JP2004235653A - 超電導マグネット - Google Patents

Abstract

【目的】 磁性蓄冷材を有する蓄冷型冷凍機を備えた超電導マグネットにおいて、その性能及び信頼性を向上する。
【構成】 超電導コイル、上記超電導コイルが固定され、上記超電導コイルを包囲する真空槽、上記真空槽を包囲する磁気シールド、及び上記磁気シールドと上記真空槽との相対位置を調整することにより、上記磁気シールドと上記超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えた超電導マグネット、及び超電導コイル、上記超電導コイルを包囲する輻射シールド、上記超電導コイルが上記輻射シールドを介して固定され、上記輻射シールドを包囲する真空槽、上記真空槽を包囲する磁気シールド、及び上記磁気シールドと上記真空槽との相対位置を調整することにより、上記磁気シールドと上記超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたことを特徴とする超電導マグネット。
【選択図】 図１４

Description

この発明は、超電導マグネットに関し、特に蓄冷型冷凍機を有するものに関する。

図２２は従来の超電導マグネットの一例を示す断面図である（例えば特許文献１参照）。図において、１は超電導コイル、２は超電導コイル１を巻く巻き枠、３ａは超電導コイル１に電流を供給する低温側電流リード、３ｂは超電導コイル１に電流を供給する高温側電流リード、４は超電導コイル１を包囲する輻射シールド、５は輻射シールド４を包囲する真空槽、６は超電導コイル１及び輻射シールド４を冷却する蓄冷型冷凍機の一種である２段ギフォード・マクマホンサイクル冷凍機（以下、２段ＧＭ冷凍機と記す）、７は２段ＧＭ冷凍機６に作動ガスを供給するコンプレッサー、８は２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ、９は２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ、１０は超電導コイル１の電源、３１は電流リード３の中間温度部であり、輻射シールド４と熱的に接触するように構成している。

次に、従来の超電導マグネットの動作について説明する。
超電導コイル１は、２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８と熱接触しており、２段ＧＭ冷凍機６により極低温（例えば４．２Ｋ）に冷却され、電気抵抗ゼロ、いわゆる超電導状態になる。そこで電流リード３ａ，３ｂを介して外部の超電導コイル用電源１０から超電導コイル１に励磁用電流を供給し、所用の磁場を発生させている。超電導コイル１は電気抵抗がゼロであるため、電流を流してもそれ自身がジュール熱で発熱することがない。しかし外部から対流・輻射・伝導による超電導コイル１への熱侵入があり、この熱侵入をできるだけ低減することが望ましい。

超電導コイル１への熱侵入を低減するため、超電導コイル１を真空槽５内に収納し、対流による熱侵入を遮断している。また真空槽５から超電導コイル１へ直接輻射熱が侵入しないように輻射シールド４を設け、超電導コイル１を包囲している。この輻射シールド４は、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９と熱的に接続しており、極低温（例えば５０Ｋ）に冷却されている。
さらに、電流リード３ａ，３ｂから超電導コイル１への熱侵入を低減するため、電流リードの中間温度部３１を輻射シールド４と熱的に接触させて、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９で冷却することにより、室温から直接伝導により熱が超電導コイル１へ侵入するのを防止している。また、中間温度部３１より低温側の電流リード３ａを、熱伝導率が小さく、ジュール熱を生じない高温超電導体で構成した。

しかし、超電導コイル１への熱侵入をゼロにすることは不可能であるので、２段ＧＭ冷凍機６でこの熱侵入分は取り除かなければならない。もし、２段ＧＭ冷凍機６に何らかのトラブルが生じて冷凍能力が劣化すると、超電導コイル１への熱侵入が増加し、超電導コイル１の温度が上昇する。さらに、超電導状態から常電導状態へ転移する。超電導マグネットを性能よく、かつ長期にわたって安定に動作させるには、２段ＧＭ冷凍機６の性能の向上と長期信頼性の向上が不可欠である。

図２３は、従来の超電導マグネットに用いられる２段ＧＭ冷凍機６を示す構成図である。図において、５１は直径を順次縮小した２段のパイプを同軸上に連結一体化したシリンダ、５２はシリンダ５１の１段目に摺動可能に配設した１段目デスプレーサー、５３はシリンダ５１の２段目に１段目デスプレーサー５２と同様に摺動可能に配設した２段目デスプレーサー、１段目及び２段目デスプレーサー５２，５３はそれぞれ自在継手（図示せず）で連結一体化構成にしている。５４，５５は１段目，２段目デスプレーサー５２，５３とシリンダ５１の各段との間にヘリウムガスが漏れることを防止するために配設した１段目，２段目シール、５６，５７はシリンダ５１の各段の端面と１段目，２段目デスプレーサー５２，５３との間に形成する空間である１段目膨脹空間，２段目膨脹空間、５８は１段目デスプレーサー５２内に蓄冷材として銅金網及び鉛玉を用いた１段目蓄冷器、５９は２段目デスプレーサー５３内に蓄冷材として磁性蓄冷材の一種であるHo−Er−Ruの組成を有する材料を用いた２段目蓄冷器である。
また、７は矢印の方向にヘリウムガスを圧縮するコンプレッサー、８，９はそれぞれシリンダ５１の各段低温端の外周面に配設した低温側ステージ，高温側ステージである。さらに、６０は吸気バルブで、コンプレッサー７から２段ＧＭ冷凍機６に高圧のガスを供給するタイミングを制御する。６１は排気バルブで、２段ＧＭ冷凍機６からコンプレッサー７に低圧のガスを排出するタイミングを制御する。６２は駆動モータで、シリンダ５１内でデスプレーサー５２，５３を往復運動させると共に、この往復運動に連動してバルブ６０，６１の開閉を行う。

このように構成した２段ＧＭ冷凍機６は次のように動作する。
まず、１段目，２段目デスプレーサー５２，５３が最下端にあり、吸気バルブ６０が開き、排気バルブ６１が閉じている状態で、１段目，２段目膨張空間５６，５７内にコンプレッサー７で圧縮した高圧のヘリウムガスを供給する。この結果、１段目及び２段目膨張空間５６，５７は高圧状態になる。

次に、１段目，２段目デスプレーサー５２，５３が上方に動き、それに伴い高圧のヘリウムガスを１段目，２段目膨脹空間５６，５７に次々と供給する。この間、吸気バルブ６０は開いたままで、排気バルブ６１は閉じたままである。高圧のヘリウムガスは、１段目，２段目蓄冷器５８，５９を通過する際に、蓄冷材により所定の温度まで冷却される。
１段目，２段目デスプレーサー５２，５３が最上端になった時に、吸気バルブ６０を閉じて、少し遅れて排気バルブ６１を開く。この時、高圧のヘリウムガスは断熱的に膨脹して冷凍を発生する。さらに１段目，２段目膨脹空間５６，５７内に存在するヘリウムガスはそれぞれの温度レベルで低温・低圧になる。

ついで、１段目，２段目デスプレーサー５２，５３が下方に移動することにより、低温・低圧のヘリウムガスが、２段目，１段目蓄冷器５９，５８を通過し、排気バルブ６１から排気される。この時、低温・低圧のヘリウムガスは、２段目及び１段目蓄冷器５９，５８の蓄冷材を冷却した後、コンプレッサー７に戻る。デスプレーサー５２，５３が最下端に移動し、１段目及び２段目膨脹空間５６，５７の体積が最小となった状態で、排気バルブ６１を閉じ、吸気バルブ６０を開く。これにより、コンプレッサー７で圧縮した高圧のヘリウムガスが膨脹空間５６，５７に供給され、膨張空間５６，５７の圧力は低圧から高圧になる。上記の過程を１サイクルとして動作する。
このサイクルを繰り返すことにより、高温側ステージ９及び低温側ステージ８の温度をそれぞれ５０Ｋ及び４.２Ｋに冷却している。

また、従来の超電導マグネットにおける超電導コイル１の固定方法について説明する。図２４は超電導コイル１の固定部を示す断面図である。図において、４１は真空槽５を介して超電導コイル１の位置を調整する調整ネジである。超電導コイル１は支持部材２３によりある程度真空槽５に固定されている。
このように、調整ネジ４１の先端を超電導コイル１に直接接触するように配設し、調整ネジ４１の頭部は真空槽５を突き破り、真空槽５の外側に位置していた。超電導コイル１位置を調整するときは、真空槽５の外側の調整ネジ４１の頭部を回して超電導コイル１の周囲の調整ネジ４１を移動し、超電導コイル１の位置を移動する。

このような構成では、調整ネジ４１が真空槽５を貫通しているので、真空槽５内の真空を維持するためには、ガスケット等を設ける必要があった。

また、一般に輻射シールド４の熱容量より、超電導コイル１の熱容量の方が大きく、また２段ＧＭ冷凍機６の冷凍能力は高温側ステージ９の方が低温側ステージ８より大きい。このため、初期冷却の様子は図２５に示すように変化する。図２５は横軸に時間、縦軸に温度を示したグラフである。輻射シールド４は５０Ｋ程度に冷却され、超電導コイル１は４．２Ｋ程度に冷却するので、超電導コイル１の初期冷却時間はｔ２、輻射シールド４の初期冷却時間はｔ１となる。
このように、ｔ２はｔ１の２倍以上になり、初期冷却時間は輻射シールド４より、超電導コイル１の方が長時間かかりすぎる。

特開平６―１３２５６７号公報(図１、段落番号００１８から００３１）

超電導コイル１による磁界分布を調整するため、磁気シールドに対するその相対的位置を調整する際、真空を保持しながら調整するのが困難であるという課題もがあった。

この発明は、上記のような従来の課題を解決するためになされたもので、蓄冷型冷凍機を備えた超電導コイルの性能及び信頼性を向上することを目的とするものである。
さらに、メンテナンスを容易にできる構造の超電導マグネットを得ることを目的とするものである。

請求項１の発明に係る超電導マグネットは、超電導コイル、超電導コイルが固定され、超電導コイルを包囲する真空槽、真空槽を包囲する磁気シールド、及び磁気シールドと真空槽との相対位置を調整することにより、磁気シールドと超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたものである。

また、請求項２の発明に係る超電導マグネットは、超電導コイル、超電導コイルを包囲する輻射シールド、超電導コイルが輻射シールドを介して固定され、輻射シールドを包囲する真空槽、真空槽を包囲する磁気シールド、及び磁気シールドと真空槽との相対位置を調整することにより、磁気シールドと超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたものである。

以上のように、請求項１の発明によれば、超電導コイル、超電導コイルが固定され、超電導コイルを包囲する真空槽、真空槽を包囲する磁気シールド、及び磁気シールドと真空槽との相対位置を調整することにより、磁気シールドと超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたことにより、真空を保持するのに特別な構造を必要とせず、磁界分布の調整が簡単にできる超電導マグネットが得られる効果がある。

また、請求項２の発明によれば、超電導コイル、超電導コイルを包囲する輻射シールド、超電導コイルが輻射シールドを介して固定され、輻射シールドを包囲する真空槽、真空槽を包囲する磁気シールド、及び磁気シールドと真空槽との相対位置を調整することにより、磁気シールドと超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたことにより、真空を保持するのに特別な構造を必要とせず、磁界分布の調整が簡単にできる超電導マグネットが得られる効果がある。

実施例１．
以下、この発明の実施例１による超電導マグネットとして、例えばシンクロトロン放射光装置用の超電導マグネットについて説明する。図１は実施例１に係る超電導マグネットを示す断面図である。図中、図２２及び図２３に示した従来の超電導マグネットと同一又は相当の部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
図において、１３は超電導コイル１に電流を供給する電流リード、１４は輻射シールド４を包囲するように配設した高温側輻射シールド、１５は超電導コイル１に流れる永久電流のモードを実現する永久電流スイッチ、２２はシールド冷却用２段ＧＭ冷凍機で、高温側ステージ９で高温側輻射シールド１４を、低温側ステージで輻射シールド４を冷却し、それぞれ８０Ｋ、２０Ｋの温度に保持している。２０は液体ヘリウムを保持するとともに超電導コイル１を収納するヘリウム槽、２１は超電導コイル１を超電導状態に保持する極低温冷媒である液体ヘリウム、２３は輻射シールド４及び高温側輻射シールド１４を介してヘリウム槽２０を真空槽５に保持する支持部材、２４はビームチャンバ、２５はビームチャンバ２４を包囲するように配設されたビームチャンバの高温側輻射シールド、２６はビームチャンバの高温側輻射シールド２５を包囲するように配設されたビームチャンバ輻射シールドである。図示していないがビームチャンバの高温側輻射シールド２５は高温側輻射シールド１４に熱的に接続され、ビームチャンバ輻射シールド２６は輻射シールド４に熱的に接続している。２７は蓄冷型冷凍機で、例えばヘリウム液化用ＧＭ冷凍機であり、その構成は図２３に示した２段ＧＭ冷凍機６と同じであるので説明を省略する。ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は、液体ヘリウム２１の蒸発ヘリウムを再び液化する。３０は磁気シールドであり、例えば鉄で構成する。また、輻射シールド４，１４，２５，２６は、例えば銅で構成している。

このように構成された実施例１による超電導マグネットにおいては、超電導コイル１はヘリウム槽２０内の液体ヘリウム２１により極低温（例えば４．２Ｋ）に冷却され、超電導状態になる。この状態で外部の超電導コイル用電源（図示せず）から励磁電流を電流リード１３を介して超電導コイル１に供給し、所定の磁場を発生させる。そして定常状態になると永久電流スイッチ１５を介して上記超電導コイル１に電流が流れるようにし、外部の超電導コイル用電源との電気的接触を断つ。そこで、超電導コイル１は永久電流モードになり、外部の超電導コイル用電源を切り離した状態で所定の磁場を発生させることができる。
一方、ビームチャンバ２４内を高真空に排気して、この中を高エネルギに加速した電子を導く。電子の運動の軌道は、ビームチャンバ２４を挟むように配設した一対の超電導コイル１の発生する磁場により、規制されている。

ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は、例えば、１段目蓄冷器５８の蓄冷材として銅メッシュと鉛玉、２段目蓄冷器５９の蓄冷材としてHo−Er−Ruの組成の材料を用いる。超電導コイル１への熱侵入により蒸発した液体ヘリウム２１を低温側ステージ８で再び液化する。
ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７の２段目蓄冷器５９の蓄冷材として、磁性蓄冷材を使用しており、磁場勾配があると電磁力をうける。２段目蓄冷器５９の蓄冷材に過度の電磁力がかかると、駆動モータ６２に過度のトルクがかかる。この過度のトルクのため、駆動モータ６２が正常に回転しなくなると、正常な熱サイクルが実現できなくなり、所用の冷凍能力が得られなくなる。また、駆動モータ６２自体も強い磁場中では正常に回転しなくなり、やはり所用の冷凍能力が得られなくなる。

これに対し、実施例１では磁気シールド３０を設け、超電導コイル１で発生した磁場を遮蔽してその外側に漏らさないようしている。ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は、磁気シールド３０に対して、超電導コイル１と反対側、即ち、磁気シールド３０の外側に配設されている。従って、超電導コイル１が強磁場を発生しても、ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は磁場の外側にあり磁場はかからない。このため、磁場の影響をうけやすいヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７の駆動モータ６２は正常に動作する。また、磁性蓄冷材で構成された蓄冷器にも磁場がかからないので、蓄冷器に電磁力や発熱が生じることも防止できる。

実施例２．
以下、この発明の実施例２による超電導マグネットとして、例えば浮上式鉄道用の超電導マグネットについて説明する。図２は実施例２に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、２８はシールド冷却用単段ＧＭ冷凍機、２９はシールド冷却用単段ＧＭ冷凍機２８の冷却ステージ、３２は超電導コイル１に液体ヘリウム２１を供給する供給配管、３３は液体ヘリウム２１の蒸発ガスを回収するためヘリウム槽２０内上部の気相部に開口するように設けられた回収配管、３４は電流リード１３を冷却する冷却配管である。

このように構成された実施例２による超電導マグネットにおいては、輻射シールド４はシールド冷却用単段ＧＭ冷凍機２８の冷却ステージ２９と熱的に接触しており、約７０Ｋに冷却している。ヘリウム槽２０内の液体ヘリウム２１は熱侵入により気化して蒸発ガスとなり、ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７によって冷却されて、再び液化する。

この実施例２では実施例１と同様、磁気シールド３０を設け、超電導コイル１で発生した磁場を遮蔽してその外側に漏らさないようしている。ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は、磁気シールド３０に対して、超電導コイル１と反対側、即ち、磁気シールド３０の外側に配設されている。従って、超電導コイル１が強磁場を発生しても、ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は磁場の外側にあり磁場はかからない。このため、磁場の影響をうけやすいヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７の駆動モータ６２は正常に動作する。また、磁性蓄冷材で構成された蓄冷器にも磁場がかからないので、蓄冷器に電磁力や発熱が生じることも防止できる。

実施例３．
図３は、この発明の実施例３に係る超電導マグネットを示す断面図である。実施例３は実施例２における磁気シールドの配設位置の異なる例を示したものである。この実施例３のものは、磁気シールド３０を真空槽５の中に配設したことで、実施例２と同様の効果を期待できる。
この実施例でも、ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は、磁気シールド３０に対して、超電導コイル１と反対側、即ち、磁気シールド３０の外側に配設している。従って、超電導コイル１が強磁場を発生しても、ヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７は磁場の外側にあり磁場はかからない。このため、磁場の影響をうけやすいヘリウム液化用ＧＭ冷凍機２７の駆動モータ６２は正常に動作する。また、磁性蓄冷材で構成された蓄冷器にも磁場がかからないので、蓄冷器に電磁力や発熱が生じることも防止できる。
さらに、磁気シールド３０を真空槽５の内側に配設しているので、スペースの節約ができる。

実施例４．
図４は、この発明の実施例４に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、３５は２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８と超電導コイル１を熱的に接続する伝導部材、３６は伝導部材３５の一部を構成する可撓体で、超電導コイル１との接続部を可撓的に接続する。
ここで、伝導部材３５は例えば銅，アルミニウムなどの良熱伝導性材料から構成されている。また、可撓体３６は例えば銅などの良熱伝導性材料であり、編組線やバネなどの構造をしている。
また、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９は、輻射シールド４と熱的に接続され、輻射シールド４を冷却する。
超電導コイル１は支持部材２３によって、輻射シールド４に固定されている。または、超電導コイル１は支持部材２３を用いて真空槽５に固定されていても良い。支持部材２３は、例えば、ガラスエポキシ（ＧＦＲＰ）等の熱絶縁体で構成されている。

従来のように、伝導部材３５を直接超電導コイル１や２段ＧＭ冷凍機６に接続して構成された超電導マグネットにおいて、超電導コイル１及び輻射シールド４を冷却すると、２段ＧＭ冷凍機６，支持部材２３，輻射シールド４，超電導コイル１，伝導部材３５等の熱膨張率の差によって、熱応力が生じる。この熱応力は、それぞれ超電導コイル１，輻射シールド４，２段ＧＭ冷凍機６，支持部材２３，及び伝導部材３５等の機械的負荷となる。この機械的負荷は、２段ＧＭ冷凍機６の冷凍能力の劣化、超電導コイル１の性能劣化、及び構成材料の疲労や諸特性の劣化を引き起こす。
そこで、この実施例では図４に示すように、超電導コイル１と２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８を接続する伝導部材３５の一部を可撓体３６で構成している。このため、特に初期冷却時、構造物の熱膨張率の違いを可撓体で吸収し、超電導コイル１と伝導部材３５と２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージなどの間に加わる機械的負荷を緩和することができる。

実施例５．
図５は、この発明の実施例５に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、４ａは超電導コイル１を包囲する第１輻射シールドであり、第１輻射シールド４ａの一部を磁気シールド３０が包囲している。磁気シールド３０には開口部が設けられている。磁気シールド３０の開口部から、第１輻射シールド４ａを引き出し、第１輻射シールド４ａを第２輻射シールド４ｂに熱的に接続している。この第２輻射シールド４ｂは２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９と熱的に接続している。また、５ａは第１真空槽で、第１輻射シールド４ａ及び磁気シールド３０を包囲し、５ｂは第２真空槽で第２輻射シールド４ｂを包囲する。第１真空槽５ａと第２真空槽５ｂをガスケット（図示せず）で気密に接続する。超電導コイル１，第１輻射シールド４ａ，及び第１真空槽５ａで超電導コイルユニット１０１を構成し、２段ＧＭ冷凍機６，第２輻射シールド４ｂ，及び第２真空槽５ｂで冷凍機ユニット１０２を構成する。

また、伝導部材３５の超電導コイル１との接続部は可撓体３６で構成されており、超電導コイル１と熱的に接続する。さらにこの伝導部材３５は、磁気シールド３０の開口部から引き出した第１輻射シールド４ａの内側を通って、磁気シールド３０の外側に引き出されている。磁気シールド３０の開口部から引きだした伝導部材３５は２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８と熱的に接続する。

この実施例では、伝導部材３５の一部を可撓体３６で構成しており、実施例４と同様、２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８，伝導部材３５，及び超電導コイル１などの間に熱応力によって生じる機械的負荷を可撓体３６が緩和している。このため、２段ＧＭ冷凍機６や超電導コイル１において熱応力による性能低下を防止できる。
また、この実施例では伝導部材３５により超電導コイル１と２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８を熱的に接続している。そして、２段ＧＭ冷凍機６を磁気シールド３０に対して超電導コイル１と反対側に配設している。このため、超電導コイル１の発生する磁場が２段ＧＭ冷凍機６に影響を及ぼすことがなく、冷凍能力の低下を防止できる。
また、真空槽５ａと真空槽５ｂはガスケットで気密に接続されているので、超電導コイルユニット１０１と冷凍機ユニット１０２は分離可能である。超電導コイル１は可動部が無いので長期にわたって励磁電流を流し続けることができるが、２段ＧＭ冷凍機６は可動部が存在するため定期的にメンテナンスをすることが必要である。この際、冷凍機ユニット１０２を超電導コイルユニット１０１から分離し、既にメンテナンス済みの２段ＧＭ冷凍機６を有する別の冷凍機ユニット１０２を超電導コイルユニット１０１に接続すれば、メンテナンス時間が短縮し、メンテナンス自体も簡単化することができる。

実施例６．
図６は、この発明の実施例６に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、超電導コイル１は伝導部材３５を介して２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８によって伝導冷却される。この時、伝導部材３５の超電導コイル側接続部を、複数の可撓体３６、この実施例では２個の可撓体３６で構成し、超電導コイル１の複数箇所を可撓体３６を用いて冷却する。
超電導コイル１の１箇所を可撓体３６で熱的に接続して冷却すると、その１箇所の熱接続をとった部分から冷却していく。このため、可撓体３６で熱接続をとった点から離れた部位にある点の温度は、可撓体３６で熱接続をとった点の温度より高くなる。これに対し、この実施例では、超電導コイル１の複数箇所を可撓体３６と熱接続して冷却すると、超電導コイル１の温度勾配が小さくなる。超電導コイル１の温度勾配が小さくなるので、超電導マグネットの安定性を向上することができる。
また、初期冷却時、構造物の熱膨張率の違いを可撓体３６で吸収し、２段ＧＭ冷凍機６や超電導コイル１に熱応力がかかることはない。

なお、可撓体３６と超電導コイル１との接続部は２箇所に限るものではなく、２カ所以上の複数箇所で構成すれば、その効果はさらに大きいものとなる。

実施例７．
図７は、この発明の実施例７に係る超電導マグネットを示す断面図である。図に示すように、この実施例では２個の超電導コイル１を設け、そのそれぞれを可撓体３６と接続するように構成している。２個の超電導コイル１は伝導部材３５を介して２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８によって伝導冷却される。
２個の超電導コイル１にそれぞれ可撓体３６を接続して冷却すると、２個の超電導コイル１が同時に冷却されるので、２個の超電導コイル１の温度差は小さくなる。超電導コイル１の温度勾配が小さくなるので、超電導マグネットの安定性を向上することができる。

なお、可撓体３６と超電導コイル１はそれぞれ２箇所に限るものではなく、実施例６に示したようにそれぞれの超電導コイル１に複数の可撓体３６が接続するように構成してもよい。２カ所以上の複数箇所で構成すれば、その効果はさらに大きいものとなる。
また、超電導コイル１の個数も２個に限るものではない。

実施例８．
図８は、この発明の実施例８に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、３７は２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８と伝導部材３５を熱的に接続する冷凍機側可撓体、３８は真空槽５ａと真空槽５ｂとを気密に接続するフランジ、３ａ，３ｂ，３ｃは電流リードであり、３ａは例えば Y−Ba−Cu−O ，Bi−Sr−Ca−Cu−O ，Tl−Ba−Ca−Cu−O ，La−Ba−Cu−O 等の高温超電導体で構成された低温側の電流リード、３ｂは例えば銅パイプで構成された高温側の電流リード、３ｃは比較的磁場に強い金属系の超電導線で例えばNbTi，Nb₃Sn 等から構成された接続部の電流リードで、超電導コイル１に接続している。３１はサファイア，ダイヤモンド，マイラーフィルム，カプトンフィルム等で構成された中間温度部で、高温側の電流リード３ｂと第２輻射シールド４ｂと熱的に接続すると共に電気絶縁をする。この中間温度部３１は高温側の電流リード３ｂから超電導コイル１への熱侵入を低減するために設けたものである。
冷凍機側可撓体３７は例えば銅などの良熱伝導性材料であり、編組線やバネなどの構造をしている。

このように構成された超電導マグネットにおいて、２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージ８と伝導部材３５とは可撓体３７で接続されているので、初期冷却時、超電導コイル１，２段ＧＭ冷凍機６，支持部材２３，及び伝導部材３５の熱膨張率の違いから生じる熱応力を緩和することができる。
また、２段ＧＭ冷凍機６の冷凍能力を伝導部材３５によって熱伝導で超電導コイル１に伝えることにより、２段ＧＭ冷凍機６を超電導コイル１の磁場の影響が少ない場所に配設することができる。このため、２段ＧＭ冷凍機６の駆動モータ６２が磁場の影響をうけるのを防止できると共に、２段ＧＭ冷凍機６の２段目蓄冷器５９に過度な電磁力がかかるのを防止でき、冷凍能力が劣化したり信頼性が低下するという事態を避けることできる。

また、この実施例では低温側の電流リード３ａに高温超電導体を使用しており、高温超電導体は磁場の影響が小さい方がより電流が流れるという特性がある。このため、冷凍機ユニット１０２に配置し、これを電流リード３ｂ，３ｃを介して超電導コイル１と電気的に接続している。このように構成すれば、低温側の電流リード３ａを超電導コイル１から離れたところに配設しておくことができ、性能が向上する。
また、真空槽５ａと真空槽５ｂはフランジ３８で気密に接続されているので、超電導コイルユニット１０１と冷凍機ユニット１０２は容易に分離可能である。このため、メンテナンス時間を短縮でき、メンテナンス自体も簡単化することができる。

実施例９．
図９は、この発明の実施例９に係るクライストロン用超電導マグネットを示す断面図である。図において、３０は第１真空槽５ａを包囲するように配設した磁気シールドである。２段ＧＭ冷凍機６は磁気シールド３０に対して超電導コイル１と反対側に配設されているため、超電導コイル１の磁場は２段型ＧＭ冷凍機６にほとんど影響を与えない。従って超電導コイル１で強磁場を発生しても２段ＧＭ冷凍機６の冷凍能力、信頼性に影響を及ぼすことはない。
また、低温側の電流リード３ａに高温超電導体を使用しており、高温超電導体は磁場の影響が小さい方がより電流が流れるという特性がある。このためこの実施例では、低温側の電流リード３ａを磁気シールド３０に対して超電導コイル１と反対側に配設し、電流リードの中温部と第２輻射シールド４ｂと熱的に接続している。このように構成することにより、性能が向上する。
この実施例における超電導マグネットにおいて、真空槽４ａの中空の部分を電子が運動する。この中空の部分には超電導コイル１が発生した磁場が存在するため電子の運動が規制される。

実施例１０．
図１０は、この発明の実施例１０に係る超電導マグネットを示す断面図である。
この実施例は、実施例９と同様の構成であるが、異なるところは超電導コイル１の設置方向を磁場の向きが水平方向になるようにしている点である。伝導部材３５を超電導コイル１の端面に接続し、第１輻射シールド４ａと真空槽５ａを端面からのばし、第２輻射シールド４ｂと第２真空槽５ｂとそれぞれ接続するように構成した。

このような構成により、水平方向に磁場を発生できる超電導マグネットが得られ、実施例９と同様、性能、信頼性にすぐれ、メンテナンスを簡単にできる効果がある。

実施例１１．
図１１は、この発明の実施例１１に係る超電導マグネットを示す断面図である。実施例１０と異なるところは、超電導コイル１の設置方向を磁場の向きが別の水平方向になるようにしたことである。即ち、超電導コイル１，第１輻射シールド４ａ，真空槽５ａは、それぞれ円筒形状で構成しており、伝導部材３５を超電導コイル１の円筒部に接続し、第１輻射シールド４ａと真空槽５ａは、円周の一部からのばし、第２輻射シールド４ｂと第２真空槽５ｂとそれぞれ接続するように構成した。

このように超電導コイル１を設置することにより、実施例１０と同様、水平方向に磁場を発生できる超電導マグネットが得られ、性能、信頼性にすぐれ、メンテナンスを簡単にできる効果がある。
さらに、磁気シールド３０の端面に障害物がなくなり超電導マグネットを利用しやすくなる。

実施例１２．
図１２は、この発明の実施例１２に係る超電導マグネットを示す断面図である。４０は熱交換器で、例えば、ステンレスのパイプでできた初期冷却管であり、冷凍機ユニット１０２の真空槽５ｂから導入され、伝導部材３５に熱的に接触するように配設され、その先端はＵ字状に形成されている。図１３は伝導部材３５と初期冷却管４０を拡大して示すもので、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は側面図である。初期冷却管４０と伝導部材３５との接続は、例えば半田付け，ロー付け，接着剤による接着等によって熱的に接続される。

このように構成された超電導マグネットにおいて、真空槽５ｂの外から初期冷却管４０内に極低温冷媒として例えば液体窒素を導入する。導入した液体窒素により、初期冷却管４０と熱的に接続した伝導部材３５を冷却する。伝導部材３５を冷却した液体窒素は伝導部材３５の超電導コイル１側の先端で折り返し、真空槽５ｂの外部に排気される。液体窒素で冷却した伝導部材３５を超電導コイル１と可撓体３６を介して熱的に接続しているので、伝導部材３５の寒冷が超電導コイル１に伝導し、超電導コイル１が冷却される。

初期冷却時、２段ＧＭ冷凍機６のみによる超電導コイル１の冷却は超電導コイル１の熱容量の大きさから時間がかかりすぎる。これに対し、この実施例では超電導コイル１を初期冷却管４０で冷却するので、２段ＧＭ冷凍機６のみで超電導コイル１を冷却するより、初期冷却時間は格段に短縮される。
なお、極低温冷媒として液体窒素を使用したが他の極低温冷媒、例えば液体ヘリウムでも適用可能である。

実施例１３．
図１４は、この発明の実施例１３に係る超電導コイルの近傍を示す断面図である。図において、４１は真空槽５を介して超電導コイル１と磁気シールド３０の相対位置を調整しうる調整機構で、例えば超電導コイル１の周囲に８個設けた調節ネジである。超電導コイル１は支持部材２３により真空槽５に固定されている。

このように構成された超電導マグネットにおいては、磁気シールド３０と超電導コイル１の相対位置を調整するとき、周囲の調整ネジ４１を緩めたり締め付けたりする。真空槽５はそれに伴って移動する。真空槽５を移動させれば、真空槽５に固定された超電導コイル１も移動する。真空槽５と磁気シールド３０の距離を測定する治具（図示せず）を配設しておけば、調整ネジ４１を回したときの磁気シールド３０と真空槽５の相対距離がわかり、それから磁気シールド３０と超電導コイル１の相対位置が調整できる。

このように、真空槽５の真空を破ることなく超電導コイル１と磁気シールド３０の相対位置を調整できるので、磁界分布の調整が容易になった。

実施例１４．
図１５は、この発明の実施例１４に係る超電導コイルの近傍を示す断面図である。調整ネジ４１は、真空槽５と輻射シールド４を介して超電導コイル１と磁気シールド３０の相対位置を調整しうる調整機構で、実施例１３と同様、超電導コイル１の周囲に８個設けている。

このように構成された超電導マグネットにおいて、磁気シールド３０と超電導コイル１の相対位置を調整するとき、調整ネジ４１を緩めたり締め付けたりする。真空槽５はそれに伴って移動する。真空槽５が移動すれば真空槽５に固定された輻射シールド４はそれに伴って移動し、輻射シールド４が移動すれば輻射シールド４に固定された超電導コイル１も移動する。真空槽５と磁気シールド３０の距離を測定する治具（図示せず）を配設しておけば、調整ネジ４１を回したとき、磁気シールド３０と真空槽５の相対距離がわかり、それから磁気シールド３０と超電導コイル１の相対位置を調整することができる。

以上のように、真空槽５の真空を破ることなく超電導コイル１と磁気シールド３０の相対位置を調整できるので、磁界分布の調整が容易になった。
また、輻射シールド４を固定する支持部材を、超電導コイル１を固定する支持部材２３で兼ねることができ、全体として支持部材の個数を減らすことができ、実施例１３に比べ、構成が簡単にできる。

なお、実施例１３，１４では調整機構として調整ネジを用いているが、これに限るものではない。例えば、圧力調整機構を用い、加圧，減圧することにより磁気シールド３０と超電導コイル１との距離を調整するものでもよい。

実施例１５．
図１６は、この発明の実施例１５に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、４２は２段ＧＭ冷凍機６の低温側ステージと高温側ステージ間で熱輸送を行う熱輸送パイプで、例えば熱対流を利用した熱対流パイプである。図１７（ａ）及び（ｂ）は熱対流パイプ４２を示す断面図及び上面図である。図において、６１は熱対流パイプ４２のフランジで、熱伝導率の大きい材料、例えば銅で構成し、一方の端面は伝熱面積を増加するために溝加工を施している。６２は熱伝導率の小さい材料、例えばステンレスで加工されたパイプである。また、図１６で、４４は極低温冷媒充填用のバルブ、４５は極低温冷媒として例えばヘリウムガスを保存するヘリウムボンベ、４６は真空引き用のバルブ、４７は真空ポンプである。バルブ４４とボンベ４５とで極低温冷媒を熱対流パイプ４２に充填する充填手段を構成し、バルブ４６と真空ポンプ４７とで熱対流パイプ４２の極低温冷媒を減圧する減圧手段を構成している。

この実施例では、熱対流パイプ４２の上下のフランジ６１を２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９と低温側ステージ８に熱的に接続する。初期冷却時にはヘリウム充填用のバルブ４４を開き、キャピラリー管４３を介して熱対流パイプ４２にヘリウムガスを充填する。２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９の温度が低温側ステージ８の温度より低い場合、高温側ステージ９の近傍に存在するヘリウムガスの密度は低温側ステージ８の近傍に存在するヘリウムガスの密度より大きくなる。従って、熱対流パイプ４２内のヘリウムガスに対流が生じる。対流による熱輸送は熱伝導による熱輸送より大きく、高温側ステージ９の寒冷が低温側ステージ８に輸送されることになる。

熱対流パイプ４２内の対流は２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９の温度が低温側ステージ８の温度より低い間続き、温度が逆転すると対流は生じにくくなる。低温側ステージ８の温度が高温側ステージ９の温度より低くなった時点で、真空引き用のバルブ４６を開き、真空ポンプ４７で熱対流パイプ４２内のヘリウムガスを真空引きする。熱対流パイプ４２内にヘリウムガスがなくなると、もはや対流は生じない。
この際、熱対流パイプ６２の熱伝導率は小さいので、高温側ステージ９から低温側ステージ８への熱伝導は無視でき、低温側ステージ８及び超電導コイル１の到達温度は熱対流パイプ４２を配設していないときとほとんど変わらない。

通常、超電導コイル１の方が輻射シールド４より熱容量が大きく、また２段ＧＭ冷凍機６においては低温側ステージ８より高温側ステージ９の方が冷凍能力が大きい。この実施例では、熱対流パイプ４２のフランジ６１を２段ＧＭ冷凍機の高温側ステージ９と低温側ステージ８に熱的に接続して、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９の冷凍能力を超電導コイル１の初期冷却に利用しているので、超電導コイル１の初期冷却時間を短縮できる。
なお、この実施例では極低温冷媒としてヘリウムガスを使用したが、他の極低温冷媒、例えば窒素，アルゴン，ネオン，水素，空気，酸素等でも適用できる。

実施例１６．
図１８は、この発明の実施例１６に係る超電導マグネットを示す断面図である。図において、４８は熱輸送パイプで、例えば断面形状がドーナツ状の熱対流パイプである。熱対流パイプ４８のさらに詳しい構成を図１９に示す。図１９（ａ）及び（ｂ）は熱対流パイプ４８を示す断面図及び上面図である。図において、６３は熱対流パイプのフランジで断面形状がドーナツ状であり、熱伝導率の大きい材料、例えば銅で構成し、一方の端面は伝熱面積を増加するために溝加工を施している。６４は熱伝導率の小さい材料、例えばステンレスで加工されたパイプで、２本のパイプを同心円上に配設している。

この実施例によれば、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９と低温側ステージ８間のシリンダを包囲するように熱対流パイプ４８を配設している。このため、実施例１５と同様、高温側ステージ９と低温側ステージ８間で熱輸送することにより、初期冷却時間を短縮することができる。また、シリンダを包囲しているので２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９と熱対流パイプ４８、及び低温側ステージ８と熱対流パイプ４８の伝熱面積を大きくとれる。従って、初期冷却時に超電導コイル１に温度勾配がつきにくいので、熱応力による超電導コイル１の性能低下を防ぐことができる。
また、この実施例では、熱対流パイプ４８は支持部材としての効果も期待でき、支持部材の本数を減らすこともできる。

実施例１７．
図２０は、この発明の実施例１７に係る超電導マグネットを示す断面図である。この実施例では実施例１５の構成に加え、熱対流パイプ４２を複数個、例えば２本設け、超電導コイル１に対して対称位置に配設している。これにより、２段ＧＭ冷凍機６の高温側ステージ９から低温側ステージ８への熱輸送は２倍になり、超電導コイル１の低温側ステージ８による初期冷却時間を更に短縮することができる。
また、熱対流パイプ４２を超電導コイル１に対して対称位置に設置したことにより、初期冷却時の超電導コイル１の温度勾配を緩和することができ、熱応力による超電導コイル１の性能低下を防ぐことができる。
なお、この実施例では熱対流パイプ４２の本数を２本としたが、これに限るものではなく、２本以上でも同様に適用できる。

また、実施例１５〜１７では、熱輸送パイプとして、低温側ステージ８と高温側ステージ９間で対流による熱輸送を行うものについて述べたが、他の方法、例えば潜熱を利用したものを用いても実現できる。

実施例１８．
図２１は、この発明の実施例１８に係る超電導マグネットを示す断面図である。この実施例は実施例９の構成に加え、磁気シールド３０の開口部を対称位置に設けている。これにより、実施例９の効果に加え、磁気シールド３０の存在によって超電導コイル１に生じる電磁力が対称になり、支持部材２３の負荷を減らすことができ、また精度の高い磁場分布が得られる。

なお、上記実施例において、蓄冷型冷凍機として２段ＧＭ冷凍機を用いたが、単段ＧＭ冷凍機や３段ＧＭ冷凍機でも適用できる。
また、蓄冷型冷凍機としてギフォード・マクマホンサイクル（ＧＭ）冷凍機を用いるものとしているが、ここでいうギフォード・マクマホンサイクル冷凍機とはギフォードマクマホンサイクルで動作する蓄冷型冷凍機に加えて、ギフォード・マクマホン冷凍機と類似の改良ソルベイサイクルで動作する蓄冷型冷凍機も含むものである。
さらに、蓄冷型冷凍機としてギフォード・マクマホンサイクル冷凍機に限定されるものではなく、例えばスターリング冷凍機、パルスチューブ冷凍機、ビルマイヤー冷凍機でも適用できる。
また、蓄冷型冷凍機の磁性蓄冷材として、Ho−Er−Ruの組成を有する材料を使用したが、他の磁性蓄冷材、例えばEr−Ni，Gd−Rh，Gd−Er−Rh，Er−Ni−Co，Ey−Yb−Ni等の組成を有する磁性蓄冷材でも適用できる。

この発明の実施例１に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例２に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例３に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例４に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例５に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例６に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例７に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例８に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例９に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例１０に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例１１に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例１２に係る超電導マグネットを示す断面図である。 実施例１２に係る超電導マグネットの伝導部材と初期冷却管回りの上面図（ａ），側面図（ｂ）である。 この発明の実施例１３に係る超電導コイル近傍を示す断面図である。 この発明の実施例１４に係る超電導コイル近傍を示す断面図である。 この発明の実施例１５に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例１５に係る熱輸送パイプを示す断面図（ａ），上面図（ｂ）である。 この発明の実施例１６に係る超電導マグネットを示す断面図である この発明の実施例１６に係る熱輸送パイプを示す断面図（ａ），上面図（ｂ）である。 この発明の実施例１７に係る超電導マグネットを示す断面図である。 この発明の実施例１８に係る超電導マグネットを示す断面図である。 従来の超電導マグネットの一例を示す断面図である。 蓄冷型冷凍機の一例を示す断面構成図である。 従来の超電導マグネットに係る超電導コイル近傍を示す断面図である。 従来の蓄冷型冷凍機の冷却による輻射シールドと超電導コイルの温度変化を示すグラフである。

符号の説明

１ 超電導コイル、３ａ，３ｂ，３ｃ 電流リード、４ 輻射シールド、５ 真空槽、６，２７，２８ 蓄冷型冷凍機、８ 低温側ステージ、９ 高温側ステージ、３０ 磁気シールド、３５ 伝導部材、３６，３７ 可撓体、３８ フランジ、４０ 熱交換器、４１ 調節機構、４２，４８ 熱輸送パイプ、４５ 充填手段、４７ 減圧手段。

Claims (2)

1. 超電導コイル、上記超電導コイルが固定され、上記超電導コイルを包囲する真空槽、上記真空槽を包囲する磁気シールド、及び上記磁気シールドと上記真空槽との相対位置を調整することにより、上記磁気シールドと上記超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたことを特徴とする超電導マグネット。
2. 超電導コイル、上記超電導コイルを包囲する輻射シールド、上記超電導コイルが上記輻射シールドを介して固定され、上記輻射シールドを包囲する真空槽、上記真空槽を包囲する磁気シールド、及び上記磁気シールドと上記真空槽との相対位置を調整することにより、上記磁気シールドと上記超電導コイルとの相対位置を調整しうる調整機構を備えたことを特徴とする超電導マグネット。
   

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