(57)【要約】【課題】液面の空間的な分布を測定することにより、配管の発熱箇所を容易に特定することができる液体ヘリウムの液面計測装置およびその計測方法を提供する。【解決手段】本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置１０は、超電導線１１と、超電導線１１の一端に設けられたヒータ１２と、超電導線１１に所定の電流を流す定電流源１３と、超電導線１１の両端の電位差を測定する電圧計１４とを有する。  超電導線１１は、水平に敷設された非常に細長い配管２０中の液体ヘリウム３０の液面を測定するために、図１に示すように、配管２０の長手方向に平行に設置される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ水平に設置された超電導線と、
前記超電導線のほぼ両端に接続された電流を供給するための配線と、
前記超電導線のほぼ両端に接続された電圧を測定するための配線と、
を有することを特徴とする液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項２】
貯溜された液体ヘリウムの液面にほぼ平行にかつ液中に一部が浸漬されるように設置された超電導線と、
この超電導線のほぼ両端に接続された配線を介して電流を供給する定電流源と、
前記超電導線のほぼ両端に接続された配線を介して電圧を測定する電圧測定手段と、
を有することを特徴とする液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項３】
前記超電導線の少なくとも一端にヒータを設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項４】
前記電圧を測定するための配線を複数有することを特徴とする請求項１記載の液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項５】
ほぼ水平かつ互いにほぼ平行に設置された複数の超電導線と、
この超電導線のうちの任意の超電導線は、
前記超電導線のほぼ両端に接続された電流を供給するための配線と
前記超電導線のほぼ両端に接続された電圧を測定するための配線と、
を有することを特徴とする液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項６】
前記超電導線を水平に保持した板または棒の上、もしくは配管の中に配置したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項７】
前記超電導線を前記電圧を測定するための配線で支持したことを特徴とする請求項４記載の液体ヘリウムの液面計測装置。
【請求項８】
ほぼ水平に設置された超電導線に電流を流すステップと、
前記超電導線の両端の抵抗を測定するステップと、
を有することを特徴とする液体ヘリウムの液面計測方法。
【請求項９】
ほぼ水平かつ互いにほぼ平行に設置された複数の超電導線に電流を流すステップと、
この超電導線のうちの任意の超電導線の両端の抵抗を測定するステップと、
を有することを特徴とする液体ヘリウムの液面計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ヘリウムの液面計測装置およびその計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の液体ヘリウムの液面計測技術として、超電導線とヒータを組み合わせた液面計を用いるものがある（たとえば非特許文献１）。
【０００３】
この液面計は、超電導線の、液体ヘリウム中における抵抗値と液体ヘリウム外の気体（ヘリウムガス）中における抵抗値が異なるという性質を利用し、液体ヘリウムの液面を測定することができるようになっている。超電導線に通電する電流が一定の条件を満たせば、液体ヘリウム中の超電導線は超電導状態となり、ヘリウムガス中の超電導線は常電導状態となる。ヒータは、蒸発ガスによってヘリウムガス中の超電導線が常電導状態から超電導状態へ転移することを防ぐなどのために取り付けられている。
【０００４】
超電導線に通電する電流がこの一定の条件を満たすとき、超電導状態の超電導線の抵抗値はゼロであるのに対し、常電導状態の超電導線の抵抗値は長さに比例した抵抗を持つ。したがって、超電導線全体の抵抗を測定することにより、容易に常電導部分の長さがわかり、液面を測定することができる。この種の液面計は、超電導電磁石装置などを冷却する液体ヘリウムの液面計測に用いられている（たとえば特許文献１）。
【特許文献１】特開２００５−５５７４号公報
【非特許文献１】超伝導・低温工学ハンドブック、低温工学協会編、オーム社（１９９３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の液面計測技術は、液面計の置かれている位置の液面高さのみを測定するものであり、液面全体を測定することはできない。これは、液体ヘリウムの粘性が小さく、通常の容器では液面高さが一定と見なせることから従来は問題にならなかった。
【０００６】
しかし、水平に敷設された非常に細長い配管中に液体ヘリウムを流す場合には、液面高さが長手方向で変化することが考えられる。この液面の変化の原因として、たとえば配管に設置されたカプラーなどで局所的におきる発熱があげられる。局所的な発熱があると、発熱場所の前後で液面差ができ、液面高さが長手方向で変化する場合がある。従来の液面計測技術では、この長手方向の液面変化を捉えるためには、複数の液面計を長手方向に林立させる必要がある。このため、ＩＬＣ（International Linear Collider）などの線形加速器に用いられるような、水平に敷設された数ｋｍにもおよぶ非常に細長い配管中における液体ヘリウムの液面計測に従来の液面計測技術を適用することは困難である。
【０００７】
水平に敷設された非常に細長い配管中の液体ヘリウム液面の変化を捉えることができれば、発熱箇所を容易に特定することができると期待される。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、液面の空間的な分布を測定することにより、配管の発熱箇所を容易に特定することができる液体ヘリウムの液面計測装置およびその計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置は、上述した課題を解決するために、ほぼ水平に設置された超電導線と、前記超電導線のほぼ両端に接続された電流を供給するための配線と前記超電導線のほぼ両端に接続された電圧を測定するための配線とを有することを特徴とするものである。
【００１０】
貯溜された液体ヘリウムの液面にほぼ平行にかつ液中に一部が浸漬されるように設置された超電導線と、この超電導線のほぼ両端に接続された配線を介して電流を供給する定電流源と、前記超電導線のほぼ両端に接続された配線を介して電圧を測定する電圧測定手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置は、上述した課題を解決するために、ほぼ水平かつ互いにほぼ平行に設置された複数の超電導線と、この超電導線のうちの任意の超電導線は、前記超電導線のほぼ両端に接続された電流を供給するための配線と前記超電導線のほぼ両端に接続された電圧を測定するための配線とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測方法は、上述した課題を解決するために、ほぼ水平に設置された超電導線に電流を流すステップと、前記超電導線の両端の抵抗を測定するステップとを有することを特徴とする方法である。
【００１３】
また、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測方法は、上述した課題を解決するために、ほぼ水平かつ互いにほぼ平行に設置された複数の超電導線に電流を流すステップと、この超電導線のうちの任意の超電導線の両端の抵抗を測定するステップと、を有することを特徴とする方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置およびその計測方法によれば、液面の空間的な分布を測定することにより、配管の発熱箇所を容易に特定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置およびその計測方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第１実施形態を示す簡略的な全体構成図である。
【００１７】
液体ヘリウムの液面計測装置１０は、超電導線１１と、超電導線１１の一端に設けられたヒータ１２と、超電導線１１に所定の電流を流す定電流源１３と、超電導線１１の両端の電位差を測定する電圧計１４とを有する。
【００１８】
超電導線１１は、水平に敷設された非常に細長い配管２０中の液体ヘリウム３０の液面を測定するために、図１に示すように、配管２０の長手方向に平行に設置される。図１において、一点鎖線で示した部分は常電導状態を表し、実線で示した部分は超電導状態を表す。ここで、平行に設置とは、長手方向に対して厳密に平行な位置から設置誤差範囲内の位置に設置することをいう。
【００１９】
なお、このとき、超電導線１１は貯溜された液体ヘリウム３０の液面にほぼ平行にかつ液中に一部が浸漬されるように設置されている。また、ヒータ１２は、超電導線１１の一端に設けられる。図１において、破線はヒータ１２が加熱状態であることを示す。
【００２０】
次に、液体ヘリウムの液面計測装置１０の作用について説明する。
【００２１】
図１に示すように、配管の一部に局所的な発熱がある場合、発熱箇所の前後で液面が変化することがある。たとえばＩＬＣ（International Linear Collider）などの線形加速器に用いられるような水平に敷設された数ｋｍにもおよぶ非常に細長い配管では、この局所的な発熱の原因として、超電導キャビティの異常や、高周波カプラー部からの外気熱の進入などがあげられる。
【００２２】
局所的な発熱があると、発熱箇所付近の液体ヘリウムは蒸発する。この蒸発により生じたヘリウムガスは、図１に示すような配管内の蒸発ガスの流れに従って配管内を流れていく。この蒸発ガスの流れは、配管のヘリウムガス回収口の位置によって変化する。この蒸発ガスの流れにより、発熱箇所を起点として液面差が生じる場合がある。この配管の長手方向における液面変化位置を特定するために、以下の手順をおこなう。
【００２３】
超電導線１１に対し、定電流源１３から所定の電流を流す。この電流値の大きさは、ヘリウムガス中で超電導状態にある超電導線１１の一部にある常電導の芽（たとえばヒータ１２）が超電導線１１全体を常電導化できる最小伝播電流値以上で、かつ、液体ヘリウム中で超電導状態にある超電導線１１の一部に常電導の芽（たとえばヒータ１２）があっても冷却が優り、再び超電導状態を回復できる最大回復電流値以下であるようにする。
【００２４】
超電導線１１に対しこの所定の電流を流し、ヒータ１２を加熱すると、超電導線１１のヘリウムガス中の部分は常電導状態となり、液体ヘリウム中の部分は常電導状態を保つことになる。超電導状態の超電導線の抵抗値はゼロであるのに対し、常電導状態の超電導線の抵抗値は長さに比例した抵抗を持つ。このため、超電導線全体の抵抗を測定することにより、容易に常電導部分の長さ、つまりヒータから液面が変化する位置までの長さを測定することができる。
【００２５】
以上の手順により、配管の長手方向における液面変化位置を特定することができる。
【００２６】
この液体ヘリウムの液面計測装置１０によれば、あらかじめ超電導線の設置位置を測定しておくことにより、液体ヘリウムの液面が変化する位置を容易に特定することができる。液面が変化する位置を特定することができれば、想定外の発熱源の場所を容易に特定することができる。
【００２７】
図２は、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第２実施形態を示す簡略的な構成図である。
【００２８】
この実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０Ａは、ヒータ１２を超電導線１１の両端に設置したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
本実施形態では、液面の一部が盛り上がっている場合を想定する。この場合、図２に示すように、超電導線１１の両端にヒータ１２を配置することで液面変化位置をより正確に特定することができる。
【００３０】
液体ヘリウムの液面計測装置１０Ａは、超電導線１１と、超電導線１１の両端に設けられたヒータ１２と、超電導線１１に所定の電流を流す定電流源１３と、超電導線１１の両端の電位差を測定する電圧計１４とを有する。
【００３１】
図２のヒータ１２について、破線はヒータ１２が加熱状態であり、実線は加熱されていない状態であることをそれぞれ示す。
【００３２】
次に、液体ヘリウムの液面計測装置１０Ａの作用について説明する。
【００３３】
図２（ａ）は、紙面左側のヒータ１２を加熱した例を示す図であり、図２（ｂ）は紙面右側のヒータ１２を加熱した例を示す図である。
【００３４】
まず、両端のヒータ１２と電流をＯＦＦにすると、液面計全体が冷却されて超電導状態になる。次に一端（たとえば紙面左側（図２（ａ）参照））のヒータ１２を加熱し、超電導線に所定の電流を通電すると、超電導線１１は、加熱されたヒータ側のヘリウムガス中に出ている部分のみ常伝導状態となる。このため、超電導線１１全体の抵抗を測定することにより、超電導線１１のヘリウムガスにさらされた部分のうち、加熱されたヒータ側の長さを測定することができる。反対側のヒータ１２（たとえば紙面右側（図２（ｂ）参照））を加熱した場合、同様の手順により、超電導線１１のヘリウムガスにさらされた部分のうち、もう一方の長さを測定することができる。
【００３５】
この液体ヘリウムの液面計測装置１０Ａによれば、超電導線１１の両端に設置したヒータを利用することにより、液体ヘリウムの液面の状態を容易に詳細に把握することができ、液面の一部が盛り上がっている場合でも、この盛り上がり箇所を特定することができる。したがって、この液体ヘリウムの液面計測装置１０Ａによれば、想定外の発熱源の場所を容易に特定することができる。
【００３６】
図３は、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第３実施形態を示す簡略的な全体構成図である。
【００３７】
この実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｂは、超電導線１１に対してヒータ１２および電圧計１４を複数設置したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００３８】
本実施形態では、液面の複数個所に盛り上がりがある場合を想定する。この場合、図３に示すように、超電導線１１に対してヒータ１２および電圧計１４を複数設置することで液面状態をより正確に把握することができる。
【００３９】
液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｂは、超電導線１１と、超電導線１１の途中の１箇所または複数個所、および超電導線の両端に設けられたヒータ１２と、超電導線１１に所定の電流を流す定電流源１３と、超電導線１１のヒータ間の電位差を測定する電圧計１４とを有する。
【００４０】
電圧計１４は、各ヒータ間の電位差を測定可能に配線すればよい。したがって、図３に示すように各ヒータ間の電位を直接測定するように配線してもよいし、１箇所、たとえば紙面左端を基準電位として、各電圧計は入力の一端をこの基準電位からとり、もう一方の入力端を各ヒータと接続するように配線してもよい。
【００４１】
次に、液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｂの作用について説明する。
【００４２】
液面の複数個所に盛り上がりがある場合には、超電導線１１の両端にヒータを設置しただけでは、液面全体を把握することができない。
【００４３】
図３に示すように、全てのヒータを加熱し、各ヒータ間の抵抗を測定すれば、各ヒータ間の常電導部分の長さが測定できる。常電導部分が存在し、かつ、常電導部分の長さがヒータ間の長さと異なる場合には、対応するヒータ間の両端のヒータを別々に加熱してこのヒータ間の抵抗を測定することにより、このヒータ間の液体ヘリウムの液面状態を容易に把握することができる。
【００４４】
この液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｂは、超電導線１１の複数個所にヒータ１２を設置し、各ヒータ間の電位差を測定可能に構成されている。このため、ヒータ１２を超電導線１１の両端にのみ設置した場合にくらべ、より詳細に液面の状態を把握することができ、想定外の発熱源の場所を容易に詳細に特定することができる。
【００４５】
また、超電導線１１の中央部分でたるみが発生すると、測定誤差の原因になってしまう。電圧計の配線を用いて超電導線を吊るすことにより、超伝導線を水平に保持し、たるみによる測定誤差を防ぐことができる。
【００４６】
図４は、本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第４実施形態を示す簡略的な構成図である。
【００４７】
この実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｃは、超電導線１１を複数設置したものであり、他の構成および作用は第１実施形態に示された液体ヘリウムの液面計測装置１０と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、液面の一部が盛り上がっている場合を想定する。この場合、図２に示すように、超電導線１１の両端にヒータ１２を配置することで液面変化位置をより正確に特定することができる。
【００４９】
液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｃは、複数の超電導線１１と、超電導線１１の一端に設けられたヒータ１２と、超電導線１１に所定の電流を流す定電流源１３と、超電導線１１の両端の電位差を測定する電圧計１４とを有する。
【００５０】
超電導線１１は、配管の長手方向に平行に、所要の間隔をもって、複数設置される。図４は、液面に対し垂直かつ配管の長手方向に対し平行な面上に、超電導線１１を複数設置した例である。
【００５１】
図４に示すように、ヒータ１２を加熱すると、超電導線１１の常電導部分の長さは、各超電導線の設置位置における液体ヘリウムの液面状態を反映したものとなる。
【００５２】
この液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｃによれば、全ての超電導線１１について両端の抵抗値を測定することにより、液面に対し垂直かつ配管の長手方向に対し平行な面における、液面の断面形状を把握することができる。
【００５３】
また、超電導線１１を一本しか用いない場合、液面全体が上下してしまうと、超電導線１１全体が液面から遠ざかってしまい、液面の局所的な微小変化を捉えることが難しくなる。しかし、この液体ヘリウムの液面計測装置１０Ｃによれば、液面全体が上下してしまった場合にも、複数の超電導線１１のいずれかは液面から適当な位置にあることが期待でき、この適当な位置にある超電導線１１によって液面計測が可能である。
【００５４】
また、液面に対し平行な面上に超電導線１１を複数設置すれば、液面の水平面の断面形状を測定することができる。
【００５５】
なお、第１実施形態ないし第４実施形態は、任意に組み合わせて用いてもよいし、順にまたは並行して実施してもかまわない。
【００５６】
また、超電導線１１を配管の長手方向に対して平行に設置（保持）するにあたり、所要の部材を利用するとよい。たとえば、配管中に水平に配置した有孔の板または棒を設置しこの板または棒の上に超電導線を配置したり、配管中にこの配管の直径より小さい直径を持つ超電導線用配管を通し、この超電導線用配管中に超電導線を通してもよいし、第２実施形態で示したように配管中に複数の電圧計配線がある場合はこの配線に吊るしてもよいし、配管中に液面に対し垂直かつ配管の長手方向に対し平行に板を設置し、この板に適当なターミナル（ねじなど）を長手方向に複数設け、このターミナルにくくりつけてもよい。これらの所要の部材を利用することにより、超電導線１１を配管の長手方向に対して容易に平行に設置（保持）することができる。なお、超電導線の配管中の設置位置さえ正確に測定しておけば、超電導線は、配管の長手方向に対して厳密に平行である必要はなく、厳密な平行の位置から設置誤差程度の範囲内にあればよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第１実施形態を示す簡略的な全体構成図。
【図２】（ａ）は本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第２実施形態において紙面左側のヒータ１２を加熱した例を示す図、（ｂ）は紙面右側のヒータ１２を加熱した例を示す図。
【図３】本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第３実施形態を示す簡略的な全体構成図。
【図４】本発明に係る液体ヘリウムの液面計測装置の第４実施形態を示す簡略的な構成図。
【符号の説明】
【００５８】
１０…液体ヘリウムの液面計測装置、１１…超電導線、１２…ヒータ、１３…定電流源、１４…電圧計、２０…配管、３０…液体ヘリウム。
【図１】
2007225570.tif 000003
【図２】
2007225570.tif 000004
【図３】
2007225570.tif 000005
【図４】
2007225570.tif 000006