JP2015111010A - 循環冷却システムの冷却源およびこれを用いたイオン顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機着脱時における配管の損傷を防止するとともに、ステージ熱交換器への熱負荷を抑制する。【解決手段】循環冷却システムの冷却源において、極低温冷凍機のコールドヘッドとステージ熱交換器を格納する真空槽と、それ以外の部分を格納する真空槽とを分割し、極低温冷凍機のコールドヘッドとステージ熱交換器の部分のみを真空から大気圧まで加圧できる構造を取るとともに、冷凍機取り外し時には支持体によってステージ熱交換器を真空容器から支持する構造を持たせる。【選択図】 図１

Description

本発明は、被冷却物を極低温に冷却するために、極低温冷凍機により極低温に冷却した冷媒を用いる循環冷却システム、およびこれを用いたイオン顕微鏡に関する。

現在市販されている冷凍機としては、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）型冷凍機、パルス管冷凍機が存在する。これらは極低温冷凍機自体から発生する振動が大きいため、イオン顕微鏡のような超低振動機器の冷却に適用することが困難である。現在市販されている中で最も低振動化されている極低温冷凍機はスターリング型冷凍機である。このスターリング冷凍機では、圧縮機を対向配置することにより圧縮機動作による振動を低減するとともに、ディスプレーサー（ピストン）の往復運動に逆位相の反力を加える機構を持たせることにより、冷凍機コールドヘッド部の低振動化を実現している。

また、対象物を冷却する方法として、極低温冷凍機により被冷却物を冷却する直接冷却と、極低温冷凍機で冷却した冷媒を用いて被冷却物を冷却する間接冷却（循環冷却）とが知られている。イオン顕微鏡はその解像度の高さ故に、極めて高い制振性が要求され、極低温冷凍機が発生する振動が問題となることから、冷媒を極低温冷凍機で冷却し、極低温に冷却された冷媒によって被冷却物を冷却する循環冷却の対象となる。

イオン顕微鏡の循環冷却システムに関する技術として、特開２０１１−１４２４５号公報（特許文献１）がある。この公報には、「ガス電界電離イオン源を備えたイオン顕微鏡において、ガス電界電離イオン源を冷却する冷凍機をイオン顕微鏡本体とは独立に設置し、ガス電界電離イオン源と冷凍機の間で冷媒を循環させる冷媒循環回路冷却機構を設けることに関する。本発明により、ガス電界電離イオン源に伝播する冷凍機の機械振動を低減でき、イオン源輝度の向上と、イオンビームの収束性能向上と、を両立できる。」と記載されている。

特開２０１１−１４２４５号公報

循環冷却などに使用される極低温冷凍機は、定期的なメンテナンスが必要である。従来はＧＭ型冷凍機を使用していたが、ＧＭ型冷凍機では真空容器の一部であるＧＭ型冷凍機の筺体を取り外すことなく、内部の摩耗部品を交換することができた。これに対して、低振動スターリング冷凍機を適用した場合には、冷凍機全体を交換する必要がある。このため、メンテナンス時には、極低温冷凍機を一旦停止して、摩耗した部品を交換したり、極低温冷凍機自体を入れ替えたりしている。極低温冷凍機の停止中は機器が使用できなくなることから、メンテナンス時間の短縮が要求されている。メンテナンスのためには真空を破る必要があり、真空容器内に配置されている熱容量の大きい向流熱交換器を室温まで昇温させなければならない。そのため、向流熱交換器を昇温および再冷却に時間がかかり、メンテナンス時間が長期化するという問題があった。

本発明は、循環冷却システムにおけるメンテナンス時間の短期化、およびこの循環冷却システムを用いたイオン顕微鏡の提供を目的とする。

上記問題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本題は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、真空容器が、前記ステージ熱交換器を含む第一の真空槽と、前記向流熱交換器を含む第二の真空槽に、真空隔壁で分離されることを特徴とする。

本発明によれば、循環冷却システムおよびこれを用いたイオン顕微鏡において、真空容器を分割することにより、メンテナンス時に昇温する部品を最低限に抑制することができ、メンテナンス時間が従来に比べて短くなる。

本発明の実施例における循環冷却システムの構成を示す断面図。 本発明の実施例における循環冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の実施例における極低温冷凍機を取り外す前の冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の実施例における極低温冷凍機取り外し時の冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の別の実施例における循環冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の別の実施例における極低温冷凍機を取り外し時の循環冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の第三の実施例における循環冷却システムを示す構成を示す断面図。 本発明の第三の実施例における循環冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の第三の実施例における冷凍機を取り外す前の冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の第三の実施例における極低温冷凍機取り外し時の冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図。 本発明の第四の実施例における循環冷却システムの構成を示す断面図。 本発明の第四の実施例における冷凍機取り外し時のシステムの構成を示す断面図。 断熱真空壁の構造の詳細を示す断面図。 ステージ熱交換器の構造の詳細を示す断面図。 イオン顕微鏡及び冷却システムの断面図。

超低振動を要求される機器に対する極低温冷却システムを実現するために、超低振動スターリング冷凍機を適用した循環冷却システムを開発した。

以下、イオン顕微鏡に適用した場合の実施例を説明するが、本発明の適用はこれに限られない。ヘリウムガスに代表される冷媒を極低温に冷却し、これを輸送して機器を冷却する技術は、様々なシステムに適用される。特に、冷凍機を直結することが難しい条件下、例えば強磁場環境下や冷凍機の振動が問題となるシステムにおいて有効である。例えば、核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：ＮＭＲ）装置やＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）等にも適用可能である。

本実施例では、循環冷却システムの例を説明する。

図１は、本発明の実施例における循環冷却システムの構成を示す断面図である。

循環冷却システムは、冷却ユニット５５とトランスファーチューブ５０及び被冷却体６０により構成されている。図１中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

冷却ユニット５５は、極低温冷凍機１と極低温冷凍機１に熱的に接触したステージ熱交換器４、及び第一の向流熱交換器６、第二の向流熱交換器７により構成され、各熱交換器を配管５が連結している。各熱交換器は真空容器２の内部に格納されており、真空断熱によって周囲の室温からの熱伝導、対流による低温部への熱侵入を抑制している。

本実施例においては、冷却ユニット５５は、ステージ熱交換器４と極低温冷凍機１が格納された部分と、２つの向流熱交換器６、７とが格納された部分とが、真空隔壁２３により分割されている。また、真空隔壁の一部または全部は断熱真空壁２４により構成されている。

トランスファーチューブ５０は内部に図示しない配管を通しており、この配管の中を冷媒が流れる構造となっている。トランスファーチューブの配管とトランスファーチューブの外壁との間は真空となっており、真空断熱により室温の外壁から極低温の配管への熱侵入を抑制している。

被冷却体６０は、冷却ユニット５５からトランスファーチューブ５０を通って送られてきた冷媒を用いて、被冷却物５４を極低温に冷却する。被冷却物の温度を調整するために、図示しないヒータを用いて加熱しても良い。被冷却体６０の内部を超高真空にする場合には、配管５１により、被冷却体６０の真空槽と、トランスファーチューブ５０及び冷却ユニット５５の真空槽とを分離する。トランスファーチューブ５０には、配管への輻射熱量を低減するためにプラスチック製の積層断熱材が使用されるのが一般的であり、超高真空にする場合、このプラスチックからのガス放出が問題になるためである。

圧縮機１００から送られた室温の冷媒ガスは、向流熱交換器６を通ることにより、低温に冷却される。冷却された冷媒を極低温冷凍機１のコールドヘッド３と熱的に連結したステージ熱交換器４で冷却することにより、冷媒の温度は更に低下する。極低温冷凍機１のコールドヘッド３と熱的に連結したステージ熱交換器４で低温に冷却された冷媒を、トランスファーチューブ５０を通して被冷却体６０に輸送することにより、被冷却体６０の内部の被冷却物５４を極低温に冷却することができる。

図２は、本実施例における循環冷却システムの冷凍機着脱部構成を示す詳細断面図である。図２中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

極低温冷凍機１は、真空容器２に一端が固定され、極低温冷凍機１のコールドヘッド３の周囲を真空にする隔壁の役割を果たしている。コールドヘッド３は、ステージ熱交換器４とネジで固定されている。この時コールドヘッド３とステージ熱交換器４との間には、ステージ熱交換器４とコールドヘッド３との間の接触熱抵抗を小さくするために、図示しない真空グリースもしくは図示しないインジウム、あるいはその両方が設置されている。

現在市販されているスターリング冷凍機は、現在市販されているパルス管冷凍機やＧＭ型冷凍機に比べて振動が小さく、振動が問題となるシステムには低振動型スターリング冷凍機が適用される。

パルス管冷凍機は、寒冷を発生する冷凍機コールドヘッドに機械駆動部を持たない特徴があり、機械的なピストン運動をするディスプレーサーを必要とするＧＭ型冷凍機に比べると振動レベルは小さい。しかし、パルス管冷凍機では高低圧を切り替えるためのバルブユニットが必要であり、このバルブユニットの振動が伝播し、対象物の振動が増加する。

スターリング冷凍機はコールドヘッド内にピストン駆動するディスプレーサーがあり、単純な構造では振動レベルが大きい。しかし、振動を相殺する振動を加えたりすることによって、振動レベルを低減することに成功している。

極低温冷凍機１は、真空容器２の下側に固定されている。極低温冷凍機１の室温部には、図示しない圧縮機や図示しないバルブ切り替え装置が搭載されており、振動源となっている。下向きに極低温冷凍機１を設置することにより、振動源を床に固定することが容易となる。

真空容器２は、ステージ熱交換器４以外の循環冷却システムの構成要素を内蔵する真空槽２１と、ステージ熱交換器４を格納する真空槽２２とに隔壁２３によって分割されている。冷媒を輸送する配管５が真空槽２１と真空槽２２を貫通しており、室温である真空容器の隔壁２３から配管５への熱負荷を低減するために、断熱真空壁２４が真空容器の隔壁２３に設置されている。真空槽２２に取り付けられた蓋１１を取り外すことにより、真空槽２２の内部での作業が可能となる。

図１３は、断熱真空壁２４の構造の詳細を示す断面図である。断熱真空壁２４は、直径の異なる円筒を組み合わせたものであり、材質はステンレスやガラス繊維強化プラスチックである。断熱真空壁２４は、一般的にベーキングを行って真空排気を行うシステムでは、材質にステンレスが採用され、ベーキングを行わない場合には、材質にガラス繊維強化プラスチックなどの高分子材料で製作する。ベーキングの理由以外に、軽量化のために繊維強化プラスチックで製作される場合がある。

断熱真空壁２４の室温部は隔壁２３と一体化しているが、Ｏリングとネジで固定してもよい。断熱真空壁は室温部、中間温度、最低冷却温度の３段階の温度に分けられる。

断熱真空壁２４は、室温部から中間温度までの常温円筒２４１と、中間温度から最低冷却温度までの低温円筒２４２と、中間温度冷却面２４３と、最低冷却温度冷却面２４４で構成されている。

中間温度冷却面２４３は、中間温度に冷却された冷媒の配管５１により中間温度に冷却されている。また、最低冷却温度冷却面２４４は、最低温度に冷却された冷媒の配管５２により最低冷却温度に冷却されている。

以上のように、断熱真空壁２４を隔壁２３の全部または一部に用いることで、冷媒が流れる配管が真空容器から固定される部分を断熱真空壁構造とできるので、室温である真空容器から極低温に冷却された配管への熱伝導による熱侵入を抑制することができる。

断熱真空壁２４は、図１３に示した構造に限定するものでは無い。断熱真空壁２４は、円筒部にベローズ構造を使用しても良い。

図１４は、ステージ熱交換器４の構造の詳細を示す断面図である。ステージ熱交換器４は、銅製円筒４１の周囲に銅管４２を巻きつけた構造となっている。これは、循環冷却方式は、極低温冷凍機１のコールドヘッド３により冷却された冷媒によって被冷却物を冷却する間接冷却構造であり、極低温冷凍機１のコールドヘッド３の面積が小さく、冷媒との間で十分な熱交換ができないため、銅製のステージ熱交換器４を製作し、熱交換面積を拡大するものである。

２段式の極低温冷凍機を用いる場合には、ステージ熱交換器４は中心に貫通穴を設けた構造としてもよい。ステージ熱交換器４に巻きつける銅管４２の長さは、ステージ熱交換器４における冷媒の熱交換量と温度効率から算出される長さよりも長ければよい。ステージ熱交換器４には極低温冷凍機１と結合するための貫通穴４３があり、図示しないネジによって極低温冷凍機１と結合される。また、ステージ熱交換器４には、真空容器２との間に支持体２００を取り付けるための貫通穴又はネジ穴４４があり、極低温冷凍機１を取り外した際には、この貫通穴又はネジ穴４４を利用して支持体２００を真空容器２に固定している。

次に極低温冷凍機の着脱方法について記述する。

循環冷却システムでは、冷媒と極低温冷凍機との間で熱交換を行うステージ熱交換器が、極低温冷凍機及び冷媒が流れる配管によって支持される構造となっている。配管から極低温冷凍機への熱侵入量は小さく抑制する必要がある。この配管の肉厚は薄く、ステージ熱交換器を支持する機能は有さない。したがって、メンテナンス時に極低温冷凍機を取り外した状態では、配管にステージ熱交換器の自重による応力が加わり、配管の曲がりが発生するなどの損傷が生じるという問題があった。

また、配管が別の配管と接触し、配管内を流れる冷媒への熱侵入が生じるという問題があった。これを回避するために、配管の肉厚を厚くして強度を増すと、配管からの熱伝導による熱負荷が増大し、熱交換効率が低下するという問題があった。

また、ステージ熱交換器の自重による配管の曲がりを防ぐために、ステージ熱交換器を真空容器から支持した場合、常温である真空容器から極低温に冷却されたステージ熱交換器に向かって熱が移動し、ステージ熱交換器が受ける熱負荷が増大し、ステージ熱交換器の温度が上昇するという問題があった。

更に、ステージ熱交換器の自重による配管の曲がりを防ぐために、シール方式の継手で配管をステージ熱交換器ごと分割する方法があるが、内部に封入した冷媒ガスを放出・再充填する必要があり、手間がかかるという問題があった。

図２は、本実施例における循環冷却システムの構成を示す断面図である。

ステージ熱交換器４と極低温冷凍機１とを分離し、極低温冷凍機１を真空容器２から取り外す場合には、図示しないヒータにより極低温冷凍機１のコールドヘッド３及びステージ熱交換器４を室温まで昇温する。十分に室温まで昇温したことを確認した後、真空容器２に取り付けられた真空槽２２を開閉操作可能な図示しないバルブを開き、真空槽２２の内部を大気圧と同等にする。支持体２００を取り付け可能とするため、図示しないバルブを開いた状態で、真空容器２に取り付けられた蓋１１を取り外し、極低温冷凍機１のコールドヘッド３とステージ熱交換器４が見える状態にする。

図３は本実施例における極低温冷凍機を取り外す前の構成を示す断面図である。図３中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

ステージ熱交換器４とコールドヘッド３とを連結する図示しない固定ネジを取り外す前に、支持体２００をステージ熱交換器４と真空容器２との間に挿入する。これにより、ステージ熱交換器４は、極低温冷凍機１と真空容器２から支持された構造となる。この支持体２００は、剛性を高くするためにステンレスなどの金属で製作してもよい。

図４は、本実施例における極低温冷凍機取り外しの際の構成を示す断面図である。図４中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

ステージ熱交換器４とコールドヘッド３とを連結する図示しない固定ネジを取り外すことにより、ステージ熱交換器４は支持体２００によって真空容器２からのみ支持された構造となる。

極低温冷凍機１を交換するために、極低温冷凍機１を真空容器２から取り外しても、ステージ熱交換器４は真空容器２から支持されているため、動くことがなく、ステージ熱交換器４の自重により配管５を曲げたりすることはない。これによって、冷凍機取り外し時におけるステージ熱交換器の自重による配管の損傷を防止することができる。

更に、極低温冷凍機１の取り付け方向をステージ熱交換器４に対して上下方向とすることにより、ステージ熱交換器４を極低温冷凍機１で支持する際に、ステージ熱交換器４を介して接続されている配管５に曲げ方向の力が加わらないようにすることで、配管５の曲がりまたは損傷することを防止することができる。

ステージ熱交換器４は極低温冷凍機１からのみ支持された構造となり、室温である真空容器２と直接接触する部分がなく、真空容器２からステージ熱交換器４及びコールドヘッド３が受ける熱負荷を最少に抑制することができる。

極低温冷凍機１の入れ替え作業が終了すると、ステージ熱交換器４はコールドヘッド３に図示しない固定ネジによって取り付けられ、支持体２００が取り外され、図２の状態となる。

極低温冷凍機１を取り付けた後、真空容器２に蓋１１を取り付け、図１の状態にした後、真空槽２２を図示しない真空ポンプによって真空排気する。真空槽２２の真空度が真空断熱状態となることを図示しない真空計の表示値で確認した後、極低温冷凍機１を起動させることにより、循環冷却を開始することができる。

ステージ熱交換器を交換する際に、ステージ熱交換器を真空容器から支持体を用いて支持し、通常運転時にはステージ熱交換器は極低温冷凍機からのみ支持することで、支持体から極低温冷凍機への熱負荷が無い運転が可能となる。

以上、実施例１に示したとおり、隔壁２３を設けることにより、真空槽２１に内蔵された部品を大気圧まで戻すことがなく、真空槽２１の高い真空度が維持される。また、真空槽２１を含む高真空部品をベーキングする必要が無く、真空槽２２の真空度が真空槽２１よりも悪い真空度であっても冷凍機の運転を再開することができ、メンテナンス時間が短くなる。

本実施例では、第一の実施例の別の形態の実施例を示す。

図５は、実施例２における循環冷却システムの構成を示す断面図である。また、図６は実施例２における極低温冷凍機を取り外し時の循環冷却システムの構成を示す断面図である。図５中及び図６中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

図５及び図６の循環冷却システムのうち、既に説明した図２に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図５に示すように、ステージ熱交換器４は、極低温冷凍機１が取り外される前に、真空槽２２を構成する真空容器２の極低温冷凍機側から支持体２００によって真空容器２から支持される。支持体２００は、極低温冷凍機１が取り付けられている真空容器面と同じ方向から取り付けられる。ステージ熱交換器４の下側に支持体２００が設置されることにより、ステージ熱交換器４の上側に支持体２００が無くなり、ステージ熱交換器４を極低温冷凍機１のコールドヘッド３から取り外す作業時に、作業工具や手を入れるスペースが確保されるため、作業性が向上する。

極低温冷凍機１を取り外すと、図６の状態となる。すなわち、極低温冷凍機１は真空容器２から取り外され、ステージ熱交換器４は支持体２００によって真空容器２の極低温冷凍機側から支持される構造となる。

本実施例では、第三の実施例として極低温冷凍機を下向きに取り付けた循環冷却システムの例を説明する。ここで下向きとは、極低温冷凍機１の下方にステージ熱交換器４が位置するような配置で、極低温冷凍機１が下方のステージ熱交換器４に接続されている構成をいう。

図７は、実施例３における循環冷却システムの構成を示す断面図である。

図８は、実施例３における循環冷却システムを示す構成を示す断面図である。図９は、実施例３における冷凍機を取り外す前の冷却システム構成を示す断面図である。また、図１０は、実施例３における極低温冷凍機取り外し時の冷却システムの構成を示す断面図である。

図７〜図１０中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

図８、図９及び図１０の循環冷却システムのうち、既に説明した図３に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図７、図８に示すように、極低温冷凍機１は、真空容器２の上側に固定されている。極低温冷凍機１を上方から設置することにより、極低温冷凍機１の寒冷発生部が下方にあるため、自然対流が抑制され、極低温冷凍機の温度が安定するというメリットがある。

図９に示すように、極低温冷凍機１とステージ熱交換器４を切り離す前に、ステージ熱交換器４を真空容器２から支持体２００で支持する。支持体２００は、真空容器２の、極低温冷凍機１と対向する側の面から挿入する。この時ステージ熱交換器４は、極低温冷凍機１と支持体２００から支持された形となる。極低温冷凍機を取り外すと、図１０の状態となる。すなわち、極低温冷凍機１は真空容器２から取り外され、ステージ熱交換器４は真空容器２の下面から支持体２００によって支持された形となる。

本実施例では、第四の実施例として、実施例３における支持体の支持方向を変化させた形態の実施例を示す。図１１は、実施例４における循環冷却システムの構成を示す断面図である。また、図１２は実施例４における冷凍機取り外し時のシステムの構成を示す断面図である。

図１１、図１２中の矢印は冷媒配管及び冷媒の流れ方向を表す。

図１１及び図１２に示す循環冷却システムのうち、既に説明した図３に示された同一の符号を付された構成と同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図１１に示すように、ステージ熱交換器４は、極低温冷凍機１が取り外される前に、真空容器２の極低温冷凍機側から支持体２００によって真空容器２に極低温冷凍機１の固定面側から支持される。これにより、ステージ熱交換器４を極低温冷凍機１との図示しない連結ネジを取り外す側に支持体２００が無いため、作業性が向上する。

極低温冷凍機を取り外すと図１２の状態となる。すなわち、極低温冷凍機１は真空容器２から取り外され、ステージ熱交換器４は支持体２００によって極低温冷凍機１を取り付ける面側から支持されている。

電子を走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出すれば、試料表面の構造を観察することができる。これは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope以下、ＳＥＭと略記）と呼ばれる。一方、イオンビームを走査しながら試料に照射して、試料から放出される二次荷電粒子を検出しても、試料表面の構造を観察することができる。これは走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope以下、ＳＩＭと略記）と呼ばれる。特に、水素やヘリウムなどの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、相対的にスパッタ作用は小さくなり試料を観察するのに好適となる。ここで、水素やヘリウムイオンの試料表面への侵入による二次電子の励起領域が電子照射に比べ試料表面により局在することから、水素やヘリウムイオンを利用したＳＩＭ画像はＳＥＭ画像以上に極試料表面情報に敏感になる。さらに、顕微鏡の観点では、イオンは電子に比べて重いため、そのビーム集束において回折効果を無視でき、焦点深度の非常に深い像が得られるという特徴もある。また、電子、又はイオンビームを試料に照射して、試料を透過した電子、又はイオンを検出すれば、試料内部の構造を反映した情報を得ることもできる。これらは、透過電子顕微鏡、又は透過イオン顕微鏡と呼ばれる。特に、水素やヘリウムなどの質量の軽いイオン種を試料に照射すれば、試料を透過する割合が大きくなり観察するのに好適となる。

ガス電解電離イオン源は、イオンのエネルギー幅が狭いこと、及びイオン発生源サイズが小さいことから、微細なビームが期待され、上記の走査イオン顕微鏡、及び透過イオン顕微鏡に好適なイオン源である。

電界電離イオン源を用いたイオン顕微鏡において、試料上で大きな電流密度のイオンビームが得られれば、高信号／ノイズ比で試料を観察することができる。試料上でより大きな電流密度を得るためには、電界電離イオン源のイオン放射角電流密度が大きいほど良い。イオン放射角電流密度を大きくするためには、エミッタティップを極低温に冷却し、エミッタティップ周辺のイオン材料ガス圧力を１０^-2〜１０Ｐａ程度まで高めることが望ましい。

ガス電界電離イオン源を搭載したイオン顕微鏡においては、エミッタティップ冷却手段に、機械式冷凍機のような機械振動を発生するものを含むものが多く、エミッタティップが振動しやすい。エミッタティップが振動すると、イオンビームが振れ、試料観察の分解能が劣化するという問題が起こる。このエミッタティップの機械振動を低減し、高分解能な試料観察を可能とするイオン顕微鏡を提供する必要がある。

本実施例では、第五の実施例としてイオン顕微鏡に本発明を適用した実施例を示す。図１５は実施例５におけるイオン顕微鏡及び冷却システムの断面図である。イオン顕微鏡の根幹であるイオン銃７０は、エミッタティップ７１及びヘリウムガス充填室７２、電極７３、エミッタティップ７１及びヘリウムガス充填室７２を冷却する熱交換器７４、エミッタティップ７１及びヘリウムガス充填室の周りを囲む熱シールド７５、熱シールド７５を冷却する熱交換器７６などで構成されている。他に図示しない真空排気系（ターボ分子ポンプ、ＮＥＧなど）や光学系なども含まれる。

極低温冷凍機１０は、圧縮機一体型のスターリング冷凍機である。取り付け方向は鉛直上向きでも下向きでも良い。実施例５では、鉛直上向きに極低温冷凍機１０を真空容器２に取り付けている。室温部に設置した圧縮機１００で加圧されたヘリウムガスは、冷却ユニット５５に送られ、向流熱交換器６を通過する際に冷却される。この冷却されたヘリウムガスは、真空隔壁で隔てられた真空槽２２にある極低温冷凍機１で冷却される。真空隔壁を貫通し、真空槽２１側にある向流熱交換器７を通過したヘリウムガスは更に冷却される。このヘリウムガスは、真空隔壁で隔てられた真空槽２２にある図示しないもう一台の極低温冷凍機１で冷却される。最低温度に冷却されたヘリウムガスは、真空隔壁を通過し、トランスファーチューブ５０を通ってイオン銃７０に送られ、イオン銃７０の真空隔壁７７を貫通してイオン銃７０の内部のエミッタティップ７１及びヘリウムガス充填室７２を冷却する熱交換器７４に送られる。イオン銃７０の内部のエミッタティップ７１及びヘリウムガス充填室７２を冷却して温度が上昇したヘリウムガスは、トランスファーチューブ５０を通って再び真空槽２１に設置された向流熱交換器７を通り、温度が更に上昇する。向流熱交換器７を通過したヘリウムガスは、再びトランスファーチューブ５０を通ってイオン銃７０側に送られる。ヘリウムガスはイオン銃７０のシールド７５を冷却する熱交換器７６に送られる。シールド７５を冷却する熱交換器を通過し、温度が上昇したヘリウムガスは、再びトランスファーチューブを通って真空槽２１に送られ、向流熱交換器６を通過し、室温まで温度が上昇する。室温のヘリウムガスは圧縮機に戻る。

このような冷媒を輸送してイオン銃の各所を冷却することにより、冷却源の振動の伝播が抑制され、ビーム強度と収束度の高いイオンビームを得ることができる。

イオン顕微鏡７０では、高い真空度を得るために２００℃程度の温度でイオン銃全体をベーキングする必要がある。ベーキング温度は冷却ユニット５５及びトランスファーチューブ５０で採用されている多層断熱材からのガス放出を促進するため、冷却ユニット５５及びトランスファーチューブ５０がイオン銃により加熱されると、大量のアウトガスが発生するだけでなく、冷却ユニット５５及びトランスファーチューブ５０に搭載されている多層断熱材を溶かしてしまう可能性がある。そこで、イオン銃７０側にも真空隔壁７７を設置し、イオン銃７０の真空槽とトランスファーチューブ５０の真空槽を分離することを可能としている。すなわち、ベーキング時には極低温冷凍機１及び圧縮機１００の運転を停止し、ヘリウムガスを循環させないことで、イオン銃７０で加えられた熱量がトランスファーチューブ５０及び冷却ユニット５５に伝播しない構造となっている。このように真空隔壁を２ヵ所（イオン銃７０とトランスファーチューブ５０の間、冷却ユニット５５の内部）に設置することにより、ベーキングや極低温冷凍機１の交換作業時において、高真空度を維持する空間の劣化を防止することができる。

また、イオン銃７０とトランスファーチューブ５０の間に真空隔壁７７を設置することにより、高真空度部分の体積を減少させることができ、図示しない排気系の排気特性を向上することができる。これにより、ビーム放出時の不純物混入による拡散を防止することができ、ビームの収束度が向上する。

１ 極低温冷凍機
２ 真空容器
３ コールドヘッド
４ ステージ熱交換器
５ 配管
１１ 蓋
２１、２２ 真空槽
２３ 隔壁
２４ 断熱真空壁
５０ トランスファーチューブ
５１ 配管
５５ 冷却ユニット
６０ 被冷却体
１００ 圧縮機
２００ 支持体

Claims (6)

1. 真空容器と、
   前記真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、
   前記極低温冷凍機のコールドヘッドに熱的に結合されるステージ熱交換器と、
   前記ステージ熱交換器に連結され内部に冷媒が流れる配管と、
   前記配管と連結された向流熱交換器で構成される冷却源を持つ循環冷却システムであって、
   前記真空容器が、前記ステージ熱交換器を含む第一の真空槽と、前記向流熱交換器を含む第二の真空槽に、真空隔壁で分離されたことを特徴とする循環冷却システム。
2. 請求項１に記載の循環冷却システムであって、
   前記極低温冷凍機を着脱する場合には、前記ステージ熱交換器が前記真空容器から支持され、前記極低温冷凍機が真空容器に固定されている場合には、前記ステージ熱交換器が前記真空容器から支持されたことを特徴とする循環冷却システム。
3. 請求項１に記載の循環冷却システムの冷却源構造であって、
   前記配管が貫通する隔壁の少なくとも一部が断熱真空壁であることを特徴とする循環冷却システムの冷却源構造。
4. 請求項１に記載の循環冷却システムの冷却源構造であって、
   前記冷凍機が取り付けられたときの配置方向が前記ステージ熱交換器に対して上下方向であることを特徴とする循環冷却システム冷却源構造。
5. 循環冷却システムによって冷却されるイオン源を有するイオン顕微鏡であって、
   前記循環冷却システムは、
   真空容器と、
   前記真空容器に取り付けられた極低温冷凍機と、
   前記極低温冷凍機のコールドヘッドに熱的に結合されるステージ熱交換器と、
   前記ステージ熱交換器に連結され内部に冷媒が流れる配管と、
   前記配管と連結された向流熱交換器で構成される冷却源を有し、
   前記真空容器が、前記ステージ熱交換器を含む第一の真空槽と、前記向流熱交換器を含む第二の真空槽に、真空隔壁で分離されたことを特徴とするイオン顕微鏡。
6. 請求項５に記載のイオン顕微鏡であって、さらに、
   前記イオン源を冷却する熱交換器を有し、
   前記イオン源を冷却する熱交換器と前記真空隔壁との間に第二の真空隔壁が設けられることを特徴とするイオン顕微鏡。