(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＱＵＩＤ磁束計と冷媒とを保持するための非磁性な非電導体からなる内容器と、
前記内容器との間に断熱空間を形成する非磁性な非電導体からなる外容器と、
ガス吸着手段とからなるデュワにおいて、
前記ＳＱＵＩＤ磁束計の保持位置より高い位置にある前記ガス吸着手段と、
前記ガス吸着手段が貼付され、下端が前記ＳＱＵＩＤ磁束計の超伝導部材の高さ以下の位置となるように設けられた非磁性体の伝熱手段と、
を備えたことを特徴とするデュワ。
【請求項２】
ＳＱＵＩＤ磁束計と冷媒とを保持するための非磁性な非電導体からなる内容器と、
前記内容器との間に断熱空間を形成する非磁性な非電導体からなる外容器と、
ガス吸着手段とからなるデュワにおいて、
前記ＳＱＵＩＤ磁束計の保持位置より高い位置にある前記ガス吸着手段と、
上端が前記ガス吸着手段と同じ位置、下端が前記ＳＱＵＩＤ磁束計の超伝導部材の位置となるように設けられた非磁性体の伝熱手段と、
を備えたことを特徴とするデュワ。
【請求項３】
請求項２記載のデュワにおいて、
前記伝熱手段は前記内容器の内壁面に設けられていることを特徴とするデュワ。
【請求項４】
請求項１記載のデュワにおいて、
前記伝熱手段と前記内容器との空間に断熱手段を備えたことを特徴とするデュワ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のデュワにおいて、
前記伝熱手段は短冊状又は線状に形成されたことを特徴とするデュワ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のデュワと、
生体から発せられる磁場を前記ＳＱＵＩＤ磁束計により計測する計測手段と、
を備えたことを特徴とする生体磁場計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＱＵＩＤ磁束計を極低温に保持するためのＳＱＵＩＤ用デュワの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生体等から発生する微弱な磁場の測定に、ＳＱＵＩＤ（ＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＱｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｅｖｉｃｅ：  超伝導量子干渉素子）を利用した高感度な磁気計測装置が用いられている。このＳＱＵＩＤ磁気計測装置は、脳や心臓から発生する非常に微弱な生体磁場を計測することができ、生体磁場の分布から磁場を発生させている電流源の位置推定が可能となるので、脳機能や心機能の診断や解明を行う医用機器として注目されている。
【０００３】
ＳＱＵＩＤは超伝導状態で動作する磁場−電気変換素子であり、ＳＱＵＩＤを利用した磁気センサーはデュワ内で液体ヘリウム等を用いて極低温に冷却されている。従来のＳＱＵＩＤ用デュワとしては特開平１１−２３３８３９号公報に開示されたものがある。
【０００４】
ＳＱＵＩＤ磁束計を用いて微弱磁場を計測する場合、ＳＱＵＩＤ磁束計と液体ヘリウムとを保持する内容器や、内容器との間に真空断熱層を形成する外容器に計測磁場や環境磁場で渦電流が発生すると計測磁場に悪影響を与える。このため、ＳＱＵＩＤ用デュワの内容器及び外容器は非磁性体であり非導電性である、例えばＦＲＰ（ガラス繊維入りのエポキシ樹脂）等の材料で構成され、高分子の接着で組み立てられている。
【０００５】
従来の超伝導磁石等の冷却に用いられるステンレス製デュワでは、デュワ壁からのヘリウムガスの透過はなく、また接合部を溶接部を溶接することによって、接合面からのヘリウムガス流出を防止することが可能であったため、ヘリウムガスの透過自体は大きな問題として取り扱われていなかった。しかし、ＦＲＰ製デュワではＦＲＰの材料的な特性としてＦＲＰ壁をヘリウムガスが透過する。すなわち、内容器内のヘリウムガスが内容器の壁を透過し、真空断熱層中に放出される。この真空断熱層中に放出されたヘリウムガス（リークヘリウムガス）は真空断熱層の圧力を上昇させるため、真空断熱層の断熱性能は悪化する。このため、内容器内の液体ヘリウムの蒸発量が増大し、短期間の内に液体ヘリウムが蒸発し、ＳＱＵＩＤ磁束計がヘリウム液面上に露出して超伝導状態が壊れるため磁気計測が不可能になる。
【０００６】
このため、２０Ｋ以下の温度でヘリウムガスを吸着する吸着剤（活性炭）をデュワ内容器の外周部の真空断熱層中に備え、リークヘリウムガスを吸着することで、真空断熱層の真空度を維持していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
磁気計測装置を長時間運転すると、液体ヘリウムが蒸発して液体ヘリウム液面が低下する。この場合、内容器の液体ヘリウム液面より上部にある内容器の壁面温度は、常温部からの熱侵入により２０Ｋ以上に上昇し、その部分に設けられた吸着剤の温度も２０Ｋ以上になる。このため、液体ヘリウム液面より上部にある吸着剤はガス吸着温度を超え、吸着剤に吸着されたリークヘリウムガスが真空断熱層中に放出される。一方で液体ヘリウム液面より下部にある内容器の壁面温度は、液体ヘリウムにより２０Ｋ以下に冷却されるため、その部分に設けられた吸着剤の温度は２０Ｋ以下となる。このため、液体ヘリウム液面より上部にある吸着剤が放出したリークヘリウムガスを、液体ヘリウム液面より下部にある吸着剤が吸収し、結果として真空断熱層の真空度は維持される。しかし、液体ヘリウムは短期間に蒸発し、その度に液体ヘリウムを補給する。即ち、上述した液体ヘリウム液面低下の過程（下部の吸着剤が上部の吸着剤の分までリークヘリウムガスを吸収する過程）は補給周期毎に繰返し発生するため、下部の吸着剤から吸収能力の限界に達し飽和状態となる。このため、真空断熱層の圧力が上昇して断熱性能が劣化し、液体ヘリウムの蒸発量が増加するという問題が生ずる。この場合、上部の飽和していない吸着剤の位置まで液体ヘリウム液面がくるように液体ヘリウムを補給すると、上部の吸着剤が２０Ｋ以下まで冷却されてリークヘリウムガスを吸着し、真空断熱層の圧力が低下して断熱性能が復活し、液体ヘリウムの蒸発量は当初の状態まで回復する。しかし、液体ヘリウムが蒸発して液体ヘリウム液面が飽和吸着剤の上端以下になると、真空度が上昇して断熱性能が悪化し、液体ヘリウムの蒸発量が上昇する。つまり、液体ヘリウム液面が飽和吸着剤の上端より上にあるときの蒸発量は当初のままだが、液体ヘリウムが蒸発して液体ヘリウム液面が飽和吸着剤の上端以下となると、液体ヘリウムの蒸発量が増大して急速に液体ヘリウムがなくなる。
【０００８】
さらに上述の過程を繰返すことにより、飽和した吸収剤の上端位置はますます上昇し、このため液体ヘリウムの蒸発周期はますます短くなる。そして、液体ヘリウムの蒸発周期が短くなり、液体ヘリウム補給回数が増加すると、補給作業時の熱流入等により、高価な液体ヘリウムが蒸発する機会が更に増える。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、液体ヘリウムの液面が低下しても、その液体ヘリウム液面の上部にある吸着剤からのリークガス放出が少ないＳＱＵＩＤ用デュワ及びそれを用いた生体磁気計測装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、ＳＱＵＩＤ磁束計と冷媒とを保持する非磁性の非電導体の内容器と、内容器との間に断熱空間を形成する非磁性の非電導体の外容器と、ガス吸着手段とからなるＳＱＵＩＤ用デュワにおいて、ＳＱＵＩＤ磁束計の超伝導部材の保持位置より高い位置にあるガス吸着手段と、ガス吸着手段より低い位置の内容器との伝熱手段を備えたことにある。
【００１１】
これにより、前記内容器に保持された冷媒が蒸発し冷媒の内容器内における液面が低下した場合であっても、前記伝熱手段が前記ガス吸着手段より低い位置にて前記内容器と接触していることによりこの伝熱手段により前記吸着手段は、前記内容器に保持された冷媒の温度に維持される。そして、ガス吸着手段のガス吸着能力を維持することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施例であるＳＱＵＩＤを用いた心磁計測装置の外観図、図２は本発明の一実施例であるデュワの断面構造図、図３は本発明の一実施例であるデュワに用いられる冷却板の構成図、図４は本発明の第２の実施例のデュワの断面構造図を示す。
【００１３】
まず、図１により、本発明の実施例であるＳＱＵＩＤを利用した心磁計測装置を例に、システムの概要を説明する。心磁計測システムは、磁気シールドルーム３１，デュワ１，ガントリ３６，ベッド３３，自動補給装置３５，計測制御回路３７，計算機３９及びプリンタ４０により構成される。計測対象である心臓磁場信号は非常に微弱であるため、背景の環境磁場雑音の影響を除去するために、  ＳＱＵＩＤ磁気センサー６を含む検出部は磁気シールドルーム３１内に設置される。被検体である被検者３２は、ベッド３３に仰向け状態となり計測が行われる。被検者の計測面（胸部の場合は一般的に胸壁に平行な面）はベッド３３の面と略平行である。被検者の胸部の上方には、冷媒である液体ヘリウムで満たされたデュワ１が配置され、デュワ１はＳＱＵＩＤ磁気センサー６を複数収容している。液体ヘリウムは磁気シールドルム３１の外部にある自動補給装置３５から連続的に補給される。ＳＱＵＩＤは、被検者３２から発生する心臓磁場の強度（磁束密度と考えることもできる）と特定の関係をもつ電圧を出力し、その出力が計測制御回路３７に入力される。計測制御回路３７は、ＳＱＵＩＤ磁気センサー６の出力を一定に保つように、ＳＱＵＩＤに入力された心臓磁場の変化を、ＳＱＵＩＤへの帰還コイルを含む負帰還回路によりキャンセルする（これを磁場ロックと呼ぶ）ように構成されている。その帰還コイルに流した電流を電圧に変換することにより、心臓磁場信号の変化と特定の関係にある電圧出力を得ることができる。このように帰還コイルを介して検出する方式を取っているので、心臓磁場信号の変化に対して比例する電圧出力信号を得ることができる。上記出力電圧は、計測制御回路３７内で増幅機・フィルタを経てＡ／Ｄ変換器によりサンプリングされ、計算機３８に取り込まれる。計算機３８はパーソナルコンピュータ及び表示装置からなり、入力された心臓磁場信号を処理し、時間波形、等磁場線図のような形で表示出力する。また計算機３９は、サンプリングされた心臓磁場信号から電流源の位置を求め、頭上に表示することができる。デュワ４内に実装されるＳＱＵＩＤ  磁気センサー６の数や配置は任意であってよいが、本実施例の場合には、８行８列のマトリックス状に配置されている。また、ＳＱＵＩＤ磁気センサー６は、その長手方向が計側面に対して垂直な方向と一致するように配置されている。
【００１４】
次に、図２に従って、本発明の第１の実施例であるデュワ１の構造について詳細に説明する。図２に示すように、デュワ１は、温度約７Ｋ以下の臨界温度（例えば、大気圧の液体ヘリウム温度の４．２Ｋ）で超電導状態となるＮｂＴｉや
Ｎｂ等の材料で構成されたＳＱＵＩＤ磁気センサー６と、ＳＱＵＩＤ磁気センサー６を極低温に冷却するための液体ヘリウム２を保持する内容器３と、内容器３を包囲するとともに内容器３との間に真空断熱空層４を形成する外容器５と、内容器３内と外部空気と遮断するフランジ１４と、磁気センサー６からの計測信号を内容器３の外部に導く計測線３０とで構成される。上記内容器３と外容器５は計測磁場による渦電流の発生を防止し計測磁場に影響を与えないために、非磁性の非電導体であるガラスエポキシ樹脂等の材料で製作される。計測線３０は計測装置８と接続され、計測値より磁場分布・発生電流分布等を計算し、画像化処理等を行う。上記の真空断熱層４内には、常温部からの輻射熱を吸収し、内容器３への輻射熱の侵入を防止する熱シールド板９を内容器を取り囲むように設置する。熱シールド板９は、内容器３の上部の低温部分にフランジ１０を介して熱的に一体化されて冷却される。また、熱シールド板９は、外部からの磁場変動でノイズとなる渦電流が発生し難いように、短冊状の銅板や小径のエナメル被覆銅線で構成される。さらに、外容器５からの輻射熱の侵入を防止するために、熱シールド板９の外部にはアルミニュウム蒸着マイラー等の積層断熱材（図示せず）が巻き付けられている。一方、内容器３の上部の空間には、ポリウレタン等の円盤状の発泡断熱材を積層して構成したインサート１１を配置し、上部常温部からの熱浸入を防止する。また、冷媒移送管１２は、フランジ（蓋）１４に支持されインサート１１を通過するよう配置され、液体ヘリウム２を内容器３内に供給する。また、上部常温部からの熱浸入で蒸発する液体ヘリウム２の蒸発ガスは、内容器３の内面及びインサート１１の外面を冷却しながら加温され、フランジ（蓋）１４に支持された排気口１３から大気に放出される。
【００１５】
次に図３にしたがって、本発明の一実施例であるデュワに用いられる冷却板の構成を説明する。真空断熱層中の内容器３の外周部には、本発明の特徴たる冷却板１７を配置する。冷却板１７は、非磁性材料であり、且つ熱伝導率の高い材料（例えば銅）を用い、さらに外部からの磁場変動による渦電流の発生を抑制するために、銅板を短冊状に加工した部材や、小径のエナメル被覆銅線を平板状に束ねた部材により構成される。吸着材として粒状もしくは布状の活性炭２１を、冷却板１７の外表面に接着剤等で貼付する。冷却板１７の下部は、ＳＱＵＩＤ磁気センサーにおける超伝導部材の配置高さ以下の位置で内容器３の外周部に固着することで、液体ヘリウムの液面レベルが超伝導部材よりも高い位置にある状態、すなわち、ＳＱＵＩＤ磁気センサーが機能している間は、常に冷却板１７は液体ヘリウム温度レベルに冷却され、冷却板１７に貼付られた吸着材（活性炭）の吸着能力は維持される。ここで、冷却板１７は内容器３の外周部に締め付けワイヤー２０で固定し、接着剤等で固着する。また、冷却板の中間部および上部は、外壁面から離れた構造であり、温度が上昇する内容器３の外周から冷却板１７へ熱が伝わるのを防止している。表面が凹凸状のポリエステルフィルムやこのフィルムの片側表面にアルミニュウムを蒸着した第１の断熱材１８を交互に数層重ねたものを冷却板と内容器との間に配置し、冷却板１７の中間部および上部と内容器３との接触を防止している。
【００１６】
本構造により、液体ヘリウム２が蒸発し液面が内容器３の下端部まで低下した場合、つまり液面上の内容器３の壁温度が上昇した場合、冷却板１７は下端部のみで接触し、液面上の内容器３とは第１の断熱材１８で非接触状態が保たれているため、冷却板１７全体は液体ヘリウム温度レベル７Ｋ程度の極低温に維持される。このため、冷却板１７の外表面に貼付された活性炭１５のガス吸着能力は保持されるので、真空断熱層４の真空圧力は低く維持され断熱性能は劣化されない。
【００１７】
また、本実施例では、熱シールド板９と冷却板１７の間に凹凸状のポリエステルフィルムの片側表面にアルミニュウムを蒸着した第１２の断熱材１９を配置し、液体ヘリウム２の液面が低下し温度が上昇する熱シールド板９から極低温の冷却板７上の輻射率がおおきな黒色の活性炭２１への輻射熱が浸入し活性炭２１の温度が上昇することを防止する。
【００１８】
したがって、本実施例によれば、液体ヘリウム２の液面が低下しても、全体の活性炭温度が液体ヘリウム温度レベルに冷却されているので、活性炭２１から吸着したリークガスが放出されない。このため、長期の運転に際しても補給周期を短くする必要が無く、このため煩雑な補給作業の増加が抑えられ、また、補給時の液体ヘリウム２の損失頻度が少なく済む効果もある。また、液面低下により、内容器３の壁面から熱伝導による熱浸入量が低減するため液体ヘリウムの蒸発量は低減し、さらに、真空断熱層４の能力劣化による液体ヘリウムの蒸発量増加も防止できるので、磁気計測装置の運転コストが増加しない。
【００１９】
次に本発明の第２の実施例を説明する。図４は本発明の第２の実施例であるデュワの断面構造図である。本実施例が第１の実施例と異なる点は、磁場変動の際にノイズとなる渦電流が発生し難い短冊状の銅板や小径のエナメル被覆銅線で構成した冷却板２２を、内容器３の内壁面に、冷却板の上端は内容器３外周に設けられた吸着剤と同じ位置、下端はＳＱＵＩＤ磁気センサの超伝導部材の位置になるように設けた点にある。
【００２０】
本第２の実施例によれば、液体ヘリウム２の液面が低下しても、ＳＱＵＩＤ磁気センサー６が超伝導状態を維持している間は、冷却板２２下端が液面下に浸漬している。このため、内容器３内の液体ヘリウム２の充填域上部の蒸発ヘリウムガスも液体ヘリウム温度まで冷却される。したがって、液体ヘリウム２の液面が低下してもＳＱＵＩＤ磁気センサが超伝導状態を維持している間は、前記極低温部の内容器３の壁面は上部まで液体ヘリウム温度レベルに冷却される。
【００２１】
一方、内容器３の壁面上部が液体ヘリウム温度レベルに冷却されるため、液体ヘリウム液面が上部まである場合と同様に、熱シールド板９も２０Ｋ程度に冷却される。よって、内容器３の外壁面の真空断熱層４中に配置された活性炭１５を入れた和紙等で構成される袋１６は液体ヘリウム温度に冷却され、活性炭１５のガス吸着能力が保持されるので、真空断熱層４内の真空圧力は低く維持され断熱性能は劣化しない。
【００２２】
したがって、本第２の実施例によれば、液体ヘリウムの液面が低下しても、全体の活性炭温度が極低温が冷却されているので、活性炭１５が吸着したリークガスを放出することがない。このため、長期の運転に際しても補給周期を短くする必要が無いので、補給作業の煩雑さがなくなるとともに、補給時の液体ヘリウムの損失頻度が少なくて済む効果がある。さらに、真空劣化による液体ヘリウムの蒸発量増加も防止できるので、運転コストが増加しないで済む効果がある。
【００２３】
尚、本実施例では冷却板２２を内容器３の内側に配置したが、冷却板２２を内容器３の外側に接着材等で貼付して熱的に一体化し、その上に活性炭１５を貼付したり、袋１６を巻き付けて配置しても、同様な効果が生じる。
【００２４】
また、前記した第１及び第２の実施例では被冷却体として、磁気計測素子を使用する場合について説明したが、被冷却体としてジョセフソン電子素子，フィルタ用超電導電子素子，超電導磁石等の超電導現象を利用した要素であっても同様な効果が生じる。
【００２５】
【発明の効果】
本願発明によれば、液体ヘリウムの液面が低下しても、その液面の上部にある吸着剤からのリークガスの放出を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるＳＱＵＩＤを用いた心磁計測装置の外観図である。
【図２】本発明の一実施例であるデュワの断面構造図である。
【図３】本発明の一実施例であるデュワに用いられる冷却板の構成図である。
【図４】本発明の第２の実施例であるデュワの断面構造図である。
【符号の説明】
１…デュワ、２…液体ヘリウム、３…内容器、４…真空断熱層、５…外容器、６…ＳＱＵＩＤ磁気センサー、８…計測装置、９…熱シールド板、１０…フランジ、１１…インサート、１２…冷媒移送管、１３…排気口、１４…フランジ（蓋）、１５…活性炭、１６…袋、１７，２２…冷却板、１８…第１の断熱材、１９…第２の断熱材、２０…締め付けワイヤー、３０…計測線、３１…磁気シールドルーム、３２…被験者、３３…ベッド、３５…自動補給装置、３６…ガントリー、３７…計測制御回路、３９…計算機、４０…プリンタ。
【図１】
0003557984.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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