JP5969967B2 - Cryostat pressure control device - Google Patents

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Description

本発明は、超電導マグネット等を冷却するクライオスタットに設けられ、クライオスタットが備える冷媒槽内の気相の冷媒の圧力を制御する圧力制御装置に関する。   The present invention relates to a pressure control device that is provided in a cryostat that cools a superconducting magnet or the like and controls the pressure of a gas-phase refrigerant in a refrigerant tank provided in the cryostat.

超電導マグネット等を冷却するクライオスタットにおいては、冷媒を収容する冷媒槽に外部から侵入した熱により蒸発した冷媒を、冷凍機で再凝縮させている。しかし、設計上、外部から侵入する熱量よりも冷凍機の冷凍能力の方が勝るために、気相の冷媒が過剰に凝縮され、その結果、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力は負圧になる。冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が負圧になると、シール性の弱いところから空気が侵入して氷結などを起こす。   In a cryostat that cools a superconducting magnet or the like, the refrigerant evaporated by heat entering from the outside into the refrigerant tank containing the refrigerant is recondensed by a refrigerator. However, because the refrigeration capacity of the refrigerator is superior to the amount of heat entering from the outside by design, the gas-phase refrigerant is excessively condensed, and as a result, the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is negative. become. When the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank becomes negative, air enters from a weak seal and causes freezing.

そこで、特許文献1には、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が負圧になった場合に、ヒータで冷凍機を加熱することで、液相の冷媒の蒸発を促し、冷媒槽内の負圧状態を解除する超電導マグネットが開示されている。また、特許文献2には、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が負圧にならないようにヒータの熱量を制御する圧力制御装置を備え、圧力制御装置による冷媒槽内の圧力制御が働かない状態である場合に、冷凍機の動作を停止させることで、冷凍機のみが働く状況下で冷媒槽内が負圧になるのを事前に防止する超電導電磁石が開示されている。   Therefore, in Patent Document 1, when the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank becomes negative, the refrigerator is heated by a heater to promote the evaporation of the liquid-phase refrigerant, A superconducting magnet that releases a negative pressure state is disclosed. Further, Patent Document 2 includes a pressure control device that controls the amount of heat of the heater so that the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank does not become negative, and pressure control in the refrigerant tank by the pressure control device does not work. A superconducting electromagnet is disclosed that prevents the inside of the refrigerant tank from becoming negative pressure in a state where only the refrigerator is working by stopping the operation of the refrigerator when it is in a state.

特開平6−283329号公報JP-A-6-283329 特開2009−267273号公報JP 2009-267273 A

ところで、ヒータによる圧力制御においては、気相の冷媒の圧力値が基準圧力値でヒータに印加する電流値が基準電流値である点を通り、所定の傾きを有する直線を含む、圧力と電流との関係式に、気相の冷媒の圧力を測定する圧力センサの測定値を代入することで、ヒータに印加する電流値を求めている。ここで、基準圧力値および基準電流値は、圧力と電流との関係式を設定するために便宜上設けられたものである。ヒータは、印加される電流値に応じた熱量を発生させる。ヒータが発生する熱量で、冷凍機の冷凍能力と外部から冷媒槽に侵入する熱量とがバランスすることにより、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力は安定する。   By the way, in the pressure control by the heater, the pressure and current including a straight line having a predetermined slope through the point where the pressure value of the gas-phase refrigerant is the reference pressure value and the current value applied to the heater is the reference current value. By substituting the measured value of the pressure sensor for measuring the pressure of the gas-phase refrigerant into the relational expression, the current value applied to the heater is obtained. Here, the reference pressure value and the reference current value are provided for convenience in order to set a relational expression between pressure and current. The heater generates an amount of heat corresponding to the applied current value. The amount of heat generated by the heater balances the refrigerating capacity of the refrigerator and the amount of heat entering the refrigerant tank from the outside, so that the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is stabilized.

ヒータに印加する電流値は、冷凍機の冷凍能力と外部から冷媒槽に侵入する熱量とがヒータが発生する熱量でバランスするときの値で安定する。よって、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力は、バランス時の電流値と、圧力と電流との関係式とで求まる値で安定する。   The current value applied to the heater is stabilized at a value when the refrigerating capacity of the refrigerator and the amount of heat entering the refrigerant tank from the outside balance with the amount of heat generated by the heater. Therefore, the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is stabilized at a value obtained from the current value at the balance and the relational expression between the pressure and the current.

しかしながら、冷凍機の冷凍能力は経時的に変化し、さらに、東日本と西日本の周波数の違いによっても変化する。また、外部から冷媒槽に侵入する熱量も環境の変化により変化する。冷凍機の冷凍能力や外部から冷媒槽に侵入する熱量が変化すると、冷凍機の冷凍能力と外部から冷媒槽に侵入する熱量とをバランスさせるための熱量が変化するので、バランス時の電流値は変化する。これにより、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が安定する値は変化する。圧力安定時の圧力値が変化すると、超電導マグネットによる磁場の均一度が変化し、高分解能NMR等の測定結果に影響を与える。   However, the freezing capacity of the refrigerator changes with time, and also changes due to the difference in frequency between East Japan and West Japan. Further, the amount of heat entering the refrigerant tank from the outside also changes due to environmental changes. If the freezing capacity of the refrigerator or the amount of heat that enters the refrigerant tank from the outside changes, the amount of heat that balances the freezing capacity of the refrigerator and the amount of heat that enters the refrigerant tank from the outside changes, so the current value at the time of balance is Change. As a result, the value at which the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is stabilized changes. When the pressure value at the time of stable pressure changes, the uniformity of the magnetic field by the superconducting magnet changes, which affects measurement results such as high resolution NMR.

本発明の目的は、磁場の均一度が変化することに起因する、高分解能NMR等の測定結果への影響を抑えることが可能なクライオスタットの圧力制御装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a cryostat pressure control device capable of suppressing the influence on measurement results such as high-resolution NMR caused by the change in the uniformity of a magnetic field.

本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置は、超電導マグネットを液体の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒槽内で蒸発した冷媒を冷凍機で再凝縮させるクライオスタットに設けられ、前記冷媒槽内の気相の冷媒の圧力を制御する圧力制御装置において、気相の冷媒の圧力を測定する圧力センサと、印加される電流値に応じた熱量を発生させることで、液体の冷媒を加熱するヒータと、前記圧力センサの測定値に応じた電流値の電流を前記ヒータに印加することで、前記ヒータが発生する熱量を制御する熱量制御装置と、を有し、前記熱量制御装置は、気相の冷媒の圧力値が基準圧力値Psで前記ヒータに印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾きを有する直線を含む圧力と電流との関係式と、前記圧力センサの測定値とを用いて、前記ヒータに印加する電流値を求める電流値算出部と、圧力補正係数n、初期の基準圧力値Ps0、および、前記圧力センサの測定値Ppから求まる補正量(Ps0−Pp)/nを前記基準圧力値Psに加算することで、前記基準圧力値Psを補正し、補正された前記基準圧力値Psを新たな前記基準圧力値Psとすることを、所定間隔毎に行う補正部と、を有することを特徴とする。   A cryostat pressure control device according to the present invention is provided in a cryostat for recondensing a refrigerant evaporated in a refrigerant tank accommodated in a state in which a superconducting magnet is immersed in a liquid refrigerant by a refrigerator. In the pressure control device that controls the pressure of the refrigerant, a pressure sensor that measures the pressure of the gas-phase refrigerant, a heater that heats the liquid refrigerant by generating an amount of heat according to an applied current value, and the pressure A heat quantity control device that controls the amount of heat generated by the heater by applying a current having a current value corresponding to a measured value of the sensor to the heater, and the heat quantity control device includes a pressure of a gas-phase refrigerant. A value of a reference pressure value Ps, and a current value applied to the heater passes through a point of the reference current value, and a relational expression between pressure and current including a straight line having a predetermined slope, and a measured value of the pressure sensor A current value calculation unit for obtaining a current value to be applied to the heater, a pressure correction coefficient n, an initial reference pressure value Ps0, and a correction amount (Ps0−Pp) / n obtained from the pressure sensor measurement value Pp. A correction unit that corrects the reference pressure value Ps by adding to the reference pressure value Ps and sets the corrected reference pressure value Ps as a new reference pressure value Ps at predetermined intervals; It is characterized by having.

上記の構成によれば、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力の目標値を初期の基準圧力値Ps0として圧力制御を開始し、所定間隔毎に、補正量(Ps0−Pp)/nを基準圧力値Psに加算することで、基準圧力値Psを補正し、補正された基準圧力値Psを新たな基準圧力値Psとする。具体的には、まず、(1)気相の冷媒の圧力値が初期の基準圧力値Ps0でヒータに印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾きを有する直線を含む圧力と電流との関係式を用いて、ヒータに印加する電流値を求め、この電流値の電流をヒータに印加することで、ヒータが発生する熱量を制御する。同時に、初期の基準圧力値Ps0を補正して新たな基準圧力値Psとする。次に、(2)気相の冷媒の圧力値が新たな基準圧力値Psでヒータに印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾きを有する直線を含む圧力と電流との関係式を用いて、ヒータに印加する電流値を求め、この電流値の電流をヒータに印加することで、ヒータが発生する熱量を制御する。同時に、現在の基準圧力値Psを補正して新たな基準圧力値Psとする。上記(2)を繰り返すことで、基準圧力値Psは初期の基準圧力値Ps0から累積補正されていく。これにより、基準圧力値Psが変化していくので、圧力と電流との関係式は変化していく。   According to the above configuration, the pressure control is started with the target value of the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank as the initial reference pressure value Ps0, and the correction amount (Ps0−Pp) / n is used as a reference every predetermined interval. By adding to the pressure value Ps, the reference pressure value Ps is corrected, and the corrected reference pressure value Ps is set as a new reference pressure value Ps. Specifically, first, (1) the pressure value of the gas-phase refrigerant is an initial reference pressure value Ps0, the current value applied to the heater passes through the reference current value point, and includes a pressure including a straight line having a predetermined slope. A current value to be applied to the heater is obtained using a relational expression with the current, and the amount of heat generated by the heater is controlled by applying the current having the current value to the heater. At the same time, the initial reference pressure value Ps0 is corrected to a new reference pressure value Ps. Next, (2) the relationship between the pressure and the current including a straight line having a predetermined slope with the pressure value of the gas-phase refrigerant being a new reference pressure value Ps and the current value applied to the heater passing through the reference current value The amount of heat generated by the heater is controlled by obtaining a current value to be applied to the heater using the equation and applying a current of this current value to the heater. At the same time, the current reference pressure value Ps is corrected to a new reference pressure value Ps. By repeating the above (2), the reference pressure value Ps is cumulatively corrected from the initial reference pressure value Ps0. Thereby, since the reference pressure value Ps changes, the relational expression between the pressure and the current changes.

ここで、ヒータに印加する電流値は、冷凍機の冷凍能力と外部から冷媒槽に侵入する熱量とがヒータが発生する熱量でバランスするときの値で安定する。そのため、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が安定したときの圧力値は、バランス時の電流値と、圧力と電流との関係式とで求まる。しかし、基準圧力値Psの累積補正により、圧力と電流との関係式が変化していくため、圧力安定時の圧力値は変化していく。そして、圧力安定時の圧力値が初期の基準圧力値Ps0まで変化すると、圧力安定時の圧力値である圧力センサの測定値が初期の基準圧力値Ps0になるので、補正量がゼロになる。これにより、基準圧力値Psは、補正量がゼロになったときの値に落ち着く。よって、圧力と電流との関係式は、気相の冷媒の圧力値がこのときの基準圧力値Psでヒータに印加する電流値が基準電流値である点を通る直線を含むものに落ち着く。これにより、圧力安定時の圧力値は、目標値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。   Here, the current value applied to the heater is stabilized at a value when the refrigerating capacity of the refrigerator and the amount of heat entering the refrigerant tank from the outside balance with the amount of heat generated by the heater. Therefore, the pressure value when the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is stabilized can be obtained from the current value at the balance and the relational expression between the pressure and the current. However, since the relational expression between the pressure and the current changes due to the cumulative correction of the reference pressure value Ps, the pressure value when the pressure is stable changes. When the pressure value at the time of pressure stabilization changes to the initial reference pressure value Ps0, the measured value of the pressure sensor, which is the pressure value at the time of pressure stabilization, becomes the initial reference pressure value Ps0, so the correction amount becomes zero. As a result, the reference pressure value Ps settles to the value when the correction amount becomes zero. Therefore, the relational expression between pressure and current settles to include a straight line passing through a point where the pressure value of the gas-phase refrigerant is the reference pressure value Ps at this time and the current value applied to the heater is the reference current value. As a result, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is the target value.

そして、バランス時の電流値がどのような値になろうとも、同様にして、圧力安定時の圧力値は、補正量がゼロになる値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。よって、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力は、バランス時の電流値が変化したとしても、目標値である初期の基準圧力値Ps0で安定することになる。このように、気相の冷媒の圧力の目標値を設定し、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が目標値で安定するようにすることで、磁場の均一度が一定になる。これにより、磁場の均一度が変化することに起因する、高分解能NMR等の測定結果への影響を抑えることができる。   Then, no matter what the current value at the time of balancing becomes, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is a value at which the correction amount becomes zero. Therefore, the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is stabilized at the initial reference pressure value Ps0 that is the target value even if the current value at the time of balance changes. In this way, by setting the target value of the pressure of the gas-phase refrigerant and stabilizing the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank at the target value, the uniformity of the magnetic field becomes constant. Thereby, the influence on measurement results, such as high-resolution NMR, resulting from a change in the uniformity of the magnetic field can be suppressed.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記熱量制御装置は、前記基準圧力値Psを記憶する記憶部をさらに有していてよい。上記の構成によれば、基準圧力値Psを記憶部に記憶することで、基準圧力値Psが電流値算出部から消えるような不測の事態が生じたとしても、記憶部が記憶する基準圧力値Psを用いて、基準圧力値Psの累積補正を途中から再開することができる。よって、不測の事態による時間ロスを短縮することができる。   In the cryostat pressure control device according to the present invention, the heat control device may further include a storage unit that stores the reference pressure value Ps. According to the above configuration, the reference pressure value Ps stored in the storage unit is stored even if an unexpected situation occurs in which the reference pressure value Ps disappears from the current value calculation unit by storing the reference pressure value Ps in the storage unit. Using Ps, the cumulative correction of the reference pressure value Ps can be resumed from the middle. Thus, time loss due to unforeseen circumstances can be reduced.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記補正部は、前記補正量に上限値を設けていてよい。上記の構成によれば、補正部は、補正量に上限値を設けることで、補正量が大きくなりすぎないようにする。これにより、圧力センサの測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎたり、小さくなりすぎたりすることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、圧力変動が小さい安定した圧力制御を行うことができる。   In the cryostat pressure control apparatus according to the present invention, the correction unit may provide an upper limit value for the correction amount. According to the above configuration, the correction unit provides an upper limit value for the correction amount so that the correction amount does not become too large. As a result, the current value obtained from the pressure sensor measurement value and the relational expression between pressure and current will not be too large or too small, and pressure overshoot will be suppressed. Therefore, stable pressure control with small pressure fluctuation can be performed.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記補正部は、前記圧力補正係数nを段階的に変化させてよい。上記の構成によれば、補正部は、圧力補正係数nを段階的に変化させることで、補正による効果を大きくしたり小さくしたりする。圧力補正係数nが大きいほど補正による効果が小さくなり、圧力変動は小さくなるが、圧力偏差(平均値との差)は大きくなる。逆に、圧力補正係数nが小さいほど補正による効果が大きくなり、圧力変動は大きくなるが、圧力偏差は小さくなる。そこで、圧力補正係数nを大から小に段階的に変化させることで、圧力変動を抑えながら圧力をある程度まで安定させた後に、圧力を目標値で精度よく安定させることができる。また、圧力補正係数nを小から大に段階的に変化させることで、素早く圧力をある程度まで安定させた後に、圧力変動を抑えた安定した圧力制御を行うことができる。   In the cryostat pressure control apparatus according to the present invention, the correction unit may change the pressure correction coefficient n stepwise. According to said structure, a correction | amendment part increases or reduces the effect by correction | amendment by changing the pressure correction coefficient n in steps. The greater the pressure correction coefficient n, the smaller the effect of the correction and the smaller the pressure fluctuation, but the greater the pressure deviation (difference from the average value). Conversely, the smaller the pressure correction coefficient n, the greater the effect of correction and the greater the pressure fluctuation, but the smaller the pressure deviation. Therefore, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from large to small, it is possible to stabilize the pressure with a target value with high accuracy after stabilizing the pressure to some extent while suppressing pressure fluctuation. Further, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from small to large, it is possible to perform stable pressure control while suppressing pressure fluctuations after quickly stabilizing the pressure to a certain level.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記補正部は、所定の条件が成立した場合に、前記基準圧力値Psの累積補正を中止してよい。上記の構成によれば、補正部は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止する。圧力がある程度、あるいは十分に安定するのに要する時間が経過した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止し、補正に依らない圧力制御を行うことで、補正に起因する細かな圧力変動が生じないようにすることができる。また、オペレータからの指示があった場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止するようにすることで、オペレータが所望するタイミングで累積補正を中止することができる。   In the cryostat pressure control apparatus according to the present invention, the correction unit may stop the cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. According to said structure, a correction | amendment part stops the accumulation correction | amendment of the reference pressure value Ps, when predetermined conditions are satisfied. When the time required for the pressure to stabilize to a certain extent or sufficiently elapses, by canceling the cumulative correction of the reference pressure value Ps and performing pressure control independent of the correction, fine pressure fluctuations caused by the correction can be obtained. It can be prevented from occurring. Further, when there is an instruction from the operator, the cumulative correction of the reference pressure value Ps is stopped, so that the cumulative correction can be stopped at a timing desired by the operator.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記補正部は、所定の条件が成立した場合に、前記基準圧力値Psの累積補正を開始してよい。上記の構成によれば、補正部は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を開始する。オペレータからの指示があった場合、あるいは、所定時間が経過した場合に、基準圧力値Psの累積補正を開始するようにすることで、所望のタイミングで累積補正を開始することができる。また、累積補正を中止した後にオペレータからの指示があった場合に、基準圧力値Psの累積補正を再開することで、中止後に圧力安定時の圧力値が目標値からずれた場合であっても、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力を目標値で安定させることができる。   In the cryostat pressure control apparatus according to the present invention, the correction unit may start cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. According to the above configuration, the correction unit starts cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. Accumulation correction can be started at a desired timing by starting the accumulation correction of the reference pressure value Ps when an instruction from the operator is given or when a predetermined time has elapsed. Further, when there is an instruction from the operator after canceling the cumulative correction, by restarting the cumulative correction of the reference pressure value Ps, even when the pressure value at the time of the pressure stabilization after the stop is deviated from the target value. The pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank can be stabilized at the target value.

また、本発明におけるクライオスタットの圧力制御装置において、前記熱量制御装置は、前記ヒータに印加する電流値の上限値を設定する電流上限値設定部をさらに有し、前記電流上限値設定部は、直近に前記ヒータに印加した所定数の電流値を用いて移動平均を算出し、この移動平均に所定値を加えた値を、前記ヒータに印加する電流値の上限値として設定してよい。上記の構成によれば、電流上限値設定部は、直近にヒータに印加した所定数の電流値を用いて移動平均を算出し、この移動平均に所定値を加えた値を、ヒータに印加する電流値の上限値として設定する。ヒータに印加する電流値に上限値を設けることで、圧力センサの測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、圧力変動が小さい安定した圧力制御を行うことができる。   In the cryostat pressure control device according to the present invention, the heat quantity control device further includes a current upper limit value setting unit that sets an upper limit value of a current value applied to the heater, and the current upper limit value setting unit A moving average may be calculated using a predetermined number of current values applied to the heater, and a value obtained by adding the predetermined value to the moving average may be set as an upper limit value of the current value applied to the heater. According to the above configuration, the current upper limit value setting unit calculates a moving average using a predetermined number of current values applied to the heater most recently, and applies a value obtained by adding the predetermined value to the moving average to the heater. Set as the upper limit of the current value. By providing an upper limit value for the current value applied to the heater, the current value obtained from the pressure sensor measurement value and the relational expression between pressure and current will not be too large, and pressure overshoot will be suppressed. Since the error between the value and the target value becomes small, stable pressure control with small pressure fluctuation can be performed.

本発明のクライオスタットの圧力制御装置によると、基準圧力値Psを累積補正することで、バランス時の電流値が変化しても、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力は、目標値である初期の基準圧力値Ps0で安定する。このように、圧力の目標値を設定し、冷媒槽内の気相の冷媒の圧力が目標値で安定するようにすることで、磁場の均一度が一定になる。これにより、磁場の均一度が変化することに起因する、高分解能NMR等の測定結果への影響を抑えることができる。   According to the cryostat pressure control apparatus of the present invention, the reference pressure value Ps is cumulatively corrected, so that even if the current value at the time of balance changes, the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank is an initial value that is the target value. The reference pressure value Ps0 is stabilized. Thus, by setting the target value of the pressure and stabilizing the pressure of the gas-phase refrigerant in the refrigerant tank at the target value, the uniformity of the magnetic field becomes constant. Thereby, the influence on measurement results, such as high-resolution NMR, resulting from a change in the uniformity of the magnetic field can be suppressed.

クライオスタットの内部構造を示す側面図である。It is a side view which shows the internal structure of a cryostat. 圧力制御装置の回路図である。It is a circuit diagram of a pressure control device. 圧力と電流との関係式の一例である。It is an example of the relational expression of a pressure and an electric current. ヘリウムガスの圧力の時間変化をシミュレートした図である。It is the figure which simulated the time change of the pressure of helium gas. ヒータ電流の時間変化をシミュレートした図である。It is the figure which simulated the time change of heater current. 圧力と電流との関係式の一例である。It is an example of the relational expression of a pressure and an electric current. ヘリウムガスの圧力の時間変化をシミュレートした図である。It is the figure which simulated the time change of the pressure of helium gas. ヒータ電流の時間変化をシミュレートした図である。It is the figure which simulated the time change of heater current. 圧力制御装置の回路図である。It is a circuit diagram of a pressure control device.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(クライオスタットの構成)
本発明の実施形態によるクライオスタットの圧力制御装置(圧力制御装置)100は、クライオスタット50に設けられている。クライオスタット50は、図1に示すように、液体の冷媒である液体ヘリウムを収容するヘリウム槽(冷媒槽)2と、ヘリウム槽2の上方に設けられた冷凍機5と、を有している。なお、本実施形態のクライオスタット50は、NMR装置に用いられるものであるが、これに限定されず、例えば、MRI装置に用いられるものであってもよい。また、冷媒はヘリウムに限定されない。
(Composition of cryostat)
A cryostat pressure control device (pressure control device) 100 according to an embodiment of the present invention is provided in a cryostat 50. As shown in FIG. 1, the cryostat 50 includes a helium tank (refrigerant tank) 2 that stores liquid helium, which is a liquid refrigerant, and a refrigerator 5 provided above the helium tank 2. The cryostat 50 of the present embodiment is used for an NMR apparatus, but is not limited to this, and may be used for an MRI apparatus, for example. Further, the refrigerant is not limited to helium.

ヘリウム槽2にはガス放出口(図示せず)が設けられている。このガス放出口は、冷凍機5の能力を喪失した際にヘリウムガスが蒸発する経路であり、後述する筒部材13の上端部に設けられている。このガス放出口の先端には、外部からヘリウム槽2内への空気の混入を防止するための逆止弁が取り付けられている。この逆止弁は、後述する超電導マグネット1がクエンチした際に発生する大量のヘリウムガスを十分安全に処理できる性能を備えている。そのため、ヘリウム槽2内のヘリウムガスが冷凍機5によって冷却されて液化してもヘリウム槽2内の総ヘリウム量は変化しない。また、ヘリウム槽2内への空気の混入を防止するために、ヘリウム槽2内の圧力は、大気圧よりも僅かに高い正圧に制御されている。ヘリウム槽2の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。   The helium tank 2 is provided with a gas discharge port (not shown). This gas discharge port is a path through which helium gas evaporates when the capacity of the refrigerator 5 is lost, and is provided at the upper end of a cylindrical member 13 described later. A check valve for preventing air from entering the helium tank 2 from the outside is attached to the tip of the gas discharge port. This check valve has a performance capable of sufficiently safely processing a large amount of helium gas generated when a superconducting magnet 1 described later is quenched. Therefore, even if the helium gas in the helium tank 2 is cooled by the refrigerator 5 and liquefied, the total amount of helium in the helium tank 2 does not change. In order to prevent air from entering the helium tank 2, the pressure in the helium tank 2 is controlled to a positive pressure slightly higher than the atmospheric pressure. Examples of the material of the helium tank 2 include aluminum and stainless steel.

ヘリウム槽2内には、超電導マグネット1が液体ヘリウムに浸漬された状態で収容されている。超電導マグネット1は、超電導線材を巻枠(図示せず)に螺旋状に巻回してなるものである。超電導線材は、金属系超電導線材であってもよいし、酸化物系超電導線材であってもよい。また、ヘリウム槽2の中心部には、鉛直方向に延びる円筒空間S(ボア)が設けられている。この円筒空間Sに試料が入れられ、様々な分析・実験が行われる。ヘリウム槽2内において、超電導マグネット1が浸漬される液体ヘリウムの液面よりも上方は、ヘリウムガスで満たされた気相空間10となっている。   A superconducting magnet 1 is accommodated in the helium tank 2 while being immersed in liquid helium. The superconducting magnet 1 is formed by spirally winding a superconducting wire around a winding frame (not shown). The superconducting wire may be a metal-based superconducting wire or an oxide-based superconducting wire. A cylindrical space S (bore) extending in the vertical direction is provided at the center of the helium tank 2. A sample is placed in the cylindrical space S, and various analyzes and experiments are performed. In the helium tank 2, a gas space 10 filled with helium gas is provided above the liquid helium surface in which the superconducting magnet 1 is immersed.

ヘリウム槽2は、輻射シールド3で囲まれている。この輻射シールド3は、冷熱をより逃がさないようにするための、ヘリウムガスの有する冷熱で冷却されるシールド容器である。また、輻射シールド3は、冷凍機5の後述する第1冷却ステージ6により強制冷却されている。輻射シールド3の材質としては、アルミニウム、銅などが挙げられる。   The helium tank 2 is surrounded by a radiation shield 3. The radiation shield 3 is a shield container that is cooled by the cold heat of the helium gas so as not to let the cold heat escape. Further, the radiation shield 3 is forcibly cooled by a first cooling stage 6 described later of the refrigerator 5. Examples of the material of the radiation shield 3 include aluminum and copper.

また、ヘリウム槽2および輻射シールド3は、真空容器4内に収容されている。この真空容器4は、その内部を高真空に保持され、超電導マグネット1やヘリウム槽2への熱侵入を抑制する容器である。真空容器4の上部には、内部に筒部材13を有するネック部材12が取り付けられている。筒部材13は、電流リード(図示せず)の挿入通路として用いられたり、ヘリウム槽2内への液体ヘリウムの補充通路として用いられたりする。また、真空容器4は、複数のスタンド9によって床上に支持されている。真空容器4の材質としては、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられる。   Further, the helium tank 2 and the radiation shield 3 are accommodated in a vacuum vessel 4. The vacuum container 4 is a container whose inside is maintained at a high vacuum and suppresses heat intrusion into the superconducting magnet 1 and the helium tank 2. A neck member 12 having a cylindrical member 13 inside is attached to the upper portion of the vacuum vessel 4. The cylindrical member 13 is used as a passage for inserting a current lead (not shown) or a replenishment passage for liquid helium into the helium tank 2. The vacuum vessel 4 is supported on the floor by a plurality of stands 9. Examples of the material of the vacuum vessel 4 include aluminum and stainless steel.

冷凍機5は、ヘリウム槽2内で蒸発した液体ヘリウムを再液化(再凝縮)させるためのものであり、本実施形態ではパルスチューブ冷凍機が用いられている。冷凍機5の鉛直方向における中途部には第1冷却ステージ6(1ndステージ)が設けられ、冷凍機5の下端部には第2冷却ステージ7(2ndステージ)が設けられている。第1冷却ステージ6および第2冷却ステージ7は、いずれもフランジ状の形態を有しており、冷凍機5により冷却されて、それぞれ、例えば約40Kおよび約4Kになる。第1冷却ステージ6および第2冷却ステージ7の材質は、主に銅や銅合金である。なお、冷凍機5は、パルスチューブ冷凍機に限定されず、GM冷凍機やスターリング冷凍機などであってもよい。   The refrigerator 5 is for reliquefaction (recondensation) of liquid helium evaporated in the helium tank 2, and a pulse tube refrigerator is used in this embodiment. A first cooling stage 6 (1nd stage) is provided in the middle part of the refrigerator 5 in the vertical direction, and a second cooling stage 7 (2nd stage) is provided at the lower end of the refrigerator 5. Each of the first cooling stage 6 and the second cooling stage 7 has a flange shape, and is cooled by the refrigerator 5 to, for example, about 40K and about 4K, respectively. The material of the first cooling stage 6 and the second cooling stage 7 is mainly copper or a copper alloy. The refrigerator 5 is not limited to the pulse tube refrigerator, and may be a GM refrigerator, a Stirling refrigerator, or the like.

冷凍機5における第2冷却ステージ7を含む下部は、筒状部材15に収容されている。この筒状部材15の外側にはさらに筒状部材16が配置されている。この筒状部材15の内部空間が再凝縮室8であり、この再凝縮室8とヘリウム槽2とは、筒状部材15よりも小径の筒状の連通部材14で連通されている。   The lower part including the second cooling stage 7 in the refrigerator 5 is accommodated in the cylindrical member 15. A tubular member 16 is further disposed outside the tubular member 15. The internal space of the tubular member 15 is a recondensing chamber 8, and the recondensing chamber 8 and the helium tank 2 are communicated with each other by a tubular communicating member 14 having a smaller diameter than the tubular member 15.

(圧力制御装置の構成)
圧力制御装置100は、クライオスタット50に設けられ、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力を制御するものである。圧力制御装置100は、筒状部材16に接続する枝管17に取り付けられた圧力センサ21と、超電導マグネット1に取り付けられたヒータ22と、を有している。
(Configuration of pressure control device)
The pressure control device 100 is provided in the cryostat 50 and controls the pressure of the helium gas in the helium tank 2. The pressure control device 100 includes a pressure sensor 21 attached to the branch pipe 17 connected to the cylindrical member 16 and a heater 22 attached to the superconducting magnet 1.

圧力センサ21は、再凝縮室8内のヘリウムガスの圧力を測定する。本実施形態において、圧力センサ21は歪ゲージである。なお、圧力センサ21は、気相空間10のヘリウムガスの圧力を測定するように、筒部材13の上端部のガス放出口に設けられていてもよいし、ヘリウム槽2内に設けられていてもよい。また、圧力センサ21は歪ゲージに限定されない。また、圧力センサ21は、圧力を連続的に測定する構成に限定されず、圧力をある周期で間欠的に測定する構成であってもよい。例えば、圧力センサ21は、後述するマイコン26が1分毎に基準圧力値を補正するのに合わせて、1分間隔で圧力を測定する構成であってもよい。   The pressure sensor 21 measures the pressure of helium gas in the recondensing chamber 8. In the present embodiment, the pressure sensor 21 is a strain gauge. The pressure sensor 21 may be provided at the gas discharge port at the upper end of the cylindrical member 13 or in the helium tank 2 so as to measure the pressure of the helium gas in the gas phase space 10. Also good. Further, the pressure sensor 21 is not limited to a strain gauge. Moreover, the pressure sensor 21 is not limited to the structure which measures a pressure continuously, The structure which measures a pressure intermittently with a certain period may be sufficient. For example, the pressure sensor 21 may be configured to measure the pressure at intervals of 1 minute in accordance with the microcomputer 26 described later correcting the reference pressure value every minute.

ヒータ22は、印加される電流値に応じた熱量を発生させることで、液体ヘリウムを加熱する。加熱された液体ヘリウムは蒸発してヘリウムガスとなる。これにより、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が上昇する。なお、ヒータ22は、間接的に液体ヘリウムを加熱するように、冷凍機5などに取り付けられていてもよい。   The heater 22 heats liquid helium by generating an amount of heat corresponding to the applied current value. The heated liquid helium evaporates into helium gas. Thereby, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 increases. The heater 22 may be attached to the refrigerator 5 or the like so as to indirectly heat liquid helium.

ここで、クライオスタット50においては、外部からヘリウム槽2に侵入した熱により蒸発した液体ヘリウムを、冷凍機5で再凝縮させている。ここで、冷凍機5の冷凍能力が外部から侵入する熱量に劣ると、液体ヘリウムの蒸発を止めることができない。そこで、設計上、外部から侵入する熱量よりも冷凍機5の冷凍能力の方が勝るようにされている。しかし、外部から侵入する熱量よりも冷凍機5の冷凍能力の方が勝るために、ヘリウムガスが過剰に凝縮され、その結果、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力は負圧になる。ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が負圧になると、シール性の弱いところから空気が侵入して氷結などを起こす。   Here, in the cryostat 50, the liquid helium evaporated by the heat that has entered the helium tank 2 from the outside is recondensed by the refrigerator 5. Here, if the refrigerating capacity of the refrigerator 5 is inferior to the amount of heat entering from the outside, the evaporation of liquid helium cannot be stopped. Therefore, the refrigeration capacity of the refrigerator 5 is superior to the amount of heat entering from the outside by design. However, since the refrigerating capacity of the refrigerator 5 is superior to the amount of heat entering from the outside, the helium gas is excessively condensed, and as a result, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 becomes negative. When the pressure of the helium gas in the helium tank 2 becomes a negative pressure, air enters from a weak sealing property and causes freezing.

そこで、ヒータ22で液体ヘリウムを加熱することで、液体ヘリウムの蒸発を促し、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が大気圧よりも僅かに高い正圧になるように制御している。即ち、ヒータ22が発生する熱量で、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とをバランスさせている。   Therefore, the liquid helium is heated by the heater 22 to promote the evaporation of the liquid helium, and the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is controlled to be a positive pressure slightly higher than the atmospheric pressure. That is, the amount of heat generated by the heater 22 balances the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside.

回路図である図2に示すように、圧力制御装置100は、熱量制御装置23を有している。この熱量制御装置23は、回路基板上に設けられてクライオスタット50の外部に設けられており、圧力センサ21の測定値に応じた電流値の電流をヒータ22に印加することで、ヒータ22が発生する熱量を制御するものである。   As shown in FIG. 2, which is a circuit diagram, the pressure control device 100 includes a heat quantity control device 23. This heat quantity control device 23 is provided on the circuit board and provided outside the cryostat 50, and the heater 22 is generated by applying a current having a current value corresponding to the measured value of the pressure sensor 21 to the heater 22. The amount of heat to be controlled is controlled.

熱量制御装置23は、変換器24と、A/D変換器25と、マイコン26と、設定器27と、D/A変換器28と、増幅器29と、を有している。変換器24は、歪ゲージである圧力センサ21が測定した電気抵抗の変化を電圧値に変換する。A/D変換器25は、アナログの電圧値をデジタル値に変換する。マイコン(電流値算出部)26は、圧力センサ21の測定値を、圧力と電流との関係式に代入することで、ヒータ22に印加する電流値を求める。設定器27は、マイコン26で用いる、圧力と電流との関係式を設定するための値を設定する。D/A変換器28は、デジタルの電流値をアナログ値に変換する。増幅器29は、電流値を増幅する。増幅された電流値のヒータ電流は、ヒータ22に印加される。   The heat quantity control device 23 includes a converter 24, an A / D converter 25, a microcomputer 26, a setting device 27, a D / A converter 28, and an amplifier 29. The converter 24 converts the change in electrical resistance measured by the pressure sensor 21 that is a strain gauge into a voltage value. The A / D converter 25 converts an analog voltage value into a digital value. The microcomputer (current value calculation unit) 26 obtains a current value to be applied to the heater 22 by substituting the measured value of the pressure sensor 21 into a relational expression between pressure and current. The setter 27 sets a value used to set a relational expression between pressure and current used in the microcomputer 26. The D / A converter 28 converts a digital current value into an analog value. The amplifier 29 amplifies the current value. The heater current having the amplified current value is applied to the heater 22.

ここで、圧力と電流との関係式の一例を図3に示す。この関係式は、ヘリウムガスの圧力値が基準圧力値(4kPa)でヒータ22に印加する電流値が基準電流値(30mA)である点Aを通り、傾きが12[mA/kPa]の直線Cを含んでいる。ここで、基準圧力値および基準電流値は、圧力と電流との関係式を設定するために便宜上設けられたものである。ヒータ22の発熱効果は、電流値がプラスでもマイナスでも同じである。そこで、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が基準圧力値のときに電流値が基準電流値となるように、基準電流値分だけ電流値をかさ上げし、圧力が6.5kPa以上で電流値が0となるようにして、常にプラス(0を含む)の電流値で圧力制御を行うようにしている。また、圧力が−1kPa以下では電流値が90mAで一定となるように、ヒータ電流に上限値を設けることで、ヒータ22の破損や配線の焼損を防止している。   Here, an example of a relational expression between pressure and current is shown in FIG. This relational expression passes through a point A where the pressure value of helium gas is the reference pressure value (4 kPa) and the current value applied to the heater 22 is the reference current value (30 mA), and the straight line C having an inclination of 12 [mA / kPa]. Is included. Here, the reference pressure value and the reference current value are provided for convenience in order to set a relational expression between pressure and current. The heating effect of the heater 22 is the same whether the current value is positive or negative. Therefore, the current value is raised by the reference current value so that the current value becomes the reference current value when the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is the reference pressure value, and the current value when the pressure is 6.5 kPa or more. Is set to 0, and pressure control is always performed with a positive current value (including 0). Further, by setting an upper limit value for the heater current so that the current value is constant at 90 mA when the pressure is −1 kPa or less, damage to the heater 22 and wiring burnout are prevented.

設定器27(図2参照)は、点Aの圧力値である基準圧力値(4kPa)、点Aの電流値である基準電流値(30mA)、および、直線Cの傾き(12[mA/kPa])を設定する。これにより、直線Cが設定される。熱量制御装置23は、マイコン26が求めた電流値の電流をヒータ22に印加することで、ヒータ22が発生する熱量を制御する。これにより、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が制御される。このような圧力制御により、時間の経過とともにヘリウムガスの圧力は安定する。   The setting device 27 (see FIG. 2) includes a reference pressure value (4 kPa) that is a pressure value at point A, a reference current value (30 mA) that is a current value at point A, and a slope of a straight line C (12 [mA / kPa). ]). Thereby, the straight line C is set. The heat quantity control device 23 controls the amount of heat generated by the heater 22 by applying a current having a current value obtained by the microcomputer 26 to the heater 22. Thereby, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is controlled. Such pressure control stabilizes the pressure of the helium gas with time.

ヘリウムガスの圧力の時間変化をシミュレートした図を図4に示す。初期値2kPaから30時間ほどを経て、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が安定している。また、ヒータ電流の時間変化をシミュレートした図を図5に示す。30時間ほどを経て、ヒータ電流は20mAに漸近して安定している。このとき、ヒータ22に20mAを印加したときの発熱量で、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とがバランスしている。なお、図4、図5は、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とをバランスさせるためにヒータ22に印加する電流値が20mAで変化しない(一定である)ようにモデル化したものである。   A diagram simulating the time change of the pressure of helium gas is shown in FIG. After about 30 hours from the initial value of 2 kPa, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stable. Moreover, the figure which simulated the time change of heater current is shown in FIG. After about 30 hours, the heater current is asymptotic to 20 mA and stabilized. At this time, the amount of heat generated when 20 mA is applied to the heater 22 balances the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside. 4 and 5, in order to balance the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside, the current value applied to the heater 22 does not change at 20 mA (is constant). Modeled.

なお、理論的には、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量との差から、バランス時にヒータ22が発生する熱量を求めることはできるが、実際のクライオスタット50において、ヒータ22が発生する熱量を直接検出することはできない。   Theoretically, the amount of heat generated by the heater 22 at the time of balance can be obtained from the difference between the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside, but in the actual cryostat 50, the heater The amount of heat generated by 22 cannot be directly detected.

図5からわかるように、ヒータ電流が安定する電流値(20mA)は、図3に示した基準電流値(30mA)ではない。図3において、電流値が20mAの直線Dと直線Cとが交差する点Bにおける圧力値は、4.83kPaである。この値は、基準圧力値(4kPa)ではない。このように、基準圧力値は、元々、基準電流値とともに、圧力と電流との関係式を設定するために便宜上設けられたものであって、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が安定する値ではない。   As can be seen from FIG. 5, the current value (20 mA) at which the heater current is stabilized is not the reference current value (30 mA) shown in FIG. In FIG. 3, the pressure value at the point B where the straight line D having a current value of 20 mA and the straight line C intersect with each other is 4.83 kPa. This value is not the reference pressure value (4 kPa). Thus, the reference pressure value is originally provided for convenience in order to set a relational expression between the pressure and the current together with the reference current value, and is a value at which the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized. is not.

ここで、冷凍機5の冷凍能力は経時的に変化し、さらに、東日本と西日本の周波数の違いによっても変化する。また、外部からヘリウム槽2に侵入する熱量も環境の変化により変化する。冷凍機5の冷凍能力や外部からヘリウム槽2に侵入する熱量が変化すると、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とをバランスさせるための熱量が変化するので、バランス時の電流値は変化する。これにより、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が安定する値は変化する。圧力安定時の圧力値が変化すると、超電導マグネット1による磁場の均一度が変化し、高分解能NMR等の測定結果に影響を与える。   Here, the refrigeration capacity of the refrigerator 5 changes with time, and also changes depending on the frequency difference between eastern Japan and western Japan. Further, the amount of heat that enters the helium tank 2 from the outside also changes due to environmental changes. When the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside change, the amount of heat for balancing the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside changes. The current value changes. Thereby, the value at which the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized changes. When the pressure value at the time of stable pressure changes, the uniformity of the magnetic field by the superconducting magnet 1 changes, which affects measurement results such as high resolution NMR.

そこで、図2に示すマイコン(補正部)26は、所定間隔毎に、基準圧力値を補正する。即ち、マイコン26は、補正量(Ps0−Pp)/nを基準圧力値Psに加算することで、基準圧力値Psを補正し、補正された基準圧力値Psを新たな基準圧力値Psとすることを、所定間隔毎に行う。ここで、nは圧力補正係数、Ps0は初期の基準圧力値、Ppは圧力センサ21の測定値である。本実施形態において、マイコン26は、1分毎に基準圧力値Psを補正する。よって、補正量は1分毎に算出される。   Therefore, the microcomputer (correction unit) 26 shown in FIG. 2 corrects the reference pressure value at predetermined intervals. That is, the microcomputer 26 corrects the reference pressure value Ps by adding the correction amount (Ps0−Pp) / n to the reference pressure value Ps, and sets the corrected reference pressure value Ps as a new reference pressure value Ps. This is performed at predetermined intervals. Here, n is a pressure correction coefficient, Ps0 is an initial reference pressure value, and Pp is a measured value of the pressure sensor 21. In the present embodiment, the microcomputer 26 corrects the reference pressure value Ps every minute. Therefore, the correction amount is calculated every minute.

なお、本実施形態では1分毎に基準圧力値Psを補正しているが、この間隔は1分に限定されない。ただし、補正を行わない従来の制御において、図4に示すように、圧力は概ね1日かけて安定するので、1分は、補正の周期として十分な細やかさであると言える。   In the present embodiment, the reference pressure value Ps is corrected every minute, but this interval is not limited to one minute. However, in the conventional control without correction, as shown in FIG. 4, the pressure is stabilized over approximately one day, so that one minute can be said to be fine enough as a correction cycle.

圧力と電流との関係式の一例を図6に示す。補正を伴う圧力制御においては、目標値を初期の基準圧力値Ps0(4kPa)として圧力制御を開始する。そして、1分毎に、補正量(Ps0−Pp)/nを基準圧力値Psに加算することで、基準圧力値Psを補正し、補正された基準圧力値Psを新たな基準圧力値Psとする。   An example of the relational expression between pressure and current is shown in FIG. In the pressure control with correction, the pressure control is started with the target value as the initial reference pressure value Ps0 (4 kPa). Then, by adding the correction amount (Ps0−Pp) / n to the reference pressure value Ps every minute, the reference pressure value Ps is corrected, and the corrected reference pressure value Ps is set as a new reference pressure value Ps. To do.

具体的には、まず、(1)ヘリウムガスの圧力値が初期の基準圧力値Ps0(4kPa)でヒータ22に印加する電流値が基準電流値(30mA)の点Aを通り、所定の傾き(12[mA/kPa])を有する直線Cを含む圧力と電流との関係式を用いて、ヒータ22に印加する電流値を求め、この電流値のヒータ電流をヒータ22に印加することで、ヒータ22が発生する熱量を制御する。同時に、初期の基準圧力値Ps0を補正して新たな基準圧力値Psとする。   Specifically, first, (1) the pressure value of helium gas is an initial reference pressure value Ps0 (4 kPa), the current value applied to the heater 22 passes through the point A of the reference current value (30 mA), and a predetermined slope ( 12 [mA / kPa]) using the relational expression between the pressure and the current including the straight line C having a current of 12 [mA / kPa]), a current value to be applied to the heater 22 is obtained, and the heater current of this current value is applied to the heater 22 to 22 controls the amount of heat generated. At the same time, the initial reference pressure value Ps0 is corrected to a new reference pressure value Ps.

次に、(2)ヘリウムガスの圧力値が新たな基準圧力値Psでヒータ22に印加する電流値が基準電流値(30mA)の点を通り、所定の傾き(12[mA/kPa])を有する直線を含む圧力と電流との関係式を用いて、ヒータ22に印加する電流値を求め、この電流値のヒータ電流をヒータ22に印加することで、ヒータ22が発生する熱量を制御する。同時に、現在の基準圧力値Psを補正して新たな基準圧力値Psとする。   Next, (2) the pressure value of helium gas is a new reference pressure value Ps, the current value applied to the heater 22 passes through the point of the reference current value (30 mA), and a predetermined slope (12 [mA / kPa]) is obtained. A current value to be applied to the heater 22 is obtained using a relational expression between pressure and current including a straight line, and the amount of heat generated by the heater 22 is controlled by applying the heater current of this current value to the heater 22. At the same time, the current reference pressure value Ps is corrected to a new reference pressure value Ps.

上記(2)を繰り返すことで、基準圧力値Psは初期の基準圧力値Ps0から累積補正されていく。これにより、基準圧力値Psが変化していくので、ヘリウムガスの圧力値が基準圧力値Psでヒータ22に印加する電流値が基準電流値の点は、電流値が基準電流値(30mA)である直線Eに沿って点Aから移動していく。よって、ヘリウムガスの圧力値が基準圧力値Psでヒータ22に印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾き(12[mA/kPa])を有する直線は、直線Eに沿って直線Cから移動していく。   By repeating the above (2), the reference pressure value Ps is cumulatively corrected from the initial reference pressure value Ps0. Thereby, since the reference pressure value Ps changes, the current value applied to the heater 22 is the reference current value (30 mA) when the pressure value of the helium gas is the reference pressure value Ps and the current value applied to the heater 22 is the reference current value. It moves from point A along a certain straight line E. Accordingly, a straight line having a predetermined slope (12 [mA / kPa]) passing through the point of the reference current value when the pressure value of the helium gas is the reference pressure value Ps and the current value applied to the heater 22 is along the straight line E. It moves from the straight line C.

ここで、ヒータ22に印加する電流値は、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とがヒータ22が発生する熱量でバランスするときの値である20mAで安定する。そのため、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が安定したときの圧力値は、バランス時の電流値(20mA)と、圧力と電流との関係式とで求まる。直線Cにおいては、点Bにおける圧力値で、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力は安定する。しかし、基準圧力値Psの累積補正により、圧力と電流との関係式が変化していくため、圧力安定時の圧力値は、電流値が20mAである直線Dに沿って点Bから移動していく。   Here, the current value applied to the heater 22 is stabilized at 20 mA, which is a value when the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside are balanced by the amount of heat generated by the heater 22. Therefore, the pressure value when the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized is obtained from the current value (20 mA) at the time of balance and the relational expression between the pressure and the current. On the straight line C, the pressure value at the point B stabilizes the pressure of the helium gas in the helium tank 2. However, since the relational expression between the pressure and the current changes due to the cumulative correction of the reference pressure value Ps, the pressure value when the pressure is stable moves from the point B along the straight line D where the current value is 20 mA. Go.

そして、圧力安定時の圧力値が初期の基準圧力値Ps0まで変化すると、即ち、点Bが点Gまで変化すると、圧力安定時の圧力値である圧力センサ21の測定値が初期の基準圧力値Ps0になるので、補正量がゼロになる。これにより、基準圧力値Psは、補正量がゼロになったときの値、即ち、点Fにおける圧力値に落ち着く。よって、ヘリウムガスの圧力値が基準圧力値Psでヒータ22に印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾き(12[mA/kPa])を有する直線は、点Fを通る直線Hに落ち着く。これにより、圧力安定時の圧力値は、目標値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。その後は、直線Hを含む圧力と電流との関係式を用いて、ヒータ22が発生する熱量を制御する。   When the pressure value when the pressure is stable changes to the initial reference pressure value Ps0, that is, when the point B changes to the point G, the measured value of the pressure sensor 21 which is the pressure value when the pressure is stable is the initial reference pressure value. Since Ps0, the correction amount becomes zero. Thereby, the reference pressure value Ps settles to a value when the correction amount becomes zero, that is, a pressure value at the point F. Accordingly, a straight line having a predetermined slope (12 [mA / kPa]) passing through the point where the pressure value of the helium gas is the reference pressure value Ps and the current value applied to the heater 22 is the reference current value is a straight line passing through the point F. Settle to H. As a result, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is the target value. Thereafter, the amount of heat generated by the heater 22 is controlled using a relational expression between the pressure and the current including the straight line H.

ここで、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とをバランスさせるための熱量が変化すると、バランス時の電流値が変化する。しかし、バランス時の電流値が変化しても、同様にして、圧力安定時の圧力値は目標値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。   Here, when the amount of heat for balancing the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside changes, the current value at the time of balance changes. However, even if the current value at the time of balance changes, the pressure value at the time of stable pressure settles down to the initial reference pressure value Ps0 that is the target value.

例えば、バランス時の電流値が10mAに変化した場合、直線Cが直線Iまで移動したときに、補正量がゼロになる。これにより、ヘリウムガスの圧力値が基準圧力値Psでヒータ22に印加する電流値が基準電流値の点を通る直線は、直線Iに落ち着き、圧力安定時の圧力値は、目標値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。   For example, when the current value at the time of balancing changes to 10 mA, the correction amount becomes zero when the straight line C moves to the straight line I. As a result, the straight line through which the pressure value of the helium gas is the reference pressure value Ps and the current value applied to the heater 22 passes through the point of the reference current value is settled to the straight line I, and the pressure value when the pressure is stable is the initial value that is the target value. The reference pressure value Ps0 is settled.

このように、バランス時の電流値がどのような値になろうとも、圧力安定時の圧力値は、補正量がゼロになる値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。よって、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力は、バランス時の電流値が変化したとしても、目標値である初期の基準圧力値Ps0で安定することになる。このように、ヘリウムガスの圧力の目標値を設定し、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が目標値で安定するようにすることで、磁場の均一度が一定になる。これにより、磁場の均一度が変化することに起因する、高分解能NMR等の測定結果への影響を抑えることができる。   Thus, no matter what the current value at the time of balancing becomes, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is a value at which the correction amount becomes zero. Therefore, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized at the initial reference pressure value Ps0 that is the target value even if the current value at the time of balance changes. Thus, by setting the target value of the pressure of the helium gas so that the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized at the target value, the uniformity of the magnetic field becomes constant. Thereby, the influence on measurement results, such as high-resolution NMR, resulting from a change in the uniformity of the magnetic field can be suppressed.

基準圧力値Psを累積補正しながら圧力制御したときの、ヘリウムガスの圧力の時間変化をシミュレートした図を図7に示す。図7(a)は、圧力補正係数nが60のもの、図7(b)は、圧力補正係数nが120のもの、図7(c)は、圧力補正係数nが600のものである。また、基準圧力値Psを累積補正しながら圧力制御したときの、ヒータ電流の時間変化をシミュレートした図を図8に示す。図8(a)は、圧力補正係数nが60のもの、図8(b)は、圧力補正係数nが120のもの、図8(c)は、圧力補正係数nが600のものである。なお、図7、図8は、冷凍機5の冷凍能力と外部からヘリウム槽2に侵入する熱量とをバランスさせるためにヒータ22に印加する電流値が20mAで変化しない(一定である)ようにモデル化したものである。   FIG. 7 shows a diagram simulating the time change of the pressure of the helium gas when the pressure is controlled while accumulating the reference pressure value Ps. FIG. 7A shows a pressure correction coefficient n of 60, FIG. 7B shows a pressure correction coefficient n of 120, and FIG. 7C shows a pressure correction coefficient n of 600. Further, FIG. 8 shows a diagram simulating the temporal change of the heater current when the pressure control is performed while accumulating the reference pressure value Ps. 8A shows a pressure correction coefficient n of 60, FIG. 8B shows a pressure correction coefficient n of 120, and FIG. 8C shows a pressure correction coefficient n of 600. 7 and 8, the current value applied to the heater 22 is not changed (constant) at 20 mA in order to balance the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside. Modeled.

図7において、圧力補正係数nが60のものは、圧力のオーバーシュートが最も大きく、変動周期は一番小さい。そして、圧力補正係数nの値が大きくなるほど、圧力のオーバーシュートは減少し、変動周期が大きくなる。ここで、冷凍機5の冷凍能力は、冷凍機5の大きさなどで変化する。また、外部からヘリウム槽2に侵入する熱量は、クライオスタット50の大きさなどで変化する。そこで、圧力補正係数nは、クライオスタット50の大きさや冷凍機5の大きさなどに応じて変化させる必要がある。しかし、一般的なクライオスタット50や冷凍機5では、図7に示すように、ヘリウムガスの圧力が安定するまでに30時間ほどかかっており、圧力補正係数nを時定数と考えると、30時間は600分(n=600)の3倍程度である。よって、一般的なクライオスタット50や冷凍機5では、圧力補正係数nは600位がよいことがわかる。   In FIG. 7, when the pressure correction coefficient n is 60, the pressure overshoot is the largest and the fluctuation cycle is the smallest. As the pressure correction coefficient n increases, the pressure overshoot decreases and the fluctuation period increases. Here, the refrigeration capacity of the refrigerator 5 varies depending on the size of the refrigerator 5 and the like. Further, the amount of heat that enters the helium tank 2 from the outside varies depending on the size of the cryostat 50 and the like. Therefore, the pressure correction coefficient n needs to be changed according to the size of the cryostat 50 and the size of the refrigerator 5. However, in the general cryostat 50 and the refrigerator 5, as shown in FIG. 7, it takes about 30 hours for the pressure of the helium gas to be stabilized. It is about three times 600 minutes (n = 600). Therefore, it can be seen that in the general cryostat 50 and the refrigerator 5, the pressure correction coefficient n is preferably about 600.

また、図2に示すように、マイコン26は、メモリ(記憶部)26aを有している。このメモリ26aは、基準圧力値Psを記憶する。メモリ26aとしては、電気的に書き換えができて、非通電の状態でも記憶が消失しない不揮発性メモリが好ましい。なお、メモリ26aはバッテリなどからの電力で記憶を維持する構成であってもよい。   As shown in FIG. 2, the microcomputer 26 includes a memory (storage unit) 26a. The memory 26a stores a reference pressure value Ps. The memory 26a is preferably a non-volatile memory that can be electrically rewritten and does not lose its memory even in a non-energized state. Note that the memory 26a may be configured to maintain the storage with power from a battery or the like.

図7に示すように、ヘリウムガスの圧力が安定して高分解能NMR等の測定に適した状態になるまでに、概ね1日程度かかる。その間に、間違ってマイコン26の電源を切ったり、停電したりすると、累積補正された基準圧力値Psが消えてしまい、初めから累積補正をやり直すことになり、最大で1日程度の時間ロスになる。   As shown in FIG. 7, it takes about one day for the pressure of the helium gas to become stable and suitable for measurement such as high resolution NMR. In the meantime, if the microcomputer 26 is accidentally turned off or a power failure occurs, the accumulated reference pressure value Ps disappears, and the accumulated correction is restarted from the beginning, resulting in a maximum time loss of about one day. Become.

そこで、累積補正された基準圧力値Psを、10分間隔や1時間間隔でメモリ26aに記憶する。これにより、累積補正された基準圧力値Psがマイコン26から消えるような不測の事態が生じたとしても、メモリ26aが記憶する基準圧力値Psを用いて、基準圧力値Psの累積補正を途中から再開することができる。よって、不測の事態による時間ロスを短縮することができる。なお、メモリ26aは、累積補正された基準圧力値Psを記憶する構成に限定されず、初期の基準圧力値Ps0からの累積した補正量を記憶する構成であってもよい。   Therefore, the cumulatively corrected reference pressure value Ps is stored in the memory 26a at intervals of 10 minutes or 1 hour. As a result, even if an unexpected situation occurs in which the cumulatively corrected reference pressure value Ps disappears from the microcomputer 26, the cumulative correction of the reference pressure value Ps is performed halfway using the reference pressure value Ps stored in the memory 26a. You can resume. Thus, time loss due to unforeseen circumstances can be reduced. Note that the memory 26a is not limited to the configuration for storing the cumulatively corrected reference pressure value Ps, and may be configured to store the cumulative correction amount from the initial reference pressure value Ps0.

また、マイコン26(図2参照)は、補正量に上限値を設けている。1回あたりの補正量は(Ps0−Pp)/nであるが、圧力制御の初期段階では、基準圧力値Psと圧力センサ21の測定値Ppとの差が大きいために、補正量が大きくなる。また、圧力補正係数nを小さく設定しすぎた場合にも、補正量が大きくなる。補正量が大きいと、圧力センサ21の測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が異常に大きくなったり、ゼロになったりする。そこで、補正量に上限値を設けることで、補正量が大きくなりすぎないようにする。これにより、圧力センサ21の測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎたり、小さくなりすぎたりすることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、圧力変動が小さい安定した圧力制御を行うことができる。なお、マイコン26は、補正量に上限値を設ける代わりに、ヒータ22に印加する電流値に上限値を設けてもよい。この場合には、ヒータ22に印加する電流値がゼロになる場合があるが、ヒータ22に印加する電流値が異常に大きくなることがないので、同様の効果を得ることができる。   The microcomputer 26 (see FIG. 2) provides an upper limit value for the correction amount. The correction amount per time is (Ps0−Pp) / n. However, in the initial stage of pressure control, the difference between the reference pressure value Ps and the measured value Pp of the pressure sensor 21 is large, and thus the correction amount increases. . Also, when the pressure correction coefficient n is set too small, the correction amount increases. When the correction amount is large, the current value obtained from the measured value of the pressure sensor 21 and the relational expression between the pressure and the current becomes abnormally large or becomes zero. Therefore, by providing an upper limit value for the correction amount, the correction amount is prevented from becoming too large. As a result, the current value obtained from the measured value of the pressure sensor 21 and the relational expression between the pressure and the current does not become too large or too small, the pressure overshoot is suppressed, and the pressure value and the target Since the error from the value becomes small, stable pressure control with small pressure fluctuation can be performed. Note that the microcomputer 26 may provide an upper limit value for the current value applied to the heater 22 instead of providing an upper limit value for the correction amount. In this case, the current value applied to the heater 22 may become zero, but since the current value applied to the heater 22 does not become abnormally large, the same effect can be obtained.

また、マイコン26は、圧力補正係数nを段階的に変化させる。図7に示すように、圧力補正係数nが大きいほど補正による効果が小さくなり、圧力変動は小さくなるが、圧力偏差(平均値との差)は大きくなる。逆に、圧力補正係数nが小さいほど補正による効果が大きくなり、圧力変動は大きくなるが、圧力偏差は小さくなる。また、圧力補正係数nを大きくして補正効果を小さくすると、冷凍機5やクライオスタット50の状態変化や環境気圧の変動などに起因して、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が大きく変動することがあるが、補正量が小さいために、これら外乱に対する抵抗力・対応力が減少し、圧力安定時の圧力値は目標値からずれる。   Further, the microcomputer 26 changes the pressure correction coefficient n step by step. As shown in FIG. 7, the greater the pressure correction coefficient n, the smaller the effect of the correction, and the smaller the pressure fluctuation, but the greater the pressure deviation (difference from the average value). Conversely, the smaller the pressure correction coefficient n, the greater the effect of correction and the greater the pressure fluctuation, but the smaller the pressure deviation. Further, if the correction effect is reduced by increasing the pressure correction coefficient n, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 greatly fluctuates due to a change in the state of the refrigerator 5 or the cryostat 50 or a change in the environmental pressure. However, since the correction amount is small, the resistance force and response force against these disturbances are reduced, and the pressure value when the pressure is stable deviates from the target value.

そこで、圧力変動を抑えながら圧力をある程度まで安定させたいが、その後は圧力を目標値で精度よく安定させたい場合には、圧力制御の初期段階で圧力補正係数nを大きくして、圧力変動を小さくしておいて、圧力がある程度安定した後に、圧力補正係数nを小さくして、圧力偏差を小さくする。このように、圧力補正係数nを大から小に段階的に変化させることで、圧力変動を抑えながら圧力をある程度まで安定させた後に、圧力を目標値で精度よく安定させることができる。   Therefore, if you want to stabilize the pressure to a certain level while suppressing the pressure fluctuation, but then want to stabilize the pressure accurately with the target value, increase the pressure correction coefficient n at the initial stage of pressure control to reduce the pressure fluctuation. The pressure correction coefficient n is decreased to reduce the pressure deviation after the pressure has been stabilized to a certain level. In this way, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from large to small, it is possible to stabilize the pressure with a target value with high accuracy after stabilizing the pressure to some extent while suppressing pressure fluctuation.

また、素早く圧力をある程度まで安定させたいが、その後は圧力変動を抑えたい場合には、圧力制御の初期段階で圧力補正係数nを小さくして、圧力偏差を小さくしておいて、圧力がある程度安定した後に、圧力補正係数nを大きくして、圧力変動を小さくする。このように、圧力補正係数nを小から大に段階的に変化させることで、素早く圧力をある程度まで安定させた後に、圧力変動を抑えた安定した圧力制御を行うことができる。   In addition, when it is desired to stabilize the pressure to a certain degree quickly, but thereafter to suppress the pressure fluctuation, the pressure correction coefficient n is reduced in the initial stage of pressure control to reduce the pressure deviation, and the pressure is maintained to some extent. After stabilization, the pressure correction coefficient n is increased to reduce the pressure fluctuation. As described above, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from small to large, it is possible to perform stable pressure control while suppressing pressure fluctuation after quickly stabilizing the pressure to a certain level.

また、マイコン26は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止する。図7に示すように、概ね1日程度経過すると、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力は安定する。そこで、マイコン26は、圧力がある程度、あるいは十分に安定するのに要する時間である所定時間(例えば2日)が経過した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止し、その後は、補正に依らない従来の圧力制御を行う。ここで、累積補正を中止した後は、冷凍機5の冷凍能力や外部からヘリウム槽2に侵入する熱量が変動したり、環境気圧が変動したりすることで、圧力安定時の圧力値が目標値からずれる場合がある。従来の圧力制御では、圧力安定時の圧力値が目標値になるように制御しないので、圧力安定時の圧力値が目標値からずれても目標値に直すことはできないが、補正に起因する細かな圧力変動が生じないようにすることができる。   Further, the microcomputer 26 stops the cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. As shown in FIG. 7, when about one day has passed, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized. Therefore, the microcomputer 26 stops the cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined time (for example, two days) which is a time required for the pressure to stabilize to a certain extent or sufficiently elapses, and thereafter the correction is performed. The conventional pressure control that does not depend is performed. Here, after the accumulation correction is stopped, the refrigerating capacity of the refrigerator 5 and the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside or the ambient atmospheric pressure fluctuates, so that the pressure value at the time of pressure stabilization becomes the target. May deviate from the value. In conventional pressure control, control is not performed so that the pressure value at stable pressure becomes the target value, so even if the pressure value at stable pressure deviates from the target value, it cannot be corrected to the target value. Therefore, it is possible to prevent the pressure variation from occurring.

なお、オペレータが操作可能な中止ボタンを設けて、オペレータがこの中止ボタンを操作した場合に、マイコン26が累積補正を中止する構成であってもよい。この場合、オペレータが所望するタイミングで累積補正を中止することができる。   Note that a stop button that can be operated by the operator is provided, and the microcomputer 26 may stop the cumulative correction when the operator operates the stop button. In this case, the cumulative correction can be stopped at a timing desired by the operator.

また、マイコン26は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を開始する。累積補正を中止した後に、冷凍機5の冷凍能力や外部からヘリウム槽2に侵入する熱量が変動したり、環境気圧が変動したりすることで、圧力安定時の圧力値が目標値からずれる場合がある。そこで、オペレータが操作可能な開始ボタンを設けて、オペレータの判断によりこの開始ボタンが操作された場合に、マイコン26は累積補正を再開する。これにより、ヘリウムガスの圧力を目標値で安定させることができる。   Further, the microcomputer 26 starts cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. The pressure value at the time of stable pressure deviates from the target value due to fluctuations in the refrigerating capacity of the refrigerator 5 or the amount of heat entering the helium tank 2 from the outside or fluctuations in the atmospheric pressure after stopping the cumulative correction. There is. Therefore, a start button that can be operated by the operator is provided, and when this start button is operated by the operator's judgment, the microcomputer 26 resumes the cumulative correction. Thereby, the pressure of helium gas can be stabilized at the target value.

なお、マイコン26は、圧力制御の開始とともに補正を開始せず、開始ボタンが操作された場合、あるいは、所定時間が経過した場合に、補正を開始してもよい。この場合、所望のタイミングで累積補正を開始することができる。   Note that the microcomputer 26 may not start the correction when the pressure control is started, and may start the correction when the start button is operated or when a predetermined time has elapsed. In this case, cumulative correction can be started at a desired timing.

また、マイコン(電流上限値設定部)26は、ヒータ22に印加する電流値の上限値を設定する。この上限値は、直近にヒータ22に印加した所定数の電流値を用いて算出した移動平均に所定値を加えた値である。本実施形態においては、直近にヒータ22に印加した30個の電流値を用いて算出した移動平均に5mAを加えた値を上限値としている。なお、所定数は30に限定されず、所定値は5mAに限定されない。   The microcomputer (current upper limit setting unit) 26 sets an upper limit value of the current value applied to the heater 22. This upper limit value is a value obtained by adding a predetermined value to the moving average calculated using a predetermined number of current values applied to the heater 22 most recently. In the present embodiment, the upper limit value is a value obtained by adding 5 mA to the moving average calculated using the 30 current values applied to the heater 22 most recently. The predetermined number is not limited to 30, and the predetermined value is not limited to 5 mA.

例えば、圧力制御の開始時に算出したヒータ電流の電流値が10mAであるとすると、ヒータ電流の上限値は15mAとなる。図5、図8の例では、ヒータ電流を下げる方向に圧力を制御しているが、それとは逆に、ヒータ電流を上げる方向に圧力を制御していく場合、圧力制御の初期段階において電流値は大きくなる方向にオーバーシュートする。その過程において、電流値を15mAで頭打ちにする。また、圧力制御の開始から30分後には、直近にヒータ22に印加した30個の電流値を用いて移動平均が算出される。移動平均が13mAであった場合には、ヒータ電流の上限値は18mAとなる。その後、1分間隔で移動平均が更新されていき、ヒータ電流の上限値はじわじわと上昇していくこととなる。このように、ヒータ電流に上限値を設けることで、圧力センサ21の測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、安定した圧力制御を行うことができる。   For example, if the current value of the heater current calculated at the start of pressure control is 10 mA, the upper limit value of the heater current is 15 mA. In the examples of FIGS. 5 and 8, the pressure is controlled in the direction of decreasing the heater current. On the contrary, when the pressure is controlled in the direction of increasing the heater current, the current value in the initial stage of the pressure control. Overshoots in an increasing direction. In the process, the current value reaches a peak at 15 mA. Further, 30 minutes after the start of the pressure control, the moving average is calculated using the 30 current values applied to the heater 22 most recently. When the moving average is 13 mA, the upper limit value of the heater current is 18 mA. Thereafter, the moving average is updated at 1-minute intervals, and the upper limit value of the heater current gradually increases. Thus, by providing the upper limit value for the heater current, the current value obtained from the measured value of the pressure sensor 21 and the relational expression between the pressure and the current does not become too large, and the pressure overshoot is suppressed. Since the error between the pressure value and the target value becomes small, stable pressure control can be performed.

(変形例)
なお、回路図である図9に示すように、圧力制御装置100が有する熱量制御装置23は、アナログ回路で構成されていてもよい。即ち、熱量制御装置23は、上述した変換器24および設定器27のほかに、電流値算出回路31と、補正回路32と、メモリ33と、電流上限値設定回路34と、を有している。電流値算出回路(電流値算出部)31は、圧力センサ21の測定値を入力とし、ヒータ22に印加する電流値を出力とする、圧力と電流との関係を決める回路である。補正回路(補正部)32は、基準圧力値Psを補正する。メモリ(記憶部)33は、基準圧力値Psを記憶するコンデンサなどの回路である。電流上限値設定回路(電流上限値設定部)34は、ヒータ22に印加する電流値の上限値を設定する。電流値算出回路31で算出された電流値のヒータ電流は、ヒータ22に印加される。
(Modification)
In addition, as shown in FIG. 9 which is a circuit diagram, the calorie | heat amount control apparatus 23 which the pressure control apparatus 100 has may be comprised by the analog circuit. That is, the heat quantity control device 23 includes a current value calculation circuit 31, a correction circuit 32, a memory 33, and a current upper limit value setting circuit 34 in addition to the converter 24 and the setting device 27 described above. . The current value calculation circuit (current value calculation unit) 31 is a circuit that determines the relationship between pressure and current, using the measurement value of the pressure sensor 21 as an input and the current value applied to the heater 22 as an output. The correction circuit (correction unit) 32 corrects the reference pressure value Ps. The memory (storage unit) 33 is a circuit such as a capacitor that stores the reference pressure value Ps. The current upper limit value setting circuit (current upper limit value setting unit) 34 sets an upper limit value of the current value applied to the heater 22. The heater current having the current value calculated by the current value calculation circuit 31 is applied to the heater 22.

圧力センサ21は、ヘリウムガスの圧力を連続的に測定している。補正回路32は、圧力センサ21の測定値を用いて、基準圧力値Psを連続的に補正する。ここで、圧力補正係数nは、回路構成におけるゲイン(倍率)となる。また、基準圧力値Psの累積補正は積分回路により行われる。圧力補正係数nなどの条件を頻繁に調整しないのであれば、熱量制御装置23をアナログ回路で構成することにより、圧力制御装置100を安価に大量に製造することができる。   The pressure sensor 21 continuously measures the pressure of helium gas. The correction circuit 32 continuously corrects the reference pressure value Ps using the measurement value of the pressure sensor 21. Here, the pressure correction coefficient n is a gain (magnification) in the circuit configuration. The cumulative correction of the reference pressure value Ps is performed by an integration circuit. If conditions such as the pressure correction coefficient n are not frequently adjusted, the pressure control device 100 can be manufactured in large quantities at low cost by configuring the heat control device 23 with an analog circuit.

(効果)
以上に述べたように、本実施形態に係る圧力制御装置100によると、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力の目標値を初期の基準圧力値Ps0として圧力制御を開始し、1分毎に、補正量(Ps0−Pp)/nを基準圧力値Psに加算することで、基準圧力値Psを補正し、補正された基準圧力値Psを新たな基準圧力値Psとする。基準圧力値Psの累積補正により、圧力と電流との関係式が変化していくため、圧力安定時の圧力値は変化していく。そして、圧力安定時の圧力値が初期の基準圧力値Ps0まで変化すると、圧力安定時の圧力値である圧力センサ21の測定値が初期の基準圧力値Ps0になるので、補正量がゼロになる。これにより、基準圧力値Psは、補正量がゼロになったときの値に落ち着く。よって、圧力と電流との関係式は、圧力値がこのときの基準圧力値Psで電流値が基準電流値である点を通る直線を含むものに落ち着く。これにより、圧力安定時の圧力値は、目標値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。そして、バランス時の電流値がどのような値になろうとも、同様にして、圧力安定時の圧力値は、補正量がゼロになる値である初期の基準圧力値Ps0に落ち着く。よって、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力は、バランス時の電流値が変化したとしても、目標値である初期の基準圧力値Ps0で安定することになる。このように、ヘリウムガスの圧力の目標値を設定し、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力が目標値で安定するようにすることで、磁場の均一度が一定になる。これにより、磁場の均一度が変化することに起因する、高分解能NMR等の測定結果への影響を抑えることができる。
(effect)
As described above, according to the pressure control apparatus 100 according to the present embodiment, the pressure control is started with the target value of the pressure of the helium gas in the helium tank 2 as the initial reference pressure value Ps0, and every minute, By adding the correction amount (Ps0−Pp) / n to the reference pressure value Ps, the reference pressure value Ps is corrected, and the corrected reference pressure value Ps is set as a new reference pressure value Ps. Since the relational expression between the pressure and the current changes due to the cumulative correction of the reference pressure value Ps, the pressure value when the pressure is stable changes. When the pressure value at the time of pressure stabilization changes to the initial reference pressure value Ps0, the measured value of the pressure sensor 21, which is the pressure value at the time of pressure stabilization, becomes the initial reference pressure value Ps0, so the correction amount becomes zero. . As a result, the reference pressure value Ps settles to the value when the correction amount becomes zero. Therefore, the relational expression between the pressure and the current settles to include a straight line passing through a point where the pressure value is the reference pressure value Ps at this time and the current value is the reference current value. As a result, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is the target value. Then, no matter what the current value at the time of balancing becomes, the pressure value at the time of stable pressure settles to the initial reference pressure value Ps0 that is a value at which the correction amount becomes zero. Therefore, the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized at the initial reference pressure value Ps0 that is the target value even if the current value at the time of balance changes. Thus, by setting the target value of the pressure of the helium gas so that the pressure of the helium gas in the helium tank 2 is stabilized at the target value, the uniformity of the magnetic field becomes constant. Thereby, the influence on measurement results, such as high-resolution NMR, resulting from a change in the uniformity of the magnetic field can be suppressed.

また、基準圧力値Psをメモリ(記憶部)26aに記憶することで、基準圧力値Psがマイコン(電流値算出部)26から消えるような不測の事態が生じたとしても、メモリ26aが記憶する基準圧力値Psを用いて、基準圧力値Psの累積補正を途中から再開することができる。よって、不測の事態による時間ロスを短縮することができる。   Further, by storing the reference pressure value Ps in the memory (storage unit) 26a, even if an unexpected situation occurs in which the reference pressure value Ps disappears from the microcomputer (current value calculation unit) 26, the memory 26a stores it. The accumulated correction of the reference pressure value Ps can be resumed from the middle using the reference pressure value Ps. Thus, time loss due to unforeseen circumstances can be reduced.

また、マイコン(補正部)26は、補正量に上限値を設けることで、補正量が大きくなりすぎないようにする。これにより、圧力センサ21の測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎたり、小さくなりすぎたりすることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、圧力変動が小さい安定した圧力制御を行うことができる。なお、補正量に上限値を設ける代わりに、ヒータ22に印加する電流値に上限値を設けることによっても、同様の効果を得ることができる。   The microcomputer (correction unit) 26 sets an upper limit value for the correction amount so that the correction amount does not become too large. As a result, the current value obtained from the measured value of the pressure sensor 21 and the relational expression between the pressure and the current does not become too large or too small, the pressure overshoot is suppressed, and the pressure value and the target Since the error from the value becomes small, stable pressure control with small pressure fluctuation can be performed. Note that the same effect can be obtained by providing an upper limit value for the current value applied to the heater 22 instead of providing an upper limit value for the correction amount.

また、マイコン(補正部)26は、圧力補正係数nを段階的に変化させることで、補正による効果を大きくしたり小さくしたりする。圧力補正係数nが大きいほど補正による効果が小さくなり、圧力変動は小さくなるが、圧力偏差(平均値との差)は大きくなる。逆に、圧力補正係数nが小さいほど補正による効果が大きくなり、圧力変動は大きくなるが、圧力偏差は小さくなる。そこで、圧力補正係数nを大から小に段階的に変化させることで、圧力変動を抑えながら圧力をある程度まで安定させた後に、圧力を目標値で精度よく安定させることができる。また、圧力補正係数nを小から大に段階的に変化させることで、素早く圧力をある程度まで安定させた後に、圧力変動を抑えた安定した圧力制御を行うことができる。   Further, the microcomputer (correction unit) 26 increases or decreases the effect of the correction by changing the pressure correction coefficient n in a stepwise manner. The greater the pressure correction coefficient n, the smaller the effect of the correction and the smaller the pressure fluctuation, but the greater the pressure deviation (difference from the average value). Conversely, the smaller the pressure correction coefficient n, the greater the effect of correction and the greater the pressure fluctuation, but the smaller the pressure deviation. Therefore, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from large to small, it is possible to stabilize the pressure with a target value with high accuracy after stabilizing the pressure to some extent while suppressing pressure fluctuation. Further, by changing the pressure correction coefficient n stepwise from small to large, it is possible to perform stable pressure control while suppressing pressure fluctuations after quickly stabilizing the pressure to a certain level.

また、マイコン(補正部)26は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止する。圧力がある程度、あるいは十分に安定するのに要する時間が経過した場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止し、補正に依らない圧力制御を行うことで、補正に起因する細かな圧力変動が生じないようにすることができる。また、オペレータからの指示があった場合に、基準圧力値Psの累積補正を中止するようにすることで、オペレータが所望するタイミングで累積補正を中止することができる。   Further, the microcomputer (correction unit) 26 stops the cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. When the time required for the pressure to stabilize to a certain extent or sufficiently elapses, by canceling the cumulative correction of the reference pressure value Ps and performing pressure control independent of the correction, fine pressure fluctuations caused by the correction can be obtained. It can be prevented from occurring. Further, when there is an instruction from the operator, the cumulative correction of the reference pressure value Ps is stopped, so that the cumulative correction can be stopped at a timing desired by the operator.

また、マイコン(補正部)26は、所定の条件が成立した場合に、基準圧力値Psの累積補正を開始する。オペレータからの指示があった場合、あるいは、所定時間が経過した場合に、基準圧力値Psの累積補正を開始するようにすることで、所望のタイミングで累積補正を開始することができる。また、累積補正を中止した後にオペレータからの指示があった場合に、基準圧力値Psの累積補正を再開することで、中止後に圧力安定時の圧力値が目標値からずれた場合であっても、ヘリウム槽2内のヘリウムガスの圧力を目標値で安定させることができる。   Further, the microcomputer (correction unit) 26 starts cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. Accumulation correction can be started at a desired timing by starting the accumulation correction of the reference pressure value Ps when an instruction from the operator is given or when a predetermined time has elapsed. Further, when there is an instruction from the operator after canceling the cumulative correction, by restarting the cumulative correction of the reference pressure value Ps, even when the pressure value at the time of the pressure stabilization after the stop is deviated from the target value. The pressure of the helium gas in the helium tank 2 can be stabilized at the target value.

また、マイコン(電流上限値設定部)26は、直近にヒータ22に印加した所定数の電流値を用いて移動平均を算出し、この移動平均に所定値を加えた値を、ヒータ22に印加する電流値の上限値として設定する。ヒータ22に印加する電流値に上限値を設けることで、圧力センサ21の測定値と、圧力と電流との関係式とで求まる電流値が大きくなりすぎることがなくなり、圧力のオーバーシュートが抑えられ、圧力値と目標値との誤差が小さくなるので、圧力変動が小さい安定した圧力制御を行うことができる。   Further, the microcomputer (current upper limit setting unit) 26 calculates a moving average using a predetermined number of current values applied to the heater 22 most recently, and applies a value obtained by adding the predetermined value to the moving average to the heater 22. Set as the upper limit of the current value. By providing an upper limit value for the current value to be applied to the heater 22, the current value obtained from the measured value of the pressure sensor 21 and the relational expression between the pressure and the current is not excessively increased, and the pressure overshoot can be suppressed. Since the error between the pressure value and the target value becomes small, stable pressure control with small pressure fluctuation can be performed.

(本実施形態の変形例)
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
(Modification of this embodiment)
The embodiment of the present invention has been described above, but only specific examples are illustrated, and the present invention is not particularly limited, and the specific configuration and the like can be appropriately changed in design. Further, the actions and effects described in the embodiments of the invention only list the most preferable actions and effects resulting from the present invention, and the actions and effects according to the present invention are described in the embodiments of the present invention. It is not limited to what was done.

1 超電導マグネット
2 ヘリウム槽(冷媒槽)
3 輻射シールド
4 真空容器
5 冷凍機
6 第1冷却ステージ
7 第2冷却ステージ
8 再凝縮室
10 気相空間
12 ネック部材
13 筒部材
14 連通部材
15 筒状部材
16 筒状部材
17 枝管
21 圧力センサ
22 ヒータ
23 熱量制御装置
24 変換器
25 A/D変換器
26 マイコン(電流値算出部、補正部、電流上限値設定部)
26a メモリ(記憶部)
27 設定器
28 D/A変換器
29 増幅器
31 電流値算出回路(電流値算出部)
32 補正回路(補正部)
33 メモリ(記憶部)
34 電流上限値設定回路(電流上限値設定部)
50 クライオスタット
100 圧力制御装置
1 Superconducting magnet 2 Helium tank (refrigerant tank)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Radiation shield 4 Vacuum container 5 Refrigerator 6 1st cooling stage 7 2nd cooling stage 8 Recondensing chamber 10 Gas phase space 12 Neck member 13 Cylindrical member 14 Communication member 15 Cylindrical member 16 Cylindrical member 17 Branch pipe 21 Pressure sensor 22 heater 23 heat quantity control device 24 converter 25 A / D converter 26 microcomputer (current value calculation unit, correction unit, current upper limit value setting unit)
26a Memory (storage unit)
27 Setting Device 28 D / A Converter 29 Amplifier 31 Current Value Calculation Circuit (Current Value Calculation Unit)
32 Correction circuit (correction unit)
33 Memory (storage unit)
34 Current upper limit setting circuit (current upper limit setting section)
50 Cryostat 100 Pressure control device

Claims (7)

超電導マグネットを液体の冷媒に浸漬した状態で収容する冷媒槽内で蒸発した冷媒を冷凍機で再凝縮させるクライオスタットに設けられ、前記冷媒槽内の気相の冷媒の圧力を制御する圧力制御装置において、
気相の冷媒の圧力を測定する圧力センサと、
印加される電流値に応じた熱量を発生させることで、液体の冷媒を加熱するヒータと、
前記圧力センサの測定値に応じた電流値の電流を前記ヒータに印加することで、前記ヒータが発生する熱量を制御する熱量制御装置と、
を有し、
前記熱量制御装置は、
気相の冷媒の圧力値が基準圧力値Psで前記ヒータに印加する電流値が基準電流値の点を通り、所定の傾きを有する直線を含む圧力と電流との関係式と、前記圧力センサの測定値とを用いて、前記ヒータに印加する電流値を求める電流値算出部と、
圧力補正係数n、初期の基準圧力値Ps0、および、前記圧力センサの測定値Ppから求まる補正量(Ps0−Pp)/nを前記基準圧力値Psに加算することで、前記基準圧力値Psを補正し、補正された前記基準圧力値Psを新たな前記基準圧力値Psとすることを、所定間隔毎に行う補正部と、
を有することを特徴とするクライオスタットの圧力制御装置。
In a pressure control device that is provided in a cryostat for recondensing a refrigerant evaporated in a refrigerant tank containing a superconducting magnet immersed in a liquid refrigerant with a refrigerator, and controls a pressure of a gas-phase refrigerant in the refrigerant tank ,
A pressure sensor for measuring the pressure of the gas phase refrigerant;
A heater that heats the liquid refrigerant by generating an amount of heat corresponding to the applied current value;
A calorific value control device that controls the amount of heat generated by the heater by applying a current having a current value corresponding to a measurement value of the pressure sensor to the heater;
Have
The calorific value control device
The pressure value of the gas phase refrigerant is the reference pressure value Ps, the current value applied to the heater passes through the point of the reference current value, and a relational expression between the pressure and the current including a straight line having a predetermined slope, and the pressure sensor A current value calculation unit for obtaining a current value to be applied to the heater using the measured value;
By adding a correction amount (Ps0−Pp) / n obtained from the pressure correction coefficient n, the initial reference pressure value Ps0, and the measured value Pp of the pressure sensor to the reference pressure value Ps, the reference pressure value Ps is obtained. A correction unit that corrects and sets the corrected reference pressure value Ps as a new reference pressure value Ps at predetermined intervals;
A pressure control device for a cryostat, comprising:
前記熱量制御装置は、前記基準圧力値Psを記憶する記憶部をさらに有していることを特徴とする請求項1に記載のクライオスタットの圧力制御装置。   The cryostat pressure control device according to claim 1, wherein the heat quantity control device further includes a storage unit that stores the reference pressure value Ps. 前記補正部は、前記補正量に上限値を設けていることを特徴とする請求項1又は2に記載のクライオスタットの圧力制御装置。   The cryostat pressure control device according to claim 1, wherein the correction unit has an upper limit value for the correction amount. 前記補正部は、前記圧力補正係数nを段階的に変化させることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のクライオスタットの圧力制御装置。   The cryostat pressure control apparatus according to claim 1, wherein the correction unit changes the pressure correction coefficient n stepwise. 前記補正部は、所定の条件が成立した場合に、前記基準圧力値Psの累積補正を中止することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のクライオスタットの圧力制御装置。   5. The cryostat pressure control apparatus according to claim 1, wherein the correction unit stops the cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. 6. 前記補正部は、所定の条件が成立した場合に、前記基準圧力値Psの累積補正を開始することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のクライオスタットの圧力制御装置。   6. The cryostat pressure control apparatus according to claim 1, wherein the correction unit starts cumulative correction of the reference pressure value Ps when a predetermined condition is satisfied. 7. 前記熱量制御装置は、前記ヒータに印加する電流値の上限値を設定する電流上限値設定部をさらに有し、
前記電流上限値設定部は、直近に前記ヒータに印加した所定数の電流値を用いて移動平均を算出し、この移動平均に所定値を加えた値を、前記ヒータに印加する電流値の上限値として設定することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のクライオスタットの圧力制御装置。
The calorific value control device further includes a current upper limit value setting unit for setting an upper limit value of a current value applied to the heater,
The current upper limit setting unit calculates a moving average using a predetermined number of current values applied to the heater most recently, and a value obtained by adding the predetermined value to the moving average is an upper limit of the current value applied to the heater. It sets as a value, The pressure control apparatus of the cryostat of any one of Claims 1-6 characterized by the above-mentioned.
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