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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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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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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Des Weiteren sind derartige Gegenstände aus diversen Publikationen bekannt, wie beispielsweise der Druckschrift
JP H05-267889 A , der Druckschrift
JP H07-45 990 A oder der Veröffentlichtung
Xu et al. - „Combined mu-metal and niobium superconductor shieding for dc SQUID Operation", Review of Scientific Instruments, 58, 1987, 2, 311-312.
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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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Ferner enthält der Röntgenstrahl-Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung ein Wärmeleitelement (Wärmeabschirmungsplatte), 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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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 kann ein Röntgenstrahl-Analysator gemäß der vorliegenden Erfindung ferner ein Hochwärmeleiter-Zusatzelement enthalten, 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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Figurenliste
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In den folgenden Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische längsgerichtete Querschnittsansicht, welche einen Röntgenstrahl-Analysator gemäß einer Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 eine Schnittansicht, welche entlang von einer A-A-Linie von 1 genommen ist;
- 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;
- 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;
- 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
- 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 geeigneter Weise 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.
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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 θ-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 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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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.
