JP4443127B2

JP4443127B2 - Biomagnetic field measurement device

Info

Publication number: JP4443127B2
Application number: JP2003048442A
Authority: JP
Inventors: 弘之田中; 義雄松岡; 正浩村上
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004259903A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体から発生する微弱な磁場を計測するＳＱＵＩＤセンサ冷却用クライオスタットに係り、特にセンサメンテナンス時等にクライオスタット内部を極低温から室温まで短時間で昇温可能なクライオスタットおよびそれを用いた生体磁気計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
生体磁場計測装置は、脳や心臓の活動に伴い発生する微弱な磁場を計測し、磁場強度の時間波形や磁場分布から脳機能又は心機能の診断や解明を目的としている。
【０００３】
脳や心臓で発生する磁場の強さは地磁気と比較して極めて小さく、唯一SQUID(Superconducting Quantum Interference Device：超電導量子干渉素子）を利用した高感度磁束センサを用いることにより計測が可能となっている。
【０００４】
このＳＱＵＩＤは超電導状態で動作するデバイスであり、センサ全体を超電導臨界温度以下に冷却しなければならない。そこでデュワあるいはクライオスタットと呼ばれる極低温格納容器内にセンサを設置し、同容器内に沸点が４.２Ｋである液体ヘリウムを貯蔵することで計測を実現している。
【０００５】
デュワは液体ヘリウムの蒸発をできるだけ抑えるため、様々な断熱手段を用いて外部環境から断熱されている。しかし、デュワ内のセンサに不具合が生じてセンサを交換する必要が生じた場合、この断熱材により、デュワ内の温度が、液体ヘリウムを排出した後でも室温に戻すために長時間を要するという問題があった。すなわち、センサメンテナンスに要する時間の大部分がセンサを室温に戻すための時間に充てられることになり作業効率は非常に悪い。
【０００６】
この問題を解決するため、特許文献１には強力な磁場を発生させる超電導マグネット冷却用デュワ内に加熱用ヒータを設け、このヒータによりデュワ内を急速に昇温させる技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２３３８４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
微弱な磁気を計測する生体磁気計測装置では、磁場に影響を与えるものをセンサ近傍に配すると雑音等が増加するため好ましくない。導電材料を配さなくてはならない場合は、そのままでは磁場により材料内に渦電流が発生して磁場を生じるので、渦電流が発生しないように導電材料を分割して配置する等の対策をしている。特許文献１記載の技術ではデュワ内にヒータを配置しているが、これではヒータに渦電流が発生して磁気計測に悪影響を与えることが懸念される。これは特許文献１記載の技術が磁場を発生させる装置に関る発明であり、生体磁気計測を対象としている装置ではないためと思われる。
【０００９】
本発明の目的は生体磁気計測に対する悪影響が少なく、かつメンテナンス時に短時間で昇温可能なデュワ及びそれを用いた生体磁気計測装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は、上部に開口部を持ち、内部に冷媒を貯蔵し、被冷却物を格納する内容器と、前記内容器との間に真空槽を形成するための外容器と、前記真空槽内に設置され、前記内容器と前記外容器の間に設置される積層断熱材と、を備えた生体磁場計測用クライオスタットにおいて、前記内容器表面の少なくとも１部には、該内容器の周囲を取り囲むように導体板が貼付けされている生体磁場計測用クライオスタットである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は従来のクライオスタットにおいてセンサを取り出す状態を示す断面図である。
【００１２】
従来のクライオスタットは、内容器３の底面の大きさと開口部の大きさが等しい形状であり、開口部の大きさよりも外径が小さなセンサ装着部１００に液体ヘリウム２を固定している。
【００１３】
センサ装着部１００は内容器３の開口部に挿入された断熱材８および内容器３の開口部を塞ぐための蓋１１と一体化することにより、内容器３から全ての液体ヘリウム２を同時に取り出すことが可能である。また、蓋１１の温度は室温であるため、液体ヘリウム２や内容器３が極低温状態にあってもセンサを外部に取り出す事が可能であった。
【００１４】
図１は従来の生体磁場計測用クライオスタットの横断面図である。クライオスタットは、上面に開口部を有し、内部底面にＳＱＵＩＤ磁束センサ１を設置し、液体ヘリウム２を貯蔵するための内容器３と、内容器３との間に真空断熱槽４を形成する外容器５と、真空断熱槽４内に設置され且つ一端が内容器３と熱的に結合した中間シールド６と、中間シールド６と外容器５の間に設置された積層断熱材７と、内容器３の上部開口部に挿入される開口部断熱材８により構成される。
【００１５】
内容器３および外容器５はガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）を加工して製作されている。中間シールド６は内容器３の開口部付近で内容器３と熱的に結合しており、内容器３の底部に貯蔵された液体ヘリウム２から蒸発したヘリウムガスの顕熱を利用して極低温に冷却されている。液体ヘリウム２を貯蔵し、極低温状態にある内容器３の周囲を室温よりも十分に低い温度に維持された中間シールド６で囲むことにより、室温である外容器５から極低温である内容器３への輻射熱量を低減している。
【００１６】
中間シールド６には、全体を均一に冷却するために高い熱伝導率が求められる。また同時に非磁性材料であることが必須事項である。そこで、非磁性であり熱伝導率の高い銅（無酸素銅）やアルミを用いて製作するのが一般である。しかし、中間シールド６を構成する銅やアルミは電気伝導性に優れた導体であり、外部磁場の変動に伴う電磁誘導現象により導体表面に渦電流が発生する。渦電流の周囲には磁場が形成されることから、渦電流の発生は生体磁場計測上重大な問題となる。特にＳＱＵＩＤ磁束センサ１の近傍での渦電流の発生はその影響が大きいことから、ＳＱＵＩＤ磁束センサ１近傍の中間シールド６は導体を短冊状に加工するなどして渦電流の発生を抑制している。
【００１７】
中間シールド６と外容器５の間の真空断熱槽４には、積層断熱材７を配置し、室温である外容器５から中間シールド６へ伝わる輻射熱量を低減している。積層断熱材７は薄いポリエステルシートの片面にアルミニウムを蒸着したものであり、シートを多層積層することにより高い断熱効果を発揮している。
【００１８】
内容器３の開口部には開口部断熱材８を配置している。開口部断熱材８は発泡ポリウレタンで製作されており、内部に多数存在する気泡が極低温に冷却されることにより液化し真空状態を形成するため、低温状態で高い断熱性能を発揮する。開口部断熱材８の外径は内容器３の開口部の内径よりも小さくなっており、内容器３の底部に貯蔵された液体ヘリウム２から蒸発したヘリウムガスが開口部断熱材８と内容器３の隙間を流れる構造となっている。これは隙間を流れるヘリウムガスと開口部断熱材８および内容器３との間で熱交換を行うことにより、開口部断熱材８および内容器３の壁を伝わる熱伝導による侵入熱量を低減するとともに、内容器３の開口部付近で熱的に結合している中間シールド６を冷却するためである。
【００１９】
開口部断熱材８は発泡ポリウレタン製の断熱材とアルミニウム薄板を交互に積層した構造となっている。アルミニウム薄板はポリウレタン部の温度を半径方向に均一化する役割を果たしている。
【００２０】
図４は本発明の一実施例であるクライオスタットの構造を示す断面図である。内容器３は底部にＳＱＵＩＤ磁束センサ１を格納するための面積を有し、内容器３の内部には液体ヘリウム２を貯蔵できる構造となっている。また内容器３と結合し、開口部の大きさが内容器３の底面の大きさよりも小さなネック部９を有する狭首型構造を採用することによって、室温部と極低温部間の熱伝導面積を低減し、熱伝導による侵入熱量が小さくなるようにしている。
【００２１】
ネック部９の内側には、熱伝導率が小さい発泡ポリウレタンで構成された断熱材と熱伝導率の高いアルミニウム板を交互に積層した開口部断熱材８を挿入している。開口部断熱材８を構成する断熱材およびアルミニウム板の外径はネック部９の内径よりも小さくなっており、液体ヘリウム２から蒸発したヘリウムガスは開口部断熱材８とネック部９の壁との間の隙間を流れる構造になっている。
【００２２】
これは、室温である蓋１１から液体ヘリウム２の液面に向かう輻射熱量を低減するだけでなく、蒸発したヘリウムガスが開口部断熱材８とネック部９の壁の隙間を流れることにより、ヘリウムガスとネック部９の壁との間の熱伝達を向上させ、ネック部９の壁を伝わり内容器３の内部に貯蔵した液体ヘリウム２に伝わる熱伝導による侵入熱量を低減することを目的としている。
【００２３】
内容器３，ネック部９および外容器５は熱伝導率が小さく、且つ極低温状態で高い強度を有するガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）であり、各パーツを高分子接着剤を用いて組立てるか、一体成形により製作されている。
【００２４】
内容器３の真空槽側表面と中間シールド６の表面には、表面にアルミニウムが蒸着されたテープを全面に貼付け、放射率を小さくし、内容器３が中間シールド６から受ける輻射熱量と中間シールド６が外容器５から受ける輻射熱量をそれぞれ低減している。
【００２５】
内容器３の真空槽側表面には導体薄板３１を貼付けている。導体薄板３１は外部磁場の変動に伴う電磁誘導現象により表面に渦電流が発生するため、導体薄板３１はＳＱＵＩＤ磁束センサ１の近傍ではなく、ＳＱＵＩＤ磁束センサ１から離れた内容器３とネック部９とが結合したフランジ部の周囲に取り付けている。
【００２６】
内容器３の真空槽側表面に貼り付けられた導体薄板３１は、複数のブロックにより形成されており、各ブロックは相互に絶縁されている。これは生体磁場計測上問題となる大きな渦電流の発生を抑制するためである。
【００２７】
導体薄板３１は、非磁性であり且つ導電体である必要があるため、銅やアルミ，ステンレス（ＳＵＳ３０４）が用いられる。特にステンレスは銅やアルミと比較して材料の比抵抗が大きく、渦電流損失が大きくなるため発熱量が増大する。
【００２８】
導体薄板３１は外部から交番磁界を加えることにより発熱するため、交番磁界を加えない通常使用時には単なる薄板に過ぎず熱侵入に影響を与えることはない。また非磁性体であるため生体磁場計測上問題を与えることもない。
【００２９】
中間シールド６と外容器５との間の真空断熱槽４には積層断熱材７を設置しており、外容器５から中間シールド６への輻射熱量を低減している。
【００３０】
図５は本発明におけるクライオスタットの一実施例における中間シールドの構造を示す図である。中間シールド６は、ネック部９と熱的に結合するフランジ部６１と側面部６２，センサ近傍部６４でそれぞれ材料寸法・形状が異なる。
【００３１】
中間シールド６のフランジ部６１は厚さ５mmの無酸素銅製である。板厚を厚くすることで熱容量を大きくし、中間シールド６全体の温度が安定する役割を果たす。
【００３２】
中間シールド６の側面部６２は厚さ０.５mm の無酸素銅製である。中間シールド６のフランジ部６１と側面部６２は銀ろうを用いて熱的に強固に結合されている。また、中間シールド６の側面部６２の表面には導体薄板６３を貼付けている。導体薄板６３は側面部６２の全体を覆う形状ではなく、側面部６２の一部にのみ取り付けられている。
【００３３】
中間シールド６のセンサ近傍部６４は、内容器３の内部に取り付けられたＳＱＵＩＤ磁束センサ１の最上面より下方に位置している。センサ近傍部６４は他の部分よりも渦電流の発生を抑制する必要があり、厚さ０.３mm の無酸素銅板を幅１０mmの短冊状に加工した部材を用いて形成されている。側面部６２とセンサ近傍部６４は銀ろうを用いて熱的に強固に結合されている。
【００３４】
中間シールド６のフランジ部６１，側面部６２，センサ近傍部６４の各部分が左右半割構造となっており、生体磁場計測上問題となる大きな渦電流の発生を抑制している。
【００３５】
中間シールド６は通常使用時において渦電流の発生を抑制させるための構造となっているが、外部から交番磁界を加えた場合には導体である中間シールド６は加熱源になり得る。
【００３６】
外容器５の側面部には、着脱可能な磁場発生ユニット７３を取り付けている。外容器５と磁場発生ユニット７３は非接触状態であってもクライオスタット内部の導電体を加熱することが可能であるため、磁場発生ユニット７３を外容器５と一体化する必要はなく、通常生体磁場計測を行う時には磁場発生ユニット７３をクライオスタット本体から取り外すことにより、生体磁場計測時にノイズ源になることはない。
【００３７】
磁場発生ユニット７３は、家庭用もしくは商業用交流電圧を入力とし、スイッチング制御された直流電圧を出力とする電源ユニット７１と、電源ユニット出力を調整するための制御ユニット７２と連結される。
【００３８】
電源ユニット７１では、家庭用もしくは商業用電源を入力とし、５０Ｈｚ／６０Ｈｚの交流電圧を整流・平滑化することにより直流電圧を生成している。出力された直流電圧はインバータにより例えば５０ｋＨｚや１００ｋＨｚといった周期でスイッチングされる。直流電圧は磁場発生ユニット７３においてコイル状に巻かれた導体を流れており、スイッチングされた直流電圧によりコイルの周囲には交番磁界が発生する。
【００３９】
以下に本発明におけるクライオスタットの昇温プロセスを説明する。
【００４０】
極低温状態にあるクライオスタットを昇温するためには、寒冷の発生源である内容器３の内部に貯蔵された液体ヘリウム２を排出する必要がある。
【００４１】
内容器３の開口部を覆う蓋１１に取り付けられたヘリウムガス排出口１２から圧力を大気圧以上に設定したヘリウムガスを内容器３の内部に入れ、トランスファーチューブ１３の口を開くことによって極低温状態のヘリウムガスをクライオスタット外部に放出することができる。この場合には、極低温状態のヘリウムはトランスファーチューブ１３を通って外部に放出されるため、ネック部９及びネック部９に挿入された開口部断熱材８との間で熱交換が生じることがなく、ネック部９および開口部断熱材８が冷却されることはない。しかし、液体ヘリウムを輸送するために内容器３内部の圧力を高く維持する必要があり、この圧力が通常運転時の内容器３の内部圧力よりも大きいため、設計圧力をより高いレベルに設定する必要がある。
【００４２】
一方、トランスファーチューブ１３側からヘリウムガスを内容器３の内部に入れる場合には、ヘリウムガスの熱量により内容器３の内部の液体ヘリウム２が急激に蒸発し、容器開口部を覆う蓋１１に取り付けられたヘリウムガス排出口１２より極低温状態のヘリウムガスが外部に放出される。この場合には、蒸発した極低温状態のヘリウムガスはネック部９およびネック部９に挿入された開口部断熱材８との間で熱交換を行うため、ネック部９及びネック部９に挿入された開口部断熱材８は極低温状態に冷却されることとなる。この場合には内容器３の内部から蒸発したヘリウムガスは容器開口部を覆う蓋１１に取り付けられたヘリウムガス排出口１２より外部に放出されるため内部圧力は運転時圧力に比べて大きな値をとる事がなく、設計圧力は運転時圧力を基準に設定することが可能である。
【００４３】
内容器３から液体ヘリウム２を放出した後、外容器５の外表面に磁場発生ユニットを設置する。ここで、磁場発生ユニットの取り付け位置は内容器３の壁に取り付けた導体薄板３１と同じ高さ位置に設置する。外容器５表面にマーカーを設けることにより、位置合わせを容易にしている。
【００４４】
高周波にスイッチングされた直流電圧が磁場発生ユニット７３に流れることにより、磁場発生ユニット７３の周囲には交番磁界が発生する。交番磁界内に設置された導体表面には電磁誘導により渦電流が発生するが、導体の内部抵抗により生じる損失のため発熱し、導体を表面より加熱する。
【００４５】
クライオスタットを構成する内容器３および外容器５は非磁性且つ電気絶縁性に優れたＧＦＲＰで製作されているため、内容器３および外容器５自体が加熱されることはない。
【００４６】
しかし、内容器３と外容器５との間の真空断熱槽４に設置されている中間シールド６は導体（無酸素銅）であるため、交番磁界を加えることにより導体表面に発生する。発生した渦電流は導体の内部抵抗による損失のため導体表面より発熱する。
【００４７】
中間シールド６は熱伝導率の高い無酸素銅を用いて製作されているため、中間シールド６全体の温度が上昇する。
【００４８】
また、中間シールド６と外容器５の間の真空断熱槽４に設置されている積層断熱材７は表面にアルミニウムが蒸着されているため、外部より交番磁界を加えることにより発熱し、積層断熱材７の温度が上昇する。したがって室温である外容器５から積層断熱材７を介して中間シールド６へ伝わっていた輻射による侵入熱量が増大する。
【００４９】
更に、中間シールド６はネック部９と熱的に結合しているためネック部９の温度を上昇させることになり、内容器３への熱伝導による侵入熱量も増加させる。
【００５０】
内容器３の表面に取り付けた導体薄板３１は、外部より加えられた交番磁界により電磁誘導現象で発生した渦電流が、導体の内部抵抗により発熱するため、外部より交番磁界を加えることにより内容器３自体を直接加熱することができる。
【００５１】
このように本発明によれば、昇温時に極低温状態にある内容器３を外部より直接加熱することが可能となり、クライオスタットの昇温時間が短縮する。
【００５２】
図６は本発明におけるクライオスタットの第２の実施例における構成を示す断面図である。
【００５３】
第２の実施例では、導体薄板３１を内容器３のヘリウムガス側壁面に取り付けたことに特徴がある。磁場発生ユニットで発生する交番磁界により内容器３のヘリウムガス側壁面に取り付けた導体薄板３１の表面には渦電流が発生し、導体薄板３１の内部抵抗による渦電流損失に伴い発熱する。導体薄板３１を内容器３の真空槽側に取り付けた場合には、導体薄板３１の周囲は真空状態であるため、導体薄板３１から周囲への熱の拡散が無く、導体薄板３１の加熱量は導体薄板３１と熱的に結合した内容器３の壁に効率良く伝わり、内容器３のみを加熱するのに有効であった。しかし、内容器３の内部に導体薄板３１を取り付けることにより、導体薄板３１の周囲にはヘリウムガスが存在するため、導体薄板３１からヘリウムガスへ熱が伝わる。内容器３の内部のヘリウムガスが加熱されることにより、ヘリウムガスに対流が生じるため、内容器３の昇温速度が向上する。
【００５４】
導体薄板３１は生体磁場計測時に大きな渦電流の発生を抑制するために複数のブロックより形成され、相互に絶縁されている。
【００５５】
他の構造は実施例１と同様である。
【００５６】
図７は本発明におけるクライオスタットの第３の実施例における構成を示す断面図である。
【００５７】
第３の実施例では、導体薄板３１を内容器の真空槽側およびヘリウムガス側の両面に取り付けたことに特徴がある。真空槽側に取り付けた導体薄板３１が効率良く内容器３を加熱する一方、ヘリウムガス側に取り付けた導体薄板３１が内容器３の内部に貯蔵されたヘリウムガスを加熱し、内容器３の内部に貯蔵されたヘリウムガスの対流を促進させることにより、内容器３の昇温時間をより短縮することが可能である。
【００５８】
導体薄板３１は生体磁場計測時に大きな渦電流の発生を抑制するために複数のブロックより形成され、相互に絶縁されている。
【００５９】
他の構造は実施例１と同様である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、生体磁場計測に影響を与えることなく、生体磁場計測用クライオスタットの断熱性能を劣化させることなく、クライオスタットの昇温時間を短縮することができ、メンテナンス性に優れた生体磁場計測用クライオスタットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の生体磁場計測用クライオスタットの横断面図。
【図２】従来の液体ヘリウム低消費型クライオスタットの一実施例の構造を示す横断面図。
【図３】本発明の一実施例であるクライオスタットの構造を示す断面図。
【図４】本発明におけるクライオスタットの一実施例における中間シールドの構造を示す図。
【図５】本発明におけるクライオスタットの一実施例における誘導磁場発生装置の構成を示す図。
【図６】本発明におけるクライオスタットの第２の実施例における構成を示す断面図。
【図７】本発明におけるクライオスタットの第３の実施例における構成を示す断面図。
【符号の説明】
１…ＳＱＵＩＤ磁束センサ、２…液体ヘリウム、３…内容器、４…真空断熱槽、５…外容器、６…中間シールド、７…積層断熱材、８…開口部断熱材、９…ネック部、１１…蓋、１２…ヘリウムガス排出口、１３…トランスファーチューブ、３１…導体薄板、６１…中間シールドフランジ部、６２…中間シールド側面部、６４…中間シールドセンサ近傍部、７１…電源ユニット、７２…制御ユニット、７３…磁場発生ユニット、１００…センサ装着部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cryostat for cooling a SQUID sensor that measures a weak magnetic field generated from a living body, and in particular, a cryostat capable of raising the temperature of a cryostat from a very low temperature to room temperature in a short time during sensor maintenance and the like, and a living body using the cryostat The present invention relates to a magnetic measuring device.
[0002]
[Prior art]
The biomagnetic field measuring device measures a weak magnetic field generated with the activity of the brain and the heart, and aims at diagnosis and elucidation of the brain function or the cardiac function from the time waveform of the magnetic field strength and the magnetic field distribution.
[0003]
The strength of the magnetic field generated in the brain and heart is extremely small compared to geomagnetism, and it is possible to measure by using a high-sensitivity magnetic flux sensor that uses only SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). .
[0004]
This SQUID is a device that operates in a superconducting state, and the entire sensor must be cooled below the superconducting critical temperature. Therefore, a sensor is installed in a cryogenic containment vessel called Dewar or Cryostat, and liquid helium with a boiling point of 4.2 K is stored in the vessel.
[0005]
Dewar is insulated from the outside environment using various thermal insulation means to minimize the evaporation of liquid helium. However, if the sensor in the Dewar has become defective and needs to be replaced, it is necessary to take a long time for the temperature inside the Dewar to return to room temperature even after the liquid helium has been discharged due to this insulation. was there. That is, most of the time required for sensor maintenance is devoted to the time for returning the sensor to room temperature, and the work efficiency is very poor.
[0006]
In order to solve this problem, Patent Document 1 discloses a technology in which a heater for heating is provided in a superconducting magnet cooling dewar that generates a strong magnetic field, and the temperature in the dewar is rapidly increased by this heater.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-233840
[Problems to be solved by the invention]
In a biomagnetism measuring device that measures weak magnetism, it is not preferable to place an object that affects the magnetic field in the vicinity of the sensor because noise increases. If a conductive material must be provided, an eddy current is generated in the material by the magnetic field as it is and a magnetic field is generated. Therefore, take measures such as dividing the conductive material so that no eddy current is generated. ing. In the technique described in Patent Document 1, a heater is disposed in the dewar. However, there is a concern that an eddy current is generated in the heater and adversely affects magnetic measurement. This is probably because the technique described in Patent Document 1 is an invention related to an apparatus for generating a magnetic field, and is not an apparatus intended for biomagnetic measurement.
[0009]
An object of the present invention is to provide a dewar capable of raising the temperature in a short time during maintenance and a biomagnetism measuring apparatus using the dewar, with little adverse effect on biomagnetism measurement.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The configuration of the present invention for achieving the above object is to form a vacuum chamber between an inner container that has an opening in the upper part, stores a refrigerant therein, and stores an object to be cooled, and the inner container. A biomagnetic field measurement cryostat comprising: an outer container; and a laminated heat insulating material disposed in the vacuum chamber and disposed between the inner container and the outer container, on at least a part of the surface of the inner container Is a cryostat for biomagnetic field measurement in which a conductor plate is attached so as to surround the periphery of the inner container.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which a sensor is taken out in a conventional cryostat.
[0012]
In the conventional cryostat, the size of the bottom surface of the inner container 3 is equal to the size of the opening, and the liquid helium 2 is fixed to the sensor mounting portion 100 whose outer diameter is smaller than the size of the opening.
[0013]
The sensor mounting unit 100 is integrated with the heat insulating material 8 inserted into the opening of the inner container 3 and the lid 11 for closing the opening of the inner container 3, thereby simultaneously taking out all the liquid helium 2 from the inner container 3. It is possible. Further, since the temperature of the lid 11 is room temperature, the sensor can be taken out even when the liquid helium 2 and the inner container 3 are in an extremely low temperature state.
[0014]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional biostat magnetic field cryostat. The cryostat has an opening on the upper surface, the SQUID magnetic flux sensor 1 is installed on the inner bottom surface, and an outer vessel 3 is formed between the inner vessel 3 for storing liquid helium 2 and the inner vessel 3. A container 5, an intermediate shield 6 installed in the vacuum heat insulating tank 4 and having one end thermally coupled to the inner container 3, a laminated heat insulating material 7 installed between the intermediate shield 6 and the outer container 5, and an inner container 3 is constituted by an opening heat insulating material 8 inserted into the upper opening portion of 3.
[0015]
The inner container 3 and the outer container 5 are manufactured by processing glass fiber reinforced plastic (GFRP). The intermediate shield 6 is thermally coupled to the inner container 3 in the vicinity of the opening of the inner container 3, and uses a sensible heat of helium gas evaporated from the liquid helium 2 stored at the bottom of the inner container 3 to achieve a cryogenic temperature. Has been cooled. By storing the liquid helium 2 and surrounding the inner container 3 in a cryogenic state with an intermediate shield 6 maintained at a temperature sufficiently lower than room temperature, the inner container that is cryogenic from the outer container 5 at room temperature. The amount of radiant heat to 3 is reduced.
[0016]
The intermediate shield 6 is required to have a high thermal conductivity in order to cool the whole uniformly. At the same time, it is essential to be a nonmagnetic material. Therefore, it is general to use copper (oxygen-free copper) or aluminum that is nonmagnetic and has high thermal conductivity. However, copper and aluminum constituting the intermediate shield 6 are conductors having excellent electrical conductivity, and eddy currents are generated on the conductor surface due to electromagnetic induction caused by fluctuations in the external magnetic field. Since a magnetic field is formed around the eddy current, the generation of the eddy current becomes a serious problem in biomagnetic field measurement. In particular, since the generation of eddy currents in the vicinity of the SQUID magnetic flux sensor 1 has a large influence, the intermediate shield 6 in the vicinity of the SQUID magnetic flux sensor 1 suppresses the generation of eddy currents by processing the conductor into a strip shape. .
[0017]
A laminated heat insulating material 7 is disposed in the vacuum heat insulating tank 4 between the intermediate shield 6 and the outer container 5 to reduce the amount of radiant heat transmitted from the outer container 5 at room temperature to the intermediate shield 6. The laminated heat insulating material 7 is obtained by depositing aluminum on one surface of a thin polyester sheet, and exhibits a high heat insulating effect by laminating sheets in multiple layers.
[0018]
An opening heat insulating material 8 is disposed in the opening of the inner container 3. The opening heat insulating material 8 is made of foamed polyurethane, and a large number of bubbles in the inside are cooled to an extremely low temperature to liquefy and form a vacuum state. Therefore, a high heat insulating performance is exhibited in a low temperature state. The outer diameter of the opening heat insulating material 8 is smaller than the inner diameter of the opening of the inner container 3, and the helium gas evaporated from the liquid helium 2 stored at the bottom of the inner container 3 is the opening heat insulating material 8 and the inner container. 3 is configured to flow through the gap 3. This is because heat exchange between the helium gas flowing through the gap and the opening heat insulating material 8 and the inner container 3 reduces the amount of intrusion heat due to heat conduction that travels along the walls of the opening heat insulating material 8 and the inner container 3. This is for cooling the intermediate shield 6 that is thermally coupled in the vicinity of the opening of the inner container 3.
[0019]
The opening heat insulating material 8 has a structure in which heat insulating materials made of polyurethane foam and aluminum thin plates are alternately laminated. The aluminum thin plate plays the role of making the temperature of the polyurethane portion uniform in the radial direction.
[0020]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a cryostat which is one embodiment of the present invention. The inner container 3 has an area for storing the SQUID magnetic flux sensor 1 at the bottom, and the inner container 3 has a structure in which the liquid helium 2 can be stored. Further, by adopting a narrow neck type structure that is coupled to the inner container 3 and has a neck portion 9 in which the size of the opening is smaller than the size of the bottom surface of the inner container 3, the heat conduction area between the room temperature portion and the cryogenic portion. To reduce the amount of intrusion heat due to heat conduction.
[0021]
Inside the neck portion 9, an opening heat insulating material 8 in which heat insulating materials made of polyurethane foam having a low thermal conductivity and aluminum plates having a high thermal conductivity are alternately stacked is inserted. The outer diameter of the heat insulating material and the aluminum plate constituting the opening heat insulating material 8 is smaller than the inner diameter of the neck portion 9, and the helium gas evaporated from the liquid helium 2 flows between the opening heat insulating material 8 and the wall of the neck portion 9. It has a structure that flows through the gap between the two.
[0022]
This not only reduces the amount of radiant heat from the lid 11 at room temperature toward the liquid surface of the liquid helium 2, but also causes the evaporated helium gas to flow through the gap between the opening heat insulating material 8 and the wall of the neck 9, thereby causing helium to flow. The purpose is to improve the heat transfer between the gas and the wall of the neck portion 9 and to reduce the amount of intrusion heat due to the heat conduction transmitted through the wall of the neck portion 9 to the liquid helium 2 stored in the inner container 3. .
[0023]
The inner container 3, the neck portion 9 and the outer container 5 are glass fiber reinforced plastic (GFRP) having a low thermal conductivity and a high strength in a cryogenic state, and each part is assembled using a polymer adhesive, It is manufactured by integral molding.
[0024]
The surface of the inner vessel 3 and the surface of the intermediate shield 6 are affixed with a tape with aluminum deposited on the entire surface to reduce the emissivity, and the amount of radiant heat received by the inner vessel 3 from the intermediate shield 6 and the intermediate shield. The amount of radiant heat 6 receives from the outer container 5 is reduced.
[0025]
A conductor thin plate 31 is attached to the surface of the inner container 3 on the vacuum chamber side. Since the conductor thin plate 31 generates an eddy current on the surface due to the electromagnetic induction phenomenon accompanying the fluctuation of the external magnetic field, the conductor thin plate 31 is not in the vicinity of the SQUID magnetic flux sensor 1 but the inner container 3 and the neck portion 9 apart from the SQUID magnetic flux sensor 1. Are attached around the flange part.
[0026]
The conductor thin plate 31 affixed to the vacuum chamber side surface of the inner container 3 is formed by a plurality of blocks, and the blocks are insulated from each other. This is to suppress the generation of a large eddy current, which is a problem in biomagnetic field measurement.
[0027]
Since the conductor thin plate 31 is nonmagnetic and needs to be a conductor, copper, aluminum, or stainless steel (SUS304) is used. In particular, the specific resistance of stainless steel is larger than that of copper or aluminum, and eddy current loss increases, so the amount of heat generation increases.
[0028]
Since the conductor thin plate 31 generates heat when an alternating magnetic field is applied from the outside, it is merely a thin plate during normal use without applying an alternating magnetic field and does not affect heat penetration. Moreover, since it is a non-magnetic material, it does not give any problem in biomagnetic field measurement.
[0029]
A laminated heat insulating material 7 is installed in the vacuum heat insulating tank 4 between the intermediate shield 6 and the outer container 5 to reduce the amount of radiant heat from the outer container 5 to the intermediate shield 6.
[0030]
FIG. 5 is a view showing the structure of the intermediate shield in one embodiment of the cryostat in the present invention. The intermediate shield 6 has different material dimensions and shapes in the flange portion 61 and the side surface portion 62 and the sensor vicinity portion 64 that are thermally coupled to the neck portion 9.
[0031]
The flange portion 61 of the intermediate shield 6 is made of oxygen-free copper having a thickness of 5 mm. By increasing the plate thickness, the heat capacity is increased, and the temperature of the entire intermediate shield 6 is stabilized.
[0032]
The side surface 62 of the intermediate shield 6 is made of oxygen-free copper having a thickness of 0.5 mm. The flange portion 61 and the side surface portion 62 of the intermediate shield 6 are thermally and firmly coupled using silver solder. A thin conductor plate 63 is attached to the surface of the side surface portion 62 of the intermediate shield 6. The conductor thin plate 63 is not shaped to cover the entire side surface portion 62 but is attached only to a part of the side surface portion 62.
[0033]
The sensor vicinity 64 of the intermediate shield 6 is located below the uppermost surface of the SQUID magnetic flux sensor 1 attached to the inside of the inner container 3. The sensor vicinity portion 64 needs to suppress the generation of eddy currents more than other portions, and is formed using a member obtained by processing an oxygen-free copper plate having a thickness of 0.3 mm into a strip shape having a width of 10 mm. The side surface portion 62 and the sensor vicinity portion 64 are thermally and firmly coupled using silver solder.
[0034]
Each part of the flange part 61, the side part 62, and the sensor vicinity part 64 of the intermediate shield 6 has a right and left halved structure, and suppresses the generation of a large eddy current that causes a problem in biomagnetic field measurement.
[0035]
The intermediate shield 6 has a structure for suppressing the generation of eddy currents during normal use. However, when an alternating magnetic field is applied from the outside, the intermediate shield 6 that is a conductor can be a heating source.
[0036]
A removable magnetic field generation unit 73 is attached to the side surface of the outer container 5. Since the outer container 5 and the magnetic field generation unit 73 can heat the conductor inside the cryostat even in a non-contact state, the magnetic field generation unit 73 does not need to be integrated with the outer container 5, and the normal biomagnetic field By removing the magnetic field generation unit 73 from the cryostat main body when performing measurement, it does not become a noise source during biomagnetic field measurement.
[0037]
The magnetic field generation unit 73 is connected to a power supply unit 71 that receives a household or commercial AC voltage as an input and outputs a switching-controlled DC voltage, and a control unit 72 that adjusts the power supply unit output.
[0038]
The power supply unit 71 receives a household or commercial power supply as an input, and generates a DC voltage by rectifying and smoothing an AC voltage of 50 Hz / 60 Hz. The output DC voltage is switched at a cycle of, for example, 50 kHz or 100 kHz by the inverter. The DC voltage flows through the coil wound in the magnetic field generation unit 73, and an alternating magnetic field is generated around the coil by the switched DC voltage.
[0039]
The cryostat heating process in the present invention will be described below.
[0040]
In order to raise the temperature of the cryostat in the cryogenic state, it is necessary to discharge the liquid helium 2 stored in the inner vessel 3 that is a source of cold.
[0041]
A helium gas whose pressure is set to atmospheric pressure or higher is introduced into the inner container 3 from a helium gas discharge port 12 attached to the lid 11 covering the opening of the inner container 3, and the transfer tube 13 is opened to open a cryogenic temperature. The helium gas in the state can be released to the outside of the cryostat. In this case, since the cryogenic helium is discharged to the outside through the transfer tube 13, heat exchange may occur between the neck portion 9 and the opening insulating material 8 inserted into the neck portion 9. In addition, the neck portion 9 and the opening heat insulating material 8 are not cooled. However, in order to transport liquid helium, it is necessary to keep the pressure inside the inner container 3 high, and since this pressure is higher than the internal pressure of the inner container 3 during normal operation, the design pressure is set to a higher level. There is a need.
[0042]
On the other hand, when helium gas is introduced into the inner container 3 from the transfer tube 13 side, the liquid helium 2 inside the inner container 3 rapidly evaporates due to the amount of heat of the helium gas, and is attached to the lid 11 covering the container opening. The helium gas in a cryogenic state is discharged to the outside from the helium gas discharge port 12. In this case, the evaporated cryogenic helium gas is inserted into the neck portion 9 and the neck portion 9 in order to exchange heat between the neck portion 9 and the opening insulating material 8 inserted into the neck portion 9. The opening heat insulating material 8 is cooled to a cryogenic state. In this case, since the helium gas evaporated from the inside of the inner container 3 is discharged to the outside from the helium gas discharge port 12 attached to the lid 11 covering the container opening, the internal pressure is larger than the operating pressure. The design pressure can be set based on the operating pressure.
[0043]
After discharging the liquid helium 2 from the inner container 3, a magnetic field generating unit is installed on the outer surface of the outer container 5. Here, the attachment position of the magnetic field generation unit is installed at the same height as the conductor thin plate 31 attached to the wall of the inner container 3. Positioning is facilitated by providing a marker on the surface of the outer container 5.
[0044]
When a DC voltage switched to a high frequency flows through the magnetic field generation unit 73, an alternating magnetic field is generated around the magnetic field generation unit 73. Eddy currents are generated by electromagnetic induction on the conductor surface installed in the alternating magnetic field, but heat is generated due to loss caused by the internal resistance of the conductor, and the conductor is heated from the surface.
[0045]
Since the inner container 3 and the outer container 5 constituting the cryostat are made of GFRP which is nonmagnetic and excellent in electrical insulation, the inner container 3 and the outer container 5 themselves are not heated.
[0046]
However, since the intermediate shield 6 installed in the vacuum heat insulating tank 4 between the inner container 3 and the outer container 5 is a conductor (oxygen-free copper), it is generated on the conductor surface by applying an alternating magnetic field. The generated eddy current generates heat from the conductor surface due to loss due to the internal resistance of the conductor.
[0047]
Since the intermediate shield 6 is manufactured using oxygen-free copper having high thermal conductivity, the temperature of the entire intermediate shield 6 rises.
[0048]
Further, since the laminated heat insulating material 7 installed in the vacuum heat insulating tank 4 between the intermediate shield 6 and the outer container 5 has aluminum deposited on the surface, it generates heat by applying an alternating magnetic field from the outside, and the laminated heat insulating material. The temperature of 7 rises. Therefore, the amount of intrusion heat due to radiation transmitted from the outer container 5 at room temperature to the intermediate shield 6 through the laminated heat insulating material 7 increases.
[0049]
Further, since the intermediate shield 6 is thermally coupled to the neck portion 9, the temperature of the neck portion 9 is increased, and the amount of heat intruding due to heat conduction to the inner container 3 is also increased.
[0050]
The conductive thin plate 31 attached to the surface of the inner container 3 is formed by applying an alternating magnetic field from the outside because an eddy current generated by an electromagnetic induction phenomenon due to an alternating magnetic field applied from the outside generates heat due to the internal resistance of the conductor. 3 itself can be heated directly.
[0051]
As described above, according to the present invention, it is possible to directly heat the inner container 3 in the extremely low temperature state from the outside when the temperature is raised, and the temperature raising time of the cryostat is shortened.
[0052]
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the cryostat according to the second embodiment of the present invention.
[0053]
The second embodiment is characterized in that the conductor thin plate 31 is attached to the helium gas side wall surface of the inner container 3. An eddy current is generated on the surface of the conductor thin plate 31 attached to the helium gas side wall surface of the inner container 3 by an alternating magnetic field generated by the magnetic field generating unit, and heat is generated due to the eddy current loss due to the internal resistance of the conductor thin plate 31. When the conductor thin plate 31 is attached to the vacuum chamber side of the inner container 3, since the periphery of the conductor thin plate 31 is in a vacuum state, there is no diffusion of heat from the conductor thin plate 31 to the surroundings, and the heating amount of the conductor thin plate 31 is It was efficiently transmitted to the wall of the inner container 3 thermally coupled to the conductor thin plate 31 and was effective in heating only the inner container 3. However, by attaching the conductor thin plate 31 to the inside of the inner container 3, since helium gas exists around the conductor thin plate 31, heat is transferred from the conductor thin plate 31 to the helium gas. As the helium gas inside the inner container 3 is heated, convection occurs in the helium gas, so that the temperature rise rate of the inner container 3 is improved.
[0054]
The conductor thin plate 31 is formed of a plurality of blocks in order to suppress generation of a large eddy current during biomagnetic field measurement, and is insulated from each other.
[0055]
Other structures are the same as those in the first embodiment.
[0056]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of the third embodiment of the cryostat according to the present invention.
[0057]
The third embodiment is characterized in that the conductor thin plates 31 are attached to both surfaces of the inner vessel on the vacuum tank side and the helium gas side. The conductor thin plate 31 attached to the vacuum chamber side efficiently heats the inner container 3, while the conductor thin plate 31 attached to the helium gas side heats the helium gas stored in the inner container 3, It is possible to further shorten the temperature raising time of the inner container 3 by promoting the convection of the helium gas stored in the container.
[0058]
The conductor thin plate 31 is formed of a plurality of blocks in order to suppress generation of a large eddy current during biomagnetic field measurement, and is insulated from each other.
[0059]
Other structures are the same as those in the first embodiment.
[0060]
【The invention's effect】
According to the present invention, the temperature rise time of the cryostat can be shortened without affecting the biomagnetic field measurement and without degrading the heat insulation performance of the biomagnetic field measurement cryostat, and the biomagnetic field measurement with excellent maintainability. A cryostat can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional biostat magnetic field cryostat.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of one embodiment of a conventional liquid helium low consumption type cryostat.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a cryostat according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the structure of an intermediate shield in one embodiment of a cryostat according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an induction magnetic field generator in one embodiment of a cryostat according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a cryostat according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a cryostat according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... SQUID magnetic flux sensor, 2 ... Liquid helium, 3 ... Inner container, 4 ... Vacuum heat insulation tank, 5 ... Outer container, 6 ... Intermediate shield, 7 ... Laminated heat insulating material, 8 ... Opening heat insulating material, 9 ... Neck part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Lid, 12 ... Helium gas exhaust port, 13 ... Transfer tube, 31 ... Conductor thin plate, 61 ... Intermediate shield flange part, 62 ... Intermediate shield side part, 64 ... Middle shield sensor vicinity part, 71 ... Power supply unit, 72 ... Control unit 73 ... Magnetic field generation unit 100 ... Sensor mounting part.

Claims

An inner container that has an opening at the top, stores refrigerant therein, and stores an object to be cooled;
An outer container for forming a vacuum chamber with the inner container;
A laminated heat insulating material installed in the vacuum chamber and installed between the inner container and the outer container ;
At least a part of the surface of the inner container is a biomagnetic field measurement cryostat in which a conductor plate is attached so as to surround the inner container.
A biomagnetic field measuring apparatus comprising an alternating magnetic field generating source that is attachable to and detachable from the biomagnetic field measuring cryostat .

The biomagnetic field measurement apparatus according to claim 1,
The biomagnetic field measuring apparatus , wherein the conductor plate is affixed in the vicinity of a flange portion where the neck connected to the opening of the inner container and the inner container are coupled.

The biomagnetic field measurement apparatus according to claim 1 or 2,
The biomagnetic field measurement apparatus, wherein the conductor plate is formed of a plurality of blocks, and the blocks are insulated from each other.

In the biomagnetic field measurement apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The biomagnetic field measurement apparatus characterized in that the size of the opening of the inner container is smaller than the diameter of the bottom of the inner container.

In the biomagnetic field measurement apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A biomagnetic field measuring apparatus, wherein the conductor plate is attached to the refrigerant storage side of the inner container.

In the biomagnetic field measurement apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The biomagnetic field measurement apparatus according to claim 1, wherein the conductor plate is attached to both the wall surface of the inner container facing the vacuum heat insulating tank and the refrigerant storage side of the inner container.

In the biomagnetic field measurement apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The biomagnetic field measuring apparatus, wherein the conductor plate is made of stainless steel.