KR20220104642A - 초전도자석장치 - Google Patents

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KR20220104642A
KR20220104642A KR1020220001925A KR20220001925A KR20220104642A KR 20220104642 A KR20220104642 A KR 20220104642A KR 1020220001925 A KR1020220001925 A KR 1020220001925A KR 20220001925 A KR20220001925 A KR 20220001925A KR 20220104642 A KR20220104642 A KR 20220104642A
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superconducting
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superconducting coil
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아츠시 하시모토
준 요시다
켄타 데무라
타카아키 모리에
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스미도모쥬기가이고교 가부시키가이샤
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Abstract

발생시키는 자장분포를 보다 세밀하게 제어할 수 있는 초전도자석장치를 제공한다.
초전도자석장치(10)는, 내측에 중심공동(24)을 정하는 통형 크라이오스탯(20)과, 중심공동(24)의 외측에서 통형 크라이오스탯(20)의 내부에 배치되는 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)와, 제1 초전도코일세트(30)에 대한 제1 여자전류의 크기와 제2 초전도코일세트(40)에 대한 제2 여자전류의 크기를 서로 독립적으로 제어 가능하게 하는 전원계(50)를 구비한다. 제1 초전도코일세트(30)는, 제1 여자전류가 공급될 때 X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시키며, 제2 초전도코일세트(40)는, 제2 여자전류가 공급될 때 X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시킨다.

Description

초전도자석장치{SPERCONDUCTING MAGNET DEVICE}
본 출원은 2021년 1월 18일에 출원된 일본 특허출원 제2021-005646호에 근거하여 우선권을 주장한다. 그 출원의 전체 내용은 이 명세서 중에 참고로 원용되어 있다.
본 발명은, 초전도자석장치에 관한 것이다.
초전도자석장치는, MCZ(Magnetic field applied Czochralski)법에 의한 단결정(單結晶)인상장치의 자장발생원으로서 이용되고 있다. 초전도자석이 발생시키는 강력한 자장에 의하여, 반도체재료의 융액(融液) 중의 열대류를 억제할 수 있다. 인가되는 자장분포는, 열대류의 억제의 정도에 영향을 주고, 그 결과, 인상되는 단결정 중의 산소농도가 바뀐다. 바람직한 산소농도는, 최종적으로 제조되는 반도체장치의 용도에 따라 상이하다. 그래서, 종래, 2종류의 상이한 자장분포를 전환하여 발생시키기 위하여, 일부의 초전도코일에 흘려보내는 전류방향을 전환하도록 한 단결정인상장치가 알려져 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2017-206396호
본 발명의 일 양태의 예시적인 목적의 하나는, 발생시키는 자장분포를 보다 세밀하게 제어할 수 있는 초전도자석장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 초전도자석장치는, 내측에 중심공동(空洞)을 정하는 통형 크라이오스탯과, 중심공동의 외측에서 통형 크라이오스탯의 내부에 배치되는 제1 초전도코일세트 및 제2 초전도코일세트와, 제1 초전도코일세트에 대한 제1 여자(勵磁)전류의 크기와 제2 초전도코일세트에 대한 제2 여자전류의 크기를 서로 독립적으로 제어 가능하게 하는 전원계를 구비한다. 통형 크라이오스탯의 중심축을 Z축, Z축에 직교하며 서로 직교하는 두 축을 각각 X축, Y축으로 할 때, 제1 초전도코일세트는, 제1 여자전류가 공급될 때, X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동에 발생시키며, 제2 초전도코일세트는, 제2 여자전류가 공급될 때, X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동에 발생시킨다.
다만, 이상의 구성요소의 임의의 조합이나 본 발명의 구성요소나 표현을, 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 서로 치환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 발생시키는 자장분포를 보다 세밀하게 제어할 수 있는 초전도자석장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태에 관한 초전도자석장치의 요부(要部)를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타나는 초전도자석장치에 마련되는 초전도코일의 배치를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)는, 실시형태에 관한 초전도자석장치가 발생시키는 자장분포를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는, 제1 초전도코일세트와 제2 초전도코일세트가 발생시키는 자장을 중첩한 자장분포를 예시하는 그래프이다.
도 5는 도 1에 나타나는 초전도자석장치의 코일전원회로의 일례를 모식적으로 나타내는 도이다.
도 6은 실시형태에 관한 초전도자석장치가 발생시키는 자장의 등고선도의 일례를, 제1 여자전류와 제2 여자전류를 각각 가로축, 세로축으로 하여 나타내는 그래프이다.
도 7은 초전도자석장치의 외관을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)는, 도 7에 나타나는 초전도자석장치에 있어서의 극저온냉동기의 배치장소를 예시하는 모식도이다.
도 9는 초전도자석장치의 코일지지구조를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 실시형태에 관한 초전도자석장치에 있어서의 초전도코일배치의 다른 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다. 설명 및 도면에 있어서 동일 또는 동등한 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다. 도시되는 각부(各部)의 축척이나 형상은, 설명을 용이하게 하기 위하여 편의적으로 설정되어 있으며, 특별히 언급이 없는 한 한정적으로 해석되는 것은 아니다. 실시형태는 예시이며, 본 발명의 범위를 결코 한정하는 것은 아니다. 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 한정하지 않는다.
도 1은, 실시형태에 관한 초전도자석장치(10)의 요부를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 또, 도 2는, 도 1에 나타나는 초전도자석장치(10)에 마련되는 초전도코일의 배치를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
초전도자석장치(10)는, HMCZ(Horizontal-MCZ; 가로자장형의 MCZ)법에 의한 단결정인상장치의 자장발생원으로서 이용할 수 있다. 단결정인상장치는, 예를 들면, 실리콘단결정인상장치이다.
도 1에 나타나는 바와 같이, 초전도자석장치(10)는, 통형 크라이오스탯(20)과, 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)와, 전원계(50)를 구비한다.
통형 크라이오스탯(20)은, 통형 크라이오스탯(20)을 둘러싸는 주위환경(22)으로부터 격리되는 내부공간을 갖고, 이 내부공간에 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 배치된다. 내부공간은, 예를 들면 도넛상 또는 원통상의 형상을 갖는다. 통형 크라이오스탯(20)은 단열진공용기이며, 초전도자석장치(10)의 동작 중, 통형 크라이오스탯(20)의 내부공간에는 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)를 초전도상태로 하는 데 적합한 극저온진공환경이 제공된다. 통형 크라이오스탯(20)은, 주위압력(예를 들면 대기압)에 견디도록, 예를 들면 스테인리스강 등의 금속재료 또는 그 외의 적합한 고강도재료로 형성된다.
통형 크라이오스탯(20)은, 내측에 중심공동(24)을 정한다. 중심공동(24)의 외측에서 중심공동(24)을 둘러싸도록 하여, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 배치된다. 초전도자석장치(10)가 단결정인상장치에 탑재되었을 때, 중심공동(24)에는, 단결정재료의 융액을 수용하는 도가니가 배치된다. 중심공동(24)은, 통형 크라이오스탯(20)을 둘러싸는 주위환경(22)의 일부이며(즉 통형 크라이오스탯(20)의 외부에 있으며), 통형 크라이오스탯(20)에 둘러싸인 예를 들면 원기둥상의 공간이다.
이하에서는, 설명의 편의상, 통형 크라이오스탯(20)의 중심축을 Z축, Z축에 직교하며 서로 직교하는 두 축을 각각 X축, Y축으로 하는 직교좌표계를 생각한다. 단결정인상장치의 경우, 결정인상축이 Z축에 해당하고, 결정인상축에 수직인 융액 표면에 X축, Y축을 정의할 수 있다. 이때, 초전도자석장치(10)가 융액 표면의 중심에 발생시키는 자장에 평행한 방향을 X축으로 하고, 이것에 수직인 방향을 Y축으로 할 수 있다. 도 1에는 XY면에 있어서의 초전도자석장치(10)의 단면(斷面)이 나타나고, Z축은 지면(紙面)에 수직인 방향으로 뻗는다.
상세는 후술하지만, 제1 초전도코일세트(30)는, 전원계(50)로부터 제1 여자전류(I1)가 공급될 때, X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시킨다. 제2 초전도코일세트(40)는, 전원계(50)로부터 제2 여자전류(I2)가 공급될 때, X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시킨다.
전원계(50)는, 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)의 전원으로서 마련되고, 통형 크라이오스탯(20)의 외부에 배치되어 있다. 전원계(50)는, 제1 초전도코일세트(30)에 대한 제1 여자전류(I1)의 크기와 제2 초전도코일세트(40)에 대한 제2 여자전류(I2)의 크기를 서로 독립적으로 제어 가능하게 하도록 구성되어 있다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)는, 실시형태에 관한 초전도자석장치(10)가 발생시키는 자장분포를 모식적으로 나타내는 도이다. 도 3의 (a)에는, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 각각 중심공동(24)에 발생시키는 자장분포를 대표하여, 각 초전도코일의 중심을 통과하는 자력선이 화살표로 나타나 있다. 도 3의 (b)에는, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)의 각각에 대하여 X축 상에서의 자속밀도가 나타나고, 도 3의 (c)에는, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)의 각각에 대하여 Y축 상에서의 자속밀도가 나타나 있다. 도 3의 (b)와 도 3의 (c)의 가로축은, XYZ좌표계의 원점으로부터의 거리(단결정인상장치의 경우, 융액 표면의 중심으로부터의 거리)를 나타낸다.
도 1, 도 2, 도 3의 (a) 내지 도 3의 (c)를 참조하여, 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)의 코일배치와 발생하는 자장분포를 설명한다.
초전도자석장치(10)에는 6개의 초전도코일이 마련되며, 그 중 2개가 제1 초전도코일세트(30)를 형성하고, 나머지의 4개가 제2 초전도코일세트(40)를 형성한다. 도시되는 바와 같이, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)의 각 초전도코일은, 동일한 형상 및 동일한 사이즈를 갖고, 이 예에서는, 동일 직경의 원형상 코일이다. 따라서, 이들 6개의 초전도코일은, 상면시(上面視)에서 정육각형상으로 배치되어 있다.
제1 초전도코일세트(30)는, X축 상에서 중심공동(24)을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제1 초전도코일(30a, 30b)을 구비한다. 한 쌍의 제1 초전도코일(30a, 30b)은 각각, 코일중심축을 X축에 일치시키도록 배치되어 있다. 일방의 제1 초전도코일(이 예에서는 30a)에 공급되는 제1 여자전류(I1)의 방향은, 이 초전도코일이 직경방향외향자장(코일을 통과하여 중심공동(24)으로부터 나오는 방향의 자장)을 발생시키도록 결정되어 있다. 타방의 제1 초전도코일(이 예에서는 30b)에 공급되는 제1 여자전류(I1)의 방향은, 이 초전도코일이 직경방향내향자장(코일을 통과하여 중심공동(24)으로 들어가는 방향의 자장)을 발생시키도록 결정되어 있다. 따라서, 도 3의 (a)에 나타나는 바와 같이, 제1 초전도코일(30a, 30b)의 중심을 통과하는 자력선은, X축을 따라 직선적으로 뻗는다.
제1 초전도코일세트(30)가 발생시키는 제1 자장은, 제1 초전도코일(30a, 30b)의 중심에서 가장 강하고, 그곳으로부터 X축을 따라 중심공동(24)의 중심에 가까워짐에 따라(즉 코일중심으로부터 멀어짐에 따라) 약해진다. 따라서, 도 3의 (b)에 나타나는 바와 같이, 제1 초전도코일세트(30)가 발생시키는 제1 자장은, X축 상에서는, 아래로 볼록하게 된다.
또, 도 3의 (c)에 나타나는 바와 같이, 제1 초전도코일세트(30)가 발생시키는 제1 자장은, Y축 상에서는, 위로 볼록하게 된다. 왜냐하면, 중심공동(24)의 중심으로부터 Y축을 따라 외측으로 멀어질 때, 제1 초전도코일(30a, 30b)의 중심으로부터의 거리는 증가하게 되므로, 제1 초전도코일세트(30)가 발생시키는 제1 자장은, 중심공동(24)의 중심에서 가장 강하고, 그곳으로부터 외측으로 멀어짐에 따라 약해지기 때문이다.
제2 초전도코일세트(40)는, 중심공동(24)을 사이에 두고 대향배치되며, Z축둘레로 시계방향으로 한 쌍의 제1 초전도코일(30a, 30b)과 인접배치되는 한 쌍의 제2 초전도코일(40a, 40b)과, 중심공동(24)을 사이에 두고 대향배치되며, Z축둘레로 시계반대방향으로 한 쌍의 제1 초전도코일(30a, 30b)과 인접배치되는 또 한 쌍의 제2 초전도코일(40c, 40d)을 구비한다. 이 실시형태에서는, 도 1에 나타나는 바와 같이, 첫 번째의 제2 초전도코일(40a, 40b)의 쌍은, Z축둘레로 시계방향으로 X축으로부터 60도를 이루는 선(42)에 코일중심축을 일치시키도록 배치되고, 두 번째의 제2 초전도코일(40c, 40d)의 쌍은, Z축둘레로 반시계방향으로 X축으로부터 60도를 이루는 선(44)에 코일중심축을 일치시키도록 배치된다.
직경방향외향자장을 발생시키는 일방의 제1 초전도코일(이 예에서는 30a)의 양측에 인접하는 제2 초전도코일(이 예에서는 40a와 40d)에 공급되는 제2 여자전류(I2)의 방향은, 이들 2개의 제2 초전도코일도 직경방향외향자장을 발생시키도록 결정되어 있다. 직경방향내향자장을 발생시키는 타방의 제1 초전도코일(이 예에서는 30b)의 양측에 인접하는 제2 초전도코일(이 예에서는 40b와 40c)에 공급되는 제2 여자전류(I2)의 방향은, 이들 2개의 제2 초전도코일도 직경방향내향자장을 발생시키도록 결정되어 있다. 그 때문에, 도 3의 (a)에 나타나는 바와 같이, 서로 인접하는 2개의 제2 초전도코일(40a와 40c, 또는, 40b와 40d)의 중심을 통과하는 자력선은, 그들 2개의 제2 초전도코일 중 일방을 통과하여 중심공동(24)으로 들어가고, 타방의 제2 초전도코일을 통과하여 중심공동(24)으로부터 나오도록 만곡(灣曲)되어 있다.
제2 초전도코일세트(40)가 발생시키는 제2 자장은, 이 코일중심을 통과하는 만곡된 자력선에 있어서 가장 강하고, 그곳으로부터 멀어짐에 따라 약해진다. 따라서, 제2 자장은, X축 상에서는, 중심공동(24)의 중심에서 비교적 강하고, 그곳으로부터 X축을 따라 외측으로 멀어짐에 따라 약해진다. 즉, 제2 자장은, 도 3의 (b)에 나타나는 바와 같이, X축 상에서는, 위로 볼록하게 된다. 또, 제2 자장은, Y축 상에서는, 중심공동(24)의 중심에서 비교적 약하고, 그곳으로부터 Y축을 따라 외측으로 멀어짐에 따라 강해진다. 즉, 제2 자장은, 도 3의 (c)에 나타나는 바와 같이, Y축 상에서는, 아래로 볼록하게 된다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)는, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 발생시키는 자장을 중첩한 자장분포를 예시하는 그래프이다. 도 4의 (a)에는 X축 상에서의 자속밀도가 나타나고, 도 4의 (b)에는 Y축 상에서의 자속밀도가 나타난다. 이들은 모두 발명자에 의한 계산결과이다. 그래프의 세로축은, 중심공동(24)의 중심에서의 자속밀도를 1로 하여 규격화한 자속밀도를 나타내고, 가로축은, 중심공동(24)의 중심으로부터의 거리를 나타낸다.
도 4의 (a)와 도 4의 (b)에는, 제1 초전도코일세트(30)에 대한 제1 여자전류(I1)와 제2 초전도코일세트(40)에 대한 제2 여자전류(I2)의 비율을 상이하게 한 3개의 케이스가 나타난다. 케이스 A는, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 1:0으로 한 경우, 즉 제1 초전도코일세트(30)에만 전류를 흘려보내고, 제2 초전도코일세트(40)에는 전류를 흘려보내지 않은 경우이다. 이 경우, 제1 초전도코일세트(30)만이 자장을 발생시키므로, 상술한 바와 같이, X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포가 얻어진다. 케이스 B는, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 0:1로 한 경우, 즉 제1 초전도코일세트(30)에 전류를 흘려보내지 않고, 제2 초전도코일세트(40)에만 전류를 흘려보내는 경우이다. 이번에는, 제2 초전도코일세트(40)만이 자장을 발생시켜, 상술한 바와 같이, X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포가 얻어진다.
케이스 C는, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 1:1로 한 경우, 즉 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)에 동일한 크기의 전류를 흘려보내는 경우이다. 케이스 C에서는, 도 4의 (a)와 도 4의 (b)에 나타나는 바와 같이, 케이스 A와 케이스 B를 평균한 볼록형상을 갖는 자장분포가 얻어진다. 동일하게 하여, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)의 비율을 다른 값으로 설정한 경우에는, 그 비율에 따라 케이스 A와 케이스 B의 중간의 볼록형상을 갖는 자장분포를 얻을 수 있다고 생각된다.
이와 같이, 제1 여자전류(I1)의 크기를 변화시킴으로써 제1 초전도코일세트(30)가 중심공동(24)에 발생시키는 자장분포의 볼록형상을 변화시킬 수 있고, 제2 여자전류(I2)의 크기를 변화시킴으로써 제2 초전도코일세트(40)가 중심공동(24)에 발생시키는 자장분포의 볼록형상을 변화시킬 수 있다.
제1 초전도코일세트(30)의 자장분포(X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포)는, 산소농도가 비교적 높은 단결정을 생성하는 데 적합하며, 제2 초전도코일세트(40)의 자장분포(X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포)는, 산소농도가 비교적 낮은 단결정을 생성하는 데 적합한 것이 알려져 있다. 바람직한 산소농도는, 최종적으로 제조되는 반도체장치의 용도에 따라 상이하다. 예를 들면, CPU나 메모리 등의 이른바 가로형 디바이스와, 파워디바이스 등의 세로형 디바이스에서는, 요구되는 산소농도가 상이하다.
실시형태에 관한 초전도자석장치(10)에 의하면, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 서로 독립적으로 제어함으로써, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 각각 발생시키는 자장의 중첩인 중심공동(24)의 자장분포의 볼록형상을 제어할 수 있다.
종래의 장치에서는, 단일의 자장분포만을 생성 가능하거나, 또는 2종류의 자장분포를 전환 가능했을 뿐, 결정품질의 향상에 한계가 있다. 이에 대하여, 실시형태에 관한 초전도자석장치(10)는, 발생시키는 자장분포를 보다 세밀하게 제어할 수 있다. 이로써, 융액에 있어서의 열대류의 억제의 정도를 미조정(微調整)하고, 단결정 중의 산소농도를 보다 세밀하게 조정하여, 결정품질을 향상시킬 수 있다.
실시형태에 관한 초전도자석장치(10)가 탑재된 단결정인상장치는, 최종제품에 따라 요구되는 다양한 산소농도를 갖는 단결정을 제조하기 위하여 사용할 수 있다. 실시형태에 관한 단결정인상장치는, 종래 장치에 비하여 제조현장에서의 가동률이 향상되어, 보다 경제적인 공장운영이 가능해진다.
도 5는, 도 1에 나타나는 초전도자석장치(10)의 코일전원회로의 일례를 모식적으로 나타내는 도이다. 전원계(50)는, 제1 초전도코일세트(30)에 제1 여자전류(I1)를 공급하는 제1 전원(52)과, 제2 초전도코일세트(40)에 제2 여자전류(I2)를 공급하는 제2 전원(54)과, 제1 전원(52) 및 제2 전원(54)을 제어하는 전원제어장치(56)를 구비한다.
상술한 바와 같이, 제1 초전도코일세트(30)는 통형 크라이오스탯(20) 내에 배치되고, 전원계(50)는 통형 크라이오스탯(20)의 외부에 배치되어 있다. 그 때문에, 제1 전원(52)을 제1 초전도코일세트(30)에 접속하는 제1 회로(53)는, 정극측과 부극측 각각에 피드스루부(58)를 갖는다. 피드스루부(58)는, 통형 크라이오스탯(20) 내에 전류를 도입하기 위한 기밀(氣密)단자이며, 통형 크라이오스탯(20)의 벽면을 관통하여 마련되어 있다. 2개의 피드스루부(58)는 각각 대응하는 전류리드부(60)에 접속되어 있다. 한 쌍의 제1 초전도코일(30a, 30b)은 통형 크라이오스탯(20) 내에서, 직렬로 접속되어 있다. 제1 전원(52)의 정극이 일방의 피드스루부(58) 및 전류리드부(60)를 개재하여 일방의 제1 초전도코일(30a)에 접속되고, 타방의 제1 초전도코일(30b)이 타방의 피드스루부(58) 및 전류리드부(60)를 개재하여 제1 전원(52)의 부극에 접속되어, 제1 회로(53)가 형성되어 있다.
제2 전원(54)을 제2 초전도코일세트(40)에 접속하는 제2 회로(55)에 있어서는, 제2 전원(54)의 정극이 피드스루부(58) 및 전류리드부(60)를 개재하여 제2 초전도코일(40a, 40b)의 제1 쌍에 접속되어 있다. 제1 쌍을 이루는 제2 초전도코일(40a, 40b)은 통형 크라이오스탯(20) 내에서 직렬로 접속되어 있다. 제2 초전도코일(40a, 40b)의 제1 쌍과 제2 초전도코일(40c, 40d)의 제2 쌍은, 제1 쌍의 측의 전류리드부(60)와 피드스루부(58), 통형 크라이오스탯(20) 외부에서 2개의 피드스루부(58)를 접속하는 외부배선(62), 제2 쌍의 측의 전류리드부(60)와 피드스루부(58)를 개재하여 접속되어 있다. 제2 쌍을 이루는 제2 초전도코일(40c, 40d)은 통형 크라이오스탯(20) 내에서 직렬로 접속되어 있다. 제2 초전도코일(40c, 40d)의 제2 쌍은, 피드스루부(58) 및 전류리드부(60)를 개재하여 제2 전원(54)의 부극에 접속되어 있다.
따라서, 제1 전원(52)은 제1 회로(53)에 의하여 제1 초전도코일세트(30)에 제1 여자전류(I1)를 공급하고, 제2 전원(54)은 제2 회로(55)에 의하여 제2 초전도코일세트(40)에 제2 여자전류(I2)를 공급할 수 있다. 제1 회로(53)와 제2 회로(55)는 서로 접속되어 있지 않다.
전원제어장치(56)는, 원하는 자장분포를 실현하도록, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 결정할 수 있다. 여기에서, 전원제어장치(56)는, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 중심공동(24)에 있어서의 소정 위치(예를 들면 중심)에 발생시키는 자장의 합곗값이 상한값을 초과하지 않도록 제1 여자전류(I1)의 크기 및 제2 여자전류(I2)의 크기를 제어해도 된다.
도 6은, 실시형태에 관한 초전도자석장치(10)가 발생시키는 자장의 등고선도의 일례를, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 각각 가로축, 세로축으로 하여 나타내는 그래프이다. 그래프에 나타나는 자장값은, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 중심공동(24)에 있어서의 소정 위치(예를 들면 중심)에 발생시키는 자장의 합곗값을 나타낸다. 이 예에서는, 우상(右上)의 등고선일수록 자장값이 크고, 좌하(左下)의 등고선일수록 자장값이 작다.
전원제어장치(56)는, 복수의 등고선으로부터 어느 등고선(64)(굵은 선으로 나타낸다)을 선택하고, 선택된 등고선(64)의 자장값 또는 그보다 낮은 자장값을 부여하는 영역(66)으로부터, 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)의 조합을 결정해도 된다. 즉, 선택된 등고선(64)보다 높은 자장값을 부여하는 영역(68)으로부터 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 결정하는 것은 금지된다. 선택되는 등고선(64)의 자장값은, 초전도자석장치(10) 또는 단결정인상장치의 사양으로서 적절히 정해져도 되고, 전원제어장치(56)에 입력되거나 또는 기억되어 있어도 된다.
이와 같이 하면, 선택된 등고선(64)에 상당하는 자장값을 상회하는 자장을 발생시키는 과잉된 크기의 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)가 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)에 공급되는 것을 피할 수 있다. 초전도코일에 대한 과잉된 전류공급을 피함으로써, 코일에 작용하는 전자력과 열부하를 억제하여, 초전도가 균열되는 리스크를 줄일 수 있다. 보다 안전하게 초전도자석장치(10)를 운용할 수 있다.
도 7은, 초전도자석장치(10)의 외관을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)는, 도 7에 나타나는 초전도자석장치(10)에 있어서의 극저온냉동기의 배치장소를 예시하는 모식도이다.
도 7에 나타나는 바와 같이, 초전도자석장치(10)는, 적어도 하나의 극저온냉동기(70)를 구비하고, 통형 크라이오스탯(20) 내에 배치되는 제1 초전도코일세트(30) 및 제2 초전도코일세트(40)는 극저온냉동기(70)와 열적으로 결합된다. 극저온냉동기(70)는, 예를 들면 2단식의 기포드·맥마흔(Gifford-McMahon; GM)냉동기 또는 그 외의 형식의 극저온냉동기여도 된다. 각 초전도코일은, 극저온냉동기(70)에 의하여 초전도전이온도 이하의 극저온으로 냉각된 상태에서 사용된다. 이 실시형태에서는, 초전도자석장치(10)는, 초전도코일을 액체헬륨 등의 극저온액체냉매에 침지하는 것이 아니라, 극저온냉동기(70)에 의하여 직접 냉각하는, 이른바 전도냉각식으로서 구성된다.
도 7에 나타나는 예에서는, 4대의 극저온냉동기(70)가 통형 크라이오스탯(20)의 상면에 설치되어 있다. 극저온냉동기(70)는, Z축에서 보아, Z축둘레에 인접하는 2개의 초전도코일 사이에 배치되어도 된다. 코일 사이의 빈 공간을 이용하여 극저온냉동기(70)를 설치함으로써, 통형 크라이오스탯(20)을 보다 콤팩트하게 설계하여, 초전도자석장치(10)를 소형화할 수 있다.
도 8의 (a)에 나타나는 바와 같이, 1대(臺)째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30a)과 제2 초전도코일(40a)의 사이에 배치되고, 2대째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30a)과 제2 초전도코일(40d)의 사이에 배치되며, 3대째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30b)과 제2 초전도코일(40b)의 사이에 배치되고, 4대째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30b)과 제2 초전도코일(40c)의 사이에 배치되어도 된다. 이와 같이 하여, 각 초전도코일이 어느 하나의 극저온냉동기(70)에 의하여 직접 냉각되어도 된다.
통형 크라이오스탯(20)에 설치되는 극저온냉동기(70)는 보다 적어도 된다. 예를 들면, 도 8의 (b)에 나타나는 바와 같이, 3대의 극저온냉동기(70)가 통형 크라이오스탯(20)에 설치되고, 각 극저온냉동기(70)가 Z축둘레에 인접하는 2개의 초전도코일 사이에 배치되어도 된다. 이 경우, 도시되는 바와 같이, 극저온냉동기(70)는 Z축둘레로 등각도 간격으로 배치되어도 된다.
혹은, 도 8의 (c)에 나타나는 바와 같이, 2대의 극저온냉동기(70)가 통형 크라이오스탯(20)에 설치되고, Z축둘레로 180도 간격으로 배치되어도 된다. 도시한 예에서는, 1대째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30a)과 제2 초전도코일(40d)의 사이에 배치되고, 2대째의 극저온냉동기(70)가 제1 초전도코일(30b)과 제2 초전도코일(40c)의 사이에 배치되어 있다. 이 경우, 일부의 초전도코일(예를 들면, 제2 초전도코일(40a, 40b))은, 극저온냉동기(70)와 인접하는 다른 초전도코일에 비하여, 극저온냉동기(70)로부터 멀리 배치되게 된다. 이들 초전도코일(40a, 40b)은, 적절한 전열부재를 개재하여 극저온냉동기(70)(또는 극저온냉동기(70)에 인접하는 초전도코일)에 접속되어 냉각되어도 된다.
혹은, 필요로 하는 경우에는, 보다 많은 극저온냉동기(70)가 통형 크라이오스탯(20)에 설치되어도 된다. 예를 들면, 초전도코일마다 극저온냉동기(70)가 마련되어도 된다. 하나의 초전도코일이 복수의 극저온냉동기(70)로 냉각되어도 된다.
도 9는, 초전도자석장치(10)의 코일지지구조(72)를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 9에는, 도 7의 A-A단면을 나타낸다. 코일지지구조(72)는, 제1 초전도코일세트(30) 또는 제2 초전도코일세트(40)에 속하는 초전도코일(도시한 예에서는 제1 초전도코일(30a))을 통형 크라이오스탯(20)에 연결하여, 초전도코일에 작용하는 자중(自重)과 동작 시에 발생하는 전자력을 지지하는 것이다. 코일지지구조(72)는, 도 9에 나타나는 바와 같이, 코일지지플레이트(74)와, 코일지지체(76)를 구비한다. 코일지지플레이트(74)는, 초전도코일과 코일지지체(76)를 연결하기 위하여 마련되고, 초전도코일의 편측(片側)(예를 들면, 통형 크라이오스탯(20)의 내주측)에 장착되어 있다.
코일지지체(76)는, 초전도코일을 통형 크라이오스탯(20)의 둘레면(예를 들면 외주면(外周面))에 지지하고, 당해 초전도코일의 내측에 배치된다. 코일지지체(76)는, 그 일단이 초전도코일의 내측에서 코일지지플레이트(74)에 장착되고, 타단이 통형 크라이오스탯(20)의 외주면에 장착되어 있다. 코일지지체(76)는, 봉상(棒狀)의 형상을 갖고, 수평방향으로 뻗어 있다. 도 7에는, 통형 크라이오스탯(20)의 외주면에 마련된 코일지지체(76)의 단부(端部)가 나타나 있다. 1개의 초전도코일이 복수 개(예를 들면 2개)의 코일지지체(76)로 통형 크라이오스탯(20)에 지지되어도 된다.
도 10은, 실시형태에 관한 초전도자석장치(10)에 있어서의 초전도코일배치의 다른 예를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도시되는 바와 같이, 초전도자석장치(10)에는, 크기가 상이한 2종류의 안장형 코일이 이용되어도 된다.
제1 초전도코일세트(30)는, X축 상에서 중심공동(24)을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제1 초전도코일을 구비한다. 제2 초전도코일세트(40)는, X축 상에서 중심공동(24)을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제2 초전도코일을 구비한다. 한 쌍의 제1 초전도코일은, 한 쌍의 제2 초전도코일의 내측에 배치된다.
이와 같은 이중의 안장형 코일배치를 이용한 경우에도, 상술한 6코일형과 동일하게, 제1 초전도코일세트(30)는, 제1 여자전류(I1)가 공급될 때, X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시키며, 제2 초전도코일세트(40)는, 제2 여자전류(I2)가 공급될 때, X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포를 중심공동(24)에 발생시킨다. 제1 여자전류(I1)와 제2 여자전류(I2)를 서로 독립적으로 제어함으로써, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)가 각각 발생시키는 자장의 중첩인 중심공동(24)의 자장분포의 볼록형상을 제어할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 설명했다. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 다양한 설계변경이 가능하며, 다양한 변형예가 가능한 것, 또 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은, 당업자에게 이해되는 바이다. 일 실시형태에 관련하여 설명한 다양한 특징은, 다른 실시형태에도 적용 가능하다. 조합에 의하여 발생하는 새로운 실시형태는, 조합되는 실시형태 각각의 효과를 겸비한다.
상술한 6코일형의 실시형태에서는, 모든 초전도코일이 동일한 형상과 사이즈를 갖지만, 이것은 필수는 아니다. 예를 들면, 제1 초전도코일세트(30)와 제2 초전도코일세트(40)에서, 초전도코일은, 상이한 형상 및/또는 상이한 사이즈를 가져도 된다.
전원계(50)는, 제1 여자전류(I1) 및/또는 제2 여자전류(I2)의 크기를 변경하는 것에 더하여, 또는 그 대신에, 제1 여자전류(I1) 및/또는 제2 여자전류(I2)의 방향을 변경해도 된다.
실시형태에 관한 초전도자석장치(10)가 탑재된 단결정인상장치는, 실리콘 이외의 반도체재료 또는 그 외의 재료의 단결정을 생성하기 위한 단결정인상장치여도 된다.
적용 가능하다면, 초전도자석장치(10)는, 단결정인상장치 이외의 장치에 탑재되어도 된다. 초전도자석장치(10)는, 고(高)자장이용기기의 자장원으로서 고자장이용기기에 탑재되어, 그 기기에 필요로 하는 고자장을 발생시킬 수 있다.
실시형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는, 본 발명의 원리, 응용의 일 측면을 나타내고 있을 뿐, 실시형태에는, 청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에 있어서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인정된다.
10 초전도자석장치
20 통형 크라이오스탯
24 중심공동
30 제1 초전도코일세트
40 제2 초전도코일세트
50 전원계
52 제1 전원
54 제2 전원
56 전원제어장치
70 극저온냉동기

Claims (8)

  1. 내측에 중심공동을 정하는 통형 크라이오스탯과,
    상기 중심공동의 외측에서 상기 통형 크라이오스탯의 내부에 배치되는 제1 초전도코일세트 및 제2 초전도코일세트와,
    상기 제1 초전도코일세트에 대한 제1 여자전류의 크기와 상기 제2 초전도코일세트에 대한 제2 여자전류의 크기를 서로 독립적으로 제어 가능하게 하는 전원계를 구비하고,
    상기 통형 크라이오스탯의 중심축을 Z축, Z축에 직교하며 서로 직교하는 두 축을 각각 X축, Y축으로 할 때,
    상기 제1 초전도코일세트는, 상기 제1 여자전류가 공급될 때, X축 상에서 아래로 볼록하게 되고 Y축 상에서 위로 볼록하게 되는 자장분포를 상기 중심공동에 발생시키며,
    상기 제2 초전도코일세트는, 상기 제2 여자전류가 공급될 때, X축 상에서 위로 볼록하게 되고 Y축 상에서 아래로 볼록하게 되는 자장분포를 상기 중심공동에 발생시키는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초전도코일세트는, X축 상에서 상기 중심공동을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제1 초전도코일을 구비하고,
    상기 제2 초전도코일세트는, 상기 중심공동을 사이에 두고 대향배치되며, Z축둘레로 시계방향으로 상기 한 쌍의 제1 초전도코일과 인접배치되는 한 쌍의 제2 초전도코일과, 상기 중심공동을 사이에 두고 대향배치되며, Z축둘레로 시계반대방향으로 상기 한 쌍의 제1 초전도코일과 인접배치되는 또 한 쌍의 제2 초전도코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제2 초전도코일은, Z축둘레로 시계방향으로 X축으로부터 60도를 이루는 선상에 배치되고, 상기 또 한 쌍의 제2 초전도코일은, Z축둘레로 반시계방향으로 X축으로부터 60도를 이루는 선상에 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 초전도코일세트 및 상기 제2 초전도코일세트를 냉각하는 적어도 1개의 극저온냉동기를 더 구비하고,
    상기 적어도 1개의 극저온냉동기는, Z축에서 보아, Z축둘레에 인접하는 2개의 초전도코일 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 초전도코일세트 또는 상기 제2 초전도코일세트에 속하는 초전도코일을 상기 통형 크라이오스탯의 둘레면에 지지하고, 당해 초전도코일의 내측에 배치되는 코일지지체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 초전도코일세트는, X축 상에서 상기 중심공동을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제1 초전도코일을 구비하며,
    상기 제2 초전도코일세트는, X축 상에서 상기 중심공동을 사이에 두고 대향배치되는 한 쌍의 제2 초전도코일을 구비하고,
    상기 한 쌍의 제1 초전도코일은, 상기 한 쌍의 제2 초전도코일의 내측에 배치되는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  7. 제1항 내지 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원계는, 상기 제1 초전도코일세트의 각 초전도코일에 상기 제1 여자전류를 공급하는 제1 전원과, 상기 제2 초전도코일세트의 각 초전도코일에 상기 제2 여자전류를 공급하는 제2 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
  8. 제1항 내지 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원계는, 상기 제1 초전도코일세트와 상기 제2 초전도코일세트가 상기 중심공동에 있어서의 소정 위치에 발생시키는 자장의 합곗값이 상한값을 초과하지 않도록 상기 제1 여자전류의 크기 및 상기 제2 여자전류의 크기를 제어하는 전원제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도자석장치.
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