JPH08320271A

JPH08320271A - ガスリーク検知装置

Info

Publication number: JPH08320271A
Application number: JP12774795A
Authority: JP
Inventors: Takeo Nemoto; 武夫根本; Norihide Saho; 典英佐保; Hisashi Isokami; 尚志磯上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1996-12-03

Abstract

(57)【要約】【構成】磁束を発生する永久磁石と高電圧を発生する陽
極，陰極から成る圧力検出器を複数配列させ、ヘリウム
ガスがリークした位置に近い圧力検知器が速く圧力上昇
する性質を利用して、ヘリウムガスのリーク場所を探
す。なお、ガスは、種類によらずなんでも使える。【効果】小形，牽牛な複数の圧力検出器を使用すること
で、比較的狭い空間があれば容易に設置できるので、磁
気浮上列車，トランスファチューブ等の小形の超電導機
器のリーク場所を発見することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、真空容器からガスリー
クを検知するガスリーク検知装置に関わり、特に極低温
に冷却される真空容器のリーク発生場所を発見すること
に好適なガスリーク検知装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】極低温に冷却される液体ヘリウム容器壁
に微少な亀裂が生じると、断熱真空容器内にヘリウムが
漏れ（リーク）込み断熱性能が著しく劣化する。このた
め、液体ヘリウムが多量に蒸発し液体ヘリウム容器を補
修しなければならなくなる。従来、このリークを確認す
る手段として、液体ヘリウム容器を納めた真空容器の外
部に取り付けた検出器で検出する方法が広く用いられて
いる。このガスリークを検出する装置としては、液体窒
素温度に保った液体ヘリウム容器内の残留ガスを質量分
析計を用いて分析する方法が知られている。そして、そ
の一例が特開昭58-97637 号公報に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術では、
液体ヘリウム容器に漏れ込むヘリウムガスの有無は検出
出来るが、液体ヘリウム容器のどこでリークが発生して
いるか分からず、そのリーク発生箇所を特定できなかっ
た。特に、このリークが極低温温度域でのみ生じるコー
ルドリーク現象の場合には、常温に昇温した後ではこの
リーク現象が生じないため、室温で動作する一般の検出
器ではリーク箇所は特定できない問題があった。このた
め、液体ヘリウムの真空断熱容器を形成する極低温部全
体を作り直さなければならないという不具合があった。
また、軽量，小型の超電導磁石が望まれている磁気浮上
用超電導磁石では、設置空間が狭い場合でも対応できる
ようにリーク検知器の小型化が望まれている。さらに、
磁気浮上列車の走行に伴う振動に対しても検知器が壊れ
ない牽牛なリーク検知器であることが必要とされてい
た。

【０００４】本発明の目的は、上記条件を満し、且つ、
断熱真空容器のリーク発生場所を早急に発見することに
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明はガスリーク検知器は、ネオジウム（Ｎｄ）
系の２個の平板永久磁石をＳ極とＮ極が向い合うように
一定の間隙をおいて設置し、前記平板永久磁石の間に陽
極と陰極が直角になるように配設されている。また、陽
極，陰極及び永久磁石は、高絶縁体を介して密着されて
いる。この高絶縁体は、快削に優れた雲母結晶を含むセ
ラミックスにすることにより小型化が図られている。ガ
スリーク検知器は、陽極と陰極間に高電圧をかけること
で、陰極と陽極空間の真空圧力に比例した電流が陽極陰
極間に流れる。このガスリーク検知器は、リークしたと
きの以上な圧力上昇を検知している。言い替えれば、ガ
スリーク検知器は、圧力検知器とも言える。圧力検知器
を真空容器内に複数装着することで、真空容器内部でリ
ークした位置に近い順に圧力検知器がガスを検知するの
でリーク発生場所の特定が可能となる。

【０００６】

【作用】例えば、液体ヘリウム容器から断熱真空容器へ
ヘリウムガスがリークした場合、ガスの分子又は電子
は、永久磁石の磁束密度とこれと直交した高電圧により
螺旋状に運動しながら陽極と陰極に衝突する。この単位
時間あたりの衝突回数は、真空の圧力，磁束密度，両電
極空間容積及び陽極，陰極間の電圧に依存し、これらの
値が大きくなるに従い、リーク検知器の出力信号も増大
する。しかし、超電導機器、中でも磁気浮上列車用超電
導磁石は、乗客人員を多くしたいため軽量，小形が進め
られている。このため、従来のペニング真空計の容積で
は多きすぎて真空容器内にペニング真空計を取付けるこ
とは不可能であった。また、これより小さなピラニー真
空計では、１０~³Torr以下の圧力を検知することができ
ない。本発明の圧力検知器は、電気絶縁体として雲母結
晶を含んだセラミックスを採用することで精度の高い加
工が可能で、他の主要構成部品については、金属であり
高精度の加工が容易であるため小型化が図られた。

【０００７】本発明の特徴は、リーク直後の過渡的圧力
上昇を複数の圧力検知器で計測することである。この場
合の注意すべき点は、真空容器内のある圧力値に対する
圧力検知器の出力信号のばらつきを無くすことである。
このため、電極、その他の部品の材質は、磁気的影響を
避けるため非磁性体を使用している。また、出力信号の
ばらつきは、陽極と陰極間の電圧を調整することでなく
すことができた。このため、ガスがリークした場合、リ
ーク位置に近接した圧力検知器から出力信号が増大する
性質を利用して、リークした場所の特定が可能となっ
た。ガスリーク流量が少なく各圧力検知器の信号の差が
少ないときのために、圧力検知器のダイレクト出力信号
の他、この信号を積分する信号処理回路を設けた。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１から図６を使
って説明する。まず、本発明の圧力検知器の構造につい
て説明する。図１は、１個のときの圧力検知器を示し
た。１はリング状の形状をした陽極で、２は円形平板の
陰極である。それぞれの材質は、陽極１が非磁性体であ
るオーステナイト系のステンレス鋼，陰極が非磁性体で
あるチタンである。陽極と陰極の材質は非磁性金属であ
れば他でもよい。３は高磁束密度が得られるネオジウム
系の円形平板の永久磁石で、残留磁束密度は、約１テス
ラ（Ｔ）である。４は電気絶縁体、５は陽極１と永久磁
石３を保持するためのガイドである。このガイドの材質
は電気絶縁体と同じで雲母結晶を含んだセラミックスで
ある。このセラミックスは、高電気絶縁性で、しかも、
素材からのアウトガス量及びヘリウム透過量が少ないの
で真空部品材料としても適したものである。６は陰極
２，電気絶縁体４と永久磁石３をガイド５内部に支持固
定するためのサポータである。８はガイド５に設けた陰
極リード線引出口である。９は圧力検知器本体をフラン
ジ１０に固定するためのスタンドである。１１は真空容
器（図示なし）とフランジ１０を気密に接合するための
ゴムパッキンである。１２は真空容器のガスを圧力検知
器内部に導入するためのガス取り込み口である。陽極１
は２枚の陰極２の間に２個のガイド５を介してサンドイ
ッチ状に挾みつけられている。永久磁石３は２個の陰極
２を電気絶縁体４を介して挾みつけた構成である。１３
を圧力検知器と呼ぶことにする。

【０００９】次に、図１から図６を使って動作の説明を
する。図２は磁気浮上列車用超電導磁石の断面を示した
ものである。図３は図２のＡ−Ａ断面図である。２１は
超電導コイルである。この超電導コイルの超電導線材料
は、ニオブチタン(ＮｂＴｉ)またはニオブサンスズ(Ｎ
ｂ₃Ｓｕ）と銅の複合である。２２は超電導コイルを冷
却する液体ヘリウムである。２３は超電導コイル１と液
体ヘリウムを収納する超電導コイル容器である。２４は
真空にして断熱するための真空容器である。２５は室温
真空容器２３からの輻射熱を遮蔽するための輻射シール
ドである。２６はアルミニウム蒸着反射テープを数十層
重ね合わせた積層断熱材である。液体ヘリウム２２は超
電導コイル容器２３の上部に設けた液体ヘリウム容器２
７内に溜め込まれている。２８は液体ヘリウム容器２７
と超電導コイル容器を連通するための液体ヘリウム導入
管である。液体ヘリウム容器２７内の液体ヘリウム２２
は、この液体ヘリウム導入管２８によって下方の超電導
コイル容器に流れる。超電導コイル容器２１が受けた熱
で蒸発したガスは、戻りの液体ヘリウム導管２８から超
電導コイル２１の上部の液体ヘリウム容器２７のガス層
に導かれる。このように、超電導コイル２１周りの液体
ヘリウム２２は、液体ヘリウム容器２７内の液体ヘリウ
ム２２が無くなるまで自然循環している。液体窒素２９
は液体窒素容器３０から輻射シールド２５に取り付けら
れた窒素配管（図に示していない）内を流れる。そし
て、輻射シールド２５は液体窒素温度（７７Ｋ）に冷却
されている。

【００１０】超電導コイル容器２３からヘリウムガスが
リークした場所を発見するため、超電導コイル容器２３
と輻射シールド２５間の超電導コイル容器２３外壁に４
個の圧力検知器１３を装着している。圧力検知器１３−
１，１３−２と１３−３は、通常、真空容器２４内の圧
力を検知している。圧力検知器からの出力信号は、真空
絶縁の良好なコネクタ３１から制御回路３２を通して、
高速レコーダ３３及びデータレコーダ３４に入力され
る。真空容器２４内の圧力が１０~⁶Torrから10~⁵Torr値
のとき、図１の陽極１と陰極２間にＤＣ１０００Ｖの電
圧をかけたとき、図１の陽極１と陰極２に、およそ数μ
Ａから数十μＡの電流が流れる。

【００１１】ここで、もし、超電導コイル容器２３内で
ヘリウムガスがリークした場合の高速レコーダのディス
プレイを図４に示す。圧力検知器１３−１から１３−３
の順に信号が小さくなっている。また、それぞれの圧力
検知器の出力信号が増加した時間の遅れを読むことがで
きる。これらのデータから、リークした場所は、圧力検
知器１３−１が最も近く、次に、圧力検知器１３−２，
１３−３の順に遠ざかっていることが読み取れる。リー
クした位置は、図２中のＰ点近傍であることが推定でき
る。このリーク発生場所の確度は、圧力検知器の数を増
やすことで高められる。真空容器の容積に対しガスリー
ク流量が少ない場合、圧力検知器の出力信号増大分は少
ない。これを改善する手段として、圧力検知器１３の出
力信号を積分する電気回路を設けた。図５は圧力検知器
１３を３個使用したときの電気回路である。スイッチＳ
Ｗ１は上に接続すると、圧力検知器の出力信号を直接読
み取ることができ、下につなげると直接の出力信号を積
分または、微分して出力される。スイッチＳＷ２はその
積分，微分を切り替えるためのもので、スイッチＳＷ２
を上に接続したとき信号は積分される。図４に圧力検知
器１３−１，１３−２と１３−３の出力信号の積分した
結果も示している。このように、直接の出力信号に比べ
積分された信号は、信号の変化分を拡大する効果がある
ので、どこの圧力検知器の信号が速く変化したかを見る
のに適している。なお、積分する時間は、図５の抵抗Ｒ
とコンテンサＣの積に依存する。この他、出力信号に加
わるノイズを除去するフィルタ回路等の電子回路も圧力
検知器の応答性に支障をきたさなければ取付けた方がよ
い。

【００１２】複数の圧力検知器の出力信号は、同一圧力
のもとでも、各圧力検知器によってばらつきが見られ
る。この原因は、圧力検知器の仕上り寸法，組立精度、
そして、永久磁石の残留密度等それぞれの設計誤差によ
る。この設計誤差を無くすには、圧力検知器の部品の加
工精度を高くする手法と圧力検知器１３の陽極１，陰極
２間の電圧を可変する手法の二つが考えられる。前者
は、部品の加工費が高く問題がある。後者について、図
６を使って詳しく説明をする。

【００１３】図６は圧力と圧力検知器１３の出力信号を
横と縦の両対数グラフにし、圧力検知器１３に加える電
圧をパラメータとして圧力検知器１３の出力信号特性を
表したものである。図６から、同一電圧では、圧力検知
器１３の出力信号は、圧力の約１乗に比例する。また、
同一圧力では、出力信号は、圧力検知器１３に加える電
圧にほぼ比例して増加することが分かる。以上の結果を
踏まえ、この圧力検知器１３に加える電圧を調整するこ
とで同一圧力で生じた圧力検知器１３のばらつきは、無
くなる。図５の可変抵抗１０ＭΩは、この電圧を調整す
る働きをする。

【００１４】図７は本発明の他の実施例である。これ
は、筒状のスペースチャンバの断面図で、人工衛星モデ
ル３５をスペースチャンバ内に設置した状態で宇宙空間
に置かれたときと同じ状態を模擬できる。キセノンラン
プ３６は、放射した光を反射鏡３７で人工衛星モデル３
５に集光させることで太陽光を模擬している。宇宙空間
の真空圧力は、粗引きポンプ３８とクライオパネル３９
で１×１０~⁶Torr以下になる。スペースチャンバは、実
物大の大きさで試験をするため、直径１０ｍ，長さ１５
ｍと大きい。この場合でもリーク試験は行われる。ここ
で使用する圧力検知器は、圧力検知器を２個以上配列し
た圧力検知器群を適当にスペースチャンバ内に装着して
使用する。４０はその圧力検知器群を示している。これ
は、圧力検知器単体より複数個の圧力検知器のデータの
方がデータ量が多いため、リーク場所の推定が容易にな
る。圧力検知器群４０の詳細図を図８と図９に示した。
圧力検知器群４０の個々については、図１と同じ構成で
ある。図８の圧力検知器群は、圧力検知器１３を４個作
るために８個の永久磁石を必要とするところ、５個の永
久磁石で満足する。このように、永久磁石の数を少なく
できるメリットがある。図９は２個の圧力検知器１３を
ペアにして図７のスペースチャンバ内に装着する。大き
なスペースチャンバ内に圧力検知器群４０を設置後、ス
ペースチャンバ内の空気を粗引きポンプ３８で排気、さ
らに、寒剤でクライオパネルを液体ヘリウム温度(４.２
Ｋ）に冷却してスペースチャンバ内は、高真空状態が得
られる。このような大きな真空容器内でガスリークが生
じた場合でも、各圧力検知器群４０または圧力検知器１
３によって、スペースチャンバ内の圧力を監視すること
で、リークした位置が容易に分かる。また、同時に、ス
ペースチャンバ内の圧力分布もこの圧力検知器群４０に
よって計測が可能となる。

【００１５】これまで、ガスをヘリウムに特定してきた
が、このガスリーク検知器は、空気をはじめ他のガスに
ついても用いることができる。また、永久磁石３の代わ
りに電磁石，超電導磁石でも十分機能を満足できる。さ
らに、小形，牽牛な複数の圧力検出器を使用すること
で、比較的狭い空間があれば容易に設置できるので、ト
ランスファチューブ等の小形の超電導機器のリーク場所
を発見することができる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば，小形，牽牛な複数個の
圧力検知器を真空容器内に装着することで、各圧力検知
器の出力信号の時間遅れからガスリークした場所を容易
に発見できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧力検知器の断面図。

【図２】磁気浮上列車用超電導磁石の断面図。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図。

【図４】モニタの説明図。

【図５】電気回路図。

【図６】圧力と圧力検知器の出力信号の関係の説明図。

【図７】スペースチャンバの断面図。

【図８】圧力検知器群の断面図。

【図９】他の圧力検知器群の断面図。

【符号の説明】

１…陽極、２…陰極、３…永久磁石、４…電気絶縁体、
５…ガイド、１２…ガス取り込み口、２１…超電導コイ
ル、２２…液体ヘリウム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空圧力を計測可能な圧力検知器を真空容
器内部に設けたことを特徴とするガスリーク検知装置。
【請求項２】請求項１において、前記圧力検知器は、円
筒形状の陽極と前記陽極の軸方向の両端部に円板形状の
陰極をそれぞれ配置し、さらに、２個の前記陰極を挾み
つける様に、それぞれの円板形状永久磁石を設置し、前
記陽極を向いたそれぞれの永久磁石表面がＳ極とＮ極が
向い合うように配置し、前記陽極と前記陰極、及び、前
記陰極と前記永久磁石それぞれの間を電気絶縁体で密着
したガスリーク検知装置。
【請求項３】請求項２に記載の前記電気絶縁体は、雲母
結晶が含まれたセラミックスであるガスリーク検知装
置。
【請求項４】請求項２に記載の前記永久磁石は、ネオジ
ウム（Ｎｄ）が含まれたセラミックスであるガスリーク
検知装置。
【請求項５】請求項２に記載の前記陽極と前記陰極は、
非磁性体の金属であるガスリーク検知装置。
【請求項６】請求項２に記載の前記ガスリーク検知装置
で、前記圧力検知器の陽極の中心部に穴を設けたガスリ
ーク検知装置。
【請求項７】請求項２に記載の複数の前記圧力検知器
で、前記各圧力検知器の陽極，陰極間の電圧を調整でき
る電圧調整回路を設けたガスリーク検知装置。
【請求項８】請求項７に記載の前記圧力検知器の出力信
号を微分、又は、積分回路を設け、出力信号のデータ処
理を可能としたガスリーク検知装置。
【請求項９】請求項２に記載の前記圧力検知器の前記永
久磁石を除く、全ての部品は、非磁性の材質から成るガ
スリーク検知装置。
【請求項１０】請求項２に記載の前記圧力検知器の大き
さは、隙間が１５mm以下の空間に装着可能であるガスリ
ーク検知装置。
【請求項１１】請求項１，２，３，４，５，６，７，
８，９または１０に記載の前記圧力検知器を前記真空容
器内部に複数個装着し、ガスがリークした直後の前記真
空容器内の過渡的な圧力上昇を前記圧力検知器で計測
し、それらのデータを基にガスリーク発生場所を特定す
るガスリーク検知装置。