JPH04263768A - 超電導磁気シールド容器の冷却方法及びその装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超電導現象（磁束を排除
する）を利用した磁気シールド容器の冷却方法及びその
装置に関し、特に磁気シールド容器をその臨界温度Ｔｃ
以下まで冷却する際に、磁気ノイズの原因となる環境磁
場（特に地磁気）のトラップを防止し得る冷却方法及び
そのための装置に係る。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】最近、酸化物超電導体
をその磁束を排除する超電導現象を利用し、磁気シール
ド容器に応用する研究が行われている。この場合、酸化
物超電導体からなる磁気シールド容器を冷却して超電導
状態にする場合、超電導体はその置かれている環境磁場
（通常の環境では地磁気）をそのまま保存するように磁
束を捕捉（トラップ）してしまう。このような超電導磁
気シールド容器内でＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）
磁束計を作動させて極微弱磁場を検出する際、トラップ
した磁束が微動（揺らぎ）したり、ＳＱＵＩＤ磁束計と
シールド容器の間に位置のズレ（振動）が起きるとＳＱ
ＵＩＤ磁束計はこれを磁気の変動として検出してしまい
、これが磁気ノイズ源となる。

【０００３】従来、超電導体を冷却する場合、地磁気と
逆向きの磁場を発生させる地磁気補償コイルを用いて、
地磁気を打ち消した磁場環境で超電導体を冷却すること
が考案されているが、このような地磁気補償コイルは高
価で、また冷却毎に調整等の手間がかかり、非常に煩雑
であるという問題点を有するものであった。

【０００４】本発明は酸化物超電導磁気シールド容器を
冷却する場合の従来におけるような地磁気のトラップの
発生を防止し得る超電導磁気シールド容器の冷却方法及
びそれに用いる装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本発明の超電導磁気シ
ールド容器の冷却方法は、一端閉口／一端開口の筒状の
酸化物超電導磁気シールド容器の閉口端外端面の略中心
を最も低温とし、該中心より外端面周囲、周壁、開口端
先端へと順次温度勾配を付与しつつ、全体を超電導体の
臨界温度Ｔｃよりも低温に冷却することをその要点とす
る。また、そのための冷却装置は、一端閉口／一端開口
の筒状の酸化物超電導磁気シールド容器を収納する内側
真空容器、該内側真空容器を囲繞する外側真空容器、冷
却手段及び該冷却手段から前記外側真空容器を貫通して
内側真空容器壁に当接するコールドヘッドを備え、この
コールドヘッドからさらに内側真空容器内に貫通して設
けられた熱伝導棒の先端が前記磁気シールド容器の外端
面中央部に接触され、内側真空容器内にその熱伝導率が
磁気シールド容器の端面中央部、端面周囲、周壁、開口
端先端へと順次小さくされた複数種の熱伝導物質が充填
されたものとすることにより、前記問題点を解決したも
のである。

【０００６】このような本発明により超電導磁気シール
ド容器を冷却する場合、冷却手段のコールドスポットか
らさらに伸びる熱伝導棒を磁気シールド容器の閉口端外
端面の略中心に接触させてこの部分を最も低温とし、次
いで該中心より外端面周囲、周壁、開口端先端へと順次
温度勾配を付与して磁気シールド容器全体を臨界温度Ｔ
ｃ以下まで冷却することにより、容器内にトラップされ
た磁束は温度勾配に沿って容器の閉口端外端面の中心よ
り外端面周囲、周壁、開口端先端へと冷却に伴って追い
出される。

【０００７】以下に本発明の冷却装置を用いて超電導磁
気シールド容器を冷却する場合の具体例を図面を参照し
て説明する。図１において、１は酸化物超電導磁気シー
ルド容器であり、このシールド容器１は内側真空容器２
内に収納され、この真空容器２はさらに外側真空容器３
に囲繞されている。このように超電導磁気シールド容器
１は２重の真空容器で囲まれ、この内、内側真空容器２
内は真空配管６ａ、開閉バルブ７ａ、真空ポンプ８によ
って真空排気できるように構成されている。そして、外
側真空容器３内も同様に真空配管６ｂ、開閉バルブ７ｂ
、前記真空ポンプ８によって真空断熱できるように構成
されている。ここで、真空断熱をするのは、内側真空容
器２及びその内蔵物を冷却中に極低温に冷却、維持する
必要があり、そのため外界からの熱伝達を防止する目的
で行い、また真空排気するのは、装置組立時に内側真空
容器２内部に残留するガス（大気）を排出し、極低温に
冷却された時、ガスの一部、例えば水分子、炭酸ガス分
子等が凝縮、液化して内部の熱伝達に悪影響を及ぼすの
を防ぐ目的で行うものである。

【０００８】図１における９は冷却手段としての冷凍機
であり、この冷凍機９からフランジ１３ａを介して外側
真空容器３内を貫通してコールドヘッド５が内側真空容
器２の下壁に当接され、さらに内側真空容器２にフラン
ジ１３ｂを介してその先端の熱伝導棒４が貫入されてお
り、この熱伝導棒４は内側真空容器２内にその閉口端が
下向きに置かれた磁気シールド容器１の閉口端の下端面
略中心部に超音波ハンダ付け等の手段により熱接触良く
接合されている。冷凍機９はコールドヘッド５が内側真
空容器２と熱伝導棒４とに熱接触良く接合させるため、
図示していないが極薄のインジウムシートを挾み、ネジ
締結されており、フランジ１３ａも外側真空容器３とネ
ジ締結により、これも図示していないが、ｏ−リングシ
ールされ、外側真空容器３の気密性を保つように接続さ
れている。なお、冷却手段は図１に示した冷凍機９以外
に、例えば図２に示すような液体窒素タンク１４を用い
ても良い。また、内側真空容器２内には、複数種の熱伝
導率の異なる熱伝導物質がその熱伝導率が磁気シールド
容器端面中央部、端面周囲、周壁、開口端先端へと順次
小さくなるように充填されている。

【０００９】このような装置において、ヘリウムガス循
環式の冷凍機９は高圧ガス配管１１を通り、圧縮機１０
により圧縮されて高圧となったヘリウムガスの供給を受
け、内部で断熱膨張し、液体窒素レベル温度（７７Ｋ＝
−１９６℃）以下に冷却される。なお、断熱膨張後のヘ
リウムガスは低圧力となり、低圧ガス配管１２を通り、
圧縮機１０に戻り、再圧縮され、再び高圧力となって冷
凍機９に供給される。冷却されたコールドヘッド５から
の冷却の伝達は、まずこのコールドヘッド５と熱接触良
く接合されている熱伝導棒４（熱伝導率λｆとする）、
内側真空容器２（熱伝導率λｅとする）へと伝わる。こ
こで、室温（例えば３００Ｋ＝２７℃）前後から液体窒
素レベル温度の前後までの熱伝導率の大きさが、下記の
式１となるように材料を選ぶと、熱伝導棒４の先端に接
合されている磁気シールド容器１の外端面中心部（図中
Ｐ）が周囲より先に、且つ優先的に冷却されることにな
る。そして、次にＰ部よりも多少遅れて内側真空容器２
の冷却が進むと、その内部に充填された熱伝導物質Ａ（
熱伝導率λａとする）、熱伝導物質Ｂ（熱伝導率λｂと
する）、熱伝導物質Ｃ（熱伝導率λｃとする）、熱伝導
物質Ｄ（熱伝導率λｄとする）へと冷却が伝わっていく
が、、内側真空容器２自身の持つ質量が大きいため、熱
伝導棒４に接合している磁気シールド容器１の図中Ｐ部
と開放端部の図中Ｏ部とでは、数Ｋの温度差を保ちなが
ら冷却が進行する。その温度差を利用し、且つ前記式１
と同じように室温から液体窒素レベル温度前後までの温
度範囲で、熱伝導物質Ａ〜Ｄの熱伝導率の大きさを式２
及び式３となるように材料を選ぶと、磁気シールド容器
１はさらに大きい温度差を保ちながら端面部（Ｐ部）か
ら順次開放端部（Ｏ部）へと冷却されていく。

【００１０】

【式１】

【００１１】

【式２】

【００１２】

【式３】

【００１３】このように、熱伝導率の最も大きい熱伝導
棒４に接触している端面中央部、図中Ｐから優先的に磁
気シールド容器１の冷却が進み、次に二番目に熱伝導率
の大きい内側真空容器２がコールドヘッド５に接合して
いる下方より冷却されていき、熱伝導物質ＤからＡへと
冷却が進むことにより、その中で最も熱伝導率の大きい
（式１〜３の全体では三番目）熱伝導物質Ｄと接触して
いる部分のしかも最も先に冷却されている図中Ｐ部の周
囲から冷却が進行し、最後に最も熱伝導率の小さい熱伝
導物質Ａに囲まれ、且つコールゴヘッド５から最も遠い
図中Ｏ部が冷却されることになる。

【００１４】従って、超電導体からなる磁気シールド容
器１の冷却が温度差数Ｋ以上を保ちながら一端から順次
臨界温度以下、すなわち超電導状態にまで冷却して、ト
ラップされた磁束を排除しながら開放端へと冷却し、最
後にすべてを超電導状態とすることができ、その結果、
超電導体、すなわち磁気シールド容器１に磁束がトラッ
プされるのを防止することができる。ここで、一例とし
て、熱伝導物質Ａ〜Ｄに選定した材料を表１に例示する
。

【００１５】

【表１】

【００１６】なお、表１の材料の種類と熱伝導物質の数
は限定されるものではなく、磁気シールド容器の材質と
大きさに応じて変化させることは当然である。また、冷
却手段として、冷凍機１０の代わりに図２に示される液
体窒素タンク１４を用いても良い。この図２における１
５は内側真空容器２を支持する支持体である。

【００１７】さらに、防振のため、熱伝導棒４を同じ材
質の細線の束に、また冷凍機フランジ１３と外側真空容
器３の間にベローズを入れるといった防振機構を追加設
置しても冷却性能に何等影響を与えることなく、問題が
無い。

【００１８】

【発明の効果】以上のような本発明によれば、酸化物超
電導体磁気シールド容器を磁束のトラップ無しに冷却す
ることが可能となり、ＳＱＵＩＤ磁束計を用いて生体磁
気等の極微弱磁界を検出する場合のノイズを大幅に低減
することができる。

【００１９】

【実施例】Ｂｉ系超電導磁気シールド容器（直径１５ｃ
ｍ、長さ３５ｃｍ）を図１に示したクライオスタットに
セットして冷凍機を用いて冷却した。この場合の熱伝導
物質Ａ〜Ｄは表１のものを使用した。超電導容器の臨界
温度はＴｃ＝１０３Ｋである。室温（２９０Ｋ）から７
０Ｋまで約４０時間かけて磁気シールド容器を冷却した
。冷却試験を行った環境磁場は約３００ミリガウスであ
った。磁界の計測はフラックスゲート型の磁束計を用い
て数ミリガウスの精度まで測定した。冷却前に磁束計を
用いて、磁気シールド容器内部の磁界強度を測定した結
果、環境磁場の強度である２９０ミリガウスを検出した
。本冷却装置を用いて７０Ｋまで冷却後、磁気シールド
容器内部の磁界強度を測定した結果、磁界強度は１０ミ
リガウスであり、磁束のトラップが著しく低減されるこ
とが分かった。

【００２０】

【比較例】実施例と同一の容器を、液体窒素を用いて通
常の方法で室温より約２時間かけて冷却した。冷却前の
磁気シールド容器内部の磁界強度は３１０ミリガウスで
あり、７７Ｋに冷却した後の磁気シールド容器内部の磁
界強度は３００ミリガウスであった。この結果より、通
常の方法では環境磁場は磁気シールド容器内部に完全に
トラップされてしまうことが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍機を用いる場合の本発明に係る装置の一例
を示す説明図である。

【図２】液体窒素タンクを用いる場合の本発明に係る他
の装置の一例を示す説明図である。

【符号の説明】

１　　磁気シールド容器 ２　　内側真空容器 ３　　外側真空容器 ４　　熱伝導棒 ５　　コールドヘッド ６　　真空配管 ７　　開閉バルブ ８　　真空ポンプ ９　　冷凍機 １０　　圧縮機 １１　　高圧ガス配管 １２　　低圧ガス配管 １３　　フランジ １４　　液体窒素タンク １５　　支持体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一端閉口／一端開口の筒状の酸化物超
   電導磁気シールド容器の閉口端外端面の略中心を最も低
   温とし、該中心より外端面周囲、周壁、開口端先端へと
   順次温度勾配を付与しつつ、全体を超電導体の臨界温度
   Ｔｃよりも低温に冷却する超電導磁気シールド容器の冷
   却方法。
2. 【請求項２】　　一端閉口／一端開口の筒状の酸化物超
   電導磁気シールド容器を収納する内側真空容器、該内側
   真空容器を囲繞する外側真空容器、冷却手段及び該冷却
   手段から前記外側真空容器を貫通して内側真空容器壁に
   当接するコールドヘッドを備え、このコールドヘッドか
   らさらに内側真空容器内に貫通して設けられた熱伝導棒
   の先端が前記磁気シールド容器の外端面中央部に接触さ
   れ、内側真空容器内にその熱伝導率が磁気シールド容器
   の端面中央部、端面周囲、周壁、開口端先端へと順次小
   さくされた複数種の熱伝導物質が充填されてなる超電導
   磁気シールド容器の冷却装置。