JPH03100490A - 超電導体を用いた低磁場形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分計］ 本発明は、超電導体で磁気的にシールドされた極めて低
磁場の空間を実現するための低磁場形成方法に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来から知られる超電導体による空間の磁気シールド方
法について、その方法原理を説明すると以下のステップ
（１）　（２）の通りである。

（１）先ず、遮蔽対象の空間の周囲を覆うようにマイス
ナー効果を示す材料（例えば酸化物超電導体）からなる
シールド体を配置する。但し、このときのシールド体の
温度Ｔは、マイスナー効果における臨界温度ＴＣよりも
高い温度にある。つまり、シールド体は末だ常電導状態
にある。

（２）次に、シールド体を臨界温度Ｔ、以下まで冷却し
、超電導状態に転移させる。ここで、シールド体中の磁
場強度Ｈと磁束密度Ｂとの間には、Ｂ＝μ。（Ｈ＋　Ｍ
　） （但し、Ｍはシールド体の磁化、μ。は真空透磁率とす
る） の関係があり、シールド体が超電導状態にあるときは、
シールド体中ではＢ＝ＯであるからＭ＝−Ｈである。

従って臨界温度Ｔ。以下まで冷却されたシールド体は外
部からの磁束の侵入を許さず、その内面で覆われた空間
が磁気的にシールドされることになる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の従来の方法は、その効果はシール
ド体外部からの磁束に対してのみ有効であって、始めか
ら遮蔽対象空間内に存在していた磁場に対しては何等考
慮されていない。それ故、冷却によりシールド体を常電
導状態から超電導状態に転移させる際、遮蔽対象空間内
に既に存在していた周囲の地球磁場などの既存磁場によ
る磁束は、対象空間内にそのままトラップされてしまう
ことになる。従って既存磁場以下の低磁場を実現するこ
とは現実には困難であった。本発明は係る問題点に鑑み
て成されたものであり、その目的とするところは、上述
のトラップされた既存磁場を減少させ、極めて低い磁場
空間を実現することが可能な超電導体を用いた低磁場形
成方法を提供することである。

［課題を解決するための手段コ 上記課題を達成するために、本発明に係る超電導体を用
いた低磁場形成方法は、マイスナー効果を示す材料から
なるシールド体によってシールド対象空間の周囲を覆っ
た後、このシールド体を常電導状態から前記マイスナー
効果における臨界温度以下まで冷却して超電導状態へ転
移させることにより、前記対象空間を前記シールド体で
磁気シールドするに際し、 前記シールド体の外側に前記外部シールド空間と部分的
に連通ずるように前記材料からなる別のシールド体で周
囲を囲まれた外部シールド空間を形成すると共に、この
外部シールド空間を囲む前記別のシールド体に隣接して
発生磁場強度を可変制御可能な磁場発生源を配置してお
き、前記両シールド体を前記転位温度以下に冷却して超
電導状態にした後に、前記両シールド体の超電導状態へ
の転移時に前記シールド対象空間内に既に存在していた
地球磁場等の既存磁場の１．２倍以上の強度の磁場を前
記磁場発生源によって超電導状態の前記別のシールド体
の内または外表面に印加することにより、前記対象空間
内の前記既存磁場の磁束を前記磁場発生源の発生する磁
束と共に超電導状態の前記両シールド体を通るフラック
スフローとして前記対象空間および前記外部シールド空
間の外部へ流出させるものである。

［作　用］ 本発明の作用について、実施例に対応する添付図面を参
照して説明すれば以下の通りである。

第１図には、本発明の低磁場形成方法を実現するための
磁気シールド装置の概略構成例が縦断面図で示されてい
る。但し、本発明の方法を実現するための装置構成は、
図示したものに限定されるものではない。

図において、酸化物超電導体により形成された大小二連
の平行な円筒状の磁気シールド体１は酸化物超電導材料
に板材の両面を熱絶縁層により熱絶縁してなり、例えば
液体窒素により臨界温度以下まで冷却されるようになっ
ている。この磁気シールド体１の軸方向の長さは、一方
のシールド体円筒内に画定されるシールド対象空間１ａ
の大きさやその内部磁場の小ささ（目標低減磁場強度）
に応じて適宜に変更し得るものであるが、一般的にはシ
ールド対象空間１ａの内径の２倍から２０倍程度が普通
である。

シールド対象空間１ａに隣接して、同じシールド体１に
よりダクト１ｃで互いに連通した円筒形の外部シールド
空間１ｂが平行に設けられ、この外部シールド空間ｉｂ
内には磁場発生源２が配置されている。この場合の磁場
発生源２は、電流源３からの電流の供給により磁場を発
生するソレノイドコイルである。ここで、磁場発生源コ
イル２の発生磁場強度は、電流源３の電流値と通電時間
の操作により可変制御可能になっているものとする。

いま、コイル２を通電しない状態で、磁気シールド体１
を冷却して超電導状態へ転移させたとする。このとき、
シールド対象空間ｌ日内の既存磁場による磁束Φ。は、
上記従来技術で説明したようにシールド体１の超電導状
態への転移以降もシールド対象空間ｌ日内にトラップさ
れる。このときのシールド対象空間１ａ内の磁束密度Ｂ
１は、シールド対象空間１ａの断面積を５０とすると、
Ｂ、＝Φ。／　Ｓ　Ｏ・・・（１） で与えられる。

磁気シールド体１が超電導状態へ転移した後にコイル２
に通電し、外部シールド空間ｌｂ内に磁場を発生させた
とする。それに伴ないコイル２から発生する磁束は、ソ
レノイドコイル２の内外面を軸方向に通り、外部シール
ド空間１ｂを囲むシールド体１の内面に沿って円筒状の
磁束経路を形成する。これにより、外部シールド空間Ｉ
ｂ内においてシールド体１の内面側に磁束密度Ｂｃｌの
磁場が形成される。

一方、シールド体１の外側の磁場の磁束密度を８６とす
ると、シールド体１の内外面の磁束密度の差Ｂ　ｄ　＝
Ｂ　ｃｌ−Ｂ　ａにより、シールド体１の内面側（即ち
、外部シールド空間１ｂ）の磁束がシールド体１を通過
して外面側に移動する。この移動量については、第３図
に示すように磁束密度差Ｂａと時間ｔとの間におおよそ
、 Ｂｄ＝Ｂｏ　　（１−ａ＊１ｏｇ　（ｔ＋ｔｏ）　　・
”（２）の関係がある。ここで、ＢＯ＋８は定数であり
、ｌ　　ｏｇ　ｔｏ　　＝　　（１−Ｂ−／Ｂｏ　　）
／ａ　　　”・（３）である。ここで、Ｂ、は１＝０の
ときのＢｄの値である。

従って、 Ｂｃ、＝Ｂｄ＋Ｂ。

＝　Ｂｃｌ＋　Ｂｏ（１ａ　＊Ｉｏｇ（ｔ　＋　ｔｏ）
）　”’（４）の式に従って内部残留磁場（Ｂ　ｃｌ）
は変化し、時間ｔを適宜選ぶことにより内部磁場Ｂｃｌ
を所望値に変化させることができる。

即ち、第１図において、コイル２により作られる磁束の
一部Φ、はシールド体１を通り抜け、外部シールド空間
１ｂを囲むシールド体１の外面に沿って円筒状の磁束経
路を形成する。

この状態でコイル２の通電を切ると、シールド体１外部
の磁束Φ１のみが残留する。そこで、この磁束Φ１の大
きさを電流源３による通電時間の制御によって適宜に設
定することにより、既存磁場のトラップ磁束Φ。を低減
できる。例えば、Φ１＝−Φ。　　　　・・・　（ｒＶ
）となった時点で電流を；にすれば、前記トラップ磁束
Φ。を零とすることができる。

この磁束Φ、の設定は、図示の例では上述の通りコイル
２に対する電流値と通電時間の操作により行われる。こ
の場合、−度の通電で磁束Φ。を零としなくても、通電
を繰り返し行い磁束Φ０を徐々に減少させても良い。

ここで、前述の磁束の移動過程で超電導体のシールド体
１中を通る磁束が存在し、コイル２の電流が零になった
時点でもこの磁束が全て外部に排出されるわけではなく
、一部が超電導体のシールド体１中にトラップされたま
まとなる。この磁束はトラップされた個所の近辺のシー
ルド空間を通り、そこに磁場を形成することになるが、
この磁場はシールド空間に不均一な磁場を形成し、これ
は前述の磁束の１３勅によって打ち消すことが困難であ
る。そこで本発明では磁束８勅のための磁場発生源コイ
ル２をシールド対象空間１ａとは別の外部シールド空間
１ｂ内のみに配置し、シールド体１の超電導体中にトラ
ップされた磁束による磁場の発生を外部シールド空間１
ｂのみに限定するようにして、そこから離れたシールド
対象空間１ａには影響が及ばないようにしたものである
。この場合、両シールド空間１ａ、ｌｂはダクトＩＣに
よって空間的に連通されているので、超電導体中にトラ
ップされていない磁束は雨空間の間を自由に移動し、従
って外部シールド空間１ｂ内のコイル２による外部への
磁束の排出によりシールド対象空間１ａの内部磁場の強
度を変化（減少）させることが可能であり、シールド対
象空間ｌａ内については超電導体中のトラップ磁束の影
響を受けない極砥磁場を形成することができる。

ところで、磁束密度差Ｂ、の大きさは、シールド体のフ
ラックスクリープが実用的時間内、即ち数時間の間に内
部磁場（シールド対象空間内の磁場）が所望値に変化す
る程度の値とすることが望ましい。

一方、地球磁場など周囲に存在する磁場によるフラック
スクリープの大きさは、内部磁場が充分長時間係てる程
度に充分に小さい必要がある。

従ってシールド体１の形状は、周囲に存在する磁場では
フラックスクリープが充分に小さくなるよう設計される
。通常、この設計条件を満たすには、シールド体の内面
に周囲磁場の１．２倍以上の磁場を印加したときに実用
時間内でフラックスクリープが起きる程度とする必要が
ある。これは上記印加磁場が周囲磁場の１．２倍以下で
あると周囲磁場による磁束が徐々にシールド空間内へ侵
入し、低磁場を長時間保つことができないためである。

従って本発明においては、シールド体に印加する磁場は
周囲磁場の１．２倍以上とする。

［実施例］ 本発明の超電導体を用いた低磁場形成方法の一実施例と
して、第１図に示される基本構成に従った磁気シールド
装置によるシールド対象空間１ａ内における磁束密度の
測定結果について以下に説明する。

この測定に用いた平行二連円筒形状の磁気シールド体１
の寸法は、シールド対象空間１ａのための大円筒部の内
径３０ｃｍ、それと平行に隣接する外部シールド空間１
ｂのための小円筒部の内径１５ｃｍ、板厚４ｍｍ、長さ
１，５ｍであり、両日筒部は隣接部で軸方向に沿ってダ
クトＩＣにより連通させ、シールド体１の超電導体の両
面を熱絶縁層で被覆したものである。尚、ダクトＩＣも
同じ超電導体で形成されていることは述べるまでもない
。シールド体１は液体窒素で冷却するようにし、小円筒
部内の外部シールド空間１ｂ内にソレノイドコイル２を
配置して電流源３により直流励磁できるようにしである
。

尚、磁束密度の測定は、シールド対象空間１ａの中央部
に配置した磁気センサー（図示せず）により行った。

先ず、上記従来技術のステップ（１）　、　（２）を行
った後、シールド対象空間ｌａ内の初期の磁束密度を測
定した（コイル２は未励磁状態）ところ、その測定値は
０，４ガウスであった。これは、シールド対象空間ｌａ
内にトラップされた既存磁場による磁束密度である。即
ち、従来法によるシールド空間内の磁束密度に相当する
。

次に本発明の方法として、コイル２に５Ａの電流を５分
間流した後、再度磁束密度を測定したところ、２．０ｘ
ｌＯ−’ガウスまで減少していることが確かめられた。

更に、コイル２に４Ａの電流を５分間流したところ、磁
束密度は−３，０ｘｌＯ−’ガウスとなった。

以上の本発明の方法（コイル２の通電）による２回の測
定は、コイル２に流れる電流の方向が同一方向の下に行
われた。

ここで、電流を流す向きを逆方向として、コイル２に４
Ａの電流を３分間流したところ、磁束密度は１．Ｏｘ、
１０−’ガウスとなった。

以上のように、電流の方向と電流値及び流す時間を調整
しつつ磁場を減少させて行ったところ、シールド対象空
間１ａの中央に配置したセンサによる磁束密度の測定値
が１．０ｘｌＯ−’ガウスになるまで磁場の強度を減少
させることができた。

次に第２図に縦断面図として示したような構成の磁気シ
ールド装置を用いて本発明を実施した場合の磁束密度の
測定結果についてに説明する。

第２図の装置では磁気シールド体１１は大小二つの円筒
体を同軸配置して小円筒体内をシールド対象空間１１ａ
とし、小円筒体外面と大円筒体内面との間の空間を外部
シールド空間ｆｌｂとしたものであり、雨空間は小円筒
体に開けられた連結部１１ｃにより互いに連通されてい
る。シールド体１１の寸法は、小円筒部の内径が２３ｃ
ｍ、大円筒部の内径が３０ｃｍ、超電導体厚さ４ｍｍ、
軸方向の長さ１．５ｍであり、超電導体両面を熱絶縁層
によって被覆して、液体窒素によって冷却できるように
した。シールド体１の最外周面をコイルボア内に取り囲
むようにソレノイドコイル１２を外側に配置し、電流源
３により通電して励磁できるようにすると共に、シール
ド対象空間１ａの内部中央付近に磁束密度測定用のセン
サを配置した。

先ず始めに従来技術で述べたステップ（１）　（２）を
行なってシールド体１１を超電導状態にし、この状態で
前記センサによりシールド対象空間ｌａ内の初期の磁束
密度を測定したところ、磁束密度は０．４ガウスであっ
た。

この状態でコイル１２に電流１５Ａを５分間だけ流し、
センサによって磁束密度を測定したところ２．０ｘｌＯ
−”ガウスまで減少していることが確かめられた。次に
電流を１３Ａ、５分間流したところ、シールド対象空間
ｌａ内のセンサによる測定磁束密度は−３，０ｘｌＯ−
’ガウスまで低下した。そこで電流の向きを逆にして１
３Ａ、３分間に亙りコイル１２を励磁したところ、セン
サの測定磁束密度は１．０ｘｌＯ−３ガウスまで低下し
た。同様にして電流の向ぎと電流値及び通電時間を調整
しつつシールド対象空間１ａの磁場を減少させて行った
ところ、最終的に１．０ｘｌＯ−”ガウスの極低磁場を
実現することができた。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る超電導体を用いた
低磁場形成方法によれば、シールド対象空間およびそれ
と部分的に連通ずる外部シールド空間を超電導材製のシ
ールド体で覆い、外部シールド空間内に磁場発生源を設
けてその内部でシールド体の内面に磁場を印加するとい
う簡単な構成により、従来法における周囲磁場がシール
ド空間内にトラップされる不都合を解消することができ
ると共にシールド体の超電導体中にトラップされる磁束
による影響をシールド対象空間から離れた個所に位置さ
せることができ、従ってこれらトラップ磁束による影響
をシールド対象空間に及ぼすことがなく、シールド対象
空間内に極低磁場を実現できるものである。ここで、磁
場発生源は例えばソレノイドコイルを用いて安価に構成
できるから、比較的容易に低コストで極めて低磁場のシ
ールド空間を達成できる。

このように極低磁場のシールド空間が得られる本発明は
、例えば周囲の磁場の影響を受は易い５ＱＵＩＤ（超電
導量子干渉装置）を用いた測定空間の磁気シールドに有
効であり、科学技術上、及び医療上、微小な磁気現象を
観測する有用な用途が多く、工業的価値も大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超電導体を用いた低磁場形成方法
の一実施例に使用する磁気シールド装置の概略構成を示
す縦断面図、第２図は同じく別の実施例装置を示す縦断
面図、第３図はシールド体の内外面側の磁束密度の差と
時間との関係を示す線図である。 ［主要部の符号の説明］ １．１１・・・・・・・・・・・・磁気シールド体Ｉａ
、１１ａ・・・・・・・・シールド対象空間ｉｂ、ｔｉ
ｂ・・・・・・・・外部シールド空間ｌｃ、Ｉｌｃ・・
・・・・・・連通部（ダクト）２．１２・・・・・・・
・・・・・磁場発生源（コイル）３．１３・・・・・・
・・・・・・電流源氏　　理　　人　　弁理士　　佐　
　藷　　正　　年第 ３ 図 （秒）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　マイスナー効果を示す材料からなるシールド体によっ
   てシールド対象空間の周囲を覆った後、このシールド体
   を常電導状態から前記マイスナー効果における臨界温度
   以下まで冷却して超電導状態へ転移させることにより、
   前記対象空間を前記シールド体で磁気シールドするに際
   し、 前記シールド体の外側に前記外部シールド空間と部分的
   に連通するように前記材料からなる別のシールド体で周
   囲を囲まれた外部シールド空間を形成すると共に、この
   外部シールド空間を囲む前記別のシールド体に隣接して
   発生磁場強度を可変制御可能な磁場発生源を配置してお
   き、 前記両シールド体を前記転位温度以下に冷却して超電導
   状態にした後に、前記両シールド体の超電導状態への転
   移時に前記シールド対象空間内に既に存在していた地球
   磁場等の既存磁場の１．２倍以上の強度の磁場を前記磁
   場発生源によって超電導状態の前記別のシールド体の内
   または外表面に印加することにより、前記対象空間内の
   前記既存磁場の磁束を前記磁場発生源の発生する磁束と
   共に超電導状態の前記両シールド体を通るフラックスフ
   ローとして前記対象空間および前記外部シールド空間の
   外部へ流出させることを特徴とする超電導体を用いた低
   磁場形成方法。