(57)【要約】【課題】本発明は磁場が装置外部に漏洩するのを防止する磁気シールドを有した磁場発生装置に関し、支持部材の配設数を少なくまた断面積を小さく維持しつつ、確実に超電導コイルを支持することを課題とする。【解決手段】水平磁場を発生する複数の超電導コイル超電導コイル１５ａ〜１５ｄと、この超電導コイル１５ａ〜１５ｄを内設し磁場が装置外部に漏洩するのを防止する磁気シールド１２と、この磁気シールド１２内に配設されると共に複数の超電導コイル１５ａ〜１５ｄを保持するコイル保持部材２０と、磁気シールド１２とコイル保持部材２０との間に配設されると共に磁気シールド１２に対しコイル保持部材２０を支持する支持部材１６とを有する構成とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平磁場を発生する複数の超電導コイルと、
該超電導コイルを内設し、磁場が装置外部に漏洩するのを防止する磁気シールドと、
該磁気シールド内に配設されており、前記複数の超電導コイルを保持するコイル保持部材と、
前記磁気シールドと前記コイル保持部材との間に配設され、前記磁気シールドに対し前記コイル保持部材を支持する支持部材と
を有することを特徴とする磁場発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、リング形状であることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、非磁性材よりなることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項４】
請求項３記載の磁場発生装置において、
前記非磁性材は、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、及び銅合金の群より選択される一の材料よりなることを特徴とする磁場発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、断面が略Ｈ形状とされた部材を含むことを特徴とする磁場発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁場発生装置に係り、特に磁場が装置外部に漏洩するのを防止する磁気シールドを有した磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、磁場発生装置として超電導マグネット装置が知られている。この超電導マグネットは、常電導マグネットでは発生不可能な２Ｔ以上の強磁場を発生させることが可能なため、強磁場下での物性測定、磁性流体制御、磁気配向など、各種磁場を用いた研究、産業プロセスで用いられている。
【０００３】
また、その中でも、マグネットを冷却する方式として冷凍機を用いる冷凍機冷却型（ヘリウムフリー型）超電導マグネットは、従来の冷却のように液体ヘリウムを使用しないことから、操作性の容易さや安全性、また、装置の小型化、長時間運転の容易さ、コスト面でも優れているために利用の場を拡大してきている。
【０００４】
図１乃至図４は、従来の磁気シールド２を取り付けたヘリウムフリー超電導マグネット装置１（以下、磁場発生装置という）の一例を示している。図１は磁場発生装置１の平面図、図２は磁場発生装置１の超電導コイル５ａ〜５ｄを透視した状態で示す斜視図、図３は磁場発生装置１の横断面図、図４は図３におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【０００５】
磁場発生装置１は、大略すると磁気シールド２，真空容器３，ギフォード・マクマホン式冷凍機４（以下、ＧＭ冷凍機という），超電導コイル５ａ〜５ｄ，支持部材６，及び熱シールド８等により構成されている。この磁場発生装置１は、図１及び図２に示されるように、中央に磁場空間９が形成された円筒形状を有している。磁場発生装置１により磁界を印加しようとする被磁界印加物（例えば、例えば磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いたシリコン単結晶製造装置）は、この磁場空間９の内部に配設される。
【０００６】
磁気シールド２は、超電導コイル５ａ〜５ｄで発生する磁界が装置外部に漏洩するのを防止するものである。このため、磁気シールド２は軟鋼等の磁性材により形成されている。また、磁気シールド２の内部には真空とされた真空容器３が配設され、更に真空容器３の内部には外部からの輻射熱を遮断する熱シールド８が設けられている。超電導コイル５ａ〜５ｄは、この熱シールド８の内部に配設されている。
【０００７】
磁場発生装置１は、４個の超電導コイル５ａ〜５ｄが設けられたマルチコイルシステムを採用している。このため、各超電導コイル５ａ〜５ｄは、超電導コイル５ａと超電導コイル５ｃが対向するよう配設され、超電導コイル５ｂと超電導コイル５ｄが対向するよう構成されている。このように配設された各超電導コイル５ａ〜５ｄは、協働して磁場空間９内に水平磁場を形成するよう構成されている。
【０００８】
また、超電導コイル５ａ〜５ｄはＧＭ冷凍機４と熱的に接続されており、このＧＭ冷凍機４により臨界温度以下まで冷却される構成とされている。これにより超電導コイル５ａ〜５ｄは超電導状態とされ、前記のように磁場空間９内に常電導マグネットでは発生不可能な２Ｔ以上の強磁場を発生させる。
【０００９】
また、前記のように超電導コイル５ａ〜５ｄは真空容器３及び熱シールド８の内部に配設されている。このため、磁場発生装置１の外部の熱が超電導コイル５ａ〜５ｄに熱伝導することはなく、これによりＧＭ冷凍機４の冷却効率を高める構成とされている。
【００１０】
ここで、上記機能を奏する超電導コイル５ａ〜５ｄの磁場発生装置１内における取り付け構造に注目すると、従来では超電導コイル５ａ〜５ｄは、コイル取り付け部材７に取り付けられる構成とされていた。また、コイル取り付け部材７は、磁気シールド２に固定された支持部材６に支持される構成とされていた。即ち、超電導コイル５ａ〜５ｄは、支持部材６及びコイル取り付け部材７を介して磁気シールド２に支持される構成とされていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁場発生装置１で採用している磁場空間９内に水平磁場を形成するマルチコイルシステムでは、前記したように各超電導コイル５ａ〜５ｄは協働して水平磁場を形成する。しかしながら、個々の超電導コイル５ａ〜５ｄが発生する磁力は、隣接する超電導コイル間及び磁気シールド２との間でも作用する。
【００１２】
具体的には、隣接する超電導コイル間（例えば、超電導コイル５ａと超電導コイル５ｂ）は互いに反発し合う。また、個々の超電導コイル５ａ〜５ｄは、近接した位置に有る磁気シールド２と引き合う。図３に、各超電導コイル５ａ〜５ｄに作用する力を太字の矢印で示している。この時に作用する力は、磁場発生装置１の仕様により異なるが、数トンから数十トンに及ぶ。
【００１３】
このため、従来では各超電導コイル５ａ〜５ｄを支持する支持部材６は、強固に形成されていた。即ち、支持部材６の断面積を大きく設定すると共に、図３及び図４から判るように配設数も各コイル取り付け部材７に４本も設けられた構成とされていた。
【００１４】
しかしながら、前記のように支持部材６は磁気シールド２に支持された構成とされている。即ち、断熱支持部材６は、超電導コイル５ａ〜５ｄへ外部の熱が侵入しないよう配設された真空容器３及び熱シールド８を貫通し、その外部に配設された磁気シールド２に固定された構成とされている。この磁気シールド２は、ＧＭ冷凍機４により冷却されてはおらず室温である。
【００１５】
よって、支持部材６の配設数が多くかつ断面積が大きいと、この支持部材６を介して外部の熱が超電導コイル５ａ〜５ｄに伝わってしまい、超電導コイル５ａ〜５ｄを冷却するために大きな冷却能力が必要になるという問題点が生じる。
【００１６】
また、近年では磁場発生装置１の近傍に各種電子機器等を配置することが多く、よって磁場発生装置１からの漏洩磁場の抑制が強く望まれている。これを実現するためには、磁気シールド２を厚く形成する必要があるが、磁気シールド２が厚くなるとこれに伴い各超電導コイル５ａ〜５ｄと磁気シールド２との間に発生する吸引力も強くなり、支持部材６の配設数を多く、また断面積を大きくする必要が生じる。よって、この点からも、上記理由により大きな冷却能力が必要になってしまう。
【００１７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、支持部材の配設数を少なくまた断面積を小さく維持しつつ、確実に超電導コイルを支持しうる磁場発生装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１記載の発明は、
水平磁場を発生する複数の超電導コイルと、
該超電導コイルを内設し、磁場が装置外部に漏洩するのを防止する磁気シールドと、
該磁気シールド内に配設されており、前記複数の超電導コイルを保持するコイル保持部材と、
前記磁気シールドと前記コイル保持部材との間に配設され、前記磁気シールドに対し前記コイル保持部材を支持する支持部材とを有することを特徴とするものである。
【００２０】
上記発明によれば、複数の超電導コイルは、磁気シールド内に配設されると共に支持部材により磁気シールドに対して支持されたコイル保持部材により保持されるため、隣接する超電導コイル間及び超電導コイルと磁気シールドとの間に力が作用しても、この力はコイル保持部材にのみ作用する。よって、支持部材に印加される力は小さく、支持部材の配設数を少なく、また断面積を小さくすることができる。これにより、支持部材を介して超電導コイルに侵入する外部の熱量を低減することができる。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、リング形状であることを特徴とするものである。
【００２２】
上記発明によれば、隣接する超電導コイル間及び超電導コイルと磁気シールドとの間で発生する力がコイル保持部材に作用しても、コイル保持部材はリング形状であるため、コイル保持部材の特定位置に応力が集中するようなことはなく、コイル保持部材の経時的な劣化を抑制することができる。
【００２３】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、非磁性材よりなることを特徴とするものである。
【００２４】
上記発明によれば、コイル保持部材を非磁性材としたことにより、超電導コイルで発生する磁力がコイル保持部材との間に作用することを防止できる。
【００２５】
また、請求項４記載の発明は、
請求項３記載の磁場発生装置において、
前記非磁性材は、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、及び銅合金の群より選択される一の材料よりなることを特徴とするものである。
【００２６】
また、請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれかに記載の磁場発生装置において、
前記コイル保持部材は、断面が略Ｈ形状とされた部材を含むことを特徴とするものである。
【００２７】
上記発明によれば、機械的強度が強い断面が略Ｈ形状とされた部材をコイル保持部材が含む構成としたことにより、超電導コイルの発生する磁力が強くてもコイル保持部材の小型化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２９】
図５乃至図７は、本発明の第１実施例である磁場発生装置１０Ａを示している。図５は磁場発生装置１０Ａの横断面図、図６は図５におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図、図７は磁場発生装置１０Ａの縦断面図である。尚、磁場発生装置１０Ａの平面視した状態及び超電導コイル１５ａ〜１５ｄを透視した状態は、先の説明に用いた図１及び図２に示したのと同様に現れるため、その図示は省略するものとする。
【００３０】
本実施例に係る磁場発生装置１０Ａは、後述するようにマルチコイルシステムを採用しており、水平磁場を発生する構成とされている。また、この磁場発生装置１０Ａは、例えばシリコン単結晶を磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いて成長させる際、溶融したシリコン単結晶に磁界印加するのに用いられるものである。
【００３１】
磁場発生装置１０Ａは、大略すると磁気シールド１２，真空容器１３，ギフォード・マクマホン式冷凍機１４（以下、ＧＭ冷凍機という），超電導コイル１５ａ〜１５ｄ，支持部材１６，熱シールド１８、及びコイル保持部材２０等により構成されている。
【００３２】
磁気シールド１２は軟鋼等の磁性材により形成されており、超電導コイル１５ａ〜１５ｄで発生する磁界が装置外部に漏洩するのを防止するものである。この磁気シールド１２は、円筒状の本体部１２ａと、この本体部１２ａの上端に配設された円盤状の上板部１２ｂと、本体部１２ａの下端に配設された円盤状の底板部１２ｃとにより構成されている。
【００３３】
真空容器１３は、磁気シールド１２の内部に配設されている。この磁気シールド１２は内部が真空とされており、装置外部の熱が内部に熱伝導しないよう構成されている（図５には、真空容器１３の図示を省略している）。熱シールド１８は、真空容器１３の内部に配設されている。この熱シールド１８は、外部からの輻射熱を遮断する機能を奏する。
【００３４】
超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、この熱シールド１８の内部に配設されている。本実施例に係る磁場発生装置１０Ａは、４個の超電導コイル１５ａ〜１５ｄが設けられたマルチコイルシステムを採用している。このため、各超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、超電導コイル１５ａと超電導コイル５ｃとが対をなして対向するよう配設され、超電導コイル５ｂと超電導コイル１５ｄとが対をなして対向するよう配設されている。
【００３５】
このように配設された各超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、協働して磁場空間１９内に水平磁場を形成するよう構成されている。尚、本実施例では上記のように４個の超電導コイル１５ａ〜１５ｄを用いた例を示しているが、装置内に配設される超電導コイル数は４個に限定されるものではない。
【００３６】
ＧＭ冷凍機１４は二段のシリンダを有しており、一段目のシリンダは熱シールド１８に、また二段目のシリンダは各超電導コイル１５ａ〜１５ｄに熱的に接続されている。このＧＭ冷凍機１４は、内設されたディスプレーサをシリンダ内で往復移動させることにより、図示しない冷凍機コンプレッサから供給される高圧冷媒を膨張させ、これによりシリンダ内に寒冷を発生させて超電導コイル１５ａ〜１５ｄ及び熱シールド１８を冷却する構成とされている。
【００３７】
超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、このＧＭ冷凍機１４により臨界温度以下まで冷却される構成とされている。これにより超電導コイル１５ａ〜１５ｄは超電導状態とされ、前記のように磁場空間１９内に常電導マグネットでは発生不可能な２Ｔ以上の強磁場を発生させる。また、前記のように超電導コイル１５ａ〜１５ｄは真空容器１３及び熱シールド１８の内部に配設されている。このため、磁場発生装置１０Ａの外部の熱が超電導コイル１５ａ〜１５ｄに熱伝導することはなく、これによりＧＭ冷凍機１４の冷却効率を高める構成とされている。
【００３８】
ここで、本実施例に係る磁場発生装置１０Ａにおける、超電導コイル１５ａ〜１５ｄの取り付け構造について説明する。
従来では、図３及び図４を用いて説明しように、超電導コイル５ａ〜５ｄは、磁気シールド２に固定されたコイル取り付け部材７に直接取り付けられることにより、磁場空間９内に強磁場を形成する構成とされていた。しかしながら、この構成であると、各超電導コイル５ａ〜５ｄで発生した磁力が隣接する超電導コイル間及び磁気シールド２との間でも作用し、この力を支えるために支持部材６の断面積を大きくまた配設数も増やす必要があり、よって支持部材６を介して外部の熱が熱シールド８内に侵入してしまうことは前述した通りである。
【００３９】
これに対して本実施例に係る磁場発生装置１０Ａは、超電導コイル１５ａ〜１５ｄをコイル保持部材２０により保持する構成としている。具体的には、各超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、図６に示されるようにコイル取り付け部材１７を用い、このコイル取り付け部材１７をコイル保持部材２０にネジ２１によりネジ止めすることによりコイル保持部材２０に固定される。
【００４０】
このコイル保持部材２０はリング状の形状を有しており、熱シールド１８内に配設されている。また、コイル保持部材２０は、非磁性材より形成されている。具体的には、コイル保持部材２０はオーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、及び銅合金の群より選択される一の材料より形成されている。
【００４１】
上記構成とされたコイル保持部材２０は、支持部材１６により磁気シールド１２に対して支持する構成とされている。即ち、コイル保持部材２０は、磁気シールド１２とコイル保持部材２０との間に配設され、磁気シールド１２に対してコイル保持部材２０を支持する構成とされている。
【００４２】
上記のように本実施例に係る磁場発生装置１０Ａでは、複数の超電導コイル１５ａ〜１５ｄが磁気シールド１２内に配設されると共に、支持部材１６により磁気シールド１２に対して支持されたコイル保持部材２０に保持された構成とされている。このため、隣接する超電導コイル１５ａ〜１５ｄの間、及び各超電導コイル１５ａ〜１５ｄと磁気シールド１２（磁性体よりなる）との間に、超電導コイル１５ａ〜１５ｄで発生する磁力による力作用しても、この力はコイル保持部材１２にのみ作用する。
【００４３】
即ち、磁気シールド１２はリング形状（閉ループ）であるため、隣接する超電導コイル１５ａ〜１５ｄの間、及び各超電導コイル１５ａ〜１５ｄと磁気シールド１２との間で発生する力がコイル保持部材２０に作用しても、この力はコイル保持部材２０内で相殺されてしまい、コイル保持部材２０の外部に上記の力が作用することはない。これにより、コイル保持部材２０を支持する支持部材１６に印加される力は小さくなり、よって支持部材１６の配設数を少なく、また断面積を小さくすることができる。
【００４４】
このように、本実施例に係る磁場発生装置１０Ａでは、支持部材１６の配設数が少なく、また断面積が小さくできることにより、この支持部材１６を介して超電導コイル１５ａ〜１５ｄに侵入する外部の熱量を低減することができる。よって、超電導コイル１５ａ〜１５ｄを冷却するために大きな冷却能力は不要となり、ＧＭ冷凍機１４の小型化及び配設数を少なくすることができ、磁場発生装置１０Ａの低コスト化を図ることができる。
【００４５】
また、磁場発生装置１０Ａからの漏洩磁場を少なくするために磁気シールド１２を厚く形成し、これにより超電導コイル１５ａ〜１５ｄと磁気シールド１２との間に発生する力（吸引力）が大きくなっても、前記のようにこの力はコイル保持部材２０で相殺される。よって、磁気シールド１２を厚くし、漏洩磁場を抑制する構成としても、支持部材１６を介して超電導コイル１５ａ〜１５ｄに侵入する外部熱量の低減を図ることができる。
【００４６】
また、上記したようにコイル保持部材２０はリング形状を有しているため、コイル保持部材２０の特定位置に応力が集中するようなことはない。よって、超電導コイル１５ａ〜１５ｄが大きな磁力を発生し、これによる力がコイル保持部材２０に印加されても、コイル保持部材２０が経時的に劣化するようなことはなく、これによっても磁場発生装置１０Ａの信頼性を高めることができる。
尚、コイル保持部材２０の形状は必ずしもリング状に限定されるものではなく、超電導コイル１５ａ〜１５ｄが発生する磁力に起因して発生する力を相殺しうる形状であれば、具体的には閉ループであれば他の形状（例えば、楕円状、矩形状、三角状等）としてもよい。
【００４７】
更に、本実施例に係る磁場発生装置１０Ａは、コイル保持部材２０を非磁性材により形成さているため、超電導コイル１５ａ〜１５ｄが磁力を発生しても、この磁力がコイル保持部材２０に作用することはない。よって、これによっても支持部材１６の配設数及び断面積の減少を図ることができる、支持部材１６を介して超電導コイル１５ａ〜１５ｄに侵入する外部の熱量を低減することができる。
【００４８】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図８は、本発明の第２実施例であるコイル保持部材２０Ｂを示している。尚、図８において、図５乃至図８に示した構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４９】
本実施例に係るコイル保持部材２０Ｂは、超電導コイル１５ａ〜１５ｄを保持するコイル保持部材３０を構成するメンバーとして、断面が略Ｈ形状とされた部材３１（以下、Ｈ形材３１という）を含むことを特徴としている。このＨ形材３１は、保持部材本体３２に固定されている。また、超電導コイル１５ａ〜１５ｄは、このＨ形材３１にコイル取り付け部材１７により取り付けられた構成とされている。
【００５０】
このＨ形材３１は、そのＨ形の形状より断面二次モーメントが大きく、よって機械的強度が強い。このため、超電導コイル超電導コイル１５ａ〜１５ｄが発生する磁力に起因してコイル保持部材３０に力が印加されても、Ｈ形材３１によりコイル保持部材３０の機械的強度が強められているため、小型化のコイル保持部材３０で確実に超電導コイル１５ａ〜１５ｄによる力を受けることができる。よって、本実施例に係る磁場発生装置１０Ｂによれば、コイル保持部材３０の小型化及び構造の簡単化を図ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００５２】
請求項１記載の発明によれば、支持部材の配設数を少なく、また断面積を小さくすることができるため、支持部材を介して超電導コイルに侵入する外部の熱量を低減することができる。
【００５３】
また、請求項２記載の発明によれば、コイル保持部材はリング形状であるためコイル保持部材の特定位置に応力が集中することを防止でき、よってコイル保持部材の経時的な劣化を抑制することができる。
【００５４】
また、請求項３記載の発明によれば、コイル保持部材を非磁性材としたことにより、超電導コイルで発生する磁力がコイル保持部材との間に作用することを防止できる。
【００５５】
また、請求項４記載の発明のように、非磁性材としては、オーステナイト系ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、及び銅合金等の材質を用いることができる。
【００５６】
また、請求項５記載の発明によれば、超電導コイルの発生する磁力が強くてもコイル保持部材の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一例である磁場発生装置の平面図である。
【図２】従来の一例である磁場発生装置の斜視図である。
【図３】従来の一例である磁場発生装置の横断面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】本発明の第１実施例である磁場発生装置の横断面図である。
【図６】図５におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】本発明の第１実施例である磁場発生装置の縦断面図である。
【図８】本発明の第２実施例である磁場発生装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ  磁場発生装置
１２  磁気シールド
１３  真空容器
１４  ＧＭ冷凍機
１５ａ〜１５ｄ  超電導コイル
１６  支持部材
１７  コイル取り付け部材
１８  熱シールド
１９  磁場空間
２０，３０  コイル保持部材
３１  Ｈ形材
【図１】
2005033005.tif 000003
【図２】
2005033005.tif 000004
【図３】
2005033005.tif 000005
【図４】
2005033005.tif 000006
【図５】
2005033005.tif 000007
【図６】
2005033005.tif 000008
【図７】
2005033005.tif 000009
【図８】
2005033005.tif 000010