JP2016075667A - 機械的結合（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ）を減少させた、クライオスタットおよびコールドヘッドを備えた冷却デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】外部振動に起因する外乱が殆どないＮＭＲ測定を可能にする冷却デバイスを提供する。【解決手段】クライオスタット２３とコールドヘッド１とを含む冷却デバイス２０であって、クライオスタットは、真空容器４内部の真空を環境から封鎖する真空容器壁４ａを備える真空容器４と、極低温容器壁２ｃを有する極低温液体または極低温気体用の極低温容器２とを含み、極低温容器は真空容器内部に配置され、極低温容器壁は極低温容器の内部を真空容器の真空から封鎖し、コールドヘッドの室温部１ａが切離し要素５により真空容器壁に振動を減衰するように取り付けられ、コールドヘッドの冷却アーム１ｂが、長手方向軸ＬＡに沿って、極低温容器へのクライオスタットのアクセス開口部１３内に突出し、真空容器壁をコールドヘッドの室温部に直接または間接的に接続する可撓封止部分６が設けられ、可撓封止部分が極低温容器の内部を環境から封鎖する、冷却デバイス。【選択図】図２ａ

Description

本発明は、クライオスタットとコールドヘッド、特にパルス管冷凍機のコールドヘッドとを含む冷却デバイスに関し、クライオスタットは、
− 真空容器壁を備え、真空容器壁は真空容器内部の真空を環境から封鎖する、真空容器と、
− 極低温容器壁を有する、極低温液体および／または極低温気体用の極低温容器とを含み、極低温容器は真空容器内部に配置されており、極低温容器壁は極低温容器の内部を真空容器の真空から封鎖しており、コールドヘッドの室温部が切離し要素（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）により真空容器壁に振動を減衰するように取り付けられており、コールドヘッドの冷却アームが、長手方向軸に沿って、極低温容器への、クライオスタットのアクセス開口部内に突出しており、真空容器壁をコールドヘッドの室温部に直接または間接的に接続する可撓封止部分が設けられている。

このタイプの冷却デバイスが米国特許第７，２８７，３８７（Ｂ２）号に開示されている。

核磁気共鳴（ＮＭＲ：ｎｕｃｌｅａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置、特にＮＭＲ分光計およびＮＭＲ断層撮影装置は、超伝導電磁コイルにより生成されることが多い強磁場を必要とする。超伝導電磁コイルは極低温度で操作されなければならない。このため、電磁コイルは、通常、極低温液体、例えば液体ヘリウムで満たされている、クライオスタットの極低温タンク内に配置されている。長期的に動作温度を維持しかつ同時に極低温液体の消費を最小限にするために、コールドヘッドの冷却アームが、熱を引き出す極低温タンク内に突出している。極低温タンクは、断熱のために真空タンクにより取り囲まれている。

ＮＭＲ測定が、特にクライオスタットに取り付けられているコールドヘッド経由で導入されるＮＭＲ装置の機械的振動により、妨害される可能性がある。

適用されることが多いパルス管冷却原理に基づいて冷却する場合、作動ガス（ｗｏｒｋｉｎｇ ｇａｓ）の周期的な圧力変動がコールドヘッド内で確立される。この目的のために、制御弁が、作動ガスの高圧槽と低圧槽とをコールドヘッドに交互に接続する。制御弁の切替え周波数（ｃｈａｎｇｅ−ｏｖｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、通常、約１から２Ｈｚである。コールドヘッドにおける外乱振動は、他の冷却原理（例えば、スターリング（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ）、ギフォードマクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎ））でも発生する。

欧州特許出願公開第０７８０６９８（Ａ１）号は、冷却手段と極低温タンクとの間の機械的切離しを有するＮＭＲデバイスを記載している。

米国特許第７，２８７，３８７（Ｂ２）号は、超伝導磁石を冷却する装置を開示しており、２段コールドヘッドが、ヘリウムで満たされておりかつ真空室により取り囲まれている内室内に突出している。コールドヘッドの室温部は、ばねを介して真空室に取り付けられているコールドヘッドフランジに取り付けられている。真空タンクを環境から封鎖するために、ベローがコールドヘッドフランジと真空室の外壁との間に配置されている。また、内室に対して真空タンクを封止するために、コールドヘッドフランジを内室の壁に接続するためにもベローが設けられている。ばね上でのコールドヘッドの振動取付け（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｍｏｕｎｔｉｎｇ）は、真空室上でコールドヘッドを固定することによる真空室への振動の導入を最小限にする。しかし、真空室および内室を封止するために使用される、片側だけ加圧されるベローは、依然として、コールドヘッドと真空室との間にかつコールドヘッドと内室との間に、無視できない機械的結合を引き起こす。

米国特許第５，０１８，３５９号は、コールドヘッドが磁気シールドに取り付けられておりかつコールドヘッドの１つの冷却アームが真空容器内に突出している極低温冷却装置を開示しており、冷却段が２つの熱放射遮蔽に結合されている。ベローが、真空を環境から封鎖するために、コールドヘッドのフランジと真空容器の外壁との間に使用されている。またこの場合、片側だけ加圧されるベローは、コールドヘッドとの無視できない機械的結合を引き起こす。

ＤＥ１０２００４０３４７２９（Ｂ４）はクライオスタット構成を開示しており、コールドヘッドがばねを介してクライオスタットの外壁に取り付けられている。コールドヘッドの１つの冷却アームがヘリウム容器のネックチューブ内に突出している。冷却アームの上方冷却段と熱放射遮蔽との間に熱的結合を確立するために、ガスギャップが間に残存しているフィン付結合面が設けられている。

本発明の根底にある目的は、特に、外部振動に起因する外乱が殆どないＮＭＲ測定の実施を可能にするために、コールドヘッドとクライオスタットとの間の機械的結合がさらに減少した冷却デバイスを提示することである。

本目的は、可撓性封止部分が極低温容器の内部を環境から封鎖することを特徴とする、前述のタイプの冷却デバイスにより、驚くほど簡単で効果的なやり方で達成される。

本発明の冷却デバイスでは、特に、締め具それ自体により、振動がコールドヘッドによって真空容器内に導入されないように、コールドヘッドは切離し要素により真空室壁に振動を減衰するように取り付けられている。冷却アームがアクセス開口部内にまたは極低温容器内に突出しているので、アクセス開口部または極低温容器は、極低温容器内部の冷媒（極低温液体または関連気体）が消失しないようにまたは汚れないように、封止されていなければならない。

（コールドヘッドに剛結合されている任意の要素を含む）アクセス開口部内に挿入されるコールドヘッドに加えて、アクセス開口部もまた可撓性封止部分により封止される。本発明によれば、後者は、少なくとも部分的にガス状の冷媒が貯蔵されている極低温容器の内部を、空気を含む環境から封鎖する。これに関連して、ガス圧が可撓性封止部分の２つの側の各々において優勢であり、極低温容器のガス圧と環境のガス圧とは、可撓性封止部分において互いに少なくとも部分的に補償する。２つの側の間の圧力差は、通常、０ｍｂａｒと５０ｍｂａｒの間、大抵２５ｍｂａｒ未満であり、若干より高いガス圧が極低温容器内で確立される。これは、ガスの圧力差による可撓性封止部分上の機械的張力を防止するかまたは少なくとも最小限にする。コールドヘッドが振動する場合、可撓性封止部分は、次いで、実質的に自由に振動し、それによりクライオスタットへの振動の移送を最小限にする。これにより、極低温容器内に超伝導磁石を有する冷却デバイスを使用するＮＭＲ測定の外乱が最小限になる。

コールドヘッドとクライオスタットとの間の機械的接続のみは、極低温容器のガス圧およびまた周囲圧力に晒される１つまたは複数の可撓性封止部分を介して、かつ切離し要素を介して、実現されることが好ましい。本発明によれば、特に、真空およびまた周囲圧力または極低温容器のガス圧に晒されかつ必要とされる固体性および結果として生じる機械的張力による相当な機械的結合を引き起こすと考えられる可撓性封止要素を介した、コールドヘッドとクライオスタットとの間の機械的接続はない。

本発明によれば、（コールドヘッドに剛結合されている全ての要素を含む）コールドヘッドは、真空容器を封止することに関与していない。むしろ、真空容器は、コールドヘッド（およびコールドヘッドに剛結合されている全ての要素）とは無関係に、気密に封止される。したがって、真空容器を環境からまたは極低温容器から封鎖するために、可撓性封止部分を構築する必要はない。したがって、真空容器またはその壁は、完全に剛性であるように設計され得る。

要約すれば、本発明によれば、可撓性封止部分は、コールドヘッドの室温部をクライオスタットに（一般に、極低温容器壁から真空容器壁への移行領域内に）気密に接続し、周囲圧力が封止部分の外側で優勢であり（通常、約１０００ｍｂａｒ）かつ極低温容器の圧力は内側で優勢である（通常、約１０２０ｍｂａｒ、極低温容器は極低温液体を含み、この上方に関連ガス、例えばヘリウムまたは窒素、を含む）。小さい圧力差により、封止部分は非常に可撓性がありかつ実質的に機械的張力がないように確立されてもよく、これにより、コールドヘッドと真空容器との間の非常に少ない機械的結合が可能になる。

本発明の好適な変形形態
本発明の冷却デバイスの１つの好適な実施形態では、極低温容器は液体ヘリウムと、また、９５０ｍｂａｒと１１００ｍｂａｒの間の、好ましくは１０１５ｍｂａｒと１０５０ｍｂａｒの間の圧力の気体ヘリウムとを含む。ヘリウムを冷媒として使用することにより、極低温容器内に４．２Ｋの温度が得られ得る。（クライオスタットのアクセス開口部に近接する、極低温容器に属する部分、例えばネックチューブ、を含む）極低温容器内のヘリウム圧は、通常、一定に保たれており、ヘリウム圧は、周囲圧力（またはこの期待される変動範囲）を若干上回っているように選択される。後者はまた、空気によるヘリウムの汚染を防ぐ。代替的極低温液体または代替的気体は窒素である。

別の好適な実施形態では、可撓性封止部分は、真空容器壁上の第１の取付け部分とコールドヘッドの室温部上の第２の取付け部分とを接続し、これらは長手方向軸に対してほぼ同じレベルに配置される。換言すれば、可撓性封止部分は、長手方向軸に対して直角のシールを構築しており、長手方向軸は、通常、垂直方向に延在しており、これにより、通常、水平シールがもたらされる。これは、封止材料に沿った温度勾配を防止し、したがって、封止材料が脆弱にならないようにする。

１つの好適な実施形態では、真空容器壁は完全に剛性であるように設計される。これは、特に簡単で、安定的で、安全である。さらに、極低温容器は低周波振動モードを有さないかまたは少数の低周波振動モードのみを有し、これはＮＭＲ測定への干渉を防止するために好適である。

１つの有利な実施形態では、可撓性封止部分は、エラストマー材料、特にゴムの可塑性ダイヤフラムにより形成されている。可塑性ダイヤフラムは頑丈で、製造が安価である。

別の好適な実施形態では、可撓性封止部分は転動型ダイヤフラムとして設計される。これは実践上好ましいことが分かっている。転動型ダイヤフラムが相対的に小さい空間に相対的に長い可撓性封止部分を構築し、当該封止部分は典型的な振動、例えば約１から２Ｈｚ、の良好な絶縁をもたらす。

１つの好適な実施形態では、熱放射遮蔽が真空容器内の真空容器壁と極低温容器壁との間に配置されており、冷却アームの冷却段が熱放射遮蔽に熱的に結合されており、第１の結合面を有する第１の結合要素が冷却アームの冷却段上に形成されており、かつ第２の結合面を有する第２の結合要素が熱放射遮蔽上に形成されており、２つの結合面は極低温容器内に互いに対向して配置されているが、間隙が第１の結合要素と第２の結合要素との間に残存している。熱放射遮蔽を冷却し、同時に熱放射遮蔽へのコールドヘッドの機械的結合を防止するために、十分な熱交換が、（狭い）間隙を介して（主に間隙内に配置されているガスを介して）２つの結合要素間に起こり得る。このことは、クライオスタットにおける振動を防止することにさらに寄与する。熱放射遮蔽に結合されている冷却段に加えて、通常は、（例えばガス状冷媒の再液化による）冷媒を実際に冷却することに使用される、冷却アーム上のさらなるより冷たい冷却段があることに留意すべきである。結合要素は、通常、環状設計である。

本実施形態の有利なさらなる進展では、熱的結合を高めるために、第１の結合面は軸方向突出部および／または軸方向凹部を有し、第２の結合面はミラー反転軸方向凹部および／またはミラー反転軸方向突出部を有する。突出部および凹部は、小領域内で結合表面積を増大させる。通常、結合面当たり２つから４つの突出部または２つから４つの凹部が設けられている。

第１の結合面は、環状軸方向突出部と環状軸方向凹部とを備えた軸方向に対称な歯部を有利に有し、第２の結合面は、環状軸方向凹部と環状軸方向突出部と備えたミラー反転型の軸方向対称歯部を有する。軸方向の対称性は、長手方向軸を中心としたコールドヘッドの回転による結合面の不整合を防止する。軸方向突出部は、通常、１ｃｍから５ｃｍまでの軸方向高さを有することに留意すべきである。

各環状軸方向突出部および各環状軸方向凹部は、長手方向部分に、特に長手方向に対して１０°と３０°の間の傾斜角度で、三角形状を有することが好ましい。これは、長手方向に対して横方向の、コールドヘッドの振動の場合に、実践上、特にコールドヘッド（または第１の結合要素）と極低温容器壁（または第２の結合要素）との間の接触を防止するために有用であることが分かっている。通常、結合要素当たり２つから４つの歯が設けられている。

別の好適なさらなる進展では、コールドヘッドが撓まない場合、第１の結合面と第２の結合面との間の分離が最小である方向の間隙幅が、０．８ｍｍと４．０ｍｍの間である。この間隙幅では、一般に、極低温容器壁との接触を防止するために、コールドヘッドのための十分な遊びがあり、他方では、結合面間に十分な熱的結合がある。

別の好適な実施形態では、コールドヘッドにより搭載されている切離し要素は、ｆ０≦０．７５Ｈｚ、好ましくはｆ０≦０．５Ｈｚで、固有周波数ｆ０を有する。これらの固有周波数は、これらを効果的に絶縁するために、パルス管冷凍機（約１．５Ｈｚ）内の圧力変動による典型的な外乱周波数を十分に下回る値を有する。ｆ０は、実質的に、ｆｅｘｔ：外乱周波数、特にコールドヘッドが属するパルス管冷凍機の制御弁の切替え周波数（ｃｈａｎｇｅ ｏｖｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）であれば、１／（２＾０．５）^＊ｆｅｘｔより小さいことが好ましい。ｆ０は、一般に、０．５／（２＾０．５）^＊ｆｅｘｔより小さいように設定される。

好適な実施形態によれば、切離し要素は、長手方向軸に対して垂直な２つの直交方向のみにおいて、コールドヘッドによるクライオスタットの励起を最小限にし、制御弁からコールドヘッドまでの接続ラインは、排他的に真っ直ぐでありかつ長手方向軸に対して垂直であるように配置されている。コールドヘッドは、長手方向にクライオスタットに対して不動であるように設計される。接続ラインの配向は、長手方軸向に沿った振動の導入を防止する。本実施形態は構築が安価である。

１つの代替的な有利な実施形態では、切離し要素は、長手方向に対して垂直な２つの直交方向両方において、コールドヘッドによるクライオスタットの励起およびまた長手方向に平行なコールドヘッドの移動を最小限にする。これは、制御弁からコールドヘッドまでの接続ラインの配向に関係なく、あらゆる種類の導入された振動を減衰する。

本実施形態の１つの好適なさらなる進展では、剛壁部と、さらなる可撓性封止部分、特にさらなる転動型ダイヤフラムと、可撓性封止部分により保持されている圧力板とにより画定される補償室が冷却デバイス上に確立されており、剛壁部はクライオスタットの真空容器壁に剛結合されており、圧力板は、長手方向軸に沿ってコールドヘッドに機械的に結合されているかまたはコールドヘッドにより形成されており、圧力板は、やはりアクセス開口部を封止しているコールドヘッドの室温フランジ面に対向して配置されており、この手段は、極低温容器内の圧力に依存している補償室内の圧力を、特に極低温容器内の圧力に等しくなるように、調節するために設けられている。本構成は、例えば気象変化による周囲の気圧変動を補償する。コールドヘッドは、（一般に）コールドヘッドをアクセス開口部から外へ押し出そうとする、極低温容器内のガス圧による小さい力に晒される。この力の量は極低温容器と周囲との間の圧力差に左右される。（長手方向軸に対して）クライオスタットに対してコールドヘッドを一定の位置に保つために、圧力板および補償室内のガス圧を介してコールドヘッドに対抗力がかけられることが可能である。

当該手段は、極低温容器を補償室に接続する圧力補償ラインを有利に含む。このようにして、補償室内の圧力は、非常に簡単かつ安価な方法で、極低温容器内のガス圧に依存して確立され得る。圧力補償ラインが十分に大きい横断面を有する場合、補償室内の圧力は、次いで、極低温容器内の圧力にほぼ等しくなる。

圧力板の表面とコールドヘッドの室温フランジの表面とは大きさが等しく、互いに平行に配置されていることが好ましい。このため、コールドヘッドの両側のガス圧誘起性の力（ｇａｓ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｏｒｃｅ）は容易に相殺されることが可能である。

圧力板は、コールドヘッドから有利に分離されており、特に単一の軸受球または複数の軸受球により形成されている転動手段が、圧力板とコールドヘッドの後側との間に配置されている。転動手段は、長手方向軸を中心とした圧力板に対するコールドヘッドの回転および主に圧力板に対するまたはクライオスタット上でのコールドヘッドの単純な傾斜運動を可能にし、それにより、コールドヘッドの振動の特に良好な絶縁を実現する。単一の軸受球の場合、コールドヘッドは、長手方向に対して垂直な任意の傾斜軸を中心に傾斜し得る。また、転動手段は複数の軸受球、例えば３つの軸受球または転がり軸受レース、を含んでいてもよい。

１つの好適な実施形態では、制御弁とコールドヘッドとの間の接続ラインが、接触点でコールドヘッドに接続されており、接触点は、第１の結合要素から離れて長手方向軸の方向に、コールドヘッドの重心から離間されている。このようにして、特に歯付結合面領域において、コールドヘッドの振幅が最小化され得る。長手方向軸の方向に対する接触点の最適位置を決定するために、切離し要素の挙動は考慮に入れられるべきであることに留意すべきである。必要に応じて、接触点の最適位置は実験により決定され得る。

別の有利な実施形態では、コールドヘッドは冷却段とさらなるより冷たい冷却段とを含み、冷却段は、実質的に、長手方向軸の方向に熱放射遮蔽の位置にあり、さらなるより冷たい冷却段は、冷却段より深く極低温容器内に突出している。真空容器内に配置されておりかつ極低温容器を取り囲んでいる熱放射遮蔽は、極低温容器内への熱入力を低減する。熱放射遮蔽の位置における冷却段の配置は小型構造を実現し、冷却段への熱放射遮蔽の熱的結合は短距離を介して効率的に実現され得る。さらなる冷却段は極低温液体の効率的な再液化を実現する。

別の有利な実施形態では、切離し要素は「負剛性」絶縁要素として設計される。「負剛性」絶縁要素は、特に、米国特許出願公開第２０１４／００４８９８９（Ａ１）号にまたは米国特許第５，１７８，３５７（Ａ）号にも記載されているように設計されていてもよい。これらの切離し要素は弱励起時に大きな撓みを示し、同様の小型構造において従来の金属ばねまたはゴム軸受では殆ど達成され得ない、１Ｈｚ未満の固有周波数で、特にまた０．４Ｈｚ未満の範囲内で、設計されてもよい。また、空気サスペンションに基づく切離し要素が、例えば代替的に使用されてもよい。

また、本発明は、ＮＭＲ測定構成における発明の前述の冷却デバイスの使用に関し、極低温容器は電磁コイルを含み、試料がクライオスタットの室温穴部内に配置されており、試料がＮＭＲ測定を受け、特に、試料のＮＭＲスペクトルが記録される。高温超伝導材料および／または低温超伝導材料で巻かれていてもよい電磁コイルは、極低温容器内の極低温液体により冷却され、コールドヘッドは、導入された振動によりＮＭＲ測定を妨害することなく、極低温液体の動作温度を維持する。

本発明のさらなる利点が説明および図面から引き出され得る。前述かつ後述されている特徴は、個々にまたは任意の組合せで集合的にのどちらかで、本発明に基づいて使用され得る。図示され、記載されている実施形態は、包括的列挙として理解されないが、本発明を説明するための例示的特性を有する。

本発明は図面に示されており、実施形態に関連してより詳細に説明されている。

発明の冷却デバイスと、発明の冷却デバイスから分離されて配置されている制御弁を含むＮＭＲ測定構成の概略側面図である。 発明の冷却デバイスと、発明の冷却デバイスから分離されて配置されている制御弁を含むＮＭＲ測定構成の概略上面図である。 補償室を備えた発明の冷却デバイスの実施形態の概略長手方向断面図である。 補償室を備えた発明の冷却デバイスの実施形態の概略部分切断斜視図である。 長手方向軸に沿った方向に固定されているコールドヘッドを備えた発明の冷却デバイスの実施形態の概略部分切断斜視図である。

図１ａおよび図１ｂは、発明の冷却デバイス２０を含むＮＭＲ測定構成３３の側面図および上面図を示す。

パルス管冷凍機のこの場合には、冷却デバイス２０は、クライオスタット２３とコールドヘッド１とを含み、コールドヘッド１の１つの冷却アームがクライオスタット２３のアクセス開口部内に挿入されている（後者は図示されていない。これに関連して図２ａ、図２ｂ参照）。コールドヘッド１は、切離し要素５を介してクライオスタット２３の外側に取り付けられている。コールドヘッド１は、接続ライン１４を介して制御弁２１にさらに接続されている。支持部２２上の分離した制御弁２１が、接続ライン１４を介して、作動ガスの低圧槽および高圧槽（図示せず）を、約１から２Ｈｚの周波数を有するコールドヘッド１に交互に接続し、それにより、コールドヘッド１を冷却する。この場合、接続ライン１４は直線状に案内されており、この冷却アームが沿って延在している、コールドヘッド１の（この場合には垂直な）長手方向軸ＬＡに対して垂直である。

クライオスタット２３は、測定される試料３１を収容する室温穴部３０を有する。超伝導電磁コイル３２が、試料３１の位置に強い均一磁場Ｂ_０を生成する。ＲＦパルスが、無線周波数（ＲＦ）共振器３４により試料３１内に照射され、試料３１のＲＦ反応が読み出される。

図２ａおよび図２ｂは、例えば図１の構成において使用され得るような、コールドヘッド１の領域内の冷却デバイス２０の実施形態の長手方向断面図および部分切断斜視図を示す。図２ａ、図２ｂは、クライオスタット２３の小部分を示しているに過ぎず、かつ特に、さらに下方に配置されているクライオスタット２３の部分は、簡略化するために、各場合において省略されていることに留意すべきである。

冷却デバイス２０は、室温部１ａと冷却アーム１ｂとを備えたコールドヘッド１を含む。冷却アーム１ｂは、長手方向軸ＬＡに沿って、極低温容器２内につながる、クライオスタット２３のアクセス開口部１３内に突出している。室温部１ａは、クライオスタット２３の外側上に、すなわちロッド１７および切離し要素５を介して真空容器壁４ａ上に、振動を減衰するように取り付けられている。図示の実施形態では、これにより、長手方向軸ＬＡに対して垂直に方向付けられている２つの直交方向ｘ、ｙの振動、および長手方向軸ＬＡに沿った方向ｚに方向付けられている振動が、クライオスタット２３から絶縁されている。この場合、切離し要素５は「負剛性」絶縁要素として設計される。

極低温容器２は、少なくとも一部が極低温液体、例えば液体ヘリウム（詳細に図示せず）、で満たされており、極低温容器２内のこの上方に、関連するガス、例えば気体ヘリウム、が配置されている。極低温容器２は、ＮＭＲ測定のための超伝導電磁コイルが配置されている下方主要部２ａ（詳細に図示せず。これに関連して図１ａ参照）と、冷却アーム１ｂが中に突出する上方ネックチューブ様部２ｂとを含むことに留意すべきである。

アクセス開口部１３は、コールドヘッド１の室温部１ａの下側と、この場合には転動型ダイヤフラムとして設計される可撓性封止部分６とにより封止されている。可撓性封止部分６は、外側で、（ここで極低温容器壁２ｃに合併する）真空容器壁４ａの第１の取付け部分２７に、内側で、コールドヘッド１の室温部１ａの第２の取付け部分２６に固定されている。取付け部分２６、２７は、可撓性封止部分６がいかなる顕著な温度勾配にも暴露されないが完全に実質的に室温にあるように、長手方向軸ＬＡの方向に対して同じレベルに配置されている。可撓性封止部分６は、この下側で極低温容器２のガス圧に、この上側で周囲の気圧に、暴露される。

真空容器４は、極低温容器２を取り囲んで配置されており、この内側は真空である。熱放射遮蔽３が真空容器壁４ａと極低温容器壁２ｃの下部との間に配置されている（また、本発明の範囲内で、複数の熱放射遮蔽が真空容器４内に設けられ得るであろうことに留意すべきである）。コールドヘッド１の冷却段１５が、２つの結合要素２４、２５を介して非接触で、熱放射遮蔽３に熱的に結合されている。第１の結合要素２４は冷却段１５に取り付けられており、第２の結合要素２５は、熱放射遮蔽が極低温容器壁２ｃを貫通して突出している熱放射遮蔽３に取り付けられている。第１の結合要素２４の第１の結合面２４ａは環状に鋸歯状になっており、かつ三角形横断面を有する３つの突出部を有する。第２の結合要素２５の第２の結合面２５ａもまた環状に鋸歯状になっており、三角形横断面を有する３つの突出部を有する。突出部の側面は、約２０°の傾斜αの角度で、長手方向軸ＬＡに対して全て傾斜している。結合面２４ａ、２５ａの突出部は互いの中に係合しており、しかし、結合面２４ａ、２５ａ間に間隙が残存している。（突出部の側面に対して垂直な）間隙幅ＳＢは、この場合、約２ｍｍである。したがって、結合要素２４、２５は互いに接触しない。

軸受球９が、コールドヘッド１ａの平坦な後側１ｄ上に配置されている。圧力板１０が軸受球９上に支持されており、圧力板１０は、さらなる可撓性封止部分７、この場合にはやはり転動型ダイヤフラム、を用いて気密に、剛壁部１９に接続されている。剛壁部１９は、この場合にはロッド３５を介して真空容器壁４ａに剛結合されている。補償室８が、剛壁部１９と、さらなる封止部分７と、圧力板１０とにより画定される。補償室８内のガス圧が極低温容器２内と同じであるように、補償室８は圧力補償ライン２８を介して極低温容器２に接続されている。コールドヘッド１の室温部１ａもまたアクセス開口部１３を封止するのに使用する、圧力板１０の表面と室温フランジ面１８とは、同じ大きさを有する。このため、コールドヘッド１が、周囲の気圧に関係なく、（圧力板１０を介して）最上部からのかつ下方からの（極低温容器２からの）同じ力に暴露されることが確実になる。このため、周囲の気圧が変動しても、長手方向軸ＬＡに沿ったコールドヘッド１の位置は一定に保たれる。極低温容器２内のガス圧は一般に一定に保たれていることに留意すべきである。特に、再調整のために、極低温容器２内のガス圧は電気ヒータ（図示せず）のスイッチをオンにする（または強める）ことにより増大されることが可能であり、電気ヒータのスイッチをオフにする（または弱める）ことにより低減されることが可能である。また、可撓性封止部分６とさらなる可撓性封止部分７とは構造上同一であるように選択されてもよいことに留意すべきである。

コールドヘッド１への作動ガス用の接続ライン１４はコールドヘッド１に接触点２９を有し、接触点２９は、コールドヘッド１の重心ＳＰの若干上方に長手方向軸ＬＡに沿って配置されており、したがって長手方向軸ＬＡに沿って第１の結合要素２４から離れて重心ＳＰから離間されている。これは、コールドヘッド１が結合要素２４、２５の領域内で比較的小さい撓み振幅を有するように、接続ライン１４を通る圧力衝撃の場合、コールドヘッド１の有利な傾斜挙動をもたらす。結合面２４ａ、２５ａ間の間隙は、相対的に小さいように相応に選択されることが可能であり、これが熱的結合を増大させ、室温にある、極低温容器２のネックチューブ様部２ｂの端部に向かって最上部へ流動する冷ガスによる熱損失を最小限にする。

要約すれば、コールドヘッド１は、本発明による冷却デバイス２０を使用して、切離し要素５を介して真空容器４に振動を減衰するように取り付けられることが可能である。極低温タンク２は、ほぼ無張力の可撓性封止部分６を介してコールドヘッド１に対して封止されており、それにより、一方の極低温タンク２またはクライオスタット２３と他方のコールドヘッド１との間の機械的結合を最小限にする。このため、可撓性封止部分６は環境と極低温容器２との間で使用されるだけであるので、可撓性封止部分６はほぼ無張力で維持され得る。上方の第１の冷却段１５において、コールドヘッド１は、熱放射遮蔽３に、歯付結合面２４ａ、２５ａを介して非接触で、熱的に結合されており、下方のさらなる冷却段１６は、さらなる機械的結合がこれにより導入されないように、含まれている極低温液体の液体レベルの上方に、極低温容器２の主要部２ａの領域内にある。

図示の発明の冷却デバイス２０の特定の特徴は、以下に詳細に再度説明される。

コールドヘッド１は、その第２のさらなる冷却段１６が極低温容器（ヘリウムタンク）２の下方主要部２ａ内に突出しかつその第１の冷却段１５が熱放射遮蔽３を冷却するように、クライオスタット２３内に設置されている。段１５、１６はどちらもクライオスタット２３と機械的に接触していない。熱的結合は冷媒槽の上方に配置されているガスを介して（熱放射により小範囲で）実現される。コールドヘッド１は、切離し要素５、この場合にはクライオスタット２３の真空容器（外側容器）４に取り付けられている「負剛性」絶縁要素、により保持されている。コールドヘッド１が中に据え付けられている、コールドヘッド１と極低温タンク２のネックチューブ様部２ｂとの間の間隙は、可撓性封止部分６、この場合には転動型ダイヤフラム、を介して封止されている。ネックチューブ様部２ｂは、極低温タンク２の下方主要部２ａと真空容器４との間の接続部である。

以下に説明されている可撓性封止部分６およびさらなる可撓性封止部分７は、これらが真空容器４とコールドヘッド１との間の任意の許容し難く高い機械的結合を引き起こさないように設計される。このような目的で、ダイヤフラムにおける圧力差は、外側の大気圧（約１０００ｍｂａｒ）、極低温容器２内の若干の超過気圧（約１０２０ｍｂａｒ）で、相対的に小さいように調節される。極低温容器２内の圧力は可能な限り一定に保たれており、大気圧とは無関係である。極低温容器２内の定圧は、生成される磁場の安定性に重要な冷媒槽の温度を厳密に一定に保つために重要である。

切離し要素５すなわち「負剛性」絶縁要素は、全３つの空間方向に非常に「柔軟である」（これは、小さい力が大きな変位を引き起こすことを意味する）ので、不可避の気象誘発性の大気圧変動は最上部または底部へのコールドヘッド１の移動をもたらすと考えられる（大気圧が低下した場合、コールドヘッド１は最上部へ移動すると考えられる）。このことを回避するために、コールドヘッド１は、極低温容器内のガス圧と大気圧との間の差の変化を補償する力で、最上部からの機構により加圧される。これは、可撓性封止部分（ダイヤフラム）７でやはり封止されている補償室８により実現される。室８の圧力板１０は、コールドヘッド１の室温フランジと同一の表面を有する。室８は真空容器４に剛固定されており、室８内のかつ極低温容器２内の圧力が常に同じであるように、管またはホースにより極低温容器２に接続されている。１つまたは複数の軸受球９がコールドヘッド１と圧力板１０との間に配設されており、これは、コールドヘッド１が、圧力板１０に対して傾斜運動を行うことを可能にする。

可撓性封止部分６の振動絶縁特性は、並進運動に関してよりも、傾斜運動に関してさらに良好である。接続ライン（回転弁ライン）１４によりコールドヘッド１の室温部１ａに力がかけられた場合、コールドヘッド１は、このように、室温フランジのほぼ中心にある点を中心に回転する。この回転運動は、コールドヘッド１が球９上のかつ圧力板１０上の最上部で転動し得るので、可能であるに過ぎない。

この構造の極低温容器２内のガス圧は、常に大気圧を上回っているべきである。これは、動作エラーの場合または漏出の場合、不純物（例えば空気）の導入を防止する。さらに、極低温容器２内のガス圧が小さ過ぎる場合、圧力板１０は軸受球９から離昇し得る。

図３は、相違点のみが以下に説明されるように、図２ａおよび図２ｂの実施形態に類似した、発明の冷却デバイス２０のさらなる実施形態を示す。

冷却デバイス２０は、ロッド１７を介して切離し要素５に堅く取り付けられているコールドヘッド１を含み、切離し要素５はクライオスタット２３またはこの真空容器壁４ａに取り付けられている。この場合、切離し要素５は、長手方向軸ＬＡに対して垂直な方向ｘ、ｙに、しかし長手方向軸ＬＡと平行な方向ｚにではなく、クライオスタット２３に対するロッド１７の移動、およびしたがってコールドヘッド１の振動切離しを可能にするのみである。

このため、作動ガスの圧力衝撃によりコールドヘッド１へ接続ライン１４で伝達される力がコールドヘッド１を上昇または下降させないように、本実施形態の接続ライン１４は、直線状に、長手方向軸ＬＡに対して垂直に、延在していなければならないまたは結合されていなければならない。これらの力は、クライオスタット２３全体の長手方向軸ＬＡに沿った振動をトリガすると考えられる。長手方向軸ＬＡに対して垂直な力の付与は、制御弁（回転弁）を適正な大きさの支持部上に支持する（この場合、図１、参照番号２２参照）ことにより容易に防止され得る。

１ コールドヘッド
１ａ 室温部
１ｂ 冷却アーム
１ｄ （コールドヘッド１の平坦な）後側
２ 極低温容器、極低温タンク
２ａ 下方主要部
２ｂ 上方ネックチューブ様部
２ｃ 極低温容器壁
３ 熱放射遮蔽
４ 真空容器
４ａ 真空容器壁
５ 切離し要素
６ 可撓性封止部分
７ さらなる可撓性封止部分
８ 補償室
９ 軸受球
１０ 圧力板
１３ アクセス開口部
１４ 接続ライン
１５ 第１の冷却段
１６ さらなる冷却段
１７、３５ ロッド
１８ 室温フランジ面
１９ 剛壁部
２０ 冷却デバイス
２１ 制御弁
２２ 支持部
２３ クライオスタット
２４ 第１の結合要素
２４ａ （第１の結合要素２４の）第１の結合面
２５ 第２の結合要素
２５ａ （第２の結合要素２５の）第２の結合面
２６ （コールドヘッド１の室温部１ａの）第２の取付け部分
２７ （真空容器壁４ａの）第１の取付け部分
２８ 圧力補償ライン
２９ 接触点
３０ 室温穴部
３１ 試料
３２ 超伝導電磁コイル
３３ ＮＭＲ測定構成
３４ 無線周波数（ＲＦ）共振器
Ｂ_０ 強い均一磁場
ｆ０ 固有周波数
ＬＡ 長手方向軸
ＳＢ 間隙幅
ＳＰ （コールドヘッド１の）重心
ｘ、ｙ、ｚ 方向
α 傾斜

Claims (22)

1. クライオスタット（２３）とコールドヘッド（１）、特にパルス管冷凍機の前記コールドヘッド（１）とを含む冷却デバイス（２０）であって、前記クライオスタット（２３）は、
   真空容器壁（４ａ）を備え、前記真空容器壁（４ａ）は真空容器（４）内部の真空を環境から封鎖する、真空容器（４）と、
   極低温容器壁（２ｃ）を有する、極低温液体および／または極低温気体用の極低温容器（２）とを含み、前記極低温容器（２）は前記真空容器（４）内部に配置されており、前記極低温容器壁（２ｃ）は前記極低温容器（２）の内部を前記真空容器（４）の前記真空から封鎖しており、前記コールドヘッド（１）の室温部（１ａ）が切離し要素（５）により前記真空容器壁（４ａ）に振動を減衰するように取り付けられており、前記コールドヘッド（１）の冷却アーム（１ｂ）が、長手方向軸（ＬＡ）に沿って、前記クライオスタット（２３）のアクセス開口部（１３）を貫通して前記極低温容器（２）内に突出しており、前記真空容器壁（４ａ）を前記コールドヘッド（１）の前記室温部（１ａ）に直接または間接的に接続する可撓封止部分（６）が設けられている、冷却デバイス（２０）において、前記可撓封止部分（６）は前記極低温容器（２）の前記内部を前記環境から封鎖していることを特徴とする冷却デバイス（２０）。
2. 前記極低温容器（２）は、液体ヘリウムと、また、９５０ｍｂａｒと１１００ｍｂａｒの間の、好ましくは１０１５ｍｂａｒと１０５０ｍｂａｒの間の圧力の気体ヘリウムとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の冷却デバイス（２０）。
3. 前記可撓性封止部分（６）は、前記真空容器壁（４ａ）上の第１の取付け部分（２７）を、前記コールドヘッド（１）の前記室温部（１ａ）上の第２の取付け部分（２６）に接続し、これらは前記長手方向軸（ＬＡ）に対してほぼ同じレベルに配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却デバイス（２０）。
4. 前記真空容器壁（４）は完全に剛性であるように設計されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
5. 前記可撓性封止部分（６）はエラストマー材料、特にゴムの可塑性ダイヤフラムにより形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
6. 前記可撓性封止部分（６）は転動型ダイヤフラムとして設計されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
7. 熱放射遮蔽（３）が前記真空容器（４）内の前記真空容器壁（４ａ）と前記極低温容器壁（２ｃ）との間に配置されており、前記冷却アーム（１ｂ）の冷却段（１５）が前記熱放射遮蔽（３）に熱的に結合されており、
   第１の結合面（２４ａ）を有する第１の結合要素（２４）が前記冷却アーム（１ｂ）の前記冷却段（１５）上に形成されており、
   かつ第２の結合面（２５ａ）を有する第２の結合要素（２５）が前記熱放射遮蔽（３）上に形成されており、
   前記２つの結合面（２４ａ、２５ａ）は前記極低温容器（２）内で互いに対向して配置されているが、前記第１の結合要素（２４）と前記第２の結合要素（２５）との間に間隙が残存していることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
8. 熱的結合を高めるために、前記第１の結合面（２４ａ）は軸方向突出部および／または軸方向凹部を有し、前記第２の結合面（２５ａ）はミラー反転軸方向凹部および／またはミラー反転軸方向突出部を有することを特徴とする、請求項７に記載の冷却デバイス（２０）。
9. 前記第１の結合面（２４ａ）は、環状軸方向突出部および環状軸方向凹部を備えた軸方向対称歯部を有し、前記第２の結合面（２５ａ）は、環状軸方向凹部および環状軸方向突出部を備えたミラー反転軸方向対称歯部を有することを特徴とする、請求項８に記載の冷却デバイス（２０）。
10. 前記環状軸方向突出部および前記環状軸方向凹部は、特に１０°と３０°の間の前記長手方向軸に対する傾斜角度（α）で、長手方向断面に三角形状を有することを特徴とする、請求項９に記載の冷却デバイス（２０）。
11. 前記コールドヘッド１が撓まない場合、前記第１の結合面（２４ａ）と前記第２の結合面（２４ｂ）との間の分離が最小である方向の間隙幅（ＳＢ）は０．８ｍｍと４．０ｍｍの間であることを特徴とする、請求項７から１０のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
12. 前記コールドヘッド（１）に搭載されている前記切離し要素（５）は、ｆ０≦０．７５Ｈｚ、好ましくはｆ０≦０．５Ｈｚで、固有周波数ｆ０を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
13. 前記切離し要素（５）は、前記長手方向軸（ＬＡ）に対して垂直な２つの直交方向（ｘ、ｙ）においてのみ、前記コールドヘッド（１）による前記クライオスタット（２３）の励起を最小限にし、制御弁（２１）から前記コールドヘッド（１）への接続ライン（１４）が排他的に真っ直ぐでありかつ前記長手方向軸（ＬＡ）に対して垂直であるように配置されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
14. 前記切離し要素（５）は、前記長手方向軸（ＬＡ）に対して垂直な２つの直交方向（ｘ、ｙ）両方およびまた前記長手方向軸（ＬＡ）に平行な前記コールドヘッド（１）の移動において、前記コールドヘッド（１）による前記クライオスタット（２３）の励起を最小限にすることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
15. 剛壁部（１９）と、さらなる可撓性封止部分（７）、特にさらなる転動型ダイヤフラムと、前記可撓性封止部分（７）により保持されている圧力板（１０）とにより画定される補償室（８）が前記冷却デバイス（２０）上に確立されており、前記剛壁部（１９）は前記クライオスタット（２３）の前記真空容器壁（４）に剛結合されており、前記圧力板（１０）は、前記長手方向軸（ＬＡ）に沿って前記コールドヘッド（１）に機械的に結合されているかまたは前記コールドヘッド（１）により形成されており、前記圧力板（１０）は、やはり前記アクセス開口部（１３）を封止している前記コールドヘッド（１）の室温フランジ面（１８）に対向して配置されており、
    かつこの手段は、前記極低温容器（２）内の圧力に依存している前記補償室（８）内の圧力を、特に前記極低温容器（２）内の前記圧力に等しくなるように調節するために設けられていることを特徴とする、請求項１４に記載の冷却デバイス（２０）。
16. 前記手段は、前記極低温容器（２）を前記補償室（８）に接続する圧力補償ライン（２８）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の冷却デバイス（２０）。
17. 前記圧力板（１０）の表面と前記コールドヘッド（１）の前記室温フランジ面（１８）とは大きさが等しく、互いに平行に配置されていることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の冷却デバイス（２０）。
18. 前記圧力板（１０）は前記コールドヘッド（１）から分離されており、特に単一の軸受球（９）または複数の軸受球（９）により形成されている転動手段が、前記圧力板（１０）と前記コールドヘッド（１）の後側（１ｄ）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
19. 制御弁（２１）と前記コールドヘッド（１）との間の接続ライン（１４）が、接触点（２９）で前記コールドヘッド（１）に接続されており、前記接触点（２９）は、前記長手方向軸（ＬＡ）の方向に前記第１の結合要素（２４）から離れて、前記コールドヘッド（１）の重心（ＳＰ）から離間されていることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
20. 前記コールドヘッド（１）は前記冷却段（１５）とさらなるより冷たい冷却段（１６）とを含み、前記冷却段（１５）は、実質的に、前記長手方向軸（ＬＡ）の前記方向（ｚ）に熱放射遮蔽（３）の位置にあり、前記さらなるより冷たい冷却段（１６）は、前記冷却段（１５）より前記極低温容器（２）内にさらに突出していることを特徴とする、請求項１から１９のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
21. 前記切離し要素（５）は「負剛性」絶縁要素として設計されることを特徴とする、請求項１から２０のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）。
22. 前記極低温容器（２）は電磁コイル（３２）を含み、試料（３１）が前記クライオスタット（２３）の室温穴部（３０）内に配置されており、前記試料（３１）はＮＭＲ測定を受け、特に前記試料（３１）のＮＭＲスペクトルが記録されることを特徴とする、ＮＭＲ測定構成（３３）における請求項１から２１のいずれか１項に記載の冷却デバイス（２０）の使用。