KR100783646B1 - Superconductive magnet apparatus cooled by refrigerating machine - Google Patents

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KR100783646B1
KR100783646B1 KR1020020069601A KR20020069601A KR100783646B1 KR 100783646 B1 KR100783646 B1 KR 100783646B1 KR 1020020069601 A KR1020020069601 A KR 1020020069601A KR 20020069601 A KR20020069601 A KR 20020069601A KR 100783646 B1 KR100783646 B1 KR 100783646B1
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refrigerator
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와타자와게이치
미츠보리히토시
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/02Heat treatment

Abstract

조작이 간단하고, 장치의 소형화가 가능한 수평자장발생용 초전도 자석장치를 제공한다.Provided is a superconducting magnet device for generating a horizontal magnetic field, which can be easily operated and can be miniaturized.

초전도 자석장치는, 중앙부에 대기공간을 가지는 2중원통형의 진공용기(10)와, 이 진공용기 내에 세로로 배치되어 수평자장을 발생하기 위한 두 쌍의 초전도코일(11a∼11d)과, 각 초전도코일을 냉각하기 위한 저온냉동기를 포함한다. 두 쌍의 초전도코일은, 각 쌍의 초전도코일이 대기공간을 사이에 두고 대향하고, 또한 한쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분(L1)과 다른쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분(L2) 사이의 배치각(θ)이 40°≤θ≤90°가 되도록 인접시켜 배치하였다. The superconducting magnet device includes a double-cylindrical vacuum vessel 10 having an air space in the center, two pairs of superconducting coils 11a to 11d arranged vertically in the vacuum vessel to generate a horizontal magnetic field, and each superconducting member. And a cryocooler for cooling the coil. The two pairs of superconducting coils, each pair of superconducting coils face each other with an air space therebetween, and a line segment (L1) connecting the center of one pair of superconducting coils and the center of the other pair of superconducting coils. It arrange | positioned adjacently so that arrangement | positioning angle (theta) between (L2) might be 40 degrees <= (theta) <= 90 degrees.

초전도 자석장치, 초전도코일, 자장, 진공용기Superconducting Magnetic Device, Superconducting Coil, Magnetic Field, Vacuum Container

Description

냉동기 냉각형 초전도 자석장치{Superconductive magnet apparatus cooled by refrigerating machine}Superconductive magnet apparatus cooled by refrigerating machine

도 1은 본 발명에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치의 개요를 설명하기 위한 도면이고, ⒜는 투시도, ⒝는 그 평면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure for demonstrating the outline | summary of the refrigerator-cooling type superconducting magnet apparatus which concerns on this invention.

도 2는 본 발명의 실시형태에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치의 횡단면도이다.2 is a cross-sectional view of a refrigerator cooling superconducting magnet device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2의 선 A-A'에 의한 종단면도이다.3 is a longitudinal cross-sectional view taken along the line A-A 'of FIG.

도 4는 도 2의 장치를 하나의 극저온냉동기와 그 주변 구성요소만에 관하여 나타낸 상면도(上面圖)이다.FIG. 4 is a top view of the apparatus of FIG. 2 with respect to only one cryogenic chiller and its peripheral components. FIG.

도 5는 도 2에 있어서의 냉동기의 장착구조를 나타낸 단면도이다.5 is a cross-sectional view illustrating a mounting structure of the refrigerator in FIG. 2.

도 6은 본 발명에 있어서의 수직방향 하중지지체 및 수평방향 하중지지체를 설명하기 위한 단면도이다.6 is a cross-sectional view for explaining the vertical load supporting body and the horizontal load supporting body in the present invention.

도 7은 본 발명에 있어서의 전류리드의 설치구조를 나타낸 단면도이다.Fig. 7 is a sectional view showing the mounting structure of the current lead in the present invention.

도 8은 배치각도와 코일 반경의 관계를 설명하기 위한 설명도이다.8 is an explanatory diagram for explaining a relationship between an arrangement angle and a coil radius.

도 9는 발생 자장 및 코일 반경과 배치각도의 관계를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing a relationship between a generated magnetic field, a coil radius, and an arrangement angle.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 진공용기 10: vacuum container                 

10-1 : 삽입구10-1: insertion hole

10-2 : 플랜지10-2: Flange

11a∼11d : 초전도코일11a to 11d: superconducting coil

12a∼12d : 극저온냉동기12a-12d: cryogenic freezer

12-1 : 제1단 냉동스테이지12-1: 1st stage freezing stage

12-2 : 제2단 냉동스테이지12-2: 2nd stage freezing stage

12-11 : 제1단 콜드헤드12-11: First stage cold head

12-21 : 제2단 콜드헤드12-21: 2nd stage cold head

13 : 구조체13: structure

13-1 : 접속부13-1: Connection

14 : 다층판형상 전열부재14: multi-layer plate heat transfer member

15 : 열복사 실드체15: heat radiation shield

16 : 수직방향 하중지지체16: vertical load bearing

17 : 수평방향 하중지지체17: horizontal load bearing

23 : 슬리브23: sleeve

23-1 : 선단(先端)전열부재23-1: front end heating member

23-2 : 중간전열부재23-2: intermediate heat transfer member

26 : 자기실드26: magnetic shield

27 : 전류리드27: current lead

본 발명은 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 관한 것이고, 특히 용융실리콘으로부터 단결정 반도체를 제조하는 단결정 성장장치에 있어서의 용융실리콘에 자계를 부여하기 위한 자장발생장치에 적합한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 관한 것이다.The present invention relates to a refrigerator cooling type superconducting magnet device, and more particularly to a refrigerator cooling type superconducting magnet device suitable for a magnetic field generating device for imparting a magnetic field to molten silicon in a single crystal growth device for producing a single crystal semiconductor from molten silicon. .

실리콘 단결정제조에 있어서, 다결정 실리콘을 용융하여 단결정성장용 종결정을 통하여 결정성장시키는 초크랄스키법(CZ법)이 알려져 있다. 용융실리콘은 도가니 안에서 용융하기 때문에 열대류가 발생하여 생성하는 단결정의 품질이 저하되는 경우가 있다. 그래서, 생성한 단결정의 품질향상 등을 목적으로, 용융실리콘에 자계를 인가하여 전자제동에 의해 대류를 억제하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은, 자계인가식 쵸크랄스키법(MCZ법)이라고 한다. 자계의 인가방향으로서는, 용융실리콘의 액면에 대하여 수직방향의 수직자장, 수평방향의 수평자장, 카스프(cuspe)자장을 인가하는 3종류가 있다. In the production of silicon single crystals, the Czochralski method (CZ method) is known in which polycrystalline silicon is melted and crystal grown through seed crystals for single crystal growth. Since molten silicon melts in a crucible, the quality of the single crystal produced by tropical flow may be degraded in some cases. Therefore, a method of suppressing convection by electromagnetic braking by applying a magnetic field to molten silicon for the purpose of improving the quality of the produced single crystal or the like is known. This method is called magnetic field recognition Czochralski method (MCZ method). As the application direction of the magnetic field, there are three types of applying a vertical magnetic field in the vertical direction, a horizontal magnetic field in the horizontal direction, and a caspe magnetic field to the liquid surface of the molten silicon.

한편, 자계인가수단으로서는 상(常)전도자석, 초전도자석이 이용되고 있다. 또, 예컨대 수평자장을 발생시키는 코일형상으로서는, 두 개의 솔레노이드형상 코일을 간격을 두고 세로로 하여 대향배치하는 스플릿코일, 또는 한 쌍의 말안장형 코일이 사용되고 있다.On the other hand, phase conductive magnets and superconducting magnets are used as the magnetic field applying means. In addition, for example, as a coil shape generating a horizontal magnetic field, a split coil or a pair of saddle coils having two solenoid coils arranged vertically at intervals are used.

그러나, 자계인가수단으로서 상전도자석을 사용한 경우에는 이하와 같은 문제점이 있다. However, when a phase conductive magnet is used as the magnetic field applying means, there are the following problems.                         

ㆍ철심의 이용이 불가결하기 때문에, 자석의 중량이 무거워진다.• Since the use of the iron core is indispensable, the weight of the magnet becomes heavy.

ㆍ팽대(膨大)한 전력, 냉각수를 필요로 한다.ㆍ Expand electric power and coolant.

ㆍ발생할 수 있는 자계 강도에 한계가 있다.ㆍ There is a limit to the magnetic field strength that can be generated.

한편, 액체헬륨 침지형(浸漬型) 초전도자석을 사용한 경우에는 이하와 같은 문제점이 있다.On the other hand, when a liquid helium immersion type superconducting magnet is used, there are the following problems.

ㆍ액체헬륨 냉각이 필요하기 때문에, 장치가 복잡하고, 대형화된다.Since liquid helium cooling is required, the apparatus is complicated and large in size.

ㆍ액체헬륨의 취급이 번잡하고, 작업자의 숙련이 필요하다.ㆍ Handling of liquid helium is complicated and requires operator skill.

ㆍ액체헬륨의 보급이 필요하고, 액체헬륨비용이 크다.• The supply of liquid helium is necessary, and the cost of liquid helium is high.

또한, 수평자장을 발생시키기 위한 코일로서, 지금까지의 스플릿코일을 사용한 경우, 형상이 단순하고 조작이 용이하지만, 필요한 공간으로의 자계발생효율이 나쁘다.In addition, in the case of using the conventional split coil as a coil for generating a horizontal magnetic field, the shape is simple and the operation is easy, but the magnetic field generating efficiency into the required space is poor.

한편, 말안장형 코일을 사용한 경우에는 이하와 같은 문제점이 있다.On the other hand, when the saddle-shaped coil is used, there are the following problems.

필요한 공간으로의 자계발생효율이 좋고 소형화가 가능하지만, 제작이 매우 어렵다. 또한, 솔레노이드형상 코일에서는, 권선(卷線)시에 장력을 부여하여 감음으로써 전자력에 대항하는 힘을 권선 내부에 유지할 수 있지만, 말안장형 코일에 있어서는 직선부, 말안장부에서 장력을 유지할 수 없기 때문에, 큰 전자력에 대하여 선재를 움직이지 않도록 고정하는 것이 곤란하다. Magnetic field generation efficiency to the required space is good and can be miniaturized, but manufacturing is very difficult. In addition, in the solenoid coil, a tension against the electromagnetic force can be maintained inside the winding by applying a tension during winding and winding. However, in a saddle coil, the tension cannot be maintained in the straight part and the saddle part. Therefore, it is difficult to fix the wire rod against a large electromagnetic force so as not to move.

그래서, 본 발명의 과제는, 초전도코일을 저온냉동기만으로 전도냉각하는, 이른바 헬륨프리 초전도 자석장치를 이용하고, 수평자계를 발생하는 코일형상으로 서, 적어도 두 쌍의 솔레노이드형상 초전도코일을 배치하는 구성으로 함으로써, 조작이 간단하고, 장치의 소형화가 가능한 수평자장발생용 초전도 자석장치를 제공하는 것에 있다. Therefore, the subject of this invention is the structure which arrange | positions at least two pair of solenoid superconducting coils in the coil shape which generates a horizontal magnetic field using the so-called helium-free superconducting magnet apparatus which conducts and cools a superconducting coil only by a low temperature freezer. It is an object of the present invention to provide a superconducting magnet device for generating a horizontal magnetic field, which can be easily operated and can be miniaturized.

본 발명에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치는, 중앙부에 대기공간을 가지는 이중 통형상의 진공용기와, 이 진공용기 내에 세로로 배치되어 수평자장을 발생하기 위한 적어도 두 쌍의 초전도코일과, 각 초전도코일을 냉각하기 위한 저온냉동기를 포함하고, 상기 적어도 두 쌍의 초전도코일은, 각 쌍의 초전도코일이 상기 대기공간을 사이에 두고 대향하고, 또한 한쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분과 다른쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분 사이의 각도(θ)가 수평면 위에서 40°≤θ≤90°가 되도록 인접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.The refrigerator-cooling superconducting magnet device according to the present invention includes a double cylindrical vacuum container having an air space in the center, at least two pairs of superconducting coils arranged vertically in the vacuum container to generate a horizontal magnetic field, and each superconducting member. A cryocooler for cooling a coil, wherein the at least two pairs of superconducting coils are different from the line segments where each pair of superconducting coils face each other with the atmospheric space therebetween, and which connects the centers of one pair of superconducting coils. The angle θ between the line segments connecting the centers of the pair of superconducting coils is disposed adjacent to each other such that the angle θ is 40 ° ≦ θ ≦ 90 ° on the horizontal plane.

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는, 상기 저온냉동기는 제1단, 제2단 냉동스테이지를 가지는 2단냉각방식이고, 상기 초전도코일은, 상기 진공용기 내에 보빈으로 지지되어 있고, 상기 진공용기의 하면 또는 상면에는 상기 저온냉동기를 삽입하기 위한 삽입구를 마련함과 동시에, 이 삽입구로부터 상기 진공용기 안으로 연장하여 상기 저온냉동기를 밀봉상태로 수용하기 위한 슬리브를 고정하고, 이 슬리브에는 그 선단(先端)에 상기 저온냉동기의 제2단 냉동스테이지의 콜드헤드와 접촉하는 선단전열부재를 설치함과 동시에, 그 중간부에 상기 저온냉동기의 제1단 냉동스테이지의 콜드헤드와 접촉하는 중간전열부재를 설치하고, 상기 저온냉동기 본체를, 상기 진공용기 안이 극저온상태인 채로 탈부착가능한 구성으로 한 것을 특징으로 한다.In the refrigerator-cooling superconducting magnet device, the low temperature freezer is a two-stage cooling system having a first stage and a second stage refrigeration stage, and the superconducting coil is supported by a bobbin in the vacuum vessel, An insertion hole for inserting the cryocooler is provided on the lower surface or the upper surface thereof, and a sleeve for extending the vacuum vessel from the insertion hole into the vacuum container is fixed to receive the cryocooler in a sealed state. While installing a tip heat transfer member in contact with the cold head of the second stage freezing stage of the cryogenic freezer, and installing an intermediate heat transfer member in contact with the cold head of the first stage freezing stage of the cryogenic freezer, The low temperature freezer body is characterized in that the vacuum container in the cryogenic state detachable configuration. .

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 진공용기는 상기 대기공간을 둘러쌀 수 있는 이중원통구조를 가지고, 상기 보빈을 고정하기 위한 원통형상의 구조체를 가지며, 상기 초전도코일 및 상기 구조체는, 상기 슬리브의 선단부와 함께, 상기 진공용기 내에 배치된 이중원통형 열복사 실드체에 수용되어 있고, 이 열복사 실드체와 상기 슬리브 사이의 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 상기 슬리브의 상기 중간전열부재와 상기 열복사 실드체 사이를 망선이나 다층판에 의한 가요성 전열체로 연결한 것을 특징으로 한다.In the refrigerator cooling type superconducting magnet device, the vacuum container also has a double cylindrical structure that can surround the atmospheric space, has a cylindrical structure for fixing the bobbin, the superconducting coil and the structure, the The intermediate heat transfer member and the sleeve of the sleeve are accommodated in a double-cylindrical heat radiation shield body disposed in the vacuum container together with the tip portion of the sleeve to prevent stress generation by heat shrink between the heat radiation shield body and the sleeve. It is characterized by connecting the heat radiation shields with a flexible heat transfer body by a mesh or a multilayer board.

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 구조체와 상기 슬리브 사이의 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 상기 슬리브의 상기 선단전열부재와 상기 구조체에 설치된 접속부를 다층판형상의 가요전열체로 연결한 것을 특징으로 한다.In the refrigerator-cooling superconducting magnet device, further, in order to prevent stress generation due to heat shrink between the structure and the sleeve, the front end heat-transfer member of the sleeve and the connecting portion provided in the structure are connected by a multi-layer plate-shaped flexible heat conductor. It is characterized by.

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 구조체에는, 상기 초전도코일에 대응하는 개소를 포함하는 복수 개소에 각각 피지지판을 가지는 브래킷이 설치되어 있고, 상기 진공용기 내에는 그 저부에 상기 열복사 실드체를 관통하여 상기 브래킷의 상기 피지지판과 면(面)접촉하면서 상기 구조체를 지지하기 위한 복수개의 수직방향 하중지지체를 설치하고, 상기 브래킷의 상기 피지지판을 상기 수직방향 하중지지체에 대하여 슬라이드가능한 구성으로 하여, 상기 구조체의 열수축에 의해 상기 수직방향 하중지지체에 발생하는 벤딩하중을 완화하도록 한 것을 특징으로 한다. In the refrigerator-cooling superconducting magnet device, the structure is further provided with brackets each having a support plate at a plurality of locations including a portion corresponding to the superconducting coil, and the heat radiation shield at the bottom thereof in the vacuum container. A plurality of vertical load supporting members for supporting the structure while being in surface contact with the supported plate of the bracket through the sieve, and the supported plate of the bracket is slidable with respect to the vertical load supporting member By the heat shrink of the structure, it is characterized in that to reduce the bending load generated in the vertical load support.                     

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 초전도코일에 대응하는 개소를 포함하는 복수 개소의 상기 진공용기 측벽에, 이 측벽을 밀봉상태에서 관통함과 동시에, 상기 열복사 실드체를 관통하여 상기 구조체에 연결된 수평방향 하중지지체를 각각 설치함으로써, 상기 진공용기의 외측으로부터 상기 초전도코일의 위치맞춤을 가능하게 하고, 상기 수평방향 하중지지체는, 상기 구조체와의 연결부에 있어서 회전가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.In the refrigerator cooling type superconducting magnet device, the structure also penetrates through the heat radiation shield body while penetrating the sidewalls in a sealed state in a plurality of places of the side walls of the vacuum container including the portions corresponding to the superconducting coils. Each of the horizontal load bearings connected to each other enables to align the superconducting coil from the outside of the vacuum vessel, and the horizontal load bearings are rotatably supported at the connection portion with the structure. It is done.

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 초전도코일에 전류를 공급하기 위한 산화물 초전도체로 만들어진 전류리드를 구비하고, 이 전류리드의 한쪽 끝은 상기 구조체에 열앵커를 취하고, 상기 전류리드의 다른쪽 끝은 상기 열복사 실드체에 열앵커를 취하여, 상기 전류리드의 적어도 한쪽 끝을 자유단으로 하는 것을 특징으로 한다.The refrigerator-cooling superconducting magnet device further includes a current lead made of an oxide superconductor for supplying current to the superconducting coil, and one end of the current lead has a thermal anchor on the structure and the other of the current lead. One end is characterized in that a thermal anchor is applied to the thermal radiation shield, and at least one end of the current lead is a free end.

본 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 있어서는 또한, 상기 진공용기의 외주에 자기실드체를 설치함으로써, 외주부의 누설자계를 저감할 수 있다.In the refrigerator cooling type superconducting magnet device, furthermore, by providing a magnetic shield body on the outer circumference of the vacuum container, the leakage magnetic field of the outer circumference can be reduced.

<실시예><Example>

도 1을 참조하여, 본 발명에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치의 개요에 관하여 설명한다. 도 1에 있어서, 이 초전도 자석장치는, 중앙부에 대기공간을 가지는 이중원통형상의 진공용기(10)와, 진공용기(10) 내에 세로로 배치되어 수평자장을 발생하기 위한 두 쌍의 솔레노이드형상의 초전도코일(11a∼11d)과, 각 초전도코일을 냉각하기 위한 극저온냉동기(후술함)를 포함한다.With reference to FIG. 1, the outline | summary of the refrigerator cooling type superconducting magnet apparatus by this invention is demonstrated. In Fig. 1, the superconducting magnet device has a double-cylinder vacuum vessel 10 having an air space in the center and two pairs of solenoid-shaped superconductors arranged vertically in the vacuum vessel 10 to generate a horizontal magnetic field. Coils 11a to 11d and cryogenic chillers (to be described later) for cooling each superconducting coil.

본 실시형태에서는 특히, 두 쌍의 초전도코일(11a∼11d)을, 한쪽 쌍의 초전 도코일(11a, 11b), 다른쪽 쌍의 초전도코일(11c, 11d)이 각각 대기공간을 사이에 두고 대향하고, 또한 한쪽 쌍의 초전도코일(11a, 11b)의 중심을 연결하는 선분(L1)과 다른쪽의 쌍의 초전도코일(11c, 11d)의 중심을 연결하는 선분(L2) 사이의 각도(이하, 배치각이라고 한다)(θ)가 40°≤θ≤90°가 되도록 인접시켜서 고정배치하는 점에 특징을 갖는다.In the present embodiment, in particular, two pairs of superconducting coils 11a to 11d face each other with one pair of superconducting coils 11a and 11b and the other pair of superconducting coils 11c and 11d facing each other with an air space therebetween. The angle between the line segment L1 connecting the centers of one pair of superconducting coils 11a and 11b and the line segment L2 connecting the centers of the other pair of superconducting coils 11c and 11d (hereinafter, (Theta) is adjacently fixed so as to be 40 ° ≤θ≤90 °.

다음으로, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명을 MCZ법에 의한 단결정 끌어올림용 자장발생장치에 적용한 경우의 실시형태에 관하여 설명한다. 도 2에 있어서, 이 실시형태에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치는, 도시하지 않은 단결정 성장장치의 주위에 배치되고, 도 1에서 설명한 바와 같이, 자계를 발생하기 위한 두 쌍의 초전도코일(11a∼11d)을 수용한 밀폐구조의 진공용기(10)와, 진공용기(10)의 상면측으로부터 내부에 배치되어, 각 초전도코일을 냉각하기 위한 4개의 극저온냉동기(이하, 냉동기라고 한다)(12a∼12d)를 구비하고 있다. 또한, 극저온냉동기의 설치대수는 냉동능력에 따라서 결정되며, 4대로 한정되는 것은 아니다.Next, with reference to FIGS. 2-7, embodiment when the present invention is applied to the single-crystal pulling-up magnetic field generating apparatus by MCZ method is described. In Fig. 2, the refrigerator-cooling superconducting magnet device according to this embodiment is disposed around a single crystal growth device (not shown), and as described in Fig. 1, two pairs of superconducting coils 11a to magnetic fields are generated. The vacuum chamber 10 of the sealed structure which accommodated 11d), and the four cryogenic freezers (henceforth a freezer) (12a thru | or 12) which are arrange | positioned inside from the upper surface side of the vacuum container 10, and cool each superconducting coil. 12d). In addition, the installation number of the cryogenic freezer is determined according to the freezing capacity, it is not limited to four.

이하에서는, 한쪽 쌍의 초전도코일(11a, 11b)과 그에 부수되는 구성요소, 예컨대 냉동기(12a, 12b)측에 관하여 설명을 행하고, 다른쪽 쌍의 초전도코일(11c, 11d)및 그에 부수되는 구성요소에 관해서는 완전히 동일하기 때문에 설명은 생략한다.Hereinafter, a description will be given of the pair of superconducting coils 11a and 11b and their accompanying components, such as the refrigerators 12a and 12b, and the pair of superconducting coils 11c and 11d and the accompanying components. Since the elements are exactly the same, explanation is omitted.

진공용기(10)의 상면측에는 또한, 전류도입단자(21) 및 진공배기밸브(22)(도 4에서는, 냉동기(12b)에 대응하는 개소만을 도시)가 설치되어 있다. 진공배기밸브(22)는 진공용기(10) 안을 진공상태로 만들 때에 사용된다. 또한, 냉 동기(12b)에는 냉매인 헬륨가스를 압축하여 공급, 순환하기 위한 압축기가 접속된다. 간단히 말하자면, 냉동기(12b)는, 헬륨가스의 도입 및 배출을 절환하기 위한 로터리밸브를 절환하는 전동기와, 디스플레이서에 연결되어 그 왕복운동을 회전운동으로 바꾸고, 그 왕복운동의 상하한을 설정하기 위한 운동변환기구를 구비하고 있다. 상세하게는, 일본국 특허공고 소63-53469호 공보에 개시되어 있으므로, 여기에서는 도시 및 설명은 생략한다.On the upper surface side of the vacuum vessel 10, a current introduction terminal 21 and a vacuum exhaust valve 22 (only a portion corresponding to the refrigerator 12b in FIG. 4) are provided. The vacuum exhaust valve 22 is used to vacuum the inside of the vacuum vessel 10. In addition, a compressor for compressing, supplying and circulating the helium gas, which is a refrigerant, is connected to the cold synchronizer 12b. In simple terms, the refrigerator 12b includes an electric motor for switching rotary valves for switching the introduction and discharge of helium gas, connected to a displacer, to convert the reciprocating motion into a rotary motion, and to set an upper and lower limit of the reciprocating motion. A motion conversion mechanism is provided. In detail, since it is disclosed by Unexamined-Japanese-Patent No. 63-53469, illustration and description are abbreviate | omitted here.

솔레노이드형상의 초전도코일(11a)은, 진공용기(10) 안에서 구조체(13)에 고정된 환상(環狀)의 보빈(13-3)에서 지지되고 있다. 구조체(13)는 원통형상을 갖는다. The solenoid superconducting coil 11a is supported by the annular bobbin 13-3 fixed to the structure 13 in the vacuum vessel 10. The structure 13 has a cylindrical shape.

도 5에 있어서, 냉동기(12a)는, 예컨대 50K의 제1단 콜드헤드(12-11)를 가지는 제1단 냉동스테이지(12-1)와, 예컨대 4K의 제2단 콜드헤드(12-21)를 가지는 제2단 냉동스테이지(12-2)를 가지는 2단식 냉동기이다. 냉동스테이지(12-1, 12-2)는 슬리브(23) 내부에 밀봉상태로 수용되어 있다.In FIG. 5, the refrigerator 12a includes, for example, a first stage freezing stage 12-1 having a 50K first stage cold head 12-11 and a 4K second stage cold head 12-21. It is a two-stage freezer having a second stage freezing stage (12-2) having a). The freezing stages 12-1 and 12-2 are housed in a sealed state in the sleeve 23.

슬리브(23)는, 진공용기(10)의 상면에 설치된 삽입구(10-1)의 가장자리부에 용접 등에 의해 고정되어 있다. 삽입구(10-1)의 주위에는 플랜지(10-2)가 설치되고, 이 플랜지(10-2)에 냉동기(12a)의 덮개부재(12-3)가 밀봉상태로 볼트로 장착되어 있다. 그 결과, 슬리브(23)의 내부공간은 진공용기(10)의 내부공간과 완전히 분리됨과 동시에, 외부에 대해서도 완전히 밀봉된다. 슬리브(23)에는, 그 선단에 제2단 냉동스테이지(12-2)의 제2단 콜드헤드(12-21)와 면접촉하기 위한 선단전열부재(23-1)를 설치함과 동시에, 그 중간부에 제1단 냉동스테이지(12-1)의 제1단 콜드헤드(12-11)와 접촉하기 위한 중간전열부재(23-2)를 설치하고 있다.The sleeve 23 is fixed to the edge of the insertion opening 10-1 provided on the upper surface of the vacuum container 10 by welding or the like. A flange 10-2 is provided around the insertion port 10-1, and the cover member 12-3 of the refrigerator 12a is bolted to the flange 10-2 in a sealed state. As a result, the inner space of the sleeve 23 is completely separated from the inner space of the vacuum container 10 and is completely sealed to the outside. In the sleeve 23, the front end heat transfer member 23-1 for surface contact with the second end cold head 12-21 of the second stage freezing stage 12-2 is provided at the front end thereof. The intermediate heat transfer member 23-2 for contacting the first stage cold head 12-11 of the first stage freezing stage 12-1 is provided in the intermediate portion.

슬리브(23)의 재료는 스테인레스로 만들어진 것이 바람직하고, 선단전열부재(23-1), 중간전열부재(23-2)의 재료는 동(銅)으로 만들어진 것이 바람직하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 슬리브(23)의 선단전열부재(23-1)는, 구조체(13)에 설치된 접속부(13-1)의 근처에 위치하고 있다. 그리고, 선단전열부재(23-1)와 접속부(13-1) 사이를, 가요성(可撓性)을 가지는 다층판형상 전열부재(14)로 접속하고 있다. 그 결과, 코일고정용 구조체(13)와 슬리브(23) 사이의 열수축에 의한 응력발생이 방지된다. 또한, 구조체(13)에는, 통상적으로 SUS 등의 구조재료가 사용되기 때문에, 접속부(13-1)로부터 초전도코일에 이르는 열전도가 충분하지 않은 경우에는, 구조체(13)의 표면에 동재(銅材) 등에 의한 열전도 경로를 형성하여 냉각효율을 높이도록 하는 것이 바람직하다.The material of the sleeve 23 is preferably made of stainless, and the material of the tip heat transfer member 23-1 and the intermediate heat transfer member 23-2 is preferably made of copper, but is not limited thereto. . The front end heat transfer member 23-1 of the sleeve 23 is located near the connecting portion 13-1 provided in the structure 13. The tip heat transfer member 23-1 and the connection portion 13-1 are connected by a multilayer plate heat transfer member 14 having flexibility. As a result, stress generation due to heat shrinkage between the coil fixing structure 13 and the sleeve 23 is prevented. In addition, since structural materials, such as SUS, are used normally for the structure 13, when the thermal conductivity from the connection part 13-1 to a superconducting coil is not enough, it is a copper material on the surface of the structure 13 It is preferable to form a heat conduction path by) or the like to increase the cooling efficiency.

도 3으로 돌아와서, 진공용기(10)는 단결정 성장장치의 주위를 둘러쌀 수 있는 이중원통구조를 가지고 있고, 단결정 성장장치는 진공용기(10)의 내측에 형성되는 대기공간에 배치된다. 이 단결정 성장장치는, 종래의 것과 동일하므로, 도시 및 설명은 생략한다. 두 쌍의 초전도코일(11a∼11d)은, 단결정 성장장치의 도가니 안의 용융실리콘에 대하여 수평자계를 부여한다.Returning to FIG. 3, the vacuum vessel 10 has a double cylinder structure that can surround the single crystal growth apparatus, and the single crystal growth apparatus is disposed in the atmospheric space formed inside the vacuum vessel 10. Since this single crystal growth apparatus is the same as the conventional one, illustration and description are omitted. Two pairs of superconducting coils 11a to 11d impart a horizontal magnetic field to the molten silicon in the crucible of the single crystal growth apparatus.

또한, 두 쌍의 초전도코일(11a∼11d) 및 이들을 지지하고 있는 구조체(13)는, 슬리브(23)의 하부와 함께, 진공용기(10) 내에 배치된 이중원통형 열복사 실드체(15)에 수용되어 있다. 이 열복사 실드체(15)는, 복사열의 침입을 방지하기 위한 것이다. 슬리브(23)는, 열복사 실드체(15)의 상부를 관통하여 아래쪽으로 연장되어 있다. 열복사 실드체(15)와 슬리브(23) 사이의 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 슬리브(23)의 중간전열부재(23-2)와 열복사 실드체(15)의 사이는, 망선이나 다층판에 의한 가요성 전열체(25a)로 연결되어 있다. In addition, the two pairs of superconducting coils 11a to 11d and the structure 13 supporting them are accommodated in the double-cylindrical heat radiation shield body 15 disposed in the vacuum vessel 10 together with the lower portion of the sleeve 23. It is. This heat radiation shielding body 15 is for preventing intrusion of radiant heat. The sleeve 23 extends downward through the upper portion of the heat radiation shielding body 15. In order to prevent stress caused by thermal contraction between the heat radiation shielding body 15 and the sleeve 23, between the intermediate heat transfer member 23-2 and the heat radiation shielding body 15 of the sleeve 23 is a mesh or a multilayer. It is connected to the flexible heat transfer body 25a by a board.

도 6에 있어서, 초전도코일(11a), 구조체(13), 및 열복사 실드체(15)는, 진공용기(10) 내의 저부에 설치된 수직방향 하중지지체(16)로 지지되어 있다. 상세하게 설명하면, 구조체(13)에는 수평방향으로 연장되는 피지지판(13-2a)을 가지는 브래킷(13-2)이 설치되어 있다. 수직방향 하중지지체(16)는, 진공용기(10) 내의 저부에 설치되고, 열복사 실드체(15)의 저부를 관통하여 브래킷(13-2)의 피지지판(13-2a)과 면접촉하면서 초전도코일(11a)과 구조체(13)를 지지한다.In FIG. 6, the superconducting coil 11a, the structure 13, and the heat radiation shield 15 are supported by the vertical load supporting member 16 provided in the bottom part of the vacuum container 10. In FIG. In detail, the structure 13 is provided with the bracket 13-2 which has the supported plate 13-2a extended in a horizontal direction. The vertical load supporting member 16 is installed at the bottom in the vacuum vessel 10, and passes through the bottom of the heat radiation shielding body 15 and superconducts while being in surface contact with the supported plate 13-2a of the bracket 13-2. The coil 11a and the structure 13 are supported.

특히, 수직방향 하중지지체(16)의 상단에 있어서의 피지지판(13-2a)과의 접속부에는, 금속으로 만들어진 피지지판(13-2a)에 대한 마찰계수가 작은 재료, 예컨대 테플론(Teflon; 등록상표)과 같은 판부재(16-1)를 설치하고 있다. 이로써, 브래킷(13-2)의 피지지판(13-2a)을 수직방향 하중지지체(16)에 대하여 슬라이드가능한 구성으로 하고, 초전도코일(11a) 및 구조체(13)의 열수축에 의해 수직방향 하중지지체(16)에 발생하는 벤딩하중을 완화하도록 하고 있다.In particular, the connection portion with the supported plate 13-2a at the upper end of the vertical load supporting member 16 is made of a material having a small coefficient of friction with respect to the supported plate 13-2a made of metal, for example, Teflon; Plate member 16-1, such as the &quot; trademark &quot; Thereby, the support plate 13-2a of the bracket 13-2 is set to be slidable with respect to the vertical load supporting member 16, and the vertical load supporting member is formed by thermal contraction of the superconducting coil 11a and the structure 13. The bending load generated at (16) is alleviated.

상세하게 도시되어 있지 않지만, 열복사 실드체(15)는, 그 저부에 있어서 수직방향 하중지지체(16)의 중간부에 설치된 지지판(16-2)에 의해 지지되어 있다. 그리고, 이 지지판(16-2)과 열복사 실드체(15) 사이도, 상기와 마찬가지로, 마찰계수가 작은 재료를 개재시켜서 열복사 실드체(15)를 슬라이드가능한 구성으로 하고 있다. 또한, 상기 수직방향 하중지지체(16)는, 적어도 초전도코일에 대응하는 개소를 포함하는 복수 개소에 설치된다.Although not shown in detail, the heat radiation shielding body 15 is supported by a supporting plate 16-2 provided at the middle of the vertical load supporting member 16 at its bottom. In addition, between the support plate 16-2 and the heat radiation shield 15, the heat radiation shield 15 is slidable through a material having a small coefficient of friction as in the above. Moreover, the said vertical load support body 16 is provided in several places containing the position corresponding at least to a superconducting coil.

진공용기(10)의 측벽에는, 이 측벽을 밀봉상태로 관통함과 동시에, 열복사 실드체(15)를 관통하여 구조체(13)에 연결된 수평방향 하중지지체(17)를 설치하고 있다. 수평방향 하중지지체(17)는, 수지로 만들어진 엔드리스벨트에 의한 서포트 스트랩(17-1)과, 그 서포트 스트랩(17-1)의 한쪽끝에 연결한 나사축(17-2)과, 나사축(17-2)의 반대 끝이고 진공용기(10)의 측벽으로부터 외부로 돌출되어 있는 나사부에 나사결합하고 있는 너트(17-3)로 이루어진다. 서포트 스트랩(17-1)의 다른쪽 끝은 구조체(13)에 회전가능한 상태로 지지되고, 서포트 스트랩(17-1)의 한쪽끝은 나사축(17-2)에 회전가능한 상태로 지지되어 있다. 이로써, 진공용기(10)와 초전도코일(11a) 및 구조체(13)의 열수축에 의한 치수차를 흡수한다.The side wall of the vacuum vessel 10 is provided with a horizontal load supporting member 17 which penetrates the side wall in a sealed state and penetrates the heat radiation shield body 15 and is connected to the structure 13. The horizontal load bearing member 17 includes a support strap 17-1 made of an endless belt made of resin, a screw shaft 17-2 connected to one end of the support strap 17-1, and a screw shaft ( It consists of a nut 17-3 which is the opposite end of 17-2 and screwed into a screw portion protruding outward from the side wall of the vacuum vessel 10. The other end of the support strap 17-1 is rotatably supported by the structure 13, and one end of the support strap 17-1 is supported rotatably by the screw shaft 17-2. . As a result, the dimensional difference due to heat shrinkage of the vacuum vessel 10, the superconducting coil 11a, and the structure 13 is absorbed.

나사축(17-2)과 진공용기(10)의 측벽 사이는 밀봉되어 있다. 진공용기(10)의 측벽으로부터 외부로 돌출되어 있는 나사부와 너트(17-3)는, 개폐가능한 덮개(10-3)로 커버되어 있다. 나사축(17-2)과 너트(17-3)는, 진공용기(10)의 외측으로부터 초전도코일(11a)의 위치맞춤을 가능하게 하기 위한 것이다. 이 때문에, 초전도코일(11a) 및 구조체(13)의 열수축 분량을 미리 계산하여 두고, 초전도코일(11a) 및 구조체(13)가 이 열수축 분량만큼 변위가능하도록 너트(17-3)를 느슨하게 하여 두도록 한다.The screw shaft 17-2 and the side wall of the vacuum container 10 are sealed. The screw part and the nut 17-3 which protrude outside from the side wall of the vacuum container 10 are covered with the cover 10-3 which can be opened and closed. The screw shaft 17-2 and the nut 17-3 are for enabling alignment of the superconducting coil 11a from the outside of the vacuum container 10. Therefore, the heat shrinkage amount of the superconducting coil 11a and the structure 13 is calculated in advance, and the nut 17-3 is loosened so that the superconducting coil 11a and the structure 13 can be displaced by this heat shrinkage amount. do.

수평방향 하중지지체(17)는, 도 2에 나타난 바와 같이, 초전도코일(11a∼11d)에 대응하는 개소와, 초전도코일(11a)과 초전도코일(11d) 사이, 및 초전도코일(11c)과 초전도코일(11b) 사이의 합계 6개소에 설치된다. 도시하 지 않았으나, 수직방향 하중지지체(16)도, 적어도 수평방향 하중지지체(17)의 설치개소에 대응하는 합계 6개소에 설치된다. As shown in Fig. 2, the horizontal load bearing member 17 has a location corresponding to the superconducting coils 11a to 11d, between the superconducting coil 11a and the superconducting coil 11d, and the superconducting coil 11c and the superconducting. It is provided in six places in total between the coils 11b. Although not shown, the vertical load supporting body 16 is also provided in at least six places corresponding to the installation location of the horizontal load supporting body 17 at least.

도 2, 도 3에 있어서, 진공용기(10)의 외주에는 상면(上面) 자기실드체(26-1), 측면 자기실드체(26-2), 및 하면 자기실드체(26-3)로 이루어지는 자기실드체(26)를 설치하여, 외주부의 누설자계를 저감할 수 있도록 하고 있다.2 and 3, the outer periphery of the vacuum container 10 includes an upper magnetic shield body 26-1, a side magnetic shield body 26-2, and a lower magnetic shield body 26-3. The magnetic shield body 26 is provided, so that the leakage magnetic field of the outer peripheral portion can be reduced.

도 7에 있어서, 구조체(13)에는, 초전도코일(11b)에 전류를 공급하기 위한 산화물 초전도체로 만들어진 전류리드(27)가 설치된다. 전류리드(27)의 한쪽 끝은 구조체(13)에 열앵커를 취하고, 전류리드(27)의 다른쪽 끝은 열복사 실드체(15)에 열앵커를 취한다. 그리고, 전류리드(27)의 적어도 한쪽 끝은 자유단으로 한다. 전류리드(27)는, 도 4에 나타낸 전류도입단자(21)에 접속된다.In Fig. 7, the structure 13 is provided with a current lead 27 made of an oxide superconductor for supplying current to the superconducting coil 11b. One end of the current lead 27 takes a thermal anchor on the structure 13, and the other end of the current lead 27 takes a thermal anchor on the thermal radiation shielding body 15. At least one end of the current lead 27 is a free end. The current lead 27 is connected to the current introduction terminal 21 shown in FIG.

또, 상기 형태에서는, 각 냉동기를 진공용기(10)의 상면측부터 설치하도록 하고 있지만, 진공용기(10)의 하면측부터 설치하도록 하여도 좋고, 이 경우, 냉동기의 유지보수(maintenance)에 수반되는 교환작업을 위한 공간을 확보하기 위하여, 진공용기(10)의 저부에는 복수 개소에 지지부(脚部)가 설치된다.Moreover, in the said aspect, although each refrigerator is provided from the upper surface side of the vacuum container 10, you may install from the lower surface side of the vacuum container 10, In this case, it accompanies maintenance of the refrigerator. In order to secure a space for the replacement operation, support portions are provided at a plurality of locations at the bottom of the vacuum container 10.

다음으로, 상기 각 구성부품에 관하여 설명한다.Next, each said component is demonstrated.

초전도코일(11a∼11d)은, 산화물계뿐만 아니라, 금속계의 초전도선재로 형성되어도 좋다. 초전도코일(11a∼11d)의 보빈(13-3)은 동, 알루미늄 등의 열전도율이 큰 재료로 형성한다. 열전도율이 나쁜 재료(스테인레스나 FRP)로 구성한 경우는, 동이나 알루미늄 등의 고열전도재를 붙인다. 초전도코일(11a∼11d)은, 솔레노이드형상에 권선된 4개의 코일을 진공용기(10) 내의 원주상에 배치한 것이다. 서로 이 웃하는 초전도코일의 배치각(θ)은, 작으면 코일직경을 작게 할 수 밖에 없게 되고, 대기공간의 중심에서 필요한 자계를 발생하기 위해서는 초전도코일의 경험자계가 초전도상태를 깨뜨릴 만큼 커지게 되어 버린다. 한편, 배치각(θ)이 크면, 대기공간의 중심에 발생시키는 자계의 발생효율이 나쁘게 되어 버린다(한 개의 초전도코일이 장치중심에 발생하는 자장을 B1으로 하면, 4개의 초전도코일을 조합하여 중심에 발생할 수 있는 수평자장 B0=4 ×B1 ×cos(θ/2)가 된다). 그 때문에, 경험자계를 그다지 크지 않게 하고, 중심으로의 자장발생효율을 그다지 낮추지 않는 조건으로 하고, 배치각(θ)을 40°≤θ≤90°의 범위 내로 한다.The superconducting coils 11a to 11d may be formed of not only oxide but also metal superconducting wires. The bobbins 13-3 of the superconducting coils 11a to 11d are formed of a material having a high thermal conductivity such as copper and aluminum. When comprised with the material (stainless steel or FRP) with poor thermal conductivity, high thermal conductive materials, such as copper and aluminum, are attached. The superconducting coils 11a to 11d are four coils wound in a solenoid shape on a circumference of the vacuum vessel 10. If the arrangement angles (θ) of superconducting coils that are mutually smaller are smaller, the coil diameter becomes smaller, and in order to generate the required magnetic field in the center of the atmospheric space, the empirical magnetic field of the superconducting coil becomes large enough to break the superconducting state. Throw it away. On the other hand, when the arrangement angle θ is large, the generation efficiency of the magnetic field generated in the center of the air space becomes poor. (When one superconducting coil generates a magnetic field generated at the center of the device, B1, four superconducting coils are combined to form a center. H0 = 4 × B1 × cos (θ / 2). Therefore, the empirical magnetic field is made not so large, the magnetic field generating efficiency to the center is not so low, and the placement angle θ is in the range of 40 ° ≦ θ ≦ 90 °.

40도와 90도의 임계적 의의에 관하여, 우선, 코일과 자장의 관계를 도 8에 나타낸다. 다음으로, 실제로 설계할 때의 타당한 값을 넣어서 계산하고, 도 9를 작성하였다.Regarding the critical significance of 40 degrees and 90 degrees, first, the relationship between the coil and the magnetic field is shown in FIG. Next, it calculated by putting in a valid value at the time of actually designing, and created FIG.

도 9의 좌측의 척도는 θ=0 일 때를 1로 하고, 자장과 각도의 관계를 산출한 것으로, 실선으로 나타내고 있다. 각도가 작을수록 큰 자계가 발생한다는 것을 알 수 있다. 이로써, 각도가 90도에서 자계가 70%, 120도에서는 자계가 반 이하가 된다. 따라서, 발생 자장의 70%로 유지하지 않으면 코일의 효율이 나쁘다는 이유에서 90도이다.The scale on the left side of FIG. 9 is 1 when θ = 0, and the relationship between the magnetic field and the angle is calculated and is indicated by a solid line. It can be seen that the smaller the angle, the larger the magnetic field is generated. As a result, the magnetic field is 70% at an angle of 90 degrees, and the magnetic field is less than half at 120 degrees. Therefore, if it is not maintained at 70% of the generated magnetic field, it is 90 degrees because the efficiency of the coil is bad.

도 9의 우측의 척도는 대향하는 코일끼리의 간격의 반(도가니 중심에 대한 거리)을 1로 하여, 코일 반경과 각도의 관계를 산출한 것으로, 파선으로 나타내고 있다. 각도가 클수록, 코일 반경을 크게 취할 수 있다는 것을 알 수 있다. 반경의 단위는 L=1로 할 때의 비율로 나타내고 있다. 각도가 40도에서 40%가 약간 안 되는 크기로 되어 버린다. 도가니의 크기에 대하여, 코일 반경이 40%가 약간 안 되는 크기로 되어 버리면, 필요한 자장의 세기를 얻을 수 없다.The scale on the right side of FIG. 9 calculates the relationship between coil radius and angle by making half of the space | interval of opposing coils (distance with respect to the crucible center) 1, and is shown with the broken line. It can be seen that the larger the angle, the larger the coil radius can be taken. The unit of radius is shown by the ratio at the time of making L = 1. It becomes size that angle is less than 40% at 40 degrees. With respect to the size of the crucible, if the coil radius is less than 40%, the required magnetic field strength cannot be obtained.

더구나, 이 그래프는 85도 부근에서 교차하고, 쌍방의 가장 큰 값을 나타내지만, 이 점을 경계로 우측은 규격화된 발생 자장의 요소의 비중이 늘어나고, 좌측은 코일 반경이 지배적이라는 것을 설계 경험상의 지식으로 알고 있다.Moreover, the graph intersects at around 85 degrees and shows the largest value of both, but on the right side of this point the proportion of the elements of the normalized generated magnetic field increases, and on the left the coil radius is dominant. I know by knowledge.

따라서, 40도 내지 90도의 범위 내에서 설계하는 것이 실용적인 초전도 마그넷을 제작하는데 있어서 바람직하다.Therefore, it is preferable to design a practical superconducting magnet in the range of 40 to 90 degrees.

냉동기로서는, 소형 GM(Gifford-McMahon)냉동기 등을 사용할 수 있다. 2단식 GM냉동기를 사용하는 경우는, 제1단 콜드헤드(12-11)에서 열복사 실드체(15)를 냉각하고, 제2단 콜드헤드(12-21)에서 초전도코일을 냉각할 수 있다. 또한, 열복사 실드체(15)의 냉각전용으로 다른 냉동기를 부가하도록 하여도 좋다. As the freezer, a small GM (Gifford-McMahon) refrigerator or the like can be used. In the case of using a two-stage GM refrigerator, the heat radiation shielding body 15 can be cooled in the first stage cold head 12-11, and the superconducting coil can be cooled in the second stage cold head 12-21. In addition, another cooling device may be added for cooling the heat radiation shielding body 15.

냉동기 삽입용 슬리브(23)는 진공용기(10)에 고정되고, 슬리부(23)에는 냉동기와 열접촉가능한 전열부재가 설치되어 있다. 이로써, 냉동기 본체를 극저온상태인 채로 진공용기(10)에 대하여 탈부착할 수 있다. 상술한 바와 같이, 중간전열부재(23-2)와 열복사 실드체(15)의 접합에 있어서는, 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 망선이나 다층판으로 접속함으로써 힘을 전달하지 않는 구조로 하고 있다. The freezer insert sleeve 23 is fixed to the vacuum container 10, and the sleeve portion 23 is provided with a heat transfer member that is in thermal contact with the freezer. Thereby, the refrigerator main body can be attached to and detached from the vacuum container 10 while being in a cryogenic state. As described above, in the joining of the intermediate heat transfer member 23-2 and the heat radiation shielding body 15, in order to prevent stress caused by heat shrinkage, the structure is connected to a wire or a multilayer plate so as not to transmit force. have.

산화물 초전도체로 만들어진 전류리드(27)에는, 초전도코일부에 대한 침입열을 작게 하면서, 전류를 공급할 수 있는 재료, 예컨대 비스머스계와 이트륨계 등의 산화물 초전도재료를 사용한다. 또, 산화물 초전도체로서 벌크체와 선재형상의 것 이 적용가능하다. 이러한 종류의 재료는, 기계적 강도가 작은 재료이기 때문에, 발열을 저감할 필요가 있는 초전도코일과의 접합부는 고정하고, 또 한쪽 끝은 냉동기의 제2단 냉동스테이지 온도로 앵커하지만, 열수축에 의한 응력완화를 위해서 자유단으로 한다. 결국, 적층판이나 평망선등을 적용한 플렉시블한 부재로 접합한다. 산화물 초전도체의 양 끝에는 용사(溶射)에 의해 은을 코팅하고, 그 위에 납땜에 의해 전극을 접합한다. 이 결과, 접촉저항이 작아서 줄(joule)발열이 작은 전류리드로 할 수 있다.As the current lead 27 made of the oxide superconductor, a material capable of supplying a current while reducing intrusion heat to the superconducting coil portion, for example, an oxide superconductor such as bismuth based or yttrium based, is used. In addition, as the oxide superconductor, a bulk body and a wire rod shape are applicable. Since this kind of material is a material with low mechanical strength, the joint with the superconducting coil, which needs to reduce heat generation, is fixed and the other end is anchored at the second stage freezing stage temperature of the refrigerator, but stress due to heat shrinkage It is free end for mitigation. Finally, it joins by the flexible member which applied laminated board, a flat wire, etc. Both ends of the oxide superconductor are coated with silver by thermal spraying, and the electrodes are joined by soldering thereon. As a result, a current lead can be made small because of low contact resistance.

다층형상 전열부재(14)로 선단전열부재(23-1)와 접속부(13-1) 사이를 접속하도록 하고 있지만, 냉동기의 제2단 콜드헤드를 직접, 구조체(13) 혹은 부착된 전열부재에 접촉시키도록 하여도 좋다.The multilayer heat transfer member 14 is used to connect the tip heat transfer member 23-1 and the connection portion 13-1, but the second stage cold head of the refrigerator is directly connected to the structure 13 or the heat transfer member attached thereto. You may make it contact.

열복사 실드체(15)는, 초전도코일로의 열침입을 저감하기 위하여, 초전도코일의 주위를 둘러싸고, 열복사를 작게 한다. 또, 열복사의 저감효과를 높이는 목적으로, 다층단열재(슈퍼 인슐레이터)의 병용도 가능하다. 열복사 실드체(15)는, 전열특성이 우수한 재료, 예컨대 동, 알루미늄 등으로 구성한다. 또한, 기계적 강도가 필요한 경우는, 강도부재로서 스테인레스를 사용하고, 전열부재로서 동이나 알루미늄을 병용하는 것도 가능하다. 또한, 초전도코일의 quench(초전도체 또는 초전도기기가 초전도상태에서 상전도상태로 이전할 때의 제어불가능하고, 또한 불가역인 현상)나 급격한 자계변동에 의한 과전류를 방지하기 위하여, 열복사 실드체(15)에 부분적으로 노칭(notching)을 넣는 구조로 하여도 좋다.The heat radiation shielding body 15 surrounds the superconducting coil in order to reduce heat infiltration into the superconducting coil and reduces the heat radiation. Moreover, in order to raise the effect of reducing heat radiation, it is also possible to use a multilayer heat insulating material (super insulator) together. The heat radiation shield 15 is made of a material having excellent heat transfer characteristics, such as copper and aluminum. In addition, when mechanical strength is needed, it is also possible to use stainless steel as a strength member, and to use copper and aluminum together as a heat transfer member. In addition, in order to prevent overcurrent due to quench of the superconducting coil (uncontrollable and irreversible phenomenon when the superconductor or the superconductor is transferred from the superconducting state to the superconducting state) or the sudden magnetic field fluctuation, the heat radiation shielding body (15) It may be of a structure in which notching is partially inserted into the.

수직방향 하중지지체(16)는, 초전도코일(11a∼11d), 구조체(13), 열복사 실 드체(15)를 지지하는 부재이고, 기계적 강도를 유지하면서, 단열성능이 우수할 필요가 있다. 재료로서는, 예컨대 GFRP, OFRP, 알루미나FRP, 스테인레스 등을 사용할 수 있다. 공지의 예로서, 초전도코일을, 복수개의 파이프형상 GFRP재에 의해 진공용기(10)로부터 지지하는 구성이 있다. 이 파이프는 중간부에 있어서 열복사 실드체(15)와 앵커를 취하고, 전도에 의한 침입열의 저감을 도모한다. 본 형태에서는, 상하방향에 수직방향 하중지지체(16)로서 복수개의 파이프를 설치하고, 초전도코일을 단열지지하도록 하고 있다.The vertical load supporting member 16 is a member supporting the superconducting coils 11a to 11d, the structure 13, and the heat radiation shielding body 15, and needs to have excellent thermal insulation performance while maintaining mechanical strength. As the material, for example, GFRP, OFRP, alumina FRP, stainless or the like can be used. As a known example, there is a configuration in which a superconducting coil is supported from the vacuum vessel 10 by a plurality of pipe-shaped GFRP materials. This pipe takes the heat radiation shielding body 15 and an anchor in an intermediate part, and aims at reducing invasion heat by conduction. In this embodiment, a plurality of pipes are provided as the vertical load supporting members 16 in the vertical direction, and the superconducting coils are thermally supported.

수평방향 하중지지체(17)는, 원통형상, 벨트형상을 한 GFRP, OFRP, 알루미나FRP, 스테인레스 등의 재료로 구성되고, 초전도코일 장착부, 진공용기(10)로의 장착부의 어느 하나 혹은 그 양쪽에서 회전가능한 구성으로 한다. 진공용기(10)로의 장착부에서는 진공기밀을 유지하면서 수평방향 하중지지체(17)의 위치를 조정할 수 있는 구성을 가지고, 초전도코일과 진공용기(10)의 축맞춤 등의 조정이 가능한 구조로 되어 있다.The horizontal load bearing member 17 is made of a cylindrical or belt-shaped material such as GFRP, OFRP, alumina FRP, stainless steel, etc., and rotates in one or both of the superconducting coil mounting portion and the mounting portion to the vacuum vessel 10. Make it possible. The mounting portion to the vacuum vessel 10 has a structure in which the position of the horizontal load supporting member 17 can be adjusted while maintaining the vacuum tightness, and the superconducting coil and the vacuum vessel 10 can be adjusted in alignment. .

진공용기(10)는, 단열진공을 유지하기 위한 용기로서, 초전도코일, 구조체(13), 열복사 실드체(15), 냉동기 등의 하중을 지지하는 지점(支点)이 된다. 용접구조에 의한 형성에서도, 플랜지구조에서도 가능하다. 플랜지구조의 경우는, 용이하게 분해가능하게 된다. 용접구조의 경우에도, 전류리드(27)나 냉동기를 설치하는 부분만 보수가능하도록, 일부에 탈부착가능한 박스를 장착할 수도 있다.The vacuum container 10 is a container for holding an adiabatic vacuum, and serves as a point for supporting loads of the superconducting coil, the structure 13, the heat radiation shield body 15, the refrigerator, and the like. Formation by a welded structure or a flange structure is also possible. In the case of a flange structure, it becomes easily removable. Even in the case of a welded structure, a removable box may be attached to a part so that only the part where the current lead 27 or the refrigerator is installed can be repaired.

자기실드체(26)는, 진공용기(10)의 외측(상하면 또는 외주면, 또는 그 양쪽)에 강자성체(强磁性體)에 의한 부재를 설치하여 주변부로의 누설자계를 저감한다. The magnetic shield body 26 is provided with a member made of a ferromagnetic body on the outer side (upper and lower or outer circumferential surfaces, or both) of the vacuum container 10 to reduce the leakage magnetic field to the peripheral portion.                     

이상의 구성에 의해, 구조가 단순하고, 열응력에 강하고, 경량이면서 콤팩트하고, 조작이 용이하며, 신뢰성이 높은 MCZ용 수평자장발생용 초전도 자석장치를 제공할 수 있다. With the above structure, it is possible to provide a horizontal magnetic field generating superconducting magnet device for MCZ which is simple in structure, strong in thermal stress, lightweight, compact, easy to operate, and reliable.

MCZ법에 의한 실리콘 단결정제조에 있어서의 자계발생원으로서, 수평자계를 발생하는 경우의 작용은 이하와 같다.As a magnetic field generating source in the production of silicon single crystal by the MCZ method, the action in the case of generating a horizontal magnetic field is as follows.

냉동기를 기동한다. 그 후, 냉각에 관한 조작은 일절 불필요하고, 냉각을 위한 숙련을 필요로 하지 않는다.Start the freezer. Thereafter, the operation related to cooling is unnecessary at all, and does not require skill for cooling.

수일에서 십수일 후에 초전도코일은 초전도온도가 된다.After several days to ten days, the superconducting coil becomes the superconducting temperature.

필요한 때에, 여자용(勵磁用) 전원을 조작하여 단결정 성장장치에 소정의 자계를 발생시킨다.When necessary, the excitation power supply is operated to generate a predetermined magnetic field in the single crystal growth apparatus.

발생한 자계(수평자계)에 의해 용융실리콘의 열대류가 억제되고, 안정된 품질의 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.By the generated magnetic field (horizontal magnetic field), tropical flow of molten silicon is suppressed and silicon single crystal of stable quality can be obtained.

또한, 상기의 형태에서는, MCZ법에 의한 단결정 끌어올림용 자장발생장치로서 적용하는 경우에 관하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 자기분리장치, MRI, 화학반응제어, 물처리장치, 배향처리장치 등, 자계이용이 많은 분야에서의 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 적용할 수 있다.In addition, in the above embodiment, the case of applying as a magnetic crystal generating device for single crystal pulling by the MCZ method has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is not limited to this. In addition, the present invention can be applied to a refrigeration type superconducting magnet device of a refrigerator in many fields.

본 발명에 의한 냉동기 냉각형 초전도 자석장치에 의하면, 냉동기용 압축기의 전력과 냉각수, 여자용 전원의 전력 밖에 필요로 하지 않기 때문에, 런닝 코스트를 대폭으로 저감할 수 있다. 또, 자석부분이 경량이고 콤팩트하기 때문에, 끌어 올림과정에 있어서 자석높이를 이동시키는 경우에 있어서도, 낮은 동력에서의 조작이 가능하다. 또한, 자기실드를 설치하고 있기 때문에, 누설자계가 저감되고, 외부기기, 작업자에 대한 안전성이 높다.
According to the refrigerator-cooling type superconducting magnet device according to the present invention, since only the electric power of the compressor for compressor, power of cooling water, and excitation power are required, the running cost can be greatly reduced. In addition, since the magnet portion is light in weight and compact, it is possible to operate at a low power even when the magnet height is moved in the pulling up process. In addition, since the magnetic shield is provided, the leakage magnetic field is reduced, and safety for external equipment and workers is high.

Claims (8)

중앙부에 대기(大氣)공간을 가지는 이중 통모양의 진공용기와, A double cylindrical vacuum container having an air space in the center, 이 진공용기 내에 세로로 배치되어 수평자장을 발생하기 위한 적어도 두 쌍의 초전도코일과,At least two pairs of superconducting coils arranged longitudinally in the vacuum vessel to generate a horizontal magnetic field; 각 초전도코일을 극저온으로 냉각하기 위한 극저온냉동기를 포함하고,Cryogenic chiller for cooling each superconducting coil to cryogenic temperature, 상기 적어도 두 쌍의 초전도코일은, 각 쌍의 초전도코일이 상기 대기공간을 사이에 두고 서로 대향하고, 또한 한쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분과 다른쪽 쌍의 초전도코일의 중심을 연결하는 선분 사이의 각도(θ)가 수평면 위에서 40°≤θ≤90°가 되도록 인접하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.The at least two pairs of superconducting coils, each pair of superconducting coils facing each other with the atmospheric space therebetween, and connecting the center of one pair of superconducting coils and the center of the other pair of superconducting coils A refrigerator-cooled superconducting magnet device, characterized in that the angle (θ) between the line segments are disposed adjacent to each other to be 40 ° ≤ θ ≤ 90 ° on the horizontal plane. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 극저온냉동기는 제1단, 제2단 냉동스테이지를 가지는 2단냉각방식이고, 상기 초전도코일은, 상기 진공용기 내에 보빈으로 지지되어 있고, 상기 진공용기의 하면 또는 상면에는 상기 극저온냉동기를 삽입하기 위한 삽입구를 마련함과 동시에, 이 삽입구로부터 상기 진공용기 내로 연장하여 상기 극저온냉동기를 밀봉상태로 수용하기 위한 슬리브를 고정하고, 이 슬리브에는 그 선단에 상기 극저온냉동기의 제2단 냉동스테이지의 콜드헤드와 접촉하는 선단전열부재를 설치함과 동시에, 그 중간부에 상기 극저온냉동기의 제1단 냉동스테이지의 콜드헤드와 접촉하는 중간전열부재를 설치하며, 상기 극저온냉동기 본체를, 상기 진공용기 안이 극저온상태인 채로 탈부착가능한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.The cryogenic freezer is a two-stage cooling system having a first stage and a second stage freezing stage, wherein the superconducting coil is supported by a bobbin in the vacuum container, and the cryogenic freezer is inserted into a lower surface or an upper surface of the vacuum container. And a sleeve for accommodating the cryogenic freezer in a sealed state extending from the insertion hole into the vacuum vessel from the insertion port, and having a cold head of the second stage freezing stage of the cryogenic freezer at the front end thereof. An intermediate heat transfer member for contacting the cold head of the first stage freezing stage of the cryogenic freezer is provided at the middle of the cryocooler, and the cryocooler main body is in a cryogenic state. A refrigerator-cooling superconducting magnet device, characterized in that it is configured to be detachable. 제2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 진공용기는 상기 대기공간을 둘러쌀 수 있는 이중원통구조를 가지고, 상기 보빈을 고정하기 위한 원통형상의 구조체를 가지며, 상기 초전도코일 및 상기 구조체는, 상기 슬리브의 선단부와 더불어, 상기 진공용기 내에 배치된 이중원통형 열복사 실드체에 수용되어 있고, 이 열복사 실드체와 상기 슬리브 사이의 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 상기 슬리브의 상기 중간전열부재와 상기 열복사 실드체 사이를 망선과 다층판에 의한 가요성(可撓性) 전열체로 연결한 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.The vacuum container has a double cylindrical structure that can surround the atmospheric space, has a cylindrical structure for fixing the bobbin, the superconducting coil and the structure, together with the front end of the sleeve, is disposed in the vacuum container It is housed in a double-cylindrical heat radiation shield body, and between the intermediate heat transfer member and the heat radiation shield body of the sleeve by a wire and a multi-layer plate in order to prevent the stress caused by heat shrink between the heat radiation shield body and the sleeve. A refrigerator-cooling superconducting magnet device, characterized in that connected by a flexible heating element. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 구조체와 상기 슬리브 사이의 열수축에 의한 응력발생을 방지하기 위하여, 상기 슬리브의 상기 선단전열부재와 상기 구조체에 설치된 접속부를 다층판형상 가요전열체로 연결한 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.A refrigerator-cooling superconducting magnet device characterized in that the front end heat transfer member of the sleeve and the connecting portion provided in the structure are connected by a multilayer plate-shaped flexible heat transfer body to prevent stress generation due to heat shrinkage between the structure and the sleeve. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 구조체에는, 상기 초전도코일에 대응하는 개소(個所)를 포함하는 복수 개소에 각각 피지지판을 가지는 브래킷이 설치되어 있고, 상기 진공용기 내에는 그 저부에 상기 열복사 실드체를 관통하여 상기 브래킷의 상기 피지지판과 면(面)접촉하면서 상기 구조체를 지지하기 위한 복수개의 수직방향 하중지지체를 설치하고, 상기 브래킷의 상기 피지지판을 상기 수직방향 하중지지체에 대하여 슬라이드가능한 구성으로 하여, 상기 구조체의 열수축에 의해 상기 수직방향 하중지지체에 발생하는 벤딩하중을 완화하도록 한 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치. The structure is provided with brackets each having a supported plate at a plurality of locations including a portion corresponding to the superconducting coil, and inside the vacuum vessel, the heat radiation shield is passed through the bottom to allow the A plurality of vertical load supporting members are provided for supporting the structure while being in surface contact with the supported plate, and the supported plate of the bracket is slidable with respect to the vertical load supporting member, so that the thermal contraction of the structure Refrigerating type superconducting magnet apparatus, characterized in that for reducing the bending load generated in the vertical load support. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 초전도코일에 대응하는 개소를 포함하는 복수 개소의 상기 진공용기의 측벽에, 이 측벽을 밀봉(seal)상태로 관통함과 동시에, 상기 열복사 실드체를 관통하여 상기 구조체에 연결된 수평방향 하중지지체를 각각 설치함으로써, 상기 진공용기의 외측으로부터 상기 초전도코일의 위치맞춤을 가능하게 하고, 상기 수평방향 하중지지체는, 상기 구조체와의 연결부에 있어서 회전가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.A horizontal load supporting member connected to the structure by penetrating the sidewalls in a sealed state and penetrating the sidewalls of the vacuum vessel including a portion corresponding to the superconducting coil in a sealed state, and connected to the structure. The respective arrangements enable positioning of the superconducting coils from the outside of the vacuum container, and the horizontal load bearing body is rotatably supported at the connection portion with the structure. Device. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 초전도코일에 전류를 공급하기 위한 산화물 초전도체로 만들어진 전류리드를 구비하고, 이 전류리드의 한쪽 끝은 상기 구조체에 열앵커를 취하고, 상기 전류리드의 다른쪽 끝은 상기 열복사 실드체에 열앵커를 취하고, 상기 전류리드의 적어도 한쪽 끝을 자유단(自由端)으로 하는 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초 전도 자석장치.A current lead made of an oxide superconductor for supplying current to the superconducting coil, one end of the current lead having a thermal anchor on the structure, and the other end of the current lead having a thermal anchor on the thermal radiation shield. And a free end of at least one end of the current lead. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 진공용기의 외주에 자기실드체를 설치하여, 외주부의 누설자계를 저감할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉동기 냉각형 초전도 자석장치.A refrigerator-cooling superconducting magnet device, characterized in that the magnetic shield body is installed on the outer circumference of the vacuum vessel to reduce the leakage magnetic field of the outer circumference.
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