(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体ヘリウムを収納する槽と超流動状態にある液体ヘリウムを収納する槽の間に備えられる極低温リードスルーであって、低熱伝導性金属材料からなる太径筒体と、前記太径筒体の内側に配置される低熱伝導性金属からなる複数の細径筒体と、前記太径筒体の両開口端に設けられて前記複数の細径筒体の両端を保持する一対の板部材とを有し、前記太径筒体の両開口端は前記一対の板部材が溶接固定されると共に、該板部材に前記細径筒体の両端が溶接固定され、且つ前記細径筒体の内側にリード線を貫通配置させると共に、前記細径筒体内には有機系固化樹脂を充填して前記リード線を固定する構成としたものであることを特徴とする極低温リードスルー。
【請求項２】
前記太径筒体および細径筒体が、ステンレス鋼からなるものである請求項１に記載の極低温リードスルー。
【請求項３】
前記有機系固化樹脂は、フィラーを含有するものである請求項１または２に記載の極低温リードスルー。
【請求項４】
前記複数の細径筒体は、前記太径筒体の中心から均等・点対称に配置されたものである請求項１〜３のいずれかに記載の極低温リードスルー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）装置用超電導マグネットを構成するクライオスタットに備えられる極低温リードスルーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＮＭＲ装置用超電導マグネットでは、発生する磁場をより高くすることが要求されている。従来から使用されてきた超電導材料であるＮｂＴｉを主材料とするいわゆる合金系材料や、Ｎｂ3Ｓｎに代表される化合物系材料では、液体ヘリウムの沸点である約４．２Ｋにおける上部臨界磁場が、夫々約１１．５Ｔ、約２２Ｔである。そして、こうした超電導材料を用いて、上記の臨界磁場よりも更に高い磁場を発生させる場合には、それらを冷却する液体ヘリウムを減圧して液体へリウムの冷却を行ないつつ超流動状態を達成することによって、超電導材料の上部臨界磁場を上昇させ、その結果として超電導マグネットが発生する磁場を高める方法が採用されるのが一般的である。
【０００３】
即ち、上記の様な超電導マグネットにおいては、被冷却体（液体ヘリウム）を収納する低温容器はクライオスタットと呼ばれているが、このクライオスタットは、４．２Ｋ程度の液体ヘリウムを収納する槽（以下、「４．２Ｋ槽」と呼ぶことがある）と、２．１Ｋ以下の極低温の超流動状態にある液体ヘリウムを収納する槽（以下、「超流動槽」と呼ぶことがある）とに区画されている。そして、４．２Ｋ槽内に収納された液体ヘリウムを、真空雰囲気中にある膨張弁を介して寒冷を発生（膨張冷却）させて、２．１Ｋ以下の超流動状態を実現する様にしている。また、超流動槽内の雰囲気は、超流動ヘリウムの飽和蒸気圧よりも高い圧力にするという観点から加圧された状態（加圧超流動状態）となっている。
【０００４】
ところで、上記の様なクライオスタットでは、マグネット等に電流を供給する為のリード線を配設する必要があるが、こうしたリード線を保持しつつクライオスタット内の４．２Ｋ槽と超流動槽の間の熱交換を低減するという観点から、リードスルーが備えられているのが一般的である。
【０００５】
従来のリードスルーの構成を、図面に基づいて説明する。図１は、従来のリードスルーの構成を示す概略説明図であり、図中１は筒体、２はリード線、３は有機系固化樹脂を夫々示す。このリードスルーにおいては、前記筒体１は厚さが０．５ｍｍ程度である薄肉のステンレス鋼等の低熱伝導性金属材料から構成され、その直径は３０ｍｍ程度である。そして、この筒体１の内側に、リード線２が貫通配置されると共に、筒体１内にエポキシ樹脂等の有機系固化樹脂が充填されて前記リード線２が固定される。また、図１では図示していないが、上記筒体１の両開口端は、前記リード線２を貫通できる一対のプレート（板部材）が溶接固定される。尚、前記リード線２は、例えばＮｂ3ＳｎやＮｂＴｉからなり、その表面が絶縁処理されているのが一般的であるが、前記エポキシ樹脂によって、相互に絶縁された状態にすることもできる。
【０００６】
そして、上記の様な構成のリードスルーは、その一端側（例えば上端側）が前記４．２Ｋ槽側に臨み、側面側が真空雰囲気に臨み、他端側（例えば下端側）が超流動槽側にある様に配置される。超流動ヘリウムは僅かな隙間を通り抜け、熱侵入の原因となるので、他端側の超流動ヘリウムが４．２Ｋ槽側にリークしない構成であることが要求される。尚、超流動ヘリウムが通過するということは、この部分の真空封止性が悪いということを同等である。しかしながら、図１に示した様な従来のリードスルーでは、下記に示す様に欠点があり、その機能を十分に発揮していないのが実状である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１に示した様な従来のリードスルーでは、有機系固化樹脂３はステンレス鋼製筒体１側から冷却されることになるが、エポキシ樹脂等の有機系固化樹脂３は熱伝導率が低いので、その外周部（筒体１に接触している部分近傍）だけが冷却されて収縮しようとする。そして図１に示したリードスルーでは、有機系固化樹脂３は筒体１の全体に充填された状態であるので、中央部と前記外周部において収縮応力に差が生じ、この収縮応力差に耐えられず有機系固化樹脂３の外周に割れが生じることになる。この様な割れが生じると、リードスルーを介して液体ヘリウムの物質流が生じ、４．２Ｋ槽側の熱が超流動槽側に流入して、クライオスタットにおける加圧超流動冷却が効果的に遂行されなくなる。
【０００８】
本発明はこうした状況の下でなされたものであって、その目的は、２つの槽間の超流動ヘリウムの物質流を防止して４．２Ｋ槽側の熱流入を防止し、クライオスタットにおける加圧超流動冷却を有効に遂行できる様な極低温リードスルーの構成を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の極低温リードスルーとは、液体ヘリウムを収納する槽と超流動状態にある液体ヘリウムを収納する槽の間に備えられる極低温リードスルーであって、低熱伝導性金属材料からなる太径筒体と、前記太径筒体の内側に配置される低熱伝導性金属からなる複数の細径筒体と、前記太径筒体の両開口端に設けられて前記複数の細径筒体の両端を保持する一対の板部材とを有し、前記太径筒体の両開口端は前記一対の板部材が溶接固定されると共に、該板部材に前記細径筒体の両端が溶接固定され、且つ前記細径筒体の内側にリード線を貫通配置させると共に、前記細径筒体内には有機系固化樹脂を充填して前記リード線を固定する構成としたものである点に要旨を有するものである。
【００１０】
上記本発明の極低温リードスルーにおいては、前記太径筒体および細径筒体は、ステンレス鋼からなるものが挙げられる。また、前記有機系固化樹脂は、フィラーを含有するものであることが、強度向上の点から好ましい。更に、前記複数の細径筒体は、前記太径筒体の中心から均等・点対称に配置されたものであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するべく、極低温リードスルーの最適な構成について様々な角度から検討した。そしてまず、ステンレス鋼製パイプの接触する部分の有機系固化樹脂の厚みを薄くするという観点から、次の様な構成が有効であるとの着想が得られた。即ち、図２に示す様に、薄肉の３０ｍｍφステンレス製パイプ１ａの中に、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる外径２９ｍｍの円柱状部材４を、エポキシ樹脂等の有機系固化樹脂５を介して嵌め込み、この円柱状部材４に３ｍｍφの貫通孔６を複数本穿設し、この貫通孔６内にリード線２を通すと共に、エポキシ樹脂等の有機系固化樹脂７を充填して前記リード線２を固定する構成に着目した。尚、ステンレス鋼製パイプ１ａの両開口端は、一対のプレート（板部材）が溶接固定されるのは前記図１に示した構成と同様である。
【００１２】
こうした構成では、ステンレス鋼製パイプ１ａの内周面に接触する有機系固化樹脂５の厚みを低減でき、極低温での有機系固化樹脂自体での温度勾配が生じることが回避されて、収縮応力の差による割れの発生を防止できることが期待された。しかしながら、こうした構成を採用した場合には、次に示す様な若干の問題が生じ、本発明の上記目的を達成するには至らなかった。
【００１３】
即ち、上記の様な構成にすれば、有機系固化樹脂層自体における割れの発生は回避することができたが、極低温状態でＦＲＰ（円柱状部材４）と有機系固化樹脂５，７との界面において剥離が生じていた。こうしたことから本発明者らは、ＦＲＰとの接着性の良好なエポキシ樹脂を用いて上記の様な構成のリードスルーを作製し、その特性について調査した。
【００１４】
しかしながら、ＦＲＰとの接着性の良好な有機系固化樹脂を用いた場合には、ステンレス鋼製パイプ１ａと有機系固化樹脂５との界面で剥離が生じていた。結局のところ、ＦＲＰとステンレス鋼の両方に接着性の良好な有機系固化樹脂が存在しないので、上記の様な構成のリードスルーを構成しても上記課題の根本的な解決には至らなかったのである。
【００１５】
そこで本発明者らは更に鋭意研究を重ねた結果、上記の様に、低熱伝導性金属材料からなる太径筒体と、同じく低熱伝導性金属からなる複数の細径筒体とを巧みに組み合わせて、上記の様な構成とすれば前記本発明の目的が見事に達成されることを見出し、本発明を完成した。次に、本発明のリードスルーの構成を、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図３は、本発明のリードスルーの構成を示す概略説明図であり、図中１ｂは太径筒体、２ａはリード線、７ａは有機系固化樹脂、８は複数の細径筒体、９は板部材を夫々示す。
【００１７】
前記太径筒体１ｂは、ステンレス鋼等の低熱伝導性金属からなり、例えば厚み０．５ｍｍ程度の薄肉のもので直径が３０ｍｍφ程度のパイプ状にしたものである。この太径筒体１ｂの内側には、同じく低熱伝導性金属からなる複数の細径筒体８が配置され、この細径筒体８は例えば厚み０．２ｍｍ程度の薄肉のもので直径が３ｍｍφ程度のパイプ状にしたものである。そして、この細径筒体８内に、例えばＮｂ3ＳｎやＮｂＴｉからなるリード線２ａを貫通配置させると共に、エポキシ樹脂等の有機系固化樹脂７ａを充填して前記リード線２ａを固定する構成としたものである。
【００１８】
板部材９は、図３では一つしか図示していないが上下一対形成され、前記太径筒体１ｂの両開口端に設けられ、その貫通孔９ａに前記複数の細径筒体８の両端を嵌め込んで溶接等によって保持するものである。尚、細径筒体８は、極低温冷却時に不均一な応力が集中して割れや歪み等が生じるの防止するという観点から、太径筒体１ａの中心から均等・点対称に配置されることが好ましい。また、前記リード線２ａは、細径筒体８に内に前記有機系固化樹脂７ａを充填した段階で相互に絶縁された状態にすることもできるが、細径筒体８の半径が小さいので前記エポキシ樹脂によって絶縁状態にすることが困難な場合があるので、その表面をフォルマール等によって予め絶縁処理しておくことが好ましい。
【００１９】
本発明のリードスルーにおいては、図３に示した様に、太径筒体１ｂの内側に複数の細径筒体８を配置し、この細径筒体８内にリード線２ｂを貫通配置させると共に、前記細径筒体８内に有機系固化樹脂７ａを充填して前記リード線２ａを固定する構成としたものであり、有機系固化樹脂７ａが充填される部分は前記細径筒体８内だけであるので（即ち、太径筒体１ｂと細径筒体８の間には何も充填されない）、極低温雰囲気において有機系固化樹脂７ａ自体には温度勾配が生じることなく均一に冷却され、有機系固化樹脂７ａに割れが発生することはない。また、上記構成では有機系固化樹脂７ａが接触する部分はステンレス鋼等の細径筒体８だけであるので、こうした細径筒体８との接着強度を高める有機系固化樹脂の選択も可能であり、ＦＲＰを用いた場合の様な不都合も生じない。更に、本発明のリードスルーにおいては、細径筒体８によってリードスルー上部雰囲気との真空封止性が確保されることになるので、前記太径筒体１ｂ自体には真空封止性は要求されず、例えば太径筒体に亀裂が生じた場合であってもリードスルーによる真空封止性は確保されることになる。
【００２０】
尚、本発明のリードスルーにおいては、太径筒体１ｂや細径筒体８の素材としては、使用環境の要求から低熱伝導性金属材料である必要があり、その代表的なものとして前述したステンレス鋼が挙げられるが、その他インバー合金やインコネル等を用いることができ、また太径筒体１ｂと細径筒体８の素材を同一または異なって構成することもできる。また、本発明のリードスルーで用いる有機系固化樹脂としては、上記したエポキシ樹脂（エポキシ系接着剤）が代表的なものとして挙げられるが、低温で使用可能なものであれば他の有機系固化樹脂を用いることができる。また、有機系固化樹脂部分の強度を更に向上させるという観点から、必要によってアルミナ等のフィラーを樹脂内に含有させることも有効である。
【００２１】
以下、本発明を実施例によって本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変形することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００２２】
【実施例】
比較例１
薄肉（厚み：０．５ｍｍ）の３０ｍｍφステンレス製パイプの中に、ＮｂＴｉからなるリード線を通し、この中を低温用エポキシ系接着剤（商品名「スタイキャスト」）で充填して前記リード線を固定し、図１に示した様なリードスルーを作製した。
【００２３】
このリードスルーだけの冷却試験を、５０Ｋ／ｈｒでゆっくり冷却しながら行なったところ、２００Ｋ程度まで冷却したときにエポキシ系接着剤が割れる音がし、真空封止が不可能になった。上記のリードスルーを取り出して観察したところ、エポキシ系接着剤を充填した外周部分に割れが生じていることが確認できた。
【００２４】
上記と同一構造のリードスルーを別途作製し、このパーツを複数個組み込んでクライオスタッドで加圧超流動冷却を試みたが、４．２Ｋ槽から超流動槽への熱流入およびヘリウム流入が大きくなって、超流動槽の温度は２．１Ｋにとどまった。また、４．２Ｋ槽側が減圧気味になってしまった。結局のところ、マグネットの励磁を開始できる状況にはならなかった。
【００２５】
比較例２
薄肉（厚み：０．５ｍｍ）の３０ｍｍφステンレス製パイプの中に、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）からなる外径２９ｍｍの円柱状部材を、後記エポキシ系接着剤を介して嵌め込み、この円柱状部材に３ｍｍφの貫通孔を複数本穿設した。そして、この貫通孔に前記の様なリード線を通し、その中を低温用エポキシ系接着剤（商品名「スタイキャスト」）で充填して前記リード線を固定し、前記図２に示した様なリードスルーを作製した。
【００２６】
このリードスルーだけの冷却試験を、５０Ｋ／ｈｒでゆっくり冷却しながら行なったところ、１２０Ｋ程度まで冷却したときに真空封止が不良になった。このリードスルーを取り出して観察したところ、エポキシ系接着剤には割れが生じていなかったものの、ＦＲＰとエポキシ系接着剤の界面に剥がれが生じていた。
【００２７】
そこで、ＦＲＰとの接着性が良好とされるエポキシ系接着剤を用いて同一構造のリードスルーを作製し、このリードスルーを用いて低温冷却試験を行なったところ、１０５Ｋまで冷却したときに真空封止が不良になった。そして、このリードスルーを取り出して観察したところ、ＦＲＰとエポキシ系接着剤の界面には剥がれが生じていなかったものの、エポキシ系接着剤とステンレス鋼との界面で剥がれが発生していた。
【００２８】
ステンレス鋼との接着性が良好とされるエポキシ系接着剤を用いて、上記と同一構造のリードスルーを別途作製し、このパーツを複数個組み込んでクライオスタッドで加圧超流動冷却を試みた。その結果、比較例と比べて４．２Ｋ槽から超流動槽への熱流入およびヘリウム流入が小さくなって改善が見られたものの、最低到達温度は、１．６５Ｋにとどまり、封止部分の熱侵入量は０．８Ｗと目標の４倍にもなっていた。これは、ＮＭＲ運転時に大量のへリウム消費となってしまうことを意味する。
【００２９】
実施例１
薄肉（厚み：０．５ｍｍ）の３０ｍｍφステンレス鋼製パイプの両開口端に、ステンレス鋼からなる一対の板部材を溶接固定した。この一対の板部材に、３ｍｍφの穴を対向する同じ位置に複数個開け、ここに外径３ｍｍφで薄肉（厚み：０．２ｍｍ）のステンレス鋼製パイプを通し、このパイプの両端部付近を溶接によって固定した。そして、この薄肉ステンレス鋼製パイプ内にＮｂＴｉからなるリード線を通し、この中を低温用エポキシ系接着剤（商品名「スタイキャスト」）で充填して前記リード線を固定し、前記図３に示したリードスルーを作製した。
【００３０】
次に、このリードスルーの３０ｍｍφステンレス鋼製パイプの円筒側面に２ｍｍφ程度の穴を２箇所開けた。そして、このポートだけの冷却試験を５０Ｋ／ｈｒでゆっくり冷却しながら行なったところ、４．２Ｋまで冷却しても真空封止は完全であった。
【００３１】
上記と同一構造のリードスルーを別途作製し、このリードスルーを複数個組み込んでクライオスタッドで加圧超流動冷却を試みたところ、４．２Ｋ槽から超流動槽への熱流入は極めて小さく、最低到達温度は１．４Ｋ以下となった。また、封止部分の熱侵入量は、０．１２Ｗと許容値０．２Ｗより大幅に低く抑えられ、高性能が実現された。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、超流動ヘリウムの物質流を防止して、４．２Ｋ槽側から超流動槽への熱流入を防止し、クライオスタットにおける加圧超流動冷却を有効に遂行できる様な極低温リードスルーが実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のリードスルーの構成を示す概略説明図である。
【図２】試作したリードスルーの構成を示す概略説明図である。
【図３】本発明のリードスルーの構成を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１  筒体
１ｂ  太径筒体
２，２ａ  リード線
３，５，７，７ａ  有機系固化樹脂
８  細径筒体
９  板部材
【図１】
0004114766.tif 000002
【図２】
0004114766.tif 000003
【図３】
0004114766.tif 000004