JP3824412B2 - 結晶引上装置用超電導磁石装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体用結晶引上装置に使用される超電導磁石において、特に磁場を発生する超電導磁石の漏れ磁場を低減するようにした結晶引上装置用超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用結晶引上装置において、融解した半導体結晶材料から結晶を引上げる際、融解した半導体結晶材料に静磁場を与えて熱対流による運動を阻止する目的で超電導磁石装置が使用されている。
【０００３】
図１４はかかる従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図であり、図１５は図１４のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
この超電導磁石装置は、図１４に示すように全体としてコ字形のクライオスタット１の中に２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き３が結晶の引上方向４に対して直交するようにしたものである。
【０００４】
上記クライオスタット１は図１５に示すようにヘリウム容器４０の中に超電導コイル２ａが内蔵されており、コイル２ａは液体ヘリウム等の冷媒４１に浸されている。また、ヘリウム容器４０の外側には輻射シールド４２が設けられ、さらにヘリウム容器４０及び輻射シールド４２全体を真空容器４３の中に内蔵し、全体としてクライオスタットを構成している。
【０００５】
上記の例では１個の輻射シールドを設ける場合を示したが、必要に応じて２重にして輻射シールドを設ける場合もある。
また、ヘリウム容器４０の中に設けられた超電導コイル２ａ，２ｂを液体ヘリウム等の冷媒を用いず冷凍機でコイルを超電導状態まで冷却する方式もある。この場合は図１５において、ヘリウム容器と冷媒がない構成となる。
【０００６】
この例はコ字形のクライオスタット１の中央部に有するボア５内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
また、図１６は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は、内筒及び外筒からなる二重円筒形のクライオスタット１１の中に図１４と同様に２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き３が結晶の引上方向４に対して直交するようにしたものである。
【０００７】
この例はクライオスタット１１の内筒の内側に有する常温空間であるボア１２内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
【０００８】
さらに、図１７は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は二重円筒形のクライオスタット３１の中に軸方向に適宜の間隔を存して２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場３０ａ，３０ｂを発生することでカスプ磁場を形成するようにしたものである。なお、この場合には結晶引上装置はボア３２内に置かれ結晶引上げ方向４は図１７に示す方向となる。このカプス磁場では図中６の線上では磁場がゼロとなるため、この線上で結晶を引き上げることにより、図１４、図１６の場合に比較して質のよい結晶が得られると言われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の結晶引上装置用超電導磁石装置において、クライオスタットの真空容器はステンレスやアルミニウム等の非磁性材料が用いられているため、超電導コイルより発生する磁場が磁石の外部に漏れ出し、周辺のモータや磁性体からなる構造部材等に影響を与えていた。この場合、磁性体と超電導コイルは互いに吸引力が働き、その力は磁性体の体積、重量と磁場勾配に比例するので、磁性構造部材や磁石が大型化すると吸引力も大きくなる。
【００１０】
従って、構造部材を高価な非磁性材料にしたり、コイルを支持するクライオスタット内のサポートの断面を大きくしなければならなくなり、熱侵入量の大きいクライオスタットになるという問題がある。
【００１１】
また、クライオスタットの近傍にモータや磁場の影響を受け易い計測機器があると、誤動作につながる要因となる。
さらに、漏れ磁場が大きいと隣接した超電導磁石同志が互いの漏れ磁場の影響を受け、ボア内に必要な磁場強度や磁場分布を乱すことがあるため、隣接する磁石と結晶引上装置の設置間隔を広くとる必要があり、設置スペースを有効に利用することができなかった。
【００１２】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、比較的安価にして漏れ磁場を低減でき、しかも小型軽量化に最適な結晶引上装置用超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により結晶引上装置用超電導磁石装置を構成するものである。
請求項１に対応する発明は、環状に形成された超電導コイルをその軸方向に対峙させ、これらの超電導コイルを各々包囲するように設けられた環状の輻射シールドと、これらの環状の輻射シールドをコイル内径部分に空間を有するように包囲する２重円筒形の真空容器とからなり、この空間に結晶引上装置を配設した結晶引上装置用超電導磁石装置において、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に、磁石内径側もしくは外径側の少なくとも一方に張出す磁性部材からなる補助リングを設けたものである。
【００１４】
請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、結晶引上装置に相対面する真空容器部分は従来と同様の非磁性材なので、今まで通り結晶引上装置に必要な磁場強度と磁場分布を確保することができ、近接しない他の部材は磁性体なので、漏れようとする磁場は磁性体に吸収され、漏れ磁場を低減することができる。また、相対面する側の真空容器のＵ字状の内板部材を非磁性材とし、内板の前方開口端および相対面しない側の他の真空容器部材を磁性材としているので、磁場印加を必要とする部分の磁場強度を高めることができるだけでなく、結晶引上装置軸上の漏れ磁場を軽減することができる。
【００２１】
請求項１に対応する発明の単結晶引上装置用電磁石装置にあっては、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【００２２】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したものである。
【００２３】
請求項２に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、多層板とすることで、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
【００２４】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、上下コイルのいずれか一方のコイルを電気的に短絡したものである。
【００２５】
請求項３に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、２ヶのコイルのうち、１ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場（カプス磁場）を発生する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１の実施の形態の一部を示す縦断面図、図２は同装置全体の横断面図である。
【００３４】
図１及び図２において、５１は真空容器で、この真空容器５１は後板５２と一対の側面板５３とでコ字形に形成されたフレーム５４と、このフレーム５４内に設けられたボアを形成するＵ字状の内板５５と、この内板５５とフレーム５４の前方端部間を閉塞する前板５６と、これらフレーム５４及び内板５５の上部開口端および下部開口端を閉塞する上板５７および下板５８から構成されている。
【００３５】
この真空容器５１内にはリング状の２つの超電導コイル２ａ，２ｂ（図１ではその一方の超電導コイル２ａを示す）を容器の中心軸方向に対峙させ、且つ液体ヘリウム等の冷媒４１に浸漬させて内蔵したヘリウム容器４０が設けられ、このヘリウム容器４０を包囲するようにその外側に輻射シールド４２が設けられ、全体としてクライオスタットを構成している。
【００３６】
第１の実施の形態では、このような構成のクライオスタットにおいて、真空容器５１の構成部材の内、後板５２、側面板５３、前板５６、上板５７及び下板５８を磁性体からなる材料で構成し、またボアに挿入される図示しない結晶引上装置に相対面する内板５５を非磁性材料で構成するものである。
【００３７】
従って、このようなクライオスタットとすれば、真空容器５０を構成する後板５２、側面板５３、前板５６、上板５７及び下板５８を磁性材料とし、内板５５のみ非磁性材料としているので、超電導コイル２ａ，２ｂより発生する磁場は磁性体により吸収されて外部に漏れ出すことがなく、周辺のモータや磁性体からなる構造物等に影響を与えることがない。また、真空容器５１は内板５５を除く他の部材を磁性体として磁気シールドを兼ねているので、全体として小形、軽量化が可能となり、従来のように真空容器全体を非磁性材で構成したものに比べて比較的安価になる。
【００３８】
さらに、磁気シールドによって磁場の一部が閉込められるので、ボア中心の磁場強度が高くなる。即ち、磁気シールドなしのコイルに比べて起磁力（アンペアターン数）が少なくてすみ、電流値の低い低容量の電源でよく、巻回数の少ない、超電導コイルで良いことになる。
【００３９】
上記実施の形態では、コの字形のフレーム５４と内板５５とで真空容器を構成する場合について述べたが、円筒形やカスプ磁場形のクライオスタットについても結晶引上げ装置に相対面する真空容器部材を非磁性部材とし、それ以外の真空容器部材を磁性材料で構成することにより、前述同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
図３は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第２の実施の形態の一部を示す縦断面図、図４は同装置全体の横面図であり、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４１】
第２の実施の形態では、図３及び図４に示すように真空容器５１の構成部材の一部であるＵ字状の内板５５の前方開口端部を磁性体６０により構成したものである。
【００４２】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内板５５の前方開口端部を磁性体６０とすることにより、上板５７及び下板５８の内板側端部から漏れる磁力線を内側へ吸収することができ、磁石の上下面で且つ結晶引上装置軸線上の漏れ磁場をさらに低減することができる。また、真空容器５１の開口部の漏れ磁場を磁性体６０により吸収し、低減することができる。
【００４３】
図５は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第３の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４４】
第３の実施の形態では、図５に示すように真空容器５１の上板５７とコイル２ａとの間の距離Ｙが側面板５３とコイル２ａとの間の距離Ｘより小さい場合は、上板５７の板厚ｔ２を側面板５３の板厚ｔ１より厚くするものである。
【００４５】
図示しない前板及び後板については第１の実施の形態と同様である。
従って、このようなクライオスタットとすれば、コイル２ａまでの距離の小さい方の板厚を距離の大きい方の板厚より厚くすることで、磁場の強いコイルに近い側をより漏れ磁場を吸収することができる。これにより、全ての磁性真空容器部材を厚くする必要がなく、全体として軽量にすることができるる。
【００４６】
図６は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第４の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４７】
第４の実施の形態では、図６に示すように真空容器５１の上板５７及び下板５８と側面板５３のコイルと対応する内面に所定厚みの上補助板７１及び下補助板７２と側面補助板７３をそれぞれ取付けるものである。この場合、各補助板７１〜７３は磁性材料で構成され、機械的或いは冶金的に接合される。
【００４８】
従って、このようなクライオスタットとすれば、最も磁場の高いコイル周辺の漏れ磁場を吸収するので、他の部材は肉厚の薄いものでよく、真空容器の軽量化を図ることができる。
【００４９】
上記実施の形態では、補助板を各板の内面に設けたが、外面に設けるようにしても良い。
図７は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第５の実施の形態の一部を示す縦断面図であり、図１７と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００５０】
図７に示す超電導磁石装置は、図７に示すように二重円筒形のクライオスタット３１の中に軸方向に適宜の間隔を存して２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場３０ａ，３０ｂを発生することでカプス磁場を形成するようにしたものである。
【００５１】
このような構成の超電導磁石装置において、第５の実施の形態では真空容器を構成する外側の円筒体３１ａ及びこの外側の円筒体３１ａと内側の円筒体３１ｂの開口端部間に設けられる上部板３１ｃ及び下部板３１ｄを磁性材料で構成（図示ハッチング部分）すると共に、内側の円筒体３１ｂを非磁性材料で構成し、且つ外側の円筒体３１ａの２つの超電導コイル２ａ，２ｂ間に対応する内面に磁性材料からなる補助リング８０を取付ける構成とするものである。図中、３２は結晶引上装置が挿入される空間部（ボア）の直径である。
【００５２】
従って、このような構成のクライオスタットとすれば、外側の円筒体３１ａの漏れ磁場の大きい部分である上下一対の超電導コイル２ａ，２ｂの軸方向中央部に対応する面に磁性体が付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【００５３】
図８は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第６の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５４】
第６の実施の形態では、図８に示すように真空容器を構成するコ字形のフレームの図示しない後板、両側面板５３、上板５７及び下板５８を、磁性材料からなる上板９１、下板９２、外板９３及び非磁性材料からなるＵ字形の内板５５とで多層にして覆うように設ける構造とするものである。
【００５５】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内側の磁性体からの漏れ磁場を外側の磁性体でさらに低減することができる。
図９は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第７の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すものである。
【００５６】
第７の実施の形態では、図９に示すように超電導コイル２ａとこの超電導コイルより径の大きな補助コイル１００を並設し、超電導コイル２ａに対して逆向きの磁場を発生するようにするものである。この場合、超電導コイル２ａの対峙するコイルの対象軸Ｌとコイルの中心軸Ｍとの交点Ｎと超電導コイル２ａの外径部対象軸側角部と反対側角部とを結ぶ線とこの角部の対象線上の内径部対称軸と反対側角部とを結ぶ線でとでなす角度ｇの範囲外に補助コイル１００の導体中心Ｐがある場合、例えば図９に示す交点Ｎを中心にコイル巻線中心軸Ｍを超電導コイル２ａのコイル内径部の対称軸Ｌと反対側の角部とを結ぶ線とでなす角度ｈの範囲内にある場合は中心軸Ｍ上の漏れ磁場の低減には有効であるが、対象軸Ｌ上の漏れ磁場低減には有効ではない。また、補助コイル１００の導体中心Ｐが角度 （ｇ＋ｈ）より大きい範囲にある場合は上記とは逆になり、対象軸Ｌ上は有効であるが、中心軸Ｍ上は有効ではなくなる。
【００５７】
本実施の形態では、補助コイル１００の導体中心Ｐがその断面が対峙する主たる超電導コイル２ａの対象軸Ｌとコイル巻線中心軸Ｍの交点Ｎから超電導コイル２ａの断面を見込んだ角度ｇに入るように構成するものである。
【００５８】
従って上記のような構成のコイルを備えたクライオスタットによれば、補助コイル１００によって主コイルの発生する漏れ磁場を主コイルの外径方向（対象軸Ｌ方向）と中心軸Ｍ方向の両方を同時に効率良く打ち消すことができ、全体として起磁力の小さい効率の良い磁石を構成することが可能であり、磁性体を用いた磁気シールド方法よりさらに軽量化することができる。
【００５９】
図１０は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第８の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すもので、図９と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００６０】
第８の実施の形態では、第７の実施の形態の構成に加えて、さらに磁性材からなる外板１１０を真空容器の一部として構成するものである。
従って、上記のような構成のクライオスタットによれば、さらに漏れ磁場を低減することができ、また主コイルや補助コイルの起磁力を小さくすることが可能である。図の例では磁性材からなる外板を真空容器の一部としたが、真空容器とは別の部材として、真空容器の内側又は外側に付加するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００６１】
図１１は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第９の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第９の実施の形態では、クライオスタット１２３内に対峙して配設される一対の主コイル１２０，１２１を直列に接続すると共に、主コイル１２０を励磁電源１２４に接続し、主コイル１２１の両端を短絡させて励磁電源１２４の一端に接続する構成とするものである。
【００６２】
このようなコイル接続構成のクライオスタットにおいて、一方の主コイル１２０は外部の励磁電源１２４により励磁され、磁場を発生する。この時、クライオスタット１２３内で電気的に短絡された主コイル１２１は、主コイル１２０が励磁中に発生する磁場の時間変化により主コイル１２０とは同じ電流値で、逆向きの磁場を発生する電流が流れる。
【００６３】
従って、主コイル１２０を励磁するだけで、もう一方の主コイル１２１も励磁される。
従来のコイルの接続構成は、クライオスタット内の両主コイル共電気的に直列に接続されているので、本例よりもコイルのインダクタンスが大きく、それだけ励磁電圧も大きな電源が必要であったが、本例によれば低容量の電源でよいことになる。
【００６４】
図１２は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１０の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第１０の実施の形態では、図１２に示すようにクライオスタット１２３内に配置される主コイル１３０ａ，１３０ｂを電気的に直列接続すると共に、その両端を励磁電源１２４に各コイルが同方向の磁場もしくは対向する磁場を発生するように接続し、且つ両端が短絡された補助コイル１３１ａ，１３１ｂをそれぞれ設けるものである。
【００６５】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル１３０ａ，１３０ｂを励磁すると、補助コイル１３１ａ，１３１ｂにはそれぞれ主コイルとは逆向きの磁場を発生する電流が誘起されるので、補助コイル用の電源が不要となる。
【００６６】
図１３は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１１の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第１１の実施の形態では、図１１に示すコイル接続構成に加えて、図１２と同様に補助コイル１３１ａ，１３１ｂを設ける構成とするものである。
【００６７】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル１２１は主コイル１２０に対して対向するようにコイルを配設することによりカプス磁場を発生し、且つ補助コイル１３１ａ，１３１ｂは各々の主コイルが発生する磁場と逆向きの磁場を発生することにより、第９の実施の形態及び第１０の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力が向上し、且つコイルの起磁力を低くすることができる。
（２）真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したので、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
（３）軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、２ヶのコイルのうち、１ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場（カプス磁場）を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。
【図３】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第２の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図。
【図５】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第３の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図６】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第４の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図７】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第５の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図８】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第６の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図９】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第７の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図１０】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第８の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図１１】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第９の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１２】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１０の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１３】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１１の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１４】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図。
【図１５】図１４のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。
【図１６】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成図。
【図１７】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成図。
【符号の説明】
２ａ，２ｂ……超電導コイル
３１……クライオスタット
３１ａ，３１ｂ……円筒体
３１ｃ……上部板
３１ｂ……下部板
４０……ヘリウム容器
４１……冷媒
４２……輻射シールド
５１……真空容器
５２……後板
５３……側面板
５４……フレーム
５５……Ｕ字状の内板
５６……前板
５７……上板
５８……下板
６０……磁性体
７１……上補助板
７２……下補助板
７３……側面補助板
８０……補助リング
９１……上板
９２……下板
９３……外板
１００……補助コイル
１１０……外板
１２０，１２１……主コイル
１２３……クライオスタット
１２４……励磁電源
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体用結晶引上装置に使用される超電導磁石において、特に磁場を発生する超電導磁石の漏れ磁場を低減するようにした結晶引上装置用超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体用結晶引上装置において、融解した半導体結晶材料から結晶を引上げる際、融解した半導体結晶材料に静磁場を与えて熱対流による運動を阻止する目的で超電導磁石装置が使用されている。
【０００３】
図１４はかかる従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図であり、図１５は図１４のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。
この超電導磁石装置は、図１４に示すように全体としてコ字形のクライオスタット１の中に２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き３が結晶の引上方向４に対して直交するようにしたものである。
【０００４】
上記クライオスタット１は図１５に示すようにヘリウム容器４０の中に超電導コイル２ａが内蔵されており、コイル２ａは液体ヘリウム等の冷媒４１に浸されている。また、ヘリウム容器４０の外側には輻射シールド４２が設けられ、さらにヘリウム容器４０及び輻射シールド４２全体を真空容器４３の中に内蔵し、全体としてクライオスタットを構成している。
【０００５】
上記の例では１個の輻射シールドを設ける場合を示したが、必要に応じて２重にして輻射シールドを設ける場合もある。
また、ヘリウム容器４０の中に設けられた超電導コイル２ａ，２ｂを液体ヘリウム等の冷媒を用いず冷凍機でコイルを超電導状態まで冷却する方式もある。この場合は図１５において、ヘリウム容器と冷媒がない構成となる。
【０００６】
この例はコ字形のクライオスタット１の中央部に有するボア５内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
また、図１６は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は、内筒及び外筒からなる二重円筒形のクライオスタット１１の中に図１４と同様に２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き３が結晶の引上方向４に対して直交するようにしたものである。
【０００７】
この例はクライオスタット１１の内筒の内側に有する常温空間であるボア１２内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
【０００８】
さらに、図１７は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は二重円筒形のクライオスタット３１の中に軸方向に適宜の間隔を存して２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場３０ａ，３０ｂを発生することでカスプ磁場を形成するようにしたものである。なお、この場合には結晶引上装置はボア３２内に置かれ結晶引上げ方向４は図１７に示す方向となる。このカプス磁場では図中６の線上では磁場がゼロとなるため、この線上で結晶を引き上げることにより、図１４、図１６の場合に比較して質のよい結晶が得られると言われている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の結晶引上装置用超電導磁石装置において、クライオスタットの真空容器はステンレスやアルミニウム等の非磁性材料が用いられているため、超電導コイルより発生する磁場が磁石の外部に漏れ出し、周辺のモータや磁性体からなる構造部材等に影響を与えていた。この場合、磁性体と超電導コイルは互いに吸引力が働き、その力は磁性体の体積、重量と磁場勾配に比例するので、磁性構造部材や磁石が大型化すると吸引力も大きくなる。
【００１０】
従って、構造部材を高価な非磁性材料にしたり、コイルを支持するクライオスタット内のサポートの断面を大きくしなければならなくなり、熱侵入量の大きいクライオスタットになるという問題がある。
【００１１】
また、クライオスタットの近傍にモータや磁場の影響を受け易い計測機器があると、誤動作につながる要因となる。
さらに、漏れ磁場が大きいと隣接した超電導磁石同志が互いの漏れ磁場の影響を受け、ボア内に必要な磁場強度や磁場分布を乱すことがあるため、隣接する磁石と結晶引上装置の設置間隔を広くとる必要があり、設置スペースを有効に利用することができなかった。
【００１２】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、比較的安価にして漏れ磁場を低減でき、しかも小型軽量化に最適な結晶引上装置用超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により結晶引上装置用超電導磁石装置を構成するものである。
請求項１に対応する発明は、環状に形成された超電導コイルをその軸方向に対峙させ、これらの超電導コイルを各々包囲するように設けられた環状の輻射シールドと、これらの環状の輻射シールドをコイル内径部分に空間を有するように包囲する２重円筒形の真空容器とからなり、この空間に結晶引上装置を配設した結晶引上装置用超電導磁石装置において、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に、磁石内径側もしくは外径側の少なくとも一方に張出す磁性部材からなる補助リングを設けたものである。
【００１４】
請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、結晶引上装置に相対面する真空容器部分は従来と同様の非磁性材なので、今まで通り結晶引上装置に必要な磁場強度と磁場分布を確保することができ、近接しない他の部材は磁性体なので、漏れようとする磁場は磁性体に吸収され、漏れ磁場を低減することができる。また、相対面する側の真空容器のＵ字状の内板部材を非磁性材とし、内板の前方開口端および相対面しない側の他の真空容器部材を磁性材としているので、磁場印加を必要とする部分の磁場強度を高めることができるだけでなく、結晶引上装置軸上の漏れ磁場を軽減することができる。
【００２１】
請求項１に対応する発明の単結晶引上装置用電磁石装置にあっては、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【００２２】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したものである。
【００２３】
請求項２に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、多層板とすることで、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
【００２４】
請求項３に対応する発明は、請求項１に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、上下コイルのいずれか一方のコイルを電気的に短絡したものである。
【００２５】
請求項３に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、２ヶのコイルのうち、１ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場（カプス磁場）を発生する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１の実施の形態の一部を示す縦断面図、図２は同装置全体の横断面図である。
【００３４】
図１及び図２において、５１は真空容器で、この真空容器５１は後板５２と一対の側面板５３とでコ字形に形成されたフレーム５４と、このフレーム５４内に設けられたボアを形成するＵ字状の内板５５と、この内板５５とフレーム５４の前方端部間を閉塞する前板５６と、これらフレーム５４及び内板５５の上部開口端および下部開口端を閉塞する上板５７および下板５８から構成されている。
【００３５】
この真空容器５１内にはリング状の２つの超電導コイル２ａ，２ｂ（図１ではその一方の超電導コイル２ａを示す）を容器の中心軸方向に対峙させ、且つ液体ヘリウム等の冷媒４１に浸漬させて内蔵したヘリウム容器４０が設けられ、このヘリウム容器４０を包囲するようにその外側に輻射シールド４２が設けられ、全体としてクライオスタットを構成している。
【００３６】
第１の実施の形態では、このような構成のクライオスタットにおいて、真空容器５１の構成部材の内、後板５２、側面板５３、前板５６、上板５７及び下板５８を磁性体からなる材料で構成し、またボアに挿入される図示しない結晶引上装置に相対面する内板５５を非磁性材料で構成するものである。
【００３７】
従って、このようなクライオスタットとすれば、真空容器５０を構成する後板５２、側面板５３、前板５６、上板５７及び下板５８を磁性材料とし、内板５５のみ非磁性材料としているので、超電導コイル２ａ，２ｂより発生する磁場は磁性体により吸収されて外部に漏れ出すことがなく、周辺のモータや磁性体からなる構造物等に影響を与えることがない。また、真空容器５１は内板５５を除く他の部材を磁性体として磁気シールドを兼ねているので、全体として小形、軽量化が可能となり、従来のように真空容器全体を非磁性材で構成したものに比べて比較的安価になる。
【００３８】
さらに、磁気シールドによって磁場の一部が閉込められるので、ボア中心の磁場強度が高くなる。即ち、磁気シールドなしのコイルに比べて起磁力（アンペアターン数）が少なくてすみ、電流値の低い低容量の電源でよく、巻回数の少ない、超電導コイルで良いことになる。
【００３９】
上記実施の形態では、コの字形のフレーム５４と内板５５とで真空容器を構成する場合について述べたが、円筒形やカスプ磁場形のクライオスタットについても結晶引上げ装置に相対面する真空容器部材を非磁性部材とし、それ以外の真空容器部材を磁性材料で構成することにより、前述同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
図３は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第２の実施の形態の一部を示す縦断面図、図４は同装置全体の横面図であり、図１及び図２と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４１】
第２の実施の形態では、図３及び図４に示すように真空容器５１の構成部材の一部であるＵ字状の内板５５の前方開口端部を磁性体６０により構成したものである。
【００４２】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内板５５の前方開口端部を磁性体６０とすることにより、上板５７及び下板５８の内板側端部から漏れる磁力線を内側へ吸収することができ、磁石の上下面で且つ結晶引上装置軸線上の漏れ磁場をさらに低減することができる。また、真空容器５１の開口部の漏れ磁場を磁性体６０により吸収し、低減することができる。
【００４３】
図５は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第３の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４４】
第３の実施の形態では、図５に示すように真空容器５１の上板５７とコイル２ａとの間の距離Ｙが側面板５３とコイル２ａとの間の距離Ｘより小さい場合は、上板５７の板厚ｔ２を側面板５３の板厚ｔ１より厚くするものである。
【００４５】
図示しない前板及び後板については第１の実施の形態と同様である。
従って、このようなクライオスタットとすれば、コイル２ａまでの距離の小さい方の板厚を距離の大きい方の板厚より厚くすることで、磁場の強いコイルに近い側をより漏れ磁場を吸収することができる。これにより、全ての磁性真空容器部材を厚くする必要がなく、全体として軽量にすることができるる。
【００４６】
図６は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第４の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００４７】
第４の実施の形態では、図６に示すように真空容器５１の上板５７及び下板５８と側面板５３のコイルと対応する内面に所定厚みの上補助板７１及び下補助板７２と側面補助板７３をそれぞれ取付けるものである。この場合、各補助板７１〜７３は磁性材料で構成され、機械的或いは冶金的に接合される。
【００４８】
従って、このようなクライオスタットとすれば、最も磁場の高いコイル周辺の漏れ磁場を吸収するので、他の部材は肉厚の薄いものでよく、真空容器の軽量化を図ることができる。
【００４９】
上記実施の形態では、補助板を各板の内面に設けたが、外面に設けるようにしても良い。
図７は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第５の実施の形態の一部を示す縦断面図であり、図１７と同一部分には同一符号を付して説明する。
【００５０】
図７に示す超電導磁石装置は、図７に示すように二重円筒形のクライオスタット３１の中に軸方向に適宜の間隔を存して２つの超電導コイル２ａ，２ｂを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場３０ａ，３０ｂを発生することでカプス磁場を形成するようにしたものである。
【００５１】
このような構成の超電導磁石装置において、第５の実施の形態では真空容器を構成する外側の円筒体３１ａ及びこの外側の円筒体３１ａと内側の円筒体３１ｂの開口端部間に設けられる上部板３１ｃ及び下部板３１ｄを磁性材料で構成（図示ハッチング部分）すると共に、内側の円筒体３１ｂを非磁性材料で構成し、且つ外側の円筒体３１ａの２つの超電導コイル２ａ，２ｂ間に対応する内面に磁性材料からなる補助リング８０を取付ける構成とするものである。図中、３２は結晶引上装置が挿入される空間部（ボア）の直径である。
【００５２】
従って、このような構成のクライオスタットとすれば、外側の円筒体３１ａの漏れ磁場の大きい部分である上下一対の超電導コイル２ａ，２ｂの軸方向中央部に対応する面に磁性体が付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【００５３】
図８は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第６の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【００５４】
第６の実施の形態では、図８に示すように真空容器を構成するコ字形のフレームの図示しない後板、両側面板５３、上板５７及び下板５８を、磁性材料からなる上板９１、下板９２、外板９３及び非磁性材料からなるＵ字形の内板５５とで多層にして覆うように設ける構造とするものである。
【００５５】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内側の磁性体からの漏れ磁場を外側の磁性体でさらに低減することができる。
図９は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第７の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すものである。
【００５６】
第７の実施の形態では、図９に示すように超電導コイル２ａとこの超電導コイルより径の大きな補助コイル１００を並設し、超電導コイル２ａに対して逆向きの磁場を発生するようにするものである。この場合、超電導コイル２ａの対峙するコイルの対象軸Ｌとコイルの中心軸Ｍとの交点Ｎと超電導コイル２ａの外径部対象軸側角部と反対側角部とを結ぶ線とこの角部の対象線上の内径部対称軸と反対側角部とを結ぶ線でとでなす角度ｇの範囲外に補助コイル１００の導体中心Ｐがある場合、例えば図９に示す交点Ｎを中心にコイル巻線中心軸Ｍを超電導コイル２ａのコイル内径部の対称軸Ｌと反対側の角部とを結ぶ線とでなす角度ｈの範囲内にある場合は中心軸Ｍ上の漏れ磁場の低減には有効であるが、対象軸Ｌ上の漏れ磁場低減には有効ではない。また、補助コイル１００の導体中心Ｐが角度 （ｇ＋ｈ）より大きい範囲にある場合は上記とは逆になり、対象軸Ｌ上は有効であるが、中心軸Ｍ上は有効ではなくなる。
【００５７】
本実施の形態では、補助コイル１００の導体中心Ｐがその断面が対峙する主たる超電導コイル２ａの対象軸Ｌとコイル巻線中心軸Ｍの交点Ｎから超電導コイル２ａの断面を見込んだ角度ｇに入るように構成するものである。
【００５８】
従って上記のような構成のコイルを備えたクライオスタットによれば、補助コイル１００によって主コイルの発生する漏れ磁場を主コイルの外径方向（対象軸Ｌ方向）と中心軸Ｍ方向の両方を同時に効率良く打ち消すことができ、全体として起磁力の小さい効率の良い磁石を構成することが可能であり、磁性体を用いた磁気シールド方法よりさらに軽量化することができる。
【００５９】
図１０は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第８の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すもので、図９と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００６０】
第８の実施の形態では、第７の実施の形態の構成に加えて、さらに磁性材からなる外板１１０を真空容器の一部として構成するものである。
従って、上記のような構成のクライオスタットによれば、さらに漏れ磁場を低減することができ、また主コイルや補助コイルの起磁力を小さくすることが可能である。図の例では磁性材からなる外板を真空容器の一部としたが、真空容器とは別の部材として、真空容器の内側又は外側に付加するようにしても同様の効果を得ることができる。
【００６１】
図１１は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第９の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第９の実施の形態では、クライオスタット１２３内に対峙して配設される一対の主コイル１２０，１２１を直列に接続すると共に、主コイル１２０を励磁電源１２４に接続し、主コイル１２１の両端を短絡させて励磁電源１２４の一端に接続する構成とするものである。
【００６２】
このようなコイル接続構成のクライオスタットにおいて、一方の主コイル１２０は外部の励磁電源１２４により励磁され、磁場を発生する。この時、クライオスタット１２３内で電気的に短絡された主コイル１２１は、主コイル１２０が励磁中に発生する磁場の時間変化により主コイル１２０とは同じ電流値で、逆向きの磁場を発生する電流が流れる。
【００６３】
従って、主コイル１２０を励磁するだけで、もう一方の主コイル１２１も励磁される。
従来のコイルの接続構成は、クライオスタット内の両主コイル共電気的に直列に接続されているので、本例よりもコイルのインダクタンスが大きく、それだけ励磁電圧も大きな電源が必要であったが、本例によれば低容量の電源でよいことになる。
【００６４】
図１２は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１０の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第１０の実施の形態では、図１２に示すようにクライオスタット１２３内に配置される主コイル１３０ａ，１３０ｂを電気的に直列接続すると共に、その両端を励磁電源１２４に各コイルが同方向の磁場もしくは対向する磁場を発生するように接続し、且つ両端が短絡された補助コイル１３１ａ，１３１ｂをそれぞれ設けるものである。
【００６５】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル１３０ａ，１３０ｂを励磁すると、補助コイル１３１ａ，１３１ｂにはそれぞれ主コイルとは逆向きの磁場を発生する電流が誘起されるので、補助コイル用の電源が不要となる。
【００６６】
図１３は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１１の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第１１の実施の形態では、図１１に示すコイル接続構成に加えて、図１２と同様に補助コイル１３１ａ，１３１ｂを設ける構成とするものである。
【００６７】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル１２１は主コイル１２０に対して対向するようにコイルを配設することによりカプス磁場を発生し、且つ補助コイル１３１ａ，１３１ｂは各々の主コイルが発生する磁場と逆向きの磁場を発生することにより、第９の実施の形態及び第１０の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力が向上し、且つコイルの起磁力を低くすることができる。
（２）真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したので、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
（３）軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、２ヶのコイルのうち、１ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場（カプス磁場）を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。
【図３】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第２の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図。
【図５】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第３の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図６】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第４の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図７】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第５の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図８】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第６の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図９】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第７の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図１０】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第８の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図１１】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第９の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１２】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１０の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１３】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第１１の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図１４】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図。
【図１５】図１４のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図。
【図１６】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成図。
【図１７】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成図。
【符号の説明】
２ａ，２ｂ……超電導コイル
３１……クライオスタット
３１ａ，３１ｂ……円筒体
３１ｃ……上部板
３１ｂ……下部板
４０……ヘリウム容器
４１……冷媒
４２……輻射シールド
５１……真空容器
５２……後板
５３……側面板
５４……フレーム
５５……Ｕ字状の内板
５６……前板
５７……上板
５８……下板
６０……磁性体
７１……上補助板
７２……下補助板
７３……側面補助板
８０……補助リング
９１……上板
９２……下板
９３……外板
１００……補助コイル
１１０……外板
１２０，１２１……主コイル
１２３……クライオスタット
１２４……励磁電源
Claims (3)
- 環状に形成された超電導コイルをその軸方向に対峙させ、これらの超電導コイルを各々包囲するように設けられた環状の輻射シールドと、これらの環状の輻射シールドをコイル内径部分に空間を有するように包囲する２重円筒形の真空容器とからなり、この空間に結晶引上装置を配設した結晶引上装置用超電導磁石装置において、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に、磁石内径側もしくは外径側の少なくとも一方に張出す磁性部材からなる補助リングを設けたことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
- 請求項１に記載の結晶引上装置用超電導磁石装置において、真空容器の磁性体部材を間隙を設けた多層板の集合体で構成したことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
- 請求項１記載の結晶引上装置用超電導磁石装置において、上下コイルのいずれか一方のコイルを電気的に短絡したことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
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