(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導コイルを包囲する第１輻射シールド及びその第１輻射シールドを包囲する第１真空槽によって構成される超電導コイルユニットと、第２輻射シールドを包囲する第２真空槽及び上記超電導コイルを伝導部材を介して低温側ステージにより冷却すると共にその第２輻射シールドを高温側ステージにより冷却する蓄冷型冷凍機によって構成される冷凍機ユニットと、上記伝導部材の一部に設けられ上記超電導コイルと上記低温側ステージとを熱的に接続する伝導部可撓体と、上記第１輻射シールドと上記第２輻射シールドとを熱的に接続する輻射シールド可撓体と、上記第１真空槽と上記第２真空槽とを気密に接続する真空槽緩衝部材とを備えた超電導マグネット。
【請求項２】
蓄冷型冷凍機の振動に超電導コイルが共振しないように、その蓄冷型冷凍機の低温側ステージ及び超電導コイルのうち少なくとも一方におもりを設置したことを特徴とする請求項１記載の超電導マグネット。
【請求項３】
蓄冷型冷凍機を大地に緊結する固定部材を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の超電導マグネット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、冷凍機により冷却される超電導マグネットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２２は例えば特開平６―１３２５６７号公報に示された従来の超電導装置を示す断面図であり、図において、１は超電導コイル、３は超電導コイル１が巻かれる巻き枠、５は超電導コイル１に電流を供給する低温側電流リード、７はその低温側電流リード５に接続される高温側電流リードである。また、９は超電導コイル１を包囲する輻射シールド、１１はその輻射シールド９を包囲する真空槽である。
【０００３】
また、１３は超電導コイル１及び輻射シールド９を冷却する蓄冷型冷凍機であり、ここでは２段ギフォード・マクマホンサイクル冷凍機を採用している。１５は蓄冷型冷凍機１３に作動ガスを供給するコンプレッサー、１７は蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ、１９は蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ、２１は高温側電流リード７に接続される超電導コイル用電源、２３は上記低温側電流リード５及び高温側電流リード７の中間温度部であり、輻射シールド９と熱的に接触するように構成されている。
【０００４】
次に動作について説明する。図２２に示された超電導マグネットによって発生する磁界は、ＮＭＲ（核磁気共鳴装置）等による測定試験用として用いられるものである。図において、超電導コイル１は蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７と熱接触しており、蓄冷型冷凍機１３により例えば４．２Ｋの極低温に冷却され、電気抵抗ゼロの所謂超電導状態になる。そこで電流リード５，７を介して外部の超電導コイル用電源２１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。ところで超電導コイル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が、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。
【０００５】
そこで超電導コイル１への熱侵入を低減するため、超電導コイル１を真空槽１１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１１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９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９は、蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ１９と熱的に接続されており、例えば５０Ｋの極低温に冷却されている。
【０００６】
更に、電流リード５，７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２３を輻射シールド９と熱的に接触させて、蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ１９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２３より低温側の電流リード５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ている。
【０００７】
しかしながら、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、蓄冷型冷凍機１３でこの熱侵入分は取り除かなければならない。蓄冷型冷凍機１３は超電導コイル１への熱侵入分を取り除くため、蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７と超電導コイル１とが直接接続されている。
【０００８】
図２３は従来の超電導マグネットを冷却する蓄冷型冷凍機を示す構成図であり、図２２と同様に図２３は２段ギフォード・マクマホンサイクル冷凍機を採用したものである。図において、３１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されたシリンダ、３３はシリンダ３１の１段目に摺動可能に配設された１段目デスプレーサー、３５はシリンダ３１の２段目に１段目デスプレーサー３３と同様に摺動可能に配設された２段目デスプレーサーであり、１段目及び２段目デスプレーサー３３，３５はそれぞれ自在継手（図示せず）によって連結一体化構成されている。
【０００９】
３７，３９は１段目，２段目デスプレーサー３３，３５とシリンダ３１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された１段目，２段目シール、４１，４３はシリンダ３１の各段の端面と１段目，２段目デスプレーサー３３，３５との間に形成された空間である１段目膨脹空間，２段目膨脹空間、４５は１段目デスプレーサー３３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、４７は２段目デスプレーサー３５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。
【００１０】
また、１５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、１７，１９はそれぞれシリンダ３１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。５１は吸気バルブであり、この吸気バルブ５１はコンプレッサー１５から蓄冷型冷凍機１３に高圧のガスを供給するタイミングを制御する。また、５３は排気バルブであり、この排気バルブ５３は蓄冷型冷凍機１３からコンプレッサー１５に低圧のガスを排出するタイミングを制御する。５５は駆動モータで、シリンダ３１内でデスプレーサー３３，３５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５１，５３の開閉を行うものである。
【００１１】
次に動作について説明する。先ず、１段目，２段目デスプレーサー３３，３５が最下端にあり、吸気バルブ５１が開き排気バルブ５３が閉じている状態で、１段目，２段目膨脹空間４１，４３内にコンプレッサー１５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段目膨脹空間４１，４３は高圧状態になる。
【００１２】
次に、１段目，２段目デスプレーサー３３，３５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４１，４３に次々と供給する。この間、吸気バルブ５１は開いたままで、排気バルブ５３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４５，４７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３３，３５が最上端になった時に、吸気バルブ５１を閉じて、少し遅れて排気バルブ５３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。更に、１段目，２段目膨脹空間４１，４３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。
【００１３】
ついで、１段目，２段目デスプレーサー３３，３５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４７，４５を通過し排気バルブ５３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４７，４５の蓄冷材を冷却した後、コンプレッサー１５に戻る。１段目，２段目デスプレーサー３３，３５が最下端に移動し、１段目，２段目膨脹空間４１，４３の体積が最小となった状態で、排気バルブ５３を閉じ吸気バルブ５１を開く。これにより、コンプレッサー１５で圧縮した高圧のヘリウムガスが膨脹空間４１，４３に供給され、膨張空間４１，４３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。
【００１４】
このサイクルを繰り返すことにより、高温側ステージ１９及び低温側ステージ１７の温度をそれぞれ５０Ｋ及び４．２Ｋに冷却している。
尚、上記コンプレッサー１５では圧縮した高圧のヘリウムガスを水冷または空冷で冷却している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超電導装置は以上のように構成されているので、蓄冷型冷凍機１３のシリンダ３１内で１段目，２段目デスプレーサー３３，３５が往復運動をしており、蓄冷型冷凍機１３の動作中はこの往復運動により振動を発生してしまう。また、その蓄冷型冷凍機１３と超電導コイル１とが直接接続されているので、蓄冷型冷凍機１３の振動が超電導コイル１に伝わってしまい、その超電導コイル１の機械的な振動によって超電導コイル１が発生する磁界も振動してしまう。このように超電導コイル１の発生する磁界が均一でないため、その磁界を利用した測定も精度良く行えない等の問題点があった。
【００１６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、蓄冷型冷凍機によって発生する振動が超電導コイルに伝達せず、機械的，磁気的振動を防止する超電導マグネットを得ることを目的とする。
【００１７】
また、超電導コイルが蓄冷型冷凍機の振動に共振することを防止する超電導マグネットを得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る超電導マグネットは、超電導コイルを第１輻射シールド及び第１真空槽により包囲して構成される超電導コイルユニットと、第２輻射シールドを包囲する第２真空槽及び上記超電導コイルを伝導部材を介して低温側ステージで冷却すると共にその第２輻射シールドを高温側ステージで冷却する蓄冷型冷凍機によって構成される冷凍機ユニットとを備え、上記伝導部材に伝導部可撓体を設け、上記第１輻射シールドと上記第２輻射シールドとを輻射シールド可撓体によって接続すると共に、上記第１真空槽と上記第２真空槽とを真空槽緩衝部材によって接続するものである。
【００１９】
請求項２の発明に係る超電導マグネットは、蓄冷型冷凍機の振動に超電導コイルが共振しないように、その蓄冷型冷凍機の低温側ステージ及び超電導コイルの少なくとも一方におもりを設置するものである。
【００２０】
請求項３の発明に係る超電導マグネットは、蓄冷型冷凍機を固定部材により大地に緊結するものである。
【００２１】
【作用】
請求項１の発明における超電導マグネットは、蓄冷型冷凍機を動作させると、伝導部材に設けられた伝導部可撓体、第１輻射シールドと第２輻射シールドとを接続する輻射シールド可撓体、及び第１真空槽と第２真空槽とを接続する真空槽緩衝部材がフレキシブルに伸縮屈曲するため、蓄冷型冷凍機が発生した振動を吸収し、超電導コイルへの振動の伝達を防止する。
【００２２】
請求項２の発明における超電導マグネットは、蓄冷型冷凍機の低温側ステージあるいは超電導コイルの少なくとも一方に設置したおもりが、超電導マグネットの固有振動数を変え、蓄冷型冷凍機の発生する振動の周期に超電導マグネットが共振しないように働く。また、低温側ステージ及び超電導コイルのどちらにおもりを設置するかは、設置空間の余裕に応じて選択可能にする。
【００２３】
請求項３の発明における超電導マグネットは、蓄冷型冷凍機を固定部材により大地に緊結し、蓄冷型冷凍機の作動時の振動が真空槽に伝達されるのを更に抑制する。
【００２４】
【実施例】
実施例１．
図１はこの発明の実施例１による超電導装置を示す断面図であり、図１において、１は超電導コイル、６１は超電導コイル１を包囲する第１輻射シールド（輻射シールド）、６３は第１輻射シールド６１を包囲する第１真空槽（真空槽）である。１３は内部でデスプレーサーが往復運動する２段ＧＭ式冷凍機を採用した蓄冷型冷凍機である。１５は蓄冷型冷凍機１３に作動ガスを供給するコンプレッサー、１７は蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ、１９は蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージである。
【００２５】
６５は蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ１９と熱的に接続された第２輻射シールド（輻射シールド）、６７は第２輻射シールド６５を包囲する第２真空槽（真空槽）である。６９は第１輻射シールド６１を介して超電導コイル１を第１真空槽６３に保持する支持部材、７１は超電導コイル１に熱的に接続された伝導部材であり、この伝導部材７１は蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７と熱的に接続されている。尚、この伝導部材７１は良熱伝導体であり、例えば、銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属で形成されている。
【００２６】
７３は超電導コイル１と蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７を熱的に接続する伝導部材７１の一部を構成する可撓体（伝導部可撓体）である。７５は第１輻射シールド６１と第２輻射シールド６５とを熱的に接続する可撓体（輻射シールド可撓体）である。尚、可撓体７３及び可撓体７５は良熱伝導体であり、例えば、銅、アルミニウム等の良熱伝導性金属を材料とした編組線で形成されている。７７は第１真空槽６３と第２真空槽６７とを気密に接続する緩衝部材（真空槽緩衝部材）であり、例えば、ベローズで構成されている。
【００２７】
２１は超電導コイル用電源、５及び７は超電導コイル１に電流を供給する低温側電流リード及び高温側電流リードであり、低温側電流リード５は、例えば、酸化物超電導体で形成され、高温側電流リード７は銅で形成されている。２３は低温側電流リード５と高温側電流リード７との中間温度部であり、第２輻射シールド６５と熱的に接触するように構成されている。これら超電導コイル用電源２１，低温側電流リード５，高温側電流リード７及び中間温度部２３は図２２に示した従来のものと同一のものである。また、超電導コイル１，第１輻射シールド６１及び第１真空槽６３により超電導コイルユニット８１を構成し、低温側電流リード５，高温側電流リード７，蓄冷型冷凍機１３，第２輻射シールド６５及び第２真空槽６７により冷凍機ユニット８３を構成する。
【００２８】
次に動作について説明する。図１に示した超電導装置では、蓄冷型冷凍機１３と一体化した第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び伝導部材７１に、蓄冷型冷凍機１３が動作して発生した振動が伝達される。その蓄冷型冷凍機１３と一体化した第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び伝導部材７１に伝わった振動は、それぞれ緩衝部材７７，可撓体７５，７３に伝わる。上記緩衝部材７７，可撓体７５，７３ではフレキシブルに振動を吸収するので、上記緩衝部材７７，可撓体７５，７３に接続された第１真空槽６３，第１輻射シールド６１及び超電導コイル１へ伝達される振動は低減される。従って、超電導コイル１の振動が小さくなり、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度が向上する。
【００２９】
実施例２．
上記実施例１では伝導部材７１の一部を構成する可撓体７３または第１輻射シールド６１と第２輻射シールド６５とを接続する可撓体７５の材料として、銅，アルミニウム等の良熱伝導性金属を使用したが、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の良熱伝導性セラミックを用いて繊維状に加工し編組線として可撓体７３，７５を構成しても良い。
【００３０】
実施例３．
上記実施例１では、超電導コイルユニット８１と冷凍機ユニット８３を可撓体７３，７５及び緩衝部材７７を介して接続している。この為、冷凍機ユニット８３の蓄冷型冷凍機１３の動作によって発生する振動は、超電導コイルユニット８１に伝達し難くなった。しかし、蓄冷型冷凍機１３で発生する振動の周波数が超電導コイル１など、超電導マグネットの各部材の固有振動数に近いときは共振現象が起こり、超電導コイルユニット８１内に大きな振動が発生する。そこで、蓄冷型冷凍機１３の振動に起因する共振現象が起きる場合には、図２に示すように、超電導コイル１に固有振動数をずらすようなおもり９１を取り付ける。おもり９１を取り付けることによって、超電導コイル１とおもり９１を合わせた固有振動数は超電導コイル１のみの固有振動数とは異なる値を持つことになる。その結果、蓄冷型冷凍機１３の振動と超電導コイル１が共振することを抑制できる。
【００３１】
実施例４．
上記実施例３では、超電導コイル１におもり９１を設置したが、図３に示すように蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７におもり９１を設置しても共振現象を抑制できる。このように、超電導コイル１及び低温側ステージ１７の設置空間に余裕のある方におもり９１の設置を選択することができる。
【００３２】
実施例５．
上記実施例３，４では、超電導コイル１または蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７部のいずれかにおもり９１を設置したが、図４に示すように両方におもり９１を設置しバランスさせて共振が生じることを抑制しても良い。
【００３３】
実施例６．
上記実施例３から５では超電導コイル１または蓄冷型冷凍機１３のいずれかにおもり９１を設置したが、図５に示すようにおもり９１を薄く加工し、可撓的にして伝導部材７１に巻き付けることによっても振動を抑制できる。
このように、図５に示した構成では、可撓体７３におもり９１が接触するので、可撓体７３が共振して振動することを抑制することもできる。
【００３４】
実施例７．
図６はこの発明の実施例７による超電導マグネットを示す断面図であり、図６において、９３は超電導コイル１を冷却する液体ヘリウム、９５は超電導コイル１を収納し、液体ヘリウム９３を貯蔵する第１液体ヘリウム槽である。９７は超電導コイル１を冷却する液体ヘリウム９３を貯蔵する第２液体ヘリウム槽であり、蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７によって冷却されている。６９は第１輻射シールド６１及び第１液体ヘリウム槽９５を介して超電導コイル１を第１真空槽６３に保持する支持部材である。７５は第１輻射シールド６１と第２輻射シールド６５とを熱的に接続する可撓体（輻射シールド可撓体）である。７７は第１真空槽６３と第２真空槽６７とを気密に接続する緩衝部材（真空槽緩衝部材）である。９９は第１液体ヘリウム槽９５と第２液体ヘリウム槽９７とを気密に接続する緩衝部材（液体ヘリウム槽緩衝部材）であり、例えば、ベローズで構成されている。
【００３５】
次に動作について説明する。図６のように構成された超電導装置では、蓄冷型冷凍機１３と一体化した第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び第２液体ヘリウム槽９７に、蓄冷型冷凍機１３が動作して発生した振動が伝達される。蓄冷型冷凍機１３と一体化した第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び第２液体ヘリウム槽９７に伝わった振動は、それぞれ可撓体７５，緩衝部材７７，９９に伝わる。上記可撓体７５，緩衝部材７７，９９はフレキシブルに振動を吸収するので、上記可撓体７５，緩衝部材７７，９９に接続された第１真空槽６３，第１輻射シールド６１及び第１液体ヘリウム槽９５へ伝達される振動は低減される。このため、支持部材６９から超電導コイル１に伝達される振動は小さい。従って、超電導コイル１の振動が小さくなり、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度を向上させることができる。更に、上記実施例１では超電導コイル１を固体である伝導部材７１によって冷却したが、この実施例では液体ヘリウム９３により冷却するので冷却効率が良く、超電導コイル１の温度上昇により超電導状態が破れることを防止することができる。
【００３６】
実施例８．
上記実施例７では、第１輻射シールド６１と第２輻射シールド６５とを接続する可撓体７５の材料として、銅，アルミニウム等の良熱伝導性金属を使用したが、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の良熱伝導性セラミックを用いて繊維状に加工し編組線として可撓体７５を構成しても良い。
【００３７】
実施例９．
上記実施例７では、超電導コイルユニット８１と冷凍機ユニット８３を可撓体７５及び緩衝部材７７，９９を介して接続している。この為、冷凍機ユニット８３の蓄冷型冷凍機１３が振動して発生する振動は超電導コイルユニット８１に伝達し難くなった。しかし、蓄冷型冷凍機１３で発生する振動の周波数が超電導コイル１等、超電導装置の各部材の固有振動数に近いときは共振現象が起こり、超電導コイルユニット８１に大きな振動が発生する。そこで、蓄冷型冷凍機１３の振動に起因する共振現象が起きる場合には、図７に示すように、超電導コイル１に固有振動数をずらすようなおもり９１を取り付ける。このように、おもり９１を取り付けることによって、超電導コイル１とおもり９１を合わせた固有振動数は超電導コイル１のみの固有振動数とは異なる値を持つことになる。その結果、蓄冷型冷凍機１３の振動と超電導コイル１が共振することを抑制できる。
【００３８】
実施例１０．
上記実施例９では、共振が起きることを抑制するために超電導コイル１におもり９１を設置したが、図８に示すように第２液体ヘリウム槽９７におもり９１を設置しても良い。このように、超電導コイル１及び低温側ステージ１７の設置空間に余裕のある方におもり９１の設置を選択することができる。更に、図９に示すように第１液体ヘリウム槽９５及び第２液体ヘリウム槽９７の両方におもり９１を設置しバランスさせて共振が生じることをを抑制しても良い。また、図１０に示すようにおもり９１を薄く加工し緩衝部材９９に巻き付けることによっても振動を抑制できる。
【００３９】
実施例１１．
図１１はこの発明の実施例１１による超電導マグネットを示す断面図であり、図１１において、１０１は伝導部材７１と蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７を接続する可撓体（低温側ステージ可撓体）である。１０３は第２輻射シールド６５と蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ１９を接続する可撓体（高温側ステージ可撓体）である。これら可撓体１０１，１０３は良熱伝導体であり、例えば、銅，アルミニウム等の良熱伝導性金属を材料とした編組線で形成されている。また、１０５は第２真空槽６７と蓄冷型冷凍機１３を気密に接続する緩衝部材（冷凍機緩衝部材）であり、例えばベローズで構成されている。
【００４０】
次に動作について説明する。図１１に示した超電導マグネットでは、蓄冷型冷凍機１３の動作により発生する振動を可撓体１０１，１０３及び緩衝部材１０５がフレキシブルに吸収する。このため、蓄冷型冷凍機１３から発生された振動の第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び伝導部材７１への伝達が低減される。従って、超電導コイル１の振動が小さくなり、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度を向上させることができる。
【００４１】
実施例１２．
上記実施例１１では、蓄冷型冷凍機１３の低温側ステージ１７と伝導部材７１とを接続する可撓体１０１及び第２輻射シールド６５と蓄冷型冷凍機１３の高温側ステージ１９とを接続する可撓体１０３の材料として、銅，アルミニウム等の良熱伝導性金属を使用したが、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の良熱伝導性セラミックを用いて繊維状に加工し編組線として可撓体１０１，１０３を構成しても良い。
【００４２】
実施例１３．
上記実施例１１では、超電導コイルユニット８１と冷凍機ユニット８３とを分けて構成したが、図１２に示すように一体構成としても良く、構成を簡単にすることができる。尚、この実施例では、伝導部材７１を設けたが、伝導部材７１を設けず、可撓体１０１を直接超電導コイル１に接続して冷却するようにしてもよい。
【００４３】
実施例１４．
図１３はこの発明の実施例１４による超電導マグネットを示す断面図であり、図１３において、１０７は超電導コイル１を支持する緩衝部材（支持部緩衝部材）であり、例えば、ステンレス鋼のスプリング等の弾性体で構成されている。緩衝部材１０７の一端は超電導コイル１に接続され、もう一端は第１輻射シールド６１に接続されている。７３は伝導部材７１の一部を構成する可撓体である。
【００４４】
次に動作について説明する。蓄冷型冷凍機１３の振動は、第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び伝導部材７１を伝達し、更に、それぞれ第１真空槽６３，第１輻射シールド６１を振動させる。この振動は支持部材６９及び伝導部材７１を介して超電導コイル１に伝わろうとするが、緩衝部材１０７及び可撓体７３はフレキシブルに曲がるのでこの振動を吸収し、超電導コイル１に伝達される振動を吸収する。
【００４５】
また、超電導コイル１が相当に大きい質量をもち慣性力が大きいので、緩衝部材１０７及び可撓体７３から伝えられる力によって、超電導コイル１に生じる加速度は小さく、超電導コイル１の変位が大きくなる前に、緩衝部材１０７及び可撓体７３は伸縮屈曲して力が開放される。このため、超電導コイル１は蓄冷型冷凍機１３によって生じる振動に追随しない。例えば、超電導コイル１の質量が１００ｋｇで１段目，２段目デスプレーサ３３，３５の質量の合計が２ｋｇのとき、質量の違いが５０倍になり、１段目，２段目デスプレーサ３３，３５が往復運動することによって超電導コイル１に働く作用反作用の力から生じる超電導コイル１の加速度は１段目，２段目デスプレーサ３３，３５が往復運動するときの加速度の５０分の１になる。このため、第１真空槽６３，第１輻射シールド６１及び伝導部材７１の振動に超電導コイル１は追随しない。従って、超電導コイル１に伝達される振動は低減され、超電導コイル１の振動が小さくなり、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度が向上する。
【００４６】
実施例１５．
上記実施例１４では、緩衝部材１０７の材料としてステンレス鋼のスプリングを使用したが、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）やカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの樹脂材料を使用しても同様の効果が得られる。特に、上記ガラス繊維強化プラスチックを用いれば、熱伝導率が小さいので超電導コイル１と第１輻射シールド６１間に熱が伝達することなく、超電導状態を良好に得ることができる。
【００４７】
実施例１６．
上記実施例１４では、超電導コイルユニット８１と冷凍機ユニット８３とを分けて構成したが、図１４に示すように一体構成としても良く、構成を簡単にすることができる。
【００４８】
実施例１７．
上記実施例１４では、緩衝部材１０７を弾性体で構成したが、図１５に示すように、緩衝部材１０７をワイアで構成し、第１輻射シールド６１に超電導コイル１を緩衝部材１０７で吊り下げ支持しても良い。この場合、超電導コイル１は第１輻射シールド６１及び他の超電導マグネットの部材に対して相対的に横方向に可動であり、その超電導コイル１は、重量が大きいので慣性力が大きい。従って、超電導コイル１は横方向の振動に追随することなく、超電導コイル１の振動を低減できる。また、このように構成することによって、緩衝部材１０７の構成を簡単にできると共に超電導コイル１の位置合わせをワイアの調整だけで容易に行うことができる。
【００４９】
実施例１８．
上記実施例１から実施例１７では、蓄冷型冷凍機１３を動作することで発生する振動が超電導コイル１に伝達しないように、蓄冷型冷凍機１３から超電導コイル１へ振動が伝達する経路の途中に緩衝部材または可撓体を設置して、振動をフレキシブルに吸収していた。従って、蓄冷型冷凍機１３により発生する振動を吸収するのは主に超電導マグネット内部である。このため、蓄冷型冷凍機１３の振動を超電導装置内部で十分に吸収できない場合には超電導コイル１に振動が生じてしまう。
【００５０】
図１６はこの発明の実施例１８による超電導マグネットを示す断面図であり、上記問題点を解消するものである。図１６において、１０９は蓄冷型冷凍機１３を大地に固定する固定部材である。この固定部材１０９は剛結合部材１０９ａによって蓄冷型冷凍機１３と完全緊結されており、更に、大地に固定されている。また、固定部材１０９は剛性の高い材料または非弾性材料により形成され、例えば、ステンレス鋼やセラミックで構成されている。
【００５１】
次に動作について説明する。図１６に示す超電導マグネットでは、蓄冷型冷凍機１３が固定部材１０９によって剛的に大地に固定されているので、蓄冷型冷凍機１３の動作によって発生する振動は主に大地に吸収され、超電導マグネット内部で吸収する振動は少なくなる。従って、超電導コイル１を振動させる力が小さくなり振動を効率良く低減できる。このため、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度を向上させることができる。
【００５２】
実施例１９．
上記実施例では固定部材１０９を大地に緊結して使用したが、大地の代わりに振動しないような相当質量をもった剛体に緊結してもよい。剛体は図２３に示した蓄冷型冷凍機１３の１段目，２段目デスプレーサ３３，３５の往復運動の反作用力は受ける。剛体の質量が大きければ大きい程、反作用力によって剛体に生じる加速度が小さくなる。
【００５３】
例えば、１段目，２段目デスプレーサ３３，３５の質量の合計の１００倍以上のステンレス鋼板に蓄冷型冷凍機１３を固定部材１０９によって剛的に固定すると、１段目，２段目デスプレーサ３３，３５の往復運動によって働く反作用力は質量の大きいステンレス鋼板に働き、ステンレス鋼板と１段目，２段目デスプレーサ３３，３５の質量の違いが１００倍であるので、蓄冷型冷凍機１３とステンレス鋼板で発生する加速度が１００分の１程度に低減される。このため、超電導マグネット内部で吸収する振動は少なくなる。従って、超電導コイル１を振動させる力が小さくなり、振動を効率良く低減でき、超電導マグネットの発生する磁界を利用した測定の精度を向上させることができる。
【００５４】
実施例２０．
図１７はこの発明の実施例２０による超電導マグネットを示す断面図であり、図１７において、１１１は磁界利用部の常温ボアを形成する第１真空槽６３の内筒（真空槽内筒）である。１１３は第１真空槽６３と内筒１１１を気密に接続する緩衝部材（内筒緩衝部材）であり、例えば、ベローズで構成されている。
【００５５】
次に動作について説明する。図１７に示した超電導マグネットでは、蓄冷型冷凍機１３の発生する振動が伝達し、第２真空槽６７，第２輻射シールド６５及び伝導部材７１が振動する。更に、第２真空槽６７，第２輻射シールド６５の振動が伝達され、それぞれ第１真空槽６３，第１輻射シールド６１が振動する。ここで超電導コイル１を支持部材６９で剛的に第１真空槽６３，第１輻射シールド６１に接続し、支持しているので、超電導コイル１は蓄冷型冷凍機１３の振動に追随して振動する。しかし、内筒１１１は緩衝部材１１３によってフレキシブルに第１真空槽６３に接続しているので、振動は緩衝部材１１３に吸収され、内筒１１１へ伝達される振動は低減される。このため、磁界利用部の機械的振動を小さくすることができる。
【００５６】
実施例２１．
上記実施例２０では、内筒１１１を機械的に振動しないようにしたが、この実施例は上記実施例２０の構成で、更に、磁界利用部の磁界均一度を向上させるものである。ところで、電流のない空間において磁界はＬｅｇｅｎｄｒｅ（ルジャンドル）球関数に展開できるので、その関数の０次項だけ残し、他の低次項を相殺して均一な磁界を得る。そして例えば、高次磁界を補償できるようなコイルを設置する。よって、磁場の不均一によって生じる測定誤差が、他の測定の誤差の範囲内におさまるように磁界均一度を設定するならば、磁場振動による測定の影響が無視できるようになる。従って、見かけ上、機械的振動及び磁場振動の小さい測定ができ測定精度を向上させることができる。
【００５７】
実施例２２．
図１８はこの発明の実施例２２による超電導マグネットを示す断面図であり、図１８において、１２１は冷凍発生部に可動部を持たないパルス管冷凍機、１２３はパルス管冷凍機１２１の第２段蓄冷器であり、この第２段蓄冷器１２３は伝導部材７１と熱的に接続されている。１２５はその第２段蓄冷器１２３と接続された第２段パルス管、１２７はパルス管冷凍機１２１の第１段蓄冷器であり、この第１段蓄冷器１２７は第２輻射シールド６５と熱的に接続されている。１２９はその第１段蓄冷器１２７と接続された第１段パルス管である。
【００５８】
次に動作について説明する。図１８に示した超電導マグネットでは、パルス管冷凍機１２１は冷凍を発生する部位で機械的駆動部を持たないため、超電導装置の低温部には振動が生じることがなく、従って、超電導コイル１はパルス管冷凍機１２１によって振動が加えられないので、超電導マグネットの発生する磁界を利用した精度の良い測定ができる。
【００５９】
実施例２３．
図１９はこの発明の実施例２３による超電導マグネットを示す断面図であり、９は超電導コイル１を包囲する輻射シールド、１１はその輻射シールド９を包囲する真空槽、１２１は超電導コイル１及び輻射シールド９を冷却するパルス管冷凍機、１２３は超電導コイル１を直接冷却するパルス管冷凍機１２１の第２段蓄冷器、１２７は輻射シールド９を冷却するパルス管冷凍機１２１の第１段蓄冷器である。
【００６０】
次に動作について説明する。図１９に示した超電導マグネットでは、パルス管冷凍機１２１の第２段蓄冷器１２３を直接超電導コイル１に接続しても、パルス管冷凍機１２１は振動をしないので超電導コイル１は振動せず、超電導マグネットの発生する磁界を利用した精度の良い測定ができる。また、このように構成することにより、構成を簡単にすることができる。
【００６１】
実施例２４．
実施例２２，２３に示したパルス管冷凍機１２１の第１段パルス管１２９及び第２段パルス管１２５の内部は空洞になっているので、作動気体の対流による熱伝達が生じる。図２０は伝熱ハンドブック（日本機械学会，１９９３）に示された２重傾斜直方体流体層内の熱伝達実験例と推算曲線とを示す特性図であり、図２１は図２０の実験例における傾斜直方体容器を示す説明図である。図２１の容器において、ａ＝６０ｍｍ，ｂ＝１８０ｍｍ，ｄ＝３０ｍｍであり、図２１の上方から下方に重力が働いている。φ1 は傾斜直方体容器のｂ軸が水平面に対してなす角度である。また、φ2 は傾斜直方体容器のａ軸が水平面に対してなす角度である。従って、φ1 ＝０ｒａｄ及びφ2 ＝０ｒａｄのとき上方に冷却面、下方に加熱面が存在することになる。また、φ1 ＝πｒａｄ及びφ2 ＝０ｒａｄのとき上方に加熱面、下方に冷却面が存在することになる。
【００６２】
図２０において、横軸はφ1 の角度を示しており、縦軸は流れの中に浸された物体の表面を通して熱が出入する割合を表すヌセルト数を示している。図２０において、φ2 ＝０ｒａｄにおけるφ1 ＝πｒａｄでは、即ち、上方に加熱面、下方に冷却面のある状態では、ヌセルト数は１である。また、φ2 ＝０ｒａｄにおけるφ1 ＝５π／６ｒａｄでは、即ち、上方が加熱面、下方が冷却面の状態よりπ／６ｒａｄ（３０度）だけ傾斜した状態では、ヌセルト数は約２であり、上記の約２倍になっている。従って、上方が加熱面、下方が冷却面の状態よりπ／６ｒａｄだけ傾斜することによって熱伝達率が約２倍になったことになる。
【００６３】
パルス管についても上記の現象が生じる。上記図１８及び図１９において、パルス管冷凍機１２１の第１段パルス管１２９及び第２段パルス管１２５は上方が加熱面、下方が冷却面となっている状態である。よって、上記図２０に示したように、それらパルス管の上方面及び下方面の法線が鉛直線方向に配置されているとき熱伝達率は最低であり、傾くことによって熱伝達率が増大することになる。熱伝達率が増大するとパルス管冷凍機１２１の冷凍能力が低下するので、従って、パルス管冷凍機１２１の第１段パルス管１２９及び第２段パルス管１２５の上方面及び下方面の法線が鉛直線方向となす角度をπ／６以内にすれば、パルス管冷凍機１２１の冷凍能力を高く維持することができる。
【００６４】
尚、上記実施例では、超電導コイルを冷凍機で冷却する超電導マグネットについて説明したが、その他の低温装置、例えば、ＳＱＵＩＤ（超電導量子干渉素子）を冷凍機で冷却する超電導装置や赤外線センサを冷凍機で冷却する測定装置にも利用できる。
【００６５】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、伝導部材に伝導部可撓体を設け、第１輻射シールドと第２輻射シールドとを輻射シールド可撓体によって接続すると共に、第１真空槽と第２真空槽とを真空槽緩衝部材によって接続するように構成したので、蓄冷型冷凍機が振動しても、伝導部可撓体，輻射シールド可撓体及び真空槽緩衝部材がフレキシブルに伸縮屈曲するため、蓄冷型冷凍機から発生した振動を吸収し、超電導コイルの機械的，磁気的振動を防止することができる効果がある。
【００６６】
請求項２の発明によれば、蓄冷型冷凍機の振動に超電導コイルが共振しないように、その蓄冷型冷凍機の低温側ステージ及び超電導コイルの少なくとも一方におもりを設置するように構成したので、超電導マグネットの固有振動数が変わり、蓄冷型冷凍機の振動に対し超電導マグネットの共振を低減させることができる。また、低温側ステージ及び超電導コイルのどちらにおもりを設置するかは、設置空間の余裕に応じて選択することができる効果がある。
【００６７】
請求項３の発明によれば、蓄冷型冷凍機を固定部材により大地に緊結するように構成したので、蓄冷型冷凍機の振動を抑制することができ、超電導コイルの機械的，磁気的振動を更に防止することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施例１による超電導装置を示す断面図である。
【図２】  この発明の実施例３による超電導マグネットを示す断面図である。
【図３】  この発明の実施例４による超電導マグネットを示す断面図である。
【図４】  この発明の実施例５による超電導マグネットを示す断面図である。
【図５】  この発明の実施例６による超電導マグネットを示す断面図である。
【図６】  この発明の実施例７による超電導マグネットを示す断面図である。
【図７】  この発明の実施例９による超電導マグネットを示す断面図である。
【図８】  この発明の実施例１０による超電導マグネットを示す断面図である。
【図９】  この発明の実施例１０による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１０】  この発明の実施例１０による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１１】  この発明の実施例１１による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１２】  この発明の実施例１３による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１３】  この発明の実施例１４による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１４】  この発明の実施例１６による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１５】  この発明の実施例１７による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１６】  この発明の実施例１８による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１７】  この発明の実施例２０による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１８】  この発明の実施例２２による超電導マグネットを示す断面図である。
【図１９】  この発明の実施例２３による超電導マグネットを示す断面図である。
【図２０】  この発明の実施例２４による２重傾斜直方体流体層内の熱伝達実験例と推算曲線とを示す特性図である。
【図２１】  この発明の実施例２４による２重傾斜直方体を示す説明図である。
【図２２】  従来の超電導装置を示す断面図である。
【図２３】  従来の蓄冷型冷凍機を示す構成図である。
【符号の説明】
１  超電導コイル、１３  蓄冷型冷凍機、１７  低温側ステージ、１９  高温側ステージ、６１  第１輻射シールド（輻射シールド）、６３  第１真空槽（真空槽）、６５  第２輻射シールド（輻射シールド）、６７  第２真空槽（真空槽）、７１  伝導部材、７３  可撓体（伝導部可撓体）、７５  可撓体（輻射シールド可撓体）、７７  緩衝部材（真空槽緩衝部材）、８１  超電導コイルユニット、８３  冷凍機ユニット、９１  おもり、９３  液体ヘリウム、９５  第１液体ヘリウム槽、９７  第２液体ヘリウム槽、９９  緩衝部材（液体ヘリウム槽緩衝部材）、１０１  可撓体（低温側ステージ可撓体）、１０３  可撓体（高温側ステージ可撓体）、１０５  緩衝部材（冷凍機緩衝部材）、１０７  緩衝部材（支持部緩衝部材）、１０９  固定部材、１１１  内筒（真空槽内筒）、１１３  緩衝部材（内筒緩衝部材）、１２１  パルス管冷凍機、１２３  第２段蓄冷器、１２７  第１段蓄冷器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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