JP2017009233A - 微弱磁気計測装置の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】優れた絶縁性能を有すると共に、絶縁処理の施工性が大幅に向上した新規な微弱磁気計測装置の冷却システムの提供。【解決手段】微弱磁気計測装置10を液体ヘリウム13で冷却する磁気計測部110と、液体ヘリウム45を生成する再凝縮部120と、液体ヘリウム45を供給する供給ライン130とを備え、再凝縮部120を内槽31と外槽35とから構成すると共に、供給ライン130を二重管で構成し、内槽31を電気絶縁性の繊維強化樹脂で形成すると共に、供給ライン130の外管47に電気絶縁性の継手を設ける。これによって絶縁処理の施工性が大幅に良くなり、かつ絶縁の信頼性も大きく向上する。【選択図】図１

Description

本発明は、高感度の超伝導センサなどを液体ヘリウム温度で冷却する微弱磁気計測装置の冷却システムに関し、更に詳しくは、気化したガスを再凝縮し継続的に冷却することを可能にした微弱磁気計測装置の冷却システムに関する。

従来、高感度の超伝導センサ（磁気センサ）を液体ヘリウム温度で冷却する微弱磁気計測装置の冷却システムに関しては、小型冷凍機と直結した閉じたシステムが知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００５−２９１６２９号公報 Yoshiaki Adachi 他、Physics Procedia、第36巻、 268-273頁、(Elsevier社 2012年)

しかしながら、前記特許文献１記載の冷却システムでは、特段の絶縁処理がなされていないため、商用電源で動作する小型冷凍機からの電磁ノイズが微弱磁気計測装置に紛れ込んでしまい、計測精度に悪影響を及ぼす可能性がある。一方、前記特許文献２記載の冷却システムでは、前記電磁ノイズを遮断するための絶縁材が配管に挿入されているが、複雑な断熱配管に対する絶縁処理施工となるため、作業性が良くなく、製造コストが高くなる傾向がある。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、優れた絶縁性能を有すると共に、絶縁処理の施工性が大幅に向上した新規な微弱磁気計測装置の冷却システムを提供することにある。

前記課題を解決するために第１の発明は、微弱磁気計測装置を液体ヘリウムで冷却する磁気計測部と、ヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムを生成する再凝縮部と、当該再凝縮部で生成した液体ヘリウムを前記磁気計測部に供給する供給ラインとを備えた微弱磁気計測装置の冷却システムにおいて、前記再凝縮部を内槽と外槽とからなる断熱容器で構成すると共に、前記供給ラインを前記断熱容器の内槽と連通する内管と前記断熱容器の外槽と連通する外管とからなる二重管で構成し、前記断熱容器の内槽を非導電性材料で形成すると共に、前記供給ラインの外管に電気絶縁性の継手を設けたことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システムである。

このような構成によれば、二重管からなる供給ラインの外管が電気絶縁性の継手により絶縁されると共に、断熱容器の内槽自体が非導電性材料で形成されているため、内管側においても絶縁されている。従って、この供給ラインを介して再凝縮部から磁気計測部側へ電磁ノイズが入ることがなくなり、計測上不要なノイズが完全に遮蔽されるため、磁気センサなどの微弱磁気計測装置はこれらのノイズに影響を受けることなく常に高精度の計測が可能となる。

そして、従来の構造では、絶縁のための構造がいずれも高コストで且つ施工性もよくないという欠点があったが、本発明のように構成することによって絶縁処理の施工性が大幅が向上し、かつ絶縁の信頼性も大きく向上する。

第２の発明は、微弱磁気計測装置を液体ヘリウムで冷却する磁気計測部と、ヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムを生成する再凝縮部と、当該再凝縮部で生成した液体ヘリウムを前記磁気計測部に供給する供給ラインとを備えた微弱磁気計測装置の冷却システムにおいて、前記再凝縮部を内槽と外槽とからなる断熱容器で構成すると共に、前記供給ラインを前記断熱容器の内槽と連通する内管と前記断熱容器の外槽と連通する外管とからなる二重管で構成し、前記断熱容器の内槽および外槽を非導電性材料で形成したことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システムである。

このような構成によれば、第１の発明と同様に供給ラインを介して再凝縮部から磁気計測部側へ電磁ノイズが入ることがなくなり、計測上不要なノイズが完全に遮蔽されるため、磁気センサなどの微弱磁気計測装置はこれらのノイズに影響を受けることなく常に高精度の計測が可能となる。また、二重管の外管の絶縁継手が不要となるため、絶縁処理の施工性がさらに向上し、かつ絶縁の信頼性も大きく向上する。

第３の発明は、第１または２の発明において、前記磁気計測部のヘリウムガスを前記再凝縮部に回収する回収ラインを備えると共に、前記断熱容器に前記回収ラインから回収したヘリウムガスを冷却して凝縮するパルスチューブ冷凍機を設け、前記パルスチューブ冷凍機の運転が停止したときに前記回収ラインを閉じる第１の電磁弁と、前記パルスチューブ冷凍機の運転が停止したときに前記断熱容器の内槽内を大気開放する第２の電磁弁とを備えたことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システムである。

このような構成によれば、仮に運転中に予期せぬ停電や故障などによってパルスチューブ冷凍機が急停止した場合には、第１の電磁弁が作動して回収ラインが閉じると同時に、第２の電磁弁が作動して断熱容器の内槽内を大気開放するため、パルスチューブ冷凍機の停止に伴って発生する水分などの不純物がガスと共に第２の電磁弁から外部（大気中）に放出される。これにより、不純物による供給ラインや回収ラインの閉塞などといった不測の事態を防止できる。

本発明の微弱磁気計測装置の冷却システムによれば、断熱配管の複雑な電気絶縁施工などが不要となるため、絶縁処理の施工性が大幅に良くなり、かつ絶縁の信頼性も大きく向上する。また、停電時のトラブルを予防することにより、さらに信頼性の高い冷却システムを実現できる。

本発明に係る微弱磁気計測装置の冷却システム１００の実施の一形態を示す全体構成図である。 図１中Ｓ部を示す部分拡大図である。 本発明に係る微弱磁気計測装置の冷却システム１００の第２の実施形態を示す全体構成図である。 本発明に係る微弱磁気計測装置の冷却システム１００の第３の実施形態を示す全体構成図である。 従来の微弱磁気計測装置の冷却システムの一例を示す全体構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る微弱磁気計測機器の冷却システム１００に係る第１の形態を示したものである。図示するようにこの冷却システム１００は、磁気シールド室１１内に設置される磁気計測部１１０と、この磁気シールド室１１の外に設置される再凝縮部１２０と、この再凝縮部１２０から磁気計測部１１０へ液体ヘリウムを供給する供給ライン１３０と、磁気計測部１１０のヘリウムガスを再凝縮部１２０へ回収する回収ライン１４０とから主に構成されている。

磁気計測部１１０は、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）と呼ばれる磁気センサ１０を有しており、この磁気センサ１０は、生体から発生する極めて微弱な磁場を計測することができる。従って、この磁気センサ１０による正確な計測を行う際には、外部からの電磁ノイズを極力低減することが重要であり、そのためには一般に高透磁率材からなる磁気シールド室１１内に設置された断熱容器１２内に収容されている。

また、この磁気センサ１０を動作させるには超伝導転移温度以下に冷却する必要があるため、通常大気圧沸点が４．２Ｋの液体ヘリウム１３に浸して使用される。この断熱容器１２内の液体ヘリウム１３は最初はバルブ１４付きの供給管１５を通して外部から供給され、断熱容器１２内で気化したヘリウムガスは排気管１６からバルブ１８を経て外部に放出されるようになっている。

再凝縮部１２０は、断熱容器３０と、小型冷凍機の１つであるパルスチューブ冷凍機５０とから主に構成されている。この断熱容器３０は、液体ヘリウム４５が貯留される内槽３１と、その周囲に真空空間３４を形成する外槽３５とから構成されている。真空空間３４には内槽３１を部分的に取り囲む銅製の輻射シールド３２と、アルミニウムを蒸着した樹脂製フィルムからなる多層断熱材３３が内蔵されており、外槽３５から内槽３１への外部入熱を極力抑えるようになっている。

この断熱容器３０を構成する内槽３１および外槽３５の上部開口部は、それぞれ金属製の天板３５ａによって密閉状態に塞がれている。そして、このうち外槽３５がステンレススチールなどの加工性に優れた金属で構成されているのに対し、内槽３１は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などに代表される繊維強化樹脂などの非導電性材料で形成されている。

パルスチューブ冷凍機５０は、高圧と低圧のヘリウムガスを中空の管に交互に給排して一端の温度を２段階で下げる方式であり、低温側に可動部分がないため、振動がなくノイズが少ないという特長を有している。このパルスチューブ冷凍機５０の第１段目では、約４０Ｋを発生するので導入したヘリウムガスの予冷や輻射シールド３２の冷却に適する。

パルスチューブ冷凍機５０は、第２段目で４.２Ｋ以下に下げることができるので予冷されたヘリウムガスを液化できる。このパルスチューブ冷凍機５０に必要とされる冷凍能力は、二つの断熱容器１２および３０における熱負荷のほかに、供給ライン１３０での液体ヘリウム供給時における侵入熱なども補償しなければならない。

パルスチューブ冷凍機５０は、天板３５ａに取り付けられており、その冷凍機本体３６側が内槽３１内に位置すると共に、動作用のバルブ駆動部３７側が天板３５ａ上に設置されている。さらに冷凍機本体３６には、中間温度ステージ４１と、コールドステージ４２と、凝縮器４４が設けられている。この中間温度ステージ４１の位置には、輻射シールド３２が取り付けられ冷却される。

更により低い温度発生部であるコールドステージ４２には、凝縮器４４と共にヒータ４３が設けられており、このコールドステージ４２によって、回収ライン１４０から供給されたヘリウムガスを再液化して液体ヘリウム４５を生成するようになっている。このときパルスチューブ冷凍機５０の冷凍能力が過剰な場合、全体の系内圧力が大気圧以下に下がる可能性があるので、圧力計２３の指示と連動してヒータ４３を動作させて安定な状態を維持できるようになっている。

バルブ駆動部３７には、ガス配管３８と電気配線３９が接続されており、このガス配管３８と電気配線３９は、圧縮装置４０に連結されている。なお、図示していないが、この圧縮装置４０には必要ならば冷却水を供給排出する配管も接続されている。また、図中３０ａはこの断熱容器３０を磁気計測部１１０側の断熱容器１２よりも高い位置に保持するための取付台である。

供給ライン１３０は、図１および図２に示すように、金属製の外管４７と、この外管４７の軸心部に位置する内管４５ａとからなる二重管からなっており、この内管４５ａの周囲が前記輻射シールド３２から延びるシールド管３２ａによって覆われた構造となっている。さらにこの外管４７は、上流側外管４７ａと、下流側外管４７ｂと、これらを接続する電気絶縁性の継手４８とから構成されており、上流側外管４７ａが再凝縮部１２０の断熱容器３０の外槽３５側に接続されると共に、下流側外管４７ｂが磁気シールド室１１を貫通して磁気計測部１１０の断熱容器１２側に接続されている。なお、この下流側外管４７ｂは磁気シールド室１１と同電位とするために接地体４９で連結されている。

継手４８は、図２に示すように上流側外管４７ａおよび下流側外管４７ｂそれぞれの接続端部に形成されたフランジ４８ａ、４８ａと、電気絶縁性のシール、例えばプラスチックやセラミック製のシール４６とから構成されており、このシール４６を挟んでフランジ４８ａ、４８ａ同士を電気絶縁性のボルト４６ａで電気絶縁状態に連結した構造となっている。なお、このシール４６と各フランジ４８ａ、４８ａとの間には、シール製を確保するためのＯリング４６ｂ、４６ｂがそれぞれ介在されている。また、

一方、内管４５ａは、その一端が再凝縮部１２０の断熱容器３０の内槽３１側に接続されると共に、その他端が磁気計測部１１０の断熱容器１２側に接続されており、再凝縮部１２０側で生成された液体ヘリウム４５を磁気計測部１１０の断熱容器１２内に流すようになっている。なお、この内管４５ａの断熱容器１２側端部と、下流側外管４７ｂの端部間はドーナツ円板状の封止蓋１２ａによって塞がれており、再凝縮部１２０の断熱容器３０側の真空空間３４と連通する外管４７と、この内管４５ａとの空間は真空状態に保たれている。また、シールド管３２ａは、その一端が断熱容器３０の輻射シールド３２側に接続されていると共に、他端側が磁気計測部１１０の断熱容器１２に挿入された外管４７に接続されている。

回収ライン１４０は、ガス回収管２１と、ポンプや圧縮機などを主要要素とする循環装置１９と、流量計２０とから主に構成されている。ガス回収管２１は、その一端が電気絶縁性の継手１７を介して磁気計測部１１０側の断熱容器１２から延びる排気管１６に接続されると共に、その他端が再凝縮部１２０側の断熱容器３０の内槽３１へ接続されている。そして、磁気計測部１１０側の排気管１６から出たヘリウムガスを循環装置１９でガス回収管２１側に抜き出して断熱容器３０の内槽３１へ回収するようになっている。

このガス回収管２１には、さらに安全弁２２、圧力計２３、バルブ２４付きのガス供給源２５が接続されており、圧力計２３および安全弁２２によって断熱容器３０内の圧力を一定に保つと共に、必要に応じてガス供給源２５から必要なヘリウムガスを供給できるようになっている。

次に、このような構成をした本発明の冷却システム１００の動作例を説明する。磁気計測部１１０側の断熱容器１２内の液体ヘリウム１３は、被冷却体である磁気センサ１０を超伝導転移温度以下に冷却するが、このとき様々な経路から僅かずつ侵入してくる熱によってその一部が蒸発して気化する。

断熱容器１２で気化したヘリウムガスは、排気管１６およびガス回収管２１を介して再凝縮部１２０側の断熱容器３０の内槽３１へ回収され、ここでパルスチューブ冷凍機５０で冷却されて凝縮し、液体ヘリウム４５となって内槽３１に溜まる。内槽３１内の液体ヘリウム４５は、供給ライン１３０の内管４５ａを通過して磁気計測部１１０側へ流れ、その断熱容器１２内の液体ヘリウム１３と混ざり合って被冷却体である磁気センサ１０を冷却する。このように本発明の冷却システム１００は、閉じた系であるため、高価なヘリウムガスが不足することなく、有効利用できる。

また、被冷却体である磁気センサ１０のシステムが小規模の場合、必要な液体ヘリウム１３も少なくても済むため、断熱容器１２に液体ヘリウム１３をあらかじめ入れていく必要はなく、ガス供給源２５からのガスを液化することで確保することができる。一方、システムが大規模の場合は、別途準備した液体ヘリウムを供給管１５を通して外部から供給、気化したガスは排気管１６からバルブ１８を経て系外に放出する。

さて、このような構成をした本発明の冷却システム１００にあっては、圧縮装置４０で発生した電磁ノイズは、ガス配管３８や電気配線３９を介して再凝縮部１２０側の断熱容器３０へ伝わってくるが、前述したようにこの再凝縮部１２０側の断熱容器３０と磁気計測部１１０側の断熱容器１２との間は電気絶縁処理されているため、これが磁気計測部１１０側の断熱容器１２側へ伝わることはない。

すなわち、圧縮装置４０は、商用電源に接続されるため商用周波数に基づく電磁ノイズをはじめ様々な電磁波をもたらす。微弱磁場を検出できる磁気センサ１０は、これらに強く影響されるが、再凝縮部１２０側の断熱容器３０と磁気計測部１１０側の断熱容器１２とを接続する回収ライン１４０のガス回収管２１では、電気絶縁性の継手１７で絶縁されている。

また、供給ライン１３０では、その外管４７が電気絶縁性の継手４８により絶縁されると共に、再凝縮部１２０側の断熱容器３０の内槽３１自体がガラス繊維強化プラスチックなどの非導電性材料で形成されているため、内管４５ａ側においても絶縁された状態となっている。従って、これらを介して磁気計測部１１０側の断熱容器１２へ電磁ノイズが入ることがなくなって計測上不要なノイズは完全に遮蔽されるため、断熱容器１２の磁気センサ１０はこれらの電磁ノイズに影響を受けることなく常に高精度の計測が可能となる。

そして、従来の冷却システムでは、例えば図５に示すように内槽３１に相当する部分が金属製であるため、再凝縮部１２０側の断熱容器３０と磁気計測部１１０側の断熱容器１２との間を電気絶縁するためには、内管４５の途中にも電気絶縁継手４８ｃを設けると共に、輻射シールド３２との接続部４８ｂには熱伝導に優れた絶縁材、例えば高価なサファイアを介在させる必要があった。また、多層断熱材３３もアルミニウム層の接触を避けるような施工が必要であった。

そのため、従来の構造では、いずれも高コストで且つ施工性もよくないという欠点があったが、本発明のように再凝縮部１２０側の断熱容器３０の内槽３１自体をガラス繊維強化樹脂などの非導電性材料で形成することによって絶縁処理の施工性が大幅に良くなり、かつ絶縁の信頼性も大きく向上する。

次に、図３および図４は本発明に係る冷却システム１００の他の実施形態を示したものである。まず、図３に示す冷却システム１００は、その構成は前記第１の実施形態とほぼ同じであるが、本実施の形態（第２の実施形態）では、再凝縮部１２０側の断熱容器３０の内槽３１のみならず、外槽３５もガラス繊維強化プラスチックなどの非導電性材料で形成したものである。このように構成することにより、内槽３１と同様に外槽３５自体が電磁波ノイズを遮蔽するように機能するため、優れた絶縁性能を発揮できる。

さらに、外槽３５自体が電気絶縁性を有して電磁波ノイズを遮蔽するため、前記第１の実施の形態のようにこれに接続される供給ライン１３０の金属製外管４７に電気絶縁性の継手４８を設ける必要がなくなる。これにより、外管４７の継手４８加工やその作業も不要となるため、コストの削減と施工性の向上が達成できる。

次に、図４に示す冷却システム１００は、その構成は前記第２の実施形態とほぼ同じであるが、本実施の形態（第３の実施形態）では、回収ライン１４０のガス回収管２１であって、循環装置１９と流量計２０との間に第１の電磁弁６０を設けると共に、内槽３１側に繋がるガス回収管２１に分岐管２１ａを設け、この分岐管２１ａに第２の電磁弁６１を設けたものである。

そして、パルスチューブ冷凍機５０が運転を停止したときに第１の電磁弁６０が閉じると共に、第２の電磁弁６１が閉じるように制御したものである。このような構成とすることによって、仮に運転中に予期せぬ停電や故障などによってパルスチューブ冷凍機５０が急停止しても系内の不純物により、その内部の閉塞を防止することが可能となる。

すなわち、一般にパルスチューブ冷凍機５０の本体３６の周りには低温で凝固する水分などの不純物が吸着されているが、冷凍機５０の運転停止とともに温度が上昇して本体３６周りに吸着した不純物が内槽３１内に放出される。この不純物はより温度の低い方に吸い寄せられるので、断熱容器１２の液体ヘリウム１３に開口している供給ライン１３０の内管４５ａで再び凝固してこの内管４５ａを閉塞する可能性がある。

しかしながら、本実施の形態のように構成すれば、停電などにより冷凍機５０の運転が停止した場合、断熱容器１２で気化したガスは供給ライン１３０の内管４５ａを通常とは逆方向に流れ、第２の電磁弁６１から不純物ともども放出される。その結果、閉塞という問題は防止され、信頼性が保たれることになる。なお、本実施の形態は、前記第１の実施の形態や従来の冷却システムにもそのまま適用できる。

また、前記再凝縮部１２０の断熱容器３０を構成する内槽３１または内外槽３１，３５の両方を構成する繊維強化樹脂としては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）の他に、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）やボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＴ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）、ザイロン強化プラスチック（ＺＦＲＰ）などの非導電性の繊維強化樹脂を用いることができる。また、これら内槽３１または内外槽３１，３５は、セラミックやプラスチックなどのその他の非導電性材料でも良い。

１００…冷却システム
１１０…磁気計測部
１２０…再凝縮部
１３０…供給ライン
１４０…回収ライン
１０…磁気センサ（微弱磁気計測装置）
１１…磁気シールド
１２…断熱容器
１３…液体ヘリウム
２１…回収管
３０…断熱容器
３１…内槽
３５…外槽
４０…圧縮装置
４５…液体ヘリウム
４５ａ…内管
４７…外管
４８…継手
５０…パルスチューブ冷凍機
６０…第１の電磁弁
６１…第２の電磁弁

Claims (3)

1. 微弱磁気計測装置を液体ヘリウムで冷却する磁気計測部と、ヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムを生成する再凝縮部と、当該再凝縮部で生成した液体ヘリウムを前記磁気計測部に供給する供給ラインとを備えた微弱磁気計測装置の冷却システムにおいて、
   前記再凝縮部を内槽と外槽とからなる断熱容器で構成すると共に、前記供給ラインを前記断熱容器の内槽と連通する内管と前記断熱容器の外槽と連通する外管とからなる二重管で構成し、
   前記断熱容器の内槽を非導電性材料で形成すると共に、前記供給ラインの外管に電気絶縁性の継手を設けたことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システム。
2. 微弱磁気計測装置を液体ヘリウムで冷却する磁気計測部と、ヘリウムガスを凝縮して液体ヘリウムを生成する再凝縮部と、当該再凝縮部で生成した液体ヘリウムを前記磁気計測部に供給する供給ラインとを備えた微弱磁気計測装置の冷却システムにおいて、
   前記再凝縮部を内槽と外槽とからなる断熱容器で構成すると共に、前記供給ラインを前記断熱容器の内槽と連通する内管と前記断熱容器の外槽と連通する外管とからなる二重管で構成し、
   前記断熱容器の内槽および外槽を非導電性材料で形成したことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システム。
3. 請求項１または２に記載の微弱磁気計測装置の冷却システムにおいて、
   前記磁気計測部のヘリウムガスを前記再凝縮部に回収する回収ラインを備えると共に、前記断熱容器に前記回収ラインから回収したヘリウムガスを冷却して凝縮するパルスチューブ冷凍機を設け、
   前記パルスチューブ冷凍機の運転が停止したときに前記回収ラインを閉じる第１の電磁弁と、前記パルスチューブ冷凍機の運転が停止したときに前記断熱容器の内槽内を大気開放する第２の電磁弁とを備えたことを特徴とする微弱磁気計測装置の冷却システム。

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