JP2013025163A - 顕微鏡用クライオスタット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 寒剤の蒸発量を最小にして、寒剤ガスの圧力を気にする必要なく、試料ホルダの温度を寒剤温度から室温の範囲で所定の温度を維持するための顕微鏡用クライオスタット装置を提供する。
【解決手段】 試料ホルダを、熱伝導で冷却すると同時にヒータで加熱し両者のバランスで温度コントロールする。その際、熱伝導経路の中に入れた熱スイッチの熱結合度を調節することにより、寒剤への熱流入を減少させることができ、寒剤の蒸発量を最少にできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、寒剤の消費量を抑えて、寒剤の圧力を気にすることなく、試料を低温にすることができる顕微鏡用クライオスタット装置に関するものである。

医学や生物学においては、低温に冷却した生体試料の顕微鏡観察などが行われる。その際、−１９６℃程度までの冷却には寒剤として液体窒素が用いられるのが一般的である。また、一般的に試料の温度は、液体窒素の沸点−１９６℃から室温の間で変化させることができるという用件が要求される。その理由は、第一に、試料の温度を変化させて顕微鏡観察する要求があるためである。第二の理由は、試料を交換する際に試料への霜の付着を防ぐために、室温に戻す必要があるためである。

液体窒素を用いて顕微鏡用試料ホルダを冷却するには、比較的小さな試料の場合、熱伝導体による熱伝導により冷却する方法が用いられる。この場合、試料ホルダの温度を上げるには試料ホルダにヒータによって熱を与える必要があり、その熱が熱伝導体を通して液体窒素に流れ込み蒸発量が増える。特に、試料の温度が高くなるほど消費量が増大する。

試料が小さい場合は熱流が小さいのであまり問題にならないが、試料が大きい場合には冷却能力を増大する目的で熱伝導体も太くする必要があり、寒剤の蒸発量が多くなるため観察時間が短くなるという問題がある。

試料が溶液を含んだ容器ホルダ中にあるような大きい熱容量の場合には、図２のようなガス流による冷却法が主流である。図２に示すように、試料ホルダ２を銅製の熱交換器４と熱接触させておき、液体窒素から蒸発した冷たい窒素ガスをその熱交換器に接触したガス流パイプ２０の中を流して冷却する。この場合、試料ホルダ２を低温にするほど多量のガスを流す必要があるため単位時間当たりの液体窒素１７の消費量が多くなるという欠点がある。

加えて、ガス流による冷却の場合、温度コントロールは液体窒素１７の蒸発を蒸発制御電源２３と液体窒素蒸発用ヒータ２２によってコントロールする必要があるため応答の遅れが生じやすく、蒸発した窒素ガスの圧力調整バルブ２１や爆発を回避するための安全装置が必要になるなど、難しい問題がある。

さらに、ガスが流れるパイプ２０と試料ホルダ２は熱的に結合しているが、パイプ２０が強固な材料でできているため熱収縮に伴い試料ホルダ２も引きずられ、顕微鏡で拡大して観察すると視野中で試料が移動して見えるという問題が生じる。

光学的には対物レンズを試料ホルダにより近づけるほど倍率を大きくできる。すなわち、光学窓が試料ホルダに近いほど倍率を大きくできるが、真空容器内の空間をパイプが占有するため、光学窓を試料ホルダに近づけることが難しくなるという問題もある。

低温になる部分は、断熱のため真空雰囲気中に置かれる。しかし、真空容器内壁に吸着したガスの脱着により次第に真空が劣化し断熱が悪くなるという特性を有している。

上記の問題点は、例として顕微鏡用試料を冷却するクライオスタットについての記述であるが、一般の試料を冷却するクライオスタットについても、光学的な点を除けば同様のことが言える。

特開Ｈ９−１９５８３１号広報 特開２０１０−５５９８８号広報

顕微分光用LN2クライオスタット（Microstat-N）、データシート、 [online]、［平成２３年７月２０日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.oijapan.com/oikk/products/item/optical-and-spectroscopy-cryostat-system/microstatrn-short-working-distance-liquid-nitrogen-optical-cryostat＞ MicrostatN、カタログ、[online]、［平成２３年７月２０日検索］、インターネット＜http://www.oxford-instruments.com/products/low-temperature/opticaland-spectroscopy/microstatn/Documents/MicrostatN-liquid-nitrogen-ln2-continuous-flow-optical-spectroscopy-microscopy-cryostat-product-guide.pdf＞

このように従来の顕微鏡用試料ホルダ２の冷却装置において、熱伝導で試料を冷却する場合には、試料の温度を上昇させるとヒータからの熱流入が多いため液体窒素を多量に消費するという欠点がある。特に試料の温度が高い場合ほど消費量が増大する。

一方、蒸発したガス流による冷却の場合にも、温度コントロールや圧力コントロールが難しく、温度変化に伴い視野が移動しやすく、構造的に倍率を高くしにくいという欠点がある。

本発明の目的は、寒剤の沸点付近から室温までの範囲を自由に温度コントロールでき、寒剤の消費量を最少にすることができ、寒剤の蒸発によって生じるガス圧を気にする必要がなく、温度変化に伴う顕微鏡像の移動を極小にし、倍率を高くすることができる顕微鏡用クライオスタット装置を提供することにある。

本発明の顕微鏡用クライオスタット装置は、従来の装置のように蒸発した寒剤ガスの流れで試料ホルダを冷却するのではなく、熱伝導を利用して冷却するものである。そのため、ガス圧制御は必要ない。

しかし、熱伝導で冷却する場合には、温度コントロールのために試料ホルダに加える熱が寒剤に流れ込むのを減少させるために、熱伝導体の中間部に熱スイッチを設け、該熱スイッチの熱結合度を変化させることにより熱流をコントロールする。

具体的な構造は、真空容器の中で、寒剤に近いほうから、熱伝導体Ａ―熱スイッチ―熱伝導体Ｂ―熱交換器―試料ホルダの順で各部材が熱接続されており、該熱伝導体Ａの一端を寒剤に浸漬することで、熱伝導で試料ホルダの温度を下げることができる。

その際、熱スイッチを強く閉じれば、試料ホルダの温度を最低温度すなわち寒剤の温度（例えば液体窒素ならば−１９６℃）近くまで下げることができる。

試料ホルダの温度を最低温度と室温との間の中間温度にするには、試料ホルダまたは熱交換器の上に設置したヒータにより加熱することで中間温度にすることができる。このとき、熱スイッチを緩く閉じることにより、低いヒータ電力で昇温できる。すなわち、少ない寒剤の蒸発量で中間温度にすることができる。

試料ホルダの温度を室温近くまで上げる際には、熱スイッチを開いた状態でヒータに通電することにより、ヒータの熱が寒剤に伝わらないため、寒剤をほとんど蒸発させずに昇温できる。また、一旦温度を室温付近まで上げてそのまま維持しても、熱スイッチが開いているため熱流入はほとんど無く、寒剤の蒸発は自然蒸発分に過ぎない。

このように、本発明の装置によれば、試料ホルダを熱伝導により冷却し、熱スイッチを閉じる強度とヒータ電力との組み合わせにより寒剤の沸点から室温の範囲で任意に温度コントロールが可能で、寒剤の蒸発量を最小にするクライオスタットが構成できる。温度の上限は、室温に限る必要はなく、試料ホルダや装置が熱によりダメージを受けない限りより高温にすることもできる。

試料ホルダからの熱吸収は、可撓性の熱伝導体を通して行われるため、熱収縮に伴って試料ホルダが視野中で移動することもない。

また、ガスを流すパイプが要らないため光学窓を試料ホルダの間際まで近づけることができ、倍率を大きくすることができる。

低温部分は、ガスによる熱の流入を少なくするために真空中雰囲気中に置かれなければならない。そのため、多孔質材料を低温になる部材に熱接触させることにより吸着効果で真空を保つことができる。

本発明の概略を示す顕微鏡用試料ホルダを冷却するためのクライオスタット装置の全体図。熱交換器の支持体は省略されている。機械式熱スイッチの内部構造は模式的に表されている。 従来の冷たい窒素ガスを流して試料ホルダを冷却する装置の模式図。熱交換器の支持体は省略されている。 顕微鏡用試料ホルダが収容された真空容器の拡大図。

以下図面を参照して、熱伝導により試料ホルダを冷却するクライオスタットシステムについて詳細に説明する。

図１は、本発明の概略を示す顕微鏡用試料ホルダを冷却するための液体窒素クライオスタット装置の図である。図１において、符号１で示した部材は、顕微鏡用試料ホルダが収容された真空容器である。真空容器１とその内部の詳細は図３に拡大して示す。

符号２で示した部材は、顕微鏡観察するための試料ホルダであり内部に試料が装てんされており、上下に光が透過できるようになっている。符号３で示した部材は、光学窓でありサンプルホルダに光を入れたり観察したりするところである。符号４で示した部材は、試料ホルダ１と熱接触した熱交換器であり、上に設置した温度計８で温度を測りながら、可撓性熱結合体５の冷却パワーとヒータ７の加熱パワーをバランスさせ温度制御されている。

符号５の熱伝導体が可撓性であるのは、熱交換器４や熱伝導体９が冷えるにつれて熱収縮により試料ホルダ４が引きずられ試料の位置が視野中でずれるのを防ぐためである。

符号６で示した部分は、凹構造にした光学窓面である。図２に示した従来のガス流による冷却構造の場合には、熱交換器の下にパイプがあるため、この凹構造にすることができない。本発明の凹構造では、顕微鏡の対物レンズを試料に近づけることができ、結果的に顕微鏡の高い倍率が得られる。なお、図１では凹構造が下側になっているが、上側にすることも可能であり、また上下とも凹構造にすることも可能である。

顕微鏡の種類によっては上側に対物レンズが位置するタイプや逆に下側に対物レンズが位置するタイプがあるため、図１中の真空容器１は上下を逆にして便利な状態で使用できる。その際、符号１３で示した熱伝導体が変形しない材料で構成された場合には、上下反転することは不可能である。本発明では、多数の銅線を束ねて自由に曲げることができるようにした可撓性熱伝導体である。また、それを包む符号１４で示した部材は、自由に曲げることができるフレキシブルチューブであり、内部を真空にして断熱している。このように熱伝導体が可撓性であるため、真空容器１の上下反転が容易にできる。

なお、符号５と符号１３の可撓性熱伝導体１３の材質は、銅以外にも、良熱伝導体であればアルミなど他の材料でもよいことは言うまでもない。

符号９で示した部材は、銅棒で構成した熱伝導体であり、試料ホルダからの熱を機械式熱スイッチ１０に伝える。機械式熱スイッチ１０は、熱結合度調整つまみ１２を回すことで機械式熱スイッチの接点１１の熱結合度を調整できる。

図には示されていないが、外部からの熱輻射による温度上昇を軽減するために低温部材の周りをスーパーインシュレーションで覆ってある。符号１５で示した部材は、真空排気用バルブであり、図には示されていないが真空部分には万一のため圧力開放弁が装備されている。

符号１６で示した部材は、液体窒素デュワーである。符号１７で示した部分は、液体窒素である。符号１８で示した部材は、真空容器を排気して断熱するための真空ポンプである。

図１中の低温になる部分は、真空雰囲気内にあり外部とは断熱されている。デュワー１６内に伸びる銅熱伝導体の一端は液体窒素に浸漬されているため−１９６℃の温度になっており、それにつながる可撓性熱伝導体１３も−１９６℃近くまで下がっている。

ここで、機械式熱スイッチの接点１１を閉じると、それより左側につながる熱伝導体９、可撓性熱結合体５、熱交換器３、試料ホルダ２の温度を、−１９６℃近くまで下げることができる。

次に、試料ホルダ２の温度を上げるには、ヒータ７に通電して熱を加える。しかし、熱スイッチ１０の熱結合度が大きいと液体窒素への熱流が大きくなるので、熱結合度調整つまみ１２を緩めて熱結合度を弱くすることで、小さなヒータ電力で温度を上げることができるようになる。その結果、液体窒素１７への熱流量が減り、蒸発速度が減少し長時間の観察が可能となる。

さらに温度を室温付近まで上昇させるには、機械式熱スイッチ１０をＯＦＦにして試料ホルダ２と液体窒素１７との熱結合を無くしてしまう。その結果、ヒータの熱が液体窒素１７に流れないため、液体窒素の蒸発量は激減し、ほぼ自然蒸発だけとなる。

試料ホルダ２を交換するときには、試料ホルダ２や熱交換器の接点１１に霜が付着しないように室温にする必要があり、一般に長時間室温に維持しなければならないことが多い。その際、液体窒素の蒸発量が最少に抑えられるのは、大きなメリットである。

符号３０と符号３１で示した部材は多孔質の活性炭吸着材であり、低温になると空気や水分などのガスを吸着するポンプの役割を果たし、ガスによる低温部材への熱流入を減少させる。

図１に示した機械式熱スイッチの接点１１より右側では熱伝導体はほとんど液体窒素温度−１９６℃であるため、常にガスを吸着して高真空を保っている。

一方、図１の機械式熱スイッチの接点１１より左側では、約−１９６℃から室温まで温度が変化するが、ガスによる熱流入を抑えなければならない低温ほど吸着効果が強く表れるため、低温ほど断熱状態が良くなるように自動的にコントロールされる。

なお、図１では活性炭吸着材３０は熱交換器４に熱接触しているが、可撓性熱伝導体５や熱伝導体９に熱接触させても同じ結果が得られることは言うまでもない。また、活性炭吸着材は、シリカゲルやゼオライト類など他の多孔質物質でもよい。

なお、ここで示した例では低温源として液体窒素寒剤を用いているが、液体ヘリウム等の液化ガスや、ドライアイス、機械式冷凍機のコールドヘッドなどでも同じような機能を持たせることができることは言うまでもない。

本発明によれば、顕微鏡観察において、液体窒素の蒸発量が非常に少ない状態で、試料ホルダの温度を液体窒素温度−１９６℃から室温の範囲でコントロールできる。その際、窒素ガス圧のコントロールは必要なく、温度変化に伴い試料が視野から移動することもなく、光学窓を試料ホルダに近づけることができるため倍率を大きくできる。

１ 真空容器
２ 試料ホルダ
３ 光学窓
４ 熱交換器
５ 可撓性熱結合体
６ 凹構造にした光学窓面
７ ヒータ
８ 温度計
９ 熱伝導体
１０ 機械式熱スイッチ
１１ 機械式熱スイッチの接点
１２ 熱結合度調整つまみ
１３ 可撓性熱伝導体
１４ フレキシブルチューブ
１５ フレキシブルチューブ内排気バルブ
１６ 液体窒素デュワー
１７ 液体窒素
１８ 真空ポンプ
１９ スプリング
２０ 低温窒素ガス流パイプ
２１ 圧力調整バルブ
２２ 液体窒素蒸発用ヒータ
２３ 蒸発制御電源
３０、３１ 活性炭吸着材

Claims (5)

1. １つ以上の光学窓を有する真空容器中に配置した試料ホルダの熱を、熱伝導体の熱伝導により低熱源に流すことで該試料ホルダの温度を下げる顕微鏡用クライオスタット装置であって、
   前記熱伝導体の中間部に熱スイッチを設けることで、前記試料ホルダと前記低熱源との間の熱結合度を変化させることができるようにしたことを特徴とする顕微鏡用クライオスタット装置。
2. 前記試料ホルダ上または前記試料ホルダに熱接触した熱交換器上にヒータを設置し、
   該ヒータに加える電力と前記熱スイッチの熱結合度の両方を制御することで、
   前記試料ホルダの温度を所定の温度に維持することができることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用クライオスタット装置。
3. 前記熱伝導体が、可撓性の材料で構成されたことを特徴とする請求項１と請求項２に記載の顕微鏡用クライオスタット装置。
4. 前記真空容器の壁面上の前記光学窓が位置する部分を凹構造にすることにより、
   前記光学窓と試料ホルダの距離を小さくしたことを特徴とする請求項１〜３に記載の顕微鏡用クライオスタット装置。
5. 前記熱伝導体、前記熱交換器、前記試料ホルダのうち、いずれか一つ、またはいずれか二つ、または三つ全てに多孔質物質を熱接触させたことを特徴とする請求項１〜４に記載の顕微鏡用クライオスタット装置。

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