JPH05297092A

JPH05297092A - 超伝導装置

Info

Publication number: JPH05297092A
Application number: JP4126641A
Authority: JP
Inventors: Hisanao Ogata; 久直尾形; Shuji Fujimoto; 修二藤本
Original assignee: CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK
Current assignee: CHODENDO SENSOR KENKYUSHO KK
Priority date: 1992-04-21
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1993-11-12
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPH0711564B2

Abstract

(57)【要約】【目的】超伝導量子干渉素子ＳＱＵＩＤなどを用いて
微弱な磁場を計測するのに適した冷凍機付き超伝導装置
を提供する。【構成】磁性体３を蓄冷器１に用いると二段のシリン
ダー４の第２の冷却ステージ９でヘリウムが液化できる
ため、別の膨張回路は不要である。超伝導の素子１６は
液体ヘリウム１４を貯める内槽１０に固定されている
が、シリンダーとは振動吸収部１１でのみ結合される。
磁性体と素子とは十分に離してある。また、他の実施例
では素子搭載部近傍を支持体により直接内槽に固定して
いる。あるいは、磁性体が存在するシリンダーの周囲に
磁気遮蔽部材を配置している。【効果】小型で信頼性の高い冷凍機が使用できる。ま
た、可動部と素子部の弱い機械的結合や磁気遮蔽部材
は、冷凍機の動作に伴う振動やノイズを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超伝導装置、とくに超伝
導量子干渉装置ＳＱＵＩＤを用いて微弱な磁場を計測す
ることに適した超伝導装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍機を装備した従来のＳＱＵＩＤシス
テムは、文献「ディー．エス．ブチャナン他著、アドバ
ンセスインクライオジェニックエンジニアリン
グ、第３３巻、９７頁から１０６頁、プレナムプレス
社、１９８８年発行（Ｄ．Ｓ．Ｂｕｃｈａｎａｎｅｔ
ａｌ．，ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣｒｙｏｇｅｎｉ
ｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３３，ＰＰ９７−
１０６，Ｐｌｅｎｕｍ１９８８）」に示されている。こ
こでは、ギホード・マクマホン・サイクルとジュール・
トムソン膨張回路を組み合わせた冷凍機の４Ｋステージ
に超伝導素子を熱的に結合して冷却している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このシステムでは冷凍
機の発生する機械振動がかなり大きな磁気ノイズをもた
らす。このノイズの周波数は１ないし数１０Ｈｚの低周
波領域にあり、とくに生体磁気計測にとって不都合であ
る。また、複合した冷凍サイクルを採用したため、装置
が大型かつ複雑化し、圧縮機からの圧力配管の数も３系
統と多い。本発明はこのような問題点を克服するために
なされたもので、小型コンパクトな冷凍機を用い、かつ
このことによって生じる磁気ノイズの生成を極力抑えた
超伝導装置を得ることを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するために、少なくとも、第１及び第２の冷却ステ
ージを有し、一部に高比熱磁性体を充填した蓄冷器を内
蔵する二段のシリンダー、及びこのシリンダーと圧力配
管で連結された圧縮機とを有する小型冷凍機と、上記シ
リンダーが挿入され、かつ液体冷却剤を貯蔵する内槽
と、上記内槽の内側または外側に、上記シリンダーの第
２の冷却ステージから離れて装着された超伝導素子と、
上記シリンダーの第１の冷却ステージと熱的に結合した
上記内槽の一部に接続され、かつ上記内槽を囲む輻射シ
ールドと、上記輻射シールドから間隔をおいて設置さ
れ、かつ上記輻射シールドを囲む外槽と、上記シリンダ
ーと上記内槽を結合する防振機構と、上記シリンダーの
第２の冷却ステージで液化されるガスの導入口と、を含
めた。

【０００５】更に、上記超伝導素子を装着する素子搭載
部近傍の上記内槽と、上記外槽との間に中間部が上記輻
射シールドに接触するような関係で配置された断熱性の
支持体を備えることにより効果が高められる。

【０００６】また、上記目的は、少なくとも、第１及び
第２の冷却ステージを有し、一部に高比熱磁性体を充填
した蓄冷器を内蔵する二段のシリンダー、及びこのシリ
ンダーと圧力配管で連結された圧縮機とを有する小型冷
凍機と、上記シリンダーの外表面の一部または全てを覆
う磁気遮蔽部材と、上記磁気遮蔽部材及びシリンダーが
挿入され、かつ液体冷却剤を貯蔵する内槽と、上記内槽
の内側または外側に装着された超伝導素子と、上記シリ
ンダーの第１の冷却ステージと熱的に結合した上記内槽
の一部に接続され、かつ上記内槽を囲む輻射シールド
と、上記輻射シールドから間隔をおいて設置され、かつ
上記輻射シールドを囲む外槽と、上記シリンダーと上記
内槽を結合する防振機構と、上記シリンダーの第２の冷
却ステージで液化されるガスの導入口と、を含むように
しても達成される。

【０００７】

【作用】このような構成ではジュール・トムソン膨張回
路が無くともギホード・マクマホン・サイクルのみで第
２冷却ステージでヘリウムを液化することができる。ま
た圧縮機とつながる圧力配管の数は多くとも２本であ
る。可動部のあるシリンダーと超伝導素子を搭載する内
槽との間にはガスの層が介在し機械的接続が絶たれると
ともに、シリンダーの取り付け部は防振機構を介して内
槽とつながっている。したがって、蓄冷器の往復動に伴
う機械的振動は減衰しながら内槽に伝播する。また、蓄
冷器に含まれる磁性体による磁気ノイズは蓄冷器と超伝
導素子間の距離を離して減らしている。更に、内槽の素
子搭載部近傍を外槽から直接支持すると振動は低減し、
かつその固有振動数も高くなる。更に、磁性体を含む蓄
冷器の周囲に磁気遮蔽部材を置くことにより、蓄冷器の
往復動に伴う磁気的影響は遮断される。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１によって説明す
る。１はギホード・マクマホン・サイクルを用いた小型
冷凍機の蓄冷器で二段のピストン形状をしており、第１
段に銅網２ａ、及び鉛球２ｂ、第２段にエルビウム・ニ
ッケル化合物などに代表される磁性体３の球が充填され
ている。蓄冷器１はシリンダー４に収められ、別置きの
圧縮機５から圧力配管６を経て供給される高圧のヘリウ
ムガスで駆動される。ガスの圧縮、膨張及び往復動のタ
イミングはバルブ７で制御され、第１の冷却ステージ８
及び第２の冷却ステージ９で寒冷を発生する。鉛球を第
２段の蓄冷器に使ってきた従来の小型冷凍機では第２の
冷却ステージの到達温度はおよそ絶対温度７Ｋであった
が、極低温で比熱の大きい磁性体を用いることによりヘ
リウムの液化温度５．２Ｋ以下を実現できることが近年
明らかになった。シリンダー４はガラス繊維強化樹脂や
セラミックスでできた内槽１０に挿入されているが、両
者は室温雰囲気にあるゴム、ベローズ、ばねなどで構成
される振動吸収部１１により結合されている。シリンダ
ー４と内槽１０の作る空間にはガス導入口１２よりヘリ
ウムガス１３が導かれ第２の冷却ステージ９において一
部液化し、底部に液体ヘリウム１４として貯まる。内槽
８の底部には熱伝導性の素子搭載部１５を設け、ここに
熱的接触を保って超伝導量子干渉素子ＳＱＵＩＤや磁束
検出コイルなどの素子１６を取り付ける。素子１６から
リード線１７は、いったん液体ヘリウム温度のレベルに
接触した後シール端子１８から引き出される。リード線
１７はノイズを減らすためより線としステンレス鋼や銅
ニッケル合金の管に挿入されている。内槽１０の低温側
は輻射シールド１９で囲まれ、その一端は第１の冷却ス
テージ８に対応する内槽１０の壁に熱的な接触を保って
固定されている。輻射シールド１９は熱伝導性が良くな
くてはならないが、ノイズを減らすために銅箔を短冊状
にしたり、底部は素線が絶縁された銅網にするなどの工
夫がなされている。更に、スリットを付けてアルミニウ
ムを蒸着したポリエステル箔とポリエステル繊維製網を
重ねた多層断熱材２０で囲み、ガラス繊維強化樹脂など
で形成した外槽２１の中に納め、内部を真空にしてあ
る。２２は外槽２１の支持部材である。

【０００９】素子１６は１個又は複数個からなり、シリ
ンダー４の底部より３０ｃｍ以上離してある。こうする
ことにより、直径２ｃｍ、長さ５ｃｍの磁性体３がスト
ローク１ｃｍで動いたとき素子１６に及ぼす磁場変動幅
は外部磁場の大きさと同じ程度になる。

【００１０】輻射シールド１９は熱伝導性の良い絶縁物
がいいが、高純度のアルミナや炭化珪素などのセラミッ
クスでもよい。第１の冷却ステージと内槽１０の間の熱
伝達はヘリウムガス１３の熱伝導もしくは熱対流によ
る。シリンダー４と内槽１０の間は冷却ステージの部分
を除き多孔質の充填体２３を挿入し余計な熱対流を抑え
てもよい。更に、装置全体を傾斜させて使えるよう内槽
１０の下部の直径を部分的に細めたくびれ２４を設け液
体ヘリウム１４が溢れ出ることのないようにすることも
できる。

【００１１】図２は本発明の他の実施例を示す。図１と
同一部分は同一符号で表す。内槽１０の下側にベローズ
３０を挿入し、素子搭載部１５の近傍の内槽１０と輻射
シールド１９、輻射シールド１９と外槽２１の間に支持
体３１を配置している。支持体３１は低熱伝導かつ高強
度の繊維強化樹脂が好ましい。このようにすれば素子搭
載部１５を外槽２１から直接支持し、かつベローズ３０
により内槽１０の上部からの振動を遮断できるので、機
械振動に伴うノイズを低減できる。また、支持が図１の
実施例のような片持ち構造でないので固有振動数が高く
なり、生体磁気の計測には好都合である。

【００１２】本発明の他の実施例を図３に示す。図１と
同一名称の部分は同一符号で表す。図１との相違点はシ
リンダー４の外側に高透磁率金属もしくはイットリウム
・バリウム・ストロンチウム・銅酸化物の高温超伝導体
からなる磁気遮蔽部材３３を配置したことである。磁気
遮蔽部材３３はシリンダー４に取り付けてもよいが、振
動の影響を減らすには磁気遮蔽部材３３を内槽１０に固
定したほうがよい。この構造によれば、磁性体３の往復
動の影響を大きく低減でき、素子１６とシリンダー４間
の距離も短くできるという利点がある。

【００１３】図４は本発明の更に他の実施例である。こ
れが図３と異なるのは素子搭載部１５がその軸方向が内
槽１０の軸に対して４５度になるように取り付けられて
いる点である。このようにすれば、素子搭載部１５の軸
を重力に対してほぼ垂直の状態から水平の状態まで変化
させても内槽の液体ヘリウム１４の状態に悪い影響を及
ぼさない。

【００１４】

【発明の効果】以上述べた如く、本発明による超伝導装
置はジュール・トムソン膨張回路を持たない小型冷凍機
を備えているので、小型コンパクトで信頼性が高い。ま
た、小型冷凍機の可動部分と超伝導素子の部分との間は
振動が伝わり難い構造としたため機械的振動に伴う磁気
ノイズが少ない。さらに、蓄冷器のなかの磁性体の動き
によって生ずる磁気ノイズも磁気遮蔽部材の採用により
極力小さく抑えられるので、高感度の冷凍機一体型超伝
導装置が得られ、産業上大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す縦断面図。

【図２】本発明の他の実施例を示す縦断面図。

【図３】本発明の更に他の実施例を示す縦断面図。

【図４】本発明の更に他の実施例を示す縦断面図。

【符号の説明】

１蓄冷器３磁性体４シリンダー８第１の冷却ステージ９第２の冷却ステージ１０内槽１４液体ヘリウム１６素子１９輻射シールド２１外槽３１支持体３３磁気遮蔽部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、第１及び第２の冷却ステージ
を有し、一部に高比熱磁性体を充填した蓄冷器を内蔵す
る二段のシリンダー、及びこのシリンダーと圧力配管で
連結された圧縮機とを有する小型冷凍機と、上記シリンダーが挿入され、かつ液体冷却剤を貯蔵する
内槽と、上記内槽の内側または外側に、上記シリンダーの第２の
冷却ステージから離れて装着された超伝導素子と、上記シリンダーの第１の冷却ステージと熱的に結合した
上記内槽の一部に接続され、かつ上記内槽を囲む輻射シ
ールドと、上記輻射シールドから間隔をおいて設置され、かつ上記
輻射シールドを囲む外槽と、上記シリンダーと上記内槽を結合する防振機構と、上記シリンダーの第２の冷却ステージで液化されるガス
の導入口と、を含むことを特徴とする超伝導装置。
【請求項２】請求項１に記載の超伝導装置であって、超伝導素子を装着する素子搭載部近傍の内槽と外槽との
間に中間部が輻射シールドに接触するように配置された
断熱性の支持体とを備えたことを特徴とする超伝導装
置。
【請求項３】少なくとも、第１及び第２の冷却ステージ
を有し、一部に高比熱磁性体を充填した蓄冷器を内蔵す
る二段のシリンダー、及びこのシリンダーと圧力配管で
連結された圧縮機とを有する小型冷凍機と、上記シリンダーの外表面の一部または全てを覆う磁気遮
蔽部材と、上記磁気遮蔽部材及びシリンダーが挿入され、かつ液体
冷却剤を貯蔵する内槽と、上記内槽の内側または外側に装着された超伝導素子と、上記シリンダーの第１の冷却ステージと熱的に結合した
上記内槽の一部に接続され、かつ上記内槽を囲む輻射シ
ールドと、上記輻射シールドから間隔をおいて設置され、かつ上記
輻射シールドを囲む外槽と、上記シリンダーと上記内槽を結合する防振機構と、上記シリンダーの第２の冷却ステージで液化されるガス
の導入口と、を含むことを特徴とする超伝導装置。