JP6400262B1 - 極低温冷凍機および磁気シールド - Google Patents

Abstract

極低温冷凍機は、二段冷却ステージ７２と、二段冷却ステージ７２を末端に備える二段シリンダ５１と、磁性蓄冷材６０ｂを備え、二段シリンダ５１内を往復動可能に二段シリンダ５１に収容された二段ディスプレーサ５２と、二段冷却ステージ７２に設置され、二段シリンダ５１の外側を二段シリンダ５１に沿って延在する磁気シールド７０と、を備える。磁気シールド７０は、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と磁気シールド７０の肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下である。

Description

本発明は、極低温冷凍機および磁気シールドに関する。

ギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機に代表される極低温冷凍機は、強磁場環境で使用される場合がある。例えば、ＧＭ冷凍機は、磁気共鳴イメージング（Magnetic Resonance Imaging、ＭＲＩ）装置等の超伝導磁石システムを冷却するために用いられる。ＧＭ冷凍機は、超伝導磁石を冷却する液体ヘリウムの再凝縮のために超伝導磁石システムに備えられる。約４．２Ｋ以下の液体ヘリウム温度への冷却を実現するために、ＧＭ冷凍機のディスプレーサには一般に、磁性蓄冷材が収容されている。ＧＭ冷凍機の運転に伴うディスプレーサの運動は、磁場環境における磁性蓄冷材の運動を引き起こし、磁気ノイズを発生させうる。磁気ノイズは、ＭＲＩ装置またはその他の測定装置の測定精度に影響を与えうる。

超伝導体を備える超伝導磁気シールドが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この超伝導磁気シールドは、ＭＲＩ装置の超伝導磁石に用いることができる。

特開２０１３−３８２６２号公報

超伝導体は比較的高価であるから、超伝導磁気シールドも高価である。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、磁性蓄冷材の運動に起因する磁気ノイズの周囲への影響を、超伝導体を使用することなく抑制することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機は、冷却ステージと、前記冷却ステージを末端に備えるシリンダと、磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を往復動可能に前記シリンダに収容されたディスプレーサと、前記冷却ステージに設置され、前記シリンダの外側を前記シリンダに沿って延在する筒状磁気シールドと、を備える。前記筒状磁気シールドは、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下である。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機の冷却ステージに直接設置される筒状の磁気シールドが提供される。磁気シールドは、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下である。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、磁性蓄冷材の運動に起因する磁気ノイズの周囲への影響を、超伝導体を使用することなく抑制することができる。

ある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機を概略的に示す図である。 磁気シールドの肉厚とシールド性能指数との関係を示すグラフである。 磁気シールドパラメータとシールド性能指数との関係を示すグラフである。 磁気シールドの電気伝導率を測定するための構成を例示する概略図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、二段冷却ステージへの磁気シールドの設置を例示する概略図である。 図６（ａ）は、比較例に係る極低温冷凍機の一部を示す概略図であり、図６（ｂ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機の一部を示す概略図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、外部磁場による磁性蓄冷材の磁化によって磁性蓄冷材に生じる磁場の計算結果を例示する図である。 図８は、図７（ａ）および図７（ｂ）の例における径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３と磁気シールドの軸方向余長ＬＳｕとを示す表である。 磁気シールドの延長長さパラメータとシールド性能指数との関係を示すグラフである。 ある実施の形態に係る磁気シールドおよびディスプレーサの一部を示す概略図である。 ある実施の形態に係る磁気シールドおよびディスプレーサの一部を示す概略図である。 例示的な磁性蓄冷材の磁化曲線を示す。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、ある実施の形態に係る蓄冷式冷凍機を概略的に示す図である。ＧＭ冷凍機１のような蓄冷式冷凍機は、蓄冷器部、膨張機、及び圧縮機を備える。たいていの場合、蓄冷器部は膨張機に設けられている。蓄冷器部は、作動ガス（例えばヘリウムガス）を予冷するよう構成されている。膨張機は、蓄冷器部により予冷された作動ガスをさらに冷却するために、予冷された作動ガスを膨張させる空間を備える。蓄冷器部は、膨張により冷却された作動ガスによって冷却されるよう構成されている。圧縮機は、蓄冷器部から作動ガスを回収し圧縮して、蓄冷器部に再び作動ガスを供給するよう構成されている。

図示のＧＭ冷凍機１のような二段式の冷凍機においては、蓄冷器部は、一段蓄冷器と二段蓄冷器とを備える。一段蓄冷器は、圧縮機から供給される作動ガスを一段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。二段蓄冷器は、一段蓄冷器により予冷された作動ガスを二段蓄冷器の低温端温度へと予冷するよう構成されている。

ＧＭ冷凍機１は、圧縮機として機能するガス圧縮機３と、膨張機として機能する二段式のコールドヘッド１０とを有する。コールドヘッド１０は、一段冷却部１５と、二段冷却部５０とを有し、これらの冷却部は、フランジ１２に同軸となるように連結されている。一段冷却部１５は一段高温端２３ａ及び一段低温端２３ｂを備え、二段冷却部５０は二段高温端５３ａ及び二段低温端５３ｂを備える。一段冷却部１５は二段冷却部５０と直列に接続されている。従って一段低温端２３ｂは二段高温端５３ａに相当する。

一段冷却部１５は、一段シリンダ２０、一段ディスプレーサ２２、一段蓄冷器３０、一段膨張室３１、及び一段冷却ステージ３５を備える。一段シリンダ２０は中空の気密容器である。一段ディスプレーサ２２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように一段シリンダ２０内に設けられている。一段蓄冷器３０は、一段ディスプレーサ２２内に充填された一段蓄冷材を備える。一段蓄冷材は通例、複数枚の金網からなる積層構造を有する。従って一段ディスプレーサ２２は、一段蓄冷材を収容する容器である。一段膨張室３１は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０内に形成される。一段膨張室３１は、一段ディスプレーサ２２の往復運動により容積が変化する。一段冷却ステージ３５は、一段低温端２３ｂにおいて一段シリンダ２０の外側に取り付けられている。

一段高温端２３ａ、具体的には一段蓄冷器３０の高温側には、一段蓄冷器３０にヘリウムガスを流出入させるために複数の一段高温側流通路４０が設けられている。一段低温端２３ｂ、具体的には一段蓄冷器３０の低温側には、一段蓄冷器３０と一段膨張室３１との間でヘリウムガスを流出入させるために複数の一段低温側流通路４２が設けられている。一段シリンダ２０と一段ディスプレーサ２２との間には、一段シリンダ２０の内面と一段ディスプレーサ２２の外面との隙間のガス流れを封じる一段シール３９が設けられている。従って、一段高温端２３ａと一段低温端２３ｂとの間の作動ガス流れは一段蓄冷器３０を経由する。

二段冷却部５０は、二段シリンダ５１、二段ディスプレーサ５２、二段蓄冷器６０、二段膨張室５５、及び二段冷却ステージ７２を備える。二段シリンダ５１は中空の気密容器である。二段ディスプレーサ５２は、軸方向Ｑに往復運動可能であるように二段シリンダ５１内に設けられている。二段蓄冷器６０は、二段ディスプレーサ５２内に充填された二段蓄冷材を備える。従って二段ディスプレーサ５２は、二段蓄冷材を収容する容器である。二段膨張室５５は、二段低温端５３ｂにおいて二段シリンダ５１内に設けられている。二段膨張室５５は、二段ディスプレーサ５２の往復運動により容積が変化する。二段冷却ステージ７２は、二段低温端５３ｂにおいて二段シリンダ５１の外側に取り付けられている。

二段蓄冷器６０は、非磁性蓄冷材６０ａと磁性蓄冷材６０ｂに仕切られている。非磁性蓄冷材６０ａは、二段蓄冷器６０の高温側領域にあたり、例えば鉛やビスマスなどの非磁性材の二段蓄冷材で構成される。磁性蓄冷材６０ｂは、二段蓄冷器６０の低温側領域にあたり、例えばＨｏＣｕ_２等の磁性材の二段蓄冷材で構成される。磁性蓄冷材６０ｂは、極低温での磁気相転移に伴って比熱が増大する磁性体を蓄冷材として用いたものである。鉛やビスマス、ＨｏＣｕ_２等は球状に形成されており、複数の球状の形成物が集まって二段蓄冷材が構成されている。

二段高温端５３ａ、具体的には二段蓄冷器６０の高温側には、二段蓄冷器６０にヘリウムガスを流出入させるために二段高温側流通路４４が設けられている。図示されるＧＭ冷凍機１においては、二段高温側流通路４４は、一段膨張室３１を二段蓄冷器６０に接続する。二段低温端５３ｂ、具体的には二段蓄冷器６０の低温側には、二段膨張室５５にヘリウムガスを流出入させるために複数の二段低温側流通路５４が設けられている。二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との間には、二段シリンダ５１の内面と二段ディスプレーサ５２の外面との隙間のガス流れを封じる二段シール５９が設けられている。従って、二段高温端５３ａと二段低温端５３ｂとの間の作動ガス流れは二段蓄冷器６０を経由する。なお、二段冷却部５０は、二段シリンダ５１と二段ディスプレーサ５２との隙間にいくらかのガス流れが許容されるよう構成されていてもよい。

ＧＭ冷凍機１は、ガス圧縮機３とコールドヘッド１０とを接続する配管７を備える。配管７には高圧バルブ５及び低圧バルブ６が設けられている。ＧＭ冷凍機１は、高圧のヘリウムガスがガス圧縮機３から高圧バルブ５及び配管７を介して一段冷却部１５に供給されるよう構成されている。また、ＧＭ冷凍機１は、低圧のヘリウムガスが一段冷却部１５から配管７及び低圧バルブ６を介してガス圧縮機３に排気されるよう構成されている。

ＧＭ冷凍機１は、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２の往復運動のための駆動モータ８を備える。駆動モータ８により、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は軸方向Ｑに沿って一体に往復運動する。また、駆動モータ８は、この往復運動に連動して高圧バルブ５の開弁と低圧バルブ６の開弁とを選択的に切り替えるように高圧バルブ５及び低圧バルブ６に連結されている。このようにして、ＧＭ冷凍機１は、作動ガスの吸気行程と排気行程とを適切に切り替えられるよう構成されている。

以上のように構成されたＧＭ冷凍機１の動作について説明する。まず、一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に位置するとき、高圧バルブ５が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は下死点から上死点に向けて移動する。この間、低圧バルブ６は閉じられている。

ガス圧縮機３から、高圧のヘリウムガスが一段冷却部１５に流入する。高圧のヘリウムガスは、一段高温側流通路４０から一段ディスプレーサ２２の内部に流入し、一段蓄冷器３０によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、一段低温側流通路４２から一段膨張室３１に流入する。一段膨張室３１へ流入した高圧のヘリウムガスの一部は、二段高温側流通路４４から二段ディスプレーサ５２の内部に流入する。このヘリウムガスは、二段蓄冷器６０によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、二段低温側流通路５４から二段膨張室５５に流入する。これらの結果、一段膨張室３１及び二段膨張室５５内は、高圧状態となる。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の上死点またはその近傍に到達すると、高圧バルブ５が閉弁される。それと概ね同時に低圧バルブ６が開かれる。一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２は、今度は上死点から下死点に向けて移動する。

一段膨張室３１及び二段膨張室５５内のヘリウムガスは減圧され膨張する。その結果、ヘリウムガスが冷却される。また、一段冷却ステージ３５及び二段冷却ステージ７２がそれぞれ冷却される。低圧のヘリウムガスは、上記と逆の順路を通り、一段蓄冷器３０及び二段蓄冷器６０をそれぞれ冷却しつつ、低圧バルブ６及び配管７を介してガス圧縮機３に戻る。

一段ディスプレーサ２２及び二段ディスプレーサ５２がそれぞれ一段シリンダ２０及び二段シリンダ５１内の下死点またはその近傍に到達すると、低圧バルブ６が閉弁される。それと概ね同時に高圧バルブ５が再び開かれる。

ＧＭ冷凍機１は、以上の動作を１サイクルとし、これを繰り返す。こうして、ＧＭ冷凍機１は、一段冷却ステージ３５、二段冷却ステージ７２においてそれぞれに熱接続された冷却対象物（不図示）から熱を吸収し、冷却することができる。以下では、単位時間（例えば１秒）あたりのサイクル数を、極低温冷凍機の運転周波数と称することがある。

一段高温端２３ａの温度は、例えば室温である。一段低温端２３ｂ及び二段高温端５３ａ（すなわち一段冷却ステージ３５）の温度は、例えば約２０Ｋ〜約４０Ｋの範囲にある。二段低温端５３ｂ（すなわち二段冷却ステージ７２）の温度は、例えば約４Ｋである。

ＧＭ冷凍機１は、二段冷却ステージ７２に設置された筒状磁気シールド（以下、単に磁気シールドともいう）７０を備える。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の外側を二段シリンダ５１に沿って延在している。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の外周面の外側に配置され、二段シリンダ５１の周囲を囲んでいる。磁気シールド７０は、一端が二段冷却ステージ７２に固定され、他端が二段高温端５３ａ（または一段冷却ステージ３５）に向かって延びている。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１に比べて径の大きい円筒状の部材であり、二段シリンダ５１と同軸に配置されている。

磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に熱的に結合され、二段冷却ステージ７２の温度（例えば約４．２Ｋ以下の温度）に冷却される。磁気シールド７０は、一段冷却部１５とは物理的に接触していない。磁気シールド７０の軸方向上端７１は、一段冷却ステージ３５から軸方向に離れている。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１とも物理的に接触していない。磁気シールド７０の内面は、二段シリンダ５１の外面から径方向に離れている。

磁気シールド７０は、常伝導体で形成されている。本書では、４Ｋまで冷却しても超伝導に転移しない材料を常伝導体という。また、磁気シールド７０は、非磁性金属材料で形成されている。磁気シールド７０は、例えば、純銅のような電気良導体で形成されている。二段冷却ステージ７２は典型的に、高熱伝導率の観点から、銅で形成される。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２と同一材料で形成されてもよい。磁気シールド７０は、純アルミニウムで形成されてもよい。二段シリンダ５１は例えばステンレス鋼などの金属材料で形成されており、磁気シールド７０は、二段シリンダ５１に比べて低い電気抵抗率を有する材料で形成されている。磁気シールド７０は二段シリンダ５１の全周を囲んでいるので、磁気シールド７０には二段シリンダ５１を周回する電流が流れることができる。

磁気シールド７０は、二段ディスプレーサ５２の往復動による磁性蓄冷材６０ｂの移動範囲の全体にわたって延在する。磁気シールド７０は、二段シリンダ５１の軸方向Ｑに関して、磁性蓄冷材６０ｂの移動ストロークを超える長さを有し、磁性蓄冷材６０ｂの移動ストロークを含むように配置されている。磁気シールド７０の軸方向下端７３は、冷凍機運転に伴い二段ディスプレーサ５２が下死点にある際の磁性蓄冷材６０ｂの最下端よりも下方に位置する。磁気シールド７０の軸方向上端７１は、冷凍機運転に伴い二段ディスプレーサ５２が上死点にある際の磁性蓄冷材６０ｂの最上端よりも上方に位置する。このようにすれば、磁性蓄冷材６０ｂから発生する磁気ノイズの周辺への漏出を十分に遮蔽することができる。

磁性蓄冷材６０ｂが軸方向Ｑに往復動すると、磁気シールド７０と鎖交する磁束が変化する。この磁束の変化を打ち消すように、磁気シールド７０に電流が流れる。電流の流れる方向はＧＭ冷凍機１の配置及び作用する磁場によって異なるが、例えば、軸方向Ｑに沿って、または軸方向Ｑのまわりに周回するように、またはその他の方向に、電流が流れる。この電流により、磁気シールド７０よりも外側の領域の磁場の変化が打ち消される。これにより、磁気シールド７０よりも外側の空間の磁場の乱れを軽減することができる。

二段ディスプレーサ５２に、鉄等の磁性体や、ステンレス鋼等の微少な磁化を帯びた金属材料が取り付けられている場合、これらの材料も磁場を乱す要因になる。磁気シールド７０は、この磁場の乱れを抑制する効果も併せ持つ。

磁気シールド７０は、電気良導体で形成すればよく、例えばニオブチタン（ＮｂＴｉ）のような比較的高価な超伝導体で形成する必要はない。このため、装置の低価格化を図ることが可能になる。

磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に設置されているので、ＧＭ冷凍機１と磁気シールド７０をひとつの製品として提供することが容易である。例えば、ＧＭ冷凍機１の製造業者は、磁気シールド７０をＧＭ冷凍機１に取り付けた状態で、冷凍機の購入者に提供することができる。

ここで、磁界変動に対するシールド性能指数（以下では単に「シールド性能指数」ともいう）としてＢ／Ｂ０を定義する。Ｂは、ある磁界変動環境下に磁気シールド７０が配置された際に磁気シールド７０内部に生じる磁界変動の大きさを表す。Ｂ０は、磁気シールド７０が配置されていない状態での同位置における磁界変動の大きさを表す。よって、磁界変動に対するシールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、磁気シールド７０による外部磁場変動の遮蔽効果を表す。シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、０から１の間の値をとり、値が小さいほど外部磁場変動の遮蔽効果が高いことを表す。

磁気シールド７０は、磁気シールド７０の外部に生じる磁界変動が磁気シールド７０の外部から内部へ伝播するのを遮蔽することができる。また磁気シールド７０は、磁気シールド７０の内部に生じる磁界変動（例えば、上述のように、磁性蓄冷材６０ｂの周期的な往復運動に起因する磁気ノイズまたは磁界変動）が磁気シールド７０の内部から外部へ伝播するのを遮蔽することができる。外部変動磁場の磁気シールド７０内部への遮蔽効果と、内部変動磁場の磁気シールド７０外部への遮蔽効果とは物理的に等価である。よって、シールド性能指数は、内部変動磁場の磁気シールド７０外部への遮蔽効果を表しているとも言える。シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、その値が小さいほど内部磁場変動の磁気シールド７０外部への遮蔽効果が高いことを表す。

図２は、磁気シールド７０の肉厚とシールド性能指数Ｂ／Ｂ０との関係を示すグラフであり、本発明者らの解析により得られたものである。４Ｋでの電気伝導率σの異なるいくつかの磁気シールド材料についての計算結果が図示されている。図２に示される結果は、磁気シールド７０による磁場変動の遮蔽効果を表す。解析においては、磁気シールド７０の電気伝導率を適切な値に設定し、極低温冷凍機の運転周波数を１Ｈｚとしている。

図２から理解されるように、磁気シールド７０の肉厚が大きいほどシールド性能指数Ｂ／Ｂ０が小さくなり、従って磁気シールド７０の変動磁場遮蔽効果が高まる。本検討においては、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０が例えば０．４より小さい場合を、良好な変動磁場遮蔽が得られるとみなすこととする。そうすると、電気伝導率σが４７００ＭＳ／ｍの材料で磁気シールド７０が形成される場合、良好な変動磁場遮蔽のために約７ｍｍの肉厚が必要である。同様に、電気伝導率σが１４１００ＭＳ／ｍの材料では約２．５ｍｍの肉厚を要し、電気伝導率σが２３５００ＭＳ／ｍの材料では約１．５ｍｍの肉厚を要する。所望のシールド性能指数Ｂ／Ｂ０の値を得るために磁気シールド７０の肉厚をどの程度に設計すればよいかは、磁気シールド７０の材料の４Ｋでの電気伝導率によって異なり、一律ではない。

このような本発明者らによる独自の検討に基づき、本発明者らは、磁気シールド７０を形成する材料の電気伝導率σと磁気シールド７０の肉厚ｔとの積（σ・ｔ）という新規なパラメータを考案した。このパラメータを以下では、磁気シールドパラメータと称する。電気伝導率はＭＳ／ｍ（メガジーメンス毎メートル）の単位で表され、磁気シールド７０の肉厚はｍの単位で表される。よって、磁気シールドパラメータは、ＭＳ（メガジーメンス）の単位で表される。

ここで、電気伝導率は、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率が使用される。銅やアルミニウムなどの純金属の常伝導状態における電気伝導率は１０Ｋ以下の温度領域でほぼ一定であることから、代表として例えば約４Ｋ（例えば４．２Ｋ）での電気伝導率を磁気シールドパラメータの算出のために使用することができる。なお、この温度領域は、絶対零度より大きく、または２Ｋ以上であってもよい。

また、磁気シールド７０の肉厚は、磁気シールド７０の最大の外径と最小の内径との差を２で除した数値が使用される。磁気シールド７０が単純な円筒形状を有する場合には、磁気シールド７０の肉厚は、磁気シールド７０の外径と内径との差を２で除した数値として求められる。磁気シールド７０の軸方向に垂直な断面の形状は任意である。磁気シールド７０の肉厚は、磁気シールド７０の周方向に分布を有してもよい。磁気シールド７０は、楕円状またはその他の断面形状を有する筒状の部材であってもよい。

図３は、磁気シールドパラメータとシールド性能指数Ｂ／Ｂ０との関係を示すグラフである。図３に示される黒点は、図２に示される３つのグラフ（電気伝導率σが４７００ＭＳ／ｍ、１４１００ＭＳ／ｍ、２３５００ＭＳ／ｍの３つの場合）を磁気シールドパラメータ（すなわち、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と磁気シールド７０の肉厚との積）を用いてまとめ直したものである。

図３から理解されるように、電気伝導率の値にかかわらず、磁気シールドパラメータとシールド性能指数Ｂ／Ｂ０との関係は１つの曲線をなす。この曲線を以下では、シールド性能指数曲線と称する。シールド性能指数曲線にしたがって、所望のシールド性能指数Ｂ／Ｂ０の値を得るための磁気シールドパラメータの適する範囲を設定することができる。

例えば、磁気シールド７０の磁気シールドパラメータを約６０ＭＳ以上とすることにより、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０を０．４より小さくすることができる。このようにすれば良好な変動磁場遮蔽効果を得ることができる。

また、図３に示されるシールド性能指数曲線は、磁気シールドパラメータの値が約１００ＭＳの領域を境界として挙動が変化している。磁気シールドパラメータの値が約１００ＭＳより小さい場合にはシールド性能指数曲線はほぼ直線Ｌ１となり、その傾きが比較的大きい。その一方、磁気シールドパラメータの値が約１００ＭＳより大きい場合にはシールド性能指数曲線は別の直線Ｌ２にほぼ一致し、その傾きが比較的小さくなっている。これら二本の直線を最小自乗法により導出し、それら直線の交点Ｐを求める。その交点における磁気シールドパラメータの値は、約８９ＭＳである。

磁気シールドパラメータの値を最小値（例えば１ＭＳ）から最大値（例えば１００００ＭＳ）へと増加していくことを考える。磁気シールドパラメータの値が約８９ＭＳより小さい場合には、磁気シールドパラメータの単位増加量あたりのシールド性能指数Ｂ／Ｂ０の減少度合が大きい。磁気シールドパラメータの増加による変動磁場遮蔽効果の向上度合が大きい。一方、磁気シールドパラメータの値が約８９ＭＳ以上である場合には、磁気シールドパラメータの単位増加量あたりのシールド性能指数Ｂ／Ｂ０の減少度合は小さい。シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、ほぼ飽和しているとも言える。

したがって、磁気シールド７０の磁気シールドパラメータを約８９ＭＳ以上とすることにより、十分に小さいシールド性能指数Ｂ／Ｂ０を実現することができる。さらに良好な変動磁場遮蔽効果を得ることができる。換言すれば、磁気シールドパラメータの値を過剰に大きくしても、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０の減少すなわち変動磁場遮蔽効果の向上への寄与は小さい。

磁気シールド７０が純銅で形成される場合、比較的入手しやすい純度をもつ材料の４Ｋでの残留抵抗比（ＲＲＲ）は約３００〜１０００の範囲にある。残留抵抗比がこの入手容易範囲の最小値である例えば３００の場合、磁気シールドパラメータの値が８９ＭＳ以上に設定されたとすると、純銅の磁気シールド７０の肉厚は約５ｍｍ以上となる。したがって、磁気シールド７０を純銅で製作し、その肉厚を約５ｍｍ以上とすることにより、良好な変動磁場遮蔽効果を得ることが保証される。また、磁気シールド７０の重量を抑制して取り扱いを容易にするためには、純銅の磁気シールド７０の肉厚は、約１０ｍｍ以下であることが好ましい。

ところで、超伝導磁石にクエンチが発生した場合、磁気シールド７０の周囲の外部磁場は消失する。このような外部磁場の急減は、磁気シールド７０の電気伝導率が高い場合にはとくに、磁気シールド７０に大きな渦電流を誘起する。渦電流の大きさに応じた過渡的な電磁力が磁気シールド７０に働く。過大な電磁力は磁気シールド７０またはＧＭ冷凍機１に機械的損傷をもたらしうる。

図３に示されるもう１つの曲線は、磁気シールドパラメータとクエンチ時に磁気シールド７０に発生する電磁力との関係を示す。この結果も本発明者らの数値解析により得られたものである。磁気シールド７０に作用する電磁力が約５ｋｇｆを超えると、ＧＭ冷凍機１の機械的性能に影響が生じうる。

例えば、磁気シールド７０の磁気シールドパラメータを約１９８０ＭＳ以下とすることにより、磁気シールド７０に作用する電磁力を約５ｋｇｆより小さくすることができる。また、磁気シールド７０の磁気シールドパラメータを約１０００ＭＳ以下とすることにより、磁気シールド７０に作用する電磁力を約２ｋｇｆより小さくすることができる。このようにして磁気シールド７０の磁気シールドパラメータを設計することにより、超伝導磁石にクエンチが発生した場合における磁気シールド７０またはＧＭ冷凍機１の機械的損傷の可能性を低減することができる。

磁気シールド７０が純アルミニウムで形成される場合、比較的入手しやすい材料の４Ｋでの残留抵抗比は約２０００〜１００００の範囲にある。残留抵抗比がこの入手容易範囲の最大値である例えば１００００の場合、磁気シールドパラメータの値が１９８０ＭＳ以下に設定されたとすると、純アルミニウムの磁気シールド７０の肉厚は約５．６ｍｍ以下となる。純アルミニウムの磁気シールド７０自体の機械的強度を保証するために、磁気シールド７０の肉厚は、例えば、約０．５ｍｍ以上または約１ｍｍ以上であることが好ましい。

図４は、磁気シールド７０の電気伝導率を測定するための構成を例示する概略図である。磁気シールド７０およびコイル８０が台座８２に設置されている。コイル８０は磁気シールド７０を囲むようにして磁気シールド７０の中心軸と同軸に台座８２上に設置されている。コイル８０に通電することにより磁気シールド７０に軸方向磁場を印加することができる。また、ホール素子などの磁場センサ８４が、磁気シールド７０の中心軸上に配置されている。磁場センサ８４は、台座８２上に設置されたセンサ台８６に配置されている。

磁気シールド７０は、適宜の冷却手段によって冷却される。例えば、図示される測定構成の全体が液体ヘリウムなどの冷媒に浸されることによって、磁気シールド７０は所望の温度（１０Ｋ以下の温度、例えば約４．２Ｋ）に冷却されてもよい。あるいは、磁気シールド７０がＧＭ冷凍機などの極低温冷凍機に熱的に結合され、冷却されてもよい。

磁気シールド７０が極低温に冷却された状態で、コイル８０に一定の電流が流される。磁気シールド７０の周囲にはコイル電流に応じた一定の磁場が発生する。十分に時間が経過した後、コイル８０への通電が停止される。そうすると、磁気シールド７０には誘導電流が生じる。誘導電流が作る磁場の減衰カーブから磁気シールド７０の電気伝導率を逆算することが可能である。磁場の減衰カーブの時定数τは、τ＝Ｌ／Ｒである。ここで、Ｌは磁気シールド７０の自己インダクタンスを表し、Ｒは磁気シールド７０の電気抵抗値を表す。自己インダクタンスＬは、磁気シールド７０の形状等から計算される既知の値である。磁場センサ８４によって測定された減衰カーブから時定数τが求まるので、磁気シールド７０の周方向の電気抵抗値Ｒが求まる。電気抵抗値Ｒから極低温での磁気シールド７０の電気伝導率を求めることができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、二段冷却ステージ７２への磁気シールド７０の設置を例示する概略図である。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に直接取り付けられている。

磁気シールド７０の内径Ｄｉは、図１に示されるように、一段シリンダ２０または一段冷却ステージ３５の外径Ｄ１よりも小さい。これにより、磁気シールド７０が二段冷却ステージ７２に取り付けられたとき、ＧＭ冷凍機１の全体サイズをコンパクトにまとめることができる。また、磁気シールド７０の外径Ｄｏも、一段シリンダ２０または一段冷却ステージ３５の外径Ｄ１よりも小さくてもよい。このようにすれば、磁気シールド付きのＧＭ冷凍機１のサイズがさらにコンパクトになる。

図５（ａ）に示されるように、磁気シールド部品７４は、磁気シールド７０と二段冷却ステージ７２とを備える。磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２に直接接合されている。ＧＭ冷凍機１の製造工程で、磁気シールド７０を二段冷却ステージ７２に接合することができるので、製造作業が容易となる。磁気シールド７０と二段冷却ステージ７２の直接接合は、例えばろう付け接合によりなされる。磁気シールド７０が純銅などの比較的高融点の金属材料で形成されているので、ろう付け接合が可能である。二段シリンダ５１と二段冷却ステージ７２とのろう付け接合の工程で、磁気シールド７０も同様に接合することができるので、製造作業が容易となる。磁気シールド７０と二段冷却ステージ７２の直接接合は、接着剤による接合であってもよい。

図５（ｂ）に示されるように、磁気シールド７０は、二段冷却ステージ７２と一体形成されている。磁気シールド７０は二段冷却ステージ７２と一体の部品として設けられている。この一体の磁気シールド部品７４は、二段シリンダ５１とろう付け接合されている。磁気シールド７０が二段冷却ステージ７２と一体であるので、両者を接合する工程が不要である。よって、製造作業が容易となる。

磁気シールド７０を過度に大きくすることなく磁気シールド７０と二段シリンダ５１との熱的接触を避けるために、磁気シールド７０の内面と二段シリンダ５１の外面との距離７６は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以内（例えば２ｍｍから８ｍｍ、または約５ｍｍ）とすることが好ましい。

図６（ａ）は、比較例に係る極低温冷凍機の一部を示す概略図であり、図６（ｂ）は、ある実施の形態に係る極低温冷凍機の一部を示す概略図である。図６（ａ）および図６（ｂ）には、極低温冷凍機のディスプレーサ１００が上死点に位置する様子が示されている。図６（ａ）に示される比較例は磁気シールドを有しないが、図６（ｂ）に示される実施の形態は磁気シールド７０を有する。極低温冷凍機は、例えば超伝導電磁石による外部磁場Ｂｅのような高磁場環境に配置されうる。

ここで、ディスプレーサ１００の上死点は、シリンダ１０２内でのディスプレーサ１００の軸方向往復動において、ディスプレーサ１００が冷却ステージ１０４から最も離れ、膨張室１０６の容積が最大となるディスプレーサ１００の位置を指す。また、ディスプレーサ１００の下死点は、シリンダ１０２内でのディスプレーサ１００の軸方向往復動において、ディスプレーサ１００が冷却ステージ１０４に最も近づき、膨張室１０６の容積が最小となるディスプレーサ１００の位置を指す。簡明化のために、図６（ａ）では、シリンダ１０２、冷却ステージ１０４を破線で示し、図６（ｂ）では、これらの図示を省略している。

一例として、ディスプレーサ１００、シリンダ１０２、冷却ステージ１０４、膨張室１０６はそれぞれ、図１に示される二段ディスプレーサ５２、二段シリンダ５１、二段冷却ステージ７２、二段膨張室５５であってもよい。

ディスプレーサ１００は、その内部に非磁性蓄冷材１０８および磁性蓄冷材１１０を備える。ディスプレーサ１００の高温側（すなわち軸方向上方）に非磁性蓄冷材１０８が充填され、ディスプレーサ１００の低温側（すなわち軸方向下方）に磁性蓄冷材１１０が充填されている。磁性蓄冷材１１０は、一種又は複数種の磁性蓄冷材を含んでもよい。

外部磁場Ｂｅは例えばディスプレーサ１００の軸方向に直交する方向に向けられている。外部磁場Ｂｅによって、磁性蓄冷材１１０は磁化され、磁場１１２を発生させる。図６（ａ）に示される比較例は磁気シールドを有しないので、磁場１１２は、磁性蓄冷材１１０から発し、磁性蓄冷材１１０の外側を通って磁性蓄冷材１１０に戻ることになる。説明の便宜上、磁性蓄冷材１１０の上端付近のいくつかの磁力線（１１２ａ〜１１２ｃ）を例示する。これらの磁場１１２は、ディスプレーサ１００が軸方向に往復動するとき（矢印１１４）、変動する磁気ノイズとして周囲に伝播しうる。こうした磁気ノイズは上述のように、望まれない。

実施の形態によると、上述のように、ディスプレーサ１００の軸方向往復動による磁性蓄冷材１１０の移動範囲の全体にわたって延在してもよい。よって、磁気シールド７０の軸方向上端７１は、ディスプレーサ１００が上死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａと同じ位置またはそれより上方まで延びていてもよい。

一例として、磁気シールド７０は、磁性蓄冷材１１０の移動範囲の上端から例えば約２０ｍｍ以内の長さだけ上方に延長されていてもよい。

この場合、図６（ｂ）に示されるように、磁場１１２のうち大半の磁力線（１１２ｂ，１１２ｃ）は、磁気シールド７０と交差し、磁気シールド７０との電磁気的な相互作用により、変動する磁場成分の外部への漏出が抑制される。磁場１１２のうち磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａのすぐ近くに生じる磁力線１１２ａは、磁気シールド７０と交差しないが、空間的な広がりが磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａのごく近傍に限定されているので、周囲に顕著な悪影響は及ぼさない。こうして、磁気シールド７０は、外部磁場Ｂｅによる磁性蓄冷材１１０の磁化に起因する磁気ノイズを十分に低減することができる。

説明の便宜上、図６（ｂ）に示されるように、ディスプレーサ１００が上死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａからの磁気シールド７０の軸方向余長をＬＳｕと表記し、ディスプレーサ１００が上死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａから磁気シールド７０への径方向距離をＧｕと表記する。

磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕは、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａから磁気シールド７０の軸方向上端７１までの軸方向高さにあたる。磁気シールド７０は通例円筒形状を有するので、磁気シールド７０の軸方向上端７１の軸方向位置は周方向に一定である。ただしこれは必須ではなく、磁気シールド７０の軸方向上端７１の軸方向位置は周方向に一定でなくてもよく、その場合、軸方向余長ＬＳｕは磁気シールド７０の軸方向上端７１のうち最も軸方向に高い位置での磁性蓄冷材１１０からの高さと定めてもよい。

径方向距離Ｇｕは、磁性蓄冷材１１０の側面１１０ｂから磁気シールド７０までの距離であり、磁気シールド７０の内径Ｄｉから磁性蓄冷材１１０の外径Ｄｒを差し引いた値の半分として定義される（すなわち、Ｇｕ＝（Ｄｉ−Ｄｒ）／２）。磁性蓄冷材１１０の外径Ｄｒは、磁性蓄冷材１１０を収容する蓄冷材容器としてのディスプレーサ１００の内径に等しい。ディスプレーサ１００（磁性蓄冷材１１０）と磁気シールド７０は通例ともに円筒形状を有し、同軸に配置されるので、径方向距離Ｇｕは周方向に一定である。ただし、磁気シールド７０の内径Ｄｉが周方向に一定でない場合、及び／または磁性蓄冷材１１０の外径Ｄｒが周方向に一定でない場合には、径方向距離Ｇｕは、磁気シールド７０の内径Ｄｉの最小値から磁性蓄冷材１１０の外径Ｄｒの最大値を差し引いた値の半分として求められてもよい。

ところで、磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕが十分に長ければ、外部磁場Ｂｅにより磁性蓄冷材１１０から発せられる磁場１１２の大半の外部への漏洩を遮蔽し、磁気ノイズの軽減効果が高まる点で有利である。しかし、過剰に長い磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕは、磁気シールド７０の重量を増加させ、磁気シールド７０の熱容量を増加させ、そのため磁気シールド７０の冷却に要する時間が長くなる点で不利である。磁気シールド７０を短くすれば、この不利益は緩和されるが、磁気ノイズの軽減効果も小さくなる。そこで、磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕの最適化を考える。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、外部磁場による磁性蓄冷材の磁化によって磁性蓄冷材に生じる磁場の計算結果を例示する図である。図７（ａ）には、磁性蓄冷材１１０の上部右半分と磁場が示されている。図７（ａ）においては、磁場の向きが曲線で示され、磁場の強さが濃淡で示されている。曲線が水平に近いほどその位置での磁場の径方向成分は大きい。図７（ｂ）には、図７（ａ）に示される３つの径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３それぞれでの径方向磁場成分と磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａからの距離との関係を示す。径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３は、Ｇｕ１が磁性蓄冷材１１０の側面１１０ｂに最も近く、Ｇｕ３が磁性蓄冷材１１０の側面１１０ｂから最も遠い。この計算例では、径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３は、３ｍｍ、８ｍｍ、１３ｍｍである。図７（ｂ）では、径方向外向きを正とし、径方向内向きを負としている。

図７（ａ）および図７（ｂ）から理解されるように、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａと同じ軸方向位置（図７（ａ）に示される点Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３であり、図７（ｂ）における原点）では、径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３のいずれにおいても磁場は径方向外向き成分を有する。

磁場の径方向外向き成分は、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａからの軸方向高さが大きくなるにつれて、弱くなっている。例えば、径方向距離Ｇｕ１において、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａから上方に向かうにつれて、磁場の径方向外向き成分は弱まり、位置Ｐ１にてゼロとなる。位置Ｐ１より上方では、磁場は径方向内向きとなっている。径方向距離Ｇｕ２、Ｇｕ３についても、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａから上方に向かうにつれて、磁場は同様に変化する。ただし、径方向距離Ｇｕ２では、磁場の径方向外向き成分がゼロとなる位置Ｐ２が位置Ｐ１より上方であり、径方向距離Ｇｕ３では、磁場の径方向外向き成分がゼロとなる位置Ｐ３が位置Ｐ２より上方である。図７（ａ）に示されるように、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、磁性蓄冷材１１０の上面右端から斜め上方に延びる直線１１５上に概ね沿って並んでいる。

磁場が径方向外向き成分を有する場合には、極低温冷凍機の中心軸から放射状に磁場が外部に向かうことを意味するから、磁気シールド７０によって遮蔽されることが望ましい。したがって、磁場の径方向外向き成分がゼロとなる位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、すなわち直線１１５によって、磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕの目安が与えられる。磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕを位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に設定することによって、磁性蓄冷材１１０の上面１１０ａおよびその近傍からの磁場の漏洩を効果的に遮蔽することができる。

図８は、図７（ａ）および図７（ｂ）の例における径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３と磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕとを示す表である。径方向距離Ｇｕ１、Ｇｕ２、Ｇｕ３のそれぞれに対応する磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕ（すなわち、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）は、３．６ｍｍ、９ｍｍ、１４．３ｍｍとなっている。

図８には、径方向距離Ｇｕに対する軸方向余長ＬＳｕの比（ＬＳｕ／Ｇｕ）も示されている。以下では、ＬＳｕ／Ｇｕを磁気シールド７０の延長長さパラメータと称する。具体的には、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３について、延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕは、１．２、１．１２５、１．１である。

こうした結果に基づく本発明者の考察によると、磁気シールド７０は、ＬＳｕ／Ｇｕ≧１を満たすことが好ましい。この場合、磁気シールド７０は、ＬＳｕ≧Ｇｕを満たす。このようにすれば、磁気ノイズの遮蔽と磁気シールド７０の重量の過剰な増大の抑制とを両立することができる。

図９は、磁気シールド７０の延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕとシールド性能指数Ｂ／Ｂ０との関係を示すグラフであり、本発明者らの解析により得られたものである。上述のように、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、その値が小さいほど磁気シールド７０の磁気ノイズ遮蔽効果が高いことを表す。図９に示されるシールド性能指数Ｂ／Ｂ０は、磁気シールド７０の外部のある代表点での値である。

図９に示されるように、延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが増加するにつれて、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は低下し、よって磁気シールド７０の性能は高まる。延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕがゼロの場合（すなわち磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕがゼロの場合）には、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０が約０．２１であるのに対し、延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが１ではシールド性能指数Ｂ／Ｂ０は約０．１５に改善している。延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが２に増加すると、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は約０．１にさらに改善している。

この解析結果によっても、磁気シールド７０は、ＬＳｕ／Ｇｕ≧１を満たすことが好ましいことがわかる。より好ましくは、磁気シールド７０は、ＬＳｕ／Ｇｕ≧２を満たしてもよい。また、磁気シールド７０が、ＬＳｕ／Ｇｕ≧０．５を満たす場合にも、軸方向余長ＬＳｕがゼロの場合に比べて、良好な性能を得られる。

延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが２を超えると、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０の減少は小さくなる。例えば、延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが３から５の範囲では、シールド性能指数Ｂ／Ｂ０は約０．０９〜０．０８となり、ほぼ一定である。延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕが過剰に大きくなると、上述のように磁気シールド７０の重量増加による不利益が生じうる。したがって、延長長さパラメータＬＳｕ／Ｇｕは、例えば３未満、または２未満であってもよい。

磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｕの上限は、別の観点から定めることもできる。例えば、磁気シールド７０の軸方向上端７１は、一段冷却ステージ３５（図１参照）に対して軸方向下方にあり、一段冷却ステージ３５から軸方向に離れていてもよい。このようにすれば、磁気シールド７０と一段冷却部１５との熱的接触を避けることができる。より確実に熱的接触を避けるために、磁気シールド７０の軸方向上端７１は、一段冷却ステージ３５から０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以内（例えば２ｍｍから８ｍｍ、または約５ｍｍ）だけ軸方向に離れていてもよい。

同様にして、磁気シールド７０の軸方向下端７３の長さの最適化も可能である。ある実施の形態においては、図１０に示されるように、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、ディスプレーサ１００が下死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の下面１１０ｃから軸方向に下方にさらに延びていてもよい。

ディスプレーサ１００が下死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の下面１１０ｃからの磁気シールド７０の軸方向余長ＬＳｌ、ディスプレーサ１００が下死点に位置するときの磁性蓄冷材１１０の下面１１０ｃから磁気シールド７０への径方向距離をＧｌと表すとき、磁気シールド７０は、ＬＳｌ≧Ｇｌを満たしてもよい（通例、Ｇｕ＝Ｇｌである）。

また、延長長さパラメータＬＳｌ／Ｇｌとシールド性能指数Ｂ／Ｂ０との関係を考慮すると、磁気シールド７０は、ＬＳｌ／Ｇｌ≧２を満たしてもよい。また、磁気シールド７０が、ＬＳｌ／Ｇｌ≧０．５を満たしてもよい。磁気シールド７０は、３＞ＬＳｌ／Ｇｌ、または、２＞ＬＳｌ／Ｇｌを満たしてもよい。

一例として、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、ディスプレーサ１００の軸方向往復動による磁性蓄冷材１１０の移動範囲の下端から例えば約２０ｍｍ以内の長さだけ下方に延長されていてもよい。

なお、図５（ａ）に示されるように、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、二段冷却ステージ７２に接合されていてもよい。あるいは、図５（ｂ）に示されるように、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、二段冷却ステージ７２と一体形成されていてもよい。図示されるように、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、二段冷却ステージ７２の下面７２ａと異なる軸方向位置、例えば、二段冷却ステージ７２の下面７２ａよりもいくらか上方に位置してもよい。あるいは、図１に示されるように、磁気シールド７０の軸方向下端７３は、二段冷却ステージ７２の下面７２ａと同じ軸方向位置にあってもよい。

また、ある実施の形態においては、図１１に示されるように、ディスプレーサ１００は、非磁性蓄冷材１０８に加えて、複数種の磁性蓄冷材を有してもよい。一例として、第１磁性蓄冷材１１６は、ＨｏＣｕ_２であり、第２磁性蓄冷材１１８は、Ｇｄ_２Ｏ_２Ｓ（ＧＯＳと称される）である。第１磁性蓄冷材１１６と第２磁性蓄冷材１１８は、互いに軸方向に異なる位置に配置され、例えば、第１磁性蓄冷材１１６は、第２磁性蓄冷材１１８の軸方向上方に隣接する。非磁性蓄冷材１０８は、第１磁性蓄冷材１１６の軸方向上方に隣接する。ただし、ディスプレーサ１００に用いうる磁性蓄冷材１１０は、ここに例示する特定の材料には限られない。ディスプレーサ１００は、三種類以上の磁性蓄冷材を有してもよい。

外部磁場Ｂｅによって、第１磁性蓄冷材１１６、第２磁性蓄冷材１１８はそれぞれ磁化される。ここで、第１磁性蓄冷材１１６が、複数種の磁性蓄冷材のうち最も磁化の大きい磁性蓄冷材であるとし、外部磁場Ｂｅにより生じる第１磁性蓄冷材１１６の第１の磁化量をＭ_ｍａｘ、第２磁性蓄冷材１１８の第２の磁化量をＭ_２と表すものとする。第１磁性蓄冷材１１６の第１の磁化量Ｍ_ｍａｘは、第２磁性蓄冷材１１８の第２の磁化量をＭ_２より大きい。

図１２には、第１磁性蓄冷材１１６（すなわちＨｏＣｕ_２）と第２磁性蓄冷材１１８（すなわちＧＯＳ）の極低温温度領域（５Ｋ）での磁化曲線を示す。図示されるように、第１磁性蓄冷材１１６は、第２磁性蓄冷材１１８に比べて、外部磁場Ｂｅによって、より大きな磁化が生じる。

磁化が小さいほど磁性蓄冷材から発せられる磁場も小さくなる。よって、磁気シールド７０が、第１磁性蓄冷材１１６について十分な磁気ノイズ遮蔽性能を有する場合、第２磁性蓄冷材１１８については過剰な性能をもつことになる。

そこで、磁気シールド７０は、第１磁性蓄冷材１１６を囲む第１シールド部分７０ａと、第２磁性蓄冷材１１８を囲む第２シールド部分７０ｂとを備える。第２シールド部分７０ｂの肉厚Ｔ２は、第１シールド部分７０ａの肉厚Ｔ１より薄くてもよい。第１シールド部分７０ａと第２シールド部分７０ｂは同じ材料で形成されていてもよい。このようにすれば、第２シールド部分７０ｂを軽量化することができる。

一般化すると、上述の磁気シールドパラメータ（σ・ｔ）を、第２シールド部分７０ｂについて、第１シールド部分７０ａに比べて、いくらか低減することができる。ある実施の形態においては、第１シールド部分７０ａについての磁気シールドパラメータを（σ・ｔ）_ｍａｘ、第２シールド部分７０ｂについての磁気シールドパラメータを（σ・ｔ）_２と表すとき、磁気シールド７０は、
Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ・（σ・ｔ）_ｍａｘ≦（σ・ｔ）_２＜（σ・ｔ）_ｍａｘ
を満たしてもよい。すなわち、第２シールド部分７０ｂについての磁気シールドパラメータ（σ・ｔ）_２は、第１シールド部分７０ａについての磁気シールドパラメータ（σ・ｔ）_ｍａｘに係数Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ（Ｍ_２＜Ｍ_ｍａｘであるから、Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ＜１である）を乗じた値まで低減されてもよい。このようにすれば、磁気ノイズの遮蔽と第２シールド部分７０ｂの軽量化とを両立することができる。

好ましくは、磁気シールド７０は、
Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ・（σ・ｔ）_ｍａｘ＝（σ・ｔ）_２
を満たしてもよい。このようにすれば、磁気ノイズの遮蔽性能を保持しつつ、第２シールド部分７０ｂを最も軽くすることができる。

また、磁気シールド７０は、
（σ・ｔ）_２＝（σ・ｔ）_ｍａｘ
を満たしてもよい。このようにすれば、第２シールド部分７０ｂの磁気ノイズの遮蔽性能を、第１シールド部分７０ａと同等に設計することができる。例えば、第１シールド部分７０ａと第２シールド部分７０ｂを同じ材料で等しい肉厚で形成することができるので、磁気シールド７０の製造が容易となる。

まとめると、磁気シールド７０は、
Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ・（σ・ｔ）_ｍａｘ≦（σ・ｔ）_２≦（σ・ｔ）_ｍａｘ
を満たしてもよい。

ディスプレーサ１００が第３磁性蓄冷材を有し、磁気シールド７０が第３磁性蓄冷材を囲む第３シールド部分を有する場合も同様である。第３シールド部分についての磁気シールドパラメータを（σ・ｔ）_３と表すとき、磁気シールド７０は、
Ｍ_３／Ｍ_ｍａｘ・（σ・ｔ）_ｍａｘ≦（σ・ｔ）_３≦（σ・ｔ）_ｍａｘ
を満たしてもよい。ここで、外部磁場Ｂｅによって、第３磁性蓄冷材には、第１の大きさの磁化Ｍ_ｍａｘより小さい第３の大きさの磁化Ｍ_３が生じるものとする。

第１シールド部分７０ａは、ディスプレーサ１００の往復動による第１磁性蓄冷材１１６の移動範囲の全体にわたって延在してもよい。第１シールド部分７０ａは、第１磁性蓄冷材１１６の移動範囲の上端から例えば約２０ｍｍ以内の長さだけ上方に延長されていてもよい。第１シールド部分７０ａは、第１磁性蓄冷材１１６の移動範囲の下端から例えば約２０ｍｍ以内の長さだけ下方に延長されていてもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

ある実施の形態によると、極低温冷凍機の冷却ステージ構造または気密容器構造が提供される。この冷却ステージ構造または気密容器構造は、冷却ステージと、前記冷却ステージを末端に備えるシリンダと、前記冷却ステージに設置され、前記シリンダの外側を前記シリンダに沿って延在する筒状磁気シールドと、を備える。前記筒状磁気シールドは、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下である。前記筒状磁気シールドは、極低温冷凍機の二段冷却ステージに直接設置され、前記筒状磁気シールドの内径が、極低温冷凍機の一段冷却ステージの外径より小さくてもよい。

ある実施の形態によると、極低温冷凍機の磁気シールド部品が提供される。磁気シールド部品は、冷却ステージと、前記冷却ステージに直接設置される筒状磁気シールドと、を備える。前記筒状磁気シールドは、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下である。前記筒状磁気シールドは、極低温冷凍機の二段冷却ステージに直接設置され、前記筒状磁気シールドの内径が、極低温冷凍機の一段冷却ステージの外径より小さくてもよい。

１ ＧＭ冷凍機、 ５１ 二段シリンダ、 ５２ 二段ディスプレーサ、 ６０ｂ 磁性蓄冷材、 ７０ 磁気シールド、 ７２ 二段冷却ステージ。

本発明は、極低温冷凍機および磁気シールドの分野における利用が可能である。

Claims (11)

1. 冷却ステージと、
   前記冷却ステージを末端に備えるシリンダと、
   磁性蓄冷材を備え、前記シリンダ内を往復動可能に前記シリンダに収容されたディスプレーサと、
   前記冷却ステージに設置され、前記シリンダの外側を前記シリンダに沿って延在する筒状磁気シールドと、を備え、
   前記筒状磁気シールドは、常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下であることを特徴とする極低温冷凍機。
2. 前記筒状磁気シールドは、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が８９ＭＳ以上であることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍機。
3. 前記筒状磁気シールドは、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状磁気シールドの肉厚との積が１０００ＭＳ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の極低温冷凍機。
4. 前記筒状磁気シールドは、前記ディスプレーサの往復動による前記磁性蓄冷材の移動範囲の全体にわたって延在することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷凍機。
5. 前記筒状磁気シールドは、前記ディスプレーサが上死点に位置するときの前記磁性蓄冷材の上面から軸方向に上方にさらに延びており、
   前記ディスプレーサが上死点に位置するときの前記磁性蓄冷材の上面からの前記筒状磁気シールドの軸方向余長をＬＳｕ、前記ディスプレーサが上死点に位置するときの前記磁性蓄冷材の上面から前記筒状磁気シールドへの径方向距離をＧｕと表すとき、前記筒状磁気シールドは、ＬＳｕ≧Ｇｕを満たすことを特徴とする請求項４に記載の極低温冷凍機。
6. 前記筒状磁気シールドは、純銅または純アルミニウムで形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷凍機。
7. 前記筒状磁気シールドは、前記冷却ステージにろう付け接合されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
8. 前記筒状磁気シールドは、前記冷却ステージと一体形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷凍機。
9. 一段冷却ステージ及び二段冷却ステージを備え、
   前記筒状磁気シールドは、前記二段冷却ステージに直接設置され、前記筒状磁気シールドの内径が、前記一段冷却ステージの外径より小さいことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の極低温冷凍機。
10. 前記ディスプレーサは、互いに軸方向に異なる位置に配置された第１磁性蓄冷材および第２磁性蓄冷材を備え、
    前記筒状磁気シールドは、前記第１磁性蓄冷材を囲む第１シールド部分と、前記第２磁性蓄冷材を囲む第２シールド部分とを備え、
    外部磁場によって、前記第１磁性蓄冷材、前記第２磁性蓄冷材はそれぞれ磁化され、前記第１磁性蓄冷材の第１の磁化量Ｍ_ｍａｘ、前記第２磁性蓄冷材の第２の磁化量Ｍ_２が生じ、前記第１の磁化量Ｍ_ｍａｘは、前記第２の磁化量Ｍ_２より大きく、
    前記第１シールド部分についての前記電気伝導率と前記肉厚との積を（σ・ｔ）_ｍａｘ、前記第２シールド部分についての前記電気伝導率と前記肉厚との積を（σ・ｔ）_２と表すとき、前記筒状磁気シールドは、
    Ｍ_２／Ｍ_ｍａｘ・（σ・ｔ）_ｍａｘ≦（σ・ｔ）_２≦（σ・ｔ）_ｍａｘ
    を満たすことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の極低温冷凍機。
11. 極低温冷凍機の冷却ステージに直接設置される筒状の磁気シールドであって、
    常伝導体で形成され、１０Ｋ以下の温度領域における電気伝導率と前記筒状の磁気シールドの肉厚との積が６０ＭＳ（メガジーメンス）以上１９８０ＭＳ以下であることを特徴とする磁気シールド。