１２から周方向に真空容器１４に延在する周方向支持体４８を備えてもよい。周方向支持体４８は、棒状の形状を有し、その基端部が超伝導コイル１２に固定され、末端部が真空容器１４に固定される（または真空容器１４の内面に突き当てられ接触している）。周方向支持体４８は、真空容器１４内に収められている。周方向支持体４８は、１つの超伝導コイル１２についてその周方向両側に設けられてもよい。または、周方向支持体４８は、超伝導コイル１２の周方向片側のみに設けられてもよい。超伝導磁石装置１０の動作中、超伝導コイル１２には周方向の力が働きうる。周方向支持体４８は、この力を受け超伝導コイル１２を支持することができる。

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。

上述の実施の形態では、案内構造１６は真空容器１４の下方に配置する場合を例として説明しているが、案内構造１６は他の場所に配置されてもよい。例えば、案内構造１６は、真空容器１４の上方に配置されてもよい。この場合、例えば、案内構造１６は、磁気シールド１８の上壁部に取り付けられ、磁場利用空間２０を囲むレールを備えてもよい。各真空容器１４は、このレールに沿って移動可能に構成され、レールに吊り下げ支持されていてもよい。

上述の実施の形態では、４コイル型の超伝導磁石装置１０を例として説明しているが、超伝導磁石装置１０は、Ｚ軸に対して磁場利用空間２０の片側に３つの超伝導コイル１２が設けられ、Ｚ軸に対して磁場利用空間２０の反対側に別の３つの超伝導コイル１２が設けられた６コイル型の超伝導磁石装置１０であってもよい。あるいは、超伝導磁石装置１０は、より多くの超伝導コイル１２を備えてもよい。

上述の実施の形態では、１つの真空容器１４に１つだけの超伝導コイル１２が格納される場合を例として説明しているが、本発明はこれに限られない。必要とされる場合には、１つの真空容器１４には、追加の超伝導コイル、または補助的な超伝導コイルがさらに格納されてもよい。

上述の実施の形態では、超伝導コイル１２が円形のコイルである場合を例として説明しているが、超伝導コイル１２は、他の形状を有してもよい。例えば、超伝導コイル１２は、鞍型コイルであってもよい。

上述の実施の形態では、超伝導磁石装置１０が単結晶引き上げ装置に適用される場合を例として説明しているが、超伝導磁石装置１０は、他の装置に適用されてもよい。超伝導磁石装置１０は、例えば、ＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）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てもよい。

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、 １２ 超伝導コイル、 １４ 真空容器、 １６ 案内構造、 １８ 磁気シールド、 ２０ 磁場利用空間、 ２４ 合成磁場、 ３０ 外側水平支持体、 ３４ 鉛直支持体、 ３６ 極低温冷凍機、 ３８ 熱シールド、 ４０ 電流導入端子、 ４４ 支持構造、 ４６ 内側水平支持体、 ４８ 周方向支持体。

Claims (8)

1. 磁場利用空間の中心軸に垂直な方向の合成磁場を前記磁場利用空間に発生させる一群の超伝導コイルであって、前記中心軸に対して前記磁場利用空間の一方側に配置される少なくとも２つの超伝導コイルと、前記中心軸に対して前記磁場利用空間の他方側に配置される少なくとも２つの更なる超伝導コイルとを含む一群の超伝導コイルと、
   各々が、前記一群の超伝導コイルのうち対応する超伝導コイルを格納し、前記磁場利用空間の周方向に移動可能な複数の真空容器と、を備えることを特徴とする超伝導磁石装置。
2. 前記周方向の前記真空容器の移動を案内するように前記磁場利用空間の周囲に配置される案内構造をさらに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。
3. 前記案内構造は、前記複数の真空容器の下方に配置され、
   前記一群の超伝導コイルの各々は、当該超伝導コイルから前記真空容器を貫通して前記案内構造に向かって延在し、前記案内構造によって支持される鉛直支持体を備えることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。
4. 前記複数の真空容器を囲むように前記周方向に延在する磁気シールドをさらに備え、
   前記一群の超伝導コイルの各々は、当該超伝導コイルから前記真空容器を貫通して前記磁気シールドに向かって延在し、前記磁気シールドによって支持される外側水平支持体を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
5. 前記一群の超伝導コイルの各々は、当該超伝導コイルから前記真空容器を貫通して前記磁場利用空間に向かって延在する内側水平支持体を備え、
   前記複数の真空容器に囲まれるように配置され、前記内側水平支持体を支持する支持構造をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
6. 前記一群の超伝導コイルの各々は、当該超伝導コイルから前記周方向に前記真空容器に延在する周方向支持体を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超伝導磁石装置。
7. 前記複数の真空容器の各々は、当該真空容器に格納される超伝導コイルを冷却する極低温冷凍機と、当該真空容器内で当該超伝導コイルを囲む熱シールドと、当該超伝導コイルへの給電のための電流導入端子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。
8. 前記複数の真空容器の各々は、個別に取り外し可能に設置され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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