JPH04194765A - Ｓｑｕｉｄセンサーの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、心磁計、脳波計等の医療機器、また地磁気観
測、地震予知、地質探査、資源探査等を目的とした計測
機器等、微弱磁界計測用センサーとして使用される５Ｑ
ＵＩＤセンサーの冷却方法に関するものである。

［従来の技術］ 超電導量子干渉素子（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ
　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｅｖ
ｉｃｅ以下ＳＱＵ　Ｉ　Ｄと言う）のことを５ＱＵＩＤ
と言い、近時、この超電導効果を利用したセンサーとし
て用いられている。これは絶縁物を超電導体で挟んだジ
ョセフソン接合を超電導リングの一部に入れたしのであ
る。これにピックアップコイルと入力コイルを接続し、
高周波を印加し、ピックアップコイルにかかる外部磁界
に対して電圧変化を発生するように構成して磁界を測定
するものである。

５ＱＵＩＤは非常に感度が高く、現在用いられているセ
ンサーの分解能は１Ｏ−１４Ｔであり、１ｏ−１，３〜
１０”　Ｔの微弱な生体磁気（因みに地磁気は１Ｏ−５
Ｔ）さえ測定出来る。心臓や脳の磁界の測定では、僅か
な磁界の変化でも雑音が大きくなり、安定した測定を行
うためには磁気シールドルームが必要となる。

第９図は従来の５ＱＵＩＤセンサーの説明図である。

５ＱＵＩＤセンサーｌＯは、図示する如く、通常、被検
体が発生する磁束を検出するための検出コイル１０ｃと
、検出された磁束をジョセフソン素子に伝達させるため
の入力コイル１０ｂ１及びＳＱＵ　Ｉ　Ｄ素子１０ａの
三部分より構成される。

第９図は従来の５ＱＵＩＤセンサーの冷却方法を示すも
のである。

（後藤俊成著「超電導の基礎・応用・実験技術」Ｓ６４
．ｌ、１０発行■アイビーシーＰ１７４）第９図の５Ｑ
ＵＩＤセンサーｌＯは、寒剤５として液体Ｈｅを用い、
その中に浸漬冷却されている。その目的は、５ＱＵＩＤ
センサーｌＯを超電導転移温度以下の温度に保冷し、ジ
ョセフソン素子としての動作を確実に行わせるためにあ
る。

寒剤容器７は、真空容器１１、放射シールド９等で保冷
する。図中２０は被検体である。

この方法は、外部からの侵入熱による温度上昇を液体ヘ
リウムの蒸発により防いでいる。寒剤容器７と真空容器
１１との間に液体窒素の層を設け、放射シールドとして
用いる例もある。

以上のような冷却方法においては、熱の侵入に伴い液体
ヘリウム、液体窒素等の寒剤は蒸発逸散するため、一定
時間毎にこれらの寒剤を補給する必要がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の５ＱＵＩＤセンサーの冷却方法にお
ける問題点として次のような点が挙げられる。

（１）従来のＳＱＵ　Ｉ　Ｄ素子の冷却は、液体窒素又
は液体ヘリウムの中に浸漬し、これらの寒剤の液化温度
に維持する方法がとられている。これは、液体窒素又は
液体ヘリウムが安全で取り扱い易いこと、及び液化温度
（沸点）を用いることにより精密な温度調整なくして容
易に素子を一定温度に維持できるためである。しかしな
がら、近年開発が進められている高温超電導材料の場合
には、温度マージンを確保して安定的に動作させるため
に、例えば液体ヘリウム液体窒素の温度の中間的な温度
に容品にかつ安定的に保冷出来る冷却方法があれば、５
ＱＵＩＤ素子の素材として利用できる可能性が出て来る
ものがある。

（２）さらに、液化ガスの沸点を用いる方法の問題点と
して、遠隔地の無人連続運転を行う等の目的で寒剤の完
全無補給のシステムを作ろうとすると常時再液化機を運
転するか又は間欠的に再液化機を運転する場合はボイル
オフガスを収納するための大容量のバッファータンクが
必要となる。常時再液化機を運転する場合は、液化機を
運転することによって発生する磁気ノズルが微弱磁場の
計測のために常時障害となる。やむを得ず常時再液化機
、冷凍機を運転する場合は、５ＱＵＩＤセンサーとこれ
らの再液化機や冷凍機の間の距離を十分長くとり、磁気
ノズルの低減を計らねばならない。また、バッファータ
ンクを設置する方法は設備のコンパクト化を図る上で問
題がある。

本発明は、上記の種々の液化ガスの沸点を冷却温度とし
て用いる従来技術の問題点（１）、（２）を解決し、適
当な温度マージンを確保し得て、かつ寒剤の完全無補給
のシステムを作る場合でもバッファータンクを設置する
ことなく間欠的な冷凍機の運転によってもＳＱＵ　Ｉ　
Ｄ素子を一定温度に維持することができ、また磁気ノズ
ルの発生のない状態での微弱磁場の計測を可能ならしめ
る５ＱＬＩＩＤセンサーの冷却方法を得ることを目的と
する。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る５ＱＵＩＤセンサーの冷却方法は、前記（
１）のｙＡＩｉ！は、冷凍機の発生する冷熱を液化ガス
の凝固潜熱として蓄積し、この蓄積潜熱によって外部か
らの侵入熱による温度上昇を防ぎつつＳＱＵ　Ｉ　Ｄセ
ンサーを凝固点（融点）温度又はその付近の温度に維持
するためにこの蓄積潜熱を冷熱源として使用することに
より解決出来るものである。

また（２）のｍｌｉは、上記（１）の手段に加えて、磁
場の計測時間中は冷凍機（製氷機）を停止し、磁場の計
測時間外においてのみ冷凍機（製氷機）を運転すること
により解決出来るものである。

［作用］ 本発明における前記課題解決のための手段（１）は、 ■従来は、５ＱＵＩＤセンサーの冷却温度として、窒素
、その他の液化ガスの沸点が用いられており、外部から
の侵入熱は液化ガスの蒸発潜熱の形で排出されて、セン
サーの温度上昇を防いでいたが、本発明の手段によれば
、外部からの侵入熱は融解潜熱で蓄熱され、温度上昇を
防いでいる。

また、凝固温度（融解温度ンは、沸点よりも低いため、
５ＱＵＩＤセンサーをより低い温度で安定的に冷やす作
用が生ずる。

■液化ガスの融解、凝固の変化では大きな圧力変化は発
生しないため、比較的小容量の密閉容器を用いても容易
に蓄冷を行うことができるようになる。その為この冷却
方法では、冷凍機は間欠的に運転ができるようになる。

また課題解決のための手段（２）は、冷凍機を停止する
と、モータの作動及び導電性物体の運動等に起因した磁
気ノズルがなくなり、安定した磁場の計測が出来るよう
になる等の作用をもたらすものである。

［実施例］ ［実施例１］ 第１図は本発明の実施態様例を示す説明図である。

図において、１は低温発生装置の圧縮機であり、２は冷
凍機の膨張機で、３は冷凍機のコールドヘッドであり、
５は寒剤Ａ、７は寒剤Ａを入れた容器としての蓄熱槽、
　１０は５ＱＵＩＤセンサー、１１はコールドヘッド３
．氷蓄熱槽７及びＳＱＵ　Ｉ　ＤセンサーＩＯを収納す
る真空断熱容器である。

第１図の実施例では、冷凍機は圧縮機１．膨張機２およ
びコールドヘッド３のユニットから構成されて、５の寒
剤Ａとしては液体窒素を用い、圧縮機１から冷凍機の膨
張機２にガスを供給し、−段のコールドヘッド３で液体
窒素を凝固させるに必要な［ｉ３に以下の温度を発生さ
せている。

また７の蓄熱槽中の寒剤Ａ（この場合は液体窒素）はコ
ールドヘッド３により冷やされて製氷される。

５ＱＵＩＤセンサー１０は蓄熱槽７の上に熱伝導性良く
設置されていて、その温度は常に液体窒素の凝固点近傍
の温度に保たれる。

冷凍機ユニットの圧縮機１．膨張機２．コールドヘッド
３は、一定時間おきに又は必要に応じて運転停止を行う
。

このように構成されたＳＱＵ　Ｉ　Ｄセンサーによる磁
界の計測は、冷凍機ユニットの停止時において行う。こ
のことにより、計測時における冷凍機からの磁気ノイズ
を無くすことが可能となる。

［実施例２］ 第２図は本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

図において、９は放射シールドであり、その他の符号は
！ｓ１図と同様のものである。

この例は前記実施例１と同じ考え方で運転されるが、５
ＱＵＩＤセンサーＩＯ及び蓄熱槽７への放射侵入熱を防
せぐ為に、放射シールド９がその外側に設けである。こ
の放射シールド９も蓄熱槽７内の固体窒素の冷熱で常に
一定温度で５ＱＵＩＤセンサーを冷やしている。

［実施例３］ 第３図は本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

この例においては、放射シールド９を二重構造にして、
その放射シールド９間に寒剤Ａを入れ、これを蓄熱槽と
している。

こうすることにより、放射シールドと蓄熱槽を兼用する
ことができる。

［実施例４］ 第４図は本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

図において、４は冷凍機コールドヘッド（第二段）、６
は寒剤Ｂ、８は寒剤Ｂを入れた蓄熱槽である。

この例は、二段の冷凍機を用いた場合の実施例であり、
その第一段のコールドヘッド３で液体ネオンの凝固に必
要な温度（約１５に以下）を発生させ、第二段のコール
ドヘッド４て、液体窒素を凝固させるに必要な温度（約
６３に以下）を発生させている。

５ＱＵＩＤセンサーｌＯを直接冷やす寒剤Ａとしては、
蓄熱槽７中のネオンである。また第一段に設けられた蓄
熱槽８は、６の寒剤Ｂとして液体窒素を入れ、その凝固
潜熱で放射シールド９を冷やし、放射熱の侵入を防ぐこ
とに寄与している。

［実施例５］ 第５図も本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

図において、１２は真空容器（クライオスタット）、１
３は熱交換器、　１４は冷媒輸送管、　１５はポンプ及
びブロワ等の循環装置、１６はトランスファーチューブ
、１８は熱交換器、　１９は熱伝導体である。

この例は５ＱＬＩＩＤセンサー１０の格納容器１１と固
体態Ｎ２の蓄熱槽７の格納真空容器１２を分離して設置
した場合である。

固体窒素の蓄熱槽７からの冷熱の取り出しはＨｅガスの
循環ループで行っている。

１３は固体窒素からの冷熱を取り出す熱交換器で１．１
８は５ＱＵＩＤセンサー１０が取り付けられている熱伝
導体１９を冷やすための熱交換器である。

冷媒のヘリウムガスが１５のブロワの循環装置で循環さ
れ、ＳＱＵ　Ｉ　Ｄセンサー１０はほぼ固体窒素の温度
に保持される。

Ｈｅガスの通る冷媒輸送管１４はトランスファーチュー
ブ１６の中に収められている。

ＳＱＵ　Ｉ　Ｄセンサー１ｏの格納容器１１を大きく出
来ない場合に、この実施例の様に分離型が有効である。

この運転方法は実施例１と同様である。

［実施例６］ 第６図も本発明の別の実施態様例を示す説明−図である
。

図において、１７は５ＱＵＩＤセンサーの格納容器であ
り、他の符号は他の例と同じである。

こノ例は、実施例５における５ＱＵＩＤセンサーｌＯの
冷却熱交換器によらず、Ｈｅガスを直接５ＱＵ１．Ｄセ
ンサー１０に送って冷却する場合である。

こうすることにより、熱交換器が必要でなくなり、装置
が小型化できる。

［実施例７］ 第７図も本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

この例は、固体窒素の蓄熱槽７がらの熱の取りたしの為
に二次冷媒を用いず、蓄熱槽内のＮ２の液体部分のみ又
は、固体のスラリーを直接ポンプ１５で循環させる場合
である。

こうすることにより、蓄熱槽側がよりコンパクトにでき
る。

［実施例８］ 第８図も本発明の別の実施態様例を示す説明図である。

この例は、実施例７における熱交換器１８をやめ、５Ｑ
ＵＩＤセンサー１０に直接窒素を接して冷やす場合であ
る。

以上の実施例１〜８は、本発明の実施態様例として示し
たものであり、本発明は冷凍機の構成。

真空断熱容器１１．１２等の構造等の機器の構成や、冷
熱の取り出し方法、５ＱＵＩＤセンサーへの冷熱の供給
方法、寒剤５，６の種類に限定されるものではない。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば次のような効果を奏する
ものである。

（１）従来用いられていた寒剤の沸点での５ＱＵＩＤセ
ンサーの冷却方法より、さらに低い温度で冷却できる。

そのためＳＱＵ　Ｉ　Ｄ素子の温度マージンが大きくな
り、安定した動作が可能となる。また近年開発が進めら
れている種々の高温超電導材料素子をセンサーとして使
用できる可能性が大幅に高まる。

（２）液体の凝固、融解を利用して温度の変動を防いで
いるため、寒剤の容器内に大きな圧力変化を発生させず
に畜冷運転をすることができる。そのため冷凍機は間欠
的な運転が可能となる。

（３）冷凍機を停止中に磁界の計測を行うと、通常冷凍
機の運転によって発生する磁気ノズルを防ぐことができ
、計測精度は高まる。

（４）この発明において必要な冷凍機は、連続的に運転
する場合の冷凍機より大型のものが必要となるが、その
運転時間は短く、ノーメンテナンスで使用できる時間は
大幅に延長できる。このことは地下、宇宙等の遠隔地で
のシステムでは大きな効果が期待できる。

（５）結果的に、本発明では、大きな寒剤のバッファー
タンクなしに冷凍機を付けたクローズド冷凍システム（
寒剤の無補給のシステム）を作り得る。

この結果遠隔地での無人運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の５ＱＵＩＤセンサーの冷却方
法の実施態様例の説明図であり、第９図は従来の５Ｑｔ
ｌ　Ｉ　１１センザーの冷却方法を示す説明図である。 図において、１：圧縮機、２：冷凍機の膨脂機、３．４
：冷凍機のコールドヘッド、５，６：寒剤、７．８：寒
剤の蓄熱槽、９：放射シールド、ｌＯ：ＳＱＵ　Ｉ　Ｄ
センサー、１１，１２：Ｊ＠空断熱容器、１３．１８：
熱交換器、１４：冷媒輸送管、１５：ポンプ又はブロワ
等の循環袋Ｗｔ器、ｌＧニドランスファーチューブ、１
７　：　５ＱＵＩＤセンサー格納容器、１９二熱伝導体
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）冷凍機の発生する冷熱を液化ガスの凝固潜熱とし
   て蓄積し、該蓄積潜熱を冷熱源として使用することを特
   徴とするＳＱＵＩＤセンサーの冷却方法。
2. （２）非計測時間内においてのみ前記冷凍機を運転し、
   発生した冷熱を液化ガスの凝固潜熱として蓄積し、計測
   時間内においては該冷凍機を停止することを特徴とする
   請求項１記載のＳＱＵＩＤセンサーの冷却方法。