JP2001227851A - 冷却装置 - Google Patents

冷却装置

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JP2001227851A JP2000038435A JP2000038435A JP2001227851A JP 2001227851 A JP2001227851 A JP 2001227851A JP 2000038435 A JP2000038435 A JP 2000038435A JP 2000038435 A JP2000038435 A JP 2000038435A JP 2001227851 A JP2001227851 A JP 2001227851A
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成計 小田原
Satoru Nakayama
哲 中山
Atsushi Nagata
篤士 永田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料あるいはセンサーをヘリウムの沸点温度
程度まで冷やす冷却装置において、液体窒素などを用い
て予め行う装置内の冷却を必要とせず、冷却を行うため
の時間と手間を省くことができる冷却装置の提供。 【解決手段】 真空チャンバーの中に液体ヘリウムの貯
蔵タンクを設置せず、代わりとして断熱に配慮した液体
ヘリウム導入用のポートを設置し、液体ヘリウムコンテ
ナとポートとを真空断熱配管で接続し、液体ヘリウムを
コンテナから直接供給する構造としたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、各種半導体素子
や半導体材料、あるいは超伝導材料、その他金属材料や
無機材料など、各種の素子や材料からなる試料につい
て、液化ガスの沸点温度に至る低温において計測または
観察、もしくは動作を行うにあたり、冷却し低温に保持
するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近に至り、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干
渉計）顕微鏡と称されるマイクロメーター程度の空間分
解能を有する高感度磁束計が実用化され、各種素子や材
料についてＳＱＵＩＤ顕微鏡を用いた計測を行うことが
多くなっている。ＳＱＵＩＤは超伝導を利用しているた
め液体窒素温度以下（数Ｋから７７Ｋ）の低温に冷却し
ておく必要があり、また相手方の試料についても、低温
に保持する必要がある場合が多い。またＳＱＵＩＤの
他、トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡等によって試料の
観察を行う場合にも、試料を低温に保持する場合があ
る。図２はセンサー側を低温に冷却する従来の冷却装置
の一例を示した概略図である。真空チャンバー１０の中
には、３軸走査ステージ２０、冷却ヘッド３０、貯蔵タ
ンク４０、センサー５０、および試料６０などが設置さ
れ、真空チャンバー１０の外には、真空ポンプ７０、液
体ヘリウムコンテナ８０、真空断熱配管９０が設置され
ている。
【０００３】真空チャンバー１０はステンレスにて作製
され、外部との断熱を行うために内部は真空に保持され
ている。
【０００４】３軸走査ステージ２０は試料６０を設置
し、センサー５０と試料６０との相対的な位置を制御す
るために用いられる。
【０００５】冷却ヘッド３０は無酸素銅で作製され、セ
ンサー５０を熱的に接触させた状態で保持している。
【０００６】貯蔵タンク４０は冷却ヘッド３０を冷却す
るための冷媒の保持を行う。冷媒としては液体ヘリウム
を使用しているため、貯蔵タンク４０へ液体ヘリウムを
貯めるためには、真空断熱配管９０を用いて液体ヘリウ
ムコンテナ８０と接続して移送を行う。侵入熱を減らす
目的で、貯蔵タンク４０の周りには断熱用冷媒タンク４
１を設置し、液体窒素を保持させている。
【０００７】センサー５０としては直径１０μｍ程度の
検出コイルを有するＳＱＵＩＤを用いた。ＳＱＵＩＤを
作製している超伝導材料としては、液体ヘリウムの沸点
温度程度で動作するニオブを用いた。
【０００８】真空ポンプ７０を作動させることで、貯蔵
タンク４０に貯蔵されている冷媒は配管３１を通じて冷
却ヘッド３０へ輸送され、冷却ヘッド３０を冷却した
後、配管３２から真空ポンプ７０を通じて外へ排出され
る。
【０００９】試料６０の磁場分布を計測する手順は、ま
ず貯蔵タンク４０と断熱用冷媒タンク４１へ液体窒素を
貯め、貯蔵タンク４０の周辺を液体窒素の沸点温度まで
冷却させる。次に貯蔵タンク４０に入っている液体窒素
を取り除き、貯蔵タンク４０と液体ヘリウムコンテナ８
０とを真空断熱配管９０で接続し、冷媒である液体ヘリ
ウムを貯蔵タンク４０へ移送させる。その後、真空ポン
プ７０を作動させて冷却ヘッド３０へ液体ヘリウムを通
し、冷却ヘッド３０をヘリウムの沸点温度程度まで冷却
した後、センサー５０を動作させ、３軸走査ステージ２
０を用いてセンサー５０と試料６０との相対位置を制御
し、センサー５０による信号を記録することで計測を行
う。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】センサーあるいは試料
を低温に冷却する必要がある上記従来の冷却装置では、
真空チャンバーに備える貯蔵タンクへ液体ヘリウムを移
送し保持させる必要が有ることから、移送の前に一旦貯
蔵タンクへ液体窒素などの液化ガスを入れて予め液化ガ
スの沸点温度まで貯蔵タンクを冷却した後、液体ヘリウ
ム移送直前に液化ガスを抜き去る作業が必要となり、さ
らに、貯蔵タンクの周辺に設置された断熱用冷媒タンク
４１へ液体窒素などの液化ガスを充填させる必要がある
ため、センサーあるいは試料を低温に冷却するまでに手
間と時間がかかり、また液体窒素などの冷媒を用意する
必要があるという問題があった。さらに一旦貯蔵タンク
へ液体ヘリウムを保持する必要性があることから、特に
センサーあるいは試料を低温に冷却する時間が短い場合
においては、貯蔵タンクの冷却のために消費される液体
ヘリウムの量が冷却ヘッドを冷却するために消費される
液体ヘリウムの量と比較して無視できなくなり、結果と
して液体ヘリウムの損失が多いという問題があった。さ
らにまた、真空チャンバーに液体ヘリウムの貯蔵タンク
を設けているために真空チャンバーが大型となり、冷却
装置の設置面積が大きくなるという問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】（第１の手段）本発明
は、上記の課題を解決するために、真空チャンバーの中
に液体ヘリウムの貯蔵タンクを設置せず、代わりとして
断熱に配慮した液体ヘリウム導入用のポートを設置し、
液体ヘリウムのコンテナとポートとを真空断熱配管で接
続し、冷媒の液体ヘリウムをコンテナから直接供給する
構造としたものである。 （第２の手段）第１の手段にさらに、真空断熱配管を二
重真空配管とした。 （第３の手段）第１の手段にさらに、ポートの周辺に熱
遮蔽板を設置する構造とした。 （第４の手段）第３の手段にさらに、熱遮蔽板の内部に
冷却ヘッドから排気したヘリウムを通す構造とした。 （第５の手段）第３の手段にさらに、液体ヘリウムを導
入するポートを複数の材質で構成する構造とした。
【００１２】第１の手段による冷却装置の構造によれ
ば、熱容量の大きな貯蔵タンクへ液体ヘリウムを移送し
保持させる必要がなく、液体ヘリウムのコンテナから直
接断熱配管を通して冷却ヘッドにヘリウムを供給するた
め、液体窒素などの冷媒を用いて予め真空チャンバー内
を冷却する必要がなくなることから、手間と時間を省く
ことが可能となる。
【００１３】第２の手段により、真空チャンバーとコン
テナ間の真空断熱配管での侵入熱を極力少なくすること
ができるため、液体ヘリウムの消費量を抑えることがで
きる。
【００１４】第３の手段により、ポート周りの断熱用冷
媒タンクが必要なくなるため、断熱を行っている液体窒
素などの冷媒を用意する必要がなくなり、また、真空チ
ャンバーの小型化ができることから設置面積を小さくす
ることが可能となる。
【００１５】第４の手段により、熱遮蔽板を冷却する能
力が向上するため、ポートや第一の配管への熱侵入が減
少し、液体ヘリウムを有効に使用することが可能とな
る。
【００１６】第５の手段により、熱遮蔽板を冷却する能
力が向上し、またポートを伝導する外部からの侵入熱を
減少させることができるため、ポートや第一の配管への
熱侵入が減少し、液体ヘリウムを有効に使用することが
可能となる。
【００１７】なおこの発明におけるセンサーとは、ＳＱ
ＵＩＤ顕微鏡におけるＳＱＵＩＤのように、試料から発
生する磁束や各種放射線、試料の物性や特性などを計測
するセンサーのみならず、トンネル顕微鏡および原子間
力顕微鏡におけるプローブ等、試料の表面形状や状態を
観察するプローブをも含むこととする。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照して説明する。
【００１９】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１を示す冷却装置の構造を示した概略図である。
【００２０】真空チャンバー１０の中には３軸走査ステ
ージ２０、冷却ヘッド３０、液体ヘリウム導入用のポー
ト４２、センサー５０、および試料６０などが設置さ
れ、真空チャンバー１０の外には真空ポンプ７０、液体
ヘリウムコンテナ８０、真空断熱配管９０が設置されて
いる。
【００２１】真空チャンバー１０はステンレスにて作製
され、外部との熱断熱を行うために真空に保持されてい
る。
【００２２】３軸走査ステージ２０は試料６０を設置
し、センサー５０と試料６０との相対的な位置を制御す
るために用いられる。
【００２３】冷却ヘッド３０は熱伝導を良くするために
無酸素銅で作製され、センサー５０を熱的に接触させた
状態で保持している。
【００２４】ポート４２は真空チャンバー内に設置され
る冷却ヘッド３０へ液体ヘリウムを導入するためのもの
である。ポート４２と液体ヘリウムコンテナ８０との間
を真空断熱配管９０で接続して、液体ヘリウムコンテナ
８０に保管している液体ヘリウムを冷却ヘッド３０へ導
入する。ポート４２周辺での侵入熱を減らす目的で、ポ
ート４２の周りを囲む形状の断熱用冷媒タンク４１を設
置し、液体窒素を保持させている。
【００２５】センサー５０としては直径１０μｍ程度の
検出コイルを有するＳＱＵＩＤを用いた。ＳＱＵＩＤを
作製する超伝導材料としては、液体ヘリウムの沸点温度
程度で動作するニオブを用いた。
【００２６】真空ポンプ７０は第二の配管３２、冷却ヘ
ッド３０、第一の配管３１、および真空断熱配管９０の
内部の圧力を下げ、液体ヘリウムコンテナ８０内の液体
ヘリウムを移送するために用いる。
【００２７】試料６０の磁場分布を計測する手順は、ま
ず断熱用冷媒タンク４１へ液体窒素を貯め、ポート４２
の周辺を液体窒素の沸点温度まで冷却させる。次にポー
ト４２と液体ヘリウムコンテナ８０を真空断熱配管９０
で接続し、真空ポンプ７０を作動させることで液体ヘリ
ウムコンテナ８０内の液体ヘリウムを冷却ヘッド３０へ
通すことで冷却ヘッド３０をヘリウムの沸点温度程度ま
で冷却する。冷却ヘッド３０の冷却後、センサー５０を
動作させ、３軸走査ステージ２０を用いてセンサー５０
と試料６０との相対位置を制御し、センサー５０による
信号を記録することで計測を行う。 （実施の形態２）図３は本発明の実施の形態２を示す冷
却装置の構造を示した概略図である。真空断熱配管９０
を二重真空配管としたこと以外の構成は実施の形態１と
なんら変わるところはない。
【００２８】図４（Ａ）は本発明の実施の形態２におけ
る真空断熱配管９０の断面の構造を示した図で、図４
（Ｂ）はポート４２および真空断熱配管９０先端の構造
を示した図である。二重真空配管の中心配管は冷却ヘッ
ドへ輸送するヘリウムを通すための経路で、外周配管は
冷却ヘッドから排気するヘリウムを通すための経路であ
る。
【００２９】真空断熱配管９０の外周配管に接続した真
空ポンプ９０を作動することで、真空断熱配管９０の外
周配管、第二の配管３２、冷却ヘッド３０、第一の配管
３１、および真空断熱配管９０の中心配管の圧力が下が
り、液体ヘリウムコンテナ８０内の液体ヘリウムが移送
される。ヘリウムの経路としては、液体ヘリウムコンテ
ナ８０から真空断熱配管９０の中心配管および第一の配
管３１を通って冷却ヘッド３０へ移送され、冷却ヘッド
３０を冷却した後、第二の配管３２から真空断熱配管９
０の外周配管を通り、真空ポンプ９０から排気される。 （実施の形態３）図５は本発明の実施の形態３を示す冷
却装置の構造を示した概略図である。断熱用冷媒タンク
４１を無くした代わりとして熱遮蔽板４４を設置した以
外の構成は実施の形態２となんら変わるところはない。
【００３０】図６に熱遮蔽板４４周辺の構造を示す。熱
遮蔽板４４は単板を加工して筒状に成型され、液体窒素
の沸点温度程度以下に冷却しているポート４２の外壁に
熱的に接続されている。ポート４２を熱遮蔽板４４で覆
う場合には、側面の一部に穴をあけ、第一および第二の
配管３１、３２を通す。熱遮蔽板４４は熱の伝導を良く
するために無酸素銅にて作製した。 （実施の形態４）図７は本発明の実施の形態４を示す冷
却装置の熱遮蔽板４４の周辺構造を示した概略図であ
る。熱遮蔽板４４の構造および第二の配管３２とポート
４２の接続方法以外の構成は実施の形態３となんら変わ
るところはない。
【００３１】熱遮蔽板４４は図７の破線で示した内部に
密封された空間を持つ二重構造の筒で、第二の配管３２
およびポート４２と接続される。熱遮蔽板４４の内部の
空間に冷却ヘッド３０を冷やした後のヘリウムを通す構
造とした。内部の空間は空洞としたが、無酸素銅の網や
粒子、その他の材料を蓄冷材として挿入しても良い。熱
遮蔽板４４は熱の伝導を良くするために無酸素銅を用い
て作製した。 （実施の形態５）図８は本発明の実施の形態５を示す冷
却装置におけるポート４２の周辺を示した概略図であ
る。ポート４２の材料以外は実施の形態３となんら変わ
るところはない。ポート４２において真空チャンバー１
０の外壁に直接接触しているＡの部分を熱伝導率の低い
材料にて作製し、Ｂの部分を熱伝導率の高い材料にて作
製する構造とした。具体的には、熱伝導率の低い材料と
してはＧ−ＦＲＰを用い、熱伝導率の高い材料としては
無酸素銅を用いた。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、真空チャンバー内に液
体ヘリウムの貯蔵タンクを設置しなくて良いため、ヘリ
ウムを移送する前に液体窒素などの液化ガスを用いて予
め貯蔵タンクを冷却する必要がなく、よって液化ガスを
抜き去る作業も必要ないことから、センサーあるいは試
料を低温に冷却するまでの手間と時間を省くことができ
る。
【００３３】また、貯蔵タンクの周辺に設置された断熱
用冷媒タンク４１が必要なくなるため、冷媒の充填の手
間が省け、液体窒素などの冷媒を用意する必要がなくな
る。
【００３４】さらに、特にセンサーあるいは試料を低温
に冷却する時間が短い場合においても、冷却が必要な時
だけ冷却ヘッドへヘリウムを輸送させることから、液体
ヘリウムの損失を抑えることができる。
【００３５】さらにまた、真空チャンバーに液体ヘリウ
ムの貯蔵タンクを設けないため、真空チャンバーが小型
となり、冷却装置の設置面積が小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す冷却装置の構造を
示した概略図である。
【図２】従来の冷却装置の構造を示した概略図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す冷却装置の構造を
示した概略図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施の形態２における真空断
熱配管９０の断面の構造を示した図である。 （Ｂ）は本発明の実施の形態２におけるポート４２およ
び真空断熱配管９０の先端の構造を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態３を示す冷却装置の構造を
示した概略図である。
【図６】本発明の実施の形態３における熱遮蔽板４４の
周辺の構造を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態４を示す冷却装置の熱遮蔽
板４４周辺の構造を示した概略図である。
【図８】本発明の実施の形態５を示す冷却装置における
ポート４２の周辺を示した概略図である。
【符号の説明】
１０ 真空チャンバー ２０ ３軸走査ステージ ３０ 冷却ヘッド ３１ 第一の配管 ３２ 第二の配管 ４０ 貯蔵タンク ４１ 断熱用冷媒タンク ４２ ポート ４４ 熱遮蔽板 ５０ センサー ６０ 試料 ７０ 真空ポンプ ８０ 液体ヘリウムコンテナ ９０ 真空断熱配管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 篤士 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2G017 AC04 AD32 3L044 AA04 BA07 BA08 CA16 CA17 DB03 FA08 KA04 KA05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化ガスの沸点温度程度に冷却するため
    の冷却ヘッドと、前記冷却ヘッドを冷却するための液体
    ヘリウムを貯蔵する貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクから
    前記冷却ヘッドにヘリウムを輸送して排気するためのポ
    ンプと、前記貯蔵タンクと前記冷却ヘッドを結ぶ第一の
    配管と、前記冷却ヘッドと前記ポンプを結ぶ第二の配管
    と、前記冷却ヘッドと前記貯蔵タンクと前記第一の配管
    と少なくとも一部分の前記第二の配管とを外気から断熱
    する真空チャンバーと、液体ヘリウムを充填し輸送する
    ための液体ヘリウムコンテナと、液体ヘリウムを前記液
    体ヘリウムコンテナから前記貯蔵タンクへ輸送するため
    の真空断熱配管と、から構成される冷却装置において、
    前記真空チャンバー内に前記貯蔵タンクを設けず、代わ
    りとして前記真空チャンバーに液体ヘリウムを導入する
    ためのポートを備えたことを特徴とする冷却装置。
  2. 【請求項２】 前記真空断熱配管を同軸状二重真空配管
    としたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  3. 【請求項３】 前記断熱用冷媒タンクを設けず、代わり
    として前記ポートの周りに熱遮蔽板を備えたことを特徴
    とする請求項１記載の冷却装置。
  4. 【請求項４】 前記熱遮蔽板を密閉容器とし、前記第二
    の配管からのヘリウムを前記熱遮蔽板の内部へ導入し、
    前記ポートへ排気する構造としたことを特徴とする請求
    項３記載の冷却装置。
  5. 【請求項５】 前記ポートを熱伝導率の異なる複数の材
    料を用いて作製したことを特徴とする請求項３記載の冷
    却装置。
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