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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Röntgenstrahl-Analysator,
welcher beispielsweise als ein Elektronenmikroskop oder eine Fluoreszenz-Röntgenstrahl-Analyseeinrichtung
verwendet wird, um eine Energieabgrenzung von erzeugten Röntgenstrahlen
durchzuführen, wodurch Elementararten von einer Erzeugungsquelle
bestimmt werden, und genauer gesagt auf einen Röntgenstrahl-Analysator,
welcher, als ein Röntgenstrahl-Erfasser, einen Übergangskantensensor
zum Umwandeln von Röntgenstrahlenergie in Wärmeenergie
verwendet.
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2. Beschreibung zum Stand
der Technik
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Als
ein Röntgenstrahl-Analysator, welcher dazu in der Lage
ist, eine Röntgenstrahlenergie-Abgrenzung durchzuführen,
sind eine Energie-Dispersionsspektroskopie (im Folgenden als EDS
bezeichnet) und eine Wellenlängen-Dispersionsspektroskopie
(im Folgenden als WDS bezeichnet) bekannt.
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Die
EDS ist ein Röntgenstrahl-Erfasser eines Typs, welcher
eine Energie von einem Röntgenstrahl, welche in den Erfasser
aufgenommen wird, im Erfasser in ein elektrisches Signal umwandelt
und die Energie basierend auf einer Größe des
elektrischen Signals berechnet. Die WDS ist ein Röntgenstrahl-Erfasser
eines Typs, welcher einen monochromatischen Röntgenstrahl
aus einem Röntgenstrahl durch eine Spektroskopie (Energieabgrenzung)
erzeugt und den monochromatischen Röntgenstrahl durch einen
Proportionalzähler erfasst.
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Als
EDS ist ein Halbleiter-Erfasser bekannt, wie beispielsweise ein
Silizium-Lithium (SiLi) Erfasser. Wenn der Halbleiter-Erfasser verwendet
wird, kann eine Energie in einem weiten Bereich von ungefähr
0 keV bis 20 keV erfasst werden. Jedoch ist eine Energieauflösung
schmal, wie ungefähr 130 eV, welches ein Zehntel oder weniger
des WDS ist.
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In
den jüngsten Jahren wurde auf supraleitende Röntgenstrahl-Erfasser
eine Aufmerksamkeit gerichtet, welche von einem Energiedispersionstyp sind
und in der Energieauflösung gleich der WDS sind. Unter
den supraleitenden Röntgenstrahl-Erfassern ist ein Erfasser,
welcher als ein Übergangskantensensor (im Folgenden als
TES bezeichnet) bezeichnet wird, ein hochempfindliches Thermometer basierend
auf einer schnellen Änderung im Widerstand (ΔR
bis zu 0,1 Ω bei ΔT bis zu mehreren mK) eines
Dünnmetallfilms zum Zeitpunkt eines normalen supraleitenden
Leitungsüberganges. Der TES wird ebenfalls als ein Mikrokalorimeter
bezeichnet.
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Bei
dem TES wird eine Probe mit einer Bestrahlung, wie beispielsweise
ein primärer Röntgenstrahl oder ein primärer
Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungsquelle bestrahlt. Wenn ein
fluoreszierender Röntgenstrahl oder ein charakteristischer Röntgenstrahl,
welcher von der Probe erzeugt wird, in den TES eintritt, ändert
sich die Temperatur innerhalb des TES. Daher wird die Temperatur
gesteuert, um die Probe zu analysieren. Derzeit kann eine Energieauflösung
gleich oder kleiner als 10 eV als Energieauflösung des
TES im Falle von beispielsweise einem charakteristischen Röntgenstrahl
von 5,9 keV erlangt werden (siehe K. D. Irwin, „An
application of electrothermal feedback for high resolution chryogenic
particle detection", Applied Physics Letters, 66, 1995, S. 1998).
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Wenn
der TES als eine Elektronenerzeugungsquelle an ein Thermaltyp-(wie
beispielsweise ein Wolfram-Fasertyp)-Abtastelektronenmikroskop angebracht
wird, wird ein charakteristischer Röntgenstrahl, welcher
von einer Probe erzeugt wird, welche mit einem Elektronenstrahl
bestrahlt wird, erlangt. Als Ergebnis wird ausgesagt, dass charakteristische
Röntgenstrahlen (Si-Ka und W-Ma, b), welche in einem Halbleiter-Röntgenstrahl-Erfasser
nicht getrennt werden können, durch den TES einfach getrennt werden
können (siehe K. Tanaka, et al., „A microcalorimeter
EDS system suitable for low acceleration voltage analysis", Surface
and Interface Analysis, 38, 2006, S. 1646).
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Der
TES ist in einem Endspitzenabschnitt eines stabförmigen
Elements, welches ein Kaltfinger (engl. cold finger) genannt wird,
welches an einer Kühlvorrichtung angebracht ist, bereitgestellt,
um den Erfasser nahe an die Probe zu bringen, wie im Falle der herkömmlichen
Halbleiter-EDS. Im Falle des TES unter Verwendung des supraleitenden
Materials, wenn ein Magnetfeld gleich dem Geomagnetismus als ein
externes Magnetfeld an den Sensor angelegt wird, verschlechtert
sich die Empfindlichkeit aufgrund des Einflusses von dem Magnetfeld.
Daher ist herkömmlicherweise eine Magnetabschirmung gegen
Geomagnetismus für ein Mundstück, welches den
Kaltfinger unterbringt, bereitgestellt.
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Die
oben beschriebenen herkömmlichen Technologien haben das
folgende Problem.
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Beispielsweise
sind im Falle des TES, wie in K. Tanaka, et al., „A
microcalorimeter EDS system suitable for low acceleration voltage
analysis", Surface and Interface Analysis, 38, 2006, S. 1646,
beschrieben, das Thermaltyp-(Wolfram-Fadentyp)-Abtastelektronenmikroskop
und der TES voneinander um einige Zentimeter getrennt, und wird
ein Aufbau verwendet, bei welchem ein Entweichen eines Magnetfeldes
von einem Zylinder des Elektronenmikroskops verhindert wird. Daher
wird der Einfluss des externen Magnetfeldes auf die Empfindlichkeit
des TES nicht beobachtet. Jedoch ist es im Falle eines hochauflösenden
Elektronenmikroskops (beispielsweise ein Feldemissions-Elektronenmikroskop),
wahrscheinlich, dass ein Streufeld die Empfindlichkeit des TES beeinflusst.
Das heißt, dass bei einem solchen Elektronenmikroskop eine
In-Lens-Typ- oder Semi-In-Lens-Typ-Objektivlinse, bei welcher ein
Entweichen des Magnetfeldes aus dem Zylinder heraus verursacht wird,
die Hauptrichtung ist, und ein starkes Magnetfeld angelegt wird,
um Primärelektronen konvergieren zu lassen, welche von
einer Feldemissionskathode emittiert werden, und daher ist es wahrscheinlich,
dass das Streufeld die Eigenschaften des TES beeinflusst. Es ist
stark denkbar, dass der TES in einem erzeugten Magnetfeld gleich
oder größer als der Geomagnetismus, zusätzlich
zu den Fällen des Elektronenmikroskops und der fluoreszierenden Röntgenstrahl-Analyseeinrichtung,
verwendet werden wird. Daher ist es gewünscht, den TES
in einem Magnetfeld gleich oder größer als der
Geomagnetismus stabil zu betreiben.
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UMRISS DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts des oben erwähnten
Problems gemacht. Es ist eine Aufgabe von der vorliegenden Erfindung,
einen Röntgenstrahl-Analysator bereitzustellen, welcher
dazu in der Lage ist, einen Einfluss von einem externen Magnetfeld
auf einen TES wesentlich zu unterdrücken.
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Um
das oben erwähnte Problem zu lösen, verwendet
die vorliegende Erfindung den folgenden Aufbau. Das heißt,
dass ein Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung enthält:
einen Übergangskantensensor
zum Erfassen von einer Energie von einem empfangenen Röntgenstrahl als
eine Temperaturänderung und Ausgeben der Temperaturänderung
als ein Stromsignal;
eine supraleitende Magnetabschirmung,
welche den Übergangskantensensor enthält und aus
einem supraleitenden Material erstellt ist;
eine Raumtemperatur-Magnetabschirmung,
welche die supraleitende Magnetabschirmung umgibt und eine Abschirmung
eines externen Magnetfeldes durchführt, bis die supraleitende
Magnetabschirmung einen supraleitenden Zustand einnimmt; und
einen
Kühlmechanismus zum Kühlen des Übergangskantensensors
und der supraleitenden Magnetabschirmung,
wobei die supraleitende
Magnetabschirmung und die Raumtemperatur-Magnetabschirmung konzentrisch angeordnet
sind, um eine zylindrische Form anzunehmen.
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Bei
dem Röntgenstrahl-Analysator sind die supraleitende Magnetabschirmung
und die Raumtemperatur-Magnetabschirmung konzentrisch angeordnet,
um die zylindrische Form anzunehmen, und somit haben die supraleitende
Magnetabschirmung und die Raumtemperatur-Magnetabschirmung jeweils
eine Außenoberfläche mit einer vorbestimmten Krümmung.
Daher hat die Außenoberfläche davon beispielsweise
keinen Kantenabschnitt, in welchem eine Magnetflussdichte von dem
externen Magnetfeld zunimmt, mit dem Ergebnis, dass verhindert werden
kann, dass das externe Magnetfeld aufgrund der Magnetflusskonzentration
ein kritisches Magnetfeld erreicht. Somit kann eine hervorragende
Magnetabschirmungswirkung beibehalten werden, und somit kann die
Empfindlichkeit von dem TES mit hoher Genauigkeit stabil erlangt
werden.
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Ferner
ist der Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das kritische
Magnetfeld von der supraleitenden Magnetabschirmung gleich oder
größer als das Zweifache einer maximalen externen
Magnetfeldstärke eingestellt ist. Wie später beschrieben, wenn
ein Magnetfeld senkrecht von einer Seitenoberfläche in
der zylindrischen supraleitenden Magnetabschirmung angelegt wird,
erreicht eine Magnetflussdichte auf die Außenoberfläche
von der supraleitenden Magnetabschirmung eine bis zu Zweifache externe
Magnetfeldstärke. Daher ist bei dem Röntgenstrahl-Analysator
gemäß der vorliegenden Erfindung das kritische
Magnetfeld von der supraleitenden Magnetabschirmung gleich oder
größer als das Zweifache der maximalen externen
Magnetfeldstärke eingestellt, und daher kann ein Magnetfeldwiderstand,
welcher für eine maximale Magnetflussdichte, welche an
der Außenoberfläche von der supraleitenden Magnetabschirmung
erzeugt wird, erforderlich ist, erlangt werden.
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Ferner
ist der Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende
Magnetabschirmung eine Mehrzahl von supraleitenden Schichten enthält,
welche konzentrisch geschichtet sind. Das heißt, dass die
supraleitende Magnetabschirmung bei dem Röntgenstrahl-Analysator
die Mehrzahl von supraleitenden Schichten enthält, welche
konzentrisch geschichtet sind, um die Anzahl von supraleitenden
Oberflächen und somit einen fließenden Magnetabschirmungsstrom
zu erhöhen. Somit kann eine wesentlich höhere
Magnetabschirmungswirkung, verglichen mit einem Fall, bei welchem
eine einzelne Schicht enthalten ist, erlangt werden.
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Ferner
ist der Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kupferschichtabschnitt
enthält, welcher auf der supraleitenden Magnetabschirmung
geschichtet ist. Das heißt, dass der Röntgenstrahl-Analysator
den Kupferschichtabschnitt enthält, welcher auf der supraleitenden
Magnetabschirmung geschichtet ist, und dass der Kupferschichtabschnitt, welcher
eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, eine Wärme
von der supraleitenden Magnetabschirmung absorbiert und die Wärme
an die Außenseite überführt. Somit kann
ein hervorragender Kühlzustand beibehalten werden.
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Ferner
enthält der Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung ein Wärmeleitelement, wobei ein
Endspitzenabschnitt davon an einen Basisendabschnitt von der supraleitenden
Magnetabschirmung gekoppelt ist, wobei ein Basisendabschnitt davon
mit dem Kühlmechanismus verbunden ist, wobei der Basisendabschnitt
von der supraleitenden Magnetabschirmung und der Endspitzenabschnitt
von dem Wärmeleitelement im Querschnitt stufenförmig
ausgebildet sind, um miteinander in Eingriff bringbar zu sein. Das
heißt, dass, gemäß dem Röntgenstrahl-Analysator,
der Basisendabschnitt von der supraleitenden Magnetabschirmung und
der Endspitzenabschnitt von dem Wärmeleitelement im Querschnitt
stufenförmig ausgebildet sind, um miteinander in Eingriff
bringbar zu sein, um einen Kontaktbereich von dem in Eingriff gebrachten
Abschnitt zu erhöhen, wodurch eine exzellente Wärmeleitung realisiert
wird.
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Ferner
enthält ein Röntgenstrahl-Analysator gemäß der
vorliegenden Erfindung ferner ein Hochwärmeleiter-Zusatzelement,
welches aus Aluminium oder Kupfer erstellt ist und den Basisendabschnitt von
der supraleitenden Magnetabschirmung und den Endspitzenabschnitt
von dem Wärmeleiterelement überspannt, um somit
eine Außenoberfläche von dem Basisendabschnitt
und eine Außenoberfläche von dem Endspitzenabschnitt
zu überdecken. Das heißt, dass, bei dem Röntgenstrahl-Analysator,
die Außenoberfläche von dem Basisendabschnitt
von der supraleitenden Magnetabschirmung und die Außenoberfläche
von dem Endspitzenabschnitt von dem Wärmeleiterelement
durch das Hochwärmeleiter-Zusatzelement bedeckt sind, welches
aus Aluminium oder Kupfer erstellt ist, um nicht nur eine direkte Wärmeleitung über
einen in Eingriff gebrachten Abschnitt zwischen der supraleitenden
Magnetabschirmung und dem Wärmeleiterelement, sondern ebenfalls
eine hohe Wärmeleitung über das Hochwärmeleiter-Zusatzelement
zu erzielen, wodurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit
erlangt wird.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung werden die folgenden Wirkungen erlangt.
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Das
heißt, dass die supraleitende Magnetabschirmung und die
Raumtemperatur-Magnetabschirmung gemäß dem Röntgenstrahl-Analysator
von der vorliegenden Erfindung konzentrisch angeordnet sind, um
die zylindrische Form anzunehmen, wodurch verhindert werden kann,
dass das externe Magnetfeld das kritische Magnetfeld erreicht. Daher kann
die exzellente Magnetabschirmungswirkung beibehalten werden, und
kann somit die Empfindlichkeit von dem TES mit hoher Genauigkeit
stabil erlangt werden. Zusätzlich ist das kritische Magnetfeld von
der supraleitenden Magnetabschirmung gleich oder größer
als das Zweifache der maximalen externen Magnetfeldstärke
eingestellt. Daher ist es möglich, die supraleitende Magnetabschirmung
zu erlangen, welche die Magnetabschirmungswirkung hat, welche der
maximalen externen Magnetfeldstärke entspricht, welche
dem Röntgenstrahl-Analysator angelegt ist, und somit kann
der TES, welcher als ein supraleitender Röntgenstrahl-Erfasser
dient, mit hoher Genauigkeit zuverlässig betrieben werden.
Daraus folgend kann der Röntgenstrahl-Analysator, bei welchem
eine hohe Energieauflösung ohne Fehlverhalten beibehalten
wird, bereitgestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den folgenden Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische längsgerichtete Querschnittsansicht, welche
einen Röntgenstrahl-Analysator gemäß einer
Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 eine
Schnittansicht, welche entlang von einer A-A-Linie von 1 genommen
ist;
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3 einen
Kurvenverlauf, welcher eine Restmagnetfeld-Charakteristik in einer
Raumtemperatur-Magnetabschirmung darstellt, welche eine einzelne
Schicht enthält, in einem Fall, bei welchem ein Magnetfeld
an die Raumtemperatur-Magnetabschirmung angelegt ist;
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4 ein
Erläuterungsdiagramm, welches ein Innenmagnetfeld in einem
Fall darstellt, bei welchem ein Magnetfeld senkrecht von einer Seitenoberfläche
von einer zylindrischen supraleitenden Magnetabschirmung angelegt
ist;
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5 einen
Kurvenverlauf, welcher eine kritische Stromcharakteristik auf ein
Magnetfeld in einem Fall darstellt, bei welchem sowohl eine Raumtemperatur-Magnetabschirmung,
welche eine einzelne Schicht enthält, als auch eine supraleitende
Magnetabschirmung verwendet werden, und ein Röntgenstrahl-Erfasser
(TES), welcher aus einem Supraleiter erstellt ist, in der supraleitenden
Magnetabschirmung bereitgestellt ist; und
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6 eine
vergrößerte Schnittansicht, welche einen in Eingriff
gebrachten Abschnitt zwischen einer Wärmeabschirmungsplatte
und einer supraleitenden Magnetabschirmung in einem weiteren Beispiel
von dem Röntgenstrahl-Analysator gemäß der Ausführungsform
von der vorliegenden Erfindung darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Im
Folgenden wird ein Röntgenstrahl-Analysator gemäß einer
Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung mit Bezug
auf 1 bis 6 beschrieben. In den jeweiligen
Zeichnungen, welche für die folgende Beschreibung verwendet
werden, sind Skalierungen geeigneterweise geändert, um
jeweilige Elemente in wiedererkennbaren oder einfach zu erkennbaren
Ausmaßen darzustellen.
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Der
Röntgenstrahl-Analysator gemäß dieser Ausführungsform
ist eine Vorrichtung, welche als ein Anordnungs-Analysator für
beispielsweise ein Elektronenmikroskop, ein Ionenmikroskop, ein
Röntgenstrahlmikroskop und eine Fluoreszent-Röntgenstrahl-Analyseeinrichtung
verwendet werden kann. Wie in 1 dargestellt,
enthält der Röntgenstrahl-Analysator einen Übergangskantensensor (TES) 7,
welcher ein Röntgenstrahl-Erfasser zum Erfassen von einer
Energie von einem empfangenen Röntgenstrahl als eine Änderung
in der Temperatur und Ausgeben der Änderung in der Temperatur
als ein Stromsignal ist, eine supraleitende Magnetabschirmung 8,
welche den darin positionierten TES 7 enthält
und aus einem supraleitenden Material erstellt ist, und eine Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9,
welche die supraleitende Magnetabschirmung 8 bedeckt und
eine externe Magnetfeldabschirmung durchführt, bis die
supraleitende Magnetabschirmung 8 einen supraleitenden
Zustand einnimmt.
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Genauer
gesagt, enthält der Röntgenstrahl-Analysator eine
Vakuumhülle 1, welche den gesamten Röntgenstrahl-Analysator
einhüllt, eine Vakuumröhre 2, welche
an der Vakuumhülle 1 angebracht ist, um somit
in der Seitenrichtung vorzuragen, einen Zusatz-Kühlmechanismus 3 zum
Kühlen der Vakuumhülle 1, eine Wärmeabschirmungsplatte (Wärmeleitelement) 4,
welche einen Endspitzenabschnitt, welcher an einem Basisendabschnitt
von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 gekoppelt ist, und
einen Basisendabschnitt, welcher zur Kühlung mit dem Zusatz-Kühlmechanismus 3 verbunden
ist, hat, und eine Kühlvorrichtung 5, welche durch
die Wärmeabschirmungsplatte 4 umgeben ist und
eine Kühlung bis zu 300 mK oder weniger durchführen kann,
einen Kaltfinger 6, welcher an der Kühlvorrichtung 5 in
der Seitenrichtung angebracht ist, wobei der TES 7 an einem
Endspitzenabschnitt von dem Kaltfinger 6 angebracht ist,
die supraleitende Magnetabschirmung 8, welche den TES 7 bedeckt
und an einem Abschnitt von der Wärmeabschirmungsplatte 4 angebracht
ist, die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9, welche die
supraleitende Magnetabschirmung 8 bedeckt und außerhalb
der Vakuumröhre 2 bereitgestellt ist, und einen
Kupferschichtabschnitt 10, welcher auf der supraleitenden
Magnetabschirmung 8 geschichtet ist.
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Die
Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 ist dazu bereitgestellt,
um die supraleitende Magnetabschirmung 8 in einem Kontakt-
oder Nichtkontakt-Zustand zu umgeben. In dieser Ausführungsform
ist die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 derart positioniert,
dass sie die supraleitende Magnetabschirmung 8 in dem Nichtkontakt-Zustand
umgibt. Die supraleitende Magnetabschirmung 8 und die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 sind
um den Kaltfinger 6 als Mittenachse konzentrisch angeordnet,
um eine zylindrische Form anzunehmen.
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Ein
kritisches Magnetfeld von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 ist
auf das zumindest Zweifache einer maximalen Stärke von
dem externen Magnetfeld eingestellt.
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Die
supraleitende Magnetabschirmung 8 ist durch ein konzentrisches
Schichten von einer Mehrzahl von supraleitenden Schichten (nicht
angezeigt) ausgebildet. Bei der supraleitenden Magnetabschirmung 8,
welche den geschichteten Aufbau hat, wird, wenn die Anzahl von geschichteten
supraleitenden Schichten durch N ausgedrückt wird und das
maximale externe Magnetfeld durch B ausgedrückt wird, ein
kritisches Magnetfeld von jeder der supraleitenden Schichten auf
einen Wert gleich oder größer als 2B/N eingestellt.
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2 ist
eine Schnittansicht, welche die supraleitende Magnetabschirmung 8 von 1 darstellt,
welche einen Zustand darstellt, bei welchem der Kupferschichtabschnitt 10,
welcher eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, an der
supraleitenden Magnetabschirmung 8 bereitgestellt ist.
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Die
Vakuumhülle 1 und die Vakuumröhre 2 dienen
als eine einzelne Vakuumkammer. Der Zusatz-Kühlmechanismus 3,
die Kühlvorrichtung 5 und der Kaltfinger 6,
welche in der Vakuumkammer bereitgestellt sind, sind durch ein Vakuum
thermisch isoliert, welches notwendig ist, um eine Wärmeleitung
von der Wärmeabschirmungsplatte 4 auszulöschen.
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Der
Zusatz-Kühlmechanismus 3 wird dazu verwendet,
um die Wärmeabschirmungsplatte 4 zu kühlen
und die Kühlvorrichtung 5 gegen Raumtemperatur
auf eine Betriebstemperatur zu kühlen.
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Der
Kaltfinger 6 ist ein zylindrisches, stabförmiges
Element, welches dazu verwendet wird, um den TES 7 mit
einer Röntgenstrahl-Erzeugungsquelle so nahe wie möglich
in Kontakt zu bringen. Es ist notwendig, den TES 7 in die
Nähe der Temperatur von der Kühlvorrichtung 5 zu
kühlen, und somit wird beispielsweise Kupfer, welches eine
hohe Wärmeleitfähigkeit hat, als ein Material
des Kühlfingers 6 verwendet. Die Temperatur der
supraleitenden Magnetabschirmung 8, welche an die Wärmeabschirmungsplatte 4 angebracht
ist, wird vorzugsweise gleich der Temperatur von der Wärmeabschirmungsplatte 4 erstellt.
Das Anbringungsverfahren ist nicht darauf beschränkt. Gemäß einem
bevorzugten Verfahren wird eine Kupferpaste zwischen der Wärmeabschirmungsplatte 4 und
der supraleitenden Magnetabschirmung 8 verwendet, um die
Wärmeabschirmungsplatte 4 und die supraleitende
Magnetabschirmung 8 miteinander metallisch zu verbinden.
Es werden mehrere PET-Filme, wie beispielsweise Mylar-(eingetragene
Marke)-Filme, vorzugsweise außerhalb der supraleitenden
Magnetabschirmung 8 bereitgestellt, um eine Wärmestrahlung
von einer Hochtemperaturregion abzuschneiden.
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Die
Kühlvorrichtung 5 enthält eine Kühleinrichtung,
welche dazu in der Lage ist, eine Kühlung bis hin zu einer
Nähe von 100 mK durchzuführen. Beispielsweise
kann eine Verdünnungs-Kühleinrichtung oder eine
adiabatische Entmagnetisierungs-Kühleinrichtung verwendet
werden. Die Verdünnungs-Kühleinrichtung ist eine
Kühleinrichtung, welche eine Kühlung basierend
auf einer Enthalpie-Differenz durchführt, wenn 3He in 4He,
während 3He und 4He in einem Zweischicht-Trennungszustand
sind, in einer Mischkammer aufgelöst wird. Die adiabatische
Entmagnetisierungs-Kühleinrichtung ist eine Kühleinrichtung,
welche ein Magnetfeld, welches einem Magnetsalz angelegt wird, reduziert,
um eine Entropie des Magnetsalzes zu erhöhen, wodurch eine
Wärme von einem zu kühlenden Objekt absorbiert
wird.
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Bei
jeder aus der Verdünnungs-Kühleinrichtung und
der adiabatischen Entmagnetisierungs-Kühleinrichtung, kann
eine Temperatur gleich oder kleiner als 100 mK erlangt werden. Eine
Temperatur des Endspitzenabschnittes von dem Kaltfinger 6 wird
basierend auf der im TES 7 erzeugten Wärmemenge,
der Wärmeleitfähigkeit von dem Kaltfinger 6 und
der Wärmestrahlung von der Wärmeabschirmungsplatte 4 bestimmt.
Unter der Annahme, dass ein Material des Kaltfingers 6 sauerstofffreies
Kupfer ist, ist ein Material von der Wärmeabschirmungsplatte 4 ein
sauerstofffreies Kupfer, und ist die äußerste Temperatur
des Zusatz-Kühlmechanismus 3 gleich oder kleiner
als 5 K. Wenn die Temperatur von der Kühlvorrichtung 5 in
der Nähe von 100 mK ist, beträgt eine Differenz
zwischen der Temperatur von dem Endspitzenabschnitt von dem Kaltfinger 6 und
der Temperatur von der Kühlvorrichtung 5 ungefähr
mehrere Zehntel Millikelvin.
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Daher
dienen der Zusatz-Kühlmechanismus 3, die Kühlvorrichtung 5 und
der Kaltfinger 6 als ein Kühlmechanismus zum Kühlen
des TES 7 und der supraleitenden Magnetabschirmung 8.
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Als
Nächstes wird ein Kühlprozess von dem Röntgenstrahl-Analysator
beschrieben.
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Die
Vakuumkammer, welche die Vakuumhülle 1 und die
Vakuumröhre 2 enthält, wird evakuiert, und
dann werden die Wärmeabschirmungsplatte 4, die
Kühlvorrichtung 5 und der Kaltfinger 6 durch
den Zusatz-Kühlmechanismus 3 gekühlt.
Die äußerste Temperatur von dem Zusatz-Kühlmechanismus 3 wird
gemäß einem verwendeten Kühlmedium geändert.
Wenn beispielsweise die Wärmeabschirmungsplatte 4,
die Kühlvorrichtung 5 und der Kaltfinger 6 auf
eine Temperatur gleich oder kleiner als 5 K zu kühlen sind,
wird flüssiges Helium oder eine mechanische Kühleinrichtung
für den Zusatz-Kühlmechanismus 3 verwendet.
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Im
Falle von flüssigem Helium entspricht ein Heliumtank dem
Zusatz-Kühlmechanismus 3. Eine Gifford-McMahon-Kühleinrichtung
(GM-Kühleinrichtung) oder eine Impulsröhre-Kühleinrichtung
wird als mechanische Kühleinrichtung verwendet. Der Zusatz-Kühlmechanismus 3 und
die Kühlvorrichtung 5 sind thermisch lose miteinander
verbunden. Beispielsweise kann eine Edelstahlröhre, welche
eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat und welche
dünn ist (< 0,5
mm), zwischen dem Zusatz-Kühlmechanismus 3 und
der Kühlvorrichtung 5 verwendet werden.
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Wie
oben beschrieben, wenn das Material, welches eine geringe Wärmeleitfähigkeit
hat, zwischen dem Zusatz-Kühlmechanismus 3 und
der Kühlvorrichtung 5 verbunden ist, tritt ein
Problem auf, das eine Zeitperiode, welche notwendig ist, um die Temperatur
von der Kühlvorrichtung 5 auf eine Temperatur
gleich oder kleiner als 5 K zu reduzieren, länger ist als
im Falle eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
Um ein solches Problem zu lösen, wird beispielsweise ein
Stab, welcher aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
erstellt ist und um einige Millimeter bewegbar bereitgestellt ist,
vorzugsweise zwischen dem Zusatz-Kühlmechanismus 3 und
der Kühlvorrichtung 5 eingesetzt.
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Die
Kühlvorrichtung 5 wird auf eine Temperatur gleich
oder kleiner als 5 K durch den Zusatz-Kühlmechanismus 3 über
den Stab, welcher aus dem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
erstellt ist, gekühlt, und dann wird der Stab von der Kühlvorrichtung 5 um
einige Millimeter getrennt. Daher können der Zusatz-Kühlmechanismus 3 und
die Kühlvorrichtung 5 thermisch isoliert werden.
Wenn flüssiges Helium mit einem reduzierten Druck für
den Zusatz-Kühlmechanismus 3 verwendet wird, können die
Wärmeabschirmungsplatte 4, die Kühlvorrichtung 5 und
der Kaltfinger 6 auf eine Temperatur gleich oder kleiner
als 3 K gekühlt werden.
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Die
Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9, welche an der Außenseite
von der Vakuumröhre 2 bereitgestellt ist, wird
dazu verwendet, um zu verhindern, dass das externe Magnetfeld aus
dem Innenabschnitt von der Vakuumröhre 2 entweicht,
wenn die Wärmeabschirmungsplatte 4, die Kühlvorrichtung 5 und
der Kaltfinger 6 durch den Zusatz-Kühlmechanismus 3 zu
kühlen sind. Beispielsweise kann eine Eisennickellegierung,
welche Permalloy genannt wird, als ein Material der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 verwendet
werden. 3 ist ein Kurvenverlauf, welcher
ein Ergebnis darstellt, welches durch Messung einer Streufeldstärke
in der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 in einem Fall
erlangt wird, wenn ein Hall-Element in der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 bereitgestellt
ist, welche die zylindrische Form hat, und eine externe Magnetfeldstärke
geändert wird.
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Eine
der Seiten von der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 ist
vollständig geöffnet, und die weitere von den
Seiten davon ist geschlossen. Ein Loch von φ6 ist an einer
gegenüberliegenden Position zum TES 7 bereitgestellt. Ähnlich
ist ein Loch in jedem aus der Vakuumhülle 1, dem
Kupferschichtabschnitt 10 und der supraleitenden Magnetabschirmung 8 an
einer gegenüberliegenden Position zum TES 7 bereitgestellt.
Die Löcher werden dazu verwendet, um Röntgenstrahlen
von Außerhalb aufzunehmen. Ein Fensterelement W, welches
aus einem geschichteten Körper von einem Aluminiumfilm und
einem organischen Film oder Beryllium erstellt ist, ist an jedem
der Löcher in einem geschlossenen Zustand angebracht.
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In
dem Kurvenverlauf von 3 zeigt die Abszissenachse das
externe Magnetfeld an, und zeigt die Ordinatenachse die Streufeldstärke
in der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 an. Wie anhand des
Kurvenverlaufes offensichtlich, entweicht das Magnetfeld, wenn das
externe Magnetfeld gleich 100 Gauß bis 200 Gauß (10
Millitesla bis 20 Millitesla) wird. Es ist ebenfalls offensichtlich,
dass die Magnetfeldabschirmung nicht durch Permalloy unter einer Umgebung
von einem Magnetfeld von gleich oder größer als
10 Millitesla bis 20 Millitesla durchgeführt werden kann.
Ein weiteres Material von der Raumtemperatur-Magnetabschirmung ist
ein elektromagnetisches Stahlschichtmaterial. Wenn das externe Magnetfeld
gleich oder größer als 100 Millitesla ist, wird
das Streufeld in der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 erzeugt.
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Um
den TES 7 unter einer Umgebung von einem Magnetfeld von
gleich oder größer als 100 Millitesla zu betreiben,
wird anstelle von der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 die
supraleitende Magnetabschirmung 8 verwendet. Wie oben beschrieben,
wird die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 dazu verwendet,
um eine externe Magnetfeldabschirmung durchzuführen, bis
die supraleitende Magnetabschirmung 8 den supraleitenden
Zustand einnimmt. Ein Magnetfeldwiderstand von der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 beträgt
ungefähr 10 Millitesla. Daher ist es, wenn die supraleitende
Magnetabschirmung 8 zu kühlen ist, vorteilhaft,
das externe Magnetfeld auf einen Wert von gleich oder kleiner als
1 Millitesla einzustellen.
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Es
ist bekannt, dass sich der Kaltfinger 6 während
der Kühlung von Raumtemperatur auf 70 K aufgrund von einer
Wärmekontraktion bewegt. Daher, um zu verhindern, dass
der Kaltfinger 6 sogar dann, wenn sich der Kaltfinger 6 in
eine jegliche Richtung bewegt, mit der Wärmeabschirmungsplatte 4 in Kontakt
gebracht wird, hat die Wärmeabschirmungsplatte 4 vorzugsweise
eine zylindrische Form. Das heißt, dass die Wärmeabschirmungsplatte 4 die
zylindrische Form hat, und somit auch die supraleitende Magnetabschirmung 8 die
zylindrische Form hat.
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Es
kann Niob oder Niobtitan oder Magnesiumdiborid, welches eine supraleitende Übergangstemperatur
von mehr als 5 K hat, als ein supraleitendes Material von der supraleitenden
Magnetabschirmung 8 verwendet werden.
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4 stellt
einen Zustand in einem Fall dar, bei welchem ein Magnetfeld senkrecht
von einer zylindrischen Seitenoberfläche in der supraleitenden Magnetabschirmung
8 angelegt
wird. In diesem Fall wird ein internes Magnetfeld in einer O-Richtung
des Zylinders (zylindrisches Koordinatensystem) in der supraleitenden
Magnetabschirmung
8 durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt:
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Bei
dem oben beschriebenen Ausdruck zeigt „a" einen Radius
des Zylinders an und zeigt λL eine Magnetfeld-Eindringtiefe
an. Es wird angenommen, dass eine Dicke des Zylinders in der supraleitenden Magnetabschirmung 8 ausreichend
größer als die Magnetfeld-Eindringtiefe ist. Wenn
eine Verwendungstemperatur von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 ausreichend
niedriger als eine Übergangstemperatur von einem verwendeten
Supraleiter ist, ist die Magnetfeld-Eindringtiefe im Bereich von Nanometern,
und somit ausreichend größer als die Dicke des
Zylinders (im Bereich von einigen hundert Mikrometer).
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Wenn θ =
90 Grad gilt, nimmt der oben beschriebene Ausdruck gleich BMAX = –2H an. Daher ist offensichtlich,
dass eine Magnetfeldstärke, welche das Zweifache von einem
angelegten Magnetfeld ist, an einem Endabschnitt des Zylinders angelegt
wird. Somit kann, wenn das kritische Magnetfeld von der supraleitenden
Magnetabschirmung 8 nicht gleich oder größer
als das Zweifache des externen Magnetfeldes ist, kein Magnetfeldwiderstand
erlangt werden.
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Um
den Magnetfeldwiderstand von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 sicherzustellen, ist
keine einzelne Supraleitschicht sondern ein Mehrfachschichtfilm,
welcher eine Mehrzahl von Supraleitschichten enthält, wirksam.
Im Falle einer übermäßigen Magnetfeldsättigung
verliert Permalloy, welches für die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 verwendet
wird, den Magnetfeldwiderstand, und somit ist eine Zunahme des Querschnittbereiches
für die Induktion eines Magnetfeldes wirksam. Jedoch wird das
Magnetfeld durch einen Magnetfeldstrom, welcher durch eine Oberfläche
von einem Supraleiter (Magnetfeld-Eindringtiefe) fließt,
beseitigt, und somit ist es wichtig, die Anzahl von Oberflächen
zu erhöhen. Das heißt, dass eine Erhöhung
der Anzahl von Oberflächen die Gesamtanzahl von Magnetabschirmungen
erhöht. Wenn die supraleitende Magnetabschirmung 8 einen
geschichteten Körper enthält, welcher eine Mehrzahl
von Supraleitschichten hat, wie oben beschrieben, ist es wirksam,
dass der Kupferschichtabschnitt 10, welcher eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat, in dem geschichteten Körper geschichtet wird, um den
Innenabschnitt von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 zu
kühlen.
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5 stellt
eine Beziehung zwischen einem kritischen Strom des TES 7,
welcher aus einem Supraleiter erstellt ist, und dem externen Magnetfeld
in einem Fall dar, bei welchem die supraleitende Magnetabschirmung 8,
bei welcher 30 Schichten, welche aus Niobtitan und Kupfer erstellt
sind, geschichtet sind, an die Wärmeabschirmungsplatte 4 angebracht ist.
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Der
TES 7 enthält: einen Absorber, wie beispielsweise
ein Metallband, ein Halbmetall oder ein Supraleiter, zum Absorbieren
von Röntgenstrahlen; ein Thermometer, welches aus einem
Supraleiter erstellt ist, zum Erfassen von einer Wärme,
welche in dem Absorber erzeugt ist, als eine Änderung in
der Temperatur; und eine Membran zum thermisch losen Verbinden zwischen
dem Thermometer und dem Kaltfinger 6 und Steuern einer
Wärmeflussrate, welche einem Wärmebad entflieht.
Beispielsweise kann Aluminium für den Absorber verwendet
werden, kann ein Material, welches eine Titanschicht und eine Goldschicht
enthält, als Thermometer verwendet werden, und kann Silizium
sowohl für die Membran als auch für das Wärmebad
verwendet werden.
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Ein
Nebenschlusswiderstand (nicht angezeigt), welcher einen geringeren
Widerstand als der TES 7 hat, welcher in dem normalen Leitzustand
ist, ist parallel zum TES 7 verbunden. Ein supraleitender Quantum-Interferenz-Vorrichtungsverstärker (SQUID-Verstärker)
(nicht angezeigt) zum Auslesen einer Stromänderung, welche
im TES 7 erzeugt wird, ist in Serie zu dem TES 7 verbunden.
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Wenn
ein Vorspann-Strom von 100 mA an den TES 7 angelegt wird,
welcher in dem supraleitenden Zustand ist, fließt der gesamte
Vorspann-Strom nicht in den Nebenschlusswiderstand sondern in den TES 7.
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Diese
Ausführungsform ist der Fall, bei welchem der Strom, welcher
durch den TES 7 fließt, gleich oder kleiner als
100 mA wird, als jener Zustand bestimmt, bei welchem der TES 7 durch
das Magnetfeld beeinflusst wird. Daraus folgend, wenn 30 Schichten,
welche aus NbTi erstellt sind, verwendet werden, beträgt
ein Maximalwert eines externen Magnetfeldwiderstandes gleich 130
mT. Dieser Fall wird im Falle von einem einzelnen Permalloy nicht
erlangt. Wie anhand des Ergebnisses offensichtlich, um beispielsweise
einen Magnetfeldwiderstand von ungefähr 500 mT bereitzustellen,
werden vorzugsweise nicht die 30 Schichten, sondern ungefähr
120 Schichten, welche aus NbTi erstellt sind, geschichtet.
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Wie
oben beschrieben, sind in dieser Ausführungsform die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9,
welche außerhalb der Vakuumröhre 2 bereitgestellt
ist, und die supraleitende Magnetabschirmung 8, welche
innerhalb der Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 bereitgestellt
ist, konzentrisch angeordnet, um die zylindrische Form anzunehmen, wobei
die supraleitende Magnetabschirmung 8 und die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 jeweils eine
Außenoberfläche mit einer vorbestimmten Krümmung
haben. Daher hat die Außenoberfläche davon beispielsweise
keinen Kantenabschnitt, in welchem eine Magnetflussdichte des externen
Magnetfeldes zunimmt, mit dem Ergebnis, dass verhindert werden kann,
dass das externe Magnetfeld das kritische Magnetfeld aufgrund der
Magnetflusskonzentration erreicht. Somit kann eine exzellente Magnetabschirmungswirkung
beibehalten werden, und somit kann die Empfindlichkeit des TES 7 mit
hoher Genauigkeit stabil erlangt werden.
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Das
kritische Magnetfeld von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 ist
auf den Wert gleich oder größer als das Zweifache
der maximalen Stärke des externen Magnetfeldes eingestellt.
Daher kann der Magnetfeldwiderstand, welcher für die maximale Magnetflussdichte
erforderlich ist, welche an der Außenoberfläche
von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 erzeugt wird,
erlangt werden.
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Wie
oben beschrieben, sind die Raumtemperatur-Magnetabschirmung 9 und
die supraleitende Magnetabschirmung 8 gemäß der
vorliegenden Erfindung konzentrisch angeordnet, und ist das kritische
Magnetfeld von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 gleich
oder größer als das Zweifache des maximalen externen
Magnetfeldes, und somit kann ein Röntgenstrahl-Analysesystem
unter der Umgebung, dass das Magnetfeld gleich oder größer als
100 mT ist, zuverlässig betrieben werden.
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Die
supraleitende Magnetabschirmung 8 enthält die
Mehrzahl von Supraleitschichten, welche konzentrisch geschichtet
sind, wobei die Anzahl von supraleitenden Oberflächen erhöht
ist, um den fließenden Magnetabschirmungsstrom zu erhöhen.
Daher kann eine wesentlich höhere Magnetabschirmungswirkung,
verglichen mit dem Fall der einzelnen Schicht, erlangt werden.
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Der
Kupferschichtabschnitt 10 ist auf der supraleitenden Magnetabschirmung 8 geschichtet,
und somit absorbiert der Kupferschichtabschnitt 10, welcher
eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, eine Wärme von
der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und überführt
eine Wärme an die Außenseite. Daher kann ein exzellenter
Kühlzustand beibehalten werden.
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Als
Nächstes wird ein weiteres Beispiel des Röntgenstrahl-Analysators
gemäß der Ausführungsform von der vorliegenden
Erfindung mit Bezug auf 6 beschrieben.
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In
dem weiteren Beispiel von dem Röntgenstrahl-Analysator
gemäß dieser Ausführungsform sind der
Basisendabschnitt von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und
der Endspitzenabschnitt von der Wärmeabschirmungsplatte 4 im
Querschnitt zu einer Stufenform ausgebildet, um miteinander in Eingriff
gebracht zu werden.
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Gemäß dem
weiteren Beispiel gemäß dieser Ausführungsform
sind der Basisendabschnitt von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und
der Endspitzenabschnitt von der Wärmeabschirmungsplatte 4 im
Querschnitt zu der stufenförmigen Form ausgebildet, um
miteinander in Eingriff gebracht zu werden, wodurch ein Kontaktbereich
von dem in Eingriff gebrachten Abschnitt zunimmt. Daher kann eine
exzellente Wärmeleitung realisiert werden.
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Der
Röntgenstrahl-Analysator enthält ferner ein zylindrisches
Hochwärmeleitungs-Zusatzelement 20, welches aus
Aluminium oder Kupfer erstellt ist, und sich auf dem Basisendabschnitt
von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und dem Endspitzenabschnitt
von der Wärmeabschirmungsplatte 4 überspannt,
um eine Außenoberfläche von dem Basisendabschnitt
und eine Außenoberfläche von dem Endspitzenabschnitt
zu bedecken.
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In
diesem Fall sind die Außenoberfläche von dem Basisendabschnitt
von der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und die Außenoberfläche
von dem Endspitzenabschnitt von der Wärmeabschirmungsplatte 4 durch
das Hochwärmeleitungs-Zusatzelement 20, welches
aus Aluminium oder Kupfer erstellt ist, bedeckt. Daher wird nicht
nur eine direkte Wärmeleitung über den in Eingriff
gebrachten Abschnitt zwischen der supraleitenden Magnetabschirmung 8 und
der Wärmeabschirmungsplatte 4, sondern ebenfalls
eine Hochtemperaturleitung über das Hochtemperaturleitungs-Zusatzelement 20 durchgeführt,
wodurch eine hohe Wärmeleitfähigkeit erlangt werden kann.
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In
einem Fall, bei welchem das Hochtemperaturleitungs-Zusatzelement 20 nicht
bereitgestellt ist, gibt es, wenn die supraleitende Magnetabschirmung 8 und
die Wärmeabschirmungsplatte 4 von dem Ineingriffnahme-Typ
sind, und die Wärmeabschirmungsplatte 4 und die
supraleitende Magnetabschirmung 8 im Pegel zueinander gleich
sind, um die gleiche Pegel-Oberfläche zu erhalten, keine
Stufe dazwischen. Genauer gesagt, wird, wenn die Vakuumröhre 2 einen
kleinen Durchmesser hat, die Dicke von der Wärmeabschirmungsplatte 4 vorzugsweise minimiert,
um einen Kontakt mit der Wärmeabschirmungsplatte 4,
welche eine unterschiedliche Temperatur hat, zu verhindern. Unter
einer solchen Maßgabe ist der Ineingriffnahme-Typ wirksam.
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Es
ist zu erwähnen, dass der technische Umfang von der vorliegenden
Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt ist, und somit verschiedene Modifikationen vorgenommen
werden können, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Wenn
beispielsweise ein Überwachungsmechanismus bereitgestellt
wird, um zu verhindern, dass die supraleitende Magnetabschirmung 8,
vor einem Übergang zum supraleitenden Zustand, ein Magnetfeld
einnimmt, welches höher als das kritische Magnetfeld ist,
kann eine Magnetflussfalle in der supraleitenden Magnetabschirmung
zuverlässig ausgelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - K. D. Irwin, „An
application of electrothermal feedback for high resolution chryogenic
particle detection", Applied Physics Letters, 66, 1995, S. 1998 [0006]
- - K. Tanaka, et al., „A microcalorimeter EDS system
suitable for low acceleration voltage analysis", Surface and Interface
Analysis, 38, 2006, S. 1646 [0007]
- - K. Tanaka, et al., „A microcalorimeter EDS system
suitable for low acceleration voltage analysis", Surface and Interface
Analysis, 38, 2006, S. 1646 [0010]