JPH0792002A - 液体ヘリウム液面計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 超電導線２と、この超電導線の一端に接続さ
れた前記超電導線を加熱するヒータ11と、前記超電導線
の両端に接続された電圧計５と、前記超電導線の他端と
前記ヒータの他端に接続された電源４とから構成される
液体ヘリウム液面計において、前記ヒータ11を温度の低
下とともに電気抵抗が増加する特性を有するヒータと
し、かつ、このヒータ11を前記超電導線２の全長にわた
って近接して設けてなる液体ヘリウム液面計である。 【効果】 ヘリウムガスに温度勾配があるとき、液体ヘ
リウムの蒸発によって液面が低下したとき、液体ヘリウ
ムの注入時などのクライオスタット内の液体ヘリウム液
面を正確に計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体ヘリウムを収納す
るクライオスタット（極低温容器）で使用される液体ヘ
リウム液面計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の液体ヘリウム液面計は、図６に示
すように、液体ヘリウム１の検出素子に超電導線２を利
用し、超電導線２の両端に電圧端子が設けてある。超電
導線２の上端部には、超電導線２の加熱源となるヒータ
３があり、超電導線２の一端とヒータ３の一端が接続さ
れ、超電導線２の他端とヒータ３の他端に電源端子が設
けてある。液体ヘリウム液面計測時は、電圧端子には電
圧計５が接続され、電源端子には電源４が接続される。
電源４から超電導線２とヒータ３に電流を流し、このと
き超電導線２に発生する電圧を電圧計５で測定し、超電
導線２の常電導状態における電気抵抗を求める。この電
気抵抗の値から液体ヘリウム液面を検出する。なお、こ
の形式の液体ヘリウム液面計については、参考文献“A
superconducting(Nb-Ti) liquid helium level detecto
r ”K.R.Efferson, in:Advances inCryogenic Engineer
ing, Vol.15,Plenum Press,New York(1970),p.124. が
ある。

【０００３】この液体ヘリウム液面計の超電導線２を液
体ヘリウム１に浸るように図６のように設置し、超電導
線２とヒータ３に流す電流を上昇させていくと、超電導
線２はヒータ３で加熱され、図７(a) に示すように、超
電導状態８から常電導状態９に転移し、一方、超電導線
２の電流と電気抵抗の関係が、図７(b) に示すように得
られる。すなわち、通電電流が上昇するとヒータ３によ
って加熱された超電導線２の上端部の温度は上昇し、超
電導線２の転移温度を超える温度に達すると超電導線２
の上端部は超電導状態８から常電導状態９に転移し、超
電導線２の上端部に電気抵抗が生じる。

【０００４】このため、超電導線２の上端部にジュール
発熱が生じ温度はさらに上昇する。すると熱伝導により
熱が超電導線２の下方へ伝わり、超電導状態８にある超
電導線２の温度が上昇し、常電導状態９に転移する。こ
うして常電導状態９に転移した領域がジュール発熱とと
もに下方へ次々と伝播していく。

【０００５】常電導状態９に転移する領域は図７に示す
四つの電流範囲によって分類される。電流範囲ａの電流
を流すとヘリウムガス10の冷却により常電導状態９の領
域のジュール発熱は吸収され、ヘリウムガス10による冷
却と常電導状態９の領域のジュール発熱は熱的平衡状態
に達し、常電導状態９の領域の拡大はヘリウムガス10中
の途中で抑えられる。

【０００６】電流範囲ｂの電流を流すとヘリウムガス10
による冷却ではジュール発熱は吸収できず、常電導状態
９の領域は液体ヘリウム１に向かって拡大しようとする
が、液体ヘリウム１による冷却は常電導状態９の領域の
ジュール発熱を全て吸収するので、常電導状態９の領域
を縮小させようとする。このために常電導状態９は液体
ヘリウム液面６で止まってしまう。

【０００７】電流範囲ｃの電流を流すと常電導状態９の
領域のジュール発熱は液体ヘリウム１による冷却でさえ
も吸収されないので液体ヘリウム１中にある超電導線２
の一部は常電導状態９になる。さらに、電流範囲ｄの電
流を流すと、液体ヘリウム１はジュール発熱を奪うこと
ができず、全ての超電導線２が常電導状態９に転移す
る。

【０００８】超電導線２を用いる液体ヘリウム液面計
は、超電導状態８と常電導状態９の境界を液体ヘリウム
液面６に一致させる領域の電流範囲ｂの電流を通電す
る。このときに、超電導線２に生じる電気抵抗はヘリウ
ムガス10中の常電導状態９にある超電導線２の電気抵抗
である。この電気抵抗を計測し、ヘリウムガス10中の常
電導状態９にある超電導線２の単位長さ当たりの電気抵
抗でこの値を算術的に割ることでヘリウムガス10中に存
在する超電導線２の長さが求まり、液体ヘリウム液面６
下にある超電導線２の長さがわかる。このようにして、
液体ヘリウム液面計の設置位置から、液体ヘリウム液面
を計測することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の液体ヘ
リウム液面計に用いられているヒータは金属製であるた
め、抵抗温度係数が正（温度の低下とともに電気抵抗が
減少する）であるので、ヒータを超電導線の全長にわた
って設けても、クライオスタット内のヘリウムガスの温
度勾配に対して、超電導線を均一に加熱することが不可
能である。すなわち、従来の金属製ヒータは一定電流を
通電すると、低温では小さなジュール発熱、高温では大
きなジュール発熱が生じるので、ヒータは超電導線の温
度が低いところでは小さな熱を、温度が高いところでは
大きな熱を超電導線に与えることになる。

【００１０】前述のように、ヒータ３に電流範囲ｂの電
流を流し続けたとしても、ヒータ３は液体ヘリウムの搬
送中は、液体ヘリウムのミストによる超電導線の過冷却
部分を常電導状態に加熱することができない。このた
め、超電導線の過冷却部分は超電導状態となり、その結
果電気抵抗が発生しなくなり、液体ヘリウム液面を正確
に検出することができなくなる。

【００１１】また、液体ヘリウムを収納したクライオス
タット内のヘリウムガスに温度勾配（例えば、クライオ
スタット内の上部は１５Ｋ程度になることがある）があ
るとき、さらに、液体ヘリウムの蒸発によって、液体ヘ
リウム液面が低下したり、クライオスタット内に常温部
から試料等を挿入するとき、液体ヘリウム液面計の超電
導線に温度勾配が生じる。この場合も、ヒータ３でヘリ
ウムガス中の超電導線を均一な温度に加熱することはで
きない。

【００１２】このため、ヘリウムガス中の超電導線の温
度が長さ方向にわたり不均一となり、超電導線の常電導
状態における電気抵抗が超電導線の位置によって一定で
なくなる。超電導線の温度と電気抵抗との関係は図８に
示すように、転移温度７よりも高い温度では超電導線の
電気抵抗は温度に依存して変化する。したがって、常電
導状態の超電導線の電気抵抗と長さとの間にはリニアリ
ティの関係がなくなるので、超電導線は液体ヘリウム液
面を正確に検出できなくなる。

【００１３】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、液体ヘリウム液面計の超電導線を長さ
方向にヒータで均一に加熱し、超電導線の常電導状態の
電気抵抗を長さ方向に均一にすることによって、ヘリウ
ムガスに温度勾配があるとき、液体ヘリウムの蒸発によ
って液面が低下したとき、液体ヘリウムの注入時などの
クライオスタット内の液体ヘリウム液面を正確に計測で
きる液体ヘリウム液面計を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】超電導線と、この超電導
線の一端に接続された前記超電導線を加熱するヒータ
と、前記超電導線の両端に接続された電圧計と、前記超
電導線の他端と前記ヒータの他端に接続された電源とか
ら構成される液体ヘリウム液面計において、前記ヒータ
を温度の低下とともに電気抵抗が増加する特性を有する
ヒータとし、かつ、このヒータを前記超電導線の全長に
わたって近接して設けてなる液体ヘリウム液面計であ
る。

【００１５】

【作用】本発明に係わる液体ヘリウム液面計は、液体ヘ
リウム液面計の超電導線の全長にわたり、温度の低下と
ともに電気抵抗が増加する特性を有するヒータを近接し
て設け、このヒータで超電導線を均一に加熱して液体ヘ
リウム液面を精度よく計測するものである。

【００１６】本発明の液体ヘリウム液面計に使用するヒ
ータは４０Ｋ以下で、図９に示すように、温度の低下に
ともなって電気抵抗が増加する特性を有するものであ
る。例えば、このようなヒータには炭素線などがある。
このような特性を有するヒータに一定電流を通電する
と、低温では大きなジュール発熱、高温では小さなジュ
ール発熱が生じるので、ヒータは超電導線の温度が低い
ところでは大きな熱を、温度が高いところでは小さな熱
を超電導線に与える。この結果、超電導線の温度をヘリ
ウムガス中において均一に、すなわち超電導線の常電導
状態における電気抵抗を長さ方向に均一にすることがで
きる。

【００１７】したがって、本発明の液体ヘリウム液面計
では、ヘリウムガス中に発生する超電導線の常電導状態
の領域の電気抵抗をヘリウムガスの高さにリニアに換算
させることができるので、精度よくヘリウムガスの高さ
が検出できる。つまり、本発明の液体ヘリウム液面計は
液体ヘリウム液面を精度よく計測できる。

【００１８】例えば、大量に蒸発したヘリウムガスによ
る過度の冷却により、ヘリウムガス中の超電導線が転移
温度以下に冷却されている場合、図６に示した従来の液
体ヘリウム液面計では超電導線の上端部にのみヒータを
設けているため、ヒータの発熱はヒータを設けた部分の
超電導線を常電導状態に転移させるが、他の部分はヘリ
ウムガスの冷却によって常電導状態への転移が抑制され
る。このため、ヘリウムガス中では超電導線の常電導状
態は伝播しない。

【００１９】したがって、従来の液体ヘリウム液面計は
ヘリウムガス中でさえも液体ヘリウムが存在しているか
のような挙動を示す。この様子を図10に示す。しかし、
本発明のように、ヒータを超電導線の全長にわたり近接
して設けると、図11に示すように、ヘリウムガス中にあ
る超電導線の温度は転移温度を超え、しかもヒータから
超電導線への加熱は、低い温度で大きく、高い温度で小
さくなるので、ヘリウムガス中の超電導線の温度分布は
均一になる。

【００２０】また、ヘリウムガス中に温度勾配があると
き、従来の液体ヘリウム液面計の超電導線の温度分布は
図12のようになる。このときの超電導線の電気抵抗は図
13のように長さ方向に不均一になる。しかし、本発明の
液体ヘリウム液面計では、超電導線の温度分布は図14に
示すようになる。すなわち、ヒータの超電導線への加熱
は、より低い温度では大きく、より高い温度では小さく
なるので、ヘリウムガス中における超電導線の温度分布
は長さ方向に均一になる。したがって、ヘリウムガス中
の温度勾配が変化しても、その温度に応じてヒータの発
熱が変化するので、超電導線がいかなる温度分布になっ
ても自動的に超電導線の温度を均一にすることができ
る。

【００２１】以上述べたように、本発明に係わる液体ヘ
リウム液面計は、液体ヘリウム液面計のヘリウムガス中
にある超電導線をヒータで転移温度超えの温度に加熱
し、均一な温度分布にするため、超電導線の常電導状態
の電気抵抗は長さ方向に均一となり、電気抵抗と長さと
の間にはリニアリティの関係が保たれ、超電導線の電気
抵抗を計測することによって、クライオスタット内の液
体ヘリウム液面を正確に計測することができる。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
本発明に係わる液体ヘリウム液面計の概念図を図１に示
す。図１(a) は超電導線２の周囲に全長にわたって超電
導線２の加熱源となるヒータ11を螺旋状に近接して設け
たもので、図１(b) は超電導線２の全長にわたって超電
導線２の加熱源となるヒータ11を隣接して設けたもので
ある。

【００２３】本発明の液体ヘリウム液面計は、図１に示
すように、液体ヘリウムの検出素子に超電導線２を利用
し、超電導線２の両端に電圧端子が設けてある。超電導
線２の一端とヒータ11の一端が接続され、超電導線２の
他端とヒータ11の他端に電源端子が設けてある。液体ヘ
リウム液面計測時は、電圧端子には電圧計５が接続さ
れ、電源端子には電源４が接続される。電源４から超電
導線２とヒータ11に一定電流を流し、このとき超電導線
２に発生する電圧を電圧計５で測定し、超電導線２の電
気抵抗を求める。この電気抵抗の値から液体ヘリウム液
面を計測する。なお、ヒータ11には炭素線を用いた。

【００２４】本発明の液体ヘリウム液面計を図２に示す
ようにクライオスタット12に設置して、液体ヘリウムを
トランスファー・チューブ13によりクライオスタット12
内に注入したときの液体ヘリウム液面の変化を計測し
た。このときの液体ヘリウム液面計の液面指示の時間変
化を図３に示す。クライオスタット12内に液体ヘリウム
が溜まり始めるまでは、クライオスタット12内の注入し
た液体ヘリウムから蒸発したヘリウムガスの温度に関係
なく超電導線２全体がヒータ11に加熱されて転移温度以
上になり、正しい液面（液体ヘリウムが溜まっていな
い）を指示する。

【００２５】クライオスタット12内に液体ヘリウムが溜
まり始めると、ヘリウムガスによる冷却とヒータ11によ
る加熱がバランスし、ヘリウムガス中の超電導線２は常
電導状態、液体ヘリウム中の超電導線２は超電導状態に
なる。そして液体ヘリウム液面計は正しい液面を指示
し、指示液面は注入時間とともに（注入量とともに）上
昇する。

【００２６】超電導線２に流す電流値を最適に（超電導
線２がヘリウムガス中では常電導状態に、液体ヘリウム
中では超電導状態になるように）すると、ヒータ11を超
電導線２の周囲に全長にわたって螺旋状に近接して設け
ておいても、液体ヘリウム液面計は正しい液面を指示す
る。すなわち、液体ヘリウム液面がクライオスタット12
の満杯の位置に達した時には、液体ヘリウム液面計は満
杯の正しい液面を指示する。その結果、液体ヘリウムが
いつ満杯になったかがわかり、クライオスタットへの液
体ヘリウムの注入作業が非常に簡便になった。

【００２７】比較例として、図６に示した従来の液体ヘ
リウム液面計を図４に示すようにクライオスタット12に
設置して、液体ヘリウムをトランスファー・チューブ13
によりクライオスタット12内に注入したときの液体ヘリ
ウム液面の変化を計測した。このときの液体ヘリウム液
面計の液面指示の時間変化を図５に示す。クライオスタ
ット12内のヘリウムガスが超電導線２の転移温度以上で
ある間は、クライオスタット12内に液体ヘリウムが溜ま
っていない、すなわち正しい液面を指示する。

【００２８】しかし、従来の液体ヘリウム液面計は、注
入する液体ヘリウムの蒸発によりクライオスタット12内
のヘリウムガスが超電導線２の転移温度以下になると、
超電導線２の上端部にあるヒータ３の加熱だけではヘリ
ウムガス中の超電導線２全体を常電導状態にすることが
できなくなり、液体ヘリウムが溜まっていないにもかか
わらず液体ヘリウムが超電導線２の長さからヒータ３の
長さを差し引いた位置にまで溜まったかのような液面を
指示する。

【００２９】この状態は、液体ヘリウムの注入を行って
いる間続き、液体ヘリウムがいつ満杯になったのかわか
らない。このとき、ヒータと超電導線に流す電流を高め
ても、この状態は変わらなかった。このように、従来の
液体ヘリウム液面計では、クライオスタット内のヘリウ
ムガスが超電導線の転移温度以下であるときは、正しい
液面を指示することができなかった。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように、本
発明の液体ヘリウム液面計によれば、ヘリウムガスに温
度勾配があるとき、液体ヘリウムの蒸発によって液面が
低下したとき、液体ヘリウムの注入時などのクライオス
タット内の液体ヘリウム液面を正確に計測することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液体ヘリウム液面計の概念図である。

【図２】本発明の液体ヘリウム液面計を用いた実施例の
説明図である。

【図３】本発明の液体ヘリウム液面計を用いた実施例の
液面指示を示す図である。

【図４】従来の液体ヘリウム液面計を用いた比較例の説
明図である。

【図５】従来の液体ヘリウム液面計を用いた比較例の液
面指示を示す図である。

【図６】従来の液体ヘリウム液面計の概念図である。

【図７】従来の液体ヘリウム液面計における通電時の超
電導線の超電導状態から常電導状態への転移状況および
超電導線の電気抵抗変化を示す図である。

【図８】超電導線の温度と電気抵抗との関係を示す図で
ある。

【図９】本発明の液体ヘリウム液面計に使用するヒータ
の電気抵抗と温度との関係を示す概念図である。

【図10】従来の液体ヘリウム液面計におけるヘリウムガ
スが転移温度以下に冷却されているときの超電導線の温
度分布例を示す図である。

【図11】本発明の液体ヘリウム液面計におけるヘリウム
ガスが転移温度以下に冷却されているときの超電導線の
温度分布例を示す図である。

【図12】従来の液体ヘリウム液面計におけるヘリウムガ
スに温度勾配があるときの超電導線の温度分布例を示す
図である。

【図13】従来の液体ヘリウム液面計におけるヘリウムガ
スに温度勾配があるときの超電導線の電気抵抗変化例を
示す図である。

【図14】本発明の液体ヘリウム液面計におけるヘリウム
ガスに温度勾配があるときの超電導線の温度分布例を示
す図である。

【符号の説明】

１…液体ヘリウム、２…超電導線、３…ヒータ、４…電
源、５…電圧計、６…液体ヘリウム液面、７…転移温
度、８…超電導状態、９…常電導状態、10…ヘリウムガ
ス、11…ヒータ、12…クライオスタット、13…トランス
ファー・チューブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超電導線と、この超電導線の一端に接続
   された前記超電導線を加熱するヒータと、前記超電導線
   の両端に接続された電圧計と、前記超電導線の他端と前
   記ヒータの他端に接続された電源とから構成される液体
   ヘリウム液面計において、前記ヒータを温度の低下とと
   もに電気抵抗が増加する特性を有するヒータとし、か
   つ、このヒータを前記超電導線の全長にわたって近接し
   て設けてなることを特徴とする液体ヘリウム液面計。