JP5937026B2

JP5937026B2 - 超電導磁気シールド装置

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Publication number: JP5937026B2
Application number: JP2013028301A
Authority: JP
Inventors: 鶴留　武尚; 武尚鶴留
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2033-02-15
Also published as: JP2014157940A

Description

本発明は、高温超電導体を用いて磁気シールドを行う超電導磁気シールド装置に関する。

例えば、脳磁計や心磁計のような微弱磁場を計測する微弱磁場計測装置は、地磁気等の外部磁場が印加された場合、これを外乱として計測してしまう。このため、外乱が微弱磁場計測装置に悪影響を及ぼさないように微弱磁場計測装置を外乱となる外部磁場から遮蔽する磁気シールド装置でシールドし、これにより微弱磁場を計測することが行われている。

従来、この磁気シールド装置としては、微弱磁場計測装置を設置する部屋の内壁全体を磁気シールド材で構成し、この磁気シールドルームにより外部磁場の影響を防止するものがあった（特許文献１参照）。

特開２００２−２９１７１３号公報

しかしながら、磁気シールドルームは部屋全体を磁気シールドする構成であるため、大掛かりな設備となってしまうという問題点がある。

一方、近年ではテープ状の超電導線材が提供され始めている。このテープ状超電導線材を用いて磁気シールド装置を構成することにより、磁気シールド装置の小型化及び構造の簡素化を図ることが望まれている。

しかしながら、テープ状超電導線材に種々の構造のものがあり、内部に磁性材料を含む基板が設けられたものもある（例えば、ＲＥ１２３系超電導線材）。そのようなテープ状超電導線材を用いて超電導磁気シールドを構成する場合、設置する条件によっては磁気シールドとしての効果の向上を望めない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、高い磁気シールド性を実現できる超電導磁気シールド装置を提供することを目的とする。

上記の課題は、ある観点からは、
超電導体が存在する第一面と前記超電導体が存在しない第二面とを有するテープ状超電導材をリング状に成形した第１の軸方向用超電導材を有する第１の軸方向磁気シールドと、
超電導体が存在する第一面と前記超電導体が存在しない第二面とを有するテープ状超電導材をリング状に成形した第２の軸方向用超電導材を有すると共に、前記第１の軸方向用超電導材の外周位置に配設される第２の軸方向用超電導材を有する第２の軸方向磁気シールドと、
前記第２の軸方向磁気シールドの軸方向に対して直交或いは傾いて配設され、前記第２の軸方向磁気シールドと電気的に接続される横方向用超電導材を有する横方向磁気シールドと、
前記第１の軸方向磁気シールド、第２の軸方向磁気シールド、及び前記横方向磁気シールドを支持する支持体とを有し、
前記第１の軸方向磁気シールドは、前記支持体側に前記第一面が位置するよう構成し、
前記第２の軸方向磁気シールドは、前記横方向磁気シールド側に前記第一面が位置するよう構成したことを特徴とする超電導磁気シールド装置により解決することができる。

開示の発明によれば、超電導体が存在する第一面と前記超電導体が存在しない第二面とを有するテープ状超電導材を用いた場合であっても、シールド性能を高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態である超電導磁気シールド装置の斜視図である。図２は、本発明の一実施形態である超電導磁気シールド装置の平面図である。図３は、本発明の一実施形態である超電導磁気シールド装置の分解斜視図である。図４は、第１及び第２の軸方向用超電導材を拡大して示す斜視図である。図５は、第１及び第２の軸方向用超電導材と横方向用超電導材との接合位置を拡大して示す断面図である。図６は、軸方向磁場が印加された時に軸方向用超電導材に発生する超電導電流を示す図である。図７は、横方向磁場が印加された時に軸方向用超電導材と横方向用超電導材との間に発生する超電導電流を示す図である。図８は、テープ状超電導材の一構成を説明するための図である。

次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。

図１乃至図３は、本発明の第１実施形態である超電導磁気シールド装置１０を示している。図１は超電導磁気シールド装置１０の斜視図、図２は平面図、図３は分解斜視図である。この超電導磁気シールド装置１０は、例えば脳磁計や心磁計のような微弱磁場を計測する微弱磁場計測装置に適用される。

超電導磁気シールド装置１０は、支持体１１、第１の軸方向磁気シールド１２Ａ、第２の軸方向磁気シールド１２Ｂ、及び横方向磁気シールド１３等を有している。本実施形態では、最内周から順に支持体１１、第１の軸方向磁気シールド１２Ａ、第２の軸方向磁気シールド１２Ｂ、及び横方向磁気シールド１３が配設された構成とされている。よって、超電導磁気シールド装置１０は、支持体１１、各軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂ、及び横方向磁気シールド１３が四重に重なった構成とされている。

また、超電導磁気シールド装置１０は、全体として円筒形状を有している。よって、その中央部分には磁場遮蔽空間部１４（以下、単に空間部１４という）が形成されており、超電導磁気シールド装置１０を脳磁計に適用した場合には、この空間部１４の内部に脳磁計が配設され、また被測定体となる人の頭部が挿入される。

以下、超電導磁気シールド装置１０を構成する各構成要素について説明する。

先ず、支持体１１について説明する。支持体１１は円筒形状を有しており、各軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂ及び横方向磁気シールド１３を支持するものである。この支持体１１は、特にその材質を限定されるものではないが、本実施形態では非磁性で成形性の良好な樹脂或いは金属を用いている。また、この支持体１１の内周には、後述する各磁気シールド１２Ａ，１２Ｂ，１３を冷却する冷媒が流れる冷却管（図示を省略）が配設されている。

第１の軸方向磁気シールド１２Ａ及び第２の軸方向磁気シールド１２Ｂは、軸方向磁場に対するシールドを行うものである。

なお、本明細書において、円筒の軸方向（図中矢印Ｚ１，Ｚ２で示す方向）の磁場を軸方向磁場と呼び、円筒の軸方向に直交する方向の磁場を横方向磁場と呼ぶものとする。また、軸方向磁場に対する磁気シールドを軸方向磁気シールドといい、横方向磁場に対する磁気シールドを横方向磁気シールドというものとする。また、軸方向又は横方向以外の方向から印加される磁場は、軸方向磁場と横方向磁場に分解することができる。このため、以下の説明においては軸方向磁場と横方向磁場についてのみ説明するものとする。

第１の軸方向磁気シールド１２Ａは複数の第１の軸方向用超電導材１５Ａにより構成され、第２の軸方向磁気シールド１２Ｂは複数の第２の軸方向用超電導材１５Ｂにより構成されている。

図４は、対応する一対の第１及び第２の軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂを拡大して示している。また同図では、第１及び第２の軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂの対が、２段積み重ねられた状態を示している。

第１及び第２の軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂは、いずれもテープ状超電導材２１を曲げてリング状（環状）に成形した構成とされている。また、第１及び第２の軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂは、テープ状超電導材２１をリング状に成形したものであるため、その両端部は付き合わされた状態となる。以下、第１の軸方向用超電導材１５Ａの両端部が付き合わされた部位を第１端部１７Ａといい、第２の軸方向用超電導材１５Ｂの両端部が付き合わされた部位を第２端部１７Ｂというものとする（図４参照）。

この第１端部１７Ａ及び第２端部１７Ｂは、例えばはんだ等の導電性接合材で接合される。よって、各軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂを構成する各軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂは、１ターンコイルを構成する。

図８は、第１の軸方向用超電導材１５Ａ及び第２の軸方向用超電導材１５Ｂを構成するテープ状超電導材２１を拡大して示す図である。

テープ状超電導材２１は、第一面（表面）側から第二面（裏面）に向け、超電導材層２３と基板２４等が積層された構成とされている。即ち、超電導材層２３は第一面側に位置し、基板２４は第二面側に位置した構成となっている。なお図８においては、テープ状超電導材２１の主要な構成のみを示している。

超電導材層２３は、例えば液体窒素温度（７７Ｋ）以上で超電導現象を示すＲＥ系超電導体（ＲＥ：希土類元素）、特にＲＥＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−δの組成式で表されるＲＥ系超電導体（（ＲＥ）ＢＣＯ）を用いることができる。

基板２４は、テープ状超電導材２１が機械的強度を保持するために設けられている。またテープ状超電導材２１の製造時においては、基板２４は超電導材層２３を膜形成するための基材としても機能する。この基板２４としては、例えば機械的特性及び熱的特性が良好なＮｉ合金（ハステロイ；登録商標）が一般に用いられている。このハステロイは、低磁性の金属基材であり、また導電性も低い材料である。なお、上記構成とされたテープ状超電導材２１としては、例えば株式会社フジクラ製のＦＹＳＣ−ＳＣ０５（型番）を用いることができる。

このように構成されたテープ状超電導材２１は、超電導材単体の場合に比べて機械的強度が高く、歪に対しても強い。このため、図４に示すようにテープ状超電導材２１をループ状に成形しても、その歪により高温超電導材が損傷するようなことはなく歩留まりの向上を図ることができる。また、テープ状超電導材２１を用いることにより各軸方向用超電導材１５Ａ，１５Ｂの取扱が容易となり、第１の軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂの組み立て作業を容易に行うことができる。

次に、横方向磁気シールド１３について説明する。

横方向磁気シールド１３は、軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂと異なり直線状とされている。よって、軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂと横方向磁気シールド１３は、図１及び図７に示すように、互いに直交する方向に延在した構成となっている。

また本実施形態では、各々の横方向用超電導材１６の長手方向が軸方向と平行なるよう構成されている。更に横方向用超電導材１６は、筒状とされた第２の軸方向磁気シールド１２Ｂの外周位置を囲うように配設される。

各横方向用超電導材１６は、図５に拡大して示すように、外側に位置する第２の軸方向磁気シールド１２Ｂを構成する第２の軸方向用超電導材１５Ｂにはんだ１９を用いて接合される。これにより、第２の軸方向用超電導材１５Ｂと横方向用超電導材１６は、換言すると第２の軸方向磁気シールド１２Ｂと横方向磁気シールド１３は、電気的に接続された構成となる。

次に図６及び図７を用いて、上記構成とされた超電導磁気シールド装置１０において外部から磁場が印加された時の動作について説明する。

図６に示すように超電導磁気シールド装置１０に対して軸方向磁場（Ｂ_Ａ）が印加された場合は、後述するように本実施形態の構成では、第１の軸方向磁気シールド１２Ａが主に機能する。即ち、軸方向磁場（Ｂ_Ａ）が印加された場合は、空間部１４に近い軸方向用超電導材１５Ａの超電導材層２３に周方向に超電導電流Ａが発生し、これにより軸方向磁場（Ｂ_Ａ）が空間部１４内に影響することを防止することができる。

これに対し、図７に示すように超電導磁気シールド装置１０に対して横方向磁場（Ｂ_Ｓ）が印加された場合は、横方向磁気シールド１３が機能する。即ち、横方向磁場（Ｂ_Ｓ）が印加された場合は、外側に配設された軸方向用超電導材１５Ｂ（１５Ａ）及び横方向用超電導材１６内に、横方向磁場（Ｂ_Ｓ）の印加位置を中心として円方向に流れる超電導電流Ａが発生する。

外側に位置する第２の軸方向磁気シールド１２Ｂの軸方向用超電導材１５Ｂは、横方向用超電導材１６とははんだ１９により接合されることにより電気的に接続されている（図５参照）。よって横方向磁場（Ｂ_Ｓ）で発生する超電導電流Ａは、軸方向及び横方向テープ状超電導材１５Ｂ，１６の超電導材層２３を跨いで流れ、これにより横方向磁場（Ｂ_Ｓ）が空間部１４内に影響することを防止できる。

ところで、本実施形態で使用するテープ状超電導材２１は、上記のように第一面（表面）と第二面（裏面）で特性が異なっている。このため、テープ状超電導材２１を第１及び第２の軸方向磁気シールド１２Ａ，１２Ｂとして用いた場合、テープ状超電導材２１の第一面と第二面の向きにより超電導磁気シールド装置１０のシールド特性に影響を及ぼすことが考えられる。

つまり、低磁性の金属基材である基板２４が磁場遮蔽空間と対峙した構成となり、基板２４に磁場が吸い込まれる現象が発生し、基板２４が配設された第二面側が磁場遮蔽空間側（支持体１１側）を向き、また超電導材層２３が配設された第一面側が外側に向くよう第１の軸方向磁気シールド１２Ａを配置すると、超電導磁気シールド装置１０の磁気シールド効果が低減してしまうためである。

このため本実施形態では、磁場遮蔽空間側（支持体１１側）に第一面側（超電導材層２３が配設された側）が位置するよう、第１の軸方向磁気シールド１２Ａを配置した。具体的には、超電導材層２３が配設された第一面側が外側になるようテープ状超電導材２１を成形し、これをリング状に成形することにより第１の軸方向用超電導材１５Ａを形成した。

そして、この構成とされた第１の軸方向用超電導材１５Ａを有する第１の軸方向磁気シールド１２Ａでは、空間部１４に外部磁場が進入すると超電導材層２３には外部磁場を低減する方向に超電導電流が発生する。また、低磁性の基板２４は外側に位置しているため、外部磁場がこの基板２４に吸い込まれる現象は発生しない。よって、本実施形態の構成によれば、超電導磁気シールド装置１０の磁気シールド効果を向上させることができる。

一方、上記のように第１の軸方向磁気シールド１２Ａを構成した場合、外側には非導電性を有した基板２４が位置することになる。よって、第１の軸方向磁気シールド１２Ａの第二面に横方向用超電導材１６を直接配設しても、この複数の横方向用超電導材１６間を電気的に接続することはできず、横方向磁場（Ｂ_Ｓ）に対するシールド効果は望めない。

そこで本実施形態では、第１の軸方向磁気シールド１２Ａの外側に、テープ状超電導材２１からなる第２の軸方向磁気シールド１２Ｂを設けた構成としている。この第２の軸方向磁気シールド１２Ｂは、超電導材層２３が設けられた第一面が外側（横方向用超電導材１６と対向する側）になるよう構成されている。

よって、第２の軸方向磁気シールド１２Ｂの第一面に対し、はんだ１９を用いて横方向用超電導材１６を接合することにより、各横方向用超電導材１６は第２の軸方向磁気シールド１２Ｂの超電導材層２３を介して電気的に接続された構成となる。これにより、横方向磁場（Ｂ_Ｓ）により超電導電流が発生しても、この超電導電流は軸方向及び横方向テープ状超電導材１５Ｂ，１６の超電導材層２３を跨いで流れるため、横方向磁場（Ｂ_Ｓ）の影響を確実に低減することができる。

ここで、内側に配設された第１の軸方向磁気シールド１２Ａと、外側に配設された第２の軸方向磁気シールド１２Ｂとが対向する位置に注目する。

前記のように、第１の軸方向磁気シールド１２Ａの外側は、基板２４が配設された第二面とされている。また、第２の軸方向磁気シールド１２Ｂの内側も、基板２４が配設された第二面とされている。従って、第１の軸方向磁気シールド１２Ａと第２の軸方向磁気シールド１２Ｂを電気的に接続することは困難な構成となっている。

しかしながら、空間部１４内のシールド効果を高めるためには、複数の第１の軸方向用超電導材１５Ａをそれぞれ電気的に接続することが望ましい。そこで本実施形態に係る超電導磁気シールド装置１０では、図２及び図４に示すように、接続用超電導線材３０を用いて複数の第１の軸方向用超電導材１５Ａの内側を電気的に接続した構成としている。この接続用超電導線材３０としては超電導性を有した材料で、かつ空間部１４内に配設されるものであるため非磁性である材料が望ましい。この材質としては、住友電気工業株式会社製のＤＩ−ＢＳＣＣＯなどがある。

このように、複数の第１の軸方向用超電導材１５Ａを接続用超電導線材３０で接続する構成とすることにより、空間部１４内に作用する軸方向磁場（Ｂ_Ａ）の影響を確実に低減させることができる。

なお、接続用超電導線材３０の配設位置は、第１の軸方向用超電導材１５Ａにおいて電気抵抗が高い第１端部１７Ａの形成位置に設定することが望ましい。この構成とすることにより、第１の軸方向用超電導材１５Ａ内で発生する超電導電流は接続用超電導線材３０をバイパスして流れるため、第１端部１７Ａにおける電気抵抗は実質的に低減され、よってシールド効果を高めることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。

１０超電導磁気シールド装置
１１支持体
１２Ａ第１の軸方向磁気シールド
１２Ｂ第２の軸方向磁気シールド
１３横方向磁気シールド
１４空間部
１５Ａ第１の軸方向用超電導材
１５Ｂ第２の軸方向用超電導材
１６横方向用超電導材
１７Ａ第１端部
１７Ｂ第２端部
１８，１９はんだ
２１テープ状超電導材

Claims

超電導体が存在する第一面と前記超電導体が存在しない第二面とを有するテープ状超電導材をリング状に成形した第１の軸方向用超電導材を有する第１の軸方向磁気シールドと、
超電導体が存在する第一面と前記超電導体が存在しない第二面とを有するテープ状超電導材をリング状に成形した第２の軸方向用超電導材を有すると共に、前記第１の軸方向用超電導材の外周位置に配設される第２の軸方向用超電導材を有する第２の軸方向磁気シールドと、
前記第２の軸方向磁気シールドの軸方向に対して直交或いは傾いて配設され、前記第２の軸方向磁気シールドと電気的に接続される横方向用超電導材を有する横方向磁気シールドと、
前記第１の軸方向磁気シールド、第２の軸方向磁気シールド、及び前記横方向磁気シールドを支持する支持体とを有し、
前記第１の軸方向磁気シールドは、前記支持体側に前記第一面が位置するよう構成し、
前記第２の軸方向磁気シールドは、前記横方向磁気シールド側に前記第一面が位置するよう構成したことを特徴とする超電導磁気シールド装置。
前記テープ状超電導材は、前記第二面側に基板を有することを特徴とする請求項１記載の超電導磁気シールド装置。
第１の軸方向磁気シールドを複数の前記第１の軸方向用超電導材により構成し、
複数の前記第１の軸方向用超電導材を非磁性材料よりなる接続用超電導線材で電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２記載の超電導磁気シールド装置。