冷却装置
【課題】 本発明は断熱消磁を利用した冷却装置に関し、装置の小型化を図りつつ、漏れ磁場の発生を抑制することを課題とする。
【解決手段】 真空容器４１と、断熱消磁冷凍部６０（真空容器４１に内設されており超電導マグネットコイル５２、磁性体ソルトピル５８、及び熱スイッチ６５等を具備する）と、熱スイッチ６５を介して磁性体ソルトピル５８を冷却するＧＭ冷凍機７０とを有する冷却装置において、真空容器４１の少なくと超電導マグネットコイル５２及び磁性体ソルトピル５８を囲繞する位置を磁性材料で形成し、漏れ磁場の発生を抑制する。
【解決手段】 真空容器４１と、断熱消磁冷凍部６０（真空容器４１に内設されており超電導マグネットコイル５２、磁性体ソルトピル５８、及び熱スイッチ６５等を具備する）と、熱スイッチ６５を介して磁性体ソルトピル５８を冷却するＧＭ冷凍機７０とを有する冷却装置において、真空容器４１の少なくと超電導マグネットコイル５２及び磁性体ソルトピル５８を囲繞する位置を磁性材料で形成し、漏れ磁場の発生を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却装置に係り、特に断熱消磁を利用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、低温化技術の一つして断熱消磁法が知られている。この断熱消磁法は、磁場によって磁性体の磁場エントロピーを制御することによって温度を変化させる方法である。この断熱消磁法によれば、磁性体と印加する磁場の強さを選ぶことで、常温から１Ｋ以下の超低温まで発生することが可能である。
【０００３】
この断熱消磁法を利用して超低温を発生する冷却装置は、磁性体に超電導マグネットで発生させた磁場を印加すると共に、熱スイッチを介して例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機とする）を磁性体に熱的に接続し、磁性体の温度を制御する構成とされている。よって、断熱消磁法を利用した冷却装置は、必然的にその内部に強い磁場が形成されることとなる。
【０００４】
上記の断熱消磁を利用した冷却装置は、例えばＸ線分析装置（エネルギー分散型Ｘ線分析装置等）に適用され、Ｘ線検出素子を冷却するのに用いられる。Ｘ線検出素子を冷却することにより、ノイズ低減図ることが可能となり、分析精度を高めることができる。
【０００５】
また、この冷却装置の稼動中は、超電導マグネットは４Ｋ程度に冷却され、また磁性体は０．０５Ｋの超低温となる。このため、この種の冷却装置では、超電導マグネット及び磁性体等は、多段の輻射シールドが行われた真空容器内に装着された構成とされる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２３３３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで従来の冷却装置では、加工性，経年変化が少ない等の理由から真空容器の材質としては非磁性材であるステンレスが一般に用いられている。このため、磁場を用いることが冷凍原理となっている断熱消磁法を利用した冷却装置では、真空容器の外部に磁場が漏れ出ししまうという問題点があった。
【０００７】
このように、漏れ磁場が発生すると、上記のエネルギー分散型Ｘ線分析装置の場合には、分析の為に照射する電子線が漏れ磁場により影響を受けてその軌道が曲げられてしまい、検出精度に悪影響が生じてしまう。この問題点は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置ばかりではなく、電子顕微鏡に断熱消磁を利用した冷却装置を適用した場合にも発生する。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてさなれたものであり、装置の小型化を図りつつ、漏れ磁場の発生を抑制しうる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項１記載の発明は、
真空容器と、
該真空容器に内設されており、超電導マグネットコイルと、該超電導マグネットコイル内に配設された磁性体と、該磁性体に対する熱伝導のスイッチ処理を行なう熱スイッチとを具備する断熱消磁冷凍部と、
前記熱スイッチを介して前記磁性体を冷却する冷凍機とを有する冷却装置において、
前記真空容器の少なくとも前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
上記発明によれば、真空容器の少なくとも前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことにより、超電導マグネットコイルで発生する磁場が真空容器の外部に漏れることを防止することができる。特に、磁性体の配設位置は最も磁場が強い部位であり、少なくともこの部位に真空容器の磁性体よりなる部分が対向することにより、漏れ磁場の発生を有効に抑制することができる。また、真空容器がヨークとして機能するため、強い磁界を形成することができる。よって、このように強い磁場を磁性体に印加することが可能となり、断熱消磁効果を高めることができる。更に、真空容器の少なくとも一部を磁性材料で形成したことにより、真空容器は内部を真空に保つ機能と、磁気シールドの機能との２つの機能を同時に奏することとなるため、この機能を夫々別部材により実現する構成に比べ、冷却装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の冷却装置において、
前記とを特徴とするものである。
【００１３】
上記発明によれば、円筒形状の真空容器が超電導マグネットコイルの外周を囲繞する構成となるため、磁場の漏洩を確実に防止することができる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の冷却装置において、
前記真空容器と前記超電導マグネットとの間の位置に、前記超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
上記発明によれば、超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを真空容器と超電導マグネットとの間に設けたことにより、磁場が真空容器の外部に漏れることをより確実に防止することができる。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記冷凍機を前記断熱消磁冷凍部に対して下部に配置したことを特徴とするものである。
【００１７】
上記発明によれば、重量物である冷凍機を、この冷凍機よりも軽量な熱消磁冷凍機構に対して下部に配置したことにより、冷却装置全体としての安定性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、真空容器の少なくとも一部を磁性材料で形成したことにより、超電導マグネットコイルで発生する磁場が真空容器の外部に漏れることを防止することができると共に、冷却装置の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例である冷却装置４０の全体構成を示す断面図である。同図に示されるように、冷却装置４０は大略すると真空容器４１、第１の輻射シールド４６、第２の輻射シールド４９、断熱消磁冷凍部６０、熱スイッチ６５、ギフォード・マクマホン型冷凍機７０、熱リンク６６等を有した構成とされている。
【００２１】
真空容器４１は、大略すると真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４等により構成されており、その内部に密閉された円筒空間４１Ａが形成されている。また、この真空容器本体４２には、後述する外筒６１、シールド部材６４、及びフランジ９５等が設けられる。
【００２２】
真空容器本体４２は円筒形状をしており、その上下端部には開口部（図示せず）が形成されている。真空容器本体４２の上端部には、開口部を覆うよう天板４３が配設されており、下端部には開口部を覆うよう底板部材４４が配設されている。本実施例では、この真空容器４１を構成する真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４を、鉄等の磁性材料で形成したことを特徴とする。尚、このように真空容器４１を磁性材料で形成したことの作用効果については、説明の便宜上、後述するものとする。
【００２３】
真空容器本体４２の下端部に配設される底板部材４４には、ＧＭ冷凍機７０を真空容器４１内に挿入するための開口部４４Ａが形成されている。また、真空容器本体４２の側面部には、側方に向け延出した外筒６１が配設されている。
【００２４】
この外筒６１は円筒空間４１Ａと連通しており、その内部は真空雰囲気となるよう構成されている。外筒６１の真空容器本体４２と接続された端部と反対側の端部（図中、右端部）には、シールド部材６４が配設されている。
【００２５】
シールド部材６４は有底筒状の部材であり、その内部に同じく有底筒状の形状を有した第１のシールド部材６３及び第２のシールド部材６２が同心的に配設されている。また、最内周に位置する第２のシールド部材６２の図中右側の端部近傍位置には検出器６８が設けられている。
【００２６】
この各シールド部材６２〜６４の検出器６８と対向する端部には、計測用窓６２Ａ〜６４Ａが設けられている。この計測用窓６２Ａ〜６４Ａは、光や電磁波を検出器６８に向け通過させるための窓である。
【００２７】
また、シールド部材６４の中心位置、即ち第２のシールド部材６２の内部位置には、円柱状の熱リンク６６が配設されている。この熱リンク６６は、熱伝導率の高い材質（例えば、銅）により形成されており、図中右側端部が検出器６８に熱的に接続され、図中左側端部が後述する断熱消磁冷凍部６０に熱的に接続された構成とされている。
【００２８】
真空容器本体４２の外周部には、フランジ９５が配設されている。このフランジ９５には、図５に示されるように、複数のボルト穴１０５が形成されている。このボルト穴１０５にボルト９６を挿入し、フランジ９５と真空容器支持体１００とをボルト９６により締結することで、真空容器４１は、真空容器支持体１００に固定支持される。
【００２９】
真空容器支持体１００は前記した真空容器４１を支持するものであり、図４に示すように、矩形状をした２つの枠部材１０１，１０２と、その角部に立設された４本の支柱部材１０４とにより構成とされている。
【００３０】
この真空容器支持体１００は、後述する冷凍機支持体８０と振動的に分離された構成とされている。真空容器４１は、この真空容器支持体１００により床上に設置される。
【００３１】
一方、真空容器４１は、その内部に第１の輻射シールド４６と第２の輻射シールド４９を内設した構成とされている。第１の輻射シールド４６は円筒形状をしており、その内部には円筒空間４６Ａが形成されている。
【００３２】
この第１の輻射シールド４６は、真空容器本体４２の内壁との間に隙間を介在するよう構成されている。このように、真空容器本体４２と第１の輻射シールド４６との間に間隙を形成することにより、真空容器本体４２の外部の熱が直接第１の輻射シールド４６に輻射されるのを遮断することができる。
【００３３】
第１の輻射シールド４６の側面部には、前記した第１のシールド部材６３が設けられている。第１のシールド部材６３は図中右方向に延出するよう形成されおり、外筒６１及びシールド部材６４と隙間を介在させるよう外筒６１内及びシールド部材６４内に配置されている。
【００３４】
また、第１の輻射シールド４６は、その下端部が開放された構成とされており、この下端部には第１の冷却ステージ４７が配設されている。この第１の冷却ステージ４７は、ＧＭ冷凍機７０を挿入するための開口部（図示せず）が設けられている。
【００３５】
また、第１の冷却ステージ４７と底板部材４４との間には、支柱４５が設けられており、第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６は、支柱４５を介して、底板部材４４に支持されている。第１の冷却ステージ４７は、後述する第１のコールドヘッド７５から発生する寒冷により、第１の輻射シールド４６内を冷却するためのものである。
【００３６】
第２の輻射シールド４９は、第１の輻射シールド４６との間に隙間を介在させるよう第１の輻射シールド４６内（円筒空間４６Ａ）に配設されている。第２の輻射シールド４９は、第１の輻射シールド４６との間において輻射熱が遮断されるよう機能するものである。
【００３７】
この第２の輻射シールド４９も円筒形状を有しており、その内部には円筒空間４９Ａが形成されている。また、第２の輻射シールド４９の側面部には、前記した第２のシールド部材６２第２のシールド部材６２は、第１のシールド部材６３と隙間を介在させるよう第１のシールド部材６３内に配置されている。
【００３８】
また、第２の輻射シールド４９は下端部が開放された構成とされており、この下端部には第２の冷却ステージ５０が配設されている。断熱消磁冷凍部６０は、この第２の冷却ステージ５０の上部に配設されている。このため、第２の冷却ステージ５０には、断熱消磁冷凍部６０を構成する磁性体ソルトピル５８を挿入するための開口部（図示せず）が設けられている。
【００３９】
第２の冷却ステージ５０と第１の冷却ステージ４７との間には、支柱５１が設けられており、第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９は、支柱５１を介して第１の冷却ステージ４７に支持されている。第２の冷却ステージ５０は、後述する第２のコールドヘッド８１から発生する寒冷により、第２の輻射シールド４９内に配設された磁性体ソルトピル５８を冷却するためのものである。
【００４０】
また、第２の冷却ステージ５０と磁性体ソルトピル５８との間には、第２の冷却ステージ５０の寒冷が磁性体ソルトピル５８に伝達されるのをオン／オフする熱スイッチ６５が設けられている。
【００４１】
熱リンク６６は前記のように第２のシールド部材６３内に配設された銅よりなる棒状部材であり、一方の端部が磁性体ソルトピル５８と熱的に接続されると共に、他方の端部が検出器６８と熱的に接続されている。この熱リンク６６は、磁性体ソルトピル５８で発生した超低温（例えば、０．０５Ｋ）の寒冷により検出器６６を冷却する機能を奏する。
【００４２】
検出器６８は、第２のシールド部材６２内に設けられており、測定用窓６２Ａ〜６３Ａと対向するよう配置されている。検出器６８は、電子ビーム、及び電磁波（Ｘ線）等の検出を行うものであり、試料に対する分析・検査内容に応じて適宜選択される。
【００４３】
冷凍機支持体８０は、ＧＭ冷凍機７０を支持するためのものであり、真空容器支持体１００が設けられた領域よりも内側に設けられている。冷凍機支持体８０は、大略するとベース９１と、冷凍機固定板８９と、支持部８５とを有した構成とされている。
【００４４】
ベース９１の上方には、４本の支持部８５により支持された冷凍機固定板８９が配置されている。ベース９１は、床上に設置されるものである。冷凍機固定板８９の中央部には、ＧＭ冷凍機７０を挿入するための開口部８９Ａが形成されている。冷凍機固定板８９には、ＧＭ冷凍機７０のモータ部７１がボルトを介して固定される。
【００４５】
このように、真空容器支持体１００が設けられた領域の内側に冷凍機支持体８０を設けることにより、真空容器支持体１００が設けられた領域の外側に冷凍機支持体８０を設ける場合と比較して、冷却装置４０の大きさ（フットプリント）を小さくすることができる
冷凍機支持体８０と底板部材４４との間は、ＧＭ冷凍機７０を囲繞するように設けられた真空ベローズ８８により接続されている。図６に示すように、振動抑制部材である真空ベローズ８８は、蛇腹構造をしており、ＧＭ冷凍機７０からの振動が真空容器４１に伝わることを抑制するためのものである。
【００４６】
このように、ＧＭ冷凍機７０を支持する冷凍機支持体８０と真空容器４１との間を真空ベローズ８８で接続することにより、ＧＭ冷凍機７０から発生する振動が真空容器４１に伝わることを抑制できる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生する振動が真空容器４１を介して、検出器６８に振動が伝わることが抑制され、検出器６８の検出を精度良く行うことができる。
【００４７】
尚、図６は図２に示した冷却装置の領域Ｂに対応した部分を拡大して示す部分断面斜視図であり、また図６においてＧＭ冷凍機７０の内部構造の図示は省略してある。
【００４８】
断熱消磁冷凍部６０は、真空容器４１内、第１輻射シールド４６内、及び第２の輻射シールド４９内に配設されており、大略すると超伝導マグネットコイル５２、磁性体ソルトピル５８、及び熱スイッチ６５等により構成されている。この断熱消磁冷凍部６０とＧＭ冷凍機７０により、断熱消磁法に基づく冷却装置４０が構成される。
【００４９】
超伝導マグネットコイル５２は、超伝導マグネットコイル５４に設けられた円筒状開口部に配設されており、巻枠５３と超伝導線５７とを有した構成とされている。巻枠５３には、超伝導線５７が巻回されている。巻枠５３の中央部には、Ｙ，Ｙ方向に貫通する円筒状開口部５３Ａが形成されており、巻枠５３の両端部には、フランジ部５３Ｂが形成されている。磁性体ソルトピル５８は、円筒状開口部５３Ａに配設される。
【００５０】
更に、超電導マグネットコイル５２の外周には、補助コイル６７が配設されている。この補助コイル６７は、第２の輻射シールド４９内に配設されており、巻枠５５と超伝導線５９とを有した構成とされている。巻枠５５には、超伝導線５９が巻回されており、巻枠５５の中央部には、図中上下方向に貫通する円筒状開口部（図示せず）が形成されている。この円筒状開口部には、超伝導マグネットコイル５２が配設される。また、巻枠５５の両端部には、フランジ部５５Ｂが形成されている。
【００５１】
上記構成とされた超伝導マグネットコイル５２，６７は、超伝導マグネットコイル５２の下端部に設けられたフランジ部５３Ｂ，５５Ｂと第２の冷却ステージ５０との間に配設された熱伝導支持部材５６により支持されている。
【００５２】
磁性体ソルトピル５８は、円筒状開口部５３Ａに配設されている。磁性体ソルトピル５８は、図示していない容器内に多数の金線と、断熱消磁の際の冷却媒体となる鉄ミョウバンとが収納された構成とされている。磁性体ソルトピル５８は、熱リンク６６を介して、被冷却物である検出器６８と熱的に接続されている。熱スイッチ６５は、磁性体ソルトピル５８とＧＭ冷凍機７０との熱的な接続をオン／オフするためのものである。
【００５３】
ＧＭ冷凍機７０は、大略するとモータ部７１、第１の冷却部７３、及び第２の冷却部７８等により構成されている。このＧＭ冷凍機７０は、冷却装置４０を構成する構成部品の内、最も重量が大きなものである。
【００５４】
本実施例では、このように重量が大であるＧＭ冷凍機７０を下部に配置し、ＧＭ冷凍機７０に比べ軽量である真空容器４１（内部に配設された構成物を含む）をＧＭ冷凍機７０よりも高い位置に配置した構成としている。このように、重量物を下部に配置し、軽量物を上部に配置することにより、冷却装置４０全体としての安定性を高めることができる。
【００５５】
本実施例では、ＧＭ冷凍機７０はモータ部７１が最下部に位置するよう配設されている。モータ部７１は、第１及び第２の冷却部７３，７８に設けられたシリンダ（図示せず）を駆動させるためのモータが内設されている。このモータ部７１にはフランジ７０Ｂが設けられており、フランジ７０Ｂはボルトにより冷凍機固定板８９に固定されている。これにより、ＧＭ冷凍機７０は、冷凍機支持体８０に支持される。
【００５６】
このモータ部７１の上部には、底板部材４４を貫通する第１の冷却部７３が配設されている。この第１の冷却部７３は、モータ部７１と一体的に構成されている。
【００５７】
第１の冷却部７３は、第１のシリンダ部７４、第１のコールドヘッド７５、及びフランジ７６等により構成されている。第１のシリンダ部７４は、第１のコールドヘッド７５とモータ部７１との間に配設されている。第１のシリンダ部７４には、図示していないシリンダが内設されている。シリンダは、モータ部７１に内設されているモータにより、図中上下方向に駆動され、これにより寒冷が発生する。
【００５８】
第１のコールドヘッド７５は、４０Ｋ程度の寒冷を発生させるものである。第１のコールドヘッド７５の外周部には、円盤形状のフランジ７６が配設されている。フランジ７６は、第１のコールドヘッド７５と熱的に接続されている。フランジ７６は、可撓性高熱伝導部材７７を介して、第１の冷却ステージ４７と熱的に接続されている。
【００５９】
可撓性高熱伝導部材７７は、第２の冷却部７８を囲繞するようフランジ７６と第１の冷却ステージ４７との間に複数設けられている。可撓性高熱伝導部材７７は、可撓性を有すると共に、高熱伝導性を有しており、側面視した状態において、Ｓ字に湾曲したリボン状の部材である。可撓性高熱伝導部材７７には、金箔、銀箔、銅箔、及びアルミ箔からなる群のうち少なくとも一種を重ね合わせたものを用いることができる。
【００６０】
このように、フランジ７６と第１の冷却ステージ４７との間に、可撓性を有すると共に、第２の冷却部７８を囲繞するよう高熱伝導性を有する可撓性高熱伝導部材７７を複数設け、第１の冷却部７３と第１の冷却ステージ４７との間を熱的に接続することにより、第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６の冷却を効率良く行うと共に、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６に伝わることを抑制することができる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が検出器６８に伝わることを抑制できる。
【００６１】
第２の冷却部７８は、第１の冷却ステージ４７を貫通するように、第１の冷却部７３と磁性体ソルトピル５８との間に配設されている。第２の冷却部７８は、第１の冷却部７３と一体的に構成されており、磁性体ソルトピル５８と熱的に接続されている。第２の冷却部７８は、大略すると第２のシリンダ部７９と、第２のコールドヘッド８１と、フランジ８２とを有した構成とされている。
【００６２】
第２のシリンダ部７９は、第２のコールドヘッド８１と第１のコールドヘッド７５との間に配設されている。第２のシリンダ部７９には、図示していないシリンダが内設されており、このシリンダが前記のモータにより図中上下方向に駆動されることにより寒冷が発生する。
【００６３】
第２のコールドヘッド８１は、４Ｋ程度の寒冷を発生させる部分である。第２のコールドヘッド８１の上部には、第２のコールドヘッド８１と熱的に接続されたフランジ８２が配設されている。このフランジ８２は円盤形状に構成されており、可撓性高熱伝導部材８４を介して第２の冷却ステージ５０と熱的に接続されている。
【００６４】
可撓性高熱伝導部材８４は、第２の冷却部７８を囲繞するようフランジ８２と第２の冷却ステージ５０との間に複数設けられている。可撓性高熱伝導部材８４は、可撓性を有すると共に高熱伝導性を有しており、側面視した状態においてＳ字に湾曲したリボン状の部材である。可撓性高熱伝導部材８４には、金箔、銀箔、銅箔、及びアルミ箔からなる群のうち少なくとも一種を重ね合わせたものを用いることができる。
【００６５】
このように、フランジ８２と第２の冷却ステージ５０との間に、可撓性を有すると共に、第２の冷却部７８を囲繞するよう高熱伝導性を有する可撓性高熱伝導部材８４を複数設け、第２の冷却部７８と第２の冷却ステージ５０との間を熱的に接続することにより、第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９内の冷却を効率良く行うと共に、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９に伝わることを抑制することができる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が検出器６８に伝わることを抑制できる。
【００６６】
ここで、断熱消磁冷凍部６０における断熱消磁法による冷却原理について説明する。磁性体ソルトピル５８を構成する磁性原子の磁気モーメントは、温度が非常に高くない限り無秩序であり、その系のエントロピーは高い状態にある。
【００６７】
ここに、外部から超伝導マグネットコイル５２により強い磁場を印加すると、磁気モーメントは外磁場の方向に整列し、部分的に秩序化されて、系全体のエントロピーは減少する。また、磁性体ソルトピル５８を等温に保った状態で外部磁界を印加すると、磁性体ソルトピル５８を構成する磁性原子の磁気モーメントは磁界の方向に配列し、系全体のエントロピーは減少する。
【００６８】
等温磁化を行う際、磁化熱が発生し温度が上昇し、この熱を取り去った後、ＧＭ冷凍機７０と磁性体ソルトピル５８とを熱スイッチ６５により熱的に分離して断熱状態に系を孤立させ、外部磁場を徐々に取り去ると、磁場の減少と共に磁性体ソルトピル５８の温度が低下する。この断熱消磁により、液体Ｈｅ温度（４Ｋ）以下の極低温の寒冷を得ることができる。
【００６９】
本実施例に係る冷却装置４０は、上記構成とされた断熱消磁冷凍部６０を設け、断熱消磁法により超低温を実現し、熱リンク６６を介してこの超低温を検出器６８に熱伝導して冷却する構成としている。これにより、検出器６８を液体Ｈｅ温度（４Ｋ）以下の極低温で冷却することが可能となり、検出器６８の分解能を向上させて精度の良い検出を行うことができる。
【００７０】
ここで、真空容器４１の材質に注目する。前記したように、本実施例に係る冷却装置４０は、真空容器４１を構成する真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４を、鉄等の磁性材料で形成している。
【００７１】
よって、磁場を形成する超電導マグネットコイル５２及びこの発生磁場が印加される磁性体ソルトピル５８と対向する位置は、磁性材よりなる真空容器４１で囲繞させた構成となる（本実施例では、磁性体ソルトピル５８は、超電導マグネットコイル５２を介して真空容器４１と対向する）。このように、超電導マグネットコイル５２及び磁性体ソルトピル５８と対向する位置が磁性材で覆われた構成とすることにより、超電導マグネットコイル５２で発生する磁場が真空容器４１の外部に漏れることを防止することができる。
【００７２】
特に、磁性体ソルトピル５８が配設される位置は最も磁場が強い部位であり、よってこの部位を真空容器４１により囲繞しシールドすることにより、漏れ磁場の発生を有効に抑制することができる。従って、この点から必ずしも真空容器４１の全部を磁性材料により形成する必要はなく、特に磁場の漏れが発生しやすい部位を局所的に磁性材料により形成する構成としてもよい。
【００７３】
また、真空容器４１ばかりでなく、この真空容器４１に内設される第１及び第２の輻射シールド４６，４９の全て、或はその一部を磁性材料により形成する構成としてもよい。更に、検出器６８が内設されるシールド部材６４、及び／或はこのシールド部材６４が挿通される外筒６１を磁性材料で形成する構成としてもよい。
【００７４】
上記構成とすることにより、断熱消磁法を実施するために必然的に超電導マグネットコイル５２で発生する磁場は、図２に示すように真空容器４１に吸収されるため、真空容器４１（外筒６１）の外部に漏れ出すことを確実に防止することができる。これにより、検出器６８に入射してくる電子ビームや電磁波（Ｘ線）が、漏れ磁界により影響を受けることはなくなり、精度の高い検出処理を行うことが可能となる。
【００７５】
また本実施例では、真空容器４１を磁性材料で形成することにより、真空容器４１が磁力線の通過道となるヨークとして機能する。このため、磁性体ソルトピル５８に対して効率よく磁場を印加することが可能となり断熱消磁効果を高めることができる。
【００７６】
また、本実施例では真空容器４１内に、真空容器４１と別個に磁性材料を配設するのではなく、真空容器４１自体を磁性材料で形成したことにより、真空容器４１は真空容器としての機能と、磁気シールドとしての機能との２つの機能を同時に奏することとなる。よって、この機能を夫々別部材により実現する構成に比べ、冷却装置４０の小型化及び部品点数の削減を図ることができる。
【００７７】
更に本実施例に係る冷却装置４０は、真空容器４１と超電導マグネットコイル５２との間の位置に、補助コイル６７を設けた構成としている。この補助コイル６７は、前記したように超電導マグネットコイル５２で発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する構成とされている。よって、この補助コイル６７を設けることにより、これによっても磁場が真空容器４１真空容器の外部に漏れることを防止できる。
【００７８】
即ち、超電導マグネットコイル５２で発生する磁場の内、磁性体ソルトピル５８に向かう磁場（図２に矢印Ｂ１で示す）は外部に漏れ出す磁場としては弱く、漏れ磁場となるのは超電導マグネットコイル５２より外側に向う磁場（図２に矢印Ｂ２で示す）である。補助コイル６７で発生する磁場（図２に矢印Ｂ３で示す）は、主に超電導マグネットコイル５２より外側に向う磁場Ｂ２に作用して、この磁場Ｂ２を相殺する。よって、補助コイル６７を設けることにより、真空容器４１の外部に磁場が漏れ出すことをより有効に防止することができる。
【００７９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の一実施例である冷却装置の全体を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例である冷却装置の磁性体ソルトピルの近傍を拡大して示す図である。
【図３】図３は、図１に示した冷却装置の領域Ａに対応した部分の拡大図である。
【図４】図４は、真空容器支持体の側面図である。
【図５】図５は、真空容器支持体の平面図である。
【図６】図６は、図１に破線で囲って示した領域Ｂに対応した部分の断面斜視図である。
【符号の説明】
【００８１】
４０ 冷却装置
４１ 真空容器
５２，５４ 超電導マグネットコイル
４２ 真空容器本体
４３ 天板
４４ 底板部材
４６ 第１の輻射シールド
４７ 第１の冷却ステージ
４９ 第２の輻射シールド
５０ 第２の冷却ステージ
５６ 熱伝導支持部材
５７，５９ 超伝導線
５８ 磁性体ソルトピル
６０ 断熱消磁冷凍機
６１ 外筒
６２ 第２のシールド部材
６３ 第１のシールド部材
６４ シールド部材
６５ 熱スイッチ
６２Ａ，６３Ａ，６４Ａ 計測用窓
６６ 熱リンク
６７ 補助コイル
６８ 検出器
７０ ＧＭ冷凍機
７３ 第１の冷却部
７４ 第１のシリンダ部
７５ 第１のコールドヘッド
７７，８４ 可撓性高熱伝導部材
７８ 第２の冷却部
７９ 第２のシリンダ部
８０ 冷凍機支持体
８１ 第２のコールドヘッド
８８ 真空ベローズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却装置に係り、特に断熱消磁を利用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、低温化技術の一つして断熱消磁法が知られている。この断熱消磁法は、磁場によって磁性体の磁場エントロピーを制御することによって温度を変化させる方法である。この断熱消磁法によれば、磁性体と印加する磁場の強さを選ぶことで、常温から１Ｋ以下の超低温まで発生することが可能である。
【０００３】
この断熱消磁法を利用して超低温を発生する冷却装置は、磁性体に超電導マグネットで発生させた磁場を印加すると共に、熱スイッチを介して例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（以下、ＧＭ冷凍機とする）を磁性体に熱的に接続し、磁性体の温度を制御する構成とされている。よって、断熱消磁法を利用した冷却装置は、必然的にその内部に強い磁場が形成されることとなる。
【０００４】
上記の断熱消磁を利用した冷却装置は、例えばＸ線分析装置（エネルギー分散型Ｘ線分析装置等）に適用され、Ｘ線検出素子を冷却するのに用いられる。Ｘ線検出素子を冷却することにより、ノイズ低減図ることが可能となり、分析精度を高めることができる。
【０００５】
また、この冷却装置の稼動中は、超電導マグネットは４Ｋ程度に冷却され、また磁性体は０．０５Ｋの超低温となる。このため、この種の冷却装置では、超電導マグネット及び磁性体等は、多段の輻射シールドが行われた真空容器内に装着された構成とされる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２３３３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで従来の冷却装置では、加工性，経年変化が少ない等の理由から真空容器の材質としては非磁性材であるステンレスが一般に用いられている。このため、磁場を用いることが冷凍原理となっている断熱消磁法を利用した冷却装置では、真空容器の外部に磁場が漏れ出ししまうという問題点があった。
【０００７】
このように、漏れ磁場が発生すると、上記のエネルギー分散型Ｘ線分析装置の場合には、分析の為に照射する電子線が漏れ磁場により影響を受けてその軌道が曲げられてしまい、検出精度に悪影響が生じてしまう。この問題点は、エネルギー分散型Ｘ線分析装置ばかりではなく、電子顕微鏡に断熱消磁を利用した冷却装置を適用した場合にも発生する。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてさなれたものであり、装置の小型化を図りつつ、漏れ磁場の発生を抑制しうる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項１記載の発明は、
真空容器と、
該真空容器に内設されており、超電導マグネットコイルと、該超電導マグネットコイル内に配設された磁性体と、該磁性体に対する熱伝導のスイッチ処理を行なう熱スイッチとを具備する断熱消磁冷凍部と、
前記熱スイッチを介して前記磁性体を冷却する冷凍機とを有する冷却装置において、
前記真空容器の少なくとも前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことを特徴とするものである。
【００１１】
上記発明によれば、真空容器の少なくとも前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことにより、超電導マグネットコイルで発生する磁場が真空容器の外部に漏れることを防止することができる。特に、磁性体の配設位置は最も磁場が強い部位であり、少なくともこの部位に真空容器の磁性体よりなる部分が対向することにより、漏れ磁場の発生を有効に抑制することができる。また、真空容器がヨークとして機能するため、強い磁界を形成することができる。よって、このように強い磁場を磁性体に印加することが可能となり、断熱消磁効果を高めることができる。更に、真空容器の少なくとも一部を磁性材料で形成したことにより、真空容器は内部を真空に保つ機能と、磁気シールドの機能との２つの機能を同時に奏することとなるため、この機能を夫々別部材により実現する構成に比べ、冷却装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の冷却装置において、
前記とを特徴とするものである。
【００１３】
上記発明によれば、円筒形状の真空容器が超電導マグネットコイルの外周を囲繞する構成となるため、磁場の漏洩を確実に防止することができる。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の冷却装置において、
前記真空容器と前記超電導マグネットとの間の位置に、前記超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
上記発明によれば、超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを真空容器と超電導マグネットとの間に設けたことにより、磁場が真空容器の外部に漏れることをより確実に防止することができる。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記冷凍機を前記断熱消磁冷凍部に対して下部に配置したことを特徴とするものである。
【００１７】
上記発明によれば、重量物である冷凍機を、この冷凍機よりも軽量な熱消磁冷凍機構に対して下部に配置したことにより、冷却装置全体としての安定性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、真空容器の少なくとも一部を磁性材料で形成したことにより、超電導マグネットコイルで発生する磁場が真空容器の外部に漏れることを防止することができると共に、冷却装置の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施例である冷却装置４０の全体構成を示す断面図である。同図に示されるように、冷却装置４０は大略すると真空容器４１、第１の輻射シールド４６、第２の輻射シールド４９、断熱消磁冷凍部６０、熱スイッチ６５、ギフォード・マクマホン型冷凍機７０、熱リンク６６等を有した構成とされている。
【００２１】
真空容器４１は、大略すると真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４等により構成されており、その内部に密閉された円筒空間４１Ａが形成されている。また、この真空容器本体４２には、後述する外筒６１、シールド部材６４、及びフランジ９５等が設けられる。
【００２２】
真空容器本体４２は円筒形状をしており、その上下端部には開口部（図示せず）が形成されている。真空容器本体４２の上端部には、開口部を覆うよう天板４３が配設されており、下端部には開口部を覆うよう底板部材４４が配設されている。本実施例では、この真空容器４１を構成する真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４を、鉄等の磁性材料で形成したことを特徴とする。尚、このように真空容器４１を磁性材料で形成したことの作用効果については、説明の便宜上、後述するものとする。
【００２３】
真空容器本体４２の下端部に配設される底板部材４４には、ＧＭ冷凍機７０を真空容器４１内に挿入するための開口部４４Ａが形成されている。また、真空容器本体４２の側面部には、側方に向け延出した外筒６１が配設されている。
【００２４】
この外筒６１は円筒空間４１Ａと連通しており、その内部は真空雰囲気となるよう構成されている。外筒６１の真空容器本体４２と接続された端部と反対側の端部（図中、右端部）には、シールド部材６４が配設されている。
【００２５】
シールド部材６４は有底筒状の部材であり、その内部に同じく有底筒状の形状を有した第１のシールド部材６３及び第２のシールド部材６２が同心的に配設されている。また、最内周に位置する第２のシールド部材６２の図中右側の端部近傍位置には検出器６８が設けられている。
【００２６】
この各シールド部材６２〜６４の検出器６８と対向する端部には、計測用窓６２Ａ〜６４Ａが設けられている。この計測用窓６２Ａ〜６４Ａは、光や電磁波を検出器６８に向け通過させるための窓である。
【００２７】
また、シールド部材６４の中心位置、即ち第２のシールド部材６２の内部位置には、円柱状の熱リンク６６が配設されている。この熱リンク６６は、熱伝導率の高い材質（例えば、銅）により形成されており、図中右側端部が検出器６８に熱的に接続され、図中左側端部が後述する断熱消磁冷凍部６０に熱的に接続された構成とされている。
【００２８】
真空容器本体４２の外周部には、フランジ９５が配設されている。このフランジ９５には、図５に示されるように、複数のボルト穴１０５が形成されている。このボルト穴１０５にボルト９６を挿入し、フランジ９５と真空容器支持体１００とをボルト９６により締結することで、真空容器４１は、真空容器支持体１００に固定支持される。
【００２９】
真空容器支持体１００は前記した真空容器４１を支持するものであり、図４に示すように、矩形状をした２つの枠部材１０１，１０２と、その角部に立設された４本の支柱部材１０４とにより構成とされている。
【００３０】
この真空容器支持体１００は、後述する冷凍機支持体８０と振動的に分離された構成とされている。真空容器４１は、この真空容器支持体１００により床上に設置される。
【００３１】
一方、真空容器４１は、その内部に第１の輻射シールド４６と第２の輻射シールド４９を内設した構成とされている。第１の輻射シールド４６は円筒形状をしており、その内部には円筒空間４６Ａが形成されている。
【００３２】
この第１の輻射シールド４６は、真空容器本体４２の内壁との間に隙間を介在するよう構成されている。このように、真空容器本体４２と第１の輻射シールド４６との間に間隙を形成することにより、真空容器本体４２の外部の熱が直接第１の輻射シールド４６に輻射されるのを遮断することができる。
【００３３】
第１の輻射シールド４６の側面部には、前記した第１のシールド部材６３が設けられている。第１のシールド部材６３は図中右方向に延出するよう形成されおり、外筒６１及びシールド部材６４と隙間を介在させるよう外筒６１内及びシールド部材６４内に配置されている。
【００３４】
また、第１の輻射シールド４６は、その下端部が開放された構成とされており、この下端部には第１の冷却ステージ４７が配設されている。この第１の冷却ステージ４７は、ＧＭ冷凍機７０を挿入するための開口部（図示せず）が設けられている。
【００３５】
また、第１の冷却ステージ４７と底板部材４４との間には、支柱４５が設けられており、第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６は、支柱４５を介して、底板部材４４に支持されている。第１の冷却ステージ４７は、後述する第１のコールドヘッド７５から発生する寒冷により、第１の輻射シールド４６内を冷却するためのものである。
【００３６】
第２の輻射シールド４９は、第１の輻射シールド４６との間に隙間を介在させるよう第１の輻射シールド４６内（円筒空間４６Ａ）に配設されている。第２の輻射シールド４９は、第１の輻射シールド４６との間において輻射熱が遮断されるよう機能するものである。
【００３７】
この第２の輻射シールド４９も円筒形状を有しており、その内部には円筒空間４９Ａが形成されている。また、第２の輻射シールド４９の側面部には、前記した第２のシールド部材６２第２のシールド部材６２は、第１のシールド部材６３と隙間を介在させるよう第１のシールド部材６３内に配置されている。
【００３８】
また、第２の輻射シールド４９は下端部が開放された構成とされており、この下端部には第２の冷却ステージ５０が配設されている。断熱消磁冷凍部６０は、この第２の冷却ステージ５０の上部に配設されている。このため、第２の冷却ステージ５０には、断熱消磁冷凍部６０を構成する磁性体ソルトピル５８を挿入するための開口部（図示せず）が設けられている。
【００３９】
第２の冷却ステージ５０と第１の冷却ステージ４７との間には、支柱５１が設けられており、第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９は、支柱５１を介して第１の冷却ステージ４７に支持されている。第２の冷却ステージ５０は、後述する第２のコールドヘッド８１から発生する寒冷により、第２の輻射シールド４９内に配設された磁性体ソルトピル５８を冷却するためのものである。
【００４０】
また、第２の冷却ステージ５０と磁性体ソルトピル５８との間には、第２の冷却ステージ５０の寒冷が磁性体ソルトピル５８に伝達されるのをオン／オフする熱スイッチ６５が設けられている。
【００４１】
熱リンク６６は前記のように第２のシールド部材６３内に配設された銅よりなる棒状部材であり、一方の端部が磁性体ソルトピル５８と熱的に接続されると共に、他方の端部が検出器６８と熱的に接続されている。この熱リンク６６は、磁性体ソルトピル５８で発生した超低温（例えば、０．０５Ｋ）の寒冷により検出器６６を冷却する機能を奏する。
【００４２】
検出器６８は、第２のシールド部材６２内に設けられており、測定用窓６２Ａ〜６３Ａと対向するよう配置されている。検出器６８は、電子ビーム、及び電磁波（Ｘ線）等の検出を行うものであり、試料に対する分析・検査内容に応じて適宜選択される。
【００４３】
冷凍機支持体８０は、ＧＭ冷凍機７０を支持するためのものであり、真空容器支持体１００が設けられた領域よりも内側に設けられている。冷凍機支持体８０は、大略するとベース９１と、冷凍機固定板８９と、支持部８５とを有した構成とされている。
【００４４】
ベース９１の上方には、４本の支持部８５により支持された冷凍機固定板８９が配置されている。ベース９１は、床上に設置されるものである。冷凍機固定板８９の中央部には、ＧＭ冷凍機７０を挿入するための開口部８９Ａが形成されている。冷凍機固定板８９には、ＧＭ冷凍機７０のモータ部７１がボルトを介して固定される。
【００４５】
このように、真空容器支持体１００が設けられた領域の内側に冷凍機支持体８０を設けることにより、真空容器支持体１００が設けられた領域の外側に冷凍機支持体８０を設ける場合と比較して、冷却装置４０の大きさ（フットプリント）を小さくすることができる
冷凍機支持体８０と底板部材４４との間は、ＧＭ冷凍機７０を囲繞するように設けられた真空ベローズ８８により接続されている。図６に示すように、振動抑制部材である真空ベローズ８８は、蛇腹構造をしており、ＧＭ冷凍機７０からの振動が真空容器４１に伝わることを抑制するためのものである。
【００４６】
このように、ＧＭ冷凍機７０を支持する冷凍機支持体８０と真空容器４１との間を真空ベローズ８８で接続することにより、ＧＭ冷凍機７０から発生する振動が真空容器４１に伝わることを抑制できる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生する振動が真空容器４１を介して、検出器６８に振動が伝わることが抑制され、検出器６８の検出を精度良く行うことができる。
【００４７】
尚、図６は図２に示した冷却装置の領域Ｂに対応した部分を拡大して示す部分断面斜視図であり、また図６においてＧＭ冷凍機７０の内部構造の図示は省略してある。
【００４８】
断熱消磁冷凍部６０は、真空容器４１内、第１輻射シールド４６内、及び第２の輻射シールド４９内に配設されており、大略すると超伝導マグネットコイル５２、磁性体ソルトピル５８、及び熱スイッチ６５等により構成されている。この断熱消磁冷凍部６０とＧＭ冷凍機７０により、断熱消磁法に基づく冷却装置４０が構成される。
【００４９】
超伝導マグネットコイル５２は、超伝導マグネットコイル５４に設けられた円筒状開口部に配設されており、巻枠５３と超伝導線５７とを有した構成とされている。巻枠５３には、超伝導線５７が巻回されている。巻枠５３の中央部には、Ｙ，Ｙ方向に貫通する円筒状開口部５３Ａが形成されており、巻枠５３の両端部には、フランジ部５３Ｂが形成されている。磁性体ソルトピル５８は、円筒状開口部５３Ａに配設される。
【００５０】
更に、超電導マグネットコイル５２の外周には、補助コイル６７が配設されている。この補助コイル６７は、第２の輻射シールド４９内に配設されており、巻枠５５と超伝導線５９とを有した構成とされている。巻枠５５には、超伝導線５９が巻回されており、巻枠５５の中央部には、図中上下方向に貫通する円筒状開口部（図示せず）が形成されている。この円筒状開口部には、超伝導マグネットコイル５２が配設される。また、巻枠５５の両端部には、フランジ部５５Ｂが形成されている。
【００５１】
上記構成とされた超伝導マグネットコイル５２，６７は、超伝導マグネットコイル５２の下端部に設けられたフランジ部５３Ｂ，５５Ｂと第２の冷却ステージ５０との間に配設された熱伝導支持部材５６により支持されている。
【００５２】
磁性体ソルトピル５８は、円筒状開口部５３Ａに配設されている。磁性体ソルトピル５８は、図示していない容器内に多数の金線と、断熱消磁の際の冷却媒体となる鉄ミョウバンとが収納された構成とされている。磁性体ソルトピル５８は、熱リンク６６を介して、被冷却物である検出器６８と熱的に接続されている。熱スイッチ６５は、磁性体ソルトピル５８とＧＭ冷凍機７０との熱的な接続をオン／オフするためのものである。
【００５３】
ＧＭ冷凍機７０は、大略するとモータ部７１、第１の冷却部７３、及び第２の冷却部７８等により構成されている。このＧＭ冷凍機７０は、冷却装置４０を構成する構成部品の内、最も重量が大きなものである。
【００５４】
本実施例では、このように重量が大であるＧＭ冷凍機７０を下部に配置し、ＧＭ冷凍機７０に比べ軽量である真空容器４１（内部に配設された構成物を含む）をＧＭ冷凍機７０よりも高い位置に配置した構成としている。このように、重量物を下部に配置し、軽量物を上部に配置することにより、冷却装置４０全体としての安定性を高めることができる。
【００５５】
本実施例では、ＧＭ冷凍機７０はモータ部７１が最下部に位置するよう配設されている。モータ部７１は、第１及び第２の冷却部７３，７８に設けられたシリンダ（図示せず）を駆動させるためのモータが内設されている。このモータ部７１にはフランジ７０Ｂが設けられており、フランジ７０Ｂはボルトにより冷凍機固定板８９に固定されている。これにより、ＧＭ冷凍機７０は、冷凍機支持体８０に支持される。
【００５６】
このモータ部７１の上部には、底板部材４４を貫通する第１の冷却部７３が配設されている。この第１の冷却部７３は、モータ部７１と一体的に構成されている。
【００５７】
第１の冷却部７３は、第１のシリンダ部７４、第１のコールドヘッド７５、及びフランジ７６等により構成されている。第１のシリンダ部７４は、第１のコールドヘッド７５とモータ部７１との間に配設されている。第１のシリンダ部７４には、図示していないシリンダが内設されている。シリンダは、モータ部７１に内設されているモータにより、図中上下方向に駆動され、これにより寒冷が発生する。
【００５８】
第１のコールドヘッド７５は、４０Ｋ程度の寒冷を発生させるものである。第１のコールドヘッド７５の外周部には、円盤形状のフランジ７６が配設されている。フランジ７６は、第１のコールドヘッド７５と熱的に接続されている。フランジ７６は、可撓性高熱伝導部材７７を介して、第１の冷却ステージ４７と熱的に接続されている。
【００５９】
可撓性高熱伝導部材７７は、第２の冷却部７８を囲繞するようフランジ７６と第１の冷却ステージ４７との間に複数設けられている。可撓性高熱伝導部材７７は、可撓性を有すると共に、高熱伝導性を有しており、側面視した状態において、Ｓ字に湾曲したリボン状の部材である。可撓性高熱伝導部材７７には、金箔、銀箔、銅箔、及びアルミ箔からなる群のうち少なくとも一種を重ね合わせたものを用いることができる。
【００６０】
このように、フランジ７６と第１の冷却ステージ４７との間に、可撓性を有すると共に、第２の冷却部７８を囲繞するよう高熱伝導性を有する可撓性高熱伝導部材７７を複数設け、第１の冷却部７３と第１の冷却ステージ４７との間を熱的に接続することにより、第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６の冷却を効率良く行うと共に、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が第１の冷却ステージ４７及び第１の輻射シールド４６に伝わることを抑制することができる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が検出器６８に伝わることを抑制できる。
【００６１】
第２の冷却部７８は、第１の冷却ステージ４７を貫通するように、第１の冷却部７３と磁性体ソルトピル５８との間に配設されている。第２の冷却部７８は、第１の冷却部７３と一体的に構成されており、磁性体ソルトピル５８と熱的に接続されている。第２の冷却部７８は、大略すると第２のシリンダ部７９と、第２のコールドヘッド８１と、フランジ８２とを有した構成とされている。
【００６２】
第２のシリンダ部７９は、第２のコールドヘッド８１と第１のコールドヘッド７５との間に配設されている。第２のシリンダ部７９には、図示していないシリンダが内設されており、このシリンダが前記のモータにより図中上下方向に駆動されることにより寒冷が発生する。
【００６３】
第２のコールドヘッド８１は、４Ｋ程度の寒冷を発生させる部分である。第２のコールドヘッド８１の上部には、第２のコールドヘッド８１と熱的に接続されたフランジ８２が配設されている。このフランジ８２は円盤形状に構成されており、可撓性高熱伝導部材８４を介して第２の冷却ステージ５０と熱的に接続されている。
【００６４】
可撓性高熱伝導部材８４は、第２の冷却部７８を囲繞するようフランジ８２と第２の冷却ステージ５０との間に複数設けられている。可撓性高熱伝導部材８４は、可撓性を有すると共に高熱伝導性を有しており、側面視した状態においてＳ字に湾曲したリボン状の部材である。可撓性高熱伝導部材８４には、金箔、銀箔、銅箔、及びアルミ箔からなる群のうち少なくとも一種を重ね合わせたものを用いることができる。
【００６５】
このように、フランジ８２と第２の冷却ステージ５０との間に、可撓性を有すると共に、第２の冷却部７８を囲繞するよう高熱伝導性を有する可撓性高熱伝導部材８４を複数設け、第２の冷却部７８と第２の冷却ステージ５０との間を熱的に接続することにより、第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９内の冷却を効率良く行うと共に、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が第２の冷却ステージ５０及び第２の輻射シールド４９に伝わることを抑制することができる。これにより、ＧＭ冷凍機７０から発生した振動が検出器６８に伝わることを抑制できる。
【００６６】
ここで、断熱消磁冷凍部６０における断熱消磁法による冷却原理について説明する。磁性体ソルトピル５８を構成する磁性原子の磁気モーメントは、温度が非常に高くない限り無秩序であり、その系のエントロピーは高い状態にある。
【００６７】
ここに、外部から超伝導マグネットコイル５２により強い磁場を印加すると、磁気モーメントは外磁場の方向に整列し、部分的に秩序化されて、系全体のエントロピーは減少する。また、磁性体ソルトピル５８を等温に保った状態で外部磁界を印加すると、磁性体ソルトピル５８を構成する磁性原子の磁気モーメントは磁界の方向に配列し、系全体のエントロピーは減少する。
【００６８】
等温磁化を行う際、磁化熱が発生し温度が上昇し、この熱を取り去った後、ＧＭ冷凍機７０と磁性体ソルトピル５８とを熱スイッチ６５により熱的に分離して断熱状態に系を孤立させ、外部磁場を徐々に取り去ると、磁場の減少と共に磁性体ソルトピル５８の温度が低下する。この断熱消磁により、液体Ｈｅ温度（４Ｋ）以下の極低温の寒冷を得ることができる。
【００６９】
本実施例に係る冷却装置４０は、上記構成とされた断熱消磁冷凍部６０を設け、断熱消磁法により超低温を実現し、熱リンク６６を介してこの超低温を検出器６８に熱伝導して冷却する構成としている。これにより、検出器６８を液体Ｈｅ温度（４Ｋ）以下の極低温で冷却することが可能となり、検出器６８の分解能を向上させて精度の良い検出を行うことができる。
【００７０】
ここで、真空容器４１の材質に注目する。前記したように、本実施例に係る冷却装置４０は、真空容器４１を構成する真空容器本体４２、天板４３、及び底板部材４４を、鉄等の磁性材料で形成している。
【００７１】
よって、磁場を形成する超電導マグネットコイル５２及びこの発生磁場が印加される磁性体ソルトピル５８と対向する位置は、磁性材よりなる真空容器４１で囲繞させた構成となる（本実施例では、磁性体ソルトピル５８は、超電導マグネットコイル５２を介して真空容器４１と対向する）。このように、超電導マグネットコイル５２及び磁性体ソルトピル５８と対向する位置が磁性材で覆われた構成とすることにより、超電導マグネットコイル５２で発生する磁場が真空容器４１の外部に漏れることを防止することができる。
【００７２】
特に、磁性体ソルトピル５８が配設される位置は最も磁場が強い部位であり、よってこの部位を真空容器４１により囲繞しシールドすることにより、漏れ磁場の発生を有効に抑制することができる。従って、この点から必ずしも真空容器４１の全部を磁性材料により形成する必要はなく、特に磁場の漏れが発生しやすい部位を局所的に磁性材料により形成する構成としてもよい。
【００７３】
また、真空容器４１ばかりでなく、この真空容器４１に内設される第１及び第２の輻射シールド４６，４９の全て、或はその一部を磁性材料により形成する構成としてもよい。更に、検出器６８が内設されるシールド部材６４、及び／或はこのシールド部材６４が挿通される外筒６１を磁性材料で形成する構成としてもよい。
【００７４】
上記構成とすることにより、断熱消磁法を実施するために必然的に超電導マグネットコイル５２で発生する磁場は、図２に示すように真空容器４１に吸収されるため、真空容器４１（外筒６１）の外部に漏れ出すことを確実に防止することができる。これにより、検出器６８に入射してくる電子ビームや電磁波（Ｘ線）が、漏れ磁界により影響を受けることはなくなり、精度の高い検出処理を行うことが可能となる。
【００７５】
また本実施例では、真空容器４１を磁性材料で形成することにより、真空容器４１が磁力線の通過道となるヨークとして機能する。このため、磁性体ソルトピル５８に対して効率よく磁場を印加することが可能となり断熱消磁効果を高めることができる。
【００７６】
また、本実施例では真空容器４１内に、真空容器４１と別個に磁性材料を配設するのではなく、真空容器４１自体を磁性材料で形成したことにより、真空容器４１は真空容器としての機能と、磁気シールドとしての機能との２つの機能を同時に奏することとなる。よって、この機能を夫々別部材により実現する構成に比べ、冷却装置４０の小型化及び部品点数の削減を図ることができる。
【００７７】
更に本実施例に係る冷却装置４０は、真空容器４１と超電導マグネットコイル５２との間の位置に、補助コイル６７を設けた構成としている。この補助コイル６７は、前記したように超電導マグネットコイル５２で発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する構成とされている。よって、この補助コイル６７を設けることにより、これによっても磁場が真空容器４１真空容器の外部に漏れることを防止できる。
【００７８】
即ち、超電導マグネットコイル５２で発生する磁場の内、磁性体ソルトピル５８に向かう磁場（図２に矢印Ｂ１で示す）は外部に漏れ出す磁場としては弱く、漏れ磁場となるのは超電導マグネットコイル５２より外側に向う磁場（図２に矢印Ｂ２で示す）である。補助コイル６７で発生する磁場（図２に矢印Ｂ３で示す）は、主に超電導マグネットコイル５２より外側に向う磁場Ｂ２に作用して、この磁場Ｂ２を相殺する。よって、補助コイル６７を設けることにより、真空容器４１の外部に磁場が漏れ出すことをより有効に防止することができる。
【００７９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、本発明の一実施例である冷却装置の全体を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例である冷却装置の磁性体ソルトピルの近傍を拡大して示す図である。
【図３】図３は、図１に示した冷却装置の領域Ａに対応した部分の拡大図である。
【図４】図４は、真空容器支持体の側面図である。
【図５】図５は、真空容器支持体の平面図である。
【図６】図６は、図１に破線で囲って示した領域Ｂに対応した部分の断面斜視図である。
【符号の説明】
【００８１】
４０ 冷却装置
４１ 真空容器
５２，５４ 超電導マグネットコイル
４２ 真空容器本体
４３ 天板
４４ 底板部材
４６ 第１の輻射シールド
４７ 第１の冷却ステージ
４９ 第２の輻射シールド
５０ 第２の冷却ステージ
５６ 熱伝導支持部材
５７，５９ 超伝導線
５８ 磁性体ソルトピル
６０ 断熱消磁冷凍機
６１ 外筒
６２ 第２のシールド部材
６３ 第１のシールド部材
６４ シールド部材
６５ 熱スイッチ
６２Ａ，６３Ａ，６４Ａ 計測用窓
６６ 熱リンク
６７ 補助コイル
６８ 検出器
７０ ＧＭ冷凍機
７３ 第１の冷却部
７４ 第１のシリンダ部
７５ 第１のコールドヘッド
７７，８４ 可撓性高熱伝導部材
７８ 第２の冷却部
７９ 第２のシリンダ部
８０ 冷凍機支持体
８１ 第２のコールドヘッド
８８ 真空ベローズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
該真空容器に内設されており、超電導マグネットコイルと、該超電導マグネットコイル内に配設された磁性体と、該磁性体に対する熱伝導のスイッチ処理を行なう熱スイッチとを具備する断熱消磁冷凍部と、
前記熱スイッチを介して前記磁性体を冷却する冷凍機とを有する冷却装置において、
前記真空容器の少なくと前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、
前記真空容器を円筒形状とし、前記超電導マグネットコイルの外周を囲繞するよう構成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の冷却装置において、
前記真空容器と前記超電導マグネットとの間の位置に、前記超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを設けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記冷凍機を前記断熱消磁冷凍部に対して下部に配置したことを特徴とする冷却装置。
【請求項１】
真空容器と、
該真空容器に内設されており、超電導マグネットコイルと、該超電導マグネットコイル内に配設された磁性体と、該磁性体に対する熱伝導のスイッチ処理を行なう熱スイッチとを具備する断熱消磁冷凍部と、
前記熱スイッチを介して前記磁性体を冷却する冷凍機とを有する冷却装置において、
前記真空容器の少なくと前記磁性体と対向する一部を磁性材料で形成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置において、
前記真空容器を円筒形状とし、前記超電導マグネットコイルの外周を囲繞するよう構成したことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の冷却装置において、
前記真空容器と前記超電導マグネットとの間の位置に、前記超電導マグネットコイルの発生する磁場の方向と逆方向の磁場を発生する補助コイルを設けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
前記冷凍機を前記断熱消磁冷凍部に対して下部に配置したことを特徴とする冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−３８３９５（Ｐ２００６−３８３９５Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２２１９９２（Ｐ２００４−２２１９９２）
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２９日（２００４．７．２９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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