JPH1047803A - 極低温に関する改良 - Google Patents
極低温に関する改良Info
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- JPH1047803A JPH1047803A JP9115404A JP11540497A JPH1047803A JP H1047803 A JPH1047803 A JP H1047803A JP 9115404 A JP9115404 A JP 9115404A JP 11540497 A JP11540497 A JP 11540497A JP H1047803 A JPH1047803 A JP H1047803A
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
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- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
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-
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-
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 極低温冷凍に関し、特にサンプルを冷却する
ための冷凍機に関する改良を提供するにある。 【解決手段】 かかる冷凍機はサンプルを冷却する液体
ヘリウム冷媒をいれるための容器（４３）を有する。凝
縮領域（４６）を液体ヘリウム冷却材で冷却するための
第１冷却装置（５４）が設けられ、それによって、ヘリ
ウム冷媒が凝縮領域で凝縮し且つ容器に収集する。収着
ポンプ（４５）が容器から気体ヘリウム冷媒を脱気す
る。収着ポンプを液体ヘリウム冷却材で冷却するための
第２冷却装置（６０）が設けられる。第１冷却装置と第
２冷却装置が液体ヘリウム冷却材源（２０）と直列に連
結されている。
ための冷凍機に関する改良を提供するにある。 【解決手段】 かかる冷凍機はサンプルを冷却する液体
ヘリウム冷媒をいれるための容器（４３）を有する。凝
縮領域（４６）を液体ヘリウム冷却材で冷却するための
第１冷却装置（５４）が設けられ、それによって、ヘリ
ウム冷媒が凝縮領域で凝縮し且つ容器に収集する。収着
ポンプ（４５）が容器から気体ヘリウム冷媒を脱気す
る。収着ポンプを液体ヘリウム冷却材で冷却するための
第２冷却装置（６０）が設けられる。第１冷却装置と第
２冷却装置が液体ヘリウム冷却材源（２０）と直列に連
結されている。
Description
【０００１】
【発明の属する分野】本発明は極低温冷凍の改良に関す
る。
る。
【０００２】
【従来の技術】多数の周知の極低温装置が典型的には１
ｍＫ−１．５Ｋの範囲の「超低」温を得るのに利用でき
る。かかる装置の１つの例は５ｍＫ又はそれ以下の温度
を生じさせるために、ヘリウムの２つのアイソトープを
使用する希釈冷凍機である。別の装置が実験用の冷却を
行うために 3Ｈｅの沸騰を使用する 3Ｈｅ冷凍機として
知られている。０．３Ｋのような低い温度はこの種の装
置によって達成される。ある 3Ｈｅ冷凍機は単ショット
収着ポンプ装置であり、他のものは室温ポンプ装置を使
用して、連続ベースでガス循環させる。在来の 3Ｈｅ冷
凍機の例を図１に示す。装置の多数の要素は明瞭にする
ために省略されている。装置はほぼ４．２Ｋの 4Ｈｅ浴
２内に漬けられた排気インサート１を有する。インサー
ト１は、とりわけ、使用中液体 4Ｈｅを収容する 3Ｈｅ
ポット３及び 3Ｈｅ充填／圧送管５を有し、 3Ｈｅ充填
／圧送管５は適当な弁を介して 3Ｈｅ貯蔵ダンプ（図示
せず）に連結された 3Ｈｅ充填管６から充填される。液
体ヘリウム浴２は適当な低温保持装置に取付けられてい
る。サンプル７が 3Ｈｅポット３の基部に真空状態で取
付けられている。 4Ｈｅ“１Ｋポット”８が 3Ｈｅ管５
に取り付けられ、 4Ｈｅ“１Ｋポット”８は９で指示し
た位置で管５の壁から熱を連れ去る。１Ｋポット８には
液体ヘリウム浴２の中に漬けられ、そしてニードル弁１
２（又は他の一定インピーダンス）を有する流入管１１
によって液体 4Ｈｅ１０が充填される。１Ｋポット内の
液体 4Ｈｅ１０の蒸気が排気管１３に取り付けられたロ
ータリポンプによって低圧に圧送されてその温度を下げ
る。１Ｋポット８は所要の流量について設定された可変
流量ニードル弁１２を通して連続的に充填される。液体
4Ｈｅ１０の上の 4Ｈｅ蒸気を脱気することによって液
体 4Ｈｅ１０の温度は１−２Ｋまで下げられる。
ｍＫ−１．５Ｋの範囲の「超低」温を得るのに利用でき
る。かかる装置の１つの例は５ｍＫ又はそれ以下の温度
を生じさせるために、ヘリウムの２つのアイソトープを
使用する希釈冷凍機である。別の装置が実験用の冷却を
行うために 3Ｈｅの沸騰を使用する 3Ｈｅ冷凍機として
知られている。０．３Ｋのような低い温度はこの種の装
置によって達成される。ある 3Ｈｅ冷凍機は単ショット
収着ポンプ装置であり、他のものは室温ポンプ装置を使
用して、連続ベースでガス循環させる。在来の 3Ｈｅ冷
凍機の例を図１に示す。装置の多数の要素は明瞭にする
ために省略されている。装置はほぼ４．２Ｋの 4Ｈｅ浴
２内に漬けられた排気インサート１を有する。インサー
ト１は、とりわけ、使用中液体 4Ｈｅを収容する 3Ｈｅ
ポット３及び 3Ｈｅ充填／圧送管５を有し、 3Ｈｅ充填
／圧送管５は適当な弁を介して 3Ｈｅ貯蔵ダンプ（図示
せず）に連結された 3Ｈｅ充填管６から充填される。液
体ヘリウム浴２は適当な低温保持装置に取付けられてい
る。サンプル７が 3Ｈｅポット３の基部に真空状態で取
付けられている。 4Ｈｅ“１Ｋポット”８が 3Ｈｅ管５
に取り付けられ、 4Ｈｅ“１Ｋポット”８は９で指示し
た位置で管５の壁から熱を連れ去る。１Ｋポット８には
液体ヘリウム浴２の中に漬けられ、そしてニードル弁１
２（又は他の一定インピーダンス）を有する流入管１１
によって液体 4Ｈｅ１０が充填される。１Ｋポット内の
液体 4Ｈｅ１０の蒸気が排気管１３に取り付けられたロ
ータリポンプによって低圧に圧送されてその温度を下げ
る。１Ｋポット８は所要の流量について設定された可変
流量ニードル弁１２を通して連続的に充填される。液体
4Ｈｅ１０の上の 4Ｈｅ蒸気を脱気することによって液
体 4Ｈｅ１０の温度は１−２Ｋまで下げられる。
【０００３】インサート１は又収着ポンプ１４を収容す
る。収着ポンプはガスを吸収することによって働く真空
ポンプである。吸着材料は通常は木炭（又は大変大きい
表面積を有する他の材料）である。収着ポンプ１４が温
められるとき、収着ポンプはガスを放出し、収着ポンプ
が再び冷却されるとき、収着ポンプはガスを脱気して
（吸収して）温度に依存する圧力に減少させる。非常に
高い（及びクリーンな）真空がこの種のポンプによって
達成される。収着ポンプ１４は、流入管１６及びニード
ル弁１７を介してヘリウム浴２から 4Ｈｅが供給される
熱交換器１５によって冷却される。 4Ｈｅは弁１７によ
って制御される熱交換器１５の中を流れ、、適当なポン
プを備えた排気管１８から流出する。収着ポンプ１４は
又加熱器（図示せず）を備える。
る。収着ポンプはガスを吸収することによって働く真空
ポンプである。吸着材料は通常は木炭（又は大変大きい
表面積を有する他の材料）である。収着ポンプ１４が温
められるとき、収着ポンプはガスを放出し、収着ポンプ
が再び冷却されるとき、収着ポンプはガスを脱気して
（吸収して）温度に依存する圧力に減少させる。非常に
高い（及びクリーンな）真空がこの種のポンプによって
達成される。収着ポンプ１４は、流入管１６及びニード
ル弁１７を介してヘリウム浴２から 4Ｈｅが供給される
熱交換器１５によって冷却される。 4Ｈｅは弁１７によ
って制御される熱交換器１５の中を流れ、、適当なポン
プを備えた排気管１８から流出する。収着ポンプ１４は
又加熱器（図示せず）を備える。
【０００４】図１の収着ポンプ 3Ｈｅ冷凍機装置の典型
的な操作を、インサート１だけを示す図２Ａ及び２Ｂに
示す。サンプル７が取付けられ、インサート１がほぼ
４．２Ｋまで冷却されているとき、１Ｋポット８は脱気
され、ニードル弁１２が僅かに開かれて液体ヘリウムを
ポット８に流入させ、ポットを１．５Ｋ以下に冷却す
る。収着ポンプ１４は加熱器によって４０Ｋ以上に温め
られ、従って、収着ポンプは 3Ｈｅガスを吸着しない
（即ち、吸着したガスを放出する）。 3Ｈｅガスは１Ｋ
ポット８で自由に凝縮して減少し 3Ｈｅポット３及びサ
ンプル７を冷却する。この状況での 3Ｈｅの流れを図２
Ａに示す。ある時間後、 3Ｈｅガスのほとんどは凝縮さ
れて 3Ｈｅポット内に液体 3Ｈｅ１０を与えていたはず
である。この段階では、 3Ｈｅポット３はほぼ１．５Ｋ
の液体 3Ｈｅでほぼ一杯である。
的な操作を、インサート１だけを示す図２Ａ及び２Ｂに
示す。サンプル７が取付けられ、インサート１がほぼ
４．２Ｋまで冷却されているとき、１Ｋポット８は脱気
され、ニードル弁１２が僅かに開かれて液体ヘリウムを
ポット８に流入させ、ポットを１．５Ｋ以下に冷却す
る。収着ポンプ１４は加熱器によって４０Ｋ以上に温め
られ、従って、収着ポンプは 3Ｈｅガスを吸着しない
（即ち、吸着したガスを放出する）。 3Ｈｅガスは１Ｋ
ポット８で自由に凝縮して減少し 3Ｈｅポット３及びサ
ンプル７を冷却する。この状況での 3Ｈｅの流れを図２
Ａに示す。ある時間後、 3Ｈｅガスのほとんどは凝縮さ
れて 3Ｈｅポット内に液体 3Ｈｅ１０を与えていたはず
である。この段階では、 3Ｈｅポット３はほぼ１．５Ｋ
の液体 3Ｈｅでほぼ一杯である。
【０００５】今、収着ポンプ１４が冷却され、収着ポン
プは液体 3Ｈｅ１０の蒸気圧を減少させはじめ、従っ
て、サンプルの温度が下がる。この状況での 3Ｈｅの流
れを図２に示す。０．３Ｋ以下のベース温度は典型的に
は、実験的な熱負荷なく、この種の低温保持装置で達成
することができる。次いで、１Ｋポット弁１２が連続的
に充填するように設定される。
プは液体 3Ｈｅ１０の蒸気圧を減少させはじめ、従っ
て、サンプルの温度が下がる。この状況での 3Ｈｅの流
れを図２に示す。０．３Ｋ以下のベース温度は典型的に
は、実験的な熱負荷なく、この種の低温保持装置で達成
することができる。次いで、１Ｋポット弁１２が連続的
に充填するように設定される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、サンプ
ルを冷却するために液体ヘリウム冷媒を入れるための容
器と、ヘリウム冷媒が凝縮領域で凝縮し且つ容器に収集
するようにするために凝縮領域を液体ヘリウム冷却材で
冷却するための第１冷却装置と、容器からガス状ヘリウ
ム冷媒を脱気するようになった収着ポンプと、収着ポン
プを液体ヘリウム冷却材で冷却するための第２冷却装置
と、を有するサンプルを冷却するための冷凍機におい
て、第１冷却装置と第２冷却装置が液体ヘリウム冷却材
源と直列に連結されていることを特徴とするサンプル冷
却用冷凍機を提供する。本発明による冷凍機は在来の冷
凍機に比して多数の利点を提供する。第１に、同じヘリ
ウム冷却材ラインに両冷却装置を設けることによって、
両冷却装置に単一のニードル弁又は一定のインピーダン
ス（ヘリウム冷却材の流量を制御するための）を設けれ
ばすむ。第２に、両冷却装置が実質的に同じ温度のヘリ
ウム冷却材（典型的には 4Ｈｅ）を備えるから、収着ポ
ンプを在来の装置におけるよりも低い温度に冷却するこ
とができる。収着ポンプの脱気効率はその温度に関係す
るから、これは吸着材料の所定容積について収着ポンプ
の脱気力を増大させる。その結果、収着ポンプの容積を
減少させることができる。冷却装置から気体 4Ｈｅを脱
気することによって、ヘリウム冷却材の温度を（蒸気の
「１Ｋポット」と同様な方法で）１−２Ｋまで減少させ
ることができる。その結果、収着ポンプを普通に冷却さ
れた装置で達成することができた４．２Ｋ以下に冷却す
ることができる。
ルを冷却するために液体ヘリウム冷媒を入れるための容
器と、ヘリウム冷媒が凝縮領域で凝縮し且つ容器に収集
するようにするために凝縮領域を液体ヘリウム冷却材で
冷却するための第１冷却装置と、容器からガス状ヘリウ
ム冷媒を脱気するようになった収着ポンプと、収着ポン
プを液体ヘリウム冷却材で冷却するための第２冷却装置
と、を有するサンプルを冷却するための冷凍機におい
て、第１冷却装置と第２冷却装置が液体ヘリウム冷却材
源と直列に連結されていることを特徴とするサンプル冷
却用冷凍機を提供する。本発明による冷凍機は在来の冷
凍機に比して多数の利点を提供する。第１に、同じヘリ
ウム冷却材ラインに両冷却装置を設けることによって、
両冷却装置に単一のニードル弁又は一定のインピーダン
ス（ヘリウム冷却材の流量を制御するための）を設けれ
ばすむ。第２に、両冷却装置が実質的に同じ温度のヘリ
ウム冷却材（典型的には 4Ｈｅ）を備えるから、収着ポ
ンプを在来の装置におけるよりも低い温度に冷却するこ
とができる。収着ポンプの脱気効率はその温度に関係す
るから、これは吸着材料の所定容積について収着ポンプ
の脱気力を増大させる。その結果、収着ポンプの容積を
減少させることができる。冷却装置から気体 4Ｈｅを脱
気することによって、ヘリウム冷却材の温度を（蒸気の
「１Ｋポット」と同様な方法で）１−２Ｋまで減少させ
ることができる。その結果、収着ポンプを普通に冷却さ
れた装置で達成することができた４．２Ｋ以下に冷却す
ることができる。
【０００７】典型的には、第１冷却装置と第２冷却装置
を毛細管のような管で連結される。好ましくは、毛細管
は１−２mmの内径を有する。ヘリウム冷却材はヘリウム
冷却材の加圧源を設けることによって冷却回路の中を押
し進められる。好ましくは、第１冷却装置及び第２冷却
装置のうちの一方は第１管（例えば毛細管）によって液
体ヘリウム冷却材源に連結され、第１冷却装置及び第２
冷却装置のうちの他方は第２管（例えば毛細管）によっ
てポンプに連結される。ポンプは液面の上の気体ヘリウ
ム冷却材を除去し、かくして、ヘリウム冷却材の温度を
下げる。特に好ましい実施形態では、第１及び第２冷却
装置は冷却回路の一部であり、該冷却回路はサンプルの
移動を可能にするために典型的には伸縮する（即ちコイ
ル巻きの数をそれぞれ増減する）ようになった１つ又は
それ以上のコイル管（例えば、コイル毛細管）を有す
る。これは、サンプルを高磁界の領域内の第１位置とＵ
ＨＶ室内の第２位置との間で移動させることができる走
査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のような用途に特に使用さ
れるものである。好ましくは、第１管と第２管は両方と
もこの方法でコイルされる。
を毛細管のような管で連結される。好ましくは、毛細管
は１−２mmの内径を有する。ヘリウム冷却材はヘリウム
冷却材の加圧源を設けることによって冷却回路の中を押
し進められる。好ましくは、第１冷却装置及び第２冷却
装置のうちの一方は第１管（例えば毛細管）によって液
体ヘリウム冷却材源に連結され、第１冷却装置及び第２
冷却装置のうちの他方は第２管（例えば毛細管）によっ
てポンプに連結される。ポンプは液面の上の気体ヘリウ
ム冷却材を除去し、かくして、ヘリウム冷却材の温度を
下げる。特に好ましい実施形態では、第１及び第２冷却
装置は冷却回路の一部であり、該冷却回路はサンプルの
移動を可能にするために典型的には伸縮する（即ちコイ
ル巻きの数をそれぞれ増減する）ようになった１つ又は
それ以上のコイル管（例えば、コイル毛細管）を有す
る。これは、サンプルを高磁界の領域内の第１位置とＵ
ＨＶ室内の第２位置との間で移動させることができる走
査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）のような用途に特に使用さ
れるものである。好ましくは、第１管と第２管は両方と
もこの方法でコイルされる。
【０００８】典型的には、冷凍機は更に、収着ポンプを
再生するために収着ポンプを加熱するための加熱器を有
する。毛細管は第１冷却装置と第２冷却装置との間の管
の長さを増すためにコイルにされるのがよく、かくし
て、第１冷却装置と第２冷却装置との間の管に沿う温度
勾配を減少させる。これは収着ポンプの再生中特に重要
なことである。典型的には、冷凍機は更に、液体ヘリウ
ム冷却材を第２冷却装置のまわりにバイパスさせるため
のパイバス装置を有する。バイパス装置はコイル毛細管
であるのがよい。これは収着ポンプの再生中液体ヘリウ
ム冷却材の低水圧インピーダンスバイパスをもたらす。
冷凍機は冷媒として 3Ｈｅ／ 4Ｈｅ混合物を使用する希
釈冷凍機てあってもよいし、或いは冷媒として 3Ｈｅを
使用する 3Ｈｅ冷凍機であってもよい。
再生するために収着ポンプを加熱するための加熱器を有
する。毛細管は第１冷却装置と第２冷却装置との間の管
の長さを増すためにコイルにされるのがよく、かくし
て、第１冷却装置と第２冷却装置との間の管に沿う温度
勾配を減少させる。これは収着ポンプの再生中特に重要
なことである。典型的には、冷凍機は更に、液体ヘリウ
ム冷却材を第２冷却装置のまわりにバイパスさせるため
のパイバス装置を有する。バイパス装置はコイル毛細管
であるのがよい。これは収着ポンプの再生中液体ヘリウ
ム冷却材の低水圧インピーダンスバイパスをもたらす。
冷凍機は冷媒として 3Ｈｅ／ 4Ｈｅ混合物を使用する希
釈冷凍機てあってもよいし、或いは冷媒として 3Ｈｅを
使用する 3Ｈｅ冷凍機であってもよい。
【０００９】本発明はまたサンプルを調査するための装
置に及び、この装置はサンプルを冷却するための本発明
による冷凍機からなる。装置は、粒子、Ｘ線又は放射検
出器、半導体物理的特性調査装置、中性子散乱実験、磁
気及び光学測定装置、分数量子及び量子ホール効果を調
査するための装置、中間視的研究用装置、低次元系の調
査用装置、又は走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）からな
る。
置に及び、この装置はサンプルを冷却するための本発明
による冷凍機からなる。装置は、粒子、Ｘ線又は放射検
出器、半導体物理的特性調査装置、中性子散乱実験、磁
気及び光学測定装置、分数量子及び量子ホール効果を調
査するための装置、中間視的研究用装置、低次元系の調
査用装置、又は走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）からな
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の多数の実施の形態を今添
付図面を参照して在来の冷凍機と対比して説明する。図
３は本発明による 3Ｈｅ冷凍機の第１の実施形態の概略
図である。主浴２０はほぼ４．２Ｋの液体 4Ｈｅを収容
し、液体 4Ｈｅはヘリウムインサート（全体的に２１で
指示）を取り囲み、そしてとれをほぼ４．２Ｋに冷却
し、 4Ｈｅ冷却材を提供する。 4Ｈｅ冷却材は流入管２
２及びニードル弁２４を通して毛細管２４に流れる。毛
細管２４は第１の長さ４ｍのコイル部分２５、第２の長
さ４ｍのコイル部分２６、及び中間部分２７を有する。
毛細管２４はその遠い方の端がロータリポンプ２８に連
結され、該ロータリーポンプは 4Ｈｅガスを脱気して毛
細管内の 4Ｈｅの温度を１−２Ｋまで下げる。 3Ｈｅポ
ット２９は使用中の液体 3Ｈｅを収容してサンプル（図
示せず）を冷却する。 3Ｈｅポット２９は排気された１
Ｋシールド３０で包囲される。 3Ｈｅポット２９は充填
／圧送管３２を経て収着ポンプ３１に連結される。圧送
管３２の凝縮領域３３は毛細管の中間部分２７との適当
な熱交換（３４で概略的に示す）によって冷却される。
収着ポンプ３１は毛細管の中間部分２７との適当な熱交
換（３５で概略的に示す）によって冷却される。コイル
部分２５、２６間の装置は３６で指示したようにユニッ
トとして移動することができる。
付図面を参照して在来の冷凍機と対比して説明する。図
３は本発明による 3Ｈｅ冷凍機の第１の実施形態の概略
図である。主浴２０はほぼ４．２Ｋの液体 4Ｈｅを収容
し、液体 4Ｈｅはヘリウムインサート（全体的に２１で
指示）を取り囲み、そしてとれをほぼ４．２Ｋに冷却
し、 4Ｈｅ冷却材を提供する。 4Ｈｅ冷却材は流入管２
２及びニードル弁２４を通して毛細管２４に流れる。毛
細管２４は第１の長さ４ｍのコイル部分２５、第２の長
さ４ｍのコイル部分２６、及び中間部分２７を有する。
毛細管２４はその遠い方の端がロータリポンプ２８に連
結され、該ロータリーポンプは 4Ｈｅガスを脱気して毛
細管内の 4Ｈｅの温度を１−２Ｋまで下げる。 3Ｈｅポ
ット２９は使用中の液体 3Ｈｅを収容してサンプル（図
示せず）を冷却する。 3Ｈｅポット２９は排気された１
Ｋシールド３０で包囲される。 3Ｈｅポット２９は充填
／圧送管３２を経て収着ポンプ３１に連結される。圧送
管３２の凝縮領域３３は毛細管の中間部分２７との適当
な熱交換（３４で概略的に示す）によって冷却される。
収着ポンプ３１は毛細管の中間部分２７との適当な熱交
換（３５で概略的に示す）によって冷却される。コイル
部分２５、２６間の装置は３６で指示したようにユニッ
トとして移動することができる。
【００１１】図３に概略的に示すタイプの装置のより詳
細な実施形態を図４Ａ及び４Ｂに示す。図４Ａは 4Ｈｅ
冷媒浴４１内に漬けられた排気インサート４０を示す。
サンプル室４２が 3Ｈｅポット４３の下に設けられる。
3Ｈｅ充填／圧送管４４には流入管１４５（図示してな
い 3Ｈｅ源に連結された）を経て 3Ｈｅが充填さる。収
着ポンプ４５及び凝縮領域は両方とも、浴４１から流入
管４８及びニードル弁７２を経て 4Ｈｅを受ける毛細管
４７によって冷却される。点Ａ−Ａ間のインサート４０
の部分を図４Ｂに断面で示す。毛細管４７の下半分は５
０で指示したようにサンプル室４２及び 3Ｈｅポット４
３のまわりにコイルされている。螺旋５０の最後の巻き
５１は普通のコネクター５２及び毛細管５３を介して熱
交換器に連結される。熱交換器は銅管５５のフランジ８
３と熱伝導接触している環状室５４を有する。銅管５５
はその内面に 3Ｈｅ凝縮領域４６を形成する。熱交換器
の室５４は流出毛細管５６に連結され、一方流出毛細管
はＴー接合コネクター５７に連結されている。Ｔ−接合
コネクター５７はコイルバイパス毛細管５８及びコイル
毛細管５９に連結されている。毛細管５９は収着ポンプ
４５を冷却する第２の熱交換器に連結される。第２の熱
交換器は第１の熱交換器（５４、５５、８３）と同様な
設計のものであって、銅リング８４と熱伝導接触してい
る環状室６０を有し、銅リング８４は収着ポンプ材料の
下縁８５と接触している。熱交換器室６０は流出毛細管
６１に連結され、流出毛細管は第２のＴ−接合コネクタ
ー６２によってバイパス毛細管５８と連結されている。
第２のＴ−接合コネクター６２は収着ポンプ４５のまわ
りに６４でコイルされ、６５で出る毛細管６３に連結さ
れている。毛細管６５は６６で指示した方向にインサー
ト４０の頂きでロータリーポンプ２８に連結される。
細な実施形態を図４Ａ及び４Ｂに示す。図４Ａは 4Ｈｅ
冷媒浴４１内に漬けられた排気インサート４０を示す。
サンプル室４２が 3Ｈｅポット４３の下に設けられる。
3Ｈｅ充填／圧送管４４には流入管１４５（図示してな
い 3Ｈｅ源に連結された）を経て 3Ｈｅが充填さる。収
着ポンプ４５及び凝縮領域は両方とも、浴４１から流入
管４８及びニードル弁７２を経て 4Ｈｅを受ける毛細管
４７によって冷却される。点Ａ−Ａ間のインサート４０
の部分を図４Ｂに断面で示す。毛細管４７の下半分は５
０で指示したようにサンプル室４２及び 3Ｈｅポット４
３のまわりにコイルされている。螺旋５０の最後の巻き
５１は普通のコネクター５２及び毛細管５３を介して熱
交換器に連結される。熱交換器は銅管５５のフランジ８
３と熱伝導接触している環状室５４を有する。銅管５５
はその内面に 3Ｈｅ凝縮領域４６を形成する。熱交換器
の室５４は流出毛細管５６に連結され、一方流出毛細管
はＴー接合コネクター５７に連結されている。Ｔ−接合
コネクター５７はコイルバイパス毛細管５８及びコイル
毛細管５９に連結されている。毛細管５９は収着ポンプ
４５を冷却する第２の熱交換器に連結される。第２の熱
交換器は第１の熱交換器（５４、５５、８３）と同様な
設計のものであって、銅リング８４と熱伝導接触してい
る環状室６０を有し、銅リング８４は収着ポンプ材料の
下縁８５と接触している。熱交換器室６０は流出毛細管
６１に連結され、流出毛細管は第２のＴ−接合コネクタ
ー６２によってバイパス毛細管５８と連結されている。
第２のＴ−接合コネクター６２は収着ポンプ４５のまわ
りに６４でコイルされ、６５で出る毛細管６３に連結さ
れている。毛細管６５は６６で指示した方向にインサー
ト４０の頂きでロータリーポンプ２８に連結される。
【００１２】図４Ａ及び４Ｂにおける毛細管の全ての長
さは２mmの外径及び１．５mmの内径を有する。図４Ａ及
び４Ｂに示す状態では、 3Ｈｅポット４３はその上昇位
置にある。これは、下コイル５０が広く分離された巻き
を有し（即ち、下コイルがその伸長状態にある）、上コ
イル６４が間隔の密な巻きを有している（上コイルはそ
の圧縮状態にある）事実によって知ることができる。サ
ンプルホルダーは、その上昇位置では、磁石７１のボア
内の高磁界の領域内に位置決めされる。走査トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）のような実験研究をサンプルについて行
うことができる。 3Ｈｅポット４３及びサンプルホルダ
ー４２を下げるとき、下螺旋５０は圧縮し、上螺旋６４
は伸びる。これにより、サンプルホルダー４２をＵＨＶ
室７０の中へ下げられる。
さは２mmの外径及び１．５mmの内径を有する。図４Ａ及
び４Ｂに示す状態では、 3Ｈｅポット４３はその上昇位
置にある。これは、下コイル５０が広く分離された巻き
を有し（即ち、下コイルがその伸長状態にある）、上コ
イル６４が間隔の密な巻きを有している（上コイルはそ
の圧縮状態にある）事実によって知ることができる。サ
ンプルホルダーは、その上昇位置では、磁石７１のボア
内の高磁界の領域内に位置決めされる。走査トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ）のような実験研究をサンプルについて行
うことができる。 3Ｈｅポット４３及びサンプルホルダ
ー４２を下げるとき、下螺旋５０は圧縮し、上螺旋６４
は伸びる。これにより、サンプルホルダー４２をＵＨＶ
室７０の中へ下げられる。
【００１３】図４Ａ及び４Ｂの装置を作動するための典
型的な操作順序は次の通りである。 １） ニードル弁７２を開にして、ロータリポンプ２
８、抵抗加熱器（図示せず）をもった加熱収着ポンプ４
５を作動し、 3Ｈｅポット４３及び充填／圧送管４４に
3Ｈｅを充填する。収着ポンプ４５は 3Ｈｅを脱気す
る。液体 4Ｈｅは熱交換器室６０内で蒸発し、収着ポン
プの周りのコイル毛細管６４の中を流れ、液体 4Ｈｅの
主流れがバイパスライン５８（以下に議論する図５Ｂ及
び５Ｃ参照）の中を流れる。収着ポンプの加熱の結果、
毛細管５９、６１のインピーダンスは１０−３０のファ
クターだけバイパス５８のインピーダンスよりも大き
い。その時点では、ポット５４は液体 4Ｈｅで満たさ
れ、 3Ｈｅの凝縮を生じさせるのに十分冷えている。
型的な操作順序は次の通りである。 １） ニードル弁７２を開にして、ロータリポンプ２
８、抵抗加熱器（図示せず）をもった加熱収着ポンプ４
５を作動し、 3Ｈｅポット４３及び充填／圧送管４４に
3Ｈｅを充填する。収着ポンプ４５は 3Ｈｅを脱気す
る。液体 4Ｈｅは熱交換器室６０内で蒸発し、収着ポン
プの周りのコイル毛細管６４の中を流れ、液体 4Ｈｅの
主流れがバイパスライン５８（以下に議論する図５Ｂ及
び５Ｃ参照）の中を流れる。収着ポンプの加熱の結果、
毛細管５９、６１のインピーダンスは１０−３０のファ
クターだけバイパス５８のインピーダンスよりも大き
い。その時点では、ポット５４は液体 4Ｈｅで満たさ
れ、 3Ｈｅの凝縮を生じさせるのに十分冷えている。
【００１４】２） 収着ポンプ４５が完全に再生された
とき、抵抗加熱器を止める。 ３） 毛細管内の 4Ｈｅの流れが始まって収着ポンプ４
５を冷却する。冷却した収着ポンプ４５は気体 3Ｈｅを
圧送してポット４３内の液体 3Ｈｅをベース温度にまで
冷却する。 ４） 収着ポンプ４５が 3Ｈｅで飽和されるまで、ほぼ
０．３Ｋのベース温度をほぼ３０−５０時間（ポット４
３への加熱流れに依存する）保持する。図５Ａ、５Ｂ、
及び５Ｃは、圧送態様で収着ポンプの冷却（図５Ａ）及
び収着ポンプの再生（図５Ｂ及び５Ｃ）中冷却毛細管の
中の 4Ｈｅ液面及び冷却毛細管の中の 4Ｈｅの流れ方向
を示す概略線図である。図５Ａは圧送モード中の冷却ラ
インを概略的に示す。冷却中液体 4Ｈｅの液面８０は収
着ポンプ４５よりも上に且つ 3Ｈｅ凝縮点熱交換器５４
より上に位置する。 4Ｈｅの流れを矢印８１で示す。液
体 4Ｈｅの優勢な流れは収着ポンプ熱交換器の中であ
り、バイパス管５８の中ではない。しかしながら、収着
ポンプ再生中、収着ポンプ４５は熱交換器６０を加熱
し、８２で指示した毛細管の領域で液体ヘリウムを沸騰
させる。バイパス管５８がないと、液体 4Ｈｅの液面８
０は収着ポンプ４５と熱交換器室５４との間の点まで下
がり、熱交換器５４より下に下がることすらある。加え
て、毛細管の加熱は 4Ｈｅの流れに対する液圧インピー
ダンスを増す。しかしながら、バイパス管５８を設ける
ことによって、加熱された収着ポンプ４５のまわりに
（即ち毛細管の部分８２と平行に）低インピーダンスが
作られる、と言うのはバイパス管５８が加熱されず、そ
の結果、図５Ｂに指示したように液体 4Ｈｅの流れが生
ずるからである。ベーパーロックが毛細管の部分８２内
に出来る。従って、 4Ｈｅ液面が凝縮領域４６よりも下
に下がらないので、１Ｋポットの凝縮領域４６が冷たく
保たれる。
とき、抵抗加熱器を止める。 ３） 毛細管内の 4Ｈｅの流れが始まって収着ポンプ４
５を冷却する。冷却した収着ポンプ４５は気体 3Ｈｅを
圧送してポット４３内の液体 3Ｈｅをベース温度にまで
冷却する。 ４） 収着ポンプ４５が 3Ｈｅで飽和されるまで、ほぼ
０．３Ｋのベース温度をほぼ３０−５０時間（ポット４
３への加熱流れに依存する）保持する。図５Ａ、５Ｂ、
及び５Ｃは、圧送態様で収着ポンプの冷却（図５Ａ）及
び収着ポンプの再生（図５Ｂ及び５Ｃ）中冷却毛細管の
中の 4Ｈｅ液面及び冷却毛細管の中の 4Ｈｅの流れ方向
を示す概略線図である。図５Ａは圧送モード中の冷却ラ
インを概略的に示す。冷却中液体 4Ｈｅの液面８０は収
着ポンプ４５よりも上に且つ 3Ｈｅ凝縮点熱交換器５４
より上に位置する。 4Ｈｅの流れを矢印８１で示す。液
体 4Ｈｅの優勢な流れは収着ポンプ熱交換器の中であ
り、バイパス管５８の中ではない。しかしながら、収着
ポンプ再生中、収着ポンプ４５は熱交換器６０を加熱
し、８２で指示した毛細管の領域で液体ヘリウムを沸騰
させる。バイパス管５８がないと、液体 4Ｈｅの液面８
０は収着ポンプ４５と熱交換器室５４との間の点まで下
がり、熱交換器５４より下に下がることすらある。加え
て、毛細管の加熱は 4Ｈｅの流れに対する液圧インピー
ダンスを増す。しかしながら、バイパス管５８を設ける
ことによって、加熱された収着ポンプ４５のまわりに
（即ち毛細管の部分８２と平行に）低インピーダンスが
作られる、と言うのはバイパス管５８が加熱されず、そ
の結果、図５Ｂに指示したように液体 4Ｈｅの流れが生
ずるからである。ベーパーロックが毛細管の部分８２内
に出来る。従って、 4Ｈｅ液面が凝縮領域４６よりも下
に下がらないので、１Ｋポットの凝縮領域４６が冷たく
保たれる。
【００１５】図５Ｃは別の流れ態様を示し、この態様で
は、液面８０’はＴ−コネクター６２より下に位置す
る。この例では、領域８２にはベーパーロックはなく、
4Ｈｅはコイル毛細管６４のまわりで直接蒸発する。毛
細管５９のコイルは熱交換器５４と収着熱交換器６０と
の間の長さを増し、かくして、特に、収着ポンプの再生
中（図５Ｂ）温度勾配を減ずる。これは、液体 4Ｈｅの
液面が、凝縮領域５６における 3Ｈｅの凝縮条件を維持
するのに必要である、第１熱交換器室より下に下がらな
いようにするのを助ける。凝縮後、収着ポンプ加熱器が
止まり、熱負荷が小さいときには、液体 4Ｈｅの液面８
０は毛細管６５の上端にあるべきである。液体 4Ｈｅの
全高さ（即ち、流入管４８の開口よりも上の）は低温保
持装置の上フランジからの熱負荷で決まる。装置の特定
の実施形態では、毛細管の全高さはほぼ８メートルであ
り、液体 4Ｈｅの高さはほぼ１メートルである。
は、液面８０’はＴ−コネクター６２より下に位置す
る。この例では、領域８２にはベーパーロックはなく、
4Ｈｅはコイル毛細管６４のまわりで直接蒸発する。毛
細管５９のコイルは熱交換器５４と収着熱交換器６０と
の間の長さを増し、かくして、特に、収着ポンプの再生
中（図５Ｂ）温度勾配を減ずる。これは、液体 4Ｈｅの
液面が、凝縮領域５６における 3Ｈｅの凝縮条件を維持
するのに必要である、第１熱交換器室より下に下がらな
いようにするのを助ける。凝縮後、収着ポンプ加熱器が
止まり、熱負荷が小さいときには、液体 4Ｈｅの液面８
０は毛細管６５の上端にあるべきである。液体 4Ｈｅの
全高さ（即ち、流入管４８の開口よりも上の）は低温保
持装置の上フランジからの熱負荷で決まる。装置の特定
の実施形態では、毛細管の全高さはほぼ８メートルであ
り、液体 4Ｈｅの高さはほぼ１メートルである。
【００１６】高さは螺旋６４の頂きと螺旋５０の底との
間に静水圧の差を生じさせる。静水圧は高さのメートル
当たり約８トリであり、これは底における温度を１．８
Ｋまで上昇させる（頂きにおける圧力が４トリであり、
温度が１．５Ｋであると仮定して）。しかしながら、 4
Ｈｅが超流体になるから、これは温度勾配を減少させる
傾向がある。最終的な温度は典型的には１．５乃至１．
８Ｋである。図６は本発明による 3Ｈｅ冷蔵庫の変形例
の概略線図である。3Ｈｅポット９０が充填／圧送管９
１に連結される。ピックアップ管９２がニードル弁又は
一定インピーダンス（図示せず）を介して４．２Ｋ 4Ｈ
ｅリザーバに連結される。ピックアップ管９２は 4Ｈｅ
を１Ｋプラットホーム９９に供給する。１Ｋプラットホ
ームは内ボア９４に 3Ｈｅ凝縮領域をもたらす銅熱交換
器９３の周りに２回コイルされた毛細管からなる。 4Ｈ
ｅ冷却回路は所定長さの毛細管１００と連続し、毛細管
１００は圧送管９１のまわりに４回コイル９５されてい
る。次いで、冷却回路は収着ポンプ９６へ延ばされる。
この場合には、収着ポンプ熱交換器は毛細管よりも大き
い直径を有し、収着ポンプの材料の中を通る所定長さの
銅管９７からなる。収着ポンプ熱交換器９７はロータリ
ポンプに９８で連結される。図６の実施形態における収
着ポンプ熱交換器９７のより大きい直径及びより短い長
さにより、再生モードでは、収着ポンプの領域似於ける
4Ｈｅの蒸発は１−２Ｋプラットホーム９９の温度に著
しく影響を及ぼさない。
間に静水圧の差を生じさせる。静水圧は高さのメートル
当たり約８トリであり、これは底における温度を１．８
Ｋまで上昇させる（頂きにおける圧力が４トリであり、
温度が１．５Ｋであると仮定して）。しかしながら、 4
Ｈｅが超流体になるから、これは温度勾配を減少させる
傾向がある。最終的な温度は典型的には１．５乃至１．
８Ｋである。図６は本発明による 3Ｈｅ冷蔵庫の変形例
の概略線図である。3Ｈｅポット９０が充填／圧送管９
１に連結される。ピックアップ管９２がニードル弁又は
一定インピーダンス（図示せず）を介して４．２Ｋ 4Ｈ
ｅリザーバに連結される。ピックアップ管９２は 4Ｈｅ
を１Ｋプラットホーム９９に供給する。１Ｋプラットホ
ームは内ボア９４に 3Ｈｅ凝縮領域をもたらす銅熱交換
器９３の周りに２回コイルされた毛細管からなる。 4Ｈ
ｅ冷却回路は所定長さの毛細管１００と連続し、毛細管
１００は圧送管９１のまわりに４回コイル９５されてい
る。次いで、冷却回路は収着ポンプ９６へ延ばされる。
この場合には、収着ポンプ熱交換器は毛細管よりも大き
い直径を有し、収着ポンプの材料の中を通る所定長さの
銅管９７からなる。収着ポンプ熱交換器９７はロータリ
ポンプに９８で連結される。図６の実施形態における収
着ポンプ熱交換器９７のより大きい直径及びより短い長
さにより、再生モードでは、収着ポンプの領域似於ける
4Ｈｅの蒸発は１−２Ｋプラットホーム９９の温度に著
しく影響を及ぼさない。
【図１】在来の 3Ｈｅ冷凍機の断面図である。
【図２】図２Ａは凝縮中の図１の在来の冷凍機を示す。
図２Ｂは脱気中の図１の在来の冷凍機を示す。
図２Ｂは脱気中の図１の在来の冷凍機を示す。
【図３】本発明による 3Ｈｅ冷凍機の冷媒の概略線図で
ある。
ある。
【図４】図４Ａは図３に示すタイプのヘリウム冷凍機を
有するＳＴＭ装置の断面図である。図４Ｂは部分Ａ−Ａ
を拡大した、図４Ａと同じ平面における断面図である。
有するＳＴＭ装置の断面図である。図４Ｂは部分Ａ−Ａ
を拡大した、図４Ａと同じ平面における断面図である。
【図５】図５Ａは冷却中の液体ヘリウム冷却材の流れを
示す概略線図である。図５Ｂは収着ポンプ再生中のバイ
パス管の中を通る液体ヘリウムの流れを示す。図５Ｃは
図５Ｂに示す流れの変形を示す。
示す概略線図である。図５Ｂは収着ポンプ再生中のバイ
パス管の中を通る液体ヘリウムの流れを示す。図５Ｃは
図５Ｂに示す流れの変形を示す。
【図６】本発明による 3Ｈｅ冷凍機の変形例の概略線図
である。
である。
２８ ロータリポンプ ４０ 排気インサート ４１ 4Ｈｅ冷媒浴 ４２ サンプル室 ４３ 3Ｈｅポット ４５ 収着ポンプ ４６ 凝縮領域 ４７ 毛細管 ５３ 毛細管 ５４ 熱交換器室（冷却装置） ５５ 銅管 ５６ 毛細管 ５８ バイパス毛細管 ５９ コイル毛細管 ６０ 環状室（冷却装置） ６３ 毛細管
Claims (13)
- 【請求項１】 サンプルを冷却する液体ヘリウム冷媒を
入れるための容器（４３）と、ヘリウム冷媒が凝縮領域
で凝縮し且つ容器に収集するようにするために凝縮領域
（４６）を液体ヘリウム冷却材で冷却するための第１冷
却装置（５４）と、容器から気体ヘリウム冷媒を脱気す
るようになった収着ポンプ（４５）と、収着ポンプを液
体ヘリウム冷却材で冷却するための第２冷却装置（６
０）と、を有するサンプルを冷却するための冷凍機にお
いて、第１冷却装置と第２冷却装置が液体ヘリウム冷却
材源（２０）と直列に連結されていることを特徴とする
サンプル冷却用冷凍機。 - 【請求項２】 第１及び第２冷却装置は１つ又はそれ以
上のコイル管（５０、６４）を有する液体ヘリウム冷却
材回路の一部である、請求項１に記載の冷凍機。 - 【請求項３】 各コイル管はサンプルの移動を可能にす
るために伸縮するようになっている、請求項２に記載の
冷凍機。 - 【請求項４】 第１冷却装置及び第２冷却装置のうちの
一方は液体ヘリウム冷却材源（２０）に連結され、第１
冷却装置及び第２冷却装置のうちの他方はポンプ（２
８）に連結される、以上の請求項の任意の１つに記載の
冷凍機。 - 【請求項５】 第１冷却装置及び第２冷却装置は各々ポ
ンプに、或いはコイル管を介して液体ヘリウム冷却材源
に連結される、請求項４及び請求項２又は３に記載の冷
凍機。 - 【請求項６】 収着ポンプを再生するために収着ポンプ
を加熱するための加熱器を更に有する以上の請求項の任
意の１つに記載の冷凍機。 - 【請求項７】 液体ヘリウム冷却材を第２冷却装置のま
わりにバイパスさせるためのパイバス装置（５８）を更
に有する、以上の請求項の任意の１つに記載の冷凍機。 - 【請求項８】 冷却材は 4Ｈｅからなる、以上の請求項
の任意の１つに記載の冷凍機。 - 【請求項９】 冷媒は 3Ｈｅからなる、以上の請求項の
任意の１つに記載の冷凍機。 - 【請求項１０】 冷凍機は希釈冷凍機からなり、冷媒は
3Ｈｅと 4Ｈｅの混合物からなる、以上の請求項の任意
の１つに記載の冷凍機。 - 【請求項１１】 第１及び第２冷却装置は毛細管（５
９）からなる、以上の請求項の任意の１つに記載の冷凍
機。 - 【請求項１２】 サンプルを調査するための装置であっ
て、該装置がサンプルを冷却するための、以上の請求項
の任意の１つに記載の冷凍機からなる、上記装置。 - 【請求項１３】 装置は走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）
からなる、請求項１２に記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB9609311.7A GB9609311D0 (en) | 1996-05-03 | 1996-05-03 | Improvements in cryogenics |
| GB9609311:7 | 1996-05-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1047803A true JPH1047803A (ja) | 1998-02-20 |
Family
ID=10793164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9115404A Ceased JPH1047803A (ja) | 1996-05-03 | 1997-05-06 | 極低温に関する改良 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5829270A (ja) |
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