JPH06109821A - Ｓｑｕｉｄ磁束計の測定プローブ冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブを極低温に
冷却保持するにあたって、冷凍機を用いながらも、冷凍
機に起因する機械的振動、磁気的振動の影響が測定プロ
ーブに及ばないようにする。 【構成】 冷凍機の本体を、測定プローブを収容した真
空断熱冷却容器から離隔して配置し、冷凍機の冷却ヘッ
ドを冷凍機本体から可撓性管路によつて引出して、冷却
ヘッドのみを真空断熱冷却容器内に配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は極低温でのジョセフソ
ン効果を利用して極めて微弱な磁場の磁束密度を測定す
るＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference
Device ）磁束計に関するものであり、特にＳＱＵＩＤ
磁束計の測定プローブの冷却構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、絶対零度に近い極低温での超伝導
状態で生じるトンネル効果、すなわち所謂ジョセフソン
効果を利用して、極めて微弱な磁場の磁束密度、例えば
生体の脳から発生する脳磁波や心臓から発生する心磁
波、あるいは岩石磁気、地磁気などを測定することが可
能なＳＱＵＩＤ磁束計が開発されている。このＳＱＵＩ
Ｄ磁束計は、絶対零度に近い１０Ｋ以下の極低温での超
伝導状態でのジョセフソン効果を利用しているから、そ
の測定プローブ部分、すなわちＳＱＵＩＤ素子本体とそ
の素子本体に接続する検知コイルを１０Ｋ以下の極低温
に冷却保持しておく必要がある。

【０００３】このようなＳＱＵＩＤ磁束計の測定プロー
ブに対する従来の冷却方式としては、図７に示すような
冷凍機不使用方式、図８に示すような冷凍機使用・冷凍
機分離方式、図９に示すような冷凍機使用・冷凍機組込
み方式の３種の方式が知られている（「日本生体磁気学
会誌」Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．１、１９９２年６月：第７回
日本生体磁気学会大会大会論文集 ｐ８８〜８９参
照）。これらの従来方式について以下に説明する。

【０００４】図７の冷凍機不使用方式は、ＳＱＵＩＤ磁
束計の測定プローブ１を真空断熱冷却容器（クライオス
タットあるいはデュワーと称される）２内に収容し、液
体ヘリウム貯蔵容器３からトランスファチューブ４を介
して液体ヘリウム５を真空断熱冷却容器２内に注入し
て、その液体ヘリウム５によって直接測定プローブ１を
極低温に冷却するものである。この場合、真空断熱冷却
容器２内で気化することによってロスした液体ヘリウム
５については、液体ヘリウム貯蔵容器３から適宜補給す
ることになる。

【０００５】図８の冷凍機使用・冷凍機分離方式は、Ｓ
ＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ１を収容した真空断熱冷
却容器２内に注入された液体ヘリウム５によって測定プ
ローブ１を極低温に冷却する点は図７の場合と同様であ
るが、図８の冷凍機使用・冷凍機分離方式では、真空断
熱冷却容器２から離隔した位置に、圧縮機７とコールド
ボックス８とからなる冷凍機９を設置しておき、真空断
熱冷却容器２内において気化したヘリウムガスをトラン
スファチューブ４Ａを介してコールドボックス８へ戻
し、このコールドボックス８において再液化させてトラ
ンスファチューブ４Ｂにより真空断熱冷却容器２へ送り
込むようにしている。

【０００６】図９に示す冷凍機使用・冷凍機組込み方式
は、図８における冷凍機９のコールドボックス８の部分
を真空断熱冷却容器２に組込み、真空断熱冷却容器２内
で気化したヘリウムガスを直ちに再液化させるようにし
たものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＳＱＵＩＤ磁束計によ
る磁気計測、特に生体の脳や心臓などの生体磁気計測に
おいて最も重要なことは、脳や心臓による磁気が極めて
微弱であるところから、機械的振動や磁気的振動で代表
されるノイズの影響を如何に小さくするかの点である。
この点からすれば、ＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷
却のための前記各従来方式のうち、図７に示される冷凍
機不使用方式では、積極的な機械的振動源、磁気的振動
源が実質的に存在しないため、最も有利と考えられる。
しかしながら、図７の方式では、液体ヘリウムのロスが
大きい点が問題であり、またそのため定期的に液体ヘリ
ウムを貯蔵容器３から真空断熱冷却容器２内へ補給しな
ければならない面倒があり、またその補給作業の間は磁
気測定を中断せざるを得ない問題もある。

【０００８】一方図８に示される冷凍機使用−冷凍機分
離方式の場合は、機械的振動源、磁気振動源となる冷凍
機９を用いてはいるが、その冷凍機９が測定プローブ１
を収容した真空断熱冷却容器２からは離隔して設けられ
ているため、冷凍機９からの磁気的振動の悪影響を受け
るおそれは少なく、またトランスファチューブ４として
振動を伝達しにくいフレキシブルチューブを用いれば冷
凍機９の機械的振動の悪影響も受けるおそれは少ない。
しかしながら図８の方式の場合は、冷凍機９のコールド
ボックス８から真空断熱冷却容器２へ液体ヘリウムを送
り込み、かつ真空断熱冷却容器２内で生じた気化ガス
（ヘリウムガス）をコールドボックス８へ戻すために何
らかの輸送手段、例えばポンプを別途必要とする問題が
ある。

【０００９】さらに図９に示される冷凍機使用・冷凍機
組込み方式の場合は、冷凍機９のコールドボックス８が
真空断熱冷却容器２に組込まれているため、コールドボ
ックス８で発生する機械的振動、例えばピストンやバル
ブの振動が測定プローブ１に与えられ、また磁性を有す
る金属部品の振動により磁気的振動も与えられてしま
い、これらがノイズとして測定データに拾われてしまっ
て測定の精度が低下してしまう問題がある。この場合の
対処法として、電気的信号処理によって測定信号中のノ
イズ成分の除去（キャンセル）を行なう試みがなされて
はいるが、この場合には、除去可能なノイズ成分が周期
的なノイズに限られる問題があり、またノイズ成分を確
実かつ充分に除去することが困難であり、また信号処理
によるノイズ成分の除去の結果として、測定データその
ものも誤差が大きくなってしまう問題がある。そのため
実際には、磁束測定中は冷凍機の動作を停止させざるを
得ないのが実情である。

【００１０】この発明は以上の事情を背景としてなされ
たもので、冷凍機を使用しながらも、冷凍機とは別にポ
ンプ等の輸送手段を必要とせず、しかも冷凍機から発生
する機械的振動、磁気的振動が測定データにノイズとし
て悪影響を及ぼすことがなく、冷凍機を動作させながら
正確な微弱磁気の測定を行なうことができるようにした
ＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷却装置を提供するこ
とを目的としたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この発明のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ
冷却装置は、ＳＱＵＩＤ磁束計におけるＳＱＵＩＤ素子
と検知コイルとを含む測定プローブを冷凍機によって極
低温に冷却保持する装置において、前記測定プローブを
真空断熱冷却容器内に収容し、前記冷凍機の本体を前記
真空断熱冷却容器から離隔して配置し、冷凍機の冷却ヘ
ッドを冷凍機本体から延出させて真空断熱冷却容器内に
配設し、かつ冷凍機本体と冷却ヘッドとの間の管路を可
撓性管路にて構成したことを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】この発明のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷
却装置においては、冷凍機のうち、冷却ヘッド（すなわ
ち最も低温となって冷却対象物を極低温に冷却するため
の部分）を除いた本体部分（冷凍機本体）が、測定プロ
ーブを収容した真空断熱冷却容器から離隔して配設され
ている。ここで、機械的振動の発生源であるピストンや
バルブ等の振動部分は冷凍機本体の側に内蔵されてお
り、冷凍機本体と真空断熱容器内の冷却ヘッドとの間の
配管は可撓性管路にて構成されているから、冷凍機本体
からの機械的振動はその管路の可撓性によって吸収・緩
和され、冷却ヘッド付近（真空断熱冷却容器付近）まで
は伝達されない。したがってＳＱＵＩＤ磁束計の測定プ
ローブに、冷凍機に起因する機械的振動が与えられるこ
とが防止される。また冷凍機のシリンダやバルブ等の運
動部分のうち、磁性材からなる運動部分は磁気的振動
（磁界変動）の発生源となるが、これらは前述のように
冷凍機本体の側に内蔵されており、したがって磁気的振
動発生源はＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ付近（真空
断熱冷却容器、冷却ヘッド）から離隔していることにな
り、そのため冷凍機に起因する磁気的振動がＳＱＵＩＤ
磁束計の測定プローブによる検出磁束にノイズとして加
わることが防止される。

【００１３】以上のように、真空断熱容器内に収容され
た測定プローブには、冷凍機の機械的振動、磁気的振動
の影響が加わらず、そのため冷凍機を動作させながらＳ
ＱＵＩＤ磁束計による生体磁気等の微弱な磁気を正確に
測定することができる。

【００１４】

【実施例】図１〜図３にこの発明の一実施例を示す。

【００１５】図１において、ＳＱＵＩＤ磁束計における
ＳＱＵＩＤ素子と検知コイルとを含む測定プローブ１
は、クライオスタットと称される真空断熱冷却容器２に
収容されている。この真空断熱冷却容器２は、内外２重
壁構造に作られており、外壁１０と内壁１２との間が真
空断熱空間１４とされている。この真空断熱空間１４
は、通常は単に真空とするのみならず、断熱材フィルム
例えばポリエステルフィルムの表面に輻射熱反射膜とし
てのアルミニウム膜を蒸着してなる複合薄膜を多重に積
層して挿入した、所謂多重層真空断熱層とされている。
そして内壁１２の内側の冷却室１６内の底部に前記測定
プローブ１が配置されている。

【００１６】前記真空断熱冷却容器２の冷却室１６に
は、その上方に着脱可能に設けられた蓋体２０を介し
て、冷凍機９の冷却ヘッド１８が挿入されている。この
冷却ヘッド１８は、冷凍機９の全冷媒系路のうち、冷媒
が最も低温となる部分、すなわち冷却対象物を冷却する
ための部分であり、冷却室１６内の液体ヘリウム５の液
面上の雰囲気（液体ヘリウム５が気化したヘリウムガス
雰囲気）を有効に冷却（熱交換）し得るようにコイル状
に作られるのが通常である。またこの冷却ヘッド１８
は、冷凍機９の本体部分（冷凍機本体）２２からその外
部へ可撓性を有する管路２４を介して延出されたもので
あり、冷凍機本体２２自体は、真空断熱冷却容器２から
離隔した位置に配設されている。図２に示すように前記
管路２４は、中空な外管２６内の中心部に、冷凍機本体
２２から冷却ヘツド１８へ極低温冷媒（ミスト状ヘリウ
ム）を導く往路内管２８と、冷却ヘッド１８から冷凍機
本体２２へ極低温冷媒を戻す復路内管３０とが挿入さ
れ、かつ往路内管２８および復路内管３０の外面と外管
２６の内面との間が真空断熱空間３２とされたものであ
る。ここで外管２６および往路内管２８、復路内管３０
はいずれも非磁性材料、例えばステンレス鋼やＦＲＰか
らなる可撓性を有するチューブ、例えばコルゲート管や
スパイラル管によって構成されている。なお外管２６の
内側の真空断熱空間３２は、既に真空断熱冷却容器２の
真空断熱空間１４について述べたと同様な多重層真空断
熱層３３とされている。

【００１７】冷凍機９は、要は液体ヘリウム臨界温度
（５．２Ｋ）以下の極低温を得ることができるような公
知の冷凍機、すなわち所謂４Ｋ冷凍機であれば良く、例
えば２段のギフォード・マクマホン冷凍機（以下ＧＭ冷
凍機と記す）もしくは２段のスターリング冷凍機と、ジ
ュール・トムソン（ＪＴ）回路とを組合せたもの等が用
いることができる。図３に２段のギフォード・マクマホ
ン冷凍機を用いた冷凍機９の一例を示す。

【００１８】図３において、冷媒としてのヘリウムガス
は、冷凍機本体２２内の圧縮機３４により圧縮されて、
その高圧側（吐出側）から第１熱交換器３６を経て第１
段ＧＭ冷凍機３８に至り、この第１段ＧＭ冷凍機３８か
らさらに第２熱交換器４０を経て第２段ＧＭ冷凍機４２
に至り、さらにＪＴ熱交換器４４を経てＪＴ弁４６に至
り、このＪＴ弁４６によって断熱自由膨張されて温度約
４Ｋのミスト（液体ヘリウムとガスとの混合状態）とな
り、前述の可撓性管路２４内の往路内管２８により冷凍
機本体２２の外部へ導き出され、真空断熱冷却容器２の
冷却室１６中の冷却ヘッド１８に至る。そしてこの冷却
ヘッド１８から可撓性管路２４内の復路内管３０を経て
冷凍機本体２２へ戻り、前記ＪＴ熱交換器４４、第２熱
交換器４０、第１熱交換器３６をその順に経て圧縮機３
４の低圧側に戻るようになっている。

【００１９】以上のような図１〜図３に示される実施例
の冷却装置を用いてＳＱＵＩＤ磁束計による磁気測定を
行なう際における測定プローブ１の冷却状況を以下に説
明する。

【００２０】ＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ１を収容
した真空断熱冷却容器２の冷却室１６には、予め液体ヘ
リウム５を注入しておく。この液体ヘリウム５の注入量
は、測定プローブ１が完全に液体ヘリウム５中に浸漬さ
れる一方、冷却ヘッド１８は液体ヘリウム５に浸漬され
ない（したがって冷却ヘッド１８が液面上の気化ガスに
曝される）程度に定めることが望ましい。この状態で
は、冷凍機９の動作によって冷却ヘッド１８を４．２Ｋ
以下の極低温としておけば、冷却室１６内の液体ヘリウ
ム５が気化したガスは冷却ヘッド１８の表面に接して再
液化（再凝縮）されることになる。したがって冷却室１
６内の液体ヘリウム５の量は実質的に常時一定に維持さ
れるから、測定プローブ１も常に液体ヘリウム５に浸漬
された状態を保ち、その液体ヘリウム温度（約４Ｋ）に
確実に冷却維持されることになる。

【００２１】ここで、冷凍機９の圧縮機３４および第１
段ＧＭ冷凍機３８、第２段ＧＭ冷凍機４２は、機械的振
動部分を持っているが、これらは測定プローブ１を収容
した真空断熱冷却容器２から離隔した冷凍機本体２２内
に設けられており、しかも冷凍機本体２２と測定プロー
ブ１の近傍の冷却ヘッド１８との間は可撓性を有する管
路２４によって連絡されているから、冷凍機本体２２内
の圧縮機３４等による機械的振動は管路２４の可撓性に
よって吸収、緩和され、冷却ヘッド１８付近まで機械的
振動が加えられることがない。したがってその冷却ヘッ
ド１８を挿入した真空断熱冷却容器２にも冷凍機に由来
する機械的振動が与えられることがなく、そのため測定
プローブ１の測定データに機械的振動によるノイズが加
わってしまうことを防止できる。

【００２２】前述のような機械的振動源は、磁性材料の
振動部分を有する場合、磁気振動源ともなるが、その部
分は冷却ヘッド１８から離隔した冷凍機本体２２内に存
在するため、測定プローブ１の付近の磁場が変化してし
まうおそれも少なく、このことからも測定データにノイ
ズが載るおそれを少なくすることができる。

【００２３】図４にはこの発明の冷却装置を用いたＳＱ
ＵＩＤ磁束計によって、生体磁気、例えば脳磁場を測定
する状況の一例を示す。

【００２４】図４において、被験者４４は磁気シールド
壁４０によって囲まれた磁気シールドルーム４２内に入
れられており、この被験者４４の頭部に前記真空断熱冷
却容器２の下面が対向するように、すなわち真空断熱冷
却容器２内の測定プローブ１が真空断熱冷却容器２の底
部の２重壁を介して被験者４４の頭部に対向するよう
に、真空断熱冷却容器２が配置される。一方冷凍機本体
２２は磁気シールドルーム４２の外部に配設され、その
冷凍機本体２２と磁気シールドルーム４２内の真空断熱
冷却容器２内に存在する冷却ヘッド１８との間は、磁気
シールド壁４０を貫通する可撓性管路２４によって連結
されている。またＳＱＵＩＤ磁束計のデータ処理部４６
も磁気シールドルーム４２の外部に配設されており、こ
のデータ処理部４６と磁気シールドルーム４２内の真空
断熱冷却容器２内に位置する測定プローブ１との間は、
磁気シールド壁４０を貫通する信号ケーブル４８によっ
て結合されている。

【００２５】さらに図５には、前述の冷却ヘッド１８と
冷凍機本体２２との間を結ぶ可撓性管路２４の他の例に
ついて、図２と同じ断面位置で示し、またその場合の冷
凍機９の全体システムを図６に示す。

【００２６】図５において、コルゲート管もしくはスパ
イラル管からなる可撓性を有する外管２６内の中央部分
には、図２の場合と同様に、コルゲート管もしくはスパ
イラル管からなる可撓性を有する往路内管２８および復
路内管３０が挿入されている。これらの往路内管２８、
復路内管３０は、既に述べたと同様に、冷凍機本体２２
内のＪＴ弁４６から真空断熱冷却容器２内の冷却ヘッド
１８まで極低温（約４Ｋ）のヘリウムミストを導き、ま
た冷却ヘッド１８から冷凍機本体２２へ戻すためのもの
である。

【００２７】さらに図５において、外管２６の内面と往
路内管２８、復路内管３０との中間には、外管２６に対
して同心状となるように中空管状の熱シールド部材５０
が配設されている。この熱シールド部材５０は、銅やア
ルミ等の良熱伝導材料からなるものであり、通常は極薄
板もしくは箔によって作られることにより単なる直管状
の中空管でも可撓性が与えられるが、場合によっては外
管２６等と同様にコルゲート管もしくはスパイラル管と
することによって可撓性を付与しても良い。さらにその
中空管状の熱シールド部材５０の内面に接するように、
中間温度媒体往路管５２および中間温度媒体復路管５４
が設けられている。これらの中間温度媒体往路管５２、
同復路管５４も、可撓性を有するようにコルゲート管も
しくはスパイラル管によって構成されている。そして中
間温度媒体往路管５２の先端部分（可撓性管路２４にお
ける冷却ヘッド１８の側の端部）は、図５では示されて
いないが、中間温度媒体復路管５４の先端部分に連続し
ている。なお外管２６の内面と熱シールド部材５０の外
面との間、およびシールド部材５０の内面と往路内管２
８、復路内管３０との間は、それぞれ真空断熱空間５
６，５８とされており、これらの真空断熱空間５６，５
８には、前記同様な多重層真空断熱層３３が設けられて
いる。

【００２８】ここで、中間温度媒体往路管５２には、冷
凍機本体２２内の冷媒系路における中間温度（冷却ヘッ
ド１８での温度よりも高温ではあるが室温より低い温
度）の部分からその中間温度の冷媒が導かれ、その冷媒
は中間温度媒体往路管５２の先端部分から中間温度媒体
往路管５４に流れて、冷凍機本体２２内の冷媒系路に戻
る。例えば図６の例においては、中間温度媒体往路管５
２、同復路管５４は、冷凍機本体２２における高圧側の
冷媒系路における第１熱交換器３６と第１段ＧＭ冷凍機
３８との間から導き出されている。

【００２９】図５、図６に示される例においては、可撓
性管路２４の外管２６と往路内管２８、復路内管３０と
の間に熱シールド部材５０が介在しており、この熱シー
ルド部材５０は、それに接する中間温度媒体往路管５２
および同復路管５４によって中間温度（例えば図６の例
では約８０Ｋ程度）に冷却保持されている。そのため外
側が常温雰囲気となっている外管２６から温度約４Ｋの
往路内管２８、復路内管３０への熱侵入を確実に防止
し、特に往路内管２８を流れるミスト状ヘリウムの温度
上昇を確実に防止して、冷却ヘッド１８において確実に
約４Ｋの極低温を得ることができる。

【００３０】

【発明の効果】この発明のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プロ
ーブ冷却装置によれば、冷凍機内の機械的振動部分に起
因してＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ部分に機械的振
動が加わることが防止され、また同じく冷凍機内の磁性
材料の振動部分に起因してＳＱＵＩＤ磁束計の測定プロ
ーブ付近の磁場に変化が生じることが防止され、そのた
め測定プローブによる測定データに対するノイズを最小
限に抑えることができるから、冷凍機を作動させたまま
の状態で、生体磁気等の微弱な磁気を高精度で測定する
ことができ、また特にノイズを電気的信号処理によって
キャンセルするための付加的なデータ処理回路も不要と
なって、このことからも高精度な磁気測定が可能とな
り、またデータ処理回路の簡易化を図ることができる。
さらにこの発明の冷却装置によれば、従来の図７に示さ
れる装置の場合のような液体ヘリウムのロスはほとんど
なく、ランニングコストが低くて済み、また従来の図８
に示される装置の場合のように液体ヘリウムを別途輸送
するためのポンプ等の手段も不要であって、装置コスト
の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷
却装置の一実施例を示す部分縦断正面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線における拡大断面図である。

【図３】図１の装置における冷凍機の冷凍システムの一
例を示す略解図である。

【図４】この発明の冷却装置を用いてＳＱＵＩＤ磁束計
により生体磁気を測定する状況の一例を示す略解図であ
る。

【図５】この発明の冷却装置における可撓性管路の他の
例を示す図で、図２に対応する拡大断面図である。

【図６】図５の可撓性管路を用いた場合の冷凍機の冷却
システムの一例を示す略解図である。

【図７】従来のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷却装
置の第１の例を示す略解図である。

【図８】従来のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷却装
置の第２の例を示す略解図である。

【図９】従来のＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷却装
置の第３の例を示す略解図である。

【符号の説明】

１ 測定プローブ ２ 真空断熱冷却容器 ５ 液体ヘリウム ９ 冷凍機 １８ 冷却ヘッド ２２ 冷凍機本体 ２４ 可撓性管路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＳＱＵＩＤ磁束計におけるＳＱＵＩＤ素
   子と検知コイルとを含む測定プローブを冷凍機によって
   極低温に冷却保持する装置において、 前記測定プローブを真空断熱冷却容器内に収容し、前記
   冷凍機の本体を前記真空断熱冷却容器から離隔して配置
   し、冷凍機の冷却ヘッドを冷凍機本体から延出させて真
   空断熱冷却容器内に配設し、かつ冷凍機本体と冷却ヘッ
   ドとの間の管路を可撓性管路にて構成したことを特徴と
   するＳＱＵＩＤ磁束計の測定プローブ冷却装置。