[发明专利]制冷机冷却型超导磁铁

说明书

技术领域

本发明涉及一种在由制冷机冷却至超导临界温度以下的状态下使用的制冷机冷却型超导磁铁。

背景技术

近年来，利用了强磁场环境的分析装置的应用正盛行起来。例如，在医疗领域中，有利用使氢原子的原子核发生磁共振时发生的电磁波来反映出体内状况的磁共振成像法(Magnetic Resonance Imaging：MRI)，已有市售磁场强度超过3特斯拉的产品，能够进行高解像度和高速检查。另外，在生物关系中，在利用了核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance：NMR)的分光系统中，在正开发超过氢原子共振频率1GHz的强磁场NMR系统。

只要应用超导，则必须实现电阻为零的超导临界温度以下的环境。通常，为了实现超导临界温度以下的环境，而使用了液体氦，但氦是有限的天然资源，要指出其将来有可能枯竭。当前，在医疗和分析领域中，以液体氦来冷却而使用超导材的线圈的超导磁铁成为不可或缺的需求，在难以使用液体氦的情况下将会认为产生各种问题。

为此，为了不利用液体氦也可实现超导临界温度以下的环境，正在开发使用了超低温制冷机的冷却系统。在超低温制冷机内部也使用已加压的氦气，但数量较为微小，而且在密封的状态下使用，因此只要不将氦气向外部空气释放就不会减少。

或者，还存在同时使用超低温制冷机和液体氦这两者的情况。在该情况下，构成为通过超低温制冷机将已蒸发的氦气再凝缩，而使液体氦向外部的释放变为零。但是，在励磁时发生了激冷的情况下，所贮藏的液体氦会大量蒸发，因此，在限制液体氦供给的情况下，难以 实现超导临界温度以下的环境。

但是，在超导线圈中能够通电的电流值(临界电流值)依赖于冷却温度，冷却温度越高，则临界电流值越小。为了产生强磁场，需要供给大电流，必须尽量降低超导线圈的温度。

在使用液体氦的情况下，将超导线圈维持为液体氦温度(绝对温度4.2K)。但是，以超低温制冷机作为冷却源的情况下，超导线圈的冷却温度被超低温制冷机的性能所左右。例如，当超低温制冷机受到的热负荷变大时，超低温制冷机的冷却到达温度会上升。因此，为了降低超导线圈的温度，需要减小超导线圈和超低温制冷机所受到的热负荷。

在MRI或NMR中，被要求极高的磁场稳定性。在从外部供给电流的情况下(电流供给模式)，所供给的电流自身具有某种程度的不稳定性，因此电流供给模式难以适用于MRI或NMR。

因此，MRI及NMR用超导磁铁通常以持续电流模式来工作。持续电流模式是指，从外部施加的电流连续在以超导材料制成的闭合环路(Closed Loop)中环流的状态下，不需要来自外部的电流供给。

以超导材料制成的闭合环路的电阻极小，能源损失微小，因而流通于闭合环路中的电流的衰减极小。因此，在如MRI及NMR那样要求检查空间具有高磁场稳定度的系统中，需要将以该超导材料制成的闭合环路的电阻抑制在容许值以下。

具体而言，需要在100年内磁场的减少为1％以下，不仅需要超导线没有电阻，而且需将超导连接部的电阻抑制在1纳欧姆(nΩ)以下。在NbTi(铌钛)、Nb₃Sn(铌三锡)金属类超导材料中，确立多条超导线相互结合这部分的连接方法，也能够包括接合部在内将闭合环路的电阻抑制在容许范围内。另一方面，在高温超导体中未建立接合部的超导连接，而难以抑制在包括高温超导体的闭合环路中尽可能在MRI及NMR中使用的电阻(参照非专利文献1)。

在此，在能够进行持续电流模式下的运行的超导磁铁中，为了从外部的直流电源向超导线圈供给电流，需要用于切换持续电流模式与 电流供给模式的持续电流开关的切换。

持续电流开关为以超导材料制成的元件。在电流供给模式下，将持续电流开关加热至超导临界温度以上，而成为正常导电状态。正常导电状态的持续电流开关的电阻大于超导线圈的电阻，因而自外部的直流电源供给的电流流入电阻小的超导线圈中。因此，通过操作外部的直流电源的电流值，能够决定流入超导电线圈的电流量决。在供给任意的电流量后，将持续电流开关冷却至超导临界温度以下而进行超导化时，完成以超导构成的闭合环路，流通于超导线圈中的电流的电阻为零，因此电流能够无衰减地持续流通。

但是，在电流供给模式下，持续电流开关维持在超导临界温度以上，而成为用于对已冷却至超导临界温度以下的超导线圈加热的加热源。即，在电流供给模式下，持续电流开关作为热源，因此，持续电流开关的热量传播至超导线圈，施加于超导线圈上的热负荷变大，而作为超导线圈冷却源的超低温制冷机的到达温度上升。为此，降低了临界电流值，而只能产生低磁场。