JP2007003397A - Sample analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、機械振動による影響を排除するための試料分析装置に関する。 The present invention relates to a sample analyzer for eliminating the influence of mechanical vibration.
パルス管冷凍機は寒冷を発生する機能を有し、各種装置に応用されている。このようなパルス管冷凍機の応用の一例として、EDS(Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer:エネルギー分散型X線分光法。EDXと略されることもある)を用いるエネルギー分散型半導体X線検出器(EDS検出器)の冷却システムへの適用が検討されている。このようなパルス管冷凍機を用いるエネルギー分散型半導体X線検出器の従来技術が例えば、特許文献1に開示されている。 The pulse tube refrigerator has a function of generating cold and is applied to various devices. As an example of the application of such a pulse tube refrigerator, an energy dispersive semiconductor X-ray detector using an EDS (Energy Dispersive X-ray Fluorescence Spectrometer: sometimes abbreviated as EDX). Application of (EDS detector) to a cooling system is being studied. For example, Patent Document 1 discloses a conventional technique of an energy dispersive semiconductor X-ray detector using such a pulse tube refrigerator.
ここに従来技術のEDS検出器、および、このEDS検出器を搭載するエネルギー分散型半導体X線検出器(以下単に試料分析装置という)について図を参照しつつ説明する。図6は従来技術のEDS検出器を搭載する試料分析装置の説明図、図7はEDS検出器の説明図である。図6で示す試料分析装置1000’は、EDS検出器10’、電子顕微鏡20、試料室30、本体40、連結管50、防振スタンド60、錘70、圧力変換バルブユニット80、コンプレッサ90、高圧ヘリウム配管100、低圧ヘリウム配管110、コントローラ120を備える。
A conventional EDS detector and an energy dispersive semiconductor X-ray detector (hereinafter simply referred to as a sample analyzer) on which the EDS detector is mounted will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is an explanatory diagram of a sample analyzer equipped with a conventional EDS detector, and FIG. 7 is an explanatory diagram of the EDS detector. A sample analyzer 1000 ′ shown in FIG. 6 includes an
続いて、各部構成について説明する。
EDS検出器10’は、さらに図7で示すように、クライオスタット11、小型ガス循環式冷凍機12、コールドフィンガー13、X線検出素子部14、移動部15を備える。
Next, the configuration of each part will be described.
As shown in FIG. 7, the
クライオスタット11は、さらに本体部11a、筒状部11b、および、X線窓11cを備える。L字状の筒である本体部11aには水平な筒状部11bが連接され、さらに筒状部11bには、X線窓11cが設けられている。このX線窓11cは真空を保持できる強度を持ち、かつ試料から放出された特性X線を透過する機能を有している。このようなクライオスタット11内は使用時にその内部が外気と遮断されるとともに、図示しない真空ポンプ等により真空に保持される。
The
小型ガス循環式冷凍機12は、さらに冷凍部本体12aおよび冷熱部12bを備え、クライオスタット11の本体部11aの上端部に冷凍部本体12aが設けられ、また、冷凍部本体12aから冷熱部12bがクライオスタット11の内部に延設されている。小型ガス循環式冷凍機12は例えば圧縮機と膨張機とが分離されたGM(ギフォード・マクマホンサイクル)方式のパルス管冷凍機である。この場合、冷凍部本体12aは膨張機であり、この冷凍部本体12aには連結管50を介して圧縮機であるコンプレッサ90(図6参照)からヘリウムガスが供給されている。なお、この小型ガス循環式冷凍機12に対するヘリウムガスの供給構造については後述する。
The small
コールドフィンガー13は、図7で示すように、銅など熱伝導性の優れた素材を用いて、例えば略L字状に形成されている。コールドフィンガー13は、クライオスタット11の本体部11aおよびこれに連設された水平の筒状部11bにわたる空間内に設けられる。コールドフィンガー13の一端側は小型ガス循環式冷凍機12の冷熱部12bと熱的に結合されている。
As shown in FIG. 7, the
X線検出素子部14は、さらにX線検出素子14a、温度センサ14bを備える。X線検出素子14aは、試料から放出される特性X線を検出し、検出信号として図示しない検出信号処理部へ出力する機能を有している。このX線検出素子14aの前面には、特性X線を透過させるためのX線窓11cが位置している。温度センサ14bは、X線検出素子14aの温度を検出し、温度信号としてコントローラ120(図6参照)へ出力する機能を有している。このようなX線検出素子部14は、コールドフィンガー13の先端側に熱的に結合された状態で設けられる。
The X-ray
移動部15は、さらに、ガイドベース15a、ガイド部15b,15c、ガイドロッド15d、アクチュエータ15e、被ガイド部15fを備える。
ガイドベース15aは、図6で示すように、電子顕微鏡20方向に延設され、電子顕微鏡20の胴部から突設する取付け部に取り付けられる。ガイド部15b,15cは、ガイドベース15aに固定されている。
ガイドロッド15dは、ガイド部15b,15c内の軸受部を摺動自在に挿通されている。
アクチュエータ15eは、ガイドロッド15dを矢印F方向(前進方向)または矢印R方向(後退方向)へ移動させるように駆動する。
被ガイド部15fは、クライオスタット11の本体部11aおよびガイドロッド15dに取付け固定されている。これにより、EDS検出器10’は被ガイド部15fとともに移動するようになされ、ガイドロッド15dの移動に応じてEDS検出器10’を矢印F方向(前進方向)または矢印R方向(後退方向)へスライドするように移動させる。
コントローラ120は、図6に示すように、本体40の上面に載置され、EDS検出器10’(X線検出素子14a)の冷却およびその前方または後方への移動を制御する。
EDS検出器10’はこのようなものである。
The moving
As shown in FIG. 6, the
The
Actuator 15e drives
The guided
As shown in FIG. 6, the
The EDS detector 10 'is like this.
図6に戻るが、電子顕微鏡20は、具体的には走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)である。
試料室30は、試料を載置するための仕切り空間である。この試料室30では、電子ビームや特性X線により操作者に悪影響を与えないようにするため、また、二次電子、反射電子および特性X線を確実に検出するため、外界と内部空間とを確実に隔離するようになされている。
本体40は、振動に強くするため、機械的に高剛性な材料により形成されている。さらに、図示しないが電源部など必要な機器を防振措置を施した上で収容している。
Returning to FIG. 6, the
The
The
連結管50は、さらに本体部分51および可撓部分52を備え、本体部分51は圧力変換バルブユニット80と接続され、可撓部分52は冷凍部本体12aと接続される。連結管50は圧力変換バルブユニット80と冷凍部本体12aとの間の流路を確保し、所定の圧力に調整されたヘリウムガスを冷凍部本体12aに供給する。ここに可撓部分52を採用する理由は、EDS検出器10’が図6,図7で示すように矢印F方向または矢印R方向への移動に対処するための構成である。
The connecting
防振スタンド60は、本体40の近傍に立設され、連結管50の本体部分51を、棒状のスタンド本体61の上下方向に沿わせて固定部62によって固定保持させる。さらに連結管50の可撓部分52には、振動を抑止するための錘70が複数個(例えば図6では2個)装着されている。
The
圧力変換バルブユニット80、コンプレッサ90、高圧ヘリウム配管100、低圧ヘリウム配管110は、小型ガス循環式冷凍機12に対するヘリウムガスの供給システムであり、圧力変換バルブユニット80およびコンプレッサ90は高圧ヘリウム配管100および低圧ヘリウム配管110を介して接続されている。
The pressure
続いて分析時の動作について説明する。図6で示す試料分析装置1000’の試料室30内にある試料ステージ(図示せず)に試料を載置し、扉を閉めて外界から隔離した後、コントローラ120の図示しない操作部から分析開始操作を行い、EDS検出器10’(X線検出素子14a)を矢印F方向(前進方向)へ移動させるようにアクチュエータ15eを駆動する。すると、EDS検出器10’が矢印方向F(前進方向)へ移動して試料へ前記X線検出素子14aを近づける。
Next, the operation during analysis will be described. A sample is placed on a sample stage (not shown) in the
続いて分析開始すると走査顕微鏡20の電子銃から電子ビームが出力され、試料から二次電子や反射電子が放出される。二次電子は検出器に印加された10KV(通常SEM観察に用いられる加速電圧)の正の電位に引かれて、また反射電子は自らのエネルギーで、いずれも検出器表面に塗布された蛍光面に衝突して光に変換され、この光は光電子倍増管(PMT)で増幅され、画像信号処理部で画像信号が生成されて出力される。この画像信号は観察用および撮影用のCRT等の表示部に出力される。
Subsequently, when analysis is started, an electron beam is output from the electron gun of the
これと同時または時間を異ならせて、EDS検出器10’は、試料表面の微小部の元素分析を行う。コントローラ120は、先に説明した温度センサ14bから温度信号を入力し、所定温度を維持するように小型ガス循環式冷凍機12の温度制御を行う。X線検出素子14aは所定温度を維持する。このような状況下、走査顕微鏡20の電子銃からの電子ビームが試料に当たると、特性X線も試料から飛び出る。この特性X線は元素の種類により、それ固有の波長を有している。X線検出素子14aはこのような特性X線を検出して検出信号処理部へ出力する。検出信号処理部は例えばコンピュータであり、検出信号から試料に含まれている元素を検出し、例えば、スペクトル分布を表示するというものである。また、それぞれのエネルギーについて強度を測定し、標準強度と比べることによって定量分析も可能となる。
そして分析終了時に自動的にEDS検出器10’(X線検出素子14a)を矢印R方向(後退方向)へ移動させるようにアクチュエータ15eを駆動する。
試料分析装置1000’はこのようなものである。
At the same time or at different times, the
At the end of the analysis, the
The sample analyzer 1000 ′ is like this.
この試料分析装置の特徴として、特にEDS検出器10’においては、圧力調整されたヘリウムガスを小型ガス循環式冷凍機12の冷凍部本体12aに供給するための連結管50の本体部分51が防振スタンド60のスタンド本体61に固定されるとともに、その先端の可撓部分52に防振用の錘70が設けられているので、連結管50の振動が抑止される。したがって、連結管50内を圧力調整されたヘリウムガスが流れても、連結管50の振動が抑制され、EDS検出器10’や電子顕微鏡20などへ振動が伝わらないこととなり、精度良く所定の検出・画像取得が行われる。
As a feature of this sample analyzer, particularly in the
なお、同様の従来技術として、例えば、特許文献2に記載された発明が知られている。
As a similar conventional technique, for example, the invention described in
上記のように、特許文献1では、圧縮機と膨張機とが分離されたGM(ギフォード・マクマホンサイクル)方式の小型ガス循環式冷凍機12を採用し、膨張機(冷凍部本体12aおよび冷熱部12b)を試料分析装置1000’に搭載し、圧縮機(圧力変換バルブユニット80、コンプレッサ90、高圧ヘリウム配管100、低圧ヘリウム配管110によるヘリウムガスの供給システム)は試料分析装置1000’の横に配置し、連結管50を介して作動ガスであるヘリウムガスを供給し、膨張機の膨張仕事によりX線検出素子14aを冷却している。
As described above, in Patent Document 1, the GM (Gifford-McMahon cycle) type small
ここに、GM方式の小型ガス循環式冷凍機12のコンプレッサ90は、誘導モータを用いたレシプロ圧縮機またはスクロール圧縮機などのように、安価であるが大きな振動が発生するコンプレッサである。また、圧力変換バルブユニット80では回転モータ式またはソレノイドバルブ式が用いられており、電子顕微鏡20の防振機構(図示せず)の共振周波数(2〜4Hz)に近い運転周波数で切換えられるため、共振周波数に近い振動を発生する。これら振動が電子顕微鏡20へ伝わると、わずかの発生振動でも数万倍になる電子顕微鏡20の画像に悪影響を与える。また、X線検出でも影響を受ける。
Here, the
そこでコンプレッサ90や圧力変換バルブユニット80の振動を伝達しないようにするため、特許文献1の装置では、上記のように連結管50の可撓部分52を介在させて、コンプレッサ90や圧力変換バルブユニット80で発生する振動を遮断するように構成している。さらに防振ウエイトである錘70を調節して固有振動数を変化させて共振を防止し、発生振動を低減しようとしている。
Therefore, in order to prevent the vibration of the
しかしながら、このような連結管50も、GM方式の小型ガス循環式冷凍機12の作動ガスの圧力(数MPa)に耐えるために比較的剛性の高い金属のフレキシブル管で構成せざるを得ず、数Hz〜10Hzの周波数の振動発生源となる。そこで連結管50の低振動化のために質量を大きくして剛性を増す必要があり、重量物で大掛かりな装置になってしまっていた。また、取付長さや方向によって固有振動数が変化するため、発生力や変位を小さくすることには限界があった。
このような問題は特許文献2に記載された装置でも同様であった。
このように特許文献1,2では、検出精度を高めるためには、大型構造・重量物構造が回避できず、また、小型化すると除去できない振動により装置全体が振動し、例えば電子顕微鏡の画像やX線検出などで悪影響を与えるおそれがあった。
However, such a connecting
Such a problem is the same in the apparatus described in
As described above, in
また、図示しないが、冷凍機のかわりに液体窒素により冷却する方式を採用した場合は、振動が発生しないように思われるが、液体窒素注入から沸騰がおさまるまでの一定時間およびランダムに発生するバブリング(気泡発生)により、この期間では同様に電子顕微鏡の画像に悪影響を与えるおそれがあった。また、液体窒素方式は、液体窒素の補充を週に2回程度行う必要があり、液体窒素の消耗費と保管費および人件費などのランニングコストが高くなるという課題もあった。
このように従来技術では冷却時に発生する振動が、試料分析装置に悪影響を及ぼすという問題があった。また、この振動を抑えるため従来技術のような大型構成が採用されており、小型化が困難であるという問題もあった。
Although not shown in the figure, when a method of cooling with liquid nitrogen instead of a refrigerator is used, it seems that vibration does not occur, but bubbling that occurs randomly for a certain period of time from liquid nitrogen injection until boiling stops. Due to (bubble generation), the image of the electron microscope may be similarly adversely affected during this period. In addition, the liquid nitrogen method needs to be replenished about twice a week, and there is a problem that the running cost such as liquid nitrogen consumption cost, storage cost and labor cost becomes high.
Thus, in the prior art, there is a problem that vibration generated during cooling adversely affects the sample analyzer. In addition, a large configuration as in the prior art is adopted to suppress this vibration, and there is a problem that miniaturization is difficult.
また、EDS検出器10’が動作している時のみ、パルス管冷凍機を駆動する手法も考えられるが、パルス管冷凍機を直ちに運転させることが困難であるため、EDS検出器10’を動作させるのに時間が掛かるという問題があった。
また、冷凍機の対向型圧縮機のリニアモータ可動質量のアンバランス量低減、ピストン往復動動作の直進性の確保、ピストンの振幅・位相の動機制御などの対策を完璧に実施して発生振動を限りなく「ゼロ」に近づけることで発生振動の影響を排除してもよいがコストが高くなってしまう。
A method of driving the pulse tube refrigerator only when the
In addition, complete countermeasures such as reducing the unbalance of the moving mass of the linear motor of the opposed compressor of the refrigerator, ensuring the rectilinear movement of the piston reciprocating movement, and controlling the motive force of the piston's amplitude and phase are used to reduce the generated vibration. Although it may be possible to eliminate the influence of the generated vibration by bringing it to “zero” as much as possible, the cost becomes high.
そこで、本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、分析内容に応じて冷凍機本体の運転を切替えて、振動による影響の低減と冷却性能の向上とを両立させるようにした試料分析装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to switch the operation of the refrigerator main body according to the analysis contents to achieve both reduction of the influence of vibration and improvement of cooling performance. An object of the present invention is to provide a sample analyzer.
上記課題を解決するため、本発明の請求項1に係る発明の試料分析装置は、
試料に電子ビームを照射して放射された電子から画像信号を得る電子顕微鏡と、
試料に電子ビームを照射して放射された特性X線から試料を分析するEDS検出器と、
一対のピストンを対向に配置した振動型圧縮機を有し、EDS検出器のX線検出素子を冷却する冷凍機本体と、
電子顕微鏡またはEDS検出器のどちらが運転されているかという運転状態を検出して運転切替信号を出力する運転状態検出制御部と、
運転切替信号に基づいて冷凍機本体の駆動を制御する駆動電源部と、
を備え、
電子顕微鏡運転時ではX線検出素子の許容上限温度まで温度上昇させて予冷運転し、EDS検出器運転時ではX線検出素子の運転温度まで温度下降させて本運転することを特徴とする。
In order to solve the above problem, a sample analyzer of the invention according to claim 1 of the present invention provides:
An electron microscope that obtains an image signal from the emitted electrons by irradiating the sample with an electron beam;
An EDS detector for analyzing a sample from characteristic X-rays emitted by irradiating the sample with an electron beam;
A refrigerating machine main body having a vibration type compressor having a pair of pistons opposed to each other and cooling an X-ray detection element of an EDS detector;
An operation state detection control unit that detects an operation state of whether an electron microscope or an EDS detector is operated and outputs an operation switching signal;
A drive power supply unit for controlling the drive of the refrigerator based on the operation switching signal;
With
During the operation of the electron microscope, the temperature is increased to an allowable upper limit temperature of the X-ray detection element, and the pre-cooling operation is performed. When the EDS detector is operated, the temperature is decreased to the operation temperature of the X-ray detection element and the main operation is performed.
また、本発明の請求項2に係る発明の試料分析装置は、
請求項1に記載の試料分析装置において、
前記冷凍機本体は、
ピストンおよびこのピストンを往復動させる駆動部を含むリニアモータと、リニアモータが内部に収容されるシリンダと、を備え、シリンダの内部でピストンを往復動させて圧縮空間を区画形成し、この圧縮空間内の流体を周期的に圧縮する振動型圧縮機と、
振動型圧縮機に連結される膨張機と、
膨張機に連結される位相制御部と、
を備えることを特徴とする。
Further, the sample analyzer of the invention according to
The sample analyzer according to claim 1,
The refrigerator main body is
A linear motor including a piston and a drive unit that reciprocates the piston, and a cylinder in which the linear motor is housed, and the piston is reciprocated inside the cylinder to define a compression space. An oscillating compressor that periodically compresses the fluid inside;
An expander coupled to the vibratory compressor;
A phase control unit coupled to the expander;
It is characterized by providing.
また、本発明の請求項3に係る発明の試料分析装置は、
請求項2に記載の試料分析装置において、
前記冷凍機本体は、
振動型圧縮機と膨張器との間に連結される接続管を備えることを特徴とする。
Moreover, the sample analyzer of the invention according to
The sample analyzer according to
The refrigerator main body is
A connecting pipe connected between the vibration type compressor and the expander is provided.
また、本発明の請求項4に係る発明の試料分析装置は、
請求項3に記載の試料分析装置において、
前記接続管は弦巻状のバネ様部を備え、
前記振動型圧縮機のピストン駆動方向とバネ様部の中心軸方向とが略平行に配置されることを特徴とする。
Moreover, the sample analyzer of the invention according to claim 4 of the present invention provides:
The sample analyzer according to
The connecting pipe includes a string-like spring-like portion,
The piston drive direction of the vibration type compressor and the central axis direction of the spring-like portion are arranged substantially in parallel.
以上のような本発明によれば、分析内容に応じて冷凍機本体の運転を切替えて、発生する振動に影響を少なくするようにした試料分析装置を提供することができる。 According to the present invention as described above, it is possible to provide a sample analyzer that switches the operation of the refrigerator main body in accordance with the analysis contents and reduces the influence on the generated vibration.
続いて、本発明を実施するための最良の形態について、図を参照しつつ説明する。図1は試料分析装置の説明図である。図2はEDS検出器の説明図、図3はパルス管冷凍器の説明図、図4は試料分析用回路の回路ブロック図であり、図4(a)は電子顕微鏡の回路ブロック図、図4(b)はEDS検出器の回路ブロック図である。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram of a sample analyzer. 2 is an explanatory diagram of an EDS detector, FIG. 3 is an explanatory diagram of a pulse tube refrigerator, FIG. 4 is a circuit block diagram of a sample analysis circuit, FIG. 4A is a circuit block diagram of an electron microscope, and FIG. (B) is a circuit block diagram of an EDS detector.
図1で示すような本形態の試料分析装置1000は、先に図6,図7を用いて説明した試料分析装置1000’とは、試料室30と本体40との間に防振機構130を介在させた点と、構成を改良したEDS検出器10を採用した点と、が相違する。
以下、相違点を重点的に説明し、他の構成は図6,図7を用いて説明した従来技術と同様であるとして同じ符号を付すとともにその重複する説明を省略する。
The sample analyzer 1000 of this embodiment as shown in FIG. 1 is different from the sample analyzer 1000 ′ described with reference to FIGS. 6 and 7 in that a vibration isolation mechanism 130 is provided between the
Hereinafter, the differences will be described with emphasis, and other configurations will be denoted by the same reference numerals as those of the prior art described with reference to FIGS. 6 and 7, and redundant description thereof will be omitted.
EDS検出器10は、図2で示すように、クライオスタット11、パルス管冷凍機1(冷凍機本体1a・駆動電源部6・運転状態検出制御部7)、コールドフィンガー13、X線検出素子部14、移動部15を備える。ここで、X線検出素子部14の温度センサ14bは、図2で示すように、ハーメチック端子16を介して運転状態検出制御部7へ接続される。なお、このハーメチック端子16を使う代わりに、図示しないが、従来技術のようにコントローラ120を経由して運転状態検出制御部7と温度センサ14bとを接続するようにしても良い。
このように従来技術のGM方式の小型ガス循環方式冷凍機12を用いるEDS検出器10’に代えて、本形態のEDS検出器10は、振動型圧縮機2を搭載したパルス管冷凍機1を用いる点が相違する。EDS検出器10におけるパルス管冷凍機1以外の構成は図6,図7を用いて説明した従来技術と同様であるとして同じ符号を付すとともにその重複する説明を省略する。
As shown in FIG. 2, the
Thus, instead of the
このパルス管冷凍機1について説明する。
パルス管冷凍機1は、図2,図3に示すように、振動型圧縮機2、接続管3、膨張機4、位相制御部5、駆動電源部6、運転状態検出制御部7を備え、冷凍回路系の振動型圧縮機2、接続管3、膨張機4、位相制御部5からなる冷凍機本体1aと、電源系の駆動電源部6、運転状態検出制御部7に分けることができる。
The pulse tube refrigerator 1 will be described.
2 and 3, the pulse tube refrigerator 1 includes a
振動型圧縮機2は、詳しくは、ピストン2aおよびこのピストン2aを往復動させる駆動部(図示せず)を含むリニアモータと、リニアモータが内部に収容されるシリンダ2bとを備える。一対のピストン2aがシリンダ2b内で向き合って対向している。
接続管3は、振動型圧縮機2と膨張機4との間に介在する。本形態では、振動型圧縮機2と膨張機4とを密接させて構成するため、短く形成される。
膨張機4は、詳しくは熱交換器4a、蓄冷器4b、冷却端4c、パルス管4dを備えている。
位相制御部5は、詳しくはイナータンスチューブ5aとバッファタンク5bとを備えている。
これらのような振動型圧縮機2、接続管3、膨張機4、位相制御部5により冷凍回路系が形成される。流路内には作動ガス(冷媒ガス)として、例えば、ヘリウムガスが封入されている。
Specifically, the
The connecting
Specifically, the expander 4 includes a
Specifically, the phase control unit 5 includes an
The refrigeration circuit system is formed by the
駆動電源部6は、商用電源を入力し、振動型圧縮機2が駆動する交流駆動電力を生成して供給する。
運転状態検出制御部7は、電子顕微鏡またはEDS検出器のどちらが運転されているかという運転状態を検出して運転切替信号を出力する。このような運転状態の検出であるが、例えば、電子顕微鏡20を動作させるスイッチと、EDS検出器10を動作させるスイッチと、が運転状態検出制御部7に接続されており、電子顕微鏡20を動作させるスイッチが入れられた場合に、電子顕微鏡20が運転状態であると検出でき、また、EDS検出器10を動作させるスイッチが入れられた場合に、EDS検出器10が運転状態であると検出できる。
この制御により駆動電源部6は、運転状態検出制御部7が出力した運転切替信号を受けて周波数の交流駆動電力を出力し、振動型圧縮機2はピストン2aを振動させる。後述するが、電子顕微鏡運転時ではX線検出素子の許容上限温度まで温度上昇させる予冷運転を行い、また、EDS検出器運転時ではX線検出素子の運転温度まで温度下降させる本運転を行う。
The drive
The operation state
By this control, the drive
続いて、パルス管冷凍機1の動作原理について説明する。図3で示すように、パルス管冷凍機1の運転時に、駆動電源部6は、所定の駆動周波数の交流駆動電力を供給すると、振動型圧縮機2のシリンダ2b内でピストン2aが往復動作することにより、シリンダ2b内の作動ガスが圧縮・膨張される。このような作動ガスは振動型圧縮機2から接続管3、熱交換器4a、蓄冷器4b、冷却端4c、パルス管4d、熱交換器4a、イナータンスチューブ5a、バッファタンク5bまで到達する。作動ガスは、振動型圧縮機2と位相制御部5との間の一連の系の中で往復動流として流れる。
Next, the operation principle of the pulse tube refrigerator 1 will be described. As shown in FIG. 3, when driving the pulse tube refrigerator 1, the drive
ここで作動ガスは、位相制御部5のイナータンスチューブ5aとバッファタンク5bとの中を、ほぼ正弦波的に圧力振幅を伴って流れることにより、圧力変化と流量変化との間に位相差を発生させることができる。これら冷凍回路を電気回路に例えると、イナータンスチューブ5aはインダクタンス成分と抵抗成分、バッファタンク5bはキャパシタンス成分に相当する。このような位相制御部5は、作動ガスの圧力に対する流量の位相差を−90°から+90°まで変化させることができる。
Here, the working gas flows in the
このようにパルス管冷凍機1の運転時には、パルス管4dおよび位相制御部5による位相制御効果により、パルス管4d内で作動ガスの圧力と流量との間に位相差が生じ、この圧力と流量とがなす仕事が冷却端4cでのPV仕事となり、冷却端4cに寒冷を発生する。この発生寒冷を低温PV仕事と呼ぶ。
As described above, when the pulse tube refrigerator 1 is operated, a phase difference is generated between the pressure and the flow rate of the working gas in the
ここで、冷却端4cは前記のように蓄冷器4bとパルス管4dとの間に介装されている。パルス管冷凍機1の運転時には、振動型圧縮機2の圧縮工程で送り出された作動ガスは蓄冷器4bにおいて低温となってパルス管4dに流入し、パルス管4dの内部で断熱膨張してこれにより冷却端4cで吸熱し、作動ガスが位相制御部5に流出する。また、前記とは逆に作動ガスが位相制御部5からパルス管4dを通過して冷却端4cに還流する工程では、ほぼ一定体積で変化するため熱の発生または吸収は行わない。つまり冷却端4cでは発熱がなく吸熱のみなされ、寒冷を発生することとなる。この寒冷によりコールドフィンガー13(図2参照)を介してX線検出素子14aが冷却される。
Here, the cooling
続いて、このような試料分析装置1000の動作について特に振動抑制の観点から詳しく説明する。
試料分析装置1000を主電源を入れると、パルス管冷凍機1が稼働する。パルス管冷凍機1は、特にEDS検出器10のX線検出素子14aを冷却する。なお、この稼働当初では電子顕微鏡20およびEDS検出器10の何れも稼働していないため、予冷運転を行うこととなる。
Next, the operation of the sample analyzer 1000 will be described in detail particularly from the viewpoint of vibration suppression.
When the main power of the sample analyzer 1000 is turned on, the pulse tube refrigerator 1 is operated. The pulse tube refrigerator 1 cools the
この際、所定周波数の交流駆動電力が供給されてピストン2aが往復動しているため、試料室30および電子顕微鏡20へ所定周波数の機械振動が伝達される。この機械振動は、振動型圧縮機2のリニアモータとピストン振幅や質量、位相のアンバランスによる発生振動である。このような状態は従来技術よりも好ましくないように思われるがそうではない。機械的には電子顕微鏡20の防振機構130の共振周波数(2〜4Hz)から外れるため、機械的な共振が発生することなく、防振機構130でこの振動を制振して電子顕微鏡20およびEDS検出器10への機械振動が生じないようにすることができる。本形態ではこのような周波数にて運転されるものである。
At this time, since AC driving power having a predetermined frequency is supplied and the
続いて、分析を開始する。まず、電子顕微鏡20を運転させるものとする。運転状態検出制御部7は、電子顕微鏡20が運転されているという運転状態を検出して駆動電源部6へ予冷運転させるような運転切替信号を出力することとなる。稼働当初は予冷運転が既になされているため、運転切替信号を受信してもそのまま予冷運転を続ける。
ここに電子顕微鏡20を用いて高倍率で顕微鏡観察するときは、EDS検出器10を用いない、つまり冷却が必要なX線検出素子14aを使用しないことから、冷凍機本体1aからの発生振動の抑制を優先することとし、X線検出素子14aの劣化が生じない許容上限温度まで温度上昇させて予冷運転する。この予冷運転では、ピストン2aの移動量を減らす(運転振幅を小さくする)ようにして、圧縮空間内の流体を圧縮量を少なく、つまり冷却能力を低くして許容上限温度まで温度上昇させる。運転状態検出制御部7は、この許容上限温度を予め登録しており、温度センサ14bから出力される温度信号に基づいて許容上限温度を超えないように駆動電源部6を制御しつつ予冷運転を行う。
このようにして電子顕微鏡20の使用時では振動型圧縮機2の振動の発生を抑えて、鮮明な画像を得ることができる状態とする。
Subsequently, the analysis is started. First, it is assumed that the
Here, when the
In this way, when the
このような状況下、電子顕微鏡20の信号処理部では、図4(a)で示すように、電子銃部21から電子ビームが照射されると、集束レンズ22を経て走査コイル23に到達し、走査コイル23での磁場あるいは電場によりその軌道を変えて、対物レンズ・絞り24により電子線を一点に収束させることができる。この走査コイル23には走査制御部25が接続され、走査コイル23の偏向制御を行って試料表面をX,Yの2方向に走査している。さらに、電子ビームが照射された試料から二次電子や反射電子が放射される。検出部27は、これら電子を検出して、検出信号を出力する。この検出信号が入力された画像信号処理部28は、検出信号を用いて画像信号処理を行う。
走査制御部25はCRT表示部26にも接続され、CRT表示部26は走査位置に対応させて、画像信号処理部28からの画像信号を用いて表示を行う。
Under such circumstances, in the signal processing unit of the
The
本発明者は、検証のため実験を行い、本形態のように予冷運転中の試料分析装置1000の電子顕微鏡20では倍率10万倍でも通常の液体窒素冷却の安定時(バブリングがない状態)における場合と画像に差がないことを確認した。
The present inventor conducts an experiment for verification, and in the
続いて、EDS検出器10を運転させるものとする。運転状態検出制御部7は、EDS検出器10が運転されているという運転状態を検出して駆動電源部6へ本運転させるような運転切替信号を出力することとなる。駆動制御部6は予冷運転から本運転へ切替える。この場合、冷却が必要なX線検出素子を使用することから、EDS検出器10の運転時ではX線検出素子14aの運転温度まで温度下降させて本運転する。一般にEDS検出器10を用いて分析するときは低倍率で焦点をあわせるため、多少の発生振動が生じていてもEDS検出器10の測定に影響を与えない。そこで、この本運転では、ピストン2aの移動量を増やす(運転振幅を大きくする)ようにして、圧縮空間内の流体を圧縮量を多く、つまり冷却能力を高くして運転温度まで温度下降させる。運転状態検出制御部7は、この運転温度を予め登録しており、温度センサ14bから出力される温度信号に基づいて運転温度を維持するように駆動電源部6を制御しつつ本運転を行う。
このようにしてEDS検出器10の使用時では振動型圧縮機2が振動しても検出に影響がないためX線検出素子14aを十分に冷却して、精度の高い検出を行うことができる状態とする。
Subsequently, the
In this way, when the
このEDS検出器10でも、図4(b)で示すように、電子顕微鏡20の電子銃部21から電子ビームが試料に向けて照射されると、試料から特性X線が放射される。X線検出素子14a(図2参照)は、特性X線を検出して、X線検出信号を出力する。このようなX線検出信号を入力した検出信号処理部17は、X線検出信号を用いてスペクトル分析処理を行う。
Also in the
以上本形態について説明した。本形態では電子顕微鏡かEDS検出器かのどちらが運転されているかという運転状態を検出して運転切替信号を駆動電源部6に出力し、電子顕微鏡使用時ではパルス管冷凍機1の振動型圧縮機2のリニアモータの駆動電流を小さくして振幅量を少なくして冷凍能力を低下させるとともに発生する振動を低くし、また、EDS検出器使用時ではパルス管冷凍機1の振動型圧縮機2のリニアモータの駆動電流を多くして振幅量を大きくして冷凍能力を高めて、事情に応じて変更できるようにした。このような2段階の運転制御により、電子顕微鏡運転時には、画像観察に影響がでない運転条件でEDS検出器10を予冷しておくことができ、電子顕微鏡20からEDS検出器10へ運転を切替えるときでも、最短の時間で直ちにEDS検出時に必要なセンサ温度を得ることができ、EDS検出器10が使用できる。このようにしてEDS検出器10を冷却する冷凍機本体1aの発生振動が電子顕微鏡20の観察に与える影響を最小限にすることができる。
The present embodiment has been described above. In this embodiment, the operation state of whether the electron microscope or the EDS detector is operated is detected, and an operation switching signal is output to the drive
続いて、本発明の他の形態について、図を参照しつつ説明する。図5は他の形態の試料分析装置の説明図である。本形態では、先に説明した試料分析装置と比較するとパルス管冷凍機1の構造が相違するものであり、図1で示したパルス管冷凍機では接続管3が殆どなく、振動型圧縮機2、膨張機4および位相制御部5を一体に形成したが、本形態では、振動型圧縮機2を他所に配置するため接続管3を長くするとともに、機械振動を伝えないようにする点が相違する。
以下、相違点を重点的に説明し、他の構成は図1〜図4,図6,図7を用いて説明した先の形態および従来技術と同様であるとして同じ符号を付すとともにその重複する説明を省略する。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is an explanatory view of another type of sample analyzer. In this embodiment, the structure of the pulse tube refrigerator 1 is different from that of the sample analyzer described above, and the pulse tube refrigerator shown in FIG. The expander 4 and the phase control unit 5 are integrally formed, but the present embodiment is different in that the
Hereinafter, the differences will be described with emphasis, and other configurations will be denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment and the prior art described with reference to FIGS. Description is omitted.
振動型圧縮機2は、図5で示すように、本体40上に配置されている。なお、図示しないが、本体40と振動型圧縮機2との間にも、図示しない防振機構を配置し、振動型圧縮機2からの機械振動を本体40へ伝えないようにしても良い。
接続管3は、図に示すように弦巻状のバネ様部3aが形成され、振動型圧縮機2から振動方向に対して垂直に伸びる管と、膨張機から振動方向に伸びる管とを接続している。このようにバネ様部3aは、接続管3の方向を変更する(図では90度変化させている)とともに、矢印A方向、つまり機械振動方向の振動を吸収する機能も有している。このバネ様部3aは直径を変化させることでバネ定数が変更でき、防振機構140の共振周波数を回避するように周波数の調整に利用することも可能である。
As shown in FIG. 5, the
As shown in the figure, the connecting
このような試料分析装置2000では、パルス管冷凍機1の振動型圧縮機2と膨張機4を分離するとともに振動絶縁する接続管3を介在させる構成とすることで、先の形態で得られる振動による影響を排除する効果に加え、電子顕微鏡20は、振動型圧縮機2からの機械振動の影響をさらに低減できる。また、振動型圧縮機2が別置されるためEDS検出器10の小型化が可能となり、膨張機4をよりX線検出素子14aの近傍に設置できるため、熱損失を小さくして、より効果的にX線検出素子14aを冷却することができる。
In such a sample analyzer 2000, the vibration obtained in the previous embodiment can be obtained by interposing the connecting
以上、各形態について説明した。本形態では、運転状態検出制御部7は、スイッチの投入を検出して自動に切換えるものとしたが、運転状態検出制御部7に図示しない切換えスイッチを搭載して手動で予冷運転と本運転とを切り替えるようにしてもよい。
In the above, each form was demonstrated. In this embodiment, the operation state
以上、本発明によれば、低振動が要求される顕微鏡観察時は、冷凍機の圧縮機の振幅を小さくして冷凍能力を小さくしセンサ温度をセンサの許容温度まで例えば10K上昇させておき、振動レベルがある程度許容されるEDX観察時には、X線センサを所定の温度まで短時間で冷却するように冷凍機を運転する。上記により、冷凍機の発生振動レベルを電子顕微鏡およびEDXの要求するレベルに適合するように運転することにより、コストパフォーマンスのよい冷凍機冷却システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, at the time of microscopic observation that requires low vibration, the amplitude of the compressor of the refrigerator is reduced to reduce the refrigerating capacity, and the sensor temperature is increased to the allowable temperature of the sensor by, for example, 10K. During EDX observation where the vibration level is allowed to some extent, the refrigerator is operated so that the X-ray sensor is cooled to a predetermined temperature in a short time. As described above, a refrigerator cooling system with good cost performance can be provided by operating the generated vibration level of the refrigerator so as to match the level required by the electron microscope and EDX.
また、この発明によれば、顕微鏡使用時とEDX使用時のそれぞれの許容振動状態に応じた冷凍機運転をすることができ、コストと発生振動のバランスのよい冷凍機を運転するシステムを提供できる。 Moreover, according to this invention, the refrigerator operation according to each allowable vibration state at the time of microscope use and EDX use can be performed, and the system which operates the refrigerator with a good balance of cost and generated vibration can be provided. .
また、GM冷凍機を冷却に用いた場合は、構成原理の制約から、冷凍機のON−OFFでしか制御できないが、冷凍機の運転動作を段階的に制御できる本パルスチューブ冷凍機の運転制御方法では、本運転でない場合でも予冷運転とすることでEDXのセンサ温度の上昇を最小限に抑えることができるため応答性のよいシステムの構築が可能である。 In addition, when a GM refrigerator is used for cooling, it can be controlled only by turning the refrigerator on and off due to restrictions on the configuration principle, but the operation control of this pulse tube refrigerator that can control the operation of the refrigerator stepwise. In the method, even if it is not the main operation, the pre-cooling operation can minimize the increase in the sensor temperature of the EDX, so that it is possible to construct a system with good responsiveness.
また、液体窒素冷却で生じていた液体窒素補給後の安定化のための待ち時間、およびランダムに発生するバブリングの影響も皆無とすることができる。さらに、液体窒素の補給、及び補給作業をなくすことができるのでランニングコストの低減も可能である。
In addition, it is possible to eliminate the waiting time for stabilization after replenishment of liquid nitrogen that has been caused by cooling of liquid nitrogen and the influence of bubbling that occurs randomly. Furthermore, since the supply of liquid nitrogen and the supply work can be eliminated, the running cost can be reduced.
1000,2000:試料分析装置
10:EDS検出器
11:クライオスタット
11a:本体部
11b:筒状部
11c:X線窓
1:パルス管冷凍機
1a:冷凍機本体
2:振動型圧縮機
2a:ピストン
2b:シリンダ
3:接続管
3a:バネ様部
4:膨張機
4a:熱交換器
4b:蓄冷器
4c:冷却端
4d:パルス管
5:位相制御部
5a:イナータンスチューブ
5b:バッファタンク
6:駆動電源部
7:運転状態検出制御部
13:コールドフィンガー
14:X線検出素子部
14a:X線検出素子
14b:温度センサ
15:移動部
15a:ガイドベース
15b,15c:ガイド部
15d:ガイドロッド
15e:アクチュエータ
15f:被ガイド部
16:ハーメチック端子
17:検出信号処理部
20:電子顕微鏡
21:電子銃部
22:集束レンズ
23:走査コイル
24:対物レンズ
25:走査制御部
26:CRT表示部
27:検出部
28:画像信号処理部
30:試料室
40:本体
50:連結管
51:本体部分
52:可撓部分
60:防振スタンド
70:錘
80:圧力変換バルブユニット
90:コンプレッサ
100:高圧ヘリウム配管
110:低圧ヘリウム配管
120:コントローラ
130:防振機構
1000, 2000: Sample analyzer 10: EDS detector 11: Cryostat 11a: Main part 11b: Cylindrical part 11c: X-ray window 1: Pulse tube refrigerator 1a: Refrigerator main body 2: Vibratory compressor 2a: Piston 2b : Cylinder 3: Connection pipe 3a: Spring-like part 4: Expander 4a: Heat exchanger 4b: Regenerator 4c: Cooling end 4d: Pulse tube 5: Phase control part 5a: Inertance tube 5b: Buffer tank 6: Drive power supply Part 7: Operation state detection control part 13: Cold finger 14: X-ray detection element part 14a: X-ray detection element 14b: Temperature sensor 15: Moving part 15a: Guide base 15b, 15c: Guide part 15d: Guide rod 15e: Actuator 15f: guided portion 16: hermetic terminal 17: detection signal processing unit 20: electron microscope 21: electron gun unit 22: focusing lens 23: Inspection coil 24: Objective lens 25: Scanning control unit 26: CRT display unit 27: Detection unit 28: Image signal processing unit 30: Sample chamber 40: Main body 50: Connecting tube 51: Main body portion 52: Flexible portion 60: Anti-vibration Stand 70: Weight 80: Pressure conversion valve unit 90: Compressor 100: High pressure helium piping 110: Low pressure helium piping 120: Controller 130: Vibration isolation mechanism
Claims (4)
試料に電子ビームを照射して放射された特性X線から試料を分析するEDS検出器と、
一対のピストンを対向に配置した振動型圧縮機を有し、EDS検出器のX線検出素子を冷却する冷凍機本体と、
電子顕微鏡またはEDS検出器のどちらが運転されているかという運転状態を検出して運転切替信号を出力する運転状態検出制御部と、
運転切替信号に基づいて冷凍機本体の駆動を制御する駆動電源部と、
を備え、
電子顕微鏡運転時ではX線検出素子の許容上限温度まで温度上昇させて予冷運転し、EDS検出器運転時ではX線検出素子の運転温度まで温度下降させて本運転することを特徴とする試料分析装置。 An electron microscope that obtains an image signal from the emitted electrons by irradiating the sample with an electron beam;
An EDS detector for analyzing a sample from characteristic X-rays emitted by irradiating the sample with an electron beam;
A refrigerating machine main body having a vibration type compressor having a pair of pistons opposed to each other and cooling an X-ray detection element of an EDS detector;
An operation state detection control unit that detects an operation state of whether an electron microscope or an EDS detector is operated and outputs an operation switching signal;
A drive power supply unit for controlling the drive of the refrigerator based on the operation switching signal;
With
Pre-cooling operation by raising the temperature to the allowable upper limit temperature of the X-ray detection element during operation of the electron microscope, and performing the main operation by lowering the temperature to the operating temperature of the X-ray detection element during operation of the EDS detector apparatus.
前記冷凍機本体は、
ピストンおよびこのピストンを往復動させる駆動部を含むリニアモータと、リニアモータが内部に収容されるシリンダと、を備え、シリンダの内部でピストンを往復動させて圧縮空間を区画形成し、この圧縮空間内の流体を周期的に圧縮する振動型圧縮機と、
振動型圧縮機に連結される膨張機と、
膨張機に連結される位相制御部と、
を備えることを特徴とする試料分析装置。 The sample analyzer according to claim 1,
The refrigerator main body is
A linear motor including a piston and a drive unit that reciprocates the piston, and a cylinder in which the linear motor is housed, and the piston is reciprocated inside the cylinder to define a compression space. An oscillating compressor that periodically compresses the fluid inside;
An expander coupled to the vibratory compressor;
A phase control unit coupled to the expander;
A sample analyzer comprising:
前記冷凍機本体は、
振動型圧縮機と膨張器との間に連結される接続管を備えることを特徴とする試料分析装置。 The sample analyzer according to claim 2,
The refrigerator main body is
A sample analyzer comprising a connecting pipe connected between a vibration type compressor and an expander.
前記接続管は弦巻状のバネ様部を備え、
前記振動型圧縮機のピストン駆動方向とバネ様部の中心軸方向とが略平行に配置されることを特徴とする試料分析装置。 The sample analyzer according to claim 3,
The connecting pipe includes a string-like spring-like portion,
The sample analyzer according to claim 1, wherein a piston driving direction of the vibration type compressor and a central axis direction of the spring-like portion are arranged substantially in parallel.
Priority Applications (1)
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