(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に生体検査用の脳磁計測センサが設置されると共に前記脳磁計測センサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、前記内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との間に真空層を形成する外槽と、前記ネック部に接続されて前記真空層に配置される第一のサーマルアンカーと、前記第一のサーマルアンカーに接続されて前記真空層に配置されるサーマルシールド、とを有するクライオスタットにおいて、
前記内槽及び前記外槽は有底筒状で前記脳磁計測センサは前記内槽の底部に設置され、前記底部の近傍の前記真空層内に前記サーマルシールドに接続される第二のサーマルアンカーを設け、前記第一のサーマルアンカーと前記第二のサーマルアンカーに接続される熱輸送手段を設けたことを特徴とするクライオスタット。
【請求項２】
請求項１記載のクライオスタットにおいて、
前記熱輸送手段はヒートパイプであることを特徴とするクライオスタット。
【請求項３】
請求項１記載のクライオスタットにおいて、
前記ネック部の内部に設けられ、前記冷媒の蒸発したガスの顕熱を熱交換すると共にネック部を介して前記第一のサーマルアンカとの間で熱交換を行う均熱手段を設けたことを特徴とするクライオスタット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非破壊生体検査システムとして、例えば極低温におけるジョセフソン効果を利用して脳などの生体磁気を計測するＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）磁束計測システムに使用される測定センサ等を冷却保持するためのクライオスタットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来のクライオスタットの構成を示す縦断面図である。図２において、クライオスタット１は、内槽２と外槽３によりその本体が形成されており、それらは例えばガラス繊維強化プラスチック（Glass  Fiber  Reinforced  Plastics、以下ＧＦＲＰと記す）を素材として形成されている。
【０００３】
そして、内槽２は有底円筒状の本体部２ａと、本体部２ａの上部に本体部２ａよりも径を絞られて形成された円筒状のネック部２ｂとからなり、本体部２ａの底部は人の頭部に適合するように円弧状に形成されている。
【０００４】
そして、生体検査用のセンサ（ＳＱＵＩＤセンサアレー）４がネック部２ｂより内槽２の本体部２ａ内に挿入されて円弧状の底部に設置され、このセンサ４を冷却する冷媒として例えば液体ヘリウムがネック部２ｂより本体部２ａの内部に充填され、ネック部２ｂの内部には断熱材５が設けられている。
【０００５】
外槽３は、内槽２を囲むように配置され、外槽３の内壁と内槽２の外壁との間には真空層６が形成されている。
また、外槽３の側面には真空層６に連通する真空引口３ａが形成され、外槽３の底部は内槽２の円弧状の底部を囲むように形成されて、その外部に脳磁計測部３ｂが形成されている。
【０００６】
そして、ネック部２ｂの側面には、例えば銅からなるドーナツ状の高温用の第一のサーマルアンカ７ａ、低温用の第一のサーマルアンカ７ｂが順次内槽２の下方に接続されて真空層６内に配置されている。
これらのサーマルアンカ７ａ，７ｂは、例えば銅などで形成された熱伝導率が高く、かつ熱容量の高い熱溜めである。
【０００７】
そして、このサーマルアンカ７ａ，７ｂには、それぞれ例えば銅からなるメッシュ状で外部からの輻射熱をシールドするサーマルシールド８ａ，８ｂが互いに熱伝導可能に接続され、サーマルシールド８ｂを内側、サーマルシールド８ａを外側として内槽２を順次取り囲むように真空層６内に配置されている。
【０００８】
この場合、低温用のサーマルアンカ７ｂに接続されたサーマルシールド８ｂは、内槽２の円弧状の底部近傍の真空層６内においては人の頭部に適合する円弧状に形成されている。
【０００９】
次に図２に示したクライオスタットにおいて外部からの熱の侵入を防止するサーマルシールド効果について説明する。内槽２内の液体ヘリウムは外部からの放射・伝導による侵入熱で少しづつ蒸発し、蒸発したヘリウムはネック部２ｂと断熱材５の隙間を上昇し、その際にネック部２ｂが冷却され、ガスが熱を吸収し熱交換が行われる。
【００１０】
そして、２段に構成されたサーマルアンカー７ａ，７ｂが冷却されることにより、同様に２段に構成されたサーマルシールド８ａ，８ｂが冷却され、外槽３の外部から侵入する輻射熱を吸収することで、内槽２に熱が伝わらないようにしており、これをサーマルシールドと呼んでいる。
【００１１】
そして、高温用のサーマルシールド８ａは例えば１００〜１８０Kと比較的温度が高く、低温用のサーマルシールド８ｂは２０〜５０Kと低く設定され、サーマルシールド８ａ，８ｂとの間、内槽２、外槽３の壁との間隙は、アルミを蒸着したスーパーインシュレーションと呼ばれるフィルム状の薄膜（図示せず）を互いに接触しないように挟んで多数枚組込み、多重の熱シールドを実現することで輻射による熱侵入を極めて低くするようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなクライオスタットには次のような問題点があった。
脳磁計に代表される生体磁気計測装置では極めて微弱な信号を計測するために脳磁計測部３ｂ近傍の真空層６の幅（内槽２の底部と外槽３の底部との間に形成される真空層６の幅）を数ｍｍと極めて薄くする。
このため、脳磁計測部３ｂ近傍(内槽２の底部と外槽３の底部の近傍)の真空層６内にはサーマルシールド及びスーパーインシュレータを構造的に十分に設けることができない。
例えば、脳磁計測部３ｂ近傍の真空層６内においてはサーマルシールド８ａまたはサーマルシールド８ｂを省略したり（図２においてはサーマルシールド８ａを省略している）、スーパーインシュレータの枚数を数分の１程度しか挿入できない。
【００１３】
従って、通常この脳磁計測部３ｂからの熱侵入が極めて大きく、サーマルシールド８ｂに大きな温度分布が生じ（温度が不均一となる）、ネック部２ｂ周辺は低い温度でも脳磁計測部３ｂ近傍のサーマルシールド８ｂの温度は上昇してしまうばかりか、クライオスタット１全体の熱侵入も持ち上げてしまい、冷媒の蒸発量が多くなってしまうという欠点がある。
【００１４】
また、サーマルシールド８ｂは銅メッシュでできているが、熱伝達を十分にするために断面積を大きく取ると熱雑音が大きくなりセンサ４での計測に悪影響を及ぼす。
従って、サーマルシールド８ｂには十分な熱伝達能力を持たせられず、これも冷媒の蒸発量を増加させる原因となっている。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、大きな熱侵入源となっている脳磁計測部３ｂ近傍（内槽２の底部及び外槽３の底部の近傍）のサーマルシールドを銅メッシュの断面積を増やすことなく効率的に冷却し、冷媒の蒸発量を低減することができるクライオスタットを実現することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１においては、内部に生体検査用の脳磁計測センサが設置されると共に前記脳磁計測センサを冷却する冷媒が充填される本体部とこの本体部に接続された筒状のネック部とを有する内槽と、前記内槽を囲むように配置され前記内槽の外壁との間に真空層を形成する外槽と、前記ネック部に接続されて前記真空層に配置される第一のサーマルアンカーと、前記第一のサーマルアンカーに接続されて前記真空層に配置されるサーマルシールド、とを有するクライオスタットにおいて、
前記内槽及び前記外槽は有底筒状で前記脳磁計測センサは前記内槽の底部に設置され、前記底部の近傍の前記真空層内に前記サーマルシールドに接続される第二のサーマルアンカーを設け、前記第一のサーマルアンカーと前記第二のサーマルアンカーに接続される熱輸送手段を設けたことを特徴とするクライオスタットである。
【００１７】
本発明の請求項２においては、請求項１記載のクライオスタットにおいて、前記熱輸送手段はヒートパイプであることを特徴とするクライオスタットである。
【００１８】
本発明の請求項３においては、請求項１記載のクライオスタットにおいて、前記ネック部の内部に設けられ、前記冷媒の蒸発したガスの顕熱を熱交換すると共にネック部を介して前記第一のサーマルアンカとの間で熱交換を行う均熱手段を設けたことを特徴とするクライオスタットである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
尚、以下の図面において、図２と重複する部分は同一番号を付してその説明は適宜に省略する。
図１は本発明によるクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【００２１】
図１において、９はサーマルアンカ７ｂとサーマルシールド８ｂに接続された熱輸送手段としてのヒートパイプであり、このヒートパイプ９は金属管の内部に封入された液体（窒素、水素、アルゴン、クリプトン、メタン等）の蒸発によって一端から熱を吸収し、蒸気の凝縮により他端より熱を放出することにより熱輸送を行うものである。
【００２２】
そして、１０は内槽２及び外槽３の底部近傍（脳磁計測部３ｂの近傍）の真空層６内において内槽２を取り囲むように設けられ、底部近傍の外部からの輻射熱を一時的に蓄熱し、ヒートパイプ９による熱輸送を効率化するための第二のサーマルアンカであり、ヒートパイプ９と内槽２及び外槽３の底部近傍（脳磁計測部３ｂの近傍）のサーマルシールド８ｂとに接続されている。
【００２３】
そして、１１ａはネック部２ｂの内壁に設けられた均熱手段であり、１１ｂはネック部２ｂの内部で断熱材５の周囲に設けられた均熱手段である。
また、均熱手段１１ｂには断熱材５の内部に設けられた例えばアルミや銅等の反射率の高い金属製の円盤状の輻射シールド１２に接続されている。
【００２４】
これらの均熱手段１１ａ，１１ｂは、ネック部２ｂの内部における熱交換の実効的な面積を増やすと共に外部から流入する熱の吸収能力を高めるために設けられ、例えば高熱伝導率の銅・アルミなどの筒状の金属帯または網状の帯、あるいは針状の金属フィラー等を含浸した高熱伝導性樹脂材などで構成されている。
【００２５】
そして、２ｃはネック部２ｂの熱伝導路を長くするために内槽２の本体部２ａとネック部２ｂとの間に設けられた迂回部であり、ネック部２ｂの径よりも大きな径で形成されている。
【００２６】
次に、図１に示したクライオスタットの動作について説明する。
内槽２及び外槽３の底部近傍（脳磁計測部３ｂの近傍）の外部より侵入した熱は、サーマルシールド８ｂより第二のサーマルアンカ１０に伝熱及び畜熱されて温度勾配が形成され、ヒートパイプ９によって第一のサーマルアンカ７ｂに高速に熱輸送され、サーマルシールド８ｂは高速に冷却され、内槽２の内部への熱侵入が少なくなることにより冷媒の蒸発量は低減される。
【００２７】
また、サーマルシールド８ｂを、内槽２の側面を取り囲む部分と内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの近傍）を取り囲む部分とに分離させ、ヒートパイプ９を内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの近傍）を取り囲む部分のみに接続し、内槽２の側面を取り囲む部分には接続しないようにしても良く、この場合、より効率的（優先的に）に熱の大きな侵入経路である脳磁計測部３ｂの近傍のサーマルシールド８ｂを冷却することができる。
【００２８】
そして、均熱帯１１ａ，１１ｂは蒸発したヘリウムガス中の顕熱をネック部２ｂの内部で熱交換（冷却）すると共に、輻射シールド１２を冷却してネック部２ｂの上部からの輻射熱を吸収し、また、ネック部２ｂを介してサーマルアンカー７ｂとの間で熱交換を行う。
また、流出ガスの温度は重力方向に水平を保つ性質があるため、均熱帯１１ａ，１１ｂは実効的なガスの熱交換部の接触面積を増やす効果がある。
【００２９】
そして、迂回部２ｃは、熱伝導路長を長く取ることにより、ネック部２ｂから熱伝導により内槽２の内部に侵入する熱を迂回させ、侵入熱を減少させる。
この迂回部２ｃは、クライオスタット１全体の小型化のために特にネック部２ｂの上部からの距離が稼げない場合に有効である。
また、ネック部２ｂの内壁に斜め螺旋状に溝を設けて表面積を大きくするようにしても良い。
【００３０】
また、図１においては、サーマルアンカ７ｂとサーマルシールド８ｂにのみヒートパイプ９を接続しているが、サーマルアンカ７ａとサーマルシールド８ａにも別のヒートパイプを接続しても良い。
【００３１】
尚、ヒートパイプの内部に封入される液体は、接続されるサーマルアンカに設定される温度において液相と気相とが混在した状態となるような液体が適宜に選択される。
【００３２】
また、サーマルシールドの円周方向の均熱が効率化するように、複数本のヒートパイプを一つのサーマルシールドに円周状に設けてもよい。
また、ここでは２層のサーマルシールドとしたが、サーマルアンカーをさらに細分化して、３層以上とし、ヒートパイプとサーマルシールドもこれに応じて増やした構造としてもよい。
また、ヒートパイプよりも冷却効果は低下するが、ヒートパイプの代わりに銅などのロッドでフレームを組んでサーマルシールドに接続するようにしても良い。
【００３３】
また、サーマルアンカー１０に銅メッシュのサーマルシールド８ｂを接続するようにしたが、サーマルシールド８ｂの内槽２の底部（脳磁計測部３ｂの近傍）を取り囲む部分を省略し、その部分に図示しないスーパーインシュレーションを複数枚設けてサーマルアンカ１０に接続してもよい。
【００３４】
また、熱伝達速度が大きくなることにより真空層６に挿入される図示しないスーパーインシュレーションの枚数を減らすことが可能となり、脳磁計測部３ｂ近傍の真空層６の幅を狭くでき、信号源（頭部）に、よりセンサ４を近づけることでＳＮ比を向上させるようにすることができる。
【００３５】
また、熱伝達（冷却）をヒートパイプ９でおこなうため、サーマルシールド８ａ，８ｂを構成する銅メッシュの（サーマルアンカー７ａ，７ｂから脳磁計測部３ｂに向かう方向の）縦糸に頼らずに済み、銅メッシュを粗くしたり薄くしたりでき、銅メッシュによる熱雑音を小さくすることができる。
【００３６】
また、真空層６の内部熱伝導がヒートパイプ９で高速におこなわれるため、従来、クライオスタット１本体内部の熱の安定化に６〜１２時間必要であったものが極端に短くなり、ヘリウム注入時後、しばらく安定化しなかった蒸発量変化が短時間で安定し、液体ヘリウムのバブリング等で発生していたノイズが短時間で減少する。
【００３７】
また、ガス排出路となるネック部２ｂの内部に熱交換の為の均熱帯１１ａ，１１ｂを設けたことにより、サーマルアンカー７ｂからの熱の伝播抵抗が減り、サーマルシールド８ｂ全体の温度を下げることができる。
また、ネック部２ｂの実効的な長さを増やす為に迂回部２ｃを設けたので、均熱帯１１ａ，１１ｂを設けたことによる熱侵入が増えることを阻止することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、脳磁計測部の近傍（内槽の底部及び外槽の底部の近傍）から侵入する熱をヒートパイプにより熱侵入部から離れたサーマルアンカに高速に熱輸送するようにしたので、サーマルシールドは高速に冷却されて温度が均一化され、冷媒の蒸発量を低減させることができる。
【００３９】
また、本発明によれば、ヒートパイプによりサーマルシールドを銅メッシュの断面積を増やすことなく効率的に冷却するようにしたので、銅メッシュによる熱雑音を抑制し、安定した計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【図２】従来のクライオスタットの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１  クライオスタット
２  内槽
２ａ  本体部
２ｂ  ネック部
３  外槽
４  センサ
６  真空層
７ａ，７ｂ  サーマルアンカ
８ａ，８ｂ  サーマルシールド
９  ヒートパイプ
１０  サーマルアンカ
１１ａ，１１ｂ，  均熱手段
【図１】
0004360037.tif 000002
【図２】
0004360037.tif 000003