JPH1145807A

JPH1145807A - 超電導マグネット装置

Info

Publication number: JPH1145807A
Application number: JP15025698A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sasaki; 高士佐々木; Masanori Shin; 政憲新; Koji Ito; 孝治伊藤; Masamichi Kawai; 正道河合; Takahiro Dobashi; 隆博土橋; Yoshihiro Oguchi; 義広小口
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】超電導コイルが受ける反発力を支持するサポー
ト構成を簡素に構築し、小型軽量化に最適な装置を比較
的安価に提供する。【解決手段】超電導マグネット装置は、真空容器１内の
軸方向に対峙して並設される２つの環状超電導コイル２
ａ、２ｂと、この２つのコイル２ａ、２ｂを支持するサ
ポートとを備える。このサポートを、両コイル２ａ、２
ｂを互いに軸方向ＡＸに連結するコイル連結体（連結部
材１０及び間隔保持部材２０）と、このコイル連結体に
より連結された両コイル２ａ、２ｂを一体に支持する支
持体（ヘリウム容器サポート３０）とで構成し、この支
持体を介して両コイル２ａ、２ｂを真空容器１に取り付
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体用単結晶
の引上げ装置等に使用される超電導マグネット装置に係
り、特にカスプ型磁場を発生する超電導コイルの反発力
サポート機構及びその磁場分布制御の工夫に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超電導マグネット装置には、主に
半導体用単結晶の引上げ装置に使用されるものであっ
て、電気的に直列に接続された２つの環状超電導コイル
を互いに軸上に対峙させて配置し、両者を逆極性で励磁
することにより、カスプ型と呼ばれる磁場を発生させる
ものが知られている。この一例を図１３に示す。

【０００３】図１３に示す超電導マグネット装置におい
ては、電気的に直列に接続された２つの環状超電導コイ
ル（以下「コイル」）１０１ａ、１０１ｂが環状真空容
器１０２内の開口部ＯＰの軸方向ＡＸの異なる上下位置
に対峙して並設されており、この両コイル１０１ａ、１
０１ｂに図示しない外部の励磁電源からの電流供給が行
われる。

【０００４】このとき、両コイル１０１ａ、１０１ｂに
は同一電流が流れるため、マグネット内には図中の磁力
線Ｂ１…Ｂ１で示すように両コイル１０１ａ、１０１ｂ
間の中立線Ａ１を挟んで対称となる磁場、即ちカスプ型
磁場が生成されると共に、この対称磁場分布に伴って両
コイル１０１ａ、１０１ｂには互いに反対向きの反発力
Ｆ１、Ｆ１が作用する。このような反発力Ｆ１は、マグ
ネットが大型化する程大きく、例えば数１０トン〜数百
トンに達する。

【０００５】そこで、一般にカスプ磁場を発生させる装
置では、両コイルが受ける反発力を支持するためのサポ
ート機構が真空容器内に装備されている。この一例を図
１４に示す。

【０００６】図１４に示す上記と同様の真空容器１０２
内に両コイル１０１ａ、１０１ｂを備えた超電導マグネ
ット装置においては、両コイル１０１ａ、１０１ｂの周
囲に液体ヘリウム通路用の環状ヘリウム容器１０３ａ、
１０３ｂを配設し、そのヘリウム容器１０３ａ、１０３
ｂの外部と内部にサポート１０４ａ、１０４ｂを設け、
両サポート１０４ａ、１０４ｂの圧縮強度を利用して両
コイル１０１ａ、１０１ｂの反発力を支持するようにな
っている。

【０００７】このようなサポート機構を備えたマグネッ
ト装置では、真空容器１０２外の熱がサポート１０４ａ
を伝わってヘリウム容器１０３ａ、１０３ｂ内に侵入し
てくる。そこで通常、このタイプの装置では、真空容器
１０２の外部に冷凍機１１０を設け、ヘリウム容器１０
３ａの周囲にその冷凍機１１０と熱的に接続された２重
の輻射シールド１０５ａ、１０５ｂを配置し、この各輻
射シールド１０５ａ、１０５ｂとサポート１０４ａとを
互いに熱的に接続することにより、その各接続部を介し
てサポート１０４ａを媒体とする侵入熱の一部を輻射シ
ールド１０５ａ、１０５ｂにより吸収するようになって
いる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例のカスプ型磁場の超電導マグネット装置では、
サポートの圧縮強度を利用してコイルの反発力を支持す
る構造であるため、例えば装置の大型化に伴う強大な反
発力を支持するためには圧縮力による座屈等を防止する
観点からサポート断面積を大きく取らなければならない
といった制約があった。

【０００９】従って、この場合には、サポート断面積の
増大により、外部からサポートへの侵入熱も大きくなる
ため、液体ヘリウムの蒸発量が増加し、その充填回数や
維持費が増大するほか、輻射シールドを冷やす冷凍機の
設置台数を増やしたり、あるいは大型化して性能を上げ
る等の必要もあり、その結果、マグネット装置がその重
量も含めて全体として大型化し、より高価なものになる
といった問題があった。

【００１０】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、超電導コイルが受ける反発力を支
持するサポート構成を簡素に構築し、小型軽量化に最適
な装置を比較的安価に提供することを、目的とする。

【００１１】一方、従来のマグネットにおいては、コイ
ルが直列に接続されるため、総インダクタンスが増大し
励磁時の電源の必要容量が増大するといった問題があっ
た。

【００１２】従ってこの発明では、励磁時の電源の必要
容量を低減することを第２の目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明に係る超電導マグネット装置は、真空容器
内の軸方向に対峙して並設される２つの環状超電導コイ
ルと、この２つの超電導コイルを支持するサポートとを
備えた超電導マグネット装置であって、サポートを、２
つの超電導コイルを互いに軸方向に連結するコイル連結
体と、このコイル連結体により連結された２つの超電導
コイルを一体に支持する支持体とで構成し、この支持体
を介して２つの超電導コイルを真空容器に取り付けたこ
とを特徴とする。

【００１４】この発明によれば、２つの超電導コイルに
働く反発力を真空容器と接触状態にある支持体とは切り
離してコイル連結体のみで支持させることが可能となる
ため、反発力対策としてサポート断面積を大きくすると
いった強度設計上の制約も殆ど解消でき、真空容器の外
部から低温部への侵入熱も大幅に抑制できる。

【００１５】この発明の１つの側面として、コイル連結
体を２つの超電導コイルの周囲に周方向に配置される円
環状部材、好ましくは超電導コイルの巻回用巻枠で構成
する。巻枠を用いれば、コイルを巻枠から外すことな
く、そのまま組み立てることができ、製作日数の少なく
比較的安価な装置を提供できる利点もある。

【００１６】別の側面として、コイル連結体を２つの超
電導コイルの周囲に周方向に一定の間隔で配置される複
数個の円弧状部材で構成する。

【００１７】いずれの側面においても、コイル連結体
は、好ましくは２つの超電導コイルをその軸方向に挟ん
で連結する連結部材と、この連結部材で連結される２つ
の超電導コイルの軸方向の間隔を保持する間隔保持部材
とを備える。

【００１８】ここで、連結部材の一態様としては、２つ
の超電導コイルの径方向の内側及び外側の少なくとも一
方にその軸方向に沿って延びるベース体と、このベース
体の軸方向の両端部から２つの超電導コイルの軸方向の
外側側面側に屈曲して延びる肩体とで構成する。

【００１９】この場合には、ベース体と肩体とを一体に
形成し、例えば断面コの字状の連結部材としてもよい。
他の態様として、肩体は、２つの超電導コイルの軸方向
の外側側面にそれぞれ当接して配置される２つの端板で
なり、ベース体は、その２つの端体間を軸方向に締結す
る締結部材でなる。

【００２０】また、超電導コイルの励消磁時に発生する
渦電流を低減するため、連結部材の周方向に渦電流抑制
用のスリットを設けることが好ましい。

【００２１】連結部材の材料として好ましくは、高熱伝
導率材料又はこの高熱伝導材料と高強度材料との複合材
で構成する。この場合には、両コイルを均一な温度に保
ち、あるいは高強度の連結部材を用いて装置信頼性をよ
り一層高める利点もある。

【００２２】間隔保持部材の一態様としては、２つの超
電導コイル及び連結部材間の軸方向の熱膨張差に応じて
２つの超電導コイルの軸方向の間隙長を自在に調整する
機構を備える。

【００２３】なお、この発明のその他の態様として、以
下の構成を採用してもよい。

【００２４】１）：２つの超電導コイルの軸方向の導体
中心距離とその径方向の導体中心半径とを等しくする。
この場合には、最も効率がよいとされる磁場分布を発生
させることが可能となり、導体の線長を最短にする利点
もある。

【００２５】２）：２つの超電導コイルの少なくとも一
方の径方向に補助用の環状超電導コイルを同軸に設け
る。この場合には、超電導コイルとは別の電源で補助用
コイルを励磁する等の磁場分布制御が可能となる。従っ
て、補助用コイルを励磁または消磁させることにより、
コイルに対して磁場の対称軸をコイル軸方向の任意の位
置に移動（上下動）させることができ、例えば磁石全体
（あるいは単結晶の引上げ装置の場合には「るつぼ」も
含む）を移動させる大型の機構が不要となる利点もあ
る。この利点は、２つの超電導コイルの少なくとも一方
の軸方向に補助用の環状超電導コイルを並設する場合も
同様である。

【００２６】３）：２つの超電導コイルをその発生磁界
を互いに異ならせて励磁させる手段を備える。この手段
の一態様としては、２つのコイルを互いに別電源で励磁
し、各電源の電流を変化させることにより、磁場が最大
または最小となる位置をコイル軸方向の任意の位置に設
定する手段がある。

【００２７】４）：２つの超電導コイルの少なくとも一
方の軸方向の外側にその２つの超電導コイルとの間で逆
向きの磁場を発生する補助用の環状コイルを設ける。こ
の場合には、補助用の環状コイルにより外部への漏洩磁
界を低減でき、より一層の軽量化が可能となる利点もあ
る。

【００２８】またこの発明の別の側面に係る超電導マグ
ネット装置では、環状に形成された対を成す超電導コイ
ルと、この対を成す超電導コイルを互いにその軸方向に
対峙させた状態で包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取り付け
られ且つ前記対を成す超電導コイル及び輻射シールドを
冷却する冷凍機とを備え、前記対を成す超電導コイルの
一方を電気的に短絡させたことを特徴とする。この場合
には、対を成す超電導コイルの一方を超電導状態で電気
的に短絡させることが好ましい。この場合には、電源か
ら見た場合のマグネットの総インダクタンスが従来の場
合よりも格段に小さくなるため、励磁電源の必要容量を
大幅に少さくできる。

【００２９】例えば、超電導マグネット装置の上下に配
置された環状の超電導コイルの内片側（上側または下
側）のコイルを短絡して設置した場合、電源から見た場
合のマグネットの総インダクタンスが「Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ
₂（Ｌ₁：非短絡側のコイルの自己インダクタンス、Ｌ
₂：短絡側のコイルの自己インダクタンス、Ｍ：両コイ
ルの相互インダクタンス）」となって従来のマグネット
構成の場合の値、すなわち「Ｌ₁−２Ｍ＋Ｌ₂」よりも
格段に小さくなるため、励磁電源の必要容量を大幅に少
なくできる。

【００３０】また、対を成す超電導コイルの一方を有限
抵抗を有する状態で電気的に短絡させてもよい。この場
合には、片側のコイルの減衰時定数を任意の値に設定で
きるため、カスプ磁場の対称軸を設定された時間変化率
で上下に移動させることが可能となる。

【００３１】このような超電導マグネットの構成では、
好ましくは前記対を成す超電導コイルの内周側及び外周
側の少なくとも一方に断面コの字型の連結部材を設ける
と共に、前記対を成す超電導コイル間に間隔保持部材を
設置し、この間隔保持部材および前記連結部材を介して
前記対を成す超電導コイルを互いにその軸方向に連結し
たことを特徴とする。この場合には、超電導コイル同士
を互いに連結してあるため、低熱侵入で、小型軽量化で
き、信頼性をより一層高めた磁石をより安価に提供でき
る。

【００３２】前記連結部材は、その周方向の少なくとも
１箇所に渦電流を抑制するためのスリットを有する構成
でもよい。この場合には、連結部材にスリットを設ける
ことで励消磁時に発生する渦電流を低減し、渦電流によ
る発熱が小さくヘリウムの蒸発量の少ないマグネットを
供給できる。

【００３３】前記連結部材は、高熱伝導率材料又はこれ
と高強度材料との複合材で構成したものでもよい。この
場合には、連結部材を高熱伝導材料、または高熱伝導材
料と高強度材料からなる複合材で構成することで上下コ
イルが均一の温度となり、かつ高強度の連結部材となる
ため信頼性をより一層高くすることができる。

【００３４】例えば、連結部材をアルミニウムや銅など
の熱伝導のよい材料を使用することで、液体ヘリウムの
液面が下がってきてコイルが液面から露出した状態にな
った場合でも連結部材による伝熱により冷やすことがで
きる。また、連結部材を高熱伝導材料と、ステンレス鋼
等の比較的強度の高い材料からなる複合材で構成した場
合には、熱伝導を良好で、かつ強度も高めることができ
る。

【００３５】前記連結部材は、前記超電導コイルの巻回
時の巻枠で構成してもよい。この場合には、連結部材を
コイル巻回時の巻枠にすることで、組み立ての際にコイ
ルを巻枠から外すことなくそのまま組み立てることがで
き、製作日数の少ない安価で信頼性のより高い磁石をす
ることを供給できる。

【００３６】例えば、超電導コイルを巻回する巻枠が連
結部材としてコイルと一体にヘリウム容器内に内蔵すれ
ば、巻線後に巻枠からコイルを取り外すことなく、その
ままヘリウム容器内に組み込むことができる。

【００３７】上記の連結部材によれば、例えばステンレ
ス鋼などの非磁性材料で構成し、環状コイルの円周方向
に配置することで、両コイルに発生する強力な反発力に
耐える反発力サポートとしての役目を果たし、上下コイ
ルと連結部材とを全体に一体化させた状態で極低温状態
に冷却することができる。従って、上下コイルに発生す
る強力な反発力を支持するサポートを従来のように外部
（常温側）からとる必要がなくなり、ヘリウム容器を支
えるサポートも細く長くすることができる。

【００３８】このようなサポートとして、ヘリウム容器
全体を吊り下げるヘリウム容器サポートを設けてもよ
い。この場合のサポート強度は、ヘリウム容器全体の自
重（数百キログラム〜数トン）を支えるのみでよく、従
ってサポート断面積が従来装置よりも十分に少なくて済
み、ヘリウム容器と輻射シールドとの間の狭い隙間を通
すことが可能となり、伝熱距離をかせぐためにサポート
の長さも十分長くすることができる。このヘリウム容器
サポートは、途中で輻射シールドに熱的に接続し、真空
容器からヘリウム容器内に直接熱が入らない構造とする
ことが好ましい。

【００３９】このように反発力サポートを伝わって外部
から熱が入ってくることがなくなり、外部からヘリウム
容器に入ってくる熱も少なくすることができることか
ら、液体ヘリウムの消費量は少なくかつ、サポートを伝
わって輻射シールドに入る熱も少なくてすむので冷凍機
の台数を増やす必要もない。

【００４０】前記間隔保持部材は、好ましくは前記対を
成す超電導コイル及び連結部材のそれぞれの軸方向の熱
膨張差を吸収するバネと、このバネを介して前記対を成
す超電導コイルの間隙長を自在に調整する機構とを備え
たことを特徴とする。この場合には、間隔保持部材にバ
ネを用いてあるため、異なる材料で異なる熱収縮率をも
つコイルと連結部材を用いた場合でも、熱収縮による応
力を低減できる。

【００４１】また、間隔保持部材として、当て板、押し
棒、ナットを組み合わせたターンバックル構造のものを
採用することもできる。この場合には、例えば上下コイ
ルの軸方向の対向面のそれぞれに当て板を設置し、この
両当て板を機械的または冶金的に押し棒で連結し、この
押し棒をナットにより自在に伸ばしたり縮めたりする構
成が好ましい。このとき、両コイルのそれぞれは、コの
字型連結部材と当て板との間に挟着され、全体が一体化
された構造となる。

【００４２】両当て板間に配置される押し棒として、ス
テンレス材料等で構成される２本の間隔棒をバネを介し
てナットでその隙間を調整可能な構造のもの採用するこ
とができる。この場合には、２本の隙間にバネを配置
し、この隙間の長さをナットで調整できるため、例えば
連結部材をアルミニウム材料で構成した場合等にその熱
収縮差をバネを介して吸収でき、互いの部材の熱収縮時
に応力が発生することがなくなる。また、コイルと各部
材との熱収縮差もバネを介して吸収できる。

【００４３】この発明に係る超電導マグネット装置は、
環状に形成された対を成す超電導コイルと、この対を成
す超電導コイルを互いにその軸方向に対峙させた状態で
包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する
真空容器と、この真空容器に取り付けられ且つ前記超電
導コイル及び輻射シールドを冷却する冷凍機とを備え、
前記対を成す超電導コイル間に間隔保持部材を装着する
と共に、前記対を成す超電導コイルの軸方向外側の端部
に当接する位置に対を成す端板を配設し、この対を成す
端板同士を締結部材で締結し、前記端板間にその締結部
材を介して前記超電導コイル及び間隔保持部材を挟着し
たことを特徴とする。この場合、両超電導コイルは、互
いに両端板と当て板との間に挟着され、間隔保持部材、
端板、締結部材によって一体化して連結されているた
め、低熱侵入で、小型軽量化でき、信頼性をより一層高
めた磁石をより安価に提供できる。ここで、端板は一体
物のドーナツ円板もしくはコイル周方向に複数に分割さ
れた複数個の扇形状板材で構成することができる。

【００４４】この発明では、好ましくは前記超電導コイ
ルの導体中心半径がその上下コイル間の導体中心距離と
等しい又はそれよりも大きいことを特徴とする。このよ
うにコイルの導体中心直径と上下コイル間の距離を等し
くすることで導体の線長を最短にすることができ、より
一層効率のよい磁場を発生させることができる。

【００４５】例えば、上下コイルをそれぞれ導体中心半
径の寸法で巻回し、この寸法と両コイルの導体中心距離
の間隔とを等しく設定すれば、上コイルまたは下コイル
のコイル軸に平行な軸方向位置での磁束密度と、カスプ
磁場対称軸に平行な位置での磁束密度とがほぼ等しくな
るため、最も効率のよい磁場を発生させることができ、
超電導コイルの運転裕度も適正に確保でき、信頼性がよ
り高く、小型軽量化可能な構造をより安価に提供でき
る。

【００４６】この発明に係る超電導マグネット装置は、
環状に形成された対を成す超電導コイルと、この対を成
す超電導コイルを互いにその軸方向に対峙させた状態で
包囲する輻射シールドと、この輻射シールドを包囲する
真空容器と、この真空容器に取り付けられ且つ前記超電
導コイル及び輻射シールドを冷却する冷凍機とを備え、
前記対を成す超電導コイルの半径方向外側に補助コイル
を設置したことを特徴とする。このように逆向きの磁界
を発生する補助コイルを付設すれば、外部への漏洩磁界
をより効果的に低減でき、軽量で、より信頼性の高い磁
石を供給できる。

【００４７】例えば、上下コイルのそれぞれに補助コイ
ルを設けた場合、上コイルの発生する磁場に対して上側
の補助コイルに逆向きの磁場を発生させることにより、
磁石上部から外部に漏洩する磁界を低減することがで
き、磁石周辺の磁性体や電子機器に磁場の影響を与える
ことがなくなる。下コイルと補助コイルについても同様
であり、全体として漏洩磁界の少ない超電導磁石を供給
できる。この場合には、鉄等の磁性体を用いて漏洩磁界
を少なくする方法よりも小型で軽量な磁石を供給でき
る。

【００４８】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る超電導マグ
ネット装置の具体的な実施形態を図面を参照して説明す
る。

【００４９】（第１実施形態）図１に示す超電導マグネ
ット装置は、環状真空容器１の開口部内の軸方向の異な
る上下位置に２つの環状超電導コイル（以下「コイ
ル」）２ａ、２ｂを対峙させて配置し、この２つのコイ
ル２ａ、２ｂの周囲を環状ヘリウム容器３で一体に囲
い、そのヘリウム容器３の周囲を２重の環状輻射シール
ド４ａ、４ｂで覆う構造となっている。この内、各輻射
シールド４ａ、４ｂは真空容器１の外部に配置される図
示しない冷凍機に熱的に接続されている。

【００５０】このマグネット装置には、この発明のコイ
ル連結体として、両コイル２ａ、２ｂを互いに軸方向に
挟んで連結する非磁性材料（ステンレス鋼等）製の連結
部材１０と、両コイル２ａ、２ｂの軸方向の間隔を保持
する間隔保持部材２０とがヘリウム容器３の内部のコイ
ル周方向に複数個に分割して配置されている。また真空
容器１内には、この発明の支持体として、ヘリウム容器
３を支持するヘリウム容器サポート３０が配設されてい
る。

【００５１】連結部材１０は、両コイル２ａ、２ｂの外
周面側及び内周面側の少なくとも一方（図中では外周面
側）で軸方向に延びるベース体（リング部分）１１と、
このベース体１１の両端部から各コイル２ａ、２ｂの軸
方向ＡＸの外側側面側にそれぞれ屈曲して延びる板状の
肩体（端板部分）１２、１２とで断面コの字型に一体に
構成され、両コイル２ａ、２ｂのカスプ磁場による反発
力を支持する。

【００５２】間隔保持部材２０は、例えばターンバック
ルに代表される伸縮機構を備えたものであり、２つの押
し棒２１、２１を互いにナット２２を介して連結し、そ
の両側に機械的または冶金的に当て板２３、２３に取り
付け、これを各コイル２ａ、２ｂの軸方向の対向面にそ
れぞれ当接させた構成で、ナット２２を回して押し棒２
１、２１を自在に伸ばしたり、縮めたりすることで、そ
の両端側の当て板２３、２３を介して各コイル２ａ、２
ｂ間の軸方向の間隔を適宜に保持する。

【００５３】ヘリウム容器サポート３０は、ヘリウム容
器３とその対向側の輻射シールド４ａとの軸方向の隙間
に挿入可能な大きさを有し、ヘリウム容器３の外周面側
と真空容器１の上側内壁面側との間で軸方向に延び且つ
ヘリウム容器３を吊り下げ可能な棒状等の吊り下げ部材
で構成されている。このサポート３０は、真空容器１か
らヘリウム容器３への熱侵入を防止するため、各輻射シ
ールド４ａ、４ｂに熱的に接続している。

【００５４】ここで、この実施形態の全体の動作を説明
すれば、装置起動に際し、ヘリウム容器３内の液体ヘリ
ウムにより連結部材１０、保持部材２０、及び両コイル
２ａ、２ｂが一体に極低温状態に保たれ、図示しない励
磁電源からの電流が各コイル２ａ、２ｂに供給され、装
置内にカスプ型磁場が発生する。この磁場発生に伴って
各コイル２ａ、２ｂに作用する反発力は、ヘリウム容器
３内の連結部材１０により強固に支持される。

【００５５】従って、このマグネット装置によれば、ヘ
リウム容器３内に各コイル２ａ、２ｂの互いの反発力を
一体に支持する構造を設けたため、従来例の反発力サポ
ートのように強力な反発力を支持する構造をわざわざ真
空容器１の常温側から取り付けなくても済み、言い換え
れば真空容器１及びヘリウム容器３の空間に各コイル２
ａ、２ｂの反発力を支持する構造体が必要でない分、サ
ポート３０の設計範囲の自由度を大幅に広げることがで
きる。

【００５６】即ち、サポート３０に必要な強度は、両コ
イル２ａ、２ｂの反発力の大小に関係なく、少なくとも
ヘリウム容器全体の自重（例えば数百キログラム〜数ト
ン）分を確保すれば足りるため、従来例よりもサポート
断面積を大幅に細径化でき、その結果、サポート３０を
ヘリウム容器３と輻射シールド４ａとの隙間に挿入する
といった設計も可能となる。また、熱伝導距離をかせぐ
ためにサポート長も十分長く確保することができる。

【００５７】このように細く且つ長いサポート３０を採
用すれば、真空容器１外部の常温側からその内部の低温
側（ヘリウム容器）への侵入熱を大幅に少なくすること
ができるため、液体ヘリウムの蒸発量を抑えてその消費
量を削減できるほか、冷凍機の台数も増やす必要がな
く、小型および軽量化が可能な装置構成を比較的維持費
も少ない状態で安価に提供できる。

【００５８】なお、連結部材に関しては、以下の変形
例、応用例を採用してよい。

【００５９】例えば、マグネットの励消磁時に連結部材
に発生する渦電流の抑制策として、上記の連結部材１０
のリング部の周方向の少なくとも１箇所にスリットを設
けてもよい。この場合には、スリットを介して励消磁時
に発生する渦電流をより効果的に抑制し、渦電流による
発熱を一層小さくし、液体ヘリウムの蒸発量をより一層
少なくする利点もある。

【００６０】また、連結部材の構成材料として、アルミ
ニウムや銅等の熱伝導の良い材料を使用してもよい。こ
の場合には、例えばヘリウム容器内における液体ヘリウ
ムの液面が下がって超電導コイルが液面から露出して
も、その露出部分を連結部材からの伝熱により冷やすと
いった利点もある。さらに、このような高熱伝導材料
と、ステンレス鋼等の比較的強度の高い材料とを用いて
構成した複合材を使用すれば、熱伝導性のほか、強度特
性にも優れた連結部材を提供できる。

【００６１】なお、連結部材としては、図２に示すよう
に、両コイル２ａ、２ｂの巻回用の巻枠１０ａを採用し
てもよい。この巻枠１０ａを使用すれば、間隔保持部材
の機能をも兼ね備えているため、これに巻線した両コイ
ル２ａ、２ｂをそのままヘリウム容器３内に組み込んで
内蔵することにより、連結部材および間隔保持部材を別
途に準備する必要もなく、製造工程をより簡素化できる
利点もある。

【００６２】また、連結部材としては、図３に示すよう
に、２つの肩体として端板１２ｂ、１２ｂを使用し、こ
の両側にベース体として連結棒１１ｂ、１１ｂを一体に
取り付けた構造部材１０ｂを採用してもよい。この場合
には、２つの端板１２ｂ、１２をコイル周方向に複数個
に分割配置してもよく、またドーナツ状円板として一体
に形成してもよい。

【００６３】なお、この実施形態では間隔保持部材とし
て押し棒およびナットを用いた伸縮機構を採用してある
が、この発明はこれに限定されるものではない。

【００６４】例えば、間隔保持部材として、図４に示す
ように、２つの間隔棒２１ａ、２１ａをバネ２４を介し
て互いに連結し、その連結部にコイル間隔を調整する調
整ナット２２ａを設けたステンレス鋼製等の部材２０ａ
を採用してもよい。

【００６５】この場合には、例えばステンレス鋼製の間
隔保持部材２０ａと、上述したアルミニウム製の連結部
材１０との間の熱収縮差をバネ２４で吸収させることが
できるため、互いの部材２０ａ、１０間や、各部材２０
ａ、１０およびコイル２ａ間に発生する熱収縮に伴う応
力をより効果的に抑制するといった利点もある。

【００６６】なお、この実施形態では連結部材および間
隔保持部材をコイル周方向に複数個配置した構成として
あるが、この発明は必ずしもこれに限定されるものでは
なく、例えばコイル周方向に一体に形成したリング状部
材であってもよい。

【００６７】（第２実施形態）図５に示す超電導マグネ
ット装置は、上記構成に加え、各コイル２ａ、２ｂを予
め設定された導体中心半径Ｒ１の寸法で巻回し、両コイ
ル２ａ、２ｂを互いに予め設定された導体中心距離Ｌ１
の間隔をあけて上下に配置した構成で、その半径Ｒ１と
距離Ｌ１とが互いに等しくなるように設定したものであ
る。

【００６８】このマグネット装置によれば、上記と同様
の効果に加え、コイル軸方向ＡＸの位置での磁束密度と
カスプ磁場対称軸（両コイル間の空間磁場の中立点）Ａ
１に平行な位置での磁束密度とがほぼ等しくなるため、
最も効率的であるとされる磁界分布のカスプ型磁場を発
生させることができるほか、超電導コイルの運転裕度も
より一層適性に確保できるといった利点もある。この利
点は、従来例のサポートを用いた場合でも同様に発揮さ
せることができる。

【００６９】（第３実施形態）図６に示す超電導マグネ
ット装置は、上記構成に加え、下側のコイル２ｂの外周
側に補助コイル４０を備え、この補助コイル４０を上下
の主コイル２ａ、２ｂの励磁電源とは別の電源（図示し
ない）に接続した構成で、主コイル２ａ、２ｂとは別に
補助コイル４０のみで任意の励磁力を発生させる。

【００７０】この場合には、上記と同様の効果に加え、
上下の主コイルを用いてカスプ型磁場を発生させると共
に、補助コイルを用いて下側のコイルと同一または逆向
きの磁場を発生させることにより、コイルに対してカス
プ磁場対称軸を空間的に自在に上下動させる制御が可能
となるといった利点がある。

【００７１】この利点は、例えば超電導マグネット装置
を半導体単結晶の引上げ装置に適用した場合に最大限に
発揮させることができる。

【００７２】従来の引上げ装置に場合には、両コイルに
同じ起磁力しか発生させることができず、空間磁場の対
称軸の位置が常にコイル間の中立点に固定されるため、
るつぼ内で溶融している単結晶材料の液面が結晶引上げ
に伴って徐々に下降していき、その結果、溶融液面の位
置が固定された磁場に対して常に変化し、単結晶の品質
が安定しないといった問題があった。

【００７３】この実施形態によれば、溶融結晶の液面変
化に合わせてカスプ磁場の対称軸の位置をコイルに対し
て空間的に自在に上下動させる制御が可能となるため、
るつぼ又は磁石全体を相対的に上下動させる機構を使用
しなくても、常に最適な磁場を溶融液面の位置に合わせ
て発生させることができ、得られる単結晶の品質安定性
をより高めることが期待できる。この利点は、従来例の
サポートを用いた場合でも同様に発揮させることができ
る。

【００７４】なお、この実施形態では補助コイルを下コ
イル側に配置してあるが、この発明はこれに限定される
ものではなく、上コイル側に配置しても同様の効果を発
揮させることができる。また上下コイルの両方に補助コ
イルを配置すれば、より広範囲にわたって精度の高い磁
場分布制御が可能となる。補助コイルを複数個配置すれ
ば、さらに高精度で磁場変化を制御できる利点がある。

【００７５】また、この実施形態では補助コイルを主コ
イル（下または上コイル）の外周側に配置してあるが、
これに限らずに内周側に配置した場合でも同様の効果が
得られる。

【００７６】（第４実施形態）図７に示す超電導マグネ
ット装置は、上記構成に加え、各コイル２ａ、２ｂの軸
方向の外側に補助コイル４１ａ、４１ｂを備え、上側の
主コイル２ａ及びその補助コイル４１ａの合計起磁力
と、下側の主コイル２ｂ及びその補助コイル４１ｂとの
合計起磁力とが互いに等しくなるように励磁状態を変化
させて制御することにより、両コイル２ａ、２ｂに対し
てカスプ磁場対称軸ＡＸの位置を空間的に連続して上下
動させるようになっている。

【００７７】例えば、通常動作時には、補助コイル４１
ａ、４１ｂを励磁せずに主コイル２ａ、２ｂのみを１０
０％で励磁させることにより、カスプ磁場対称軸ＡＸの
位置を上下コイル２ａ、２ｂ間の中立点に保つ。

【００７８】この状態で、１）：対称軸ＡＸを中立点よ
りも上側に移動させる場合には、上コイル２ａを徐々に
消磁して上側の補助コイル４１ａを１００％まで徐々に
励磁し、２）：対称軸ＡＸを中立点よりも下側に移動さ
せる場合には、下コイル２ｂを徐々に消磁して下側の補
助コイル４１ｂを１００％まで徐々に励磁するように制
御する。

【００７９】従って、この実施形態によれば、カスプ対
称軸の位置を空間的に上下動させる際に連続的に位置を
変化させることができるほか、その位置変化に依存せず
に対称軸を挟む上下磁場の対称性も常に確保できるとい
った利点もある。この利点は、従来例のサポートを用い
た場合でも同様に発揮させることができる。

【００８０】なお、この実施形態では、上下の主コイル
のそれぞれに１個の補助コイルを設けてあるが、これに
限定されずに複数個の補助コイルを割り当てれば、カス
プ磁場対称軸の移動量をさらに増加させることが可能と
なる。

【００８１】なお、上記第３及び第４実施形態では、補
助コイルを用いてカスプ磁場対称軸の位置を空間的に上
下動させる構成としてあるが、この発明はこれに限定さ
れるものではない。この一例を図８及び図９に示す。

【００８２】図８に示す超電導マグネット装置は、上下
の各コイル２ａ、２ｂを別途の電流供給用の電流リード
５０…５０及び励磁電源５１、５１にそれぞれ接続した
構成で、各電源５１、５１からの電流を各コイル２ａ、
２ｂに個別に供給することにより、各コイル２ａ、２ｂ
を個別に励磁して起磁力を発生させる。

【００８３】この場合には、例えば上下の主コイルの一
方の発生磁場を一定とし、その主コイルの他方の発生磁
場を変化させるように制御すれば、カスプ磁場対称軸Ａ
Ｘの上下動させることができる。従って、上述した補助
コイルを使用しなくても、対称軸の上下動制御を比較的
簡素な構成で容易に実施できる利点もある。

【００８４】図９に示す超電導マグネット装置は、主電
源５１を電流リード５０、５０を介して上下の各コイル
２ａ、２ｂに直列に接続する一方、これとは別の補助電
源５２を別途の電流リード５０を介して下コイル２ｂの
みに接続したものである。

【００８５】この場合には、主電源５１からの電流を両
コイル２ａ、２ｂに供給すると共に、補助電源５２から
の電流を下コイル２ｂに供給することにより、上コイル
２ａよりも高い起磁力を下コイル２ｂで発生させ、カス
プ磁場対称軸ＡＸの位置を上下に変化させる。

【００８６】この場合には、上記と比べると電流リード
の本数が３本と少なくて済むため、電流リードからの低
温部への熱侵入を抑え、液体ヘリウムの消費量をより少
なくする利点もある。なお、補助電源は上コイルのみに
接続してもよい。

【００８７】（第５実施形態）図１０に示す超電導マグ
ネット装置は、上記構成に加え、上下の主コイル２ａ、
２ｂの軸方向ＡＸの外側に補助コイル４２ａ、４２ｂを
備え、この補助コイル４２ａ、４２ｂの磁場を主コイル
２ａ、２ｂの磁場と逆向きに発生させるように励磁状態
を制御するものである。

【００８８】この実施形態によれば、上コイルの発生磁
場に対して補助コイルに逆向きの磁場を発生させるた
め、磁石の上側外部への漏洩磁界を効果的に低減でき
る。このことは、下コイル及び補助コイルの場合でも同
様であるため、全体の漏洩磁界を大幅に少なくできる利
点がある。

【００８９】ここで、漏洩磁界を少なくする方法として
は、例えば鉄などの磁性体を用いる場合等も考えられる
が、この場合には装置全体が大型化する等の不都合があ
るため、得策ではない。これと比べ、上記の補助コイル
を用いた場合では、より簡素且つ小型軽量化が可能な構
成の超電導マグネット装置を提供でき、これにより、磁
石周辺の磁性体や電子機器に与える磁場の影響を各段に
削減できるといった有利な利点がある。この利点は、従
来例のサポートを用いた場合でも同様に発揮させること
ができる。

【００９０】（第６実施形態）図１１に示す超電導マグ
ネット装置は、上記構成に加え、真空容器１の中心軸に
対して１８０度の対称位置（等角度の位置）に２台の冷
凍機６０、６０を設置した構成で、各冷凍機６０、６０
を駆動させることにより、真空容器１内の図示しない輻
射シールド等を均等に冷却することが可能となってい
る。

【００９１】この実施形態によれば、真空容器内の低温
部側に局部的に非冷却部が存在するといった事態を殆ど
回避できるため、例えば、１）：冷凍機により直接コイ
ルを冷却する冷却式磁石の場合には、等角度の位置に配
置された冷凍機によりコイルを均一に冷却する、２）：
複数台の冷凍機が複数のコイルと熱的に別々ではなく同
時に接続されている場合には、仮に１台の冷凍機の能力
が変化した場合でも他の冷凍機により各コイルを冷却で
きる等の利点もあり、装置信頼性をより一層高めること
ができる。この利点は、従来例のサポートを用いた場合
でも同様に発揮させることができる。

【００９２】なお、冷凍機の数量は２台に限定されず、
３台以上でもよく、この場合には等角度の位置に配置す
ることが望ましい。

【００９３】（第７実施形態）図１２に示す超電導マグ
ネット装置は、前述と同様の構成に加え、２つの超電導
コイル２ａ、２ｂの内の片側のコイル（図中では２ａ）
を短絡抵抗体７０を介して電気的に短絡させたものであ
る（図中のＶはコイル間電圧、ｉは通電電流をそれぞれ
示す）。

【００９４】この場合には、両コイル２ａ、２ｂの自己
インダクタンスをそれぞれＬ₁、Ｌ₂とし、両者２ａ、
２ｂの相互インダクタンスをＭとすれば、電源から見た
マグネットの総インダクタンスが「Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂」
となり、短絡させない場合の「Ｌ₁−２Ｍ＋Ｌ₂」より
も小さくなる。従って電源から見た場合の総インダクタ
ンスが小さくなり励磁電源の必要容量を小さくできる利
点がある。

【００９５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、超電導コイル同士を互いに連結するコイル連結体を
用いたたため、超電導コイルに作用する反発力を支持さ
せる簡素なサポート構成を構築でき、例えば真空容器に
取り付けるサポートの断面積を増大させなくても、真空
容器の外部からサポートを介して侵入してくる熱侵入量
を大幅に低減でき、その結果、小型及び軽量化に最適な
装置構成を比較的安価に提供することができる。

【００９６】特に超電導コイルの片側のコイルを短絡す
る構成にあっては、電源よりみたマグネットの総インダ
クタンスを小さくできることから、電源の必要容量を格
段に小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る超電導マグネット装置の要部構
成を示す概略断面図。

【図２】巻枠を用いた場合の要部構成を示す概略断面
図。

【図３】端板およぶ連結棒を用いた連結部材の要部構成
を示す概略断面図。

【図４】バネを用いた間隔保持部材の要部構成を示す概
略断面図。

【図５】第２実施形態に係る超電導マグネット装置の要
部構成を示す概念図。

【図６】第３実施形態に係る超電導マグネット装置の要
部構成を示す概念図。

【図７】第４実施形態に係る超電導マグネット装置の要
部構成を示す概念図。

【図８】複数の励磁電源を用いる場合を説明する概略構
成図。

【図９】複数の励磁電源を用いる他の場合を説明する概
略構成図。

【図１０】第５実施形態に係る超電導マグネット装置の
要部構成を示す概念図。

【図１１】第６実施形態に係る超電導マグネット装置の
要部構成を示す概略平面図。

【図１２】第７実施形態に係る超電導マグネット装置の
要部構成を示す概略の回路図。

【図１３】従来の超電導マグネット装置を用いた場合の
カスプ型磁場分布を説明する概念図。

【図１４】従来の超電導マグネット装置の要部構成を示
す概略断面図。

【符号の説明】

１真空容器２ａ、２ｂ超電導コイル３ヘリウム容器４ａ、４ｂ輻射シールド１０、１０ｂ連結部材１０ａ巻枠１１ベース体（リング部）１１ｂ連結棒１２肩体（端体部）１２ｂ端板２０、２０ａ間隔保持部材２１押し棒２１ａ間隔棒２２ナット２２ａ調整ナット２３当て板２４バネ３０ヘリウム容器サポート４０、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ補助コイル５０電流リード５１励磁電源（主電源）５２補助電源６０冷凍機７０短絡抵抗体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者河合正道神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者土橋隆博神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者小口義広神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内の軸方向に対峙して並設され
る２つの環状超電導コイルと、この２つの超電導コイル
を支持するサポートとを備えた超電導マグネット装置で
あって、上記サポートを、上記２つの超電導コイルを互
いに上記軸方向に連結するコイル連結体と、このコイル
連結体により連結された上記２つの超電導コイルを一体
に支持する支持体とで構成し、この支持体を介して上記
２つの超電導コイルを上記真空容器に取り付けたことを
特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２】前記コイル連結体を、前記２つの超電導
コイルの周囲に周方向に配置される円環状部材で構成し
た請求項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項３】前記円環状部材は、前記２つの超電導コ
イルの巻回用巻枠である請求項２記載の超電導マグネッ
ト装置。
【請求項４】前記コイル連結体を、前記２つの超電導
コイルの周囲に周方向に一定の間隔で配置される複数個
の円弧状部材で構成した請求項１記載の超電導マグネッ
ト装置。
【請求項５】前記コイル連結体は、前記２つの超電導
コイルをその軸方向に挟んで連結する連結部材と、この
連結部材で連結される上記２つの超電導コイルの軸方向
の間隔を保持する間隔保持部材とを備えた請求項１記載
の超電導マグネット装置。
【請求項６】前記連結部材は、前記２つの超電導コイ
ルの径方向の内側及び外側の少なくとも一方にその軸方
向に沿って延びるベース体と、このベース体の軸方向の
両端部から上記２つの超電導コイルの軸方向の外側側面
側に屈曲して延びる肩体とで構成された請求項５記載の
超電導マグネット装置。
【請求項７】前記ベース体と肩体とを一体に形成した
請求項６記載の超電導マグネット装置。
【請求項８】前記肩体は、前記２つの超電導コイルの
軸方向の外側側面にそれぞれ当接して配置される２つの
端板でなり、前記ベース体は、当該２つの端体間を上記
軸方向に締結する締結部材でなる請求項６記載の超電導
マグネット装置。
【請求項９】前記連結部材の周方向に渦電流抑制用の
スリットを設けた請求項５記載の超電導マグネット装
置。
【請求項１０】前記連結部材を、高熱伝導率材料又は
この高熱伝導材料と高強度材料との複合材で構成した請
求項５記載の超電導マグネット装置。
【請求項１１】前記間隔保持部材は、前記２つの超電
導コイル及び前記連結部材間の軸方向の熱膨張差に応じ
て上記２つの超電導コイルの軸方向の間隙長を自在に調
整する機構を備えた請求項５記載の超電導マグネット装
置。
【請求項１２】前記２つの超電導コイルの軸方向の導
体中心距離とその径方向の導体中心半径とが等しい請求
項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項１３】前記２つの超電導コイルの少なくとも
一方の径方向に補助用の環状超電導コイルを同軸に設け
た請求項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項１４】前記２つの超電導コイルの少なくとも
一方の軸方向に補助用の環状超電導コイルを並設した請
求項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項１５】前記２つの超電導コイルをその発生磁
界を互いに異ならせて励磁させる手段を備えた請求項１
記載の超電導マグネット装置。
【請求項１６】前記２つの超電導コイルの少なくとも
一方の軸方向の外側に当該２つの超電導コイルとの間で
逆向きの磁場を発生する補助用の環状コイルを設けた請
求項１記載の超電導マグネット装置。
【請求項１７】環状に形成された対を成す超電導コイ
ルと、この対を成す超電導コイルを互いにその軸方向に
対峙させた状態で包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取り付け
られ且つ前記対を成す超電導コイル及び輻射シールドを
冷却する冷凍機とを備え、前記対を成す超電導コイルの
少なくとも一方を電気的に短絡させたことを特徴とする
超電導マグネット装置。
【請求項１８】請求項１７記載の発明において、前記
対を成す超電導コイルの一方を超電導状態で電気的に短
絡させたことを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項１９】請求項１７記載の発明において、前記
対を成す超電導コイルの一方を有限抵抗を有する状態で
電気的に短絡させたことを特徴とする超電導マグネット
装置。
【請求項２０】請求項１７記載の発明において、前記
対を成す超電導コイルの内周側及び外周側の少なくとも
一方に断面コの字型の連結部材を設けると共に、前記対
を成す超電導コイル間に間隔保持部材を設置し、この間
隔保持部材および前記連結部材を介して前記対を成す超
電導コイルを互いにその軸方向に連結したことを特徴と
する超電導マグネット装置。
【請求項２１】請求項１７記載の発明において、前記
連結部材は、その周方向の少なくとも１箇所に渦電流を
抑制するためのスリットを有することを特徴とする超電
導マグネット装置。
【請求項２２】請求項１７記載の発明において、前記
連結部材は、高熱伝導率材料又はこれと高強度材料との
複合材で構成されることを特徴とする超電導マグネット
装置。
【請求項２３】請求項１７記載の発明において、前記
連結部材は、前記超電導コイルの巻回時の巻枠であるこ
とを特徴とする超電導マグネット装置。
【請求項２４】請求項１７記載の発明において、前記
間隔保持部材は、前記対を成す超電導コイル及び連結部
材のそれぞれの軸方向の熱膨張差を吸収するバネと、こ
のバネを介して前記対を成す超電導コイルの間隙長を自
在に調整する機構とを備えたことを特徴とする超電導マ
グネット装置。
【請求項２５】請求項１７記載の発明において、前記
超電導コイルの導体中心半径がその上下コイル間の導体
中心距離と等しい又はそれよりも大きいことを特徴とす
る超電導マグネット装置。
【請求項２６】環状に形成された対を成す超電導コイ
ルと、この対を成す超電導コイルを互いにその軸方向に
対峙させた状態で包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取り付け
られ且つ前記超電導コイル及び輻射シールドを冷却する
冷凍機とを備え、前記対を成す超電導コイル間に間隔保
持部材を装着すると共に、前記対を成す超電導コイルの
軸方向外側の端部に当接する位置に対を成す端板を配設
し、この対を成す端板同士を締結部材で締結し、前記端
板間にその締結部材を介して前記超電導コイル及び間隔
保持部材を挟着したことを特徴とする超電導マグネット
装置。
【請求項２７】環状に形成された対を成す超電導コイ
ルと、この対を成す超電導コイルを互いにその軸方向に
対峙させた状態で包囲する輻射シールドと、この輻射シ
ールドを包囲する真空容器と、この真空容器に取り付け
られ且つ前記超電導コイル及び輻射シールドを冷却する
冷凍機とを備え、前記対を成す超電導コイルの半径方向
外側に補助コイルを設置したことを特徴とする超電導マ
グネット装置。