JP7116418B2 - Magnetic measuring device and magnetic exploration system - Google Patents
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Description
本発明は、磁気測定装置及び磁気探査システムに関する。 The present invention relates to a magnetic measurement device and a magnetic exploration system.
従来、石油・天然ガスの観測井又は海底に設置する超伝導量子干渉計素子(SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)素子)を利用した磁気測定装置が利用されている。磁気測定は、ループコイル等で発生させた磁場の変化を利用して、地下又は海中の抵抗構造を探査する測定手法であり、海水面下又は地下の比抵抗分布を測定する手法として広く使用されている。特許文献1には、地下数十m程度の範囲にある金属鉱物探査に用いるシステムで、磁気センサとして超伝導量子干渉計(以下、SQUIDという場合がある)を使用する磁気測定システムが開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a magnetic measuring device using a superconducting quantum interference device (SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) device) installed in an oil/natural gas observation well or on the seabed has been used. Magnetic measurement is a measurement method that explores underground or underwater resistance structures by using changes in the magnetic field generated by loop coils, etc., and is widely used as a method for measuring resistivity distribution under sea level or underground. ing.
SQUIDは、その高い感度と広い観測帯域により多くの情報を得ることができるが、低温でないと動作しないため、常圧環境下では液体窒素又は液体ヘリウムの温度に冷却する必要がある。液体窒素が、密閉された耐圧容器中に設置された真空断熱容器(以下、デュワーという)に収容されて用いられる場合、冷凍機の故障やデュワーの破損等で内部の液体窒素がすべて蒸発する場合がある。この場合、液体窒素が充填されたデュワーが破損すれば、密閉された耐圧容器内の圧力が上昇し、容器の破裂等の事故が生じる恐れがある。また、磁気測定が観測井で行われる場合、液体窒素の急激な体積膨張はウェルヘッドの破損等につながるという問題が生じていた。 A SQUID can obtain a large amount of information due to its high sensitivity and wide observation band, but it operates only at low temperatures, so it must be cooled to the temperature of liquid nitrogen or liquid helium under normal pressure. When liquid nitrogen is stored in a vacuum insulation container (hereinafter referred to as a dewar) installed in a sealed pressure-resistant container, and when all the liquid nitrogen inside evaporates due to a malfunction of the refrigerator or breakage of the dewar. There is In this case, if the dewar filled with liquid nitrogen is damaged, the pressure inside the sealed pressure-resistant container will increase, and there is a risk of an accident such as an explosion of the container. Moreover, when magnetic measurement is performed in an observation well, there is a problem that the rapid volume expansion of liquid nitrogen leads to breakage of the well head.
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、水中等の密閉環境下で超伝導磁気干渉計を使用して磁気を測定する際の安全性を向上させることができる磁気測定装置、冷却装置、及び磁気探査システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of these points, and is a magnetic measurement apparatus capable of improving safety when measuring magnetism using a superconducting magnetic interferometer in a closed environment such as underwater. , a cooling device, and a magnetic exploration system.
本発明の第1の態様においては、内側と外側との間で熱が移動することを抑制する内側容器と、前記内側容器に収容された超伝導量子干渉計素子と、前記超伝導量子干渉計素子を冷却する液体冷却剤と、前記液体冷却剤が発する冷熱を蓄積する蓄熱体と、前記超伝導量子干渉計素子が検出した磁気を測定する測定部と、を有し、前記超伝導量子干渉計素子は、動作時に前記液体冷却剤に浸漬されるように設置されていることを特徴とする磁気測定装置を提供する。 In a first aspect of the present invention, an inner container that suppresses heat transfer between the inside and the outside, a superconducting quantum interferometer element accommodated in the inner container, and the superconducting quantum interferometer The superconducting quantum interference device has a liquid coolant for cooling an element, a heat storage body for accumulating cold heat generated by the liquid coolant, and a measurement unit for measuring magnetism detected by the superconducting quantum interference device. A magnetic measuring device is provided, characterized in that the metering element is mounted so as to be immersed in said liquid coolant in operation.
また、前記蓄熱体は、凹形状の収容部を有し、前記超伝導量子干渉計素子は、前記収容部に収容されていてもよい。また、前記収容部の底には、前記蓄熱体を貫通する穴が形成されていてもよい。 Further, the heat storage body may have a recessed accommodating portion, and the superconducting quantum interferometer element may be accommodated in the accommodating portion. Further, a hole penetrating through the heat storage element may be formed in the bottom of the accommodation portion.
また、前記蓄熱体は、第1蓄熱体と、前記収容部の下方において前記第1蓄熱体と結合する第2蓄熱体と、を有していてもよい。また、前記液体冷却剤は液体窒素であり、前記蓄熱体は、シリコン又は石英ガラスを含んでいてもよい。 Further, the heat storage body may have a first heat storage body and a second heat storage body coupled to the first heat storage body below the accommodation section. Further, the liquid coolant may be liquid nitrogen, and the heat storage medium may contain silicon or quartz glass.
また、前記液体冷却剤が気化した気体冷却剤を冷却して液化させる冷却部と、前記測定部が磁気を測定するタイミングに基づいて前記冷却部を作動させる制御部と、をさらに有していてもよい。 Further, the cooling unit cools and liquefies the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant, and the control unit operates the cooling unit based on the timing at which the measurement unit measures the magnetism. good too.
また、前記超伝導量子干渉計素子の温度を検出する温度検出部をさらに有し、前記制御部は、前記温度検出部で検出された温度が所定の温度以上であり、かつ前記測定部が磁気を測定するタイミングでない場合に前記冷却部を作動させてもよい。 Further, a temperature detection unit for detecting a temperature of the superconducting quantum interferometer element is further provided, and the control unit determines that the temperature detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature, and that the measurement unit detects a magnetic field. The cooling unit may be operated when it is not the timing to measure the .
また、前記制御部は、磁気を発生させる磁場発生装置から受信した、前記磁場発生装置が磁気を発生させるタイミングを示す間欠的な磁場発生信号に基づいて、前記測定部が磁気を測定するタイミングを特定し、特定したタイミングに基づいて前記冷却部を間欠的に作動させてもよい。 Further, the control unit determines the timing at which the measurement unit measures magnetism based on an intermittent magnetic field generation signal indicating the timing at which the magnetic field generation device generates magnetism, received from a magnetic field generation device that generates magnetism. The cooling unit may be intermittently operated based on the specified timing.
また、前記内側容器を収容する外側容器をさらに有し、前記内側容器には、前記液体冷却剤が気化した気体冷却剤を前記外側容器との間で連通させるための穴が形成されていてもよい。 Further, the apparatus further includes an outer container that houses the inner container, and the inner container is formed with a hole for communicating the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant with the outer container. good.
また、前記蓄熱体の外側面と前記内側容器の内側面との間に設けられており、前記液体冷却剤が気化する際に生じる振動を吸収する振動吸収材をさらに有していてもよい。 Further, a vibration absorbing material may be provided between the outer surface of the heat storage body and the inner surface of the inner container to absorb vibrations generated when the liquid coolant is vaporized.
本発明の第2の態様においては、超伝導量子干渉計素子を冷却する冷却装置であって、内側と外側との間で熱が移動することを抑制する内側容器と、前記内側容器に収容された超伝導量子干渉計素子を冷却する液体冷却剤と、前記液体冷却剤が発する冷熱を蓄積する蓄熱体と、動作時に前記液体冷却剤に浸漬されるように前記超伝導量子干渉計素子を固定する固定部と、を有することを特徴とする冷却装置を提供する。 In a second aspect of the present invention, there is provided a cooling device for cooling a superconducting quantum interferometer element, comprising: an inner container for suppressing heat transfer between the inside and the outside; a liquid coolant for cooling the superconducting quantum interferometer element, a heat storage medium for accumulating cold heat generated by the liquid coolant, and the superconducting quantum interferometer element fixed so as to be immersed in the liquid coolant during operation. A cooling device characterized by comprising a fixing portion for
本発明の第3の態様においては、磁場を発生する磁場発生装置と、前記磁場発生装置が発生した磁場を測定する磁気測定装置と、前記磁場発生装置及び前記磁気測定装置を制御するシステム制御装置とを備える磁気探査システムであって、前記システム制御装置は、前記磁場発生装置が磁場を発生するタイミングを示す磁場発生信号を生成し、前記磁場発生装置は、前記磁場発生信号に基づいて磁場を発生する磁場発生部を有し、前記磁気測定装置は、内側と外側との間で熱が移動することを抑制する内側容器と、前記内側容器に収容された超伝導量子干渉計素子と、前記超伝導量子干渉計素子を冷却する液体冷却剤と、前記液体冷却剤が発する冷熱を蓄積する蓄熱体と、前記磁場発生信号に基づいて、前記超伝導量子干渉計素子が検出した磁気を測定する測定部と、を有し、前記超伝導量子干渉計素子は、動作時に前記液体冷却剤に浸漬されるように設置されていることを特徴とする磁気探査システムを提供する。 In a third aspect of the present invention, a magnetic field generating device that generates a magnetic field, a magnetic measuring device that measures the magnetic field generated by the magnetic field generating device, and a system control device that controls the magnetic field generating device and the magnetic measuring device wherein the system controller generates a magnetic field generation signal indicating the timing at which the magnetic field generation device generates a magnetic field, and the magnetic field generation device generates a magnetic field based on the magnetic field generation signal The magnetic field measuring device has a magnetic field generating unit that generates an inner container that suppresses heat transfer between the inside and the outside, a superconducting quantum interferometer element housed in the inner container, and the A liquid coolant that cools the superconducting quantum interferometer element, a heat storage medium that stores the cold heat generated by the liquid coolant, and a magnetism detected by the superconducting quantum interferometer element is measured based on the magnetic field generation signal. and a measuring unit, wherein the superconducting quantum interferometer element is installed so as to be immersed in the liquid coolant during operation.
また、前記磁気測定装置は、前記液体冷却剤が気化した気体冷却剤を冷却して液化させる冷却部と、前記磁場発生信号に基づいて、前記測定部が磁気を測定しないタイミングで前記冷却部を作動させる制御部と、をさらに有していてもよい。 Further, the magnetism measuring device includes a cooling unit that cools and liquefies the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant; and an actuating control unit.
また、前記磁場発生装置は、前記磁場発生信号に同期して前記磁場発生部に通電する通電期間と、前記磁場発生部に通電しない非通電期間とを切り替え、前記システム制御装置は、前記磁場発生装置が前記通電期間から前記非通電期間に切り替わるタイミングを予告する予告信号をさらに生成し、前記制御部は、前記予告信号に基づいて前記冷却部の作動を停止させてもよい。 Further, the magnetic field generation device switches between an energization period in which the magnetic field generation section is energized and a non-energization period in which the magnetic field generation section is not energized in synchronization with the magnetic field generation signal, and the system control device controls the magnetic field generation An advance notice signal may be further generated to give advance notice of the timing at which the apparatus switches from the energized period to the non-energized period, and the control section may stop the operation of the cooling section based on the advance notice signal.
また、前記磁気測定装置を作動する電力を蓄電する蓄電部と、前記蓄電部の蓄電量を計測する蓄電量計測部と、をさらに有し、前記制御部は、前記蓄電量計測部で計測された蓄電量が所定の第1下限値未満であり、かつ前記測定部が磁気を測定しないタイミングで前記蓄電部に蓄電させてもよい。 The power storage unit stores electric power for operating the magnetism measuring device, and a storage amount measuring unit measures the storage amount of the storage unit. The storage amount obtained is less than a predetermined first lower limit value, and the storage unit may be charged at a timing when the measurement unit does not measure the magnetism.
また、前記蓄電部は、第1蓄電部と第2蓄電部を有し、前記制御部は、前記蓄電量計測部で計測された前記第2蓄電部の蓄電量が前記所定の第1下限値よりも小さい所定の第2下限値未満である場合は、前記測定部が磁気を測定するタイミングであっても前記第2蓄電部に蓄電させてもよい。 Further, the power storage unit has a first power storage unit and a second power storage unit, and the control unit controls the power storage amount of the second power storage unit measured by the power storage amount measurement unit to be the predetermined first lower limit value. is less than a predetermined second lower limit value smaller than , the second power storage unit may be charged even at the timing when the measurement unit measures magnetism.
本発明によれば、密閉環境下で超伝導磁気干渉計を用いて磁気を測定する際の安全性を向上させることができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is effective in the ability to improve the safety|security at the time of measuring magnetism using a superconducting magnetic interferometer in a sealed environment.
[磁気探査システムSの概要]
電磁探査手法は、海底資源の探査への適用が期待されている。例えば、海底に設置されたケーブルに矩形波状の電流を通電し、ここから離れた海底に設置された磁気センサで応答を見ることで、海底下又は海中の抵抗値分布を推定することが可能になる。また、他の用途として、生産に伴い圧力が減少した油田に対して二炭化炭素や界面活性剤を含有する水等の圧入流体を圧入し、油層中に残された原油分を回収する増進回収における圧入流体のモニタリング、及び産業活動において生成する二酸化炭素の地下貯留における二酸化炭素の挙動監視などが挙げられる。
[Overview of magnetic exploration system S]
The electromagnetic exploration method is expected to be applied to the exploration of seabed resources. For example, by applying a square-wave current to a cable installed on the seabed and observing the response from a magnetic sensor installed on the seabed away from the cable, it is possible to estimate the resistance value distribution under the seabed or in the sea. Become. In addition, as another application, it is used for enhanced recovery to recover the crude oil remaining in the oil layer by injecting an injection fluid such as water containing carbon dioxide or surfactant into the oil field where the pressure has decreased due to production. and monitoring the behavior of carbon dioxide in underground storage of carbon dioxide produced in industrial activities.
これらの用途では、磁気を測定する対象とする地層が地下1000~3000mと深いため、磁気を測定する対象とする地層の近傍に磁気センサを設置することが好ましい。この場合、磁気を測定する対象とする地層まで掘削された観測用の坑井にセンサを設置することが求められる。これらの観測用の坑井は、坑井壁が周囲の地盤からの圧力に抗するため、水系の坑井内流体が充填されている。したがって、密閉された耐圧容器内に磁気センサを収め、観測用の坑井の坑口から定められた深度まで磁気センサを吊下する必要がある。 In these applications, since the stratum whose magnetism is to be measured is as deep as 1000 to 3000 m underground, it is preferable to install the magnetic sensor near the stratum whose magnetism is to be measured. In this case, it is required to install the sensor in an observation well dug up to the stratum whose magnetism is to be measured. These observation wells are filled with a water-based wellbore fluid so that the well walls resist the pressure from the surrounding ground. Therefore, it is necessary to house the magnetic sensor in a sealed pressure vessel and suspend the magnetic sensor from the mouth of the observation well to a defined depth.
磁気センサとしてSQUIDを使用する場合、SQUIDを低温に維持する必要がある。そこで、SQUIDを使用するには、例えば、耐圧容器にSQUIDとともに液体窒素又は液体ヘリウム等の冷却剤を収容させる必要がある。以下、このような冷却剤を収容可能な耐圧容器を備える磁気測定装置Tを有する磁気探査システムSについて説明する。 When using a SQUID as a magnetic sensor, it is necessary to keep the SQUID cool. Therefore, in order to use the SQUID, for example, it is necessary to accommodate a cooling agent such as liquid nitrogen or liquid helium together with the SQUID in a pressure container. A magnetic exploration system S having a magnetic measuring device T having a pressure-resistant container capable of accommodating such a coolant will be described below.
図1は、本実施形態に係る磁気測定装置Tを有する磁気探査システムSの構造を示す図である。
磁気探査システムSは、海底下の油田の油層に水を圧入し、油層中の炭化水素を生産井で回収する1次回収プロセスでの水の挙動を検知するためのモニタリングシステムである。磁気探査システムSは、圧入井から水を圧入することにより生じる水-炭化水素界面が海底に設置された磁気測定装置Tの下を通過するタイミングを、磁場発生部V1の磁場の遮断により励起される二次磁場の変化で測定する。磁気探査システムSは、水-炭化水素界面が磁気測定装置Tの下を通過するタイミングを測定することで、炭化水素の位置を特定することができる。
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a magnetic exploration system S having a magnetic measurement device T according to this embodiment.
The magnetic exploration system S is a monitoring system for detecting the behavior of water in the primary recovery process of injecting water into an oil layer of an oil field under the seafloor and recovering hydrocarbons in the oil layer in a production well. The magnetic survey system S is excited by blocking the magnetic field of the magnetic field generator V1 at the timing when the water-hydrocarbon interface generated by injecting water from the injection well passes under the magnetic measurement device T installed on the seabed. measured by the change in the secondary magnetic field. The magnetic survey system S measures the timing at which the water-hydrocarbon interface passes under the magnetic measurement device T, thereby identifying the position of the hydrocarbon.
油層中の原油等の炭化水素の一部が水に置き換わることにより、置き換わった部分の抵抗値が減少する。磁気探査システムSにおいては、抵抗値が減少したことにより生じる、一次磁場遮断による油層部分を流れる渦電流パターンの変化を、この変化に誘起される二次磁場の変化として、海底面に設置された磁気測定装置Tで検出する。また、磁気探査システムSは、磁気測定装置Tの近傍に存在する金属を含む物体の動きに応じた二次磁場の変化に基づいて、磁気測定装置Tの近傍で動く金属を含む物体の検知も可能である。 By replacing part of the hydrocarbons such as crude oil in the oil layer with water, the resistance value of the replaced part decreases. In the magnetic exploration system S, the change in the eddy current pattern flowing through the oil layer due to the interruption of the primary magnetic field caused by the decrease in resistance value is treated as the change in the secondary magnetic field induced by this change. Detected by the magnetometer T. In addition, the magnetic exploration system S detects an object including metal that moves in the vicinity of the magnetic measurement device T based on a change in the secondary magnetic field according to the movement of the object including metal existing in the vicinity of the magnetic measurement device T. It is possible.
磁気探査システムSは、磁場発生装置V、磁気測定装置T、及びシステム制御装置Uを有する。磁場発生装置Vは、磁場を発生する。磁場発生装置Vは、磁場発生部V1及び給電部V2を有する。磁場発生部V1は、システム制御装置Uが発生する磁場発生信号に基づいて磁場を発生する。給電部V2は、磁場発生部V1に電圧を印加する。 The magnetic exploration system S has a magnetic field generator V, a magnetometer T, and a system controller U. The magnetic field generator V generates a magnetic field. The magnetic field generator V has a magnetic field generator V1 and a power feeder V2. The magnetic field generator V1 generates a magnetic field based on a magnetic field generation signal generated by the system controller U. FIG. The power supply unit V2 applies a voltage to the magnetic field generation unit V1.
磁気測定装置Tは、磁場発生装置Vが発生した磁場を測定する。磁気測定装置Tは、磁場発生装置Vから離間して配置されている。磁気測定装置Tは、例えば、磁場発生部V1から2500m程度離れた海底に設置され、地上のシステム制御装置Uとは、制御ケーブル15で接続されている。
The magnetic measurement device T measures the magnetic field generated by the magnetic field generator V. FIG. The magnetic measuring device T is arranged apart from the magnetic field generating device V. As shown in FIG. The magnetic measurement device T is installed, for example, on the seabed about 2500 m away from the magnetic field generator V1, and is connected to a system control device U on the ground via a
制御ケーブル15は、後述するように、光ファイバ、電源線、バックアップ用充電制御リレーの駆動配線、及び制御部9のリセット信号線等を有している。制御ケーブル15は、外側容器1の蓋体12のコネクタ13で磁気測定装置Tと接続されている。磁気測定装置Tの詳細は後述する。
The
システム制御装置Uは、磁気探査システムS全体をコントロールする。具体的には、システム制御装置Uは、磁場発生装置V及び磁気測定装置Tを制御する。また、システム制御装置Uは、磁気測定装置Tから送信されるデータを記憶する。システム制御装置Uは、地上に設置されている。 The system controller U controls the entire magnetic exploration system S. Specifically, the system controller U controls the magnetic field generator V and the magnetometer T. FIG. Further, the system control device U stores data transmitted from the magnetism measuring device T. FIG. The system control device U is installed on the ground.
システム制御装置Uは、磁場発生信号を生成する。磁場発生信号は、前述したように、磁場発生装置Vが磁場を発生するタイミングを示す信号である。 A system controller U generates a magnetic field generation signal. The magnetic field generation signal is a signal indicating the timing at which the magnetic field generator V generates a magnetic field, as described above.
[磁気測定装置Tの構造]
図2は、本実施形態に係る磁気測定装置Tの構造を示す図である。
磁気測定装置Tは、海底、又は水性若しくは油性の液体で満たされた坑井中で使用される。磁気測定装置Tは、外側容器1、内側容器2、超伝導量子干渉計素子(SQUID素子)搭載基板(以下、SQUID基板という)3、FLL(Flux Locked Loop)回路4、冷却部5、蓄電部6、保持材7、圧力検出部8、及び制御部9を有する。磁気測定装置Tは、超伝導量子干渉計素子(以下、SQUID素子という)31で磁場強度及び磁場強度の変化を測定する装置である。
[Structure of magnetic measurement device T]
FIG. 2 is a diagram showing the structure of the magnetic measurement device T according to this embodiment.
The magnetic measurement device T is used on the seabed or in wellbore filled with aqueous or oily liquids. The magnetic measurement device T includes an
外側容器1は、例えば耐圧性を有する密閉容器である。外側容器1は、外側容器1の内側に載置されたSQUID基板3で外側容器1の外側の磁場強度及び磁場強度の変化を測定するために、外側容器1自体の磁性及び導電性が影響しないことが求められる。そこで、外側容器1は、例えば炭素繊維強化プラスチック製又はセラミック製である。外側容器本体11は、炭素繊維強化プラスチックを含む複合材で製造されていてもよい。外側容器1は、外側容器本体11及び蓋体12を有する。外側容器本体11は、例えば外径130mm、長さ1500mmの円筒状容器である。
The
蓋体12は、外側容器本体11の上方に形成されている開口を覆う部材である。蓋体12には、コネクタ13、及び内部圧力保持装置14が設けられている。コネクタ13は、磁気測定装置Tに電力を供給し、磁気測定装置Tの内外で情報を送受信するためのインターフェースである。コネクタ13には、制御ケーブル15が接続されている。制御ケーブル15には、2本の光ファイバケーブル、24Vの電源線、及び設置線が含まれる。
The
蓋体12、及び外側容器本体11の蓋体12との接合部は、非磁性体の金属で構成され、例えばSUS304ステンレス製である。外側容器本体11と蓋体12との間は、Oリングでシールされている。
The
内部圧力保持装置14は、外側容器1内の圧力が外部の圧力より一定値以上高くなると、内部の圧力を外部に逃がす機能を有する。内部圧力保持装置14は、例えば逆止弁を有する。内部圧力保持装置14には、外側容器1内部から放出される気体を分析する分析機との接続手段が設けられている。
The internal
内側容器2は、外側容器1に収容された容器である。内側容器2は、例えばデュワーであり、内側と外側との間で熱が移動することを抑制する機能を有する。内側容器2は、内側容器本体21及び蓋体22を有する。内側容器本体21は、例えば断熱材が充填された円筒状容器である。蓋体22は、内側容器本体21の上方に形成されている開口を覆う部材である。蓋体22は、液体冷却剤注入管24を有する。液体冷却剤注入管24には、液体冷却剤Lが注入される開口が形成されている。液体冷却剤注入管24にはバルブ241が設けられており、バルブ241を開くことで、蓋体12を取り外した状態で、外側容器本体11の上部開口部から、液体冷却剤Lを内側容器2に注入することができる。液体冷却剤Lは、例えば液体窒素である。
The
なお、液体冷却剤Lは、図2において網点により示されている。図2に示すように、液体冷却剤Lは、内側容器2の内側の空間に収容されている。
It should be noted that the liquid coolant L is indicated by halftone dots in FIG. As shown in FIG. 2, the liquid coolant L is contained in the inner space of the
内側容器2の上方には、穴221が形成されている。穴221は、液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤を外側容器1との間で連通させるための穴である。内側容器2の蓋体22には、液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤を外側容器1内に放出する放出管222が取付けられている。具体的には、放出管222の一端は、内側容器2の蓋体22に形成されている穴221に設けられており、放出管222の他端は、外側容器1の底部付近に位置している。放出管222は、例えば内側容器2の外周に沿って設けられており、液体冷却剤Lが気化した低温の気体冷却剤は、放出管222の一端から他端まで移動することにより内側容器2の外周を冷却した後に、放出管222の他端から放出され、外側容器1の内側において拡散する。
A
内側容器2中には、蓄熱体25、及び液体冷却剤Lが収容されている。液体冷却剤Lは、SQUID素子31を搭載したSQUID基板3のSQUID素子31を冷却する。蓄熱体25は、液体冷却剤Lが発する冷熱を蓄積することにより、液体冷却剤Lの使用量を削減可能にする機能を有する。すなわち、磁気測定装置Tは、内側容器2中に蓄熱体25が収容されることで、内側容器2中に収容される液体冷却剤Lの量を減少させることができる。
A
蓄熱体25の外径は、内側容器2の内径よりも小さい。具体的には、蓄熱体25の外径は、内側容器2の内径よりも、例えば2~10mm程度小さい。蓄熱体25は、SQUID素子31の動作温度領域では実質的に非導電性で、周辺環境の磁場の強度に影響を与えることを防止するため、常磁性又は反磁性、いわゆる非磁性の物質から選択される。なお、実質非導電性とは、測定対象磁場の変動で、測定結果に影響を与えるような電流が蓄熱体25中に励起されないことを意味する。
The outer diameter of the
また、蓄熱体25は、内側容器2に収容されている時、液体冷却剤Lの注入による熱衝撃で破損しない強度が求められる。蓄熱体25に使用される物質として、例えば、イレブンナインの半導体デバイスグレードの単結晶シリコンインゴットをレーザ加工及びアルカリエッチング加工して得られた成形体が例示される。蓄熱体25は、より簡便には、半導体の放熱用に用いられる窒化ホウ素又は酸化アルミニウム等を配合した粘着性シリコーンゴムシートをポリエチレンパイプの周りに巻き回した物体であってもよい。蓄熱体25は、サファイア、又は石英ガラス等であってもよい。
Further, the
蓄熱体25は、収容部251及び穴252を有する。収容部251は、蓄熱体25の上面に設けられている凹形状の部分である。収容部251には、SQUID基板3が収容されている。穴252は、例えば収容部251の底面における少なくとも一部の領域に形成されており、蓄熱体25の底まで貫通し、収容部251の内側と蓄熱体25の外側との間で液体冷却剤Lを連通する。
The
蓄熱体25がこのように穴252を有することで、内側容器2の内側において、例えば蓄熱体25の外側面と内側容器2の内側面との間に収容されている液体冷却剤Lが穴252の内側を通過して蓄熱体25の収容部251の内側に移動したり、蓄熱体25の収容部251の内側に収容されている液体冷却剤Lが蓄熱体25の外側面と内側容器2の内側面との間に移動したりすることが可能になる。
The
この結果、磁気測定装置Tは、内側容器2の内側において、蓄熱体25の収容部251の内側に収容されている液体冷却剤Lの液面の高さと蓄熱体25の外側面と内側容器2の内側面との間に収容されている液体冷却剤Lの液面の高さとの差を生じづらくし、一定の範囲内に維持するようにすることができる。その結果、SQUID基板3が常に液体冷却剤Lに浸漬された状態を維持し易くなる。
As a result, inside the
また、蓄熱体25には、蓄熱体25の高さ方向において、複数の貫通孔が形成されていてもよい。具体的には、複数の貫通孔は、例えば蓄熱体25の上面から下面まで貫通していてもよい。蓄熱体25が、このように蓄熱体25の高さ方向において、複数の貫通孔が形成されていることで、内側容器2の内側において、液体冷却剤Lが蓄熱体25の複数の貫通孔の内側に侵入して、複数の貫通孔の内側に収容されている状態となり得る。この結果、液体冷却剤Lと蓄熱体25との接触面積が増大することで、液体冷却剤Lで蓄熱体25を冷却し易くなり、かつ液体冷却剤Lで冷却された蓄熱体25における温度分布の偏りを生じづらくしたりすることができる。
Moreover, a plurality of through holes may be formed in the
磁気測定装置Tは、外側容器1内の圧力変動に伴い内側容器2内の温度が変動する。蓄熱体25は、その熱容量が大きいことにより蓄冷材としても機能し、温度の変動を緩和するとともに、連続した冷凍機51の停止時間を延ばすことを可能にする。その結果、磁気測定装置Tは、蓄熱体25を有しない磁気測定装置と同量の液体冷却剤Lが用いられる場合であっても、蓄熱体25を有しない磁気測定装置よりも長時間にわたって連続した観測時間を確保することが可能になる。
In the magnetic measurement device T, the temperature inside the
SQUID基板3には、SQUID素子31、温度検出部32、及びコネクタ33が搭載されている。SQUID素子31は、動作時に液体冷却剤Lに浸漬されるように設置されている。
A
温度検出部32は、例えば温度センサ素子を有する。温度検出部32は、SQUID素子31の温度を検出する。コネクタ33は、SQUID素子31及び温度検出部32からの電気信号をSQUID基板3の外部に伝達するためのインターフェースである。コネクタ33は、例えばSQUID基板3の上面に設けられている。コネクタ33は、後述する第3の保持材73の先端に取付けられているコネクタと接続されている。第3の保持材73は、例えばポリアセタール樹脂の丸棒が加工された基板搭載部材である。SQUID基板3は、コネクタ33を介して第3の保持材73の下端に水平に取り付けられた状態で、蓄熱体25の収容部251に挿入されている。
The
FLL回路4は、外部からの磁場を相殺する磁気をSQUID素子31に与えることにより、検出される磁場の強度に対して線形に変化する電流又は電圧に変換する回路である。FLL回路4は、変換後の電流又は電圧を制御部9に対して出力する。
The
FLL回路4は、SQUID基板3で検知された磁場強度を電圧信号に変換する。変換された信号は、制御部9上でA/D変換され、制御部9上のクロック信号によりサンプリング時刻情報と関連付けられた状態で、デジタル情報として制御部9上の記憶部92に記憶される。FLL回路4及び制御部9は、外側容器1内に設置された蓄電部6で駆動される。
The
冷却部5は、液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤を冷却して液化させる。冷却部5は、冷凍機51、モータ52、冷却ヘッド53、放熱ヘッド54、及びヒートパイプ55を有する。冷凍機51は、例えばスターリング冷凍機である。モータ52は、冷凍機51を駆動させる。冷却ヘッド53は内側容器2の内側に位置し、内側容器2の内側の液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤を冷却して液化させる。放熱ヘッド54は、内側容器2の外側、かつ外側容器1の内側に位置し、冷凍機51から排出される熱を排出する。ヒートパイプ55は、冷凍機51の廃熱を輸送して排出する。
The
外側容器1は密閉されているため、内部の圧力は、液体冷却剤Lの気化に伴い上昇する。これに伴って液体冷却剤Lの温度も上昇するため、温度が上昇した状態で放置すれば、やがてSQUID素子31の磁場センサとしての動作が不安定となり、最終的には超伝導状態を維持できない臨界温度に達して磁場の測定が不可能となる。
Since the
このため、磁気測定装置Tは、外側容器1内に配置された圧力検出部8、及びSQUID基板3に配置された温度検出部32で、液体冷却剤Lの温度及び外側容器1内の気圧の少なくとも一方をモニタリングする。圧力検出部8は、例えば圧力センサである。磁気測定装置Tは、一定の温度又は圧力で、外側容器1内に設置された冷凍機51をモータ52で駆動し、内側容器2内の温度を下げる。このときの廃熱は外側容器1内に排出され、最終的に、外側容器1の壁面を介して外部環境に放出される。
For this reason, the magnetic measuring device T detects the temperature of the liquid coolant L and the atmospheric pressure in the
なお、石油・天然ガスの生産井のように、温度が90℃を超える高温の環境下で磁気測定装置Tが使用される場合、冷却部5は、冷却部5以外にペルチェ素子等の第二の冷却手段を有してもよい。この場合、第二の冷却手段は、冷凍機51の廃熱を外側容器1の壁に取付けられたヒートパイプ55で輸送し、外側容器1の外部に排出してもよい。
When the magnetic measuring device T is used in a high-temperature environment exceeding 90° C., such as in oil and natural gas production wells, the
蓄電部6は、磁気測定装置Tを作動する電力を蓄電する。蓄電部6は、第1蓄電部61及び第2蓄電部62を有する。第1蓄電部61は、例えばニッケル水素電池からなるFLL回路4等を駆動する±15Vのアナログ系電源である。第2蓄電部62は、例えば+5Vのデジタル系電源である。各電源、すなわち第1蓄電部61及び第2蓄電部62は、それぞれ制御部9により、図示しない蓄電量計測部で電圧がモニタされ、蓄電部6の電圧が一定値未満になると、冷凍機51の動作と同期して充電が開始される。
The
保持材7は、SQUID基板3、蓄熱体25、及び内側容器2を保持する部材である。保持材7として、第1の保持材71、第2の保持材72、第3の保持材73、第4の保持材74、及び第5の保持材75が設けられている。第1の保持材71は、メラミンフォーム等からなるクッション性の部材からなる。第1の保持材71は、蓄熱体25の外側面と内側容器2の内側面との間に設けられており、液体冷却剤Lが気化する際に生じる振動を吸収する振動吸収材としての機能を有する。
The holding member 7 is a member that holds the SQUID substrate 3 , the
具体的には、第1の保持材71は、蓄熱体25の外側面及び底面を一部又は全部覆っており、内側容器2中に圧接するようにして収容されている。磁気測定装置Tは、このように第1の保持材71が収容されていることで、液体冷却剤Lが内側容器2の内壁面で沸騰する際の泡による衝撃が直接、蓄熱体25に伝わることを防止する。また、第1の保持材71は、内側容器2の底部で発生した泡が上昇する際に液体冷却剤Lが循環し、当該液体冷却剤Lの流れにのることで、SQUID基板3周辺に届くことを抑制するため、振動によるノイズを一層抑制することが可能になる。
Specifically, the first holding
第2の保持材72は、第1の保持材71と同様に、例えばメラミンフォーム等からなるクッション性の部材からなる。第2の保持材72は、SQUID基板3の下方に設けられている。
Like the first holding
第3の保持材73は、前述したように、例えばポリアセタール樹脂の丸棒を加工した基板搭載部材である。第3の保持材73は、内側容器2の蓋体22を貫通して外側容器1の蓋体12に取付けられている。外側容器1の蓋体12を閉めることで、内側容器2に蓋体22をし、外側容器1内の液体冷却剤Lが温められて気化した気体冷却剤が内側容器2内に侵入するのを防止するとともに、SQUID基板3及び内側容器2を外側容器1の底部に圧接する。具体的には、SQUID基板3は、SQUID基板3の下方に設けられている第2の保持材72を介して内側容器2の底部に第3の保持材73で圧接されている。なお、SQUID基板3のコネクタ33からの配線は、第3の保持材73に沿って、外側容器1内のFLL回路4に接続されている。
The third holding
第4の保持材74は、例えば円筒形状であるが、第4の保持材74の形状は任意である。第4の保持材74は、内側容器2の下部付近において、内側容器2の外側面と外側容器1の内側面との間、及び内側容器2の底面と外側容器1の底面との間に設けられている。第5の保持材75は、例えば円筒形状であるが、第5の保持材75の形状は任意である。第5の保持材75は、内側容器2の上部付近において、内側容器2の外側面と外側容器1の内側面との間に設けられている。
The fourth holding
外側容器1の内側には、酸素吸収剤及び脱水剤(吸水剤)の少なくとも一方が収容されていてもよい。酸素吸収剤及び脱水剤(吸水剤)の少なくとも一方は、例えば、内側容器2の底面と外側容器1の底面とで形成される空間に載置されていてもよいが、これに限定されず、外側容器1の内側であれば任意の位置でもよい。
At least one of an oxygen absorbent and a dehydrating agent (water absorbing agent) may be accommodated inside the
外側容器1の内側に、酸素吸収剤が収容されていることで、外側容器1の内側における酸素の量を減少させることができ、油ガス井内で、外側容器1が破損した場合、容器内の酸素による、油ガス井内の炭化水素の燃焼を防止することができる。また、外側容器1の内側に、脱水剤が収容されていることで、外側容器1の内側における水の量を減少させることができる。これらの結果、外側容器1の内側での結露に伴う絶縁不良を防止するとともに、冷却ヘッド53表面への霜の付着による冷却効率低下を防止する。
Since the oxygen absorbent is contained inside the
制御部9は、例えばCPU(Central Processing Unit)であり、記憶部92に記憶されたプログラムを実行する。制御部9は、測定部91、記憶部92、及び冷凍機スイッチ93を有する。測定部91は、SQUID素子31が検出した磁気を測定する機能を有する。具体的には、測定部91は、磁場発生信号に基づいて、SQUID素子31が検出した磁気を測定する。磁場発生信号は、磁場発生装置Vが磁場を発生するタイミングを示す信号である。
The control unit 9 is, for example, a CPU (Central Processing Unit) and executes programs stored in the storage unit 92 . The control unit 9 has a measuring
記憶部92は、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を含んでいる。記憶部92は、制御部9が実行するプログラムを記憶している。記憶部92は、例えば、測定部91が測定した測定結果を記憶する。冷凍機スイッチ93は、冷却部5のモータ52を作動させるスイッチである。
The storage unit 92 includes ROM (Read Only Memory) and RAM (Random Access Memory). The storage unit 92 stores programs executed by the control unit 9 . The storage unit 92 stores, for example, measurement results measured by the
制御部9は、後述するように、測定部91が磁気を測定するタイミングに基づいて冷却部5を作動させる。具体的には、制御部9は、温度検出部32で検出された温度が所定の温度以上であり、かつ測定部91が磁気を測定するタイミングでない場合に冷却部5を作動させる。より具体的には、制御部9は、磁気を発生させる磁場発生装置Vから受信した、磁場発生装置Vが磁気を発生させるタイミングを示す間欠的な磁場発生信号に基づいて、測定部91が磁気を測定するタイミングを特定し、特定したタイミングに基づいて冷却部5を間欠的に作動させる。
The control unit 9 operates the
制御部9は、測定部91で測定された磁束密度情報を記憶部92に一時記憶し、制御ケーブル15に含まれる光ファイバを介して、後述する地上のシステム制御装置Uに送信する。また、制御部9は、制御ケーブル15に含まれる光ファイバを経由してシステム制御装置Uから制御情報を受信するとともに、蓄電部6の電圧管理、及び内側容器2内の温度制御を行う。
The control unit 9 temporarily stores the magnetic flux density information measured by the
制御部9は、FLL回路4が検出した磁気の強度に対応する電圧をA/D変換し、サンプリング時刻とともに記憶部92に一時的に蓄積する。制御部9は、冷凍機51の運転可能期間中、記憶部92中に記憶された磁場強度情報を、サンプリング時刻と符合可能なデータとして制御ケーブル15に含まれる光ファイバでシステム制御装置Uに送信する。
The control unit 9 A/D-converts the voltage corresponding to the intensity of the magnetism detected by the
制御部9は、内側容器2内の温度を適切にコントロールする。制御部9は、温度検出部32が検出した温度に基づいて作動する。制御部9は、磁場発生信号に基づいて、測定部91が磁気を測定しないタイミングで冷却部5を作動させる。
The controller 9 appropriately controls the temperature inside the
内側容器2、液体冷却剤L、蓄熱体25、及び固定部(例えば、SQUID基板3のコネクタ33、又は保持材7等)は、SQUID素子31を冷却する冷却装置を構成する。当該固定部は、動作時に液体冷却剤Lに浸漬されるようにSQUID素子31を固定する部材である。
The
[制御部9の冷却制御]
図3は、制御部9の冷却制御フローを示す図である。
制御部9は、温度検出部32でSQUID素子31の温度を計測する(S11)。次に、制御部9は、温度検出部32で検出された温度が所定の閾値以上であるか否かを判定する(S12)。
[Cooling control of controller 9]
FIG. 3 is a diagram showing the cooling control flow of the controller 9. As shown in FIG.
The controller 9 measures the temperature of the
制御部9は、温度検出部32で計測されたSQUID素子31の温度が所定の閾値(例えば、77K)以上であると判定した場合(S12においてYES)、制御部9は、制御ケーブル15に含まれる光ファイバを介して、磁気測定装置Tの外部(例えばシステム制御装置U)から送信される磁場発生信号を受信する(S13)。制御部9は、受信した磁場発生信号に基づいて磁場発生部V1の通電状態が終了して一定時間が経過したか否かを判定する(S14)。制御部9は、温度検出部32で計測されたSQUID素子31の温度が所定の閾値以上ではないと判定した場合(S12においてNO)、S11に戻る。
When the control unit 9 determines that the temperature of the
制御部9は、磁場発生部V1の通電状態が終了して一定時間経過したと判定した場合(S14においてYES)、冷凍機動作可能モードに移行し(S15)、冷凍機51を駆動するモータ52を作動させ、内側容器2の内側の冷却を開始する(S16)。制御部9は、磁場発生部V1の通電状態が終了して一定時間経過していないと判定した場合(S14においてNO)、S11に戻る。
When the control unit 9 determines that a certain period of time has passed since the energization of the magnetic field generation unit V1 ended (YES in S14), the control unit 9 shifts to the refrigerator operable mode (S15), and the
この結果、内側容器2の内側に設けられている冷却ヘッド53の温度が下がり、内側容器2内の液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤が冷却ヘッド53上で液化する。液化した液体冷却剤Lは、蓄熱体25又は蓄熱体25に収容された液体冷却剤Lの液面に滴下する。外側容器1内の液体冷却剤Lが気化した気体冷却剤は、放出管222を介して内側容器2内に移動する。この結果、外側容器1内の圧力が減少する。
As a result, the temperature of the cooling
制御部9は、予告信号を受信したか否かを判定する(S17)。予告信号は、磁場発生部V1の通電状態の終了の所定時間前であることを示す信号である。制御部9は、予告信号を受信したと判定した場合(S17においてYES)、制御部9は、冷凍機動作可能モードをオフにし(S18)、モータ52を停止させる(S19)。具体的には、制御部9は、冷凍機動作可能モードを、磁場発生部V1の通電時間の終了の所定時間前に終了させる。所定時間は、例えば2秒である。制御部9は、冷凍機動作可能モードの終了時点で、モータ52を、冷凍機51のピストンが吸熱側の位置になるように停止させる。この結果、磁気測定装置Tは、モータノイズ及び振動が磁場強度の測定に影響することを防止する。また、制御部9は、予告信号を受信していないと判定した場合(S17においてNO)、S15に戻る。
The control unit 9 determines whether or not an advance notice signal has been received (S17). The notice signal is a signal indicating that it is a predetermined time before the termination of the energized state of the magnetic field generator V1. When the control unit 9 determines that the warning signal has been received (YES in S17), the control unit 9 turns off the refrigerator operable mode (S18) and stops the motor 52 (S19). Specifically, the controller 9 ends the refrigerator operable mode a predetermined time before the end of the energization time of the magnetic field generator V1. The predetermined time is, for example, 2 seconds. At the end of the refrigerator operable mode, the control unit 9 stops the
[制御部9の蓄電制御]
図4は、制御部9の蓄電制御フローを示す図である。
制御部9は、蓄電量計測部で計測された蓄電量が所定の第1下限値未満であり、かつ測定部91が磁気を測定しないタイミングで蓄電部6に蓄電させる。
[Power storage control of control unit 9]
FIG. 4 is a diagram showing a power storage control flow of the control unit 9. As shown in FIG.
The control unit 9 causes the
具体的には、制御部9は、蓄電力計測部で蓄電部6の蓄電量を計測する(S21)。次に、制御部9は、蓄電量計測部で計測された第1蓄電部61及び第2蓄電部62の電圧が第1下限値(例えば±13.3V及び4.81V)未満であるか否かを判定する(S22)。制御部9は、第1蓄電部61及び第2蓄電部62の電圧が第1下限値未満になると(S22においてYES)、第2蓄電部62の蓄電量が第2下限値(例えば4.75V)未満であるか否かを判定する(S23)。第2下限値は、第1下限値よりも小さい値である。
Specifically, the control unit 9 measures the amount of electricity stored in the
制御部9は、第2蓄電部62の蓄電量が第2下限値未満ではないと判定すると(S23においてNO)、冷凍機動作可能モードがオンであるか否かを判定する(S24)。制御部9は、冷凍機動作可能モードがオンであると判定すると(S24においてYES)、冷凍機動作可能モードがオンの下で、第1蓄電部61及び第2蓄電部62に蓄電する(S25)。具体的には、制御部9は、各電圧のスイッチング電源を、システム制御装置Uから供給される24V電源に、有接点リレーにより接続する。制御部9は、第1蓄電部61及び第2蓄電部62それぞれの上限値(例えば±15.0V及び5.5V)に達しない限り、冷凍機動作可能モードがオンの下で第1蓄電部61及び第2蓄電部62に充電する。
When control unit 9 determines that the amount of electricity stored in second
磁気探査システムSにおいては、磁場発生部V1の通電を終了した後に磁気測定装置Tが測定した磁場データを磁場変化測定結果として用いる。磁気測定装置Tが、磁場発生部V1の通電状態が終了して一定時間経過した後に冷凍機動作可能モードに移行して、冷却又は蓄電の動作を実行する。その結果、磁気データとして重要な磁場発生部V1の電流遮断時以降のデータに、冷凍機51、モータ52、及び蓄電部6による電源ノイズが含まれることが防止されるので、磁場変化測定結果の精度が向上する。
In the magnetic exploration system S, the magnetic field data measured by the magnetic measurement device T after the magnetic field generator V1 is energized is used as the magnetic field change measurement result. The magnetism measuring device T shifts to the refrigerator operable mode after a certain period of time has elapsed since the energization state of the magnetic field generator V1 is terminated, and performs the cooling or power storage operation. As a result, it is possible to prevent power source noise from the
なお、制御部9は、蓄電量計測部で計測された第2蓄電部62の蓄電量が第1下限値よりも小さい第2下限値未満である場合は(S23においてYES)、測定部91が磁気を測定するタイミングであっても第2蓄電部62に蓄電させる。
When the amount of electricity stored in second
具体的には、制御部9は、第2蓄電部62の電圧が、第2下限値未満の場合は(S23においてYES)、制御部9は、冷凍機動作可能モードがオフであっても、第2蓄電部62に充電を開始する(S26)。この結果、磁気測定装置Tは、電源遮断により、制御が不能となることを防止する。
Specifically, when the voltage of second
[本実施形態に係る磁気測定装置Tによる効果]
本実施形態に係る磁気測定装置Tは、内側と外側との間で熱が移動することを抑制する内側容器2と、内側容器2に収容された超伝導量子干渉計素子31と、超伝導量子干渉計素子31を冷却する液体冷却剤Lと、液体冷却剤Lが発する冷熱を蓄積する蓄熱体25と、超伝導量子干渉計素子31が検出した磁気を測定する測定部91と、を有し、超伝導量子干渉計素子31は、液体冷却剤Lを介して蓄熱体25に接している。液体冷却剤Lは、内側容器2外から流入する熱で気化し、外側容器1内部の圧力を上昇させ、これに伴い、液体冷却剤Lの温度も上昇する。この場合にも蓄熱体25の体積は実質的には変化せず、かつ蓄熱体25の体積当たりの熱容量が、液体冷却剤Lの体積当たりの熱容量より大きいため、液体冷却剤Lの温度の上昇が緩和される。
[Effects of the magnetic measurement device T according to this embodiment]
The magnetic measurement device T according to this embodiment includes an
また、蓄熱体25が内側容器2内部の大きな体積を占めることで、超伝導量子干渉計素子31を浸漬するために必要な液体冷却剤Lの体積を減少させることができる。本実施形態に係る磁気測定装置Tは、このように蓄熱体25を有することで、内側容器2内部の単位体積当たりの液体冷却剤Lの量を減少させることができる。よって、磁気測定装置Tは、事故等で、内側容器2が破損した場合の液体冷却剤Lの急激な体積膨張が生じづらくなり、外側容器1内の圧力上昇を抑えることが設計上容易となる。
In addition, since the
また、本実施形態に係る磁気測定装置Tを坑井内で使用し、坑口近傍の坑井内圧力が低い地点で外側容器1が破損し、爆発的に気化した液体冷却剤Lが坑井内に放出されても、液体冷却剤Lの絶対量が少ないことから、ウェルヘッドの破損などの重大な事故を招く恐れが減少する。また、気化した液体冷却剤Lが密閉容器中に放出される本実施形態のようなケースでは、冷凍機51の運転時間を延ばすことで液体冷却剤Lの温度を低く制御することが可能であり、これにより超電導量子干渉計素子31の感度を向上させることができる。超電導量子干渉計素子31の特性が劣化した場合、動作温度を下げることで応急的に運用することが可能になるが、液体冷却剤Lの気化熱と、蓄熱体25の熱容量を併用する本実施形態では、圧力の上昇をより長時間、許容範囲内に維持することが可能になる。
Further, when the magnetic measuring device T according to the present embodiment is used in a well, the
[磁気探査システムSの構造]
磁気探査システムSの詳細について説明する。
前述したように、磁気探査システムSは、磁場発生装置V、磁気測定装置T、及びシステム制御装置Uを有する。磁場発生装置Vは、磁場発生部V1及び給電部V2を有する。磁場発生部V1は、システム制御装置Uが発生する磁場発生信号に基づいて磁場を発生する。給電部V2は、磁場発生部V1に電圧を印加する。
[Structure of magnetic exploration system S]
Details of the magnetic exploration system S will be described.
As described above, the magnetic exploration system S has the magnetic field generator V, the magnetic measurement device T, and the system controller U. The magnetic field generator V has a magnetic field generator V1 and a power feeder V2. The magnetic field generator V1 generates a magnetic field based on a magnetic field generation signal generated by the system controller U. FIG. The power supply unit V2 applies a voltage to the magnetic field generation unit V1.
磁場発生装置Vは、磁場発生信号に同期して磁場発生部V1に通電する通電期間と、磁場発生部V1に通電しない非通電期間とを切り替える。磁場発生部V1は、方形波電流を通電することで、環境中に方形波電流に対応する1次磁場を生成する被覆電線を有する。磁場発生部V1は、ケーブルV11及び電極V12を有する。磁場発生部V1は、海底に略直線状に配置されたケーブルV11と、ケーブルV11の両端部又は一方の端部に配置された電極V12とを有する、いわゆるラインソースと呼ばれる形態のものである。ケーブルV11は、海底に設置された、例えば長さ2km程度のケーブルである。電極V12は、例えば亜鉛メッキ鋼板からなる。 The magnetic field generator V switches between an energized period in which the magnetic field generator V1 is energized and a non-energized period in which the magnetic field generator V1 is not energized in synchronization with the magnetic field generation signal. The magnetic field generator V1 has a covered electric wire that generates a primary magnetic field corresponding to the square wave current in the environment by applying a square wave current. The magnetic field generator V1 has a cable V11 and electrodes V12. The magnetic field generator V1 has a form called a line source, which has a cable V11 arranged substantially linearly on the seabed and electrodes V12 arranged at both ends or one end of the cable V11. The cable V11 is, for example, a cable with a length of about 2 km installed on the seabed. The electrode V12 is made of, for example, a galvanized steel plate.
ケーブルV11のいずれかの場所に設けられた給電点である電極V12は、正負方向の振幅を有する方形波電流を供給し、電極V12は海中及び海底下に放電する。方形波電流は、給電点である電極V12近傍に設けられたスイッチ装置V22が、電源装置である直流電源V21から供給される直流を切替えることで発生する。 An electrode V12, which is a feeding point provided somewhere on the cable V11, supplies a square-wave current having positive and negative amplitudes, and the electrode V12 discharges into the sea and under the seabed. A square-wave current is generated by switching a direct current supplied from a direct current power source V21, which is a power supply device, by a switch device V22 provided near the electrode V12, which is a feeding point.
給電部V2は、任意のインターバル(例えば10秒)で、正方向-休止-負方向-休止の順で、矩形波状の電圧を繰り返し磁場発生部V1に印加する。給電部V2は、磁場発生部V1に流れる電流が1~1000[A]、好ましくは、40~400[A]程度になるように電圧を印加する。 The power supply unit V2 repeatedly applies a rectangular wave voltage to the magnetic field generator V1 in the order of positive direction-pause-negative direction-pause at arbitrary intervals (for example, 10 seconds). The power supply unit V2 applies a voltage so that the current flowing through the magnetic field generation unit V1 is 1 to 1000 [A], preferably about 40 to 400 [A].
給電部V2は、直流電源V21及びスイッチ装置V22を有する。直流電源V21は、陸上又は海上に設置されている。直流電源V21は、必要な強度の磁場を生成するための直流電流を供給する機能を有し、例えば50又は60Hzの3相の交流発電機及びインバータ、並びにこれらに付随する安全装置及び制御装置を有する。 The power supply unit V2 has a DC power supply V21 and a switch device V22. The DC power supply V21 is installed on land or at sea. The DC power supply V21 has the function of supplying a DC current to generate a magnetic field of the required strength, and includes, for example, a 50 or 60 Hz three-phase AC generator and inverter, and their attendant safety devices and control devices. have.
スイッチ装置V22は、直流電源V21から正負両方向に振れる方形波電流を生成する。スイッチ装置V22は、システム制御装置Uからの磁場発生信号(制御信号)に基づいて直流電源V21からの直流電流を切り替えることにより方形波電流を生成する。 The switch device V22 generates a square wave current swinging in both positive and negative directions from the DC power supply V21. The switch device V22 switches the DC current from the DC power supply V21 based on the magnetic field generation signal (control signal) from the system controller U to generate a square wave current.
スイッチ装置V22は、スイッチ手段(遮断手段)、サージ吸収手段(サージアブゾーバ)、安全装置、及びスイッチ装置制御手段を有する。スイッチ手段は、リレー、SSR(Solid State Relay)、その他の既存のスイッチング素子である。スイッチ手段は、数kmにも及ぶ電線に流れる30~400[A]の電流を1ミリ秒程度のトランジェントタイムで遮断するため、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が特に好適である。スイッチ装置V22は、遮断、遮断時のトランジェントタイム1ミリ秒程度の正・負方向の矩形波を生成する。 The switching device V22 has switching means (interrupting means), surge absorbing means (surge absorber), safety device, and switching device control means. Switch means are relays, SSRs (Solid State Relays), and other existing switching elements. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is particularly suitable for the switching means because it cuts off a current of 30 to 400 [A] flowing through an electric wire extending several kilometers in a transient time of about 1 millisecond. The switching device V22 generates square waves in the positive and negative directions with a transient time of about 1 millisecond at the time of interruption.
なお、通電、遮断タイミング、及び正負方向の情報は、受信信号の解析のため、GPS(Global Positioning System)時計、又はその他の同期手段による刻時信号をつけて、保存される。 Information on the energization/cutoff timing and the positive/negative direction is stored with a clock signal by a GPS (Global Positioning System) clock or other synchronizing means for analysis of the received signal.
スイッチ装置V22は、給電点である電極V12近傍に設けられており、直流電源V21から供給される直流を切替えることで方形波電流を発生させる。スイッチ装置V22は、システム制御装置Uで生成される磁場発生信号(切替タイミング信号)に基づいて直流を切替える。その結果、電流の向きが正方向-オフ-負方向-オフの順で繰り返され、正方向及び負方向にオンとなってから8秒後に、予告信号(すなわち、オン状態終了所定時間前の信号)が磁気測定装置Tの制御部9に送信される。 The switch device V22 is provided in the vicinity of the electrode V12, which is a feeding point, and generates a square wave current by switching the direct current supplied from the direct current power source V21. The switching device V22 switches the direct current based on a magnetic field generation signal (switching timing signal) generated by the system control device U. FIG. As a result, the direction of the current is repeated in the order of positive direction - off - negative direction - off, and 8 seconds after turning on in the positive and negative directions, an advance notice signal (that is, a signal a predetermined time before the end of the on state) ) is sent to the control unit 9 of the magnetism measuring device T. FIG.
このときの電流値は10~1000[A]であり、通常は30~400[A]である。また、オン→オフのトランジェントタイムは10ミリ秒以下であり、1ミリ秒以下であることが好ましい。 The current value at this time is 10 to 1000 [A], usually 30 to 400 [A]. Also, the ON→OFF transient time is 10 milliseconds or less, preferably 1 millisecond or less.
本構成の場合、正負いずれもオン状態では、振幅の1%程度のリプル電流が発生することが避けられない。そこで、方形波を使用する所謂タイムドメインによる解析手法では、オン→オフのタイミング以降の二次磁場を解析対象とする。このようにすることで、磁気測定においてリプル電流の影響を排除することが可能になる。 In the case of this configuration, it is inevitable that a ripple current of about 1% of the amplitude is generated when both positive and negative are in the ON state. Therefore, in a so-called time domain analysis method using a square wave, the secondary magnetic field after the ON→OFF timing is analyzed. By doing so, it becomes possible to eliminate the influence of the ripple current in the magnetic measurement.
図5は、システム制御装置Uの制御フローを示す図である。図6は、制御信号の一例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the control flow of the system control device U. As shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing an example of a control signal.
システム制御装置Uは、スイッチ装置V22に、磁場発生信号(切り替え信号)を送信する(S31)。次に、システム制御装置Uは、スイッチ装置V22が磁場発生部V1に流す電流をオフにする所定時間前であるか否かを判定する(S32)。 The system control device U transmits a magnetic field generation signal (switching signal) to the switching device V22 (S31). Next, the system control device U determines whether or not it is a predetermined time before the switch device V22 turns off the current flowing to the magnetic field generator V1 (S32).
システム制御装置Uは、スイッチ装置V22が磁場発生部V1に流す電流をオフにする所定時間前であると判定した場合(S32においてYES)、磁場発生装置Vが通電期間から非通電期間に切り替わるタイミングを予告する予告信号(磁場発生部V1に流す電流をオフにする所定時間前であることを示す信号)を生成する。そして、システム制御装置Uは、磁気測定装置Tの制御部9に当該予告信号を送信する(S33)。前述したように、磁気測定装置Tの制御部9は、当該予告信号に基づいて冷却部5の作動を停止させる(図3におけるS17~S19)。また、システム制御装置Uは、スイッチ装置V22が磁場発生部V1に流す電流をオフにする所定時間前ではないと判定した場合(S32においてNO)、S31に戻る。
When the system control device U determines that it is a predetermined time before the switch device V22 turns off the current flowing through the magnetic field generator V1 (YES in S32), the timing at which the magnetic field generator V switches from the energized period to the non-energized period. is generated (a signal indicating that it is a predetermined time before turning off the current flowing through the magnetic field generator V1). Then, the system control device U transmits the notice signal to the control section 9 of the magnetism measuring device T (S33). As described above, the control section 9 of the magnetism measuring device T stops the operation of the
また、システム制御装置Uは、磁気測定装置Tの制御部9の時刻信号を必要な精度で校正し、さらに、磁気測定装置Tの異常動作時には、リセット線をアクティブにすることで、磁気測定装置Tの制御部9を初期状態に戻し、必要に応じて、第2蓄電部62を強制的に充電させることが可能である。
以上、略直線状のケーブルV11に矩形波状の電流を流す磁場発生装置Vについて説明したが、例えば、略直線状のケーブルV11に代えてループコイルを使用したり、矩形波に代えて周波数SWEEP波形を使用したりするなど適宜、変更・組み合わせをすることができる。
In addition, the system control device U calibrates the time signal of the control unit 9 of the magnetic measurement device T with required accuracy, and activates the reset line when the magnetic measurement device T malfunctions, so that the magnetic measurement device It is possible to return the control unit 9 of T to the initial state and forcibly charge the second
In the above, the magnetic field generator V that causes a rectangular wave current to flow through the substantially linear cable V11 has been described. can be changed and combined as appropriate, such as using
<変形例>
図7は、蓄熱体25の変形例を示す図である。図7(a)は、蓄熱体25aの高さ方向における断面図である。図7(b)は、蓄熱体25aを上方から見た構造を示す図である。
<Modification>
FIG. 7 is a diagram showing a modification of the
磁気測定装置Taは、XYZの3方向分のSQUID素子搭載基板3aが設けられており、蓄熱体25aが2分割されて構成されている点で本実施形態に係る磁気測定装置Tと比べて異なる。
The magnetic measuring device Ta is different from the magnetic measuring device T according to the present embodiment in that the SQUID
蓄熱体25aは、蓄熱体25の変形例である。蓄熱体25aは、第1蓄熱体253a、及び第2蓄熱体254aを有する。蓄熱体25aは、第1蓄熱体253a及び第2蓄熱体254aが結合することで形成される。第2蓄熱体254aは、蓄熱体25aの収容部251の下方において、第1蓄熱体253aと結合する。
The
蓄熱体25aが縦方向に略中央部で2分割されて形成されていることで、3軸実装の複雑な凹凸のある形状の超伝導量子干渉計素子(SQUID素子)31aでも、蓄熱体25aの収容部251に収容が可能で、蓄熱体25aの成形も容易になる。
Since the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist thereof. be. For example, specific embodiments of device distribution/integration are not limited to the above-described embodiments. can be done. In addition, new embodiments resulting from arbitrary combinations of multiple embodiments are also included in the embodiments of the present invention. The effect of the new embodiment caused by the combination has the effect of the original embodiment.
S・・・磁気探査システム
T、Ta・・・磁気測定装置
1・・・外側容器
11・・・外側容器本体
12・・・蓋体
13・・・コネクタ
14・・・内部圧力保持装置
15・・・制御ケーブル
2・・・内側容器
21・・・内側容器本体
22・・・蓋体
221・・・穴
222・・・放出管
24・・・液体冷却剤注入管
241・・・バルブ
25、25a・・・蓄熱体
251・・・収容部
252・・・穴
253a・・・第1蓄熱体
254a・・・第2蓄熱体
3、3a・・・超伝導量子干渉計素子(SQUID素子)搭載基板(SQUID基板)
31、31a・・・超伝導量子干渉計素子(SQUID素子)
32・・・温度検出部
33・・・コネクタ
4・・・FLL回路
5・・・冷却部
51・・・冷凍機
52・・・モータ
53・・・冷却ヘッド
54・・・放熱ヘッド
55・・・ヒートパイプ
6・・・蓄電部
61・・・第1蓄電部
62・・・第2蓄電部
7・・・保持材
71・・・振動吸収材(第1の保持材)
72・・・第2の保持材
73・・・第3の保持材
74・・・第4の保持材
75・・・第5の保持材
8・・・圧力検出部
9・・・制御部
91・・・測定部
92・・・記憶部
93・・・冷凍機スイッチ
U・・・システム制御装置
V・・・磁場発生装置
V1・・・磁場発生部
V11・・・ケーブル
V12・・・電極
V2・・・給電部
V21・・・直流電源
V22・・・スイッチ装置
L・・・液体冷却剤
S... Magnetic exploration system T, Ta...
31, 31a ... superconducting quantum interferometer element (SQUID element)
32...
72
Claims (10)
前記内側容器に収容された超伝導量子干渉計素子と、
前記超伝導量子干渉計素子を冷却する液体冷却剤と、
前記液体冷却剤が発する冷熱を蓄積する蓄熱体と、
前記超伝導量子干渉計素子が検出した磁気を測定する測定部と、
を有し、
前記超伝導量子干渉計素子は、動作時に前記液体冷却剤に浸漬されるように設置されており、
前記蓄熱体は、凹形状の収容部を有し、
前記超伝導量子干渉計素子は、前記収容部に収容されていることを特徴とする磁気測定装置。 an inner container that suppresses heat transfer between the inside and the outside;
a superconducting quantum interferometer element housed in the inner container;
a liquid coolant for cooling the superconducting quantum interferometer element;
a heat storage body for accumulating cold heat generated by the liquid coolant;
a measurement unit that measures the magnetism detected by the superconducting quantum interferometer element;
has
wherein the superconducting quantum interferometer element is positioned so as to be immersed in the liquid coolant during operation ;
The heat storage body has a concave accommodation portion,
A magnetic measurement apparatus , wherein the superconducting quantum interferometer element is housed in the housing section .
請求項1に記載の磁気測定装置。 characterized in that a hole penetrating the heat storage element is formed in the bottom of the housing part,
A magnetic measurement device according to claim 1 .
第1蓄熱体と、
前記収容部の下方において前記第1蓄熱体と結合する第2蓄熱体と、
を有することを特徴とする、
請求項1又は2に記載の磁気測定装置。 The heat storage element is
a first heat storage element;
a second heat storage element coupled to the first heat storage element below the housing;
characterized by having
3. The magnetic measuring device according to claim 1 or 2 .
前記蓄熱体は、シリコン又は石英ガラスを含むことを特徴とする、
請求項1から3のいずれか一項に記載の磁気測定装置。 the liquid coolant is liquid nitrogen;
The heat storage body is characterized by containing silicon or quartz glass,
The magnetic measuring device according to any one of claims 1 to 3 .
前記測定部が磁気を測定するタイミングに基づいて前記冷却部を作動させる制御部と、
をさらに有することを特徴とする、
請求項1から4のいずれか一項に記載の磁気測定装置。 a cooling unit that cools and liquefies the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant;
a control unit that operates the cooling unit based on the timing at which the measurement unit measures magnetism;
characterized by further comprising
A magnetic measurement device according to any one of claims 1 to 4 .
前記制御部は、前記温度検出部で検出された温度が所定の温度以上であり、かつ前記測定部が磁気を測定するタイミングでない場合に前記冷却部を作動させることを特徴とする、
請求項5に記載の磁気測定装置。 further comprising a temperature detection unit that detects the temperature of the superconducting quantum interferometer element,
The control unit operates the cooling unit when the temperature detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature and the measurement unit is not timing to measure magnetism,
The magnetic measuring device according to claim 5 .
請求項5又は6に記載の磁気測定装置。 The control unit specifies the timing at which the measurement unit measures magnetism based on an intermittent magnetic field generation signal indicating the timing at which the magnetic field generation device generates magnetism, received from the magnetic field generation device that generates magnetism. , characterized by intermittently operating the cooling unit based on the specified timing,
The magnetic measuring device according to claim 5 or 6 .
前記内側容器には、前記液体冷却剤が気化した気体冷却剤を前記外側容器との間で連通させるための穴が形成されていることを特徴とする、
請求項1から7のいずれか一項に記載の磁気測定装置。 further comprising an outer container that houses the inner container;
The inner container is formed with a hole for communicating the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant with the outer container,
A magnetic measurement device according to any one of claims 1 to 7 .
請求項1から8のいずれか一項に記載の磁気測定装置。 A vibration absorbing material is provided between the outer surface of the heat storage body and the inner surface of the inner container, and absorbs vibration generated when the liquid coolant is vaporized.
A magnetic measurement device according to any one of claims 1 to 8 .
前記システム制御装置は、前記磁場発生装置が磁場を発生するタイミングを示す磁場発生信号を生成し、
前記磁場発生装置は、前記磁場発生信号に基づいて磁場を発生する磁場発生部を有し、
前記磁気測定装置は、
内側と外側との間で熱が移動することを抑制する内側容器と、
前記内側容器に収容された超伝導量子干渉計素子と、
前記超伝導量子干渉計素子を冷却する液体冷却剤と、
前記液体冷却剤が発する冷熱を蓄積する蓄熱体と、
前記磁場発生信号に基づいて、前記超伝導量子干渉計素子が検出した磁気を測定する測定部と、
前記液体冷却剤が気化した気体冷却剤を冷却して液化させる冷却部と、
前記磁場発生信号に基づいて、前記測定部が磁気を測定しないタイミングで前記冷却部を作動させる制御部と、
前記磁気測定装置を作動する電力を蓄電する蓄電部と、
前記蓄電部の蓄電量を計測する蓄電量計測部と、
を有し、
前記超伝導量子干渉計素子は、動作時に前記液体冷却剤に浸漬されるように設置されており、
前記制御部は、前記蓄電量計測部で計測された蓄電量が所定の第1下限値未満であり、かつ前記測定部が磁気を測定しないタイミングで前記蓄電部に蓄電させることを特徴とする磁気探査システム。 A magnetic exploration system comprising a magnetic field generation device that generates a magnetic field, a magnetic measurement device that measures the magnetic field generated by the magnetic field generation device, and a system control device that controls the magnetic field generation device and the magnetic measurement device,
The system control device generates a magnetic field generation signal indicating the timing at which the magnetic field generation device generates a magnetic field,
The magnetic field generator has a magnetic field generator that generates a magnetic field based on the magnetic field generation signal,
The magnetic measurement device is
an inner container that suppresses heat transfer between the inside and the outside;
a superconducting quantum interferometer element housed in the inner container;
a liquid coolant for cooling the superconducting quantum interferometer element;
a heat storage body for accumulating cold heat generated by the liquid coolant;
a measurement unit that measures the magnetism detected by the superconducting quantum interferometer element based on the magnetic field generation signal;
a cooling unit that cools and liquefies the gaseous coolant obtained by vaporizing the liquid coolant;
a control unit that operates the cooling unit at a timing at which the measurement unit does not measure magnetism based on the magnetic field generation signal;
a power storage unit that stores power for operating the magnetic measurement device;
a power storage amount measuring unit that measures the power storage amount of the power storage unit;
has
wherein the superconducting quantum interferometer element is positioned so as to be immersed in the liquid coolant during operation ;
The control unit causes the power storage unit to store power at a timing when the power storage amount measured by the power storage amount measuring unit is less than a predetermined first lower limit and the measurement unit does not measure magnetism . magnetic survey system.
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