JP2007005552A - Cryostat for superconducting magnet - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超電導磁石の冷却に用いられるクライオスタットに係り、特に飽和超流動ヘリウムクライオスタットに関する。 The present invention relates to a cryostat used for cooling a superconducting magnet, and more particularly to a saturated superfluid helium cryostat.
大気圧下で4.2Kの液体ヘリウムは超電導磁石の冷却用冷媒として用いられる。この液体ヘリウムを排気装置により減圧すると、蒸気圧の降下とともに温度が下がり2.17K以下で超流動状態になる。この状態の液体ヘリウムは飽和超流動ヘリウムと呼ばれる。 Under atmospheric pressure, 4.2K liquid helium is used as a cooling refrigerant for the superconducting magnet. When this liquid helium is depressurized by the exhaust device, the temperature decreases with a drop in vapor pressure and becomes superfluid at 2.17K or less. Liquid helium in this state is called saturated superfluid helium.
超電導磁石は運転温度が下がる程高磁界を発生させることがでる。また、超流動状態では4.2Kの時よりも熱輸送能力が高くなる。このような理由から、飽和超流動ヘリウムは高磁界発生用超電導磁石の冷媒として用いられてきた。 A superconducting magnet can generate a high magnetic field as the operating temperature decreases. In the superfluid state, the heat transport capability is higher than that at 4.2K. For this reason, saturated superfluid helium has been used as a refrigerant for superconducting magnets for generating high magnetic fields.
飽和超流動ヘリウムの生成装置は、特許文献1の記載のように、断熱真空容器内に4.2Kの液体ヘリウムを貯留する槽と飽和超流動ヘリウム槽が設置されていて、その二つの槽がJT弁を介して連結している。4.2K液体ヘリウム槽から飽和超流動ヘリウム槽へJT弁を介して液体ヘリウムを供給して、それを排気装置で減圧することにより飽和超流動ヘリウムを生成する。また、液面、温度を制御する制御装置を備えている。 As described in Patent Document 1, the saturated superfluid helium generator has a tank for storing 4.2K liquid helium and a saturated superfluid helium tank installed in an adiabatic vacuum vessel. It is connected via a JT valve. The liquid helium is supplied from the 4.2K liquid helium tank to the saturated superfluid helium tank via the JT valve, and the superheated helium is generated by reducing the pressure with an exhaust device. Moreover, the control apparatus which controls a liquid level and temperature is provided.
従来技術による装置には、超電導磁石の電流リードが1.8K程度の液体ヘリウム飽和蒸気にさらされるために、放電の可能性があり、電流リード自身に放電対策を施さなければならなかった。 In the device according to the prior art, since the current lead of the superconducting magnet is exposed to liquid helium saturated vapor of about 1.8K, there is a possibility of discharge, and it has been necessary to take measures against the discharge of the current lead itself.
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、超電導磁石の電流リードが飽和蒸気にさらされない構造により、前記放電の可能性を著しく低減した超電導磁石用クライオスタットを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a cryostat for a superconducting magnet in which the possibility of discharge is remarkably reduced by a structure in which the current lead of the superconducting magnet is not exposed to saturated vapor in view of the above-mentioned problems of the prior art.
上記課題の解決は、液体ヘリウムを貯留する第一の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と断熱真空により仕切られる第二の液体ヘリウム槽と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽を内包する断熱真空容器と、前記第二の液体ヘリウム槽内に設置される超電導磁石と、前記第一の液体ヘリウム槽と前記第二の液体ヘリウム槽とを連通する通路と、前記通路を通過する液体ヘリウムの流量を調節する流量調整弁と、前記第二の液体ヘリウム槽内の蒸発ヘリウムガスを排気する排気管と、前記排気管を通過する前記蒸発ヘリウムガスの流量を調節する排気管弁と、前記蒸発ヘリウムガスを排気する排気装置と、前記超電導磁石に電流を供給するための電流リードと、を有する超電導磁石用クライオスタットにおいて、前記電流リードが前記第二の液体ヘリウム槽に導入される位置が、前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低い位置に設けられることを特徴として、達成される。 The solution of the above-mentioned problems includes a first liquid helium tank that stores liquid helium, a second liquid helium tank that is partitioned from the first liquid helium tank by an adiabatic vacuum, the first liquid helium tank, and the first liquid helium tank. A heat-insulating vacuum container containing two liquid helium tanks, a superconducting magnet installed in the second liquid helium tank, a passage communicating the first liquid helium tank and the second liquid helium tank, A flow rate adjusting valve for adjusting a flow rate of liquid helium passing through the passage, an exhaust pipe for exhausting evaporated helium gas in the second liquid helium tank, and a flow rate of the evaporated helium gas passing through the exhaust pipe. In a superconducting magnet cryostat having an exhaust pipe valve to be adjusted, an exhaust device for exhausting the evaporated helium gas, and a current lead for supplying a current to the superconducting magnet, Position whose serial current lead is introduced into the second liquid helium tank, a feature that is provided at a position lower than the liquid helium surface in said second liquid helium tank is achieved.
本発明によれば、電流リードが飽和超流動ヘリウム槽に導入される位置よりも飽和超流動ヘリウム液面を高くすることが可能となるので、電流リードが飽和蒸気にさらされなくなり、放電の可能性を著しく低減でき、放電を起こすことなく高磁界を発生できる。 According to the present invention, since the liquid surface of the saturated superfluid helium can be made higher than the position where the current lead is introduced into the saturated superfluid helium tank, the current lead is not exposed to saturated vapor and can be discharged. And can generate a high magnetic field without causing discharge.
以下、超電導磁石用クライオスタットにおいて、飽和蒸気圧下の超流動ヘリウムの蒸気中に電流リードがさらされない複数の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, in a cryostat for a superconducting magnet, a plurality of embodiments in which current leads are not exposed to superfluid helium vapor under saturated vapor pressure will be described in detail with reference to the drawings.
図1は実施例1による超電導磁石用クライオスタットの構成図で、飽和超流動ヘリウムクライオスタットを示している。断熱真空容器1の中に、4.2Kの液体ヘリウム2を貯留する第一の液体ヘリウム槽3(常流動ヘリウム槽)と、温度が4.2〜1.5K程度に保たれる飽和蒸気圧下の液体ヘリウム4を貯留する第二の液体ヘリウム槽5が設置されている。第二の液体ヘリウム槽5内に超電導磁石14が設けられている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a superconducting magnet cryostat according to a first embodiment, and shows a saturated superfluid helium cryostat. The first liquid helium tank 3 (normal flow helium tank) that stores 4.2K
液体ヘリウム槽3,5は輻射等による熱侵入を低減するために、液体窒素容器6に貯留した液体窒素により77K程度まで冷却される77Kシールド7に囲まれている。さらに、第一の液体ヘリウム槽3から第二の液体ヘリウム槽5への輻射等による熱侵入を低減するために4.2Kに冷却された4.2Kシールド8が第二の液体ヘリウム槽5を囲んでいる。さらに熱侵入を減らすために、液体ヘリウム槽3,5や77Kシールド7に断熱材を巻いていることが好ましい。
The
第一の液体ヘリウム槽3には、液体ヘリウム2を供給したり、蒸発ガスを放出するための管9を連通させている。第二の液体ヘリウム槽5は排気管10に連通しており、断熱真空容器1の大気圧側で排気装置11に接続される。第二の液体ヘリウム槽5内の蒸発ヘリウムガスを排気装置11で減圧排気することにより、第二の液体ヘリウム槽5及び槽内の液体ヘリウム4の温度が1.5K程度まで下がる。温度が下がり約2.2K以下では、第二の液体ヘリウム槽5内の液体ヘリウム4は超流動状態になる。この超流動ヘリウムの圧力は飽和蒸気圧であり、飽和超流動ヘリウムと呼ばれる。
The first
室温部から排気管10を伝わっての第二の液体ヘリウム槽5への熱侵入を低減するために、排気管10は77Kシールド7と4.2Kシールド8に熱接触させる。排気装置11としては、飽和超流動ヘリウム1.8Kの蒸気圧1.6kPa程度で大きな排気速度を期待できる油回転ポンプやメカニカルブースターポンプが適当である。排気装置11の排気量は排気管弁12で調整する。この弁12としては、流量調整が可能であり、かつ、弁閉止時のシール性のよいベローズシールバルブが好ましい。
In order to reduce heat intrusion into the second
第一の液体ヘリウム槽3から第二の液体ヘリウム槽5への液体ヘリウムの供給は流量調整弁13を介して行われる。流量調整弁13は、微流量を調整できるニードル弁が好適である。流量調整弁13は微流量を調整するので通路が狭く、第一の液体ヘリウム槽3内に混入した空気の固体化したものなどの不純物が弁13を詰まらせる可能性がある。供給口(取り込み口)に、銅粉をプレスしたものや、あるいは、焼結金属をフィルターとして用いることで詰まりを防ぐことができる。この他、流量調整弁13の最も狭い隙間のまわりにヒーターを巻き、詰まった場合に加熱してもよい。初期冷却時には大量のヘリウムを第二の液体ヘリウム槽5に供給する必要があるので、微流量調整用弁13と並列に大流量を流せる弁を設置しておけば好ましい。設置が困難な場合は排気管10から液体ヘリウムを供給することも可能である。
The liquid helium is supplied from the first
断熱真空容器1外から第二の液体ヘリウム槽5内で冷却される超電導磁石14へ電流を供給する電流リード15が断熱真空容器1、第一の液体ヘリウム槽3を貫いて、第二の液体ヘリウム槽5内に設置された超電導磁石14に接続される。それぞれの槽を電流リード15が貫く場所は気密を保つ必要があり、特に、第二の液体ヘリウム槽5へ導入される場所は、第二の液体ヘリウム槽5内の液体ヘリウム4が超流動状態となることから、耐スーパーリークとならなければならない。
A
超電導磁石14としてはNMR、加速器、核融合炉などに用いる冷却チャネルがない高磁場発生用が適している。
The
図1に示したように、第二の液体ヘリウム槽5の上部の一部が上方に突出しているために、突出部でない部分から電流リード15が第二の液体ヘリウム槽5に導入される位置は、第二の液体ヘリウム槽5内の液体ヘリウム液面より下部となることが可能となる。これにより、電流リード15が超流動ヘリウム4の飽和蒸気にさらされることがなくなり、放電の可能性がなくなる。
As shown in FIG. 1, since a part of the upper portion of the second
電流リード15が第二の液体ヘリウム槽5に導入される位置は、超電導磁石14のクエンチ時に大量の液体ヘリウム4が蒸発してしまうので、第二の液体ヘリウム槽5内にある液面と離れていた方がよい。また、安全への配慮から、第二の液体ヘリウム槽5の突出部にある液面の上方に、第二の液体ヘリウム槽5の容積の10%以上の容積を持つこととする。
The position where the
この場合、超電導磁石14が液体ヘリウム4から露出しないように液面計16での監視と液面制御が必要である。液面の高さを制御するには、液面計16により液面の高さを検知し、液面計モニター19に液面の高さを表示する。そして、液面の高さが所定の高さに位置するように、排気管弁12と流量調整弁13を弁制御装置20により制御する。所定の高さより液面が下がった時には、流量調整弁13の開度を大きくし、排気管弁12の開度を小さくする。逆に所定の位置より液面が上がった場合には、流量調整弁13の開度を小さくし、排気管弁12の開度を大きくする。流量調整弁13や排気管弁12を電磁弁とすれば遠隔操作が可能となる。
In this case, monitoring with the
次に、ヒーターによる温度制御について説明する。飽和超流動ヘリウム槽である第二の液体ヘリウム槽5内には、抵抗温度計17とヒーター18が設置されている。第二の液体ヘリウム槽5内の温度は、温度計17と温度計測器21により測定される。槽内の温度が所定の温度より低い場合は、温度制御装置22がヒーター18を制御することにより、所定の温度まで昇温する。槽内の温度が所定の温度より高い場合は、温度制御装置22と弁制御装置20により排気管弁12の開度が大きくなるように制御し、所定の温度となるように制御する。
Next, temperature control by a heater will be described. A resistance thermometer 17 and a
温度制御はこの外にも、特許第2760858号に記載された圧力の入力による制御の方法などがある。 In addition to this, there is a temperature control method described in Japanese Patent No. 2760858.
図2は実施例2による超電導磁石用クライオスタットの構成図で、制御装置については実施例1と同じになるので省略してある。本実施例では、第二の液体ヘリウム槽5の上部の一部が凹部形状を有し、この凹部の底部から電流リード15を導入している。その他の点は実施例1と同等の構成である。
FIG. 2 is a block diagram of a cryostat for a superconducting magnet according to the second embodiment, and a control device is omitted because it is the same as that of the first embodiment. In this embodiment, a part of the upper portion of the second
第二の液体ヘリウム槽5の凹部では他の位置よりも液面が低くなり、液面が凹部の内面位置より下がらないので、電流リード15が超流動ヘリウム4の飽和蒸気にさらされることがなくなり、放電の可能性が著しく低減される。
Since the liquid level is lower in the concave portion of the second
図3は図2の変形例である。断熱真空容器1内の電流リード15を冷却するためには、断熱真空容器1内(液体ヘリウム槽3,5外)での電流リード15の長さが短い方がよい。図3では、第二の液体ヘリウム槽5の凹部に対応して第一の液体ヘリウム槽3の下部に凸部を設け、この凸部から電流リード15を取り出すようにして、電流リード15の冷却を確保している。
FIG. 3 is a modification of FIG. In order to cool the
図4は実施例3による超電導磁石用クライオスタットの構成図である。図示したように第二の液体ヘリウム槽5に突出部がなく、第一の液体ヘリウム槽3の下部に下方への突出部を設け、この突出部を経て電流リード15が第二の液体ヘリウム槽5へ導入される。その他の点は実施例1と同等の構成である。
FIG. 4 is a configuration diagram of a cryostat for a superconducting magnet according to a third embodiment. As shown in the drawing, the second
電流リード15の導入位置が第二の液体ヘリウム槽5の液面よりも低くなるように液面を設定するので、放電の可能性がなくなる。この場合、超電導磁石14が液体ヘリウム4から露出しないように液面計16での監視と液面制御が必要である。
Since the liquid level is set so that the introduction position of the
以上のように、本発明の複数の実施例を示したが、本発明の超電導磁石用クライオスタットは高磁場が必要な高感度NMR、MRI用超電導磁石の冷却システムに利用できる。 As described above, a plurality of embodiments of the present invention have been shown. However, the cryostat for a superconducting magnet according to the present invention can be used for a cooling system for high-sensitivity NMR and MRI superconducting magnets requiring a high magnetic field.
1…断熱真空容器、2…4.2K液体ヘリウム、3…第一の液体ヘリウム槽(4.2K)、4…液体ヘリウム(1.5〜4.2K)、5…第二の液体ヘリウム槽(1.5〜4.2K)、6…液体窒素容器、7…77Kシールド、8…4.2Kシールド、9…4.2K液体ヘリウム供給管及び蒸気放出管、10…排気管、11…排気装置、12…排気管弁、13…流量調整弁、14…超電導磁石、15…電流リード、16…液面計、17…温度計、18…ヒーター、19…液面モニタ、20…弁制御装置、21…温度計測器、22…温度制御装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Adiabatic vacuum vessel, 2 ... 4.2K liquid helium, 3 ... 1st liquid helium tank (4.2K), 4 ... Liquid helium (1.5-4.2K), 5 ... 2nd liquid helium tank (1.5-4.2K), 6 ... liquid nitrogen container, 7 ... 77K shield, 8 ... 4.2K shield, 9 ... 4.2K liquid helium supply pipe and vapor discharge pipe, 10 ... exhaust pipe, 11 ... exhaust Device: 12 ... Exhaust pipe valve, 13 ... Flow control valve, 14 ... Superconducting magnet, 15 ... Current lead, 16 ... Liquid level gauge, 17 ... Thermometer, 18 ... Heater, 19 ... Liquid level monitor, 20 ... Valve control device , 21 ... temperature measuring device, 22 ... temperature controller.
Claims (10)
前記電流リードが前記第二の液体ヘリウム槽に導入される位置は、前記第二の液体ヘリウム槽内にある液体ヘリウム液面よりも低い位置に設けられることを特徴とする超電導磁石用クライオスタット。 A first liquid helium tank for storing liquid helium; a second liquid helium tank partitioned from the first liquid helium tank by an adiabatic vacuum; the first liquid helium tank; and the second liquid helium tank. A heat insulating vacuum vessel to be included, a superconducting magnet installed in the second liquid helium tank, a passage communicating the first liquid helium tank and the second liquid helium tank, and the passage. A flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of liquid helium, an exhaust pipe for exhausting the evaporated helium gas in the second liquid helium tank, and an exhaust pipe valve for adjusting the flow rate of the evaporated helium gas passing through the exhaust pipe; A superconducting magnet cryostat having an exhaust device for exhausting the evaporated helium gas and a current lead for supplying a current to the superconducting magnet.
A superconducting magnet cryostat, wherein the current lead is introduced into the second liquid helium tank at a position lower than the liquid helium liquid level in the second liquid helium tank.
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