(57)【要約】【課題】検出感度の高い超電導デバイスの冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の超電導デバイスの冷却装置は、冷媒を保持する内容器と、前記内容器を収容する外容器と、前記内容器の底壁であって前記外容器側に設けられた超電導デバイスを付設した熱電導体とを少なくとも備えた超電導デバイスの冷却装置であって、前記内容器の外周面と前記外容器の内周面とを支持部材で固定した構造を有する。【選択図】図１
2009063199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を保持する内容器と、前記内容器を収容する外容器と、前記内容器の底壁であって前記外容器側に設けられた超電導デバイスを付設した熱伝導体とを少なくとも備えた超電導デバイスの冷却装置であって、
前記内容器の外周面と前記外容器の内周面とを支持部材で固定した構造を有する超電導デバイスの冷却装置。
【請求項２】
前記内容器および前記外容器は、それぞれ開放端部を有し、前記内容器の開放端部と前記外容器の開放端部とがそれぞれ封止部材により封止された構造である請求項１に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項３】
前記内容器、前記外容器、および前記封止部材の少なくとも１が伸縮する請求項２に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項４】
前記内容器は、前記封止部材の伸縮により前記支持部材を固定点として長手方向に伸縮する請求項２または３に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項５】
前記内容器は、前記内容器の外周面と前記封止部材との摺動と、前記外容器の内周面と前記封止部材との摺動との少なくとも１により前記支持部材を固定点として長手方向に伸縮する請求項２または３に記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項６】
前記封止部材は、ベローズまたはシール材により構成される請求項２〜５のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項７】
前記支持部材は、内容器の外周面から放射状に配置されている請求項１〜６のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項８】
前記支持部材は、複数の貫通孔を有する請求項１〜６のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【請求項９】
前記内容器は、側壁を構成する材料がガラス繊維強化プラスチックを含む請求項１〜８のいずれかに記載の超電導デバイスの冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導体の冷却装置に関し、特に冷媒により冷却する断熱式の超電導デバイスの冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導体の冷却装置としては、たとえば、超電導量子干渉デバイス（Superconducting QUantum Interference Device）（以下、「ＳＱＵＩＤ」という。）を超電導遷移温度以下に冷却する真空断熱式の冷却装置が開示されている（特許文献１参照）。ＳＱＵＩＤは、微弱な磁場を計測することができる超高感度磁気センサーであり、ヒトの脳や心臓などから発生する生体磁気のほか、海中の極低周波の測定、非破壊検査などに使用することができるが、使用に際しては、超電導遷移温度以下に冷却する必要がある。
【０００３】
従来の超電導デバイスの冷却装置の構造を図５に示す。この冷却装置は、図５に示すように、カップ状の外容器５２内に、カップ状の内容器５３が、底壁同士が対面するように配設され、内容器５３に液体窒素などの冷媒５８が収納される。外容器５２の開放端と内容器５３の開放端とを固着し、外容器５２と内容器５３との間には、真空断熱層５４が形成される。内容器５３の底壁にはＳＱＵＩＤ５７が設置されている。また、外容器５２の底部外壁には被検体５０が設置される。
【０００４】
ＳＱＵＩＤにより検出できる磁気強度は、被検体からの距離の３乗に反比例し、磁気強度は被検体から遠ざかれば遠ざかる程、減衰するため、高感度に検出するには、ＳＱＵＩＤと被検体との距離を可能な限り短縮する必要がある。図５に示す従来の冷却装置では、ＳＱＵＩＤ５７が内容器５３の内側にあるため、内容器５３の底壁と真空断熱層５４と外容器５２の底壁の厚さに相当する距離（約１０ｍｍ）だけ、ＳＱＵＩＤ５７が被検体５０から離れている点で、検出感度が低くなる。
【０００５】
そこで、ＳＱＵＩＤと被検体との距離を短縮し、検出感度を高めた従来の超電導デバイスの冷却装置の構造を図６に示す。この冷却装置は、図６に示すように、ＳＱＵＩＤ６７を内容器６３の外側の真空断熱層６４内に配設し、ＳＱＵＩＤ６７は、内容器６３の底壁と熱良導体６１を通して、液体窒素６８により間接的に冷却する。図６に示す構造の冷却装置の場合には、ＳＱＵＩＤ６７と被検体６０との距離を０．２ｍｍ程度に短縮することができるため、検出できる磁気感度は、図５に示す構造の冷却装置に比べて、
（１０／０．２）3＝１２５，０００（倍）
高くなる。
【特許文献１】特開２０００−１８０００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図６に示す冷却装置において、内容器６３に投入する液体窒素６８の温度は、−１９６℃であり、内容器６３の材料にはガラス繊維強化プラスチックが汎用され、ガラス繊維強化プラスチックの熱膨張係数は、約２×１０-5／℃であるから、長さ３００ｍｍの内容器６３の場合、室温（１４℃）から−１９６℃まで冷却すると、内容器６３は、長手方向に、
２×１０-5×３００×（１４＋１９６）＝１．３（ｍｍ）
収縮する。
【０００７】
したがって、室温状態で、ＳＱＵＩＤと被検体とを０．２ｍｍ程度の近距離に設定しても、液体窒素で冷却した後は、ＳＱＵＩＤと被検体との距離は、
０．２＋１．３＝１．５ｍｍ
となり、室温状態と比較して検出できる磁気感度は、
（０．２／１．５）3＝１／４２２（倍）
に低下する。
【０００８】
この場合、内容器に液体窒素を投入してから内容器の位置を調整し、ＳＱＵＩＤと被検体の距離を調整する方法が考えられるが、その場合、液体窒素の投入後、内容器の底部を顕微鏡で観察しながら、位置合せをする調整機構と駆動系が必要となり、装置コストが高くなる。また、ＳＱＵＩＤによる磁気検出の過程で、液体窒素が減少するにつれて、内容器の長さは徐々に伸張するため、内容器の位置の再調整が必要となり、位置合せ時の振動により、磁気検査へのノイズが増えるという問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、液体窒素を投入しても、内容器の位置合せをすることなく、高感度の検出が可能であり、内容器内の液体窒素が減少しても、内容器の位置を再調整することなく、検出感度を高く維持することができる超電導デバイスの冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の超電導デバイスの冷却装置は、冷媒を保持する内容器と、前記内容器を収容する外容器と、前記内容器の底壁であって前記外容器側に設けられた超電導デバイスを付設した熱電導体とを少なくとも備えた超電導デバイスの冷却装置であって、前記内容器の外周面と前記外容器の内周面とを支持部材で固定した構造を有する。
【００１１】
上記内容器および上記外容器は、それぞれ開放端部を有し、上記内容器の開放端部と上記外容器の開放端部とがそれぞれ封止部材により封止された構造であることが好ましい。
【００１２】
上記内容器、上記外容器、および上記封止部材の少なくとも１が伸縮することが好ましい。
【００１３】
上記内容器は、上記封止部材の伸縮により上記支持部材を固定点として長手方向に伸縮することが可能であり、また、上記内容器の外周面と上記封止部材との摺動と、上記外容器の内周面と上記封止部材との摺動との少なくとも１により上記支持部材を固定点として長手方向に伸縮するようにも設計することができる。
【００１４】
封止部材はベローズまたはシール材により構成されることが好適であり、支持部材は内容器の外周面から放射状に配置されている態様が好ましい。また、支持部材は複数の貫通孔を有する態様が好ましい。内容器の側壁を構成する材料としては、ガラス繊維強化プラスチックを含むものが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、液体窒素を投入しても、時間経過により液体窒素が減少しても、内容器の位置を再調整することなく、超電導デバイスを高感度に維持することが可能な冷却装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
＜検出器＞
本発明の超電導デバイスの冷却装置の一例を図１に示す。この冷却装置は、図１に示すように、液体窒素などの冷媒８を保持するカップ状の内容器３と、内容器３を収容し、底壁に窓部６を設けたカップ状の外容器２と、内容器３の底壁であって外容器２側に配設され（外容器２の窓部６に対向する位置）、窓部６に向かう先端に超電導デバイス７を付設した熱伝導体１とを備え、超電導デバイス７は、冷媒８により間接的に冷却される。内容器３の底部の外周面と外容器２の底部の内周面を支持部材９で固定し、内容器３の開放端部と外容器２の開放端部の間に、たとえばベローズなどの柔軟な封止部材５を設けることにより内容器３と外容器２の間に断熱層４を形成し、超電導デバイス７と内容器３などは断熱された構造を有する。
【００１７】
＜内容器＞
本発明において内容器３は、冷媒を保持するために用いられるものであり、側壁を構成する材料がガラス繊維強化プラスチックである態様が好ましい。ガラス繊維強化プラスチックは、たとえば０．１〜１Ｗ／ｍ・℃と熱伝導率が小さいため、外容器からの熱が内容器を通して冷媒に伝導する割合を減少することができる。また、内容器の熱伝導性が低いため、内容器に接続する封止部材の冷却を抑えて、封止部材の硬化を防止できる。さらに、ガラス繊維強化プラスチックは非磁性であるため、ＳＱＵＩＤなどによる磁気計測への悪影響を低減できる。
【００１８】
＜外容器＞
本発明において外容器２は、上記内容器を収容するように設けられる。該外容器２を構成する材料は、特に限定されるものではないが、低い熱伝導性、非磁性の観点から、内容器と同様、ガラス繊維強化プラスチックなどを例示することができる。
【００１９】
＜熱伝導体＞
内容器の底壁に配設し、超電導デバイスを付設する熱伝導体１は、熱伝導性が良好で、熱膨張率が小さく、非磁性である点で、サファイヤ製の棒状体または板状体が好適である。また、上記超電導デバイスは、検出目的に合わせて適宜選択し適用することができる。
【００２０】
＜窓部＞
外容器２の底壁に設ける窓部６は、可能な限り薄くすることで、超電導デバイスと被検体の距離を短縮し、高感度な計測を可能にするため、剛性に優れたサファイヤ板が好ましく使用される。該窓部の厚みは、特に限定されず、上記のように可能な限り薄くすることが好ましい。
【００２１】
＜支持部材＞
図１に示す超電導デバイスの冷却装置をＩ−Ｉで切断したときの水平断面図を図３に示す。図３に示すように、支持部材９の水平断面において、該支持部材９が内容器の外周面から放射状に配置されていると、支持部材の体積を減らすことにより外容器からの熱伝導を小さくすることができる点で好ましい。また、図２に示す超電導デバイスの冷却装置をＩＩ−ＩＩで切断したときの水平断面図を図４に示す。支持部材９は図４に示すように、支持部材９が、複数の貫通孔９ａを有する構造とすることもできる。図４に示すような構造を有する場合は、支持部材９の機械的強度を維持しつつ、支持部材の体積を減らし、熱伝導率を低減できる点で好ましい。図４には、支持部材９の水平面に貫通孔９ａを形成した態様を例示するが、鉛直面に貫通孔を形成した場合も同様に好ましい。
【００２２】
上記支持部材９は、ＳＱＵＩＤなどにより検出する磁気強度にノイズが入らないようにするために、非磁性材料が好ましい。また、外容器からの伝熱を抑え、内容器を低温に保持しやすくするために、熱伝導性の低い材料が好ましく、具体的には、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・℃以下であることが好ましい。さらに、内容器と外容器を固定するために、機械的強度が必要である。このような観点から、支持部材の材料は、具体的には、ガラス繊維強化プラスチックなどが好ましい。
【００２３】
上記支持部材は、本発明の検出器における内容器の外周面と外容器の内周面との距離にあわせてその幅（円周方向の長さ）を設定する。たとえば、外容器の外径が１００ｍｍであり、内容器の外径が５０ｍｍ程度の場合、該支持部材の厚みは、外容器に対向する内容器の底面が大気により受ける圧力に抗するための機械的強度の点から、２〜５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは２〜３ｍｍである。
【００２４】
また、上記支持部材の厚みにも依るが、支持部材の水平断面における面積が、内容器の外周面と外容器の内周面とに囲まれる部分の面積の２０〜５０％であることが好ましく、２０〜３０％がより好ましい。支持部材の面積が、内容器の外周面と外容器の内周面とに囲まれる部分の面積２０％未満の場合は、固定強度が不十分となる場合があり、５０％を超える場合は、熱伝導を十分に低減できない傾向がある。他方、支持部材が複数の貫通孔を鉛直面に有する場合は、上記支持部材の空隙率を７０〜８０体積％に調整すると、機械的強度と固定強度をより良好に維持し、熱伝導を抑えることができる。
【００２５】
＜封止部材＞
本発明の検出器においては、上記支持部材に加えて、内容器および外容器の開放端部が封止部材により封止された構造とすることが好ましく、この封止部材は、ベローズやシール材により構成されることが好ましい。
【００２６】
封止部材としてベローズを使用する場合は、気密性と伸縮性が良好な点で、材質はステンレスが好ましい。上記ベローズの直径は内容器および外容器の厚みにあわせて選択される。
【００２７】
封止部材としてベローズを適用した超電導デバイスの冷却装置は上記図１に例示される。図１においては、封止部材５の収縮または伸張により、内容器３が支持部材９を固定点として長手方向に伸縮する構造を有する。このため、室温時に被検体１０と超電導デバイス７とが近接するように、内容器３の位置を調整し、内容器３と外容器２とを各々の底部において支持部材９で固定しておくことにより、液体窒素の投入により内容器３が収縮しても、また液体窒素の減少により内容器３が伸張しても、内容器３は支持部材９を固定点として長手方向に伸縮する。したがって、内容器３の底壁にある超電導デバイス７と被検体１０の位置は変動しないため、内容器３の位置を再調整することなく、超電導デバイス７の感度を高く維持することが可能である。このように、超電導デバイスと被検体との位置調整機構が不要であり、また、装置構造が簡単になり、装置コストを低減でき、検出のための作業性を改善することができる。
【００２８】
一方、封止部材としてシール材を使用する場合は、気密性と摺動性が良好な点で、材質はフッ素樹脂またはニトリルゴムが好ましい。上記シール材としてはＯリングや球形などの形状が好ましい。その直径は内容器の外周面と外容器の内周面との距離にあわせて選択され、たとえば内容器の外周面と外容器の内周面との距離の１．１２〜１．２７倍とすることが好ましい。また、常温で１４〜２０ＭＰａの弾性率を有することが好ましい。
【００２９】
上記シール材は、たとえば内容器の開放端部と外容器の開放端部との間に、内容器および外容器の少なくとも一方に溝を形成して保持させればよい。
【００３０】
本発明の超電導デバイスの冷却装置の他の構造を図２に示す。この冷却装置は、図２に示すように、内容器３の開放端部と外容器２の開放端部の間に、たとえばシール材などの封止部材５を設けることにより、内容器３と外容器２の間に断熱層４を形成する。シール材には、上述のようにＯリングなどが好適である。他の構成は、図１に示す超電導デバイスの冷却装置と同様である。図２に示す例では、内容器３の外周面に封止部材５を形成しているため、外容器２の内周面と封止部材５との摺動に基づき、内容器３が内容器３の温度により、支持部材９を固定点として長手方向に伸張または収縮する。
【００３１】
したがって、図１に示す冷却装置と同様に、室温時に被検体１０と超電導デバイス７とが近接するように、内容器３の位置を調整し、内容器３の底部と外容器の底部を支持部材９により固定しておくと、液体窒素などの冷媒８の投入により内容器が収縮しても、また液体窒素の減少により内容器が伸張しても、内容器は支持部材を固定点として長手方向に伸縮し、内容器の底部にある超電導デバイスと被検体との位置は変動しないため、内容器の位置を再調整することなく、超電導デバイスを高感度に維持することができる。外容器２の内周面に封止部材５を設け、内容器３の外周面と封止部材５との摺動により、内容器２が内容器の温度により、支持部材９を固定点として長手方向に伸縮する態様においても同様である。
【００３２】
なお、本発明において、封止部材はベローズまたはシール材に限られるものではなく、これら例示した封止部材と同様の物性を持つものであれば、該封止部材として適用することが可能である。
【００３３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
超電導デバイスの感度が高く、構造が簡単で、安価な冷却装置を提供することができ、本発明の冷却装置によると作業性が良好である。上記構造を有する冷却装置は、ＳＱＵＩＤ素子に限られず、放射線検出素子等に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】封止部材にベローズを適用した本発明の超電導デバイスの冷却装置の構造の代表例を示す図である。
【図２】封止部材にシール材を適用した本発明の超電導デバイスの冷却装置の構造の代表例を示す図である。
【図３】内容器の外周面に放射状に支持部材が配された場合の図１および図２に示す超電導デバイスの冷却装置をそれぞれＩ−Ｉで切断したときの水平断面図である。
【図４】支持部材が複数の貫通孔を有する場合の図１および図２に示す超電導デバイスの冷却装置をそれぞれＩＩ−ＩＩで切断したときの水平断面図である。
【図５】内容器の底壁と外容器の底壁とが対面する構造を有する従来の超電導デバイスの冷却装置の構造を示す図である。
【図６】検出感度を高めた従来の超電導デバイスの冷却装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  熱伝導体、２  外容器、３  内容器、４  断熱層、５  封止部材、６  窓部、７  超電導デバイス、８  冷媒、９  支持部材、１０  被検体。
【図１】
2009063199.tif 000003
【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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