JP4385394B2 - クライオスタット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非破壊生体検査システムとして、例えば極低温におけるジョセフソン効果を利用して脳などの生体磁気を計測するＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）磁束計測システムに使用される測定センサ等を冷却保持するためのクライオスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来のクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
図４において、クライオスタット１は、内槽２と外槽３によりその本体が形成されており、それらは例えばガラス繊維強化プラスチック（Glass Fiber Reinforced Plastics、以下ＧＦＲＰと記す）を素材として形成されている。
【０００３】
そして、内槽２は有底円筒状の本体部２ａと、本体部２ａの上部に本体部２ａよりも径を絞られて形成された円筒状のネック部２ｂとからなり、本体部２ａの底部は人の頭部に適合するように円弧状に形成されている。
【０００４】
そして、生体検査用のセンサ（ＳＱＵＩＤセンサアレー）４がネック部２ｂより内槽２の本体部２ａ内に挿入されて円弧状の底部に設置され、このセンサ４を冷却する冷媒として例えば液体ヘリウムがネック部２ｂより本体部２ａの内部に充填され、ネック部２ｂの内部には断熱材５が設けられている。
【０００５】
外槽３は、内槽２を囲むように配置され、外槽３の内壁と内槽２の外壁との間には真空層６が形成されている。
また、外槽３の側面には真空層６に連通する真空引口３ａが形成され、外槽３の底部は内槽２の円弧状の底部を囲むように形成されて、その外部に脳磁計測部３ｂが形成されている。
【０００６】
そして、ネック部２ｂの側面には、例えば銅からなるドーナツ状の高温用のサーマルアンカ７ａ、低温用のサーマルアンカ７ｂが順次内槽２の下方に接続されて真空層６内に配置されている。
これらのサーマルアンカ７ａ，７ｂは、例えば銅などで形成された熱伝導率が高く、かつ熱容量の高い熱溜めである。
【０００７】
そして、このサーマルアンカ７ａ，７ｂには、それぞれ例えば銅からなる網状で外部からの輻射熱をシールドするサーマルシールド８ａ，８ｂが互いに熱伝導可能に接続され、サーマルシールド８ｂを内側、サーマルシールド８ａを外側として内槽２を順次取り囲むように真空層６内に配置されている。
【０００８】
この場合、低温用のサーマルアンカ７ｂに接続されたサーマルシールド８ｂは、内槽２の円弧状の底部近傍の真空層６内においては人の頭部に適合する円弧状に形成されている。また、サーマルアンカ７ｂ下部のネック部２ｂの周囲には真空層６内のガスを吸着するために例えば活性炭等の吸着材９が巻き回されて設けられている。
【０００９】
次に図４に示したクライオスタットにおいて外部からの熱の侵入を防止するサーマルシールド効果について説明する。
内槽２内の液体ヘリウムは外部からの放射・伝導による侵入熱で少しづつ蒸発し、蒸発したヘリウムはネック部２ｂと断熱材５の隙間を上昇し、その際にネック部２ｂが冷却され、ガスが熱を吸収し熱交換が行われる。
【００１０】
そして、２段に構成されたサーマルアンカー７ａ，７ｂが冷却されることにより、同様に２段に構成されたサーマルシールド８ａ，８ｂが冷却され、外槽３の外部から侵入する輻射熱を吸収することで、内槽２に熱が伝わらないようにしており、これをサーマルシールドと呼んでいる。
【００１１】
そして、高温用のサーマルシールド８ａは例えば１００〜１８０Kと比較的温度が高く、低温用のサーマルシールド８ｂは２０〜５０Kと低く設定され、サーマルシールド８ａ，８ｂとの間、内槽２、外槽３の壁との間隙は、アルミを蒸着したスーパーインシュレーションと呼ばれるフィルム状の薄膜（図示せず）を互いに接触しないように挟んで多数枚組込み、多重の熱シールドを実現することで輻射による熱侵入を極めて低くするようにしている。
【００１２】
このようなクライオスタット１の製造においては、ガス分子による伝熱を下げる為に、クライオスタット１を恒温槽に入れて全体の温度を上昇させ、この状態で真空ポンプを真空引口３ａに接続して1週間〜1ヶ月の長時間真空引きをする。しかし、生体磁気計測用クライオスタットはＧＦＲＰなどのプラスチックを素材とするため、素材中の水分を主成分とする脱ガスがあり高真空は望めない。
【００１３】
そして、液体ヘリウムなどの冷媒を内槽２の内部に注入するため、内槽２の壁面などが冷却されてクライオポンプ効果で、結果的には真空層６に存在するヘリウムガス以外の気体の分圧は、内槽２の外壁面付近は極めて低くなり断熱効果が出てくる。
一般的に、真空層６内の気体分子の密度は外槽３の内側から内槽２の外側に向かって小さくなっていると考えられている。
【００１４】
しかし、高温用のサーマルシールド８ａなどは気体分子がある程度の密度で存在するため冷却前の全体の初期真空度が高ければ、その分だけ気体分子による外槽３付近の熱輸送が少なくなる。このため、真空引きは出来る限り真空度が上昇するように実施される。
【００１５】
一方、クライオポンプが効かないヘリウムガスは活性炭などの多孔質の吸着材９で吸収され、総合的には内槽２の壁面近傍の真空度は高くなりガスによる熱侵入は極めて小さくなる。
そして、その結果として液体ヘリウムの蒸発速度はわずかなものとなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなクライオスタットには次のような問題点があった。
１．製作時の真空引きに長時間かかるのは、ＧＦＲＰの素材そのものの脱ガスとともに、スーパーインシュレーションと呼ばれる輻射防止用のフィルムの表面積が極めて大きく、吸着した水分等の脱ガスが多いことと併せ、脱ガスを促進する温度まで上昇させるとGＦＲＰの構造材や接着剤への悪影響があるいため、比較的低温で真空引きをせざるを得ないことによる。
【００１７】
このため、全体をくまなくゆっくりと温度上昇させ、歪をできるだけ与えないようにしながら時間をかけて温度を上げた後、真空引きをしなければならない。また、温度を上昇させるための大型恒温槽の設備も必要で時間とコストがかかり、なおかつ脱ガスの効果を狙うには比較的低温なため真空度もさほど上がらないという問題点がある。
【００１８】
２．液体ヘリウムを冷媒とする生体磁気計測用のクライオスタットはＧＦＲＰできているため、ガスの微少な透過は免れることができない。
外槽３の内壁と内槽２の外壁の隙間が狭い部分などのサーマルシールドの弱い部分は特に、透過したガスがある程度以上になり真空度が低下してくると結露することがある。
また、内槽２のネック部２ｂは蒸発ガスで熱交換しているものの、比較的温度の高い部分で、フランジ付近では常温に近い。
【００１９】
ＧＦＲＰは温度が高いとヘリウムガスを透過するため、常にこの部分からヘリウムガスが真空層６内に供給されているが、その量はばらついている。
通常、ヘリウムガスを吸着させるのに十分な容量を持つ吸着材９を内蔵させるが、透過量が多いと時間の経過と共に吸着しきれないガスが内部の真空度を下げていき、蒸発量が上昇することがある。
これらの原因で蒸発量が上昇した際は、一旦クライオスタット１を常温に戻し、ポンプで真空引きをしなければならない。
【００２０】
真空引きの頻度はクライオスタット１の出来や、製造初期の真空度でばらつくが、1年から5年程度である。このようなメインテナンス時は、常温のまま真空引きするため、真空度はそれほど上がらない。
真空度の劣化が激しい場合や、早く真空度を上げる場合は、製造時同様クライオスタット１を恒温槽に入れて全体の温度を上昇させ、真空層６の容器内壁及び吸着材９からの脱ガスを促進させる必要がある。
【００２１】
しかし、クライオスタット１内にはセンサ４が組込まれている為温度はそれほど上げられず、またセンサ４を取り出すとしても、その作業コストと時間は製造時以上にかかることになり大きな問題となる。
【００２２】
一方、生体磁気計測用のセンサ４の交換が必要になることが時としてあり、このような場合にも液体ヘリウムを全て蒸発させて内部温度を室温まで上げねばならず、やはり時間がかかる。
温度を上昇させるため、外部から内槽２内などにガス供給したり、内槽２内にヒータを組込むなどの手段で強制的に温度をあげることも考えられるが、内槽２やセンサ４、内部ケーブルは局部的な温度上昇による歪に対して強くはないため、通常このようなことはしない。
【００２３】
クライオスタット１は外部からの熱侵入が極めて小さいため、液体ヘリウムを抜いてメインテナンスする際、常温に戻るまで少なくとも1週間から2週間が必要となる。液体ヘリウムが内部に残っている場合は、さらに自然蒸発までの時間が必要となる。また真空引きには少なくとも数日〜1週間はかかる。したがって、これらのメインテナンスは非常に時間がかることと併せ、手間がかかることも大きな問題となる。
【００２４】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、機器に熱的な損傷を加えることなく、メインテナンス時間及びメインテナンスの手間を低減すると共に、製造時の真空引きのコストと真空引き時間を低減、短縮することができるクライオスタットを実現することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１においては、内部に生体検査用のセンサが設置されると共に前記センサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、前記内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との間に真空層を形成する外槽と、前記ネック部に接続されて前記真空層に配置されるサーマルアンカーと、前記サーマルアンカーに接続されて前記真空層に配置されるサーマルシールド、とを有するクライオスタットにおいて、前記サーマルアンカーと前記サーマルシールドの少なくともいずれかを加熱する少なくとも一つのヒータを設けたことを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項２においては、請求項１記載のクライオスタットにおいて、前記サーマルシールドは網状であり、前記ヒータは前記サーマルシールドに編み込まれるか巻き回されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項３においては、請求項１または請求項２記載のクライオスタットにおいて、前記真空層に配置されガスを吸着する吸着材と、この吸着材を加熱するヒータを設けたことを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項４においては、請求項３記載のクライオスタットにおいて、前記ヒータは前記吸着材の周囲または内部に配置されることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
尚、以下の図面において、図４と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
図１は本発明によるクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【００３２】
図１において、１０ａ，１０ｂはサーマルアンカー７ａ，７ｂに熱伝導可能に固定されたヒータであり、通電されることにより真空層６を加熱する。
ヒータ１０ａ，１０ｂは、例えばセラミックまたはマンガニンなどの高抵抗の金属線であり、外部より通電するための引出線１１を兼用するようにしても良い。
【００３３】
尚、引出線１１は熱伝導による外部からの熱侵入を低減させるためにネック部２ｂの周囲に巻き付けられている。尚、引出し線１１は細い銅線などでもよい。また、図には示さないが、ヒータ１０ａ，１０ｂの近傍に熱電対などの温度センサを設置して外部に引き出し、温度をモニタできるようにしてもよい。
【００３４】
尚、真空層６を加熱するために、サーマルアンカー７ａ，７ｂ以外に、内槽２の外壁と外槽３の内壁の両方またはいずれか一方にヒータ線（図示せず）を設置するようにしても良い。
【００３５】
また、サーマルシールド８ａ，８ｂは通常、網状の銅等で作成されるが、この網状にヒータ線（図示せず）を編み込むか、巻き付けるなどして全体が一様に加熱される構造にしても良い。
【００３６】
１２は吸着材９を加熱するために熱伝導可能に接触させたヒータであり、吸着材９に熱を均一に伝播させるために吸着材９の周囲に巻き回されている。
また、ヒータ１２は、図２に示すように吸着材９の内部に配置しても良い。
【００３７】
図２において、９は活性炭等の吸着材、１３はこれを保持する為の紙などの多孔質の容器、１４は引出線であり、吸着材９の内部にヒータ１２が設置されている。
図３は吸着材９を連続して接続した場合の構成例を示すものであり、この連続して接続された吸着材９は、ネック部２ｂの周囲に巻き回される。
【００３８】
次に、図１に示したクライオスタットの動作について説明する。
ヒータ１０ａ，１０ｂに電流を供給すると、サーマルアンカー７ａ，７ｂの温度が上昇し、サーマルアンカー７ａ，７ｂに接続されたサーマルシールド８ａ，８ｂも徐々に熱伝導により温度上昇し、真空層６内は全体的に均一に温度が上昇する。
【００３９】
この場合、熱伝達経路はサーマルアンカー７ａ（７ｂ）→サーマルシールド８ａ（８ｂ）、サーマルアンカー７ａ（７ｂ）→ネック部２ｂであるため、脱ガスを促進した部分から先に温度上昇させることができる。
【００４０】
従って、製造時においてはネック部２ｂや内槽２の内側を例えば空冷などで冷却させながら、真空層６内にある構造材（スーパーインシュレーションを含む）のみの温度を上昇させ、接着部や構造部の温度を上げることなく効果的な真空引きを実施することができる。
また、メインテナンス時では、低い温度にあるときでも内槽２及び外槽３に熱的なストレスを与えずに徐々に温度を上げることができる。
【００４１】
また、網状のサーマルシールド８ａ，８ｂに編み込むか、巻き付けられたヒータ（図示せず）に電流を供給すると、サーマルシールド８ａ，８ｂが直接加熱されて真空層６内の温度が上昇する。
この場合、製造時、メインテナンス時において、サーマルアンカー７ａ，７ｂにヒータ１０ａ，１０ｂを設置した場合と同様の効果を得ることができるとともに、サーマルアンカー７ａ，７ｂにヒータ１０ａ，１０ｂを設置した場合に比較してより小さい電流で温度を上昇させることができる。
【００４２】
また、内槽２の外壁と外槽３の内壁の両方またはいずれか一方に設置されたヒータ（図示せず）に電流を供給すると、それらの壁面全体が加熱されて真空層６内の温度が上昇する。
この場合、サーマルアンカー７ａ，７ｂにヒータ１０ａ，１０ｂを設置する場合と比較してより小さい電流で温度を上昇させることができる。
【００４３】
また、内部の冷媒に直接大量の熱を供給できる為、より早く蒸発を促したり、容器の温度を上昇させることができる。
また、壁面に接触させたヒータに給電して全体の温度を室温以上に上昇させることで、真空引きの際には脱ガスを促して、より早い真空度の上昇を得ることが出き、さらにヒータを外槽３の内壁に設置して加熱した場合、外槽３の壁面の脱ガスも促進することができる。
【００４４】
そして、吸着材９に接続されたヒータ１２に電流を供給し、吸着材９の温度をガスが放出される温度まで上昇させて吸蔵ガスを排出させることにより、容器全体の温度を上昇させなくても、速やかに吸着材を再生させることができる。
従って、容器へ熱ストレスを与えて劣化させることなく、早い真空引きが可能となる。
【００４５】
また、図２及び図３に示したように、吸着材９の内部にヒータ１２を設けた場合は、周囲に熱を奪われること無く効果的に吸着材９の温度のみを上昇させることができるため、吸蔵ガスの放出により吸着材９の再生の速度がさらに向上する。
この場合、水など離脱温度の高いガスも、周囲の温度をそれほど上昇させること無く吸着材９の温度のみを上昇させることが出来る為、周囲の構造材への影響をさらに少なくすることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、真空層を加熱するためのヒータをサーマルアンカとサーマルシールドの少なくとも一つに設けるようにしたので、機器に熱的な損傷を加えることなく、メインテナンス時間及びメインテナンスの手間を低減すると共に、製造時の真空引きのコストと真空引き時間を低減、短縮することができるクライオスタットを実現することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、真空層内に設けられた吸着材を加熱するヒータを設けたので、機器全体の温度を上昇させること無く、速やかに吸着材を再生させることができ、機器に熱的な損傷を加えることなく、メインテナンス時間及びメインテナンスの手間を低減すると共に、製造時の真空引きのコストと真空引き時間を低減、短縮することができるクライオスタットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【図２】吸着材の内部にヒータを配置した場合の構成図である。
【図３】内部にヒータを配置した吸着材を連結させた場合の構成図である。
【図４】従来のクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１ クライオスタット
２ 内槽
２ｂ ネック部
３ 外槽
４ センサ
５ 断熱材
６ 真空層
７ａ，７ｂ サーマルアンカ
８ａ，８ｂ サーマルシールド
９ 吸着材
１０ａ，１０ｂ，１２ ヒータ

Claims (4)

1. 内部に生体検査用のセンサが設置されると共に前記センサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、前記内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との間に真空層を形成する外槽と、前記ネック部に接続されて前記真空層に配置されるサーマルアンカーと、前記サーマルアンカーに接続されて前記真空層に配置されるサーマルシールド、とを有するクライオスタットにおいて、
   前記サーマルアンカーと前記サーマルシールドの少なくともいずれかに、前記真空層を加熱するヒータを設けたことを特徴とするクライオスタット。
2. 請求項１記載のクライオスタットにおいて、
   前記サーマルシールドは網状であり、前記ヒータは前記サーマルシールドに編み込まれるか巻き回されていることを特徴とするクライオスタット。
3. 請求項１または請求項２記載のクライオスタットにおいて、
   前記真空層に配置されガスを吸着する吸着材と、この吸着材を加熱するヒータを設けたことを特徴とするクライオスタット。
4. 請求項３記載のクライオスタットにおいて、
   前記ヒータは前記吸着材の周囲または内部に配置されることを特徴とするクライオスタット。

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