(57)【要約】【課題】超伝導コイルの径を大きくせずともカスプ型の磁場分布を生成できるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置を提供する。【解決手段】中心軸が鉛直方向を向いている中空空間を有する二重円筒構造の真空容器７０と、真空容器内にコイル中心軸が水平方向を向くようにして配置された二対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂと、これらの超伝導コイルを冷却するための冷凍機とを備える。二対の超伝導コイルは、各対の超伝導コイルが前記中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが前記中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。更に、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸が鉛直方向を向いている中空空間を有する二重筒構造の真空容器と、該真空容器内にコイル中心軸が水平方向を向くようにして配置された二対以上の超伝導コイルと、該超伝導コイルを冷却するための冷凍手段とを備え、
前記二対以上の超伝導コイルは、各対の超伝導コイルが前記中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが前記中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されており、
更に、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電されることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【請求項２】
請求項１に記載のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置において、同じ仕様の超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が互いに直交するように配置されていることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【請求項３】
請求項１に記載のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置において、同じ仕様の超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が斜交するように配置されていることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【請求項４】
請求項１に記載のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置において、対毎に仕様の異なる超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が互いに直交するように配置されていることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【請求項５】
請求項１に記載のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置において、同じ仕様の超伝導コイルが三対、前記真空容器内で周方向に等角度間隔をおいて配置されていることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置において、前記冷凍手段は第一段、第二段の冷凍ステージを持つ２段冷却式冷凍機であり、前記各超伝導コイルは前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体で支持されており、前記真空容器の下面には前記２段冷却式冷凍機を挿入するための挿入口を設けると共に、該挿入口から前記真空容器内へ延びて前記２段冷却式冷凍機を封止状態で収容するためのスリーブを固定し、該スリーブにはその先端に前記２段冷却式冷凍機の前記第二段の冷凍ステージのコールドヘッドと接触する伝熱部材を設け、該伝熱部材と前記コイル冷却用熱伝導体とが接続部材を介して熱的に結合されていることを特徴とするカスプ磁場発生用超伝導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカスプ磁場発生用超伝導磁石装置に関し、例えば単結晶引上げ装置の磁場発生手段に適したカスプ磁場発生用超伝導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５、図６を参照して、冷凍機冷却型のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置について説明する。図５、図６において、超伝導磁石装置は、カスプ磁場を発生するための上下一対の超伝導コイル７１ａ、７１ｂを収容した密閉構造の真空容器７０と、真空容器７０の下面側から内部に配置され、超伝導コイル７１ａ、７１ｂを冷却するための２つの極低温冷凍機（以下、冷凍機と呼ぶ）７２ａ、７２ｂとを備えている。
【０００３】
冷凍機７２ａ、７２ｂには、冷媒であるヘリウムガスを圧縮して供給、循環するための圧縮機が接続される。簡単に言えば、図示されている冷凍機７２ａ、７２ｂは、ヘリウムガスの導入及び排出を切換えるためのロータリバルブを切換える電動機と、ディスプレーサに連結されてその往復運動を回転運動に変え、その往復運動の上下限を設定するための運動変換機構を備えている。詳しくは、特公昭６３−５３４６９に開示されているので、図示、説明は省略する。超伝導コイル７１ａ、７１ｂは、真空容器７０内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体７３で支持されている。
【０００４】
冷凍機７２ａ、７２ｂはそれぞれ、５０Ｋの第一段コールドヘッドを持つ第一段目の冷凍ステージ７２−１と、先端側において４Ｋの第二段コールドヘッドを持つ第二段目の冷凍ステージ７２−２とを持つ２段式冷凍機である。冷凍ステージ７２−１、７２−２を収容しているスリーブ８０の内部空間は真空容器７０の内部空間と完全に仕切られると共に、外部に対しても完全にシールされる。スリーブ８０の先端伝熱部材８０−１は、コイル冷却用熱伝導体７３に設けられた接続部７３−１の近くに位置している。そして、先端伝熱部材８０−１と接続部７３−１との間を、可撓性を有する多層板状伝熱部材７４で接続している。その結果、コイル冷却用熱伝導体７３とスリーブ８０との間の熱収縮による応力発生が防止される。
【０００５】
真空容器７０は、二重円筒構造を有しており、コイル冷却用熱伝導体７３も円筒形状に作られている。超伝導コイル７１ａ、７１ｂは、コイル冷却用熱伝導体７３の上下において真空容器７０の中心軸と同心となるように巻回されている。更に、２つの超伝導コイル７１ａ、７１ｂ及びコイル冷却用熱伝導体７３は、スリーブ８０の上部と共に、真空容器７０内に配置された二重円筒型の熱輻射シールド体７５に収容されている。この熱輻射シールド体７５は、輻射熱の侵入を防止するためのものである。スリーブ８０は、熱輻射シールド体７５の底部を貫通して上方に延びている。真空容器７０の外周には磁気シールド体９０を設けて、外周部の漏洩磁界を低減できるようにしている。
【０００６】
このようなカスプ磁場発生用超伝導磁石装置では、対向した一対の超伝導コイル７１ａ、７１ｂにより図７に示す磁力線分布を生成することができる。但し、図７では真空容器７０の片側についてのみ磁力線分布を示している。また、図７において中心軸というのは、真空容器７０の中空空間における中心軸のことである。そして、真空容器７０の中空空間は単結晶引上げ装置のようなものが配置される磁場利用空間となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
いずれにしても、上記の構成の超伝導磁石装置では、超伝導コイル７１ａ、７１ｂの直径が磁場利用空間の直径より大きくなるため、磁場利用空間が大きくなるにつれて、超伝導コイル７１ａ、７１ｂの寸法も大きくしなければならず、超伝導コイル７１ａ、７１ｂの大型化に起因する問題が発生する。例としては、超伝導コイルの製造設備を大型コイルに対応したものにする必要があること、超伝導コイルの冷却が難しくなる等が挙げられる。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、超伝導コイルの径を大きくせずともカスプ型の磁場分布を生成できるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置は、中心軸が鉛直方向を向いている中空空間を有する二重筒構造の真空容器と、該真空容器内にコイル中心軸が水平方向を向くようにして配置された二対以上の超伝導コイルと、該超伝導コイルを冷却するための冷凍手段とを備え、前記二対以上の超伝導コイルは、各対の超伝導コイルが前記中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが前記中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されており、更に、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電されることを特徴とする。
【００１０】
本カスプ磁場発生用超伝導磁石装置の第１の態様においては、同じ仕様の超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が互いに直交するように配置される。
【００１１】
本カスプ磁場発生用超伝導磁石装置の第２の態様においては、同じ仕様の超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が斜交するように配置される。
【００１２】
本カスプ磁場発生用超伝導磁石装置の第３の態様においては、対毎に仕様の異なる超伝導コイルが二対、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が互いに直交するように配置される。
【００１３】
本カスプ磁場発生用超伝導磁石装置の第４の態様においては、同じ仕様の超伝導コイルが三対、前記真空容器内で周方向に等角度間隔をおいて配置される。
【００１４】
なお、前記冷凍手段は第一段、第二段の冷凍ステージを持つ２段冷却式冷凍機であり、前記各超伝導コイルは前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体で支持されており、前記真空容器の下面には前記２段冷却式冷凍機を挿入するための挿入口を設けると共に、該挿入口から前記真空容器内へ延びて前記２段冷却式冷凍機を封止状態で収容するためのスリーブを固定し、該スリーブにはその先端に前記２段冷却式冷凍機の前記第二段の冷凍ステージのコールドヘッドと接触する伝熱部材を設け、該伝熱部材と前記コイル冷却用熱伝導体とが接続部材を介して熱的に結合されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１〜図４を参照して、本発明をいくつかの実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態によるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置を示す。本発明によるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置と図５に示したカスプ磁場発生用超伝導磁石装置との間の主たる相違は、超伝導コイルの構造及びその配置形態にあり、真空容器７０内の構造や超伝導コイルの冷却構造は図５に示したものと同じであるので図示を省略している。図５では２つの超伝導コイル７１ａ、７１ｂがいわば水平にして上下に配置されているが、本形態では超伝導コイルは縦、つまりコイル中心軸が水平方向を向くようにした状態で配置されるので、超伝導コイルを支持するための円筒状のコイル冷却用熱伝導体の外周側に、超伝導コイル毎に環状のコイル受けが形成されることになる。以上の点は、以降で述べられる第２〜第４の実施の形態でも同様である。
【００１６】
図１の第１の実施の形態では、中心軸が鉛直方向を向いている中空空間を有する二重円筒構造の真空容器７０内に、同じ仕様の二対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂが、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が中空空間の中心において互いに直交するように縦にして配置されている。更に言えば、二対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂは、各対の超伝導コイルが真空容器７０の中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。そして、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。
【００１７】
その結果、図１（ｂ）に示すように、中空空間の中心軸に対して４回対称のカスプ型磁力線分布が得られる。
【００１８】
図２の第２の実施の形態では、中空空間を有する二重円筒構造の真空容器７０内に、同じ仕様の二対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂが、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が中空空間の中心において斜交するように縦にして配置されている。更に言えば、二対の超伝導コイル１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂは、各対の超伝導コイルが真空容器７０の中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。そして、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。
【００１９】
その結果、図２（ｂ）に示すように、中空空間の中心軸に対して２回対称のカスプ型磁力線分布が得られる。
【００２０】
図３の第３の実施の形態では、中空空間を有する二重円筒構造の真空容器７０内に、対毎に仕様の異なる二対の超伝導コイル３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂが、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分が中空空間の中心において互いに直交するように縦にして配置されている。更に言えば、二対の超伝導コイル３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂは、各対の超伝導コイルが真空容器７０の中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。そして、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。
【００２１】
その結果、図３（ｂ）に示すように、中空空間の中心軸に対して２回対称のカスプ型磁力線分布が得られる。
【００２２】
図４の第４の実施の形態では、中空空間を有する二重円筒構造の真空容器７０内に、同じ仕様の三対の超伝導コイル５１ａ〜５１ｆが、真空容器７０内で周方向に等角度間隔をおいて縦にして配置されている。勿論、各対の超伝導コイルの中心を結ぶ線分は中空空間の中心において交叉している。更に言えば、三対の超伝導コイル５１ａ〜５１ｆは、各対の超伝導コイルが真空容器７０の中空空間を間にして互いに対向し合い、しかも各超伝導コイルが中空空間の中心軸を取り囲み、かつ各対の超伝導コイルの対称面が前記中心軸を含むように配置されている。そして、互いに隣り合う超伝導コイルの発生磁場方向が逆向きになるように通電される。
【００２３】
その結果、図４（ｂ）に示すように、中空空間の中心軸に対して６回対称のカスプ型磁力線分布が得られる。
【００２４】
なお、上記のいずれの形態においても、すべての超伝導コイルの中心軸が同一平面上にあるように配置するのが好ましい。また、図５では冷凍機が１８０度の角度間隔をおいて２個設置されているが、複数の超伝導コイルを支持しているコイル冷却用熱伝導体は１つの板体であるので、冷凍機は２個に限らず１個以上あれば良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によるカスプ磁場発生用超伝導磁石装置は従来のものと比べて、真空容器の中空空間の径が大きくなっても超伝導コイルは小型で良いという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による超伝導コイルの配置形態とその磁力線分布を示した図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による超伝導コイルの配置形態とその磁力線分布を示した図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態による超伝導コイルの配置形態とその磁力線分布を示した図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態による超伝導コイルの配置形態とその磁力線分布を示した図である。
【図５】本発明が適用され得る冷凍機冷却式超伝導磁石装置の構造を示した断面図である。
【図６】図５の冷凍機冷却式超伝導磁石装置を底面側から見た図である。
【図７】従来のカスプ磁場発生用超伝導磁石装置における磁力線分布を示した図である。
【符号の説明】
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ、５１ａ〜５１ｆ、７１
ａ、７１ｂ　　超伝導コイル
７０　　真空容器
７２ａ、７２ｂ　　冷凍機
７２−１　　第一段目の冷凍ステージ
７２−２　　第二段目の冷凍ステージ
７３　　コイル冷却用熱伝導体
７３−１　　接続部
７５　　熱輻射シールド体
８０　　スリーブ
８０−１　　先端伝熱部材
９０　　磁気シールド体
【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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