JP2014077652A

JP2014077652A - 吸着特性測定装置

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Publication number: JP2014077652A
Application number: JP2012224003A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Nakai; 和之仲井
Original assignee: NIPPON BELL KK
Current assignee: NIPPON BELL KK
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2014-05-01
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: JP5916580B2

Abstract

【課題】吸着特性測定装置において、吸着特性の測定温度を任意に設定できるようにすることである。
【解決手段】吸着特性測定装置１０は、吸着質供給部７４と接続され、試料８を収容し、所定の高伝熱性を有する試料室４２と、試料８を冷却するための冷却ステージ２８を有する蓄冷式冷却手段であるスターリング冷凍機２０と、試料室４２と冷却ステージ２８との間に設けられ、所定の熱容量と所定の高伝熱性を有する伝熱バッファ６０と、伝熱バッファ６０と試料室４２の間に設けられ試料室４２に入熱する入熱部６４と、これらを内部に収容する真空断熱チャンバ３２と、制御部１００を備える。制御部１００は、設定された目標吸着測定温度と試料室の温度との間の偏差をゼロにするように入熱量を制御し、目標吸着測定温度の下で試料８の吸着特性を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着特性測定装置に係り、特に試料を冷却する冷却手段を備える吸着特性測定装置に関する。

一般的に吸着量は低温で大きくなるため、吸着特性を測定するときは、試料を低温状態にする。例えば、特許文献１では、吸着量測定装置として、吸着量を測定するためデュワー瓶に満たした液体窒素の中に、試料管を浸漬することが述べられている。

特開平５−８７７２７号公報

吸着特性を測定する場合、吸着温度を吸着質の気化温度の付近にして行う。そのため、例えば、窒素を吸着させる場合には７７Ｋ（−１９６℃）の液体窒素、アルゴンを吸着させる場合には８７Ｋ（−１８９℃）の液体アルゴンの冷媒をそれぞれ用いる。このように従来は、吸着質ごとに気化温度の異なる低温冷媒を用意しなければならなかった。また、入手可能な低温冷媒の気化温度はそれぞれ固有の気化温度であるので、吸着特性を任意の温度で測定したり、測定温度を連続的に変えて吸着特性を評価することは困難であった。

本発明の目的は、吸着特性の測定温度を任意に設定できる吸着特性測定装置を提供することである。また、他の目的は、吸着特性の測定温度を連続的に変化させることができる吸着特性測定装置を提供することである。さらに他の目的は、吸着熱測定を可能とする吸着特性測定装置を提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。

本発明に係る吸着特性測定装置は、少なくとも吸着質供給部と接続され、試料を収容し、所定の高伝熱性を有する試料室と、試料を冷却するための冷却ステージを有する蓄冷式冷却手段と、試料室と冷却ステージとの間に設けられ、所定の熱容量と所定の高伝熱性を有する伝熱バッファと、伝熱バッファと試料室の間に設けられ試料室に入熱する入熱部と、設定された目標吸着測定温度と試料室の温度との間の偏差をゼロにするように入熱量を制御する温度調整手段と、目標吸着測定温度の下で試料の吸着特性を測定する測定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る吸着特性測定装置において、試料室と、入熱部と、伝熱バッファと、冷却ステージとを内部に収容する真空断熱チャンバを備えることが好ましい。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、温度調整手段は、（１／１０００）Ｋ単位で目標吸着測定温度を設定することが好ましい。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、蓄冷式冷却手段は、スターリング冷凍機またはＧＭ冷凍機であることが好ましい。

また、本発明に係る吸着特性測定装置において、吸着特性測定中における入熱部の入熱量に基づき、試料に吸着質が吸着するときの吸着熱を求める吸着熱算出部を備えることが好ましい。

上記構成の吸着特性測定装置によれば、試料室の温度は、蓄冷式冷却手段によって吸込まれる熱量と、入熱部により供給される熱量で調整できる。したがって、吸着特性の測定温度を蓄冷式冷却手段の冷却能力で定まるある程度の範囲で任意に設定でき、また、吸着特性の測定温度を連続的に変化させることができる。

吸着特性測定装置は、試料を冷却するために試料室の熱を吸い込む冷却ステージ、試料室に熱を与える入熱部、試料室、伝熱バッファ等の、熱の出入り、伝熱に関する要素を真空断熱チャンバの内部に収納するので、外部への熱の放散、外部からの伝熱、内部の伝熱をそれぞれ遮断できる。これにより、熱的なノイズを少なくして吸着特性の測定温度を調整できる。

吸着特性測定装置は、（１／１０００）Ｋ単位で温度調整を行える。従来の液体窒素等の液体冷媒では測定中の気圧の変化、空気中の酸素の溶け込みなどの影響により０．２Ｋの揺らぎが観測されることがあるが、吸着特性測定装置は吸着特性の測定温度を従来の液体窒素等の液体冷媒以上に管理できる。

吸着特性測定装置において、電気式冷却手段は、スターリング冷凍機またはＧＭ冷凍機を用いる。スターリング冷凍機は小型で、５０Ｋから室温の範囲で冷却温度が設定できる。ＧＭ冷凍機はスターリング冷凍機よりは大きくなり、約４．２Ｋ付近まで冷却できる。これらを用いることで、小型で、吸着特性の測定温度を可変できる吸着特性測定装置とすることができる。

吸着特性測定装置は、吸着特性の測定中に発熱が生じれば、目標温度を一定にするように、入熱部の入熱量が低下する。その入熱量の変化から試料に吸着質が吸着するときの吸着熱を求めることができる。これにより、特別な熱測定装置を用いることなく、リアルタイムで吸着熱を測定できる。

本発明に係る実施の形態における吸着特性測定装置の構成図である。本発明に係る実施の形態において、各要素の温度、熱量の時間変化を示す図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、蓄冷式冷却手段としてスターリング冷凍機を述べるが、電気的な制御が可能な極低温冷凍機であればよく、例えば、ＧＭ冷凍機、パルスチューブ冷凍機等を用いてもよい。

また、以下で説明する寸法、物体の形状等は、説明のための例示であって、具体的な形状、数値などは吸着特性測定装置の用途、目的、仕様に応じて適宜変更することができる。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、吸着特性測定装置１０の構成図である。図１には、吸着特性測定装置１０の構成要素ではないが、吸着特性が測定される対象の試料８が示される。

吸着特性測定装置１０は、蓄冷式冷却手段であるスターリング冷凍機２０と、本体部３０と、配管部８０と、これらの動作を制御する制御部１００を備える。

スターリング冷凍機２０は、冷媒ガスを用いる極低温冷凍機の一種であって、特に冷媒としてヘリウムを用いる極低温冷凍機の一種である。スターリング冷凍機２０は、蓄冷器を介して圧縮機と膨張機が配置され、圧縮ピストンと膨張ピストンが９０度の位相を保ちつつ駆動され、圧縮ピストンと膨張ピストンとの間にある冷却された冷媒が蓄冷器を通ることで蓄冷器を冷却する蓄冷式の極低温冷凍機である。

スターリング冷凍機２０は、外置圧縮機２２と、外置膨張機２４と、シリンダ部２６と、冷却ステージ２８を含む。外置圧縮機２２は極低温冷凍機を構成する圧縮機に相当し、外置膨張機２４とシリンダ部２６と冷却ステージ２８は、極低温冷凍機を構成する膨張機と蓄冷器とが一体化したもので、シリンダ部２６は、ヘリウムガスを膨張させて寒冷する膨張空間と蓄冷器とを有する。外置膨張機２４は、シリンダ部２６の一部を含みながらこれを保持する部分である。冷却ステージ２８は、膨張空間により極低温に冷却される先端部で、冷却対象が取り付けられる。ここでは、後述する伝熱バッファ６０を介して試料８を冷却する機能を有する。

冷却ステージ２８は、スターリング冷凍機２０の構成要素の一部であり、スターリング冷凍機２０と冷却対象との間のインターフェースとなるものである。冷却ステージ２８の温度は、スターリング冷凍機２０の設定温度とほぼ同じである。冷却ステージ２８の大きさは、外径３ｃｍ、高さ０．３ｃｍとできる。

シリンダ部２６と冷却ステージ２８は、周囲との熱のやり取りをできるだけ抑制したいので、本体部３０を構成する真空断熱チャンバ３２に内部に収納される。外置圧縮機２２と外置膨張機２４は、放熱する必要があるので、真空断熱チャンバ３２の外側に配置される。

スターリング冷凍機２０は、５０Ｋから室温の温度範囲で目標温度を設定できるが、設定温度に対して±１Ｋ程度の温度の揺らぎが生じる。ＧＭ冷凍機の場合は目標温度が設定できず、ピストンが１段式あるいは２段式により到達する低温温度はそれぞれ２０Ｋ，４．２Ｋ程度となる。このため、温度制御には伝熱バッファにサファイヤを用いて室温付近の熱伝導性を悪くしたり、大きな入熱部を設置し室温付近の制御を行うことがある。

本体部３０は、真空断熱チャンバ３２と、真空ポンプ４０と、試料室４２と、伝熱バッファ６０と、入熱部６４を含む。

真空断熱チャンバ３２は、外部から内部への熱の出入りを外周面で反射し、内部から外部への熱の出入りを内壁面で反射し、内壁面で囲まれる収容空間を真空とすることで収容空間に配置される各要素間の熱のやり取りを抑制する密閉真空断熱容器である。真空断熱チャンバ３２は、下部容器３６と上部容器３４の二体を組み合わせて１つの容器としたもので、下部容器３６と上部容器３４とは組合せ面を合わせた後、クランプ３８によって固定され、内部の収容空間が密閉空間となる。真空ポンプ４０は、真空断熱チャンバ３２の内部を真空に保持する排気装置である。

真空断熱チャンバ３２の収容空間には、スターリング冷凍機２０を構成するシリンダ部２６、冷却ステージ２８、伝熱バッファ６０、入熱部６４、試料室４２、及びこれらを熱的に接続する接続部品が収容される。接続部品としては、冷却ステージ２８と伝熱バッファ６０を接続する筒部６２、伝熱バッファ６０と入熱部６４を接続するキャップ部６６、入熱部６４と試料室４２を接続する伝熱部材６８等である。真空ポンプ４０は、真空断熱チャンバ３２の内部を真空に保持する排気装置である。

伝熱バッファ６０は、冷却ステージ２８の上に配置され、所定の熱容量を有する円柱部材である。冷却ステージ２８は、スターリング冷凍機２０の動作の際に温度揺らぎが生じる。例えば、スターリング冷凍機２０の設定温度をθ₂₀とすると、スターリング冷凍機２０のシリンダ部２６の往復運動等によって、そのままでは冷却ステージ２８の温度がθ₂₀を中心として±１Ｋ揺らいだ値となる。伝熱バッファ６０は、その温度揺らぎを吸収して、伝熱部材６８の温度を入熱する熱の制御を合わせ約±２ｍＫ程度に安定させる。

伝熱バッファ６０の材質は、サファイアで構成される。サファイア以外でも熱伝導率の高い材質であればよく、例えば、銅、または銅合金を用いることができる。伝熱バッファ６０の寸法の一例を挙げると、外径１．５ｃｍ、高さ５ｃｍである。伝熱バッファ６０の形状は円柱形状以外でもよい。

筒部６２は、伝熱バッファ６０の外径とほぼ同じ内径を有する円筒部材である。筒部６２は、冷却ステージ２８の上に伝熱バッファ６０を載せて熱的に接続するための部材である。筒部６２は冷却ステージ２８に固定され、その内径部分に伝熱バッファ６０が挿入されることで冷却ステージ２８の上面と伝熱バッファ６０の底面が接触し、伝熱バッファ６０の重さによって、冷却ステージ２８と伝熱バッファ６０が熱的に接続する。必要に応じ、筒部６２と伝熱バッファ６０、伝熱バッファ６０と冷却ステージ２８との間を適当な固定部材で固定してもよい。筒部６２の内径部分に伝熱バッファ６０を挿入した状態で伝熱バッファ６０の上面が筒部６２より突き出すように、筒部６２の寸法が設定される。筒部６２の材質は、銅または、銅合金とすることができる。また表面はＮｉメッキなどにより鏡面にし輻射熱を反射させることも有効である。

キャップ部６６は、伝熱バッファ６０の上面にかぶせられる帽子状の部材で、その周囲に入熱部６４であるヒータが巻き付けられる。キャップ部６６の材質は、銅または、銅合金とすることができる。また表面はＮｉメッキなどにより鏡面にし輻射熱を反射させることも有効である。

入熱部６４は、例としてステンレスで被覆された外径１ｍｍの細線で、キャップ部６６に巻きつけられ、その外側が伝熱部材６８で覆われる抵抗線ヒータである。入熱部６４は、伝熱部材６８を介して試料室４２に熱量を供給し、これによって冷却ステージ２８によって試料室４２から吸い込まれる熱量を調整して、試料室４２の温度を調整する機能を有する。ヒータの両端子は、制御部１００によって動作が制御される加熱電源に接続される。

入熱部６４の抵抗線ヒータとしては、２０Ｗ程度のフィルムヒータを用いることができる。フィルムヒータ以外の形式のヒータを用いてもよい。例えば、シーズヒータやニクロム線をキャップ部６６に巻きつけたもの、キャップ部６６に挿入穴を設けてカートリッジ型のヒータを挿入することでもよい。

伝熱部材６８は、入熱部６４と台座部４４との間に設けられ、キャップ部６６に巻きつけられた抵抗線ヒータの外側を覆って保持する部材である。伝熱部材６８は、抵抗線ヒータを保持する役割を有するが、試料室４２に対する熱の流れからいえば、伝熱バッファ６０を介して冷却ステージ２８に吸い込まれる熱量と、入熱部６４から供給される熱量が交じり合う部材である。

伝熱部材６８の材質は、銅、または銅合金とすることができる。また、高伝熱性を有する材質であればこれら以外の材質でもよい。伝熱部材６８の寸法の一例を挙げると、外径５ｃｍ、高さ３ｃｍである。高さ３ｃｍのうち、入熱部６４の外周を覆う高さの部分は２ｃｍである。なお、伝熱部材６８の形状は測定に応じて適当な形状を有することができる。

試料室４２は、台座部４４と、蓋部４６と、台座部４４と蓋部４６によって形成される収容空間４８と、収容空間４８に配置される試料台５０を含んで構成される。台座部４４と蓋部４６は試料交換及び真空保持の為のシーリング機構とボルトを有する。

台座部４４は、伝熱部材６８の上面に取り付けられる円板状の部材で、その上面側に設けられる蓋部４６と協働して収容空間４８を形成する。図１では台座部４４の上面を平面とし、フランジ付きで窪みを有する蓋部４６を用い、フランジ部分を台座部４４に取り付けることで、蓋部４６の窪みを収容空間４８とした。これと逆に、台座部４４に円筒状の張出を設け、円筒状の上部開口を平板状の蓋部で覆い、円筒状の内径部分を収容空間４８としてもよい。図１では収容空間の数を１つとしたが、これ以外の収容空間の数でもよい。例えば２つの収容空間を設けるものとしてもよく、３つ以上の収容空間を設けてもよい。台座部４４と蓋部４６の材質は、銅、または銅合金とすることができる。また表面はＮｉメッキなどにより鏡面にし輻射熱を反射させることも有効である。

試料台５０は、試料８を収容するためのくぼみを上部に有する皿である。試料台５０は、密閉空間である収容空間４８の内部に配置され、台座部４４から着脱可能である。これにより、蓋部４６を取り外せば、個々の試料台５０を取り出して洗浄等を容易に行うことができる。これに代えて、試料台５０を台座部４４と一体化させてもよい。試料台５０の大きさの一例を挙げると、外径２．５ｃｍ、高さ０．８ｃｍである。

台座部４４の上面側に設けられる温度検出部５２は、試料台５０の温度である試料温度θ_Sを計測する温度計である。試料温度θ_Sは、吸着特性算出のために、制御部１００に伝送される。温度検出部５２としては白金測温体を用いることができる。

台座部４４の下面側に設けられる温度検出部５４は、試料室４２の温度制御を行う際の実際温度θ_Aを検出する温度である。試料室４２の温度制御は、スターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀と、入熱部６４によって供給される入熱量Ｑ₆₄とに基づいて行われる。スターリング冷凍機２０によって試料室４２から吸い込まれる熱量と、入熱部６４によって供給される入熱量Ｑ₆₄は、伝熱部材６８のところで合わさって試料室４２の底面側に伝熱される。そこで、試料室４２の底面側の温度を制御における実際温度θ_Aとして、温度検出部５４はこの実際温度θ_Aを検出し、適当な信号線で制御部１００に伝送する。温度検出部５４としては白金測温体を用いることができる。

なお、冷却ステージ２８から試料室４２までの間には、伝熱バッファ６０、筒部６２、キャップ部６６、入熱部６４、伝熱部材６８の多くの部材が存在する。これらは、固体の熱伝導によって熱を伝えるため、何箇所かの接触面が生じる。この接触面は、熱抵抗を生む要因となるため、その影響を低減することが好ましい。影響を低減するには、接触面の表面粗さを滑らかにする、固体の材質を熱伝導率の高いものを用いる、接触面の押し付け力を高めること等が挙げられる。例えば、押し付け力を高めるためには、各要素間の固定力を大きくすることや、極低温でも高い熱伝導率を維持するグリースを塗ることが好ましい。また、熱伝達をする要素の数を減らすために、伝熱部材６８と試料室４２を一体化し、あるいは筒部６２とキャップ部６６と伝熱部材６８とを一体化してもよい。

吸着質供給部７４は、試料８に対する吸着特性を測定する吸着質を供給するガス源である。例えば、吸着質が窒素ガスの場合、吸着質供給部７４は窒素ガスボンベである。吸着質の種類が複数ある場合には、複数の吸着質供給部７４が設けられる。

排出部７６は、試料室４２の収容空間４８を配管部８０を介して減圧するための排気装置である。排出部７６の動作は制御部１００の制御の下で行われる。排出部７６としてはロータリポンプを用いることができる。吸着特性測定の目的によっては、ターボ分子ポンプを用い、ロータリポンプを補助ポンプとして用いるものとしてよい。

配管部８０は、マニホールド８２を介して、真空断熱チャンバ３２の内部に配置される試料室４２の収容空間４８と、真空断熱チャンバ３２の外側に配置される吸着質供給部７４、排出部７６をそれぞれ互いに接続して連結するために設けられる複数の配管である。配管部８０には、制御部１００の下で作動する複数の開閉弁８８，９２，９４が設けられる。

配管部８０のうち、吸着質供給部７４とマニホールド８２との間の配管には、制御部１００の制御の下で作動する吸着質用の開閉弁９２が設けられる。吸着質供給部７４が複数ある場合には、それぞれの吸着質供給部７４に対応して吸着質用の開閉弁９２が設けられる。同様に、排出部７６とマニホールド８２との間の配管には、制御部１００の制御の下で作動する排出部用の開閉弁９４が設けられる。

マニホールド８２は、開閉弁８８，９２，９４のそれぞれの一方端を互いに接続した屈曲管路である。マニホールド８２は、吸着質用の開閉弁９２、排出部用の開閉弁９４側の端部が真空断熱チャンバ３２の外部に配置され、そこから延びて真空断熱チャンバ３２の内部空間に入り、試料室４２の側に延びる。マニホールド８２に接続される圧力計８６は、マニホールド８２の内部圧力Ｐ_Mを検出する。マニホールド８２に接続される圧力計９０は、収容空間４８の内部圧力Ｐ_Sを検出する試料室圧力検出手段である。検出されたマニホールド８２の内部圧力Ｐ_M及び収容空間４８の内部圧力Ｐ_Sは、適当な信号線で制御部１００に伝送される。マニホールド８２を含む配管部８０は、温度調整された槽に収容され、所定の温度に維持されることが好ましい。

開閉弁８８と試料室４２は、配管にて接続される。この配管は試料を真空に出来る配管内径を有し、かつ外部からの熱流入を極力小さくできるような細い外径の配管を使用することが好ましい。外部からの熱流入を最少にする為に接続配管と冷却ステージ２８を結ぶサーマルアンカにて試料室とほぼ同じ温度にする機構を有することが好ましい。接続箇所は低温部分であるシリンダ部２６あるいは筒部６２でも可能である。

制御部１００は、これら各要素の動作を統合して制御する装置である。特に、本体部３０における入熱部６４、スターリング冷凍機２０、配管部８０における試料室用の開閉弁８８、吸着質用の開閉弁９２、排出部用の開閉弁９４の動作を制御し、吸着特性測定処理を行う制御を実行する。かかる制御部１００は、コンピュータで構成できる。

制御部１００は、吸着特性測定装置１０の各要素の動作を全体として制御する機能を有するが、ここでは特に、スターリング冷凍機２０の動作と、入熱部６４の動作を制御することで、吸着特性の測定温度を所望の任意温度に制御する機能を有する。かかる制御部は、コンピュータで構成することができる。

制御部１００は、目標温度θ_Tを設定する目標温度設定処理手順１０２と、スターリング冷凍機２０と入熱部６４の動作を制御して温度調整を行う温度調整処理手順１０４と、吸着特性を算出して出力部１１０に伝送する吸着特性算出処理手順１０６と、吸着時の発熱量である吸着熱を算出して出力部１１０に伝送する吸着熱算出処理手順１０８を実行する機能を有する。かかる機能は、ソフトウエアで実現でき、具体的には、測定処理プログラムを実行することで実現できる。

制御部１００の吸着特性算出処理手順は、マニホールド用の圧力計８６が検出するマニホールド８２の内部圧力Ｐ_Mの変化、試料室用の圧力計９０が検出する収容空間４８の内部圧力Ｐ_Sの変化等に基づいて、試料室４２の収容空間４８に収容される試料８の吸着量等の算出を実行する。算出される吸着特性としては、試料８の吸着量、比表面積、細孔分布等である。吸着特性の算出には、マニホールド８２の内部圧力Ｐ_Mの変化と試料室４２の収容空間４８の内部圧力Ｐ_Sの変化とに基づいて吸着量等を算出するプログラムが用いられる。算出された吸着特性は、出力端末である出力部１１０で表示される。出力部１１０の機能を制御部１００の機能の一部としてもよい。

制御部１００の吸着熱算出処理手順は、吸着特性の測定中に発熱が生じれば、目標温度を一定にするように、入熱部６４の入熱量が低下することを利用して、その入熱量の変化から試料８に吸着質が吸着するときの吸着熱の算出を吸着の進行と共にリアルタイムで実行する。算出された吸着特性は、出力端末である出力部１１０で表示される。吸着熱測定の場合は試料室４２が１つの場合に適用できる。

かかる構成の作用について図２を用いて説明する。図２は、横軸に時間を取り、縦軸に吸着特性測定装置１０の各要素の温度、熱量をとって、これらの時間変化を示す図である。横軸の時間は、時間ｔ₀から時間ｔ₁までが吸着がまだ開始しない温度制御期間であり、時間ｔ₁が温度制御の下での吸着開始時間である。

図２（ａ）は、収容空間４８に収容されている試料８の発熱量Ｑ₈の時間変化を示す図である。時間ｔ₀から時間ｔ₁までは収容空間４８に吸着質が供給されず、したがって、試料８の発熱量Ｑ₈＝０である。時間ｔ₁で吸着質が供給され、試料８に吸着質が吸着するに従い発熱する。このときの発熱量Ｑ₈は、吸着熱を反映した値となる。

図２（ｂ）は、吸着特性の測定温度としての目標温度θ_Tと、スターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀と、冷却ステージ２８の温度θ₂₈を示す図である。目標温度θ_Tは、試料室４２の台座部４４の下面側の温度検出部５４が検出する実際温度θ_Aに対し与えられる目標温度である。試料室４２の台座部４４からはスターリング冷凍機２０によって熱が吸い込まれるが、一方で入熱部６４から熱が供給される。入熱部６４からの熱の供給がゼロのときが試料室４２の台座部４４が最も低温で、そのときの温度はスターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀である。

換言すれば、台座部４４の下面側に対する目標温度θ_Tは、スターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀よりも高温となる。例としては２〜７Ｋの温度差を持つ。

以下では、目標温度θ_Tを上限から下げて７７．３５Ｋとし、スターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀を７５Ｋとした場合について説明する。かかる目標温度θ_Tとスターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀の設定は、制御部１００の目標温度設定処理手順によって実行される。

上記のように、設定温度θ₂₀を７５Ｋとしてスターリング冷凍機２０を動作させると、シリンダ部２６の間歇動作等で、冷却ステージ２８の温度θ₂₈はいくらか揺らぐ。例えば、±１Ｋ変動する。図２（ｂ）では、目標温度θ_T＝７７．３５Ｋ、スターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀＝７５Ｋ、冷却ステージ２８の温度θ₂₈＝（７５Ｋ±１Ｋ）として示されている。

図２（ｃ）は、制御部１００の温度調整処理手順によって温度調整が実行されたときの入熱部６４の入熱量Ｑ₆₄の時間変化を示す図である。時間ｔ₀から時間ｔ₁までは吸着が行われていないので、試料室４２の台座部４４の下面側の温度検出部５４が検出する実際温度θ_Aを目標温度θ_Tとする制御が実行される。ここでは、冷却ステージ２８の温度θ₂₈が（７５Ｋ±１Ｋ）で変動しているので、この状態に対して入熱部６４から入熱して、実際温度θ_Aをθ_T＝７７．３５Ｋ±０Ｋとする。したがって、入熱量Ｑ₆₄は、７５Ｋから７７．３５Ｋに昇温させる熱量となる。図２（ｃ）では、Ｑ₆₄に対応する温度θ₆₄を用いてその様子を示した。

時間ｔ₁以後は、吸着による発熱があるので、入熱部６４からの入熱量Ｑ₆₄をその分減少させる。それによって、吸着熱の増加分を入熱量Ｑ₆₄の減少で埋めることができる。図２（ｃ）では、吸着熱の増加分を埋めた入熱量Ｑ₆₄の減少分をΔＱで示してある。冷却ステージ２８の（±１Ｋ）の変動分は、伝熱バッファ６０により緩和される。吸着熱の算出は制御部１００の吸着熱算出処理手順を実行することで行われる。

図２（ｄ）は、温度調整が実行された後の試料室４２の台座部４４の下面側の温度検出部５４が検出する実際温度θ_Aの変動を示す図である。実際温度θ_Aは目標温度θ_Tの前後に変動するが、その変動量は、制御部１００の温度調整処理手順のフィードバックゲイン等で規定できる。一例を挙げると、スターリング冷凍機２０の温度の揺らぎの（１／１０００）程度に制御が可能と考えられ、その場合には、（１／１０００）Ｋ単位で、目標温度θ_Tを設定しても追従可能である。

上記では、吸着熱算出を行うものとしたので、目標温度θ_Tの設定可能範囲がスターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀の設定可能範囲よりも狭まった。吸着熱算出を行わない場合には、目標温度θ_Tの設定可能範囲がスターリング冷凍機２０の設定温度θ₂₀の設定可能範囲と同じ５０Ｋから室温の範囲で、任意に設定できる。また、その範囲で、時間と共に連続的に目標温度θ_Tを変化させることもできる。

１０吸着特性測定装置、２０スターリング冷凍機、２２外置圧縮機、２４外置膨張機、２６シリンダ部、２８冷却ステージ、３０本体部、３２真空断熱チャンバ、３４上部容器、３６下部容器、３８クランプ、４０真空ポンプ、４２試料室、４４台座部、４６蓋部、４８収容空間、５０試料台、５２，５４温度検出部、６０伝熱バッファ、６２筒部、６４入熱部、６６キャップ部、６８伝熱部材、７０サーマルアンカ、７４吸着質供給部、７６排出部、８０配管部、８２マニホールド、８６，９０、圧力計、８８，９２，９４開閉弁、１００制御部、１０２目標温度設定処理手順、１０４温度調整処理手順、１０６吸着特性算出処理手順、１０８吸着熱算出処理手順、１１０出力部。

Claims

少なくとも吸着質供給部と接続され、試料を収容し、所定の高伝熱性を有する試料室と、
試料を冷却するための冷却ステージを有する蓄冷式冷却手段と、
試料室と冷却ステージとの間に設けられ、所定の熱容量と所定の高伝熱性を有する伝熱バッファと、
伝熱バッファと試料室の間に設けられ試料室に入熱する入熱部と、
設定された目標吸着測定温度と試料室の温度との間の偏差をゼロにするように入熱量を制御する温度調整手段と、
目標吸着測定温度の下で試料の吸着特性を測定する測定手段と、
を備えることを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項１に記載の吸着特性測定装置において、
試料室と、入熱部と、伝熱バッファと、冷却ステージとを内部に収容する真空断熱チャンバを備えることを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項２に記載の吸着特性測定装置において、
温度調整手段は、（１／１０００）Ｋ単位で目標吸着測定温度を設定することを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項１から３のいずれか１に記載の吸着特性測定装置において、
蓄冷式冷却手段は、
スターリング冷凍機またはＧＭ冷凍機であることを特徴とする吸着特性測定装置。
請求項１から３のいずれか１に記載の吸着特性測定装置において、
吸着特性測定中における入熱部の入熱量に基づき、試料に吸着質が吸着するときの吸着熱を求める吸着熱算出部を備えることを特徴とする吸着特性測定装置。