複合極低温冷凍機
【課題】１Ｋ（ケルビン）程度の極低温まで冷却可能な冷凍機で、かつ１台の冷凍機で気体伝導冷却と固定伝導冷却が可能で、さらに、その温度域でも真空中で視界良好な光学窓を有し、また磁場中での冷却も可能な複合極低温冷凍機を提供する。
【解決手段】上記課題を解決するため、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機の構成とした。
【解決手段】上記課題を解決するため、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機の構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１Ｋ（ケルビン）程度の極低温まで冷却可能な冷凍機に関し、より詳しくは、１台の冷凍機で気体伝導冷却と固定伝導冷却が可能で、さらにその温度域でも真空中で視界良好な光学窓を有し、また磁場中での冷却も可能な複合極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機としては、図９に示すトップロード型冷凍機、図１０に示す伝導冷却型冷凍機が知られている。
【０００３】
図９のトップロード型冷凍機１１は、極低温（例えば４Ｋ程度（−２６９℃程度））まで冷却する冷凍機１２と、内部を真空３ａ（図中薄いグレー着色エリア）に保つ真空容器１３（クラリオスタット）と、真空容器１３に接続し真空容器１３内部を真空にするように減圧する吸引器に接続される吸引部１４と、真空容器１３に挿入され内部にヘリウムガス１７ａ（図中濃いグレー着色エリア）が注入されるサンプル槽１７と、真空容器１３内部の冷凍機１２の冷却ヘッド１２ａの末端（コールドエンド１２ｂ）とサンプル槽１７とを接続する銅などの伝熱性の高い伝熱プレート１５と、冷凍機１２の１段シリンダ１２ｃ下端の１段冷却ステージ１２ｄ下から下端まで（２段シリンダ１２ｅ、冷却ヘッド１２ａ及びコールドエンド１２ｂ）とサンプル槽１７の中程から下端までと伝熱プレート１５とを真空容器１３内で内部に収納し断熱するラジエーションシールド１６とからなる。
【０００４】
冷凍機１２としては４Ｋ冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機などが使用される。サンプルホルダー１７ｃは、サンプル槽１７内の下部に支持体１７ｂで保持され、突出したラジエーションシールド１６（収納部１６ａ）に位置する。収納部１６ａは銅、アルミなど熱伝導率が高いものが採用される。
【０００５】
このようにしてなるトップロード型冷凍機１１は、サンプルホルダー１７ｃに被冷却物を設置して、支持体１７ｂでサンプル槽１７の上から吊し、サンプル槽１７にヘリウムガス１７ａを外部から注入し、冷凍機１２を運転する。すると、冷却ヘッド１２ａが冷却され、伝熱プレート１５に熱が伝導され、サンプル槽１７の下部が冷却される。そして、熱伝導率が高いヘリウムガス１７ａに伝熱され、間接的にサンプルホルダー１７ｃに固定された被冷却物が冷却される。各箇所の最低到達温度は、２段シリンダ式の４Ｋ冷凍機であれば、１段冷却ステージ１２ｄでは４０Ｋ程度、冷却ヘッド１２ａでは４Ｋ程度、ラジエーションシールド１６では４０Ｋ程度、サンプルホルダー１７ｃ周辺では４Ｋ程度である。
【０００６】
また、収納部１６ａ及びサンプル槽１７に、光学測定の光学窓が取り付けられる場合もある。しかし、構造が複雑になること、ヘリウムガス１７ａの影響を受け精度が高いものでないので慣用されていない。光学測定用の冷却装置としては、図１０に示すような伝導冷却型冷凍機１が一般に使用されている。
【０００７】
図１０は、従来の伝導冷却型冷凍機の説明であり、図１０（Ａ）が側面部分断面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の一点鎖線ＢまでのＡ−Ａ矢視図である。
【０００８】
図１０の伝導冷却型冷凍機１は、極低温（例えば４Ｋ程度）まで冷却する冷凍機２と、内部を真空３ａに保つ真空容器３と、真空容器３に接続し真空容器３内部を真空にするように減圧する吸引器に接続される吸引部４と、冷凍機２の真空容器３内部の冷却ヘッド２ａのコールドエンド２ｂにネジ５ａなどで着脱可能に取り付けられ被冷却体（サンプル）を設置するサンプルホルダー５と、サンプルホルダー５を囲む断熱のためのラジエーションシールド６と、真空容器３に設けられたサンプルホルダー５を透視する複数の光学窓７とからなる。光学測定においては、光を遮断、反射する物質を嫌うため、容器内部を真空３ａにして測定するのが一般的である。
【０００９】
冷凍機２としては４Ｋ冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機などが使用される。真空容器３は上部３ｅと底部３ｆに分割可能で、ラジエーションシールド６も上部６ａと底部６ｂに分割可能である。真空容器３には、機能拡張用の拡張ブランク３ｂが設けられている。
【００１０】
光学窓７には、ガラスが嵌められ、可視光、レーザー光などを被冷却体に照射し、光学測定、目視のために使用される。従って、真空容器３の底部３ｆの側部、ラジエーションシールド６の側部には、それぞれ光学窓７からサンプルホルダー５まで直線的に穴３ｃ、６ｃが穿設されている。穴３ｃに光学窓７が嵌められる。なお、それら穴３ｃ、６ｃは、側面でなく底面にあることもある。このとき、各箇所の最低到達温度は、２段シリンダ式の４Ｋ冷凍機であれば、サンプルホルダー５周辺は４Ｋ程度まで、ラジエーションシールド６は４０Ｋ程度まで冷却される。
【００１１】
他方、ヘリウムガス伝導と固体伝導冷却とを併用できる冷凍機は、市場には流通していない。なお、特許文献２には、被冷却体８を液化ヘリウム４７を収納する液化ヘリウム室４６に固定して冷却する装置が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−７６９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、１Ｋ（ケルビン）程度の極低温まで冷却可能な冷凍機で、かつ１台の冷凍機で気体伝導冷却と固定伝導冷却が可能で、さらに、その温度域でも真空中で視界良好な光学窓を有し、また磁場中での冷却も可能な複合極低温冷凍機及び冷却方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１５】
また、前記サンプル槽と前記１Ｋポットを断絶可能に接続するヒートスイッチで接続したことを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記ヒートスイッチが、前記サンプル槽に接続し内部が前記サンプル槽内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズであって、前記金属製ベローズは、前記サンプル槽中にヘリウムガスを注入することで下端が前記１Ｋポットに接触し１Ｋポットを固体伝導冷却し、前記サンプル槽中のヘリウムガス圧を減圧することにより収縮して前記ベローズによる前記サンプル槽下端と前記１Ｋポット接続が切断され前記ヘリウムガスが１Ｋポット内に液化ヘリウムとして溜まるとともに前記１Ｋポットがより冷却されることを特徴とする前記記載の極低温複合冷凍機の構成とし、前記ベローズの下端には伝導体が接続し、前記ベローズは前記伝導体を介して前記１Ｋポットに接触するとともに、前記サンプル槽と前記伝導体を金属線で接続したことを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１６】
また、前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、さらに、前記１Ｋポット下端に接続する伝熱性の１Ｋ冷却ステージと、前記ラジエーションシールド底部に連通して接続し孔が穿設された収納部と、前記真空容器に接続し内部に前記収納部を位置させるチャンバーと、前記孔を通り前記１Ｋ冷却ステージに向かう光を通す前記チャンバーに設けた光学窓とからなる光学測定用ユニットを備えたことを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１７】
また、前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、前記真空容器内かつ前記ラジエーションシールドの外周であって前記サンプルホルダーの位置にマグネットを配置したことを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記マグネットが、酸化物超伝導磁石であることを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１８】
さらに、前記サンプルホルダーに固定さるパイプと、前記パイプに接続し内部に通路を有する栓とからなる栓構造を備え、前記サンプルホルダーを上下することで、前記栓が前記管に脱着することを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記サンプル槽底部が縦断面すり鉢状で、前記栓がテーパー部を有し、前記すり鉢状底部に前記テーパー部が嵌ることを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１９】
そして、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するとともに、前記サンプル槽内に管を介して連通する１Ｋポットを設けたトップロード型冷凍機において、（１）被冷却体を前記サンプル槽内に設置し又は前記１Ｋポットに接続し、（２）前記サンプル槽内にヘリウムガスを充填した上で前記冷凍機を運転して前記サンプル槽内を冷却し、（３）超流動温度域以下では前記管の径を狭めるとともに前記サンプル槽内の前記ヘリウムガス圧を減圧することを特徴とする複合極低温冷凍機による被冷却体の冷却方法の構成とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、上記構成であるので、１台の冷凍機で、トップロード型冷却及び４Ｋ程度に冷却できる冷凍機のコールドエンドでの冷却（伝導冷却型冷凍機）同様の冷却が可能である。さらに、ヒートスイッチを備える１Ｋ冷却部であるので、簡易な構造で、液化ヘリウムによる１Ｋ近傍の温度域に短時間で到達し、長時間保持することができる。ヒートスイッチを金属製ベローズ構造とすることで、ヘリウムガス注入時にはサンプル槽と１Ｋポットとを接続して個体伝熱で効率的に冷却し、ヘリウムガス吸引（排気）によるサンプル槽内の減圧時には収縮して、サンプル槽と１Ｋポットを断熱し一層効率的に１Ｋポット冷却することができる。さらに、サンプル槽とベローズ末端に設け１Ｋポットに接触する伝導体とを銅線などの金属線で連結することで、より一層効率的に１Ｋポットを冷却することができる。
【００２１】
また、光学測定用ユニットを備えることで、遮蔽物による影響が少なく、高精度の光学測定が可能になる。即ち、サンプルホルダーが真空の真空容器内に収納されており、光学窓からラジエーションシールドの収納部の孔、真空容器のチャンバーの穴を通して、被冷却体を見通せる。
【００２２】
さらに、ラジエーションシールドの外周に、マグネットを備えることで被冷却体を磁場中で冷却することができる。さらに、マグネットとして酸化物超伝導磁石を採用すれば、簡易な構造で高磁場を発生できる。
【００２３】
そして、栓構造を備えることで、サンプル槽と１Ｋポットを連結する通路をヘリウムガス伝熱時より狭めることができ、液化ヘリウムの超流動に起因する減圧停滞及び冷却停滞を低減でき、速やかに１Ｋポットを１Ｋ近傍程度まで冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明である複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図２】図１の１Ｋ冷却部の拡大断面図である。
【図３】本発明である第２の実施形態の複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図４】図３の光学測定用ユニットの拡大断面図である。
【図５】本発明である第３の実施形態の複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図６】ヘリウムガスの超流動現象を抑え、冷却速度を速めるためのサンプル槽と１Ｋポットの断面模式図である。
【図７】栓の動作図である。
【図８】被冷却体の設置固定位置と最低到達温度域の説明図である。
【図９】従来のトップロード型冷凍機の説明図である。
【図１０】従来の伝導冷却型冷凍機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明である複合極低温冷凍機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１に示すように、複合極低温冷凍機２０は、従来のトップロード型冷凍機１１において、サンプル槽１７の下端に、１Ｋ冷却部２１を備える。また、真空容器１３底部の１Ｋ冷却部２１の位置には穴１３ａが形成されている。穴１３ａは、機能拡張用であり、収納部１６ａを着脱式とした場合の作業用穴となる。図１の態様で複合極低温冷凍機２０を使用する場合には穴１３ａは底蓋２２で塞がれている。機能拡張を必要としない場合等、穴１３ａ及び底蓋２２は必ずしも必要ではない。なお、図９と同一の符号は、同一の作用効果を発揮する構成であるのでその説明をここでは省略する。
【００２７】
図２に示すように、１Ｋ冷却部２１は、サンプル槽１７底部に接続しサンプル槽１７内部と連通する管２１ｂと、管２１ｂの他端に接続し管２１ｂ介してサンプル槽１７に連通する１Ｋポット２１ａとからなる。
【００２８】
さらに、１Ｋ冷却部２１には、ヒートスイッチを備えてもよい。ヒートスイッチの一例として、図２ではサンプル槽１７底部に接続し内部がサンプル槽１７内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズ２１ｃを例示した。
【００２９】
金属製ベローズ２１ｃは、図７（Ａ）に示すようにサンプル槽１７中にヘリウムガス１７ａを注入することで伸び、その下端が１Ｋポット２１ａに接触し１Ｋポット２１ａをヘリウムガス伝導冷却及ベローズ２１ｃによる固体伝導冷却を可能にする。そして図７（Ｂ）に示すようにサンプル槽１７中のヘリウムガス圧を減圧（ヘリウムガス１７ａの排気）することによりベローズ２１ｃが収縮してベローズ２１ｃによるサンプル槽１７下端と１Ｋポット２１ａ接続が切断されヘリウムガス１７ａが１Ｋポット２１ａ内に液化ヘリウム１７ｄとして溜まるとともに１Ｋポット２１ａがより冷却される。そして、１Ｋポット２１ａの最低到達温度は、冷凍機１２が４Ｋ冷凍であれば１Ｋ近傍となる。
【００３０】
また、ベローズ２１ｃの下端に伝導体２１ｅを接続し、ベローズ２１ｃは伝導体２１ｅを介して１Ｋポット２１ａに接触するとともに、サンプル槽１７と伝導体２１ｅを銅線２１ｄなどの金属線で連結することで、固体伝導冷却を強化することができる。
【実施例２】
【００３１】
図３に示すように、複合極低温冷凍機３０は、実施例１の複合極低温冷凍機２０において、穴１３ａに連通して光学測定用ユニット３１を備える。光学測定用ユニット３１は、図４に示すように、１Ｋポット２１ａの下端に接続する被冷却体を設置する伝熱性の１Ｋ冷却ステージ３４と、ラジエーションシールド１６の底部に連通して接続し孔１６ｃが穿設された収納部１６ｂと、真空容器１３の穴１３ａ部に接続し内部に収納部１６ｂを位置させるチャンバー３２と、孔１６ｃを通り１Ｋ冷却ステージ３４に向かう光を通すチャンバー３２に設けた光学窓３３とからなる。
【００３２】
１Ｋ冷却ステージ３４は、１Ｋポット２１ａ底部に着脱可能に固定される連結部３４ａと、連結部３４ａに着脱可能に固定される第２支持体３４ｂと、第２支持体３４ｂに着脱可能に固定される連結部３４ｄと、連結部３４ｄに着脱可能に固定される被冷却体を設置する第２サンプルホルダー３４ｃとからなる。なお、１Ｋ冷却ステージ３４は、図４に示す構造に限定されるものではなく、被冷却体の構造、冷却方法により適宜変形され、１Ｋポット２１ａに接続する。
【００３３】
光学窓３３は、チャンバー３２に穿設された穴３２ａにＯリング３３ｄを挟みガラス３３ｃを設置し、孔３３ｂを有する抑え３３ａで、ガラス３３ｃを気密的にチャンバー３２に固定してなる。これにより、ガラス３３ｃ、穴３２ａ、孔１６ｃ、第２サンプルホルダー３４ｃが直線上に位置し、外部の光を第２サンプルホルダー３４ｃに設置した被冷却体まで照射することができる。
【００３４】
従って、実施例２においては、ヘリウムガス１７ａの排気による１Ｋ程度の冷却においても、従来のトップロード型極低温冷凍機に設けられた光学窓に比べ、ヘリウムガスの影響もなく、高精度で光学測定することができこととなる。
【実施例３】
【００３５】
図５は、本発明である他の実施形態の極低温冷凍機の側面部分断面図である。複合極低温冷凍機４０は、実施例２の複合極低温冷凍機３０において、図５に示すように、マグネット４１をラジエーションシールド１６を構成する収納部１６ｂの外周に配置した。なお、従来技術、実施例１、２、と同一の符号の構成は、それらと同じ作用、効果を発揮するため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
マグネット４１としては、銅コイル型、酸化物超伝導磁石などが採用できる。その結果、サンプルホルダー１７ｃ周辺に磁場を発生させることができ、またラジエーションシールド１６は４０Ｋ程度に冷却されるため、磁場を強化することができ、磁場存在下で被冷却体を冷却することができることとなる。
【実施例４】
【００３７】
次に、図６、図７を参照して１Ｋポットを１Ｋ程度まで速やかに冷却しかつ長期間１Ｋ程度の温度を保持方法について説明する。図６はヘリウムガスの超流動現象を抑え、冷却速度を速めるためのサンプル槽と１Ｋポットの断面模式図、図７は栓の動作図である。
【００３８】
ヘリウムガスの沸点は、４．２Ｋであり、ヘリウムガス圧を減圧すると気化熱を奪い、サンプル槽１７内が冷却される。しかし、２．１７Ｋ以下になると超流動になり、フィルムフロー現象が発生し、重力に逆らって液化ヘリウムは管を上昇する。そして、管上部は温度が高いため、２．１７Ｋ以上になり超流動現象がなくなる。従って、ヘリウムガスは急速にガス化する。他方、排気ポンプは、一定量しか排気できないため１Ｋポット２１ａの温度低下が抑えられる。
【００３９】
管２１ｂを細くすると超流動による影響が少なくて済む。しかし、管２１ｂを細くすると、ヘリウムガス１７ａによる１Ｋポット２１ａへの伝熱効率が低下する。そこで、図６に示す栓構造５０を採用した。
【００４０】
図６では、真空容器１３及び光学測定用ユニット３１内に収納されるラジエーションシールド１６（収納部１６ｂ、１６ｄ含む）内に、サンプル槽１７と管２１ｂを介して内部が連接する１Ｋ冷却部２１が収納される。そして、サンプル槽１７内に支持体１７ｂによって支持されるサンプルホルダー１７ｃが収納される。また、１Ｋ冷却部２１下端に、被冷却体を設置する１Ｋ冷却ステージ３４を備える。
【００４１】
そして、栓構造５０は、サンプルホルダー１７ｃ下部に固定される。これにより、サンプルホルダー１７ｃ、１Ｋ冷却ステージ３４何れでも被冷却体の冷却が可能になる。栓構造５０の詳細は、図７を参照して説明する。
【００４２】
栓構造５０は、サンプルホルダー１７ｃ下端部に固定さる内部に管２１ｂの内径より狭い通路５１ａを有するパイプ５１と、パイプ５１に螺着５０ａなどで接続し内部に管２１ｂの内径より狭い通路５２ａを有する栓５２とからなる。そして、栓５２下方にはテーパー部５２ｂがあり、テーパー部５２ｂはサンプル槽１７の底部１７ｅの断面すり鉢状のテーパー部１７ｆに嵌り管２１ｂと栓５２とが着脱可能になる。着脱手段として螺着等他の方式でもよい。パイプ５１の通路５１ａは、パイプ側面の孔５１ｂに接続する。
【００４３】
次に、ヘリウムガス圧を減圧して、１Ｋポットを１Ｋ近傍まで冷却する手順を示す。図７（Ａ）は超流動温度域前までの栓構造の位置、図７（Ｂ）は超流動温度域以後の栓構造の位置を示す図である。先ず、被冷却体をサンプル槽１７内に設置し又は１Ｋポット２１ａに接続し、サンプル槽１７内にヘリウムガス１７ａを充填した上で、栓構造５０を図７（Ａ）の位置にして、冷凍機を運転してサンプル槽１７内を冷却する。
【００４４】
そして、超流動温度域以下では、支持体１７ｂを降下させて、栓５２をサンプル槽１７の底部１７ｅに嵌め、栓構造５０を図７（Ｂ）の位置にして、管２１ｂの径より狭い通路を形成する。即ち、管２１ｂの径より細い通路５２ａ、５１ａでサンプル槽１７と１Ｋポット２１ａを連通させる。その上で、サンプル槽１７内のヘリウムガス圧を減圧（排気）する。超流動により気化した気化ヘリウム１７ｇは、孔５１ｂを通りサンプル槽１７内に吹き出す。通路が管２１ｂの内径より細いため、栓５２を備えない場合に比べ、超流動でなくなったときの液化ヘリウム１７ｄの突沸量は極めて少なくい。従って、１Ｋポット２１ａを温度低下の停滞なくスムーズに１Ｋ程度まで到達させることができる。
【００４５】
栓構造５０を図７（Ａ）の位置で、ヘリウムガス１７ａを超流動温度域まで冷却することで、管２１ｂを通り１Ｋポット２１ａに効率的にヘリウムガス１７ａによる熱伝導が行える。そして、超流動温度域以下は、栓構造５０を図７（Ｂ）の位置に降下（図７中破線管の下向き白抜き矢印）して配置することで、超流動現象を抑え速やかに１Ｋ近傍まで到達させることができるとともに、長期間１Ｋ近傍温度域を保持することができる。
【００４６】
本発明である複合極低温冷凍機は、１台で気体伝導（ヘリウムガス充填のサンプル槽１７内）と固体伝導（１Ｋ冷却ステージ３４）による冷却が可能である。そして、例えば、冷凍機１２の冷却ヘッドが４Ｋ程度まで冷却できる場合、被冷却体の設置位置、サンプル槽１７内の減圧の有無により、被冷却体の最低到達温度は、おおよそ図８に示す温度域まで到達する。さらに、１Ｋ冷却ステージ３４では、真空３ａであるため、光学窓３３によって精度のよい光学観察が可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 伝導冷却型冷凍機
２ 冷凍機
２ａ 冷却ヘッド
２ｂ コールドエンド
２ｃ １段シリンダ
２ｄ １段冷却ステージ
２ｅ ２段シリンダ
３ 真空容器
３ａ 真空
３ｂ 拡張ブランク
３ｃ 穴
３ｅ 上部
３ｆ 底部
４ 吸引部
５ サンプルホルダー
５ａ ネジ
６ ラジエーションシールド
６ａ 上部
６ｂ 底部
６ｃ 穴
７ 光学窓
１１ トップロード型冷凍機
１２ 冷凍機
１２ａ 冷却ヘッド
１２ｂ コールドエンド
１２ｃ １段シリンダ
１２ｄ １段冷却ステージ
１２ｅ ２段シリンダ
１３ 真空容器
１３ａ 穴
１４ 吸引部
１５ 伝熱プレート
１６ ラジエーションシールド
１６ａ 収納部
１６ｂ 収納部
１６ｃ 孔
１６ｄ 収納部
１７ サンプル槽
１７ａ ヘリウムガス
１７ｂ 支持体
１７ｃ サンプルホルダー
１７ｄ 液化ヘリウム
１７ｅ 底部
１７ｆ テーパー部
１７ｇ 気化ヘリウム
２０ 複合極低温冷凍機
２１ １Ｋ冷却部
２１ａ １Ｋポット
２１ｂ 管
２１ｃ ベローズ
２１ｄ 銅線
２１ｅ 伝導体
２２ 底蓋
３０ 複合極低温冷凍機
３１ 光学測定用ユニット
３２ チャンバー
３２ａ 穴
３３ 光学窓
３３ａ 抑え
３３ｂ 孔
３３ｃ ガラス
３３ｄ Ｏリング
３４ １Ｋ冷却ステージ
３４ａ 連結部
３４ｂ 第２支持体
３４ｃ 第２サンプルホルダー
３４ｄ 連結部
４０ 複合極低温冷凍機
４１ マグネット
５０ 栓構造
５０ａ 螺着
５１ パイプ
５１ａ 通路
５１ｂ 孔
５２ 栓
５２ａ 通路
５２ｂ テーパー部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１Ｋ（ケルビン）程度の極低温まで冷却可能な冷凍機に関し、より詳しくは、１台の冷凍機で気体伝導冷却と固定伝導冷却が可能で、さらにその温度域でも真空中で視界良好な光学窓を有し、また磁場中での冷却も可能な複合極低温冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
極低温冷凍機としては、図９に示すトップロード型冷凍機、図１０に示す伝導冷却型冷凍機が知られている。
【０００３】
図９のトップロード型冷凍機１１は、極低温（例えば４Ｋ程度（−２６９℃程度））まで冷却する冷凍機１２と、内部を真空３ａ（図中薄いグレー着色エリア）に保つ真空容器１３（クラリオスタット）と、真空容器１３に接続し真空容器１３内部を真空にするように減圧する吸引器に接続される吸引部１４と、真空容器１３に挿入され内部にヘリウムガス１７ａ（図中濃いグレー着色エリア）が注入されるサンプル槽１７と、真空容器１３内部の冷凍機１２の冷却ヘッド１２ａの末端（コールドエンド１２ｂ）とサンプル槽１７とを接続する銅などの伝熱性の高い伝熱プレート１５と、冷凍機１２の１段シリンダ１２ｃ下端の１段冷却ステージ１２ｄ下から下端まで（２段シリンダ１２ｅ、冷却ヘッド１２ａ及びコールドエンド１２ｂ）とサンプル槽１７の中程から下端までと伝熱プレート１５とを真空容器１３内で内部に収納し断熱するラジエーションシールド１６とからなる。
【０００４】
冷凍機１２としては４Ｋ冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機などが使用される。サンプルホルダー１７ｃは、サンプル槽１７内の下部に支持体１７ｂで保持され、突出したラジエーションシールド１６（収納部１６ａ）に位置する。収納部１６ａは銅、アルミなど熱伝導率が高いものが採用される。
【０００５】
このようにしてなるトップロード型冷凍機１１は、サンプルホルダー１７ｃに被冷却物を設置して、支持体１７ｂでサンプル槽１７の上から吊し、サンプル槽１７にヘリウムガス１７ａを外部から注入し、冷凍機１２を運転する。すると、冷却ヘッド１２ａが冷却され、伝熱プレート１５に熱が伝導され、サンプル槽１７の下部が冷却される。そして、熱伝導率が高いヘリウムガス１７ａに伝熱され、間接的にサンプルホルダー１７ｃに固定された被冷却物が冷却される。各箇所の最低到達温度は、２段シリンダ式の４Ｋ冷凍機であれば、１段冷却ステージ１２ｄでは４０Ｋ程度、冷却ヘッド１２ａでは４Ｋ程度、ラジエーションシールド１６では４０Ｋ程度、サンプルホルダー１７ｃ周辺では４Ｋ程度である。
【０００６】
また、収納部１６ａ及びサンプル槽１７に、光学測定の光学窓が取り付けられる場合もある。しかし、構造が複雑になること、ヘリウムガス１７ａの影響を受け精度が高いものでないので慣用されていない。光学測定用の冷却装置としては、図１０に示すような伝導冷却型冷凍機１が一般に使用されている。
【０００７】
図１０は、従来の伝導冷却型冷凍機の説明であり、図１０（Ａ）が側面部分断面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の一点鎖線ＢまでのＡ−Ａ矢視図である。
【０００８】
図１０の伝導冷却型冷凍機１は、極低温（例えば４Ｋ程度）まで冷却する冷凍機２と、内部を真空３ａに保つ真空容器３と、真空容器３に接続し真空容器３内部を真空にするように減圧する吸引器に接続される吸引部４と、冷凍機２の真空容器３内部の冷却ヘッド２ａのコールドエンド２ｂにネジ５ａなどで着脱可能に取り付けられ被冷却体（サンプル）を設置するサンプルホルダー５と、サンプルホルダー５を囲む断熱のためのラジエーションシールド６と、真空容器３に設けられたサンプルホルダー５を透視する複数の光学窓７とからなる。光学測定においては、光を遮断、反射する物質を嫌うため、容器内部を真空３ａにして測定するのが一般的である。
【０００９】
冷凍機２としては４Ｋ冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機などが使用される。真空容器３は上部３ｅと底部３ｆに分割可能で、ラジエーションシールド６も上部６ａと底部６ｂに分割可能である。真空容器３には、機能拡張用の拡張ブランク３ｂが設けられている。
【００１０】
光学窓７には、ガラスが嵌められ、可視光、レーザー光などを被冷却体に照射し、光学測定、目視のために使用される。従って、真空容器３の底部３ｆの側部、ラジエーションシールド６の側部には、それぞれ光学窓７からサンプルホルダー５まで直線的に穴３ｃ、６ｃが穿設されている。穴３ｃに光学窓７が嵌められる。なお、それら穴３ｃ、６ｃは、側面でなく底面にあることもある。このとき、各箇所の最低到達温度は、２段シリンダ式の４Ｋ冷凍機であれば、サンプルホルダー５周辺は４Ｋ程度まで、ラジエーションシールド６は４０Ｋ程度まで冷却される。
【００１１】
他方、ヘリウムガス伝導と固体伝導冷却とを併用できる冷凍機は、市場には流通していない。なお、特許文献２には、被冷却体８を液化ヘリウム４７を収納する液化ヘリウム室４６に固定して冷却する装置が公開されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−７６９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は、１Ｋ（ケルビン）程度の極低温まで冷却可能な冷凍機で、かつ１台の冷凍機で気体伝導冷却と固定伝導冷却が可能で、さらに、その温度域でも真空中で視界良好な光学窓を有し、また磁場中での冷却も可能な複合極低温冷凍機及び冷却方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１５】
また、前記サンプル槽と前記１Ｋポットを断絶可能に接続するヒートスイッチで接続したことを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記ヒートスイッチが、前記サンプル槽に接続し内部が前記サンプル槽内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズであって、前記金属製ベローズは、前記サンプル槽中にヘリウムガスを注入することで下端が前記１Ｋポットに接触し１Ｋポットを固体伝導冷却し、前記サンプル槽中のヘリウムガス圧を減圧することにより収縮して前記ベローズによる前記サンプル槽下端と前記１Ｋポット接続が切断され前記ヘリウムガスが１Ｋポット内に液化ヘリウムとして溜まるとともに前記１Ｋポットがより冷却されることを特徴とする前記記載の極低温複合冷凍機の構成とし、前記ベローズの下端には伝導体が接続し、前記ベローズは前記伝導体を介して前記１Ｋポットに接触するとともに、前記サンプル槽と前記伝導体を金属線で接続したことを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１６】
また、前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、さらに、前記１Ｋポット下端に接続する伝熱性の１Ｋ冷却ステージと、前記ラジエーションシールド底部に連通して接続し孔が穿設された収納部と、前記真空容器に接続し内部に前記収納部を位置させるチャンバーと、前記孔を通り前記１Ｋ冷却ステージに向かう光を通す前記チャンバーに設けた光学窓とからなる光学測定用ユニットを備えたことを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１７】
また、前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、前記真空容器内かつ前記ラジエーションシールドの外周であって前記サンプルホルダーの位置にマグネットを配置したことを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記マグネットが、酸化物超伝導磁石であることを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１８】
さらに、前記サンプルホルダーに固定さるパイプと、前記パイプに接続し内部に通路を有する栓とからなる栓構造を備え、前記サンプルホルダーを上下することで、前記栓が前記管に脱着することを特徴とする前記何れかに記載の複合極低温冷凍機の構成とし、前記サンプル槽底部が縦断面すり鉢状で、前記栓がテーパー部を有し、前記すり鉢状底部に前記テーパー部が嵌ることを特徴とする前記記載の複合極低温冷凍機の構成とした。
【００１９】
そして、極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するとともに、前記サンプル槽内に管を介して連通する１Ｋポットを設けたトップロード型冷凍機において、（１）被冷却体を前記サンプル槽内に設置し又は前記１Ｋポットに接続し、（２）前記サンプル槽内にヘリウムガスを充填した上で前記冷凍機を運転して前記サンプル槽内を冷却し、（３）超流動温度域以下では前記管の径を狭めるとともに前記サンプル槽内の前記ヘリウムガス圧を減圧することを特徴とする複合極低温冷凍機による被冷却体の冷却方法の構成とした。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、上記構成であるので、１台の冷凍機で、トップロード型冷却及び４Ｋ程度に冷却できる冷凍機のコールドエンドでの冷却（伝導冷却型冷凍機）同様の冷却が可能である。さらに、ヒートスイッチを備える１Ｋ冷却部であるので、簡易な構造で、液化ヘリウムによる１Ｋ近傍の温度域に短時間で到達し、長時間保持することができる。ヒートスイッチを金属製ベローズ構造とすることで、ヘリウムガス注入時にはサンプル槽と１Ｋポットとを接続して個体伝熱で効率的に冷却し、ヘリウムガス吸引（排気）によるサンプル槽内の減圧時には収縮して、サンプル槽と１Ｋポットを断熱し一層効率的に１Ｋポット冷却することができる。さらに、サンプル槽とベローズ末端に設け１Ｋポットに接触する伝導体とを銅線などの金属線で連結することで、より一層効率的に１Ｋポットを冷却することができる。
【００２１】
また、光学測定用ユニットを備えることで、遮蔽物による影響が少なく、高精度の光学測定が可能になる。即ち、サンプルホルダーが真空の真空容器内に収納されており、光学窓からラジエーションシールドの収納部の孔、真空容器のチャンバーの穴を通して、被冷却体を見通せる。
【００２２】
さらに、ラジエーションシールドの外周に、マグネットを備えることで被冷却体を磁場中で冷却することができる。さらに、マグネットとして酸化物超伝導磁石を採用すれば、簡易な構造で高磁場を発生できる。
【００２３】
そして、栓構造を備えることで、サンプル槽と１Ｋポットを連結する通路をヘリウムガス伝熱時より狭めることができ、液化ヘリウムの超流動に起因する減圧停滞及び冷却停滞を低減でき、速やかに１Ｋポットを１Ｋ近傍程度まで冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明である複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図２】図１の１Ｋ冷却部の拡大断面図である。
【図３】本発明である第２の実施形態の複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図４】図３の光学測定用ユニットの拡大断面図である。
【図５】本発明である第３の実施形態の複合極低温冷凍機の側面部分断面図である。
【図６】ヘリウムガスの超流動現象を抑え、冷却速度を速めるためのサンプル槽と１Ｋポットの断面模式図である。
【図７】栓の動作図である。
【図８】被冷却体の設置固定位置と最低到達温度域の説明図である。
【図９】従来のトップロード型冷凍機の説明図である。
【図１０】従来の伝導冷却型冷凍機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明である複合極低温冷凍機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１に示すように、複合極低温冷凍機２０は、従来のトップロード型冷凍機１１において、サンプル槽１７の下端に、１Ｋ冷却部２１を備える。また、真空容器１３底部の１Ｋ冷却部２１の位置には穴１３ａが形成されている。穴１３ａは、機能拡張用であり、収納部１６ａを着脱式とした場合の作業用穴となる。図１の態様で複合極低温冷凍機２０を使用する場合には穴１３ａは底蓋２２で塞がれている。機能拡張を必要としない場合等、穴１３ａ及び底蓋２２は必ずしも必要ではない。なお、図９と同一の符号は、同一の作用効果を発揮する構成であるのでその説明をここでは省略する。
【００２７】
図２に示すように、１Ｋ冷却部２１は、サンプル槽１７底部に接続しサンプル槽１７内部と連通する管２１ｂと、管２１ｂの他端に接続し管２１ｂ介してサンプル槽１７に連通する１Ｋポット２１ａとからなる。
【００２８】
さらに、１Ｋ冷却部２１には、ヒートスイッチを備えてもよい。ヒートスイッチの一例として、図２ではサンプル槽１７底部に接続し内部がサンプル槽１７内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズ２１ｃを例示した。
【００２９】
金属製ベローズ２１ｃは、図７（Ａ）に示すようにサンプル槽１７中にヘリウムガス１７ａを注入することで伸び、その下端が１Ｋポット２１ａに接触し１Ｋポット２１ａをヘリウムガス伝導冷却及ベローズ２１ｃによる固体伝導冷却を可能にする。そして図７（Ｂ）に示すようにサンプル槽１７中のヘリウムガス圧を減圧（ヘリウムガス１７ａの排気）することによりベローズ２１ｃが収縮してベローズ２１ｃによるサンプル槽１７下端と１Ｋポット２１ａ接続が切断されヘリウムガス１７ａが１Ｋポット２１ａ内に液化ヘリウム１７ｄとして溜まるとともに１Ｋポット２１ａがより冷却される。そして、１Ｋポット２１ａの最低到達温度は、冷凍機１２が４Ｋ冷凍であれば１Ｋ近傍となる。
【００３０】
また、ベローズ２１ｃの下端に伝導体２１ｅを接続し、ベローズ２１ｃは伝導体２１ｅを介して１Ｋポット２１ａに接触するとともに、サンプル槽１７と伝導体２１ｅを銅線２１ｄなどの金属線で連結することで、固体伝導冷却を強化することができる。
【実施例２】
【００３１】
図３に示すように、複合極低温冷凍機３０は、実施例１の複合極低温冷凍機２０において、穴１３ａに連通して光学測定用ユニット３１を備える。光学測定用ユニット３１は、図４に示すように、１Ｋポット２１ａの下端に接続する被冷却体を設置する伝熱性の１Ｋ冷却ステージ３４と、ラジエーションシールド１６の底部に連通して接続し孔１６ｃが穿設された収納部１６ｂと、真空容器１３の穴１３ａ部に接続し内部に収納部１６ｂを位置させるチャンバー３２と、孔１６ｃを通り１Ｋ冷却ステージ３４に向かう光を通すチャンバー３２に設けた光学窓３３とからなる。
【００３２】
１Ｋ冷却ステージ３４は、１Ｋポット２１ａ底部に着脱可能に固定される連結部３４ａと、連結部３４ａに着脱可能に固定される第２支持体３４ｂと、第２支持体３４ｂに着脱可能に固定される連結部３４ｄと、連結部３４ｄに着脱可能に固定される被冷却体を設置する第２サンプルホルダー３４ｃとからなる。なお、１Ｋ冷却ステージ３４は、図４に示す構造に限定されるものではなく、被冷却体の構造、冷却方法により適宜変形され、１Ｋポット２１ａに接続する。
【００３３】
光学窓３３は、チャンバー３２に穿設された穴３２ａにＯリング３３ｄを挟みガラス３３ｃを設置し、孔３３ｂを有する抑え３３ａで、ガラス３３ｃを気密的にチャンバー３２に固定してなる。これにより、ガラス３３ｃ、穴３２ａ、孔１６ｃ、第２サンプルホルダー３４ｃが直線上に位置し、外部の光を第２サンプルホルダー３４ｃに設置した被冷却体まで照射することができる。
【００３４】
従って、実施例２においては、ヘリウムガス１７ａの排気による１Ｋ程度の冷却においても、従来のトップロード型極低温冷凍機に設けられた光学窓に比べ、ヘリウムガスの影響もなく、高精度で光学測定することができこととなる。
【実施例３】
【００３５】
図５は、本発明である他の実施形態の極低温冷凍機の側面部分断面図である。複合極低温冷凍機４０は、実施例２の複合極低温冷凍機３０において、図５に示すように、マグネット４１をラジエーションシールド１６を構成する収納部１６ｂの外周に配置した。なお、従来技術、実施例１、２、と同一の符号の構成は、それらと同じ作用、効果を発揮するため、ここでの説明を省略する。
【００３６】
マグネット４１としては、銅コイル型、酸化物超伝導磁石などが採用できる。その結果、サンプルホルダー１７ｃ周辺に磁場を発生させることができ、またラジエーションシールド１６は４０Ｋ程度に冷却されるため、磁場を強化することができ、磁場存在下で被冷却体を冷却することができることとなる。
【実施例４】
【００３７】
次に、図６、図７を参照して１Ｋポットを１Ｋ程度まで速やかに冷却しかつ長期間１Ｋ程度の温度を保持方法について説明する。図６はヘリウムガスの超流動現象を抑え、冷却速度を速めるためのサンプル槽と１Ｋポットの断面模式図、図７は栓の動作図である。
【００３８】
ヘリウムガスの沸点は、４．２Ｋであり、ヘリウムガス圧を減圧すると気化熱を奪い、サンプル槽１７内が冷却される。しかし、２．１７Ｋ以下になると超流動になり、フィルムフロー現象が発生し、重力に逆らって液化ヘリウムは管を上昇する。そして、管上部は温度が高いため、２．１７Ｋ以上になり超流動現象がなくなる。従って、ヘリウムガスは急速にガス化する。他方、排気ポンプは、一定量しか排気できないため１Ｋポット２１ａの温度低下が抑えられる。
【００３９】
管２１ｂを細くすると超流動による影響が少なくて済む。しかし、管２１ｂを細くすると、ヘリウムガス１７ａによる１Ｋポット２１ａへの伝熱効率が低下する。そこで、図６に示す栓構造５０を採用した。
【００４０】
図６では、真空容器１３及び光学測定用ユニット３１内に収納されるラジエーションシールド１６（収納部１６ｂ、１６ｄ含む）内に、サンプル槽１７と管２１ｂを介して内部が連接する１Ｋ冷却部２１が収納される。そして、サンプル槽１７内に支持体１７ｂによって支持されるサンプルホルダー１７ｃが収納される。また、１Ｋ冷却部２１下端に、被冷却体を設置する１Ｋ冷却ステージ３４を備える。
【００４１】
そして、栓構造５０は、サンプルホルダー１７ｃ下部に固定される。これにより、サンプルホルダー１７ｃ、１Ｋ冷却ステージ３４何れでも被冷却体の冷却が可能になる。栓構造５０の詳細は、図７を参照して説明する。
【００４２】
栓構造５０は、サンプルホルダー１７ｃ下端部に固定さる内部に管２１ｂの内径より狭い通路５１ａを有するパイプ５１と、パイプ５１に螺着５０ａなどで接続し内部に管２１ｂの内径より狭い通路５２ａを有する栓５２とからなる。そして、栓５２下方にはテーパー部５２ｂがあり、テーパー部５２ｂはサンプル槽１７の底部１７ｅの断面すり鉢状のテーパー部１７ｆに嵌り管２１ｂと栓５２とが着脱可能になる。着脱手段として螺着等他の方式でもよい。パイプ５１の通路５１ａは、パイプ側面の孔５１ｂに接続する。
【００４３】
次に、ヘリウムガス圧を減圧して、１Ｋポットを１Ｋ近傍まで冷却する手順を示す。図７（Ａ）は超流動温度域前までの栓構造の位置、図７（Ｂ）は超流動温度域以後の栓構造の位置を示す図である。先ず、被冷却体をサンプル槽１７内に設置し又は１Ｋポット２１ａに接続し、サンプル槽１７内にヘリウムガス１７ａを充填した上で、栓構造５０を図７（Ａ）の位置にして、冷凍機を運転してサンプル槽１７内を冷却する。
【００４４】
そして、超流動温度域以下では、支持体１７ｂを降下させて、栓５２をサンプル槽１７の底部１７ｅに嵌め、栓構造５０を図７（Ｂ）の位置にして、管２１ｂの径より狭い通路を形成する。即ち、管２１ｂの径より細い通路５２ａ、５１ａでサンプル槽１７と１Ｋポット２１ａを連通させる。その上で、サンプル槽１７内のヘリウムガス圧を減圧（排気）する。超流動により気化した気化ヘリウム１７ｇは、孔５１ｂを通りサンプル槽１７内に吹き出す。通路が管２１ｂの内径より細いため、栓５２を備えない場合に比べ、超流動でなくなったときの液化ヘリウム１７ｄの突沸量は極めて少なくい。従って、１Ｋポット２１ａを温度低下の停滞なくスムーズに１Ｋ程度まで到達させることができる。
【００４５】
栓構造５０を図７（Ａ）の位置で、ヘリウムガス１７ａを超流動温度域まで冷却することで、管２１ｂを通り１Ｋポット２１ａに効率的にヘリウムガス１７ａによる熱伝導が行える。そして、超流動温度域以下は、栓構造５０を図７（Ｂ）の位置に降下（図７中破線管の下向き白抜き矢印）して配置することで、超流動現象を抑え速やかに１Ｋ近傍まで到達させることができるとともに、長期間１Ｋ近傍温度域を保持することができる。
【００４６】
本発明である複合極低温冷凍機は、１台で気体伝導（ヘリウムガス充填のサンプル槽１７内）と固体伝導（１Ｋ冷却ステージ３４）による冷却が可能である。そして、例えば、冷凍機１２の冷却ヘッドが４Ｋ程度まで冷却できる場合、被冷却体の設置位置、サンプル槽１７内の減圧の有無により、被冷却体の最低到達温度は、おおよそ図８に示す温度域まで到達する。さらに、１Ｋ冷却ステージ３４では、真空３ａであるため、光学窓３３によって精度のよい光学観察が可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１ 伝導冷却型冷凍機
２ 冷凍機
２ａ 冷却ヘッド
２ｂ コールドエンド
２ｃ １段シリンダ
２ｄ １段冷却ステージ
２ｅ ２段シリンダ
３ 真空容器
３ａ 真空
３ｂ 拡張ブランク
３ｃ 穴
３ｅ 上部
３ｆ 底部
４ 吸引部
５ サンプルホルダー
５ａ ネジ
６ ラジエーションシールド
６ａ 上部
６ｂ 底部
６ｃ 穴
７ 光学窓
１１ トップロード型冷凍機
１２ 冷凍機
１２ａ 冷却ヘッド
１２ｂ コールドエンド
１２ｃ １段シリンダ
１２ｄ １段冷却ステージ
１２ｅ ２段シリンダ
１３ 真空容器
１３ａ 穴
１４ 吸引部
１５ 伝熱プレート
１６ ラジエーションシールド
１６ａ 収納部
１６ｂ 収納部
１６ｃ 孔
１６ｄ 収納部
１７ サンプル槽
１７ａ ヘリウムガス
１７ｂ 支持体
１７ｃ サンプルホルダー
１７ｄ 液化ヘリウム
１７ｅ 底部
１７ｆ テーパー部
１７ｇ 気化ヘリウム
２０ 複合極低温冷凍機
２１ １Ｋ冷却部
２１ａ １Ｋポット
２１ｂ 管
２１ｃ ベローズ
２１ｄ 銅線
２１ｅ 伝導体
２２ 底蓋
３０ 複合極低温冷凍機
３１ 光学測定用ユニット
３２ チャンバー
３２ａ 穴
３３ 光学窓
３３ａ 抑え
３３ｂ 孔
３３ｃ ガラス
３３ｄ Ｏリング
３４ １Ｋ冷却ステージ
３４ａ 連結部
３４ｂ 第２支持体
３４ｃ 第２サンプルホルダー
３４ｄ 連結部
４０ 複合極低温冷凍機
４１ マグネット
５０ 栓構造
５０ａ 螺着
５１ パイプ
５１ａ 通路
５１ｂ 孔
５２ 栓
５２ａ 通路
５２ｂ テーパー部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、
前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機。
【請求項２】
前記サンプル槽と前記１Ｋポットを断絶可能に接続するヒートスイッチで接続したことを特徴とする請求項１に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項３】
前記ヒートスイッチが、前記サンプル槽に接続し内部が前記サンプル槽内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズであって、前記金属製ベローズは、前記サンプル槽中にヘリウムガスを注入することで下端が前記１Ｋポットに接触し１Ｋポットを固体伝導冷却し、前記サンプル槽中のヘリウムガス圧を減圧することにより収縮して前記ベローズによる前記サンプル槽下端と前記１Ｋポット接続が切断され前記ヘリウムガスが１Ｋポット内に液化ヘリウムとして溜まるとともに前記１Ｋポットがより冷却されることを特徴とする請求項２に記載の極低温複合冷凍機。
【請求項４】
前記ベローズの下端には伝導体が接続し、前記ベローズは前記伝導体を介して前記１Ｋポットに接触するとともに、前記サンプル槽と前記伝導体を金属線で接続したことを特徴とする請求項３に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項５】
前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、さらに、前記１Ｋポット下端に接続する伝熱性の１Ｋ冷却ステージと、前記ラジエーションシールド底部に連通して接続し孔が穿設された収納部と、前記真空容器に接続し内部に前記収納部を位置させるチャンバーと、前記孔を通り前記１Ｋ冷却ステージに向かう光を通す前記チャンバーに設けた光学窓とからなる光学測定用ユニットを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項６】
前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、前記真空容器内かつ前記ラジエーションシールドの外周であって前記サンプルホルダーの位置にマグネットを配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項７】
前記マグネットが、酸化物超伝導磁石であることを特徴とする請求項６に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項８】
さらに、前記サンプルホルダーに固定さるパイプと、前記パイプに接続し内部に通路を有する栓とからなる栓構造を備え、前記サンプルホルダーを上下することで、前記栓が前記管に脱着することを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項９】
前記サンプル槽底部が縦断面すり鉢状で、前記栓がテーパー部を有し、前記すり鉢状底部に前記テーパー部が嵌ることを特徴とする請求項８に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項１０】
極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するとともに、前記サンプル槽内に管を介して連通する１Ｋポットを設けたトップロード型冷凍機において、
（１）被冷却体を前記サンプル槽内に設置し又は前記１Ｋポットに接続し、
（２）前記サンプル槽内にヘリウムガスを充填した上で前記冷凍機を運転して前記サンプル槽内を冷却し、
（３）超流動温度域以下では前記管の径を狭めるとともに前記サンプル槽内の前記ヘリウムガス圧を減圧することを特徴とする複合極低温冷凍機による被冷却体の冷却方法。
【請求項１】
極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するトップロード型冷凍機において、
前記サンプル槽から管を介して前記サンプル槽に連通する１Ｋ冷却部を設け、前記サンプル槽内又は前記１Ｋポットに被冷却体を接続して前記被冷却体を冷却することを特徴とする複合極低温冷凍機。
【請求項２】
前記サンプル槽と前記１Ｋポットを断絶可能に接続するヒートスイッチで接続したことを特徴とする請求項１に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項３】
前記ヒートスイッチが、前記サンプル槽に接続し内部が前記サンプル槽内に連通する有底の蛇腹状の金属製ベローズであって、前記金属製ベローズは、前記サンプル槽中にヘリウムガスを注入することで下端が前記１Ｋポットに接触し１Ｋポットを固体伝導冷却し、前記サンプル槽中のヘリウムガス圧を減圧することにより収縮して前記ベローズによる前記サンプル槽下端と前記１Ｋポット接続が切断され前記ヘリウムガスが１Ｋポット内に液化ヘリウムとして溜まるとともに前記１Ｋポットがより冷却されることを特徴とする請求項２に記載の極低温複合冷凍機。
【請求項４】
前記ベローズの下端には伝導体が接続し、前記ベローズは前記伝導体を介して前記１Ｋポットに接触するとともに、前記サンプル槽と前記伝導体を金属線で接続したことを特徴とする請求項３に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項５】
前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、さらに、前記１Ｋポット下端に接続する伝熱性の１Ｋ冷却ステージと、前記ラジエーションシールド底部に連通して接続し孔が穿設された収納部と、前記真空容器に接続し内部に前記収納部を位置させるチャンバーと、前記孔を通り前記１Ｋ冷却ステージに向かう光を通す前記チャンバーに設けた光学窓とからなる光学測定用ユニットを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項６】
前記サンプル槽と冷凍機の冷却ヘッドと伝熱プレートとが断熱のためのラジエーションシールドで囲まれた上で、前記真空容器内かつ前記ラジエーションシールドの外周であって前記サンプルホルダーの位置にマグネットを配置したことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項７】
前記マグネットが、酸化物超伝導磁石であることを特徴とする請求項６に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項８】
さらに、前記サンプルホルダーに固定さるパイプと、前記パイプに接続し内部に通路を有する栓とからなる栓構造を備え、前記サンプルホルダーを上下することで、前記栓が前記管に脱着することを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項９】
前記サンプル槽底部が縦断面すり鉢状で、前記栓がテーパー部を有し、前記すり鉢状底部に前記テーパー部が嵌ることを特徴とする請求項８に記載の複合極低温冷凍機。
【請求項１０】
極低温まで冷却する冷凍機の冷却ヘッドと、内部にヘリウムガスを充填し内部に被冷却体を吊して前記被冷却体を前記ヘリウムガスの伝導冷却で冷却するサンプル槽と、前記冷却ヘッドのコールドエンドと前記サンプル槽とを接続する伝熱プレートとを真空容器内に収納するとともに、前記サンプル槽内に管を介して連通する１Ｋポットを設けたトップロード型冷凍機において、
（１）被冷却体を前記サンプル槽内に設置し又は前記１Ｋポットに接続し、
（２）前記サンプル槽内にヘリウムガスを充填した上で前記冷凍機を運転して前記サンプル槽内を冷却し、
（３）超流動温度域以下では前記管の径を狭めるとともに前記サンプル槽内の前記ヘリウムガス圧を減圧することを特徴とする複合極低温冷凍機による被冷却体の冷却方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４２１５２（Ｐ２０１２−４２１５２Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４６６７（Ｐ２０１０−１８４６６７）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（３１００１６８２１）株式会社サーマルブロック (1)
【出願人】（５１００９８４８９）株式会社アクシス (1)
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（３１００１６８２１）株式会社サーマルブロック (1)
【出願人】（５１００９８４８９）株式会社アクシス (1)
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