(57)【要約】【課題】消磁冷却効果を用いてターゲット領域を冷却するための極低温冷却装置を開示する。【解決手段】この装置は、ターゲット領域内に磁場をもたらすための一次磁石と、ターゲット領域に選択的に伝導冷却をもたらすように構成された消磁磁石とを有する。一次磁石と消磁磁石の間の少なくとも第１の位置において、一次遮蔽磁石が一次磁石からの磁場を実質的に相殺する。一次磁石と消磁磁石の間の少なくとも第１の位置において、消磁遮蔽磁石が消磁磁石からの磁場を実質的に相殺する。一次遮蔽磁石及び消磁遮蔽磁石の各々は、一次磁石及び消磁磁石をそれぞれ内包する幾何学的エンベロープを有する円筒形の超電導コイルを含む。伝導冷却アセンブリが、磁石の各々も伝導冷却をもたらす。低温保持装置、上記装置及び冷凍システムを含む極低温システムも提供する。【選択図】図１
2015105954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消磁冷却効果を用いてターゲット領域に冷却をもたらすための極低温冷却装置であって、
前記ターゲット領域内に磁場をもたらすための一次磁石と、
前記ターゲット領域に選択的に伝導冷却をもたらすように構成された消磁磁石と、
前記一次磁石を内包する幾何学的エンベロープを有する円筒形の超電導コイルを含む、前記一次磁石と前記消磁磁石の間の少なくとも第１の位置において前記一次磁石からの前記磁場を実質的に相殺するための一次遮蔽磁石と、
前記消磁磁石を内包する幾何学的エンベロープを有する円筒形の超電導コイルを含む、前記一次磁石と前記消磁磁石の間の少なくとも前記第１の位置において前記消磁磁石からの前記磁場を実質的に相殺するための消磁遮蔽磁石と、
前記磁石の各々に伝導冷却をもたらすように構成された、使用時に冷凍システムに結合するための伝導冷却アセンブリと、
を備えることを特徴とする極低温冷却装置。
【請求項２】
ａ．前記一次磁石及び前記一次遮蔽磁石の各々は、第１の共通超電導電流によって作動する超電導磁石として構成され、及び／又は、
ｂ．前記消磁磁石及び前記消磁遮蔽磁石の各々は、第２の共通超電導電流によって作動する超電導磁石として構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載の極低温冷却装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の共通超電導電流は独立している、
ことを特徴とする請求項２に記載の極低温冷却装置。
【請求項４】
前記一次遮蔽磁石及び前記消磁遮蔽磁石の一方又は両方は、それぞれ単一の円筒形のソレノイドコイルとして形成される、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項５】
前記一次遮蔽磁石及び前記消磁遮蔽磁石の一方又は両方は、これらの遮蔽磁石が遮蔽するそれぞれの磁石の寸法よりも１０〜４０％だけ大きな軸方向長さを有する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項６】
前記一次磁石及び前記消磁磁石の各々は、該一次磁石及び該消磁磁石が軸方向に配置されるように該一次磁石及び該消磁磁石の各々に共通である軸を中心とした回転対称性を有するコイルによって形成される、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項７】
前記消磁磁石によって選択的に磁化された消磁部材から前記ターゲット領域に選択的に伝導冷却をもたらすように構成された、前記一次磁石と前記消磁磁石の間の前記第１の位置に配置された熱スイッチをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項８】
使用時に、前記一次磁石、前記一次遮蔽磁石、前記消磁磁石及び前記消磁遮蔽磁石の各々が真空環境内に存在するように前記各磁石を収容する１又はそれ以上の真空チャンバをさらに備える、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の極低温冷却装置。
【請求項９】
前記伝導冷却アセンブリは、前記冷凍システムに結合するための１又はそれ以上の熱伝導部材を含む、
ことを特徴とする請求項８に記載の極低温冷却装置。
【請求項１０】
ａ．低温保持装置と、
ｂ．前記低温保持装置内に収容された、請求項１から９のいずれかに記載の極低温冷却装置と、
ｃ．前記極低温冷却装置の前記伝導冷却アセンブリに結合された冷凍システムと、
を備えることを特徴とする極低温システム。
【請求項１１】
前記冷凍システムは、前記伝導冷却アセンブリを冷却するように構成された機械式冷凍機を含む、
ことを特徴とする請求項１０に記載の極低温システム。
【請求項１２】
前記冷凍システムは、前記ターゲット領域、及び前記消磁磁石によって選択的に消磁される消磁材料の各々に選択的に熱的結合するための、使用時に前記機械式冷凍機によって冷却される希釈冷凍機をさらに含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の極低温システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消磁のエントロピー効果を用いてターゲット領域の冷却を行う極低温冷却装置に関する。本発明は、このような極低温冷却装置を含む冷凍システムにも関する。
【背景技術】
【０００２】
科学研究及びいくつかの商業部門では、超低温環境を提供可能にすることに関心が持たれている。このような環境は、１ミリケルビン又はそれ以下の温度を有すると考えることができる。この温度範囲は、従来の希釈冷凍機の到達範囲を越えている。しかしながら、「核消磁」の効果を用いれば、このような温度を達成することが可能である。基本的に、この技術では、冷却部材を比較的強力な磁場内に配置して核スピンを整列させると同時に、例えば希釈冷凍機を用いて数ミリケルビンの温度に冷却する。その後、この材料を希釈冷凍機から熱的に分断して消磁させる。核スピンの不整列が増すと材料のエントロピーが増加し、これによって材料の温度がさらに低下する。このような消磁を行った材料をサンプルと密接に熱接触させることにより、このサンプルが材料自体と同様の温度に達するようになる。この核消磁技術を用いれば、数十マイクロケルビンの温度を達成することができる。
【０００３】
多くの状況では、（例えば、ＮＭＲ解析を行うために）サンプルを磁場内に保持しながら超低温に冷却することが望ましい。これには、サンプルが位置するボア内の第１の実験磁石と、すぐ近くに配置されて、サンプルを所望の超低温に冷却するのに必要な冷却力を与えるために利用できるように位置付けられた第２の消磁磁石という２つの磁石を提供する必要がある。これらの実験磁石と消磁磁石の各々は、液体ヘリウムを用いて約４ケルビンの温度に維持された超電導材料から形成される。これにより、磁石コイル自体と、冷却対象のサンプル又は核消磁を受ける材料との間に比較的わずかな温度差しか存在しないことが確実になるので有利である。
【０００４】
このようなシステムは、互いに接近した２つの比較的強力な磁石を含み、その一方は完全な磁気ランプアップ又はランプダウンに耐えることができなければならず、他方は作動磁場にとどまるので、このようなシステムの設計には、これらの磁石が互いに影響を与え過ぎないことが不可欠である。このため、通常、各磁石は、（コイル構成などの）関連する遮蔽磁石を有する。それぞれの場合における遮蔽磁石の役割は、主に一方の磁石の磁場が他方の磁石に影響を与えるのを防ぐことである。従って、それぞれの場合における遮蔽磁石は、実験磁石と消磁磁石の間に存在する相殺磁場領域又はゼロ磁場に近い領域を提供するように設計される。各磁石とその関連する遮蔽磁石の間には、同時に磁場の相対的変化が生じるので、これらの遮蔽磁石が重なり合うことのみによってゼロ磁場を生成するように協働するのではなく、各遮蔽磁石がそのそれぞれの磁石にこの相殺磁場を確実に提供できるようにすることも必要になる。通常、このようなシステムのための既知の遮蔽磁石は、以下のようないくつかの特徴を有する。
ａ）磁気コイルの寸法は、その断面の軸方向に狭く、断面の半径方向範囲より狭いことさえもある（この断面は、コイル軸の片側のコイル巻線に関するものである）。
ｂ）通常、各遮蔽磁石には、複数の空間的に分散したコイルが設けられる。
ｃ）通常、これらのコイルは、これらが遮蔽している磁石の軸方向位置と相殺領域との間の軸方向位置に位置する。
ｄ）これらのコイルは、これらが遮蔽している磁石と同じ液体極低温リザーバ内に提供されて浸漬される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、要約すれば、既知の消磁システムの遮蔽コイルは、消磁システムのいささかユニークな性質によって決定される非常に特異的な巧妙に開発された設計を有する。本発明は、このような背景で考案されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、本発明の第１の態様において、消磁冷却効果を用いてターゲット領域に冷却をもたらすための極低温冷却装置を提供し、この装置は、ターゲット領域内に磁場をもたらすための一次磁石と、ターゲット領域に選択的に伝導冷却をもたらすように構成された消磁磁石と、一次磁石を内包する幾何学的エンベロープを有する円筒形の超電導コイルを含む、一次磁石と消磁磁石の間の少なくとも第１の位置において一次磁石からの磁場を実質的に相殺するための一次遮蔽磁石と、消磁磁石を内包する幾何学的エンベロープを有する円筒形の超電導コイルを含む、一次磁石と消磁磁石の間の少なくとも第１の位置において消磁磁石からの磁場を実質的に相殺するための消磁遮蔽磁石と、上記磁石の各々の伝導冷却を行うように構成された、使用時に冷凍システムに結合するための伝導冷却アセンブリとを含む。
【０００７】
一次（実験）磁石及び消磁磁石、並びにこれらのそれぞれの遮蔽磁石の各々の伝導冷却を使用するということは、既知の実践からの根本的な脱却を表す。本発明の伝導冷却式遮蔽磁石は、既知の消磁システムと比べて完全に異なる設計を有する。具体的には、今回はこれらの遮蔽磁石が円筒形を取ることにより、遮蔽磁気コイルの幾何学的エンベロープが、遮蔽される磁石を内包する。従って、遮蔽磁石の幾何形状は、開放端を有する直円筒と考えることができ、この遮蔽磁石が遮蔽するそれぞれの磁石は、この円筒内の中心に位置して遮蔽磁石の軸方向寸法よりも短い軸方向寸法を有することが好ましい。この幾何形状は、従来の消磁システムの磁気遮蔽とは完全に異なる。さらに、複数のコイルを使用するのではなく、通常は単一のコイル遮蔽磁石しか設けられないことに注目されたい。従って、通常、遮蔽磁石のコイルの幾何学的中心は、この遮蔽磁石が遮蔽するそれぞれの磁石の幾何学的中心と一致する。従って、この新たな設計では、遮蔽コイルの多様性及び偏心位置に起因する約数千ニュートンもの軸方向の力に耐えるために先行システムで必要とされていた遮蔽コイルの機械力制約の必要性がほとんど排除される。
【０００８】
極低温液体を使用しないことによって遮蔽コイルの半径に対する制約も排除されるが、半径が増加すると、存在する物理的材料の量も増加し、従って冷却システムにさらなる要件が課される。
【０００９】
以下の一方又は両方が好ましい。
ａ．一次磁石及び一次遮蔽磁石の各々を、第１の共通超電導電流によって作動する超電導磁石として構成すること、又は、
ｂ．消磁磁石及び消磁遮蔽磁石の各々を、第２の共通超電導電流によって作動する超電導磁石として構成すること。
【００１０】
共通電流を用いて磁石だけでなくその遮蔽物も作動させることにより、ランプアップ及びランプダウンを含む磁石の動作中、並びにその完全な通電段階中に常にバランスの取れた遮蔽が確実に行われるようになる。
【００１１】
しかしながら、通常、第１及び第２の共通超電導電流はそれぞれ独立したものであり、この結果、消磁磁石が一次磁石に比べて完全に単独で動作できるようになり、逆もまた同様である。いずれの場合にも、一次遮蔽磁石及び消磁遮蔽磁石の各々は、単一の円筒ソレノイドコイルから形成される。従って、磁石毎に１つの遮蔽コイルしか与えられず、このことが伝導冷却システムとの使用に役立つ。しかしながら、この設計を液体極低温冷却システムで使用すると、このような円筒コイルの表面積が広範囲に及び、それぞれの場合に遮蔽する磁石に対する位置に相当量のさらなる極低温液体が必要になると考えられるので、かなり不利になると理解されるであろう。
【００１２】
理解されるように、それぞれの場合における遮蔽磁石の遮蔽コイルの具体的な設計は、磁気遮蔽の形状、及び対象となる具体的なシステムの他のあらゆる寸法要件に依存する。しかしながら、一次遮蔽磁石及び消磁遮蔽磁石の一方又は両方は、これらが遮蔽するそれぞれの磁石の寸法よりも１０〜４０％だけ長い軸方向長さを有することが好ましい。当然ながら、それぞれの場合における遮蔽磁石コイルの最小直径は、遮蔽する磁石のコイルの最大直径よりも大きくなる。従って、遮蔽磁石の軸方向寸法及び半径方向寸法の方が大きいことにより、一次磁石又は消磁磁石は、これらのそれぞれの遮蔽磁石内に確実に収容されるようになる。
【００１３】
通常、一次磁石及び消磁磁石の各々は、いずれの場合にも軸を中心とした回転対称性を有するコイルで形成される。この軸は、磁石が軸方向に配置されるように、一次磁石及び消磁磁石の各々に共通であることが好ましい。従って、それぞれの磁石とその遮蔽を組み合わせた結果として実質的にゼロ磁場が生成される第１の位置がこの軸に沿って存在し、通常は軸と交差することが好ましい。このような位置は、磁場によって誤動作する可能性のあるあらゆる必要な装置を配置するのに都合の良い位置である。例えば、一次磁石と消磁磁石の間の第１の位置には、消磁磁石によって選択的に磁化された消磁部材からターゲット領域に選択的に伝導冷却をもたらすように構成された熱スイッチを設けることが有利である。
【００１４】
超低温をもたらすための要件により、消磁磁石によって核磁気スピンが整列した消磁部材及びターゲット領域は、（例えば、希釈冷凍機を使用することによって）中間温度に冷却された１又はそれ以上の中間放射線遮蔽物を設けることによって周囲の磁気コイルの照射加熱から隔離することができると理解されるであろう。
【００１５】
それぞれの磁石は伝導冷却されるので、冷却効果を与えるために極低温液体を提供する必要はない。通常は、一次磁石、一次遮蔽磁石、消磁磁石及び消磁遮蔽磁石を収容する１又はそれ以上の真空チャンバを提供して、使用時にこれらの磁石の各々が真空環境内に存在するようにする。従って、この環境には極低温液体は存在しない。磁石巻線と熱連通するダクトを通じて気体ヘリウムなどの極低温を流す流動冷却法を用いて磁石を冷却できることも企図される。この方法は、高温超電導体で形成された磁石と共に使用するのに特に好都合となり得る。
【００１６】
伝導冷却アセンブリは、冷凍システムに結合するための１又はそれ以上の熱伝導部材を含むことが好ましい。通常、この冷凍システムは、機械式冷凍機（「極低温冷却機」）を含む。通常、このような機械式冷凍機は、パルス管冷凍機（ＰＴＲ）、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機又は同様のものである。例えば、ＰＴＲの場合、二段式ＰＴＲの第２の段を用いて、伝導冷却アセンブリによって磁石を冷却する一方で、第１の段を用いて、２０〜５０ケルビンなどの中間温度を有する放射線遮蔽物を冷却することができる。機械式冷凍機の第２の段を用いて希釈冷凍機を冷却することもできる。従って、希釈冷凍機は、既知のシステムと同様に、サンプル領域及び消磁部材を消磁効果による冷却の前に必要とされる数ミリケルビンの温度に冷却するために必要な低温冷却を行うことができる。
【００１７】
理解されるように、伝導冷却アセンブリの冷凍システムに結合する熱伝導部材は、高純度の銅などの金属材料を用いて提供することができる。同様に、消磁材料とターゲット領域のサンプル段との熱的接続にも高純度の銅を使用することができる。消磁材料としての使用に特に都合の良い材料類は、優れた消磁冷却性能を示すＰｒＮｉ5に基づくものである。このような材料は、熱伝導部材として使用することもできる。
【００１８】
本発明者らは、本発明の第２の態様において、
ａ．低温保持装置と、
ｂ．この低温保持装置内に収容された、本発明の第１の態様による極低温装置と、
ｃ．この極低温装置の伝導冷却アセンブリに結合された冷凍システムと、
を備えた極低温システムを提供する。
【００１９】
円筒遮蔽磁石の設計に関連して伝導冷却を使用することにより、特に遮蔽磁石コイルの軸方向範囲が磁石の中心からそれほど離れていないという理由で、既知のシステムに比べてよりコンパクトな磁石配置が可能になる。さらに、これによって軸方向長さが短い低温保持装置の使用が可能になる。よりコンパクトな幾何学的配置を可能にするように、あらゆる低温保持装置、希釈冷凍機又は同等の冷却を行う装置は、磁石を定める軸と直交する軸上に配置することができる。
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、極低温冷却装置及びシステムの例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】システム例の概略図である。
【図２】システムの一次磁石及び消磁磁石のさらなる詳細を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に、大まかに１００で示す消磁冷却システムの例を示す。このシステムへの冷却力は、この例では二段式装置であるパルス管冷凍機（ＰＴＲ）１によって提供される。このＰＴＲは冷却ヘッド２を有し、ここから大まかに３で示すパルス管及び再生器管が延びる。このＰＴＲは二段式装置であるが、単純化のために第２の低温段４しか図示していない。管３及び第２の段４、並びに後述するさらなる装置は、全て真空低温保持装置に収容されるが、この真空低温保持装置は明確化のために図１には示していない。具体的には、ＰＴＲ１は、第２の段４において、４．２ケルビンの温度で約１ワットの冷却力を提供することができる。本システムでは、この冷却力が２つの方法で使用される。第１に、第２の段４を使用して、概略的に５で示す希釈冷凍機に冷却力を提供する。第２に、第２の段４の冷却力を使用して、銅及びアルミニウムなどの高熱伝導材料を配置することによって形成される伝導冷却アセンブリ６を冷却する。後述するように、伝導冷却アセンブリ６は、システム内で使用される超電導電磁石に冷却力を提供し、使用時にはこれらの超電導電磁石を約３〜５ケルビンの温度に維持する。
【００２３】
図１には、実験磁石の形の一次磁石を１０で示している。これらの実験磁石は、実験磁石１０の中心ボア１２内に位置するターゲット領域１１内に高度に均質な磁場を提供するために使用される。使用時には、サンプル領域１１に、例えばＮＭＲ技術を用いてモニタするためのサンプルが提供される。ＮＭＲ技術、また実際にその他の技術の場合には、ターゲット領域内に強力な磁場を提供することが望ましい。従って、実験磁石１０は、ターゲット領域１１内に１０テスラを超える磁場を提供するように構成することができる。当然ながら、このような高振幅の磁場強度は、磁石の幾何学的エンベロープ自体の外部の位置に高磁場強度を生じる。従って、磁石１０から軸方向に（図１の配向では垂直方向に）変位した位置、及び磁石エンベロープの外部の半径方向に（図１では水平方向に）変位した位置に高磁場が生じることがある。一般に、このような漂遊磁場は不都合である。実際、システム１００などの消磁冷却システムの場合には、実験磁石１０に対する軸方向位置に「ゼロ磁場」領域を設定できることが装置の動作にとって不可欠である。
【００２４】
ゼロ磁場領域を達成するために、実験磁石１０は、相補的遮蔽磁石１５を有する。遮蔽磁石１５は、直円筒の形の幾何形状と、実験磁石１０を上回る長さとを有する細長いソレノイドコイルとして提供される。遮蔽磁石１５は、使用時には実験磁石１０と同じ電流を用いて通電されるが、この磁石は、磁石１０及び１５の各々からの磁場を受ける位置において一般に磁場ベクトルが逆になり、それぞれの磁場の重なりによって結果としての磁場強度が低下するように、実験磁石１０に対して「逆通電」される。遮蔽磁石１５を提供することにより、実験磁石１０によって実験磁石１０の幾何学的エンベロープから軸方向及び半径方向に離れた位置にもたらされる磁場強度が劇的に低下する。実験磁石１０及び遮蔽磁石１５のそれぞれの設計は、実験磁石１０に対して軸方向に有効なゼロ磁場位置を設定できるようにされる。これについては、図２に関連してさらに説明する。
【００２５】
当業者であれば、実際には実験磁石１０を１つよりも多くの超電導線コイルから形成することもできると理解するであろう。しかしながら、遮蔽磁石１５は、先行技術とは異なり、実験磁石１０の全径を上回る全径と、やはり実験磁石１０を上回る軸方向長さとを有する単一のソレノイドコイルを含む。なお、実験磁石１０も、実験磁石のボア１２に一致すると共に遮蔽磁石１５を定める円筒体の軸にも一致する中心軸を定める１又はそれ以上のソレノイドコイルから形成される。
【００２６】
実験磁石１０及び遮蔽磁石１５と同軸上にあってこれらの磁石から軸方向に離れた位置には、消磁磁石２０が配置される。ここでは、消磁磁石２０を実験磁石１０の物理的に上方に配置することも、又は下方に配置することもできることを注記しておく。さらに高い冷却力、さらに低温までの冷却、又は連続使用を可能にするように、このような磁石２０を（上方と下方などに）２つ設けることもできる（２つの消磁磁石間に逆位相の磁化又は消磁サイクルを採用することにより）。消磁磁石２０は、実験磁石１０と同様にボア２２を有するように構成された円筒磁石である。このボア２２内には大型の消磁部材２１が位置する。消磁磁石２０の設計は、領域１１（約１ｃｍ3）よりもかなり広い領域（例えば、２０ｃｍ3）に低均質磁場をもたらすように設計されているという点で、実験磁石１０の設計とは若干異なる。この構成を用いて、実験磁石の磁場の均質性を非常に高い均質性レベルで設計することができる。この均質性レベルは、１ｃｍ直径の球体では１００ｐｐｍ〜１ｐｐｍである。遮蔽磁石１５は、このような消磁システムのための既知の遮蔽磁石に比べ、実験磁石内の磁場均質性を、ＮＭＲ実験を行えるほど十分に高いものとすることができる。
【００２７】
ターゲット領域１１内のサンプルを超低温に冷却するための冷却力は、消磁部材２１の消磁によってもたらされるので、消磁部材２１の体積は、もたらされる冷却力を制御する要因の１つである。従って、消磁部材が大型であればあるほど、大きな冷却効果をもたらすことができる。本例では、消磁磁石２０が、そのボア２２内に実験磁石１０の磁場強度に比べて低い磁場強度をもたらす。例えば、消磁部材２１は、ボア２２内に５〜１０テスラの磁場強度を生じることができる。それでもなお、消磁磁石２０からの漂遊磁場を制御することに関する同様の問題が生じる。このため、この磁石も、相補的消磁遮蔽磁石２５を有する。ここでも、消磁遮蔽磁石２５は、実験磁石の相補的遮蔽磁石１５と同様に、消磁磁石２０自体の軸方向寸法を上回る軸方向寸法を有する単一の円筒ソレノイドコイルで形成される。また、消磁遮蔽磁石２５の最小直径は、やはり消磁磁石２０の最大直径よりも大きい。このように、消磁遮蔽磁石２５の軸方向寸法及び半径方向寸法の方が大きいので、消磁遮蔽磁石２５は、その幾何学的エンベロープ内に消磁磁石２０を収容するように構成される。この場合も、軸方向及び半径方向の各々における漂遊磁場の減少に関する同様の利点がもたらされる。
【００２８】
再び図１を参照すると、図１の軸上の位置に、２つの領域３１及び３２をそれぞれ示している。第１の位置３１は、実験磁石１０と消磁磁石２０の間に存在する。この位置は、実質的にゼロ磁場が生じるようになる磁場相殺位置を表す。実際上、この位置は、実験磁石１０と遮蔽磁石１５の間の、さらには消磁磁石２０と消磁遮蔽磁石２５の間の磁場相殺の重なりを表す。各磁石対は、ゼロ磁場領域をもたらし、これらの領域は重なり合う。この結果、一方の磁石１０又は１５と、他方の磁石２０又は２５との間には、事実上磁力が生じなくなる。換言すれば、消磁磁石２０からは実験磁石１０が「見え」ず、実験磁石１０からも消磁磁石２０が見えない。
【００２９】
このことは、３つの主な理由により、システム設計にとって非常に重要である。第１に、このことは、ターゲット領域１１が非常に高い均質性を確実に有し、消磁磁石又はその遮蔽による影響を受けないことを意味する。第２に、消磁磁石２０を、実験磁石１０とは全く無関係に動作させることができる。第３に、これによって磁石間の相対的移動を防ぐための工学的補強の必要性が排除され、これによりコストが削減されるとともに、数十マイクロケルビンの範囲の温度を達成することがシステムの動作目的であることを念頭に置けば、さらに重要なことに潜在的な熱伝達経路が排除される。
【００３０】
第２の位置３２は、実験磁石１０からの磁場と遮蔽磁石１５からの磁場のみの重なりによって生じる（消磁磁石又はその遮蔽による影響を受けない）相殺磁場位置に関する。これにより、希釈冷凍機及びその他の装置が実験磁石１０から確実に遮蔽されるようになる。
【００３１】
本システムでは、各位置に熱スイッチを設けることによって領域３１、３２の各々を利用する。
【００３２】
使用時には、希釈冷凍機、ターゲット領域１１内のサンプルホルダ、さらには消磁部材２１の各々に選択的に結合された熱伝導部材４０を介して希釈冷凍機５の冷却力が提供される。しかしながら、第１の位置３１及び第２の位置３２に配置した熱スイッチは、伝導部材４０に沿った熱の流れを選択的に可能にする。従って、第２の位置３２の熱スイッチは、ターゲット領域内のサンプル及び消磁部材が希釈冷凍機５から熱的に隔離されるようにする。同様に、第１の位置３１の熱スイッチは、消磁部材２１がターゲット領域１１から熱的に隔離されるようにする。これらの熱スイッチを使用することにより、最初にサンプル及び消磁部材の各々を希釈冷凍機によって数ミリケルビンに冷却することができる。その後、位置３２の熱スイッチを操作して消磁磁石２０から磁場の強度を低下させることにより、消磁のエントロピーによって消磁部材が冷却され、これによってターゲット領域１１内のサンプルが伝導的に冷却されるようになる。消磁磁石２０の磁化サイクル中には、位置３１の熱スイッチによって消磁部材２１をターゲット領域１１から熱的に隔離することができる。
【００３３】
再び図１に示す伝導冷却アセンブリ６を参照すると、この伝導冷却アセンブリ６は、ＰＴＲ１の冷却された第２の段４を実験磁石１０の巻線、冷却磁石１５の巻線、消磁磁石２１の巻線及び消磁遮蔽磁石の２５巻線の各々に連結する高熱伝導材料を提供する。伝導冷却アセンブリの外形は、それぞれの磁石コイル巻線の冷却効果を最大化するように設計される。これにより、超電導磁石の誤動作を引き起こすことがある局所的「ホットスポット」の発達が防がれる。
【００３４】
図２に、図１の磁石の実際の配置の断面例を示す。図示の実験磁石１０は、実験磁石１０上に巻き付けられた２つのソレノイドコイル１０ａ、１０ｂによって形成される。伝導冷却アセンブリ６の上プレート５０を用いて、磁石アセンブリを全体的にＰＴＲ１の第２の段４にボルト締めする。コイル１０ａ、１０ｂを取り囲む遮蔽磁石１５も示している。遮蔽磁石１５のコイルは、巻線と熱的に接触して遮蔽磁石１５上に巻き付けられる。遮蔽磁石１５の下端部には、一方では実験磁石１０と遮蔽磁石１５の間の、他方では消磁磁石２０と消磁遮蔽磁石２５の間の物理的接続をもたらす中空管５１の形の、伝導冷却アセンブリ６のさらなる部分が取り付けられる。
【００３５】
管５１の下端部には、プレート５０に類似する第２のプレート５２が取り付けられているのが分かる。管５１及び第２のプレート５２の各々は、伝導冷却部材６のさらなる部分を成し、従って高伝導材料（この例では銅）で形成される。図２には、磁石２０及び２５を実験磁石のこれらに対応するものに類似した形で示している。図２には、軸方向高さが約５０ｍｍであり、直径寸法がこれに等しい又はより大きな第１及び第２の位置３１、３２も示している。磁石２０、２５からの磁場の重なりによって生じる磁場相殺位置を表す第３の位置も３３で示している。実際には、パルス管冷凍機１及び希釈冷凍機５の位置は、装置の特定の実験構成によって定められる。図２では、磁石システムによって定められる全体寸法を９９０ｍｍとして示している。当業者であれば理解できるように、この寸法は、同様の仕様の実験磁石及び消磁磁石を有する先行技術のシステム（この場合は約１６００ｍｍ）よりも大幅に小さい。この小型の寸法は、新たな遮蔽磁石設計、結果としての軸方向の力の減少、及び伝導冷却の使用によるものである。図２には磁石の配置を示しており、従ってあらゆるサンプルホルダ、消磁部材又はこれらを接続する導電部材の詳細は示していないと理解されたい。
【００３６】
この装置は、磁石の急冷中におけるあらゆる過渡的な力を弱めるために、磁気抵抗器及びヒーターを使用する急冷管理システムにより、実験磁石及び消磁磁石、並びにこれらの関連する遮蔽コイルが常に等価電流に近いことを確実にするように増強することが好ましい。この必要性は、場合によって異なる。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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