JP2023076871A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバを開放するまでの時間を短縮できる冷凍システムを提供する。
【解決手段】冷凍システムは、対象物を収容する冷却領域を形成する真空チャンバと、冷却領域に収容された対象物を冷却する冷却ユニットと、冷却領域に配置されると共に熱を発生する加熱ユニット４と、を備える。加熱ユニット４は、真空チャンバの外部から与えられた光を導く光ファイバ４１と、冷却領域に配置され、光ファイバ４１から出射された光を受けることによって発熱する加熱ブロック４４と、を有する。加熱ブロック４４は、冷却領域から隔離されるように構成された閉鎖領域Ｓ２を含む。光ファイバ４１の光出射端４１２は、閉鎖領域Ｓ２に露出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍システムに関する。

特許文献１は、極低温冷凍システムに関する技術を開示する。極低温冷凍システムは、冷却の対象となる物体を収容する容器を備えている。容器は、外部からの熱移動を阻害する。例えば、特許文献１の極低温冷凍システムは、熱輻射を抑制するためのいくつかの輻射シールドを備えている。

特開２０１８－１５１１４８号公報

冷凍システムは、様々な理由によって容器（チャンバ）を開放することがある。冷凍運転を停止した直後は、チャンバの内部に配置された部品の温度が低い。従って、冷凍運転を停止した直後にチャンバを開放すると、大気中の水蒸気が冷却されている部品に結露する可能性がある。さらには、冷却されている部品の周囲に霜となって堆積してしまう。

そこで、チャンバを開放するときには、チャンバの内部に配置された部品の温度が室温近傍にまで達するまで待機する。ここで、チャンバの内部は、冷凍運転時においては極低温にまで冷却する必要性からチャンバの外部から熱が流入しにくくされている。さらに、チャンバの内部に配置された部品は、極めて低い温度にまで冷却されているので、室温近傍にまで達するまでに相当の時間を要していた。その結果、冷凍運転を停止したのちにチャンバを開放するまでに相当の時間を必要としていた。

そこで、本発明は、チャンバを開放するまでの時間を短縮できる冷凍システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態である冷凍システムは、対象物を収容するとともに冷却を行う冷却領域を形成するチャンバと、冷却領域に収容された対象物を冷却する冷却ユニットと、冷却領域に配置されると共に熱を発生する加熱ユニットと、を備え、加熱ユニットは、冷却領域に配置され、光を受けることによって発熱する加熱ブロックと、加熱ブロックに光を照射する光照射部と、を有し、加熱ブロックは、冷却領域から隔離された閉鎖領域を含み、光照射部は、光を閉鎖領域に照射する。

この冷凍システムは、チャンバの内部に配置される加熱ブロックを備えている。加熱ブロックは、光の照射を受けて発熱する。加熱ブロックによって、チャンバの内部に配置されている対象物を積極的に昇温させることができる。従って、チャンバの内部に配置された部材の温度を速やかに上昇させることが可能である。その結果、チャンバを開放するまでの時間を短縮することができる。

上記の冷凍システムの閉鎖領域は、加熱ブロックに固定された蓋部によって冷却領域から隔離され、蓋部は光照射部を含んでもよい。この構成によれば、閉鎖領域を確実に冷却領域から隔離して、光のエネルギを熱のエネルギに効率よく変換できるとともに、加熱ユニットを小型化することができる。

上記の冷凍システムの閉鎖領域は、光が照射される光吸収領域を含み、光吸収領域は、加熱ブロックの基材よりも光の吸収率が高い光吸収面を有してもよい。この構成によれば、光のエネルギを熱のエネルギに効率よく変換できる。

上記の冷凍システムの光吸収領域は、筒状であり、光吸収面は、光吸収領域を囲む内周壁面であってもよい。この構成によれば、光照射部から出射された光を効率よく光吸収面に照射しやすくなる。

上記の冷凍システムの光吸収面は、凹凸状であってもよい。この構成によれば、光吸収面の表面積を大きくし、より光のエネルギを熱のエネルギに効率よく変換できる。

上記の冷凍システムにおける光吸収領域の底は、光吸収穴底面によって規定され、光吸収穴底面は、テーパ形状であってもよい。この構成によれば、光の進行方向を変化させることができるので、光が光吸収面に吸収される機会を増やすことができる。

上記の冷凍システムの閉鎖領域は、光照射部の光出射端が配置される光出射端露出領域を含み、光照射部の光軸に交差する光出射端露出領域の断面の面積は、光吸収領域の光軸に交差する断面の面積よりも大きくてもよい。この構成によれば、光出射端へ再び入射する戻り光の発生を抑制できる。

上記の光照射部は、光を導光する光ファイバと、光ファイバを保持すると共に、光ファイバを加熱ブロックに取り付ける光ファイバホルダとをさらに備えてもよい。この構成によれば、加熱ブロックに対する光ファイバの位置を保持することができ、加熱ブロックに対して安定した光照射を行うことができる。

上記の冷凍システムにおける加熱ブロックの基材の熱伝導率は、光ファイバホルダの基材の熱伝導率よりも大きくてもよい。この構成によれば、対象物へ熱を良好に提供することができる。

上記の冷凍システムの加熱ブロックは、第１主面と、第１主面と交差する第２主面と、を有し、第１主面には、光照射部が配置され、第２主面は、対象物に熱的に接触してもよい。この構成によれば、加熱ブロックから対象物へ熱を良好に提供することができる。

上記の冷凍システムにおける第２主面と対象物との間には、熱伝導部材が挟み込まれていてもよい。この構成によれば、第２主面と対象物との間の熱抵抗を下げることができる。

上記の冷凍システムの冷却ユニットは、冷凍機と、冷凍機に連結されると共に冷却領域に配置された支持台と、を有し、支持台は、対象物が配置されるステージと、ステージを支持するコラムと、を含み、加熱ユニットは、コラムに取り付けられてもよい。この構成によれば、コラムを積極的に加熱することができる。

上記の冷凍システムの冷却ユニットは、冷凍機と、冷凍機に連結されると共に冷却領域に配置された支持台と、を有し、支持台は、対象物が配置されるステージと、ステージを支持するコラムと、を含み、加熱ユニットは、ステージに取り付けられてもよい。この構成によれば、ステージを積極的に加熱することができる。

上記の冷凍システムの対象物は、入射した光に応じる信号を出力する光センサを含んでもよい。この構成によれば、光センサを備えた冷凍システムを得ることができる。

本発明によれば、チャンバを開放するまでの時間を短縮できる冷凍システムが提供される。

図１は、実施形態の冷凍システムを示す斜視図である。 図２は、図１の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す斜視図である。 図３は、加熱ユニットを分解して内部構造を示す斜視図である。 図４は、加熱ユニットの閉鎖空間を示す断面図である。 図５（ａ）は、変形例１の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。図５（ｂ）は、変形例２の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。 図６（ａ）は、変形例３の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。図６（ｂ）は、変形例４の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。 図７（ａ）は、変形例５の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。図７（ｂ）は、変形例６の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。図７（ｃ）は、変形例７の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。 図８（ａ）は、変形例８の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。図８（ｂ）は、変形例９の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。図８（ｃ）は、変形例１０の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。図８（ｄ）は、変形例１１の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す側面図である。 図９（ａ）は、変形例１２の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。図９（ｂ）は、変形例１３の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。図９（ｃ）は、変形例１４の冷凍システムが備える加熱ユニットを示す断面図である。 図１０（ａ）は、変形例１５の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す図である。図１０（ｂ）は、変形例１６の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す図である。図１０（ｃ）は、変形例１７の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す図である。 図１１（ａ）は、変形例１８の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す図である。図１１（ｂ）は、変形例１９の冷凍システムが備える加熱ユニットの配置を示す図である。 図１２は、熱伝導部材を介して加熱ユニットを保持部材に取り付ける構成を示す図である。 図１３（ａ）は、実験例１の結果を示すグラフである。図１３（ｂ）は、実験例２及び実験例３の結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、冷凍システム１は、真空チャンバ２と、冷却ユニット３と、加熱ユニット４と、を有する。冷凍システム１は、いわゆるクライオスタットである。冷凍システム１は、対象物９１の温度を所定の極低温の温度に維持する。対象物９１は、測定用試料や、極低温下での動作が好ましい電気駆動素子（例えば光センサ）などである。

真空チャンバ２は、冷却領域Ｓ１を形成する。冷却領域Ｓ１は、対象物９１が配置される領域である。対象物９１の温度を極低温に維持するためには、対象物９１への熱移動を抑制する必要がある。空気を介した対象物９１への熱伝導による熱の移動を抑制するため、冷却領域Ｓ１は、真空とされる。また、対象物９１への熱移動は、熱伝導だけでなく、輻射によっても生じる。具体的には、真空チャンバ２の内壁面から放射され、対象物９１に吸収される輻射熱である。このような輻射も抑制する必要がある場合には、真空チャンバ２の内壁と対象物９１との間に熱を遮断する熱シールドを設けてもよい。

真空チャンバ２は、天板部２１と、円筒部２２と、チャンバフランジ２３と、を有する。真空チャンバ２の外形形状は、おおよそ円筒である。真空チャンバ２の上端は、天板部２１によって閉鎖されている。真空チャンバ２の下端は、開口２ａによって開放されている。真空チャンバ２は、天板部２１と円筒部２２とによって囲む空間を形成する。この天板部２１と円筒部２２とによって囲む空間は、冷却領域Ｓ１である。つまり、冷却領域Ｓ１は、円柱状である。天板部２１の裏面２ｂは、冷却領域Ｓ１に露出する。円筒部２２の内周面２ｃも、冷却領域Ｓ１に露出する。なお、真空チャンバ２の形状は、円筒に限定されない。真空チャンバ２の形状は、角筒形状であってもよいし、球形であってもよい。

真空チャンバ２の下端における外周面には、チャンバフランジ２３が設けられている。真空チャンバ２は、チャンバフランジ２３にボルトを取り付けるなどして、冷却ユニット３に固定される。真空チャンバ２の円筒部２２には、いくつかの導出入部２４が設けられている。導出入部２４は、真空チャンバ２の内外にわたって設けられる部材の導出入口を備えた部材であり、気密性と断熱性を備えているのが好ましい。導出入部２４には、例えば後述する光ファイバ４１が貫通した状態で導入されている。また、対象物９１が、例えば光センサであるような場合には、光センサに電力を供給するためのケーブル、測定光を真空チャンバ２の外部から光センサに導くための光ファイバ、光センサの信号を真空チャンバ２の外部に取り出すケーブルなどが導出入部２４から導入されていてもよい。さらに、導出入部２４は、部材が導入される場合に限らず、真空チャンバ２内の光ファイバと真空チャンバ２外の光ファイバとを接続する光接続部や、真空チャンバ２内のケーブルと真空チャンバ２外のケーブルとを接続する電気的接続部を備えていてもよい。導出入部２４は、真空チャンバ２の下端近傍に設けられている。つまり、導出入部２４は、閉鎖された天板部２１とは逆側、つまり真空チャンバ２内の空間において対象物９１とは逆側に位置するように設けられている。換言すると、導出入部２４は、後述する冷凍機３１の近傍に設けられているとも言える。従って、天板部２１から導出入部２４までの距離は、おおよそ真空チャンバ２の高さに相当する。

冷却ユニット３は、冷凍機３１と、支持台３２と、を有する。冷凍機３１は、冷凍システム１に要求される極低温の温度などに基づいて適宜選択してよい。例えば、冷凍機３１には、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機等を用いてもよい。

支持台３２は、対象物９１を支持する。さらに、支持台３２は、対象物９１から熱を移動（伝導）させる熱経路として機能する。なお、本質的な冷却対象は対象物９１であるが、本実施形態においては、対象物９１は後述する保持部材９２および支持台３２を介して冷凍機３１で冷却されているため、昇温の際には保持部材９２および支持台３２も加熱する必要がある。よって、本実施形態においては、対象物９１、保持部材９２および支持台３２を加熱対象物Ｔとする。なお、冷却ユニット３が支持台３２を備えない場合には、加熱対象物Ｔは対象物９１及び保持部材９２によって構成されてもよいし、さらに保持部材９２を備えない場合には、加熱対象物Ｔは対象物９１のみによって構成されてもよい。支持台３２に配置された対象物９１の熱は、支持台３２を介して冷凍機３１に移動する。支持台３２は、真空チャンバ２の開口２ａから挿入されている。支持台３２は、真空チャンバ２の中心軸線とおおむね同軸に配置される。支持台３２の基端は、真空チャンバ２の下端側に配置される。支持台３２の基端は、冷凍機３１に熱的に連結されている。支持台３２の先端は、真空チャンバ２の天板部２１の側に配置されている。

例えば、支持台３２は、第１コラム３２１と、第１冷却ステージ３２２と、第２コラム３２３と、第２冷却ステージ３２４と、を有する。なお、支持台３２の構成は、これに限定されない。支持台３２は、１個のコラムと１個のステージによって構成されてもよい。支持台３２は、３個以上のコラムと３個以上のステージによって構成されてもよい。第１コラム３２１、第１冷却ステージ３２２、第２コラム３２３及び第２冷却ステージ３２４は、互いに熱的に接続されている。第１コラム３２１及び第２コラム３２３の外形形状は、例えば円柱状である。第１冷却ステージ３２２及び第２冷却ステージ３２４の外形形状は、例えば円板状である。第１コラム３２１、第１冷却ステージ３２２、第２コラム３２３及び第２冷却ステージ３２４は、互いに同軸となるように配置されている。

円筒状又は円柱状の第１コラム３２１の基端は、冷凍機３１に取り付けられている。第１コラム３２１の先端には、第１冷却ステージ３２２の下面が取り付けられている。第１冷却ステージ３２２の上面には、第２コラム３２３の基端が取り付けられている。第２コラム３２３の先端には、第２冷却ステージ３２４の下面が取り付けられている。

図２に示すように、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａには、光センサといった対象物９１が配置されている。光センサの一例は、超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）や、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）と呼ばれる、極低温下での動作が好ましい半導体光素子である。光センサには、１本又は複数本のケーブルが接続される。第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａは、対象物９１を配置する対象物配置面である。例えば、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａには、対象物９１を保持する保持部材９２が取り付けられている。第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａは、保持部材９２に接触する。

図２では、保持部材９２として、断面がＬ字状のものを図示している。保持部材９２は、保持部材ベース９２１と、保持部材起立部９２２と、を含む。保持部材９２は、加熱ブロック４４と熱伝導率が同等または高い材料で構成される。例えば銅（無酸素銅）やアルミニウム（アルミニウム合金）である。保持部材ベース９２１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに接する下面９２１ａを含む。そして、保持部材起立部９２２の一方の面９２２ａには、対象物９１が取り付けられる。なお、対象物９１は、保持部材ベース９２１の上面に取り付けられてもよい。対象物９１の熱は、保持部材９２を介して第２冷却ステージ３２４を含む支持台３２に移動する。

保持部材起立部９２２の他方の面９２２ｂには、加熱ユニット４が取り付けられる。加熱ユニット４は、保持部材９２を介して対象物９１及び支持台３２、つまり加熱対象物Ｔに熱を供給する。

対象物９１と加熱ユニット４との間には、保持部材起立部９２２が配置されており、直接対向していない。本明細書において、このような配置を「対象物９１は、加熱ユニット４から見えない場所に配置されている」という。これにより、仮に加熱ユニット４から光Lが漏れ出てしまうようなことがあっても、漏れ出た光が例えば光センサである対象物９１に入射してしまうことによる悪影響（例えば光センサの感度劣化等）を抑制することができる。ここで、漏れ出た光とは、例えば加熱ユニット４の動作中において加熱ユニット４から真空チャンバ２内へ漏出したレーザ光や、室内照明が光ファイバを介して真空チャンバ内部に侵入し、加熱ユニット４から漏出した光のような、好ましくない光のことである。

なお、保持部材９２の形状には特に制限はない。対象物９１の大きさ又は形状によって、保持部材９２の形状は任意に設定してよい。さらに、対象物９１は、保持部材９２を介することなく、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに対して直接に接するように取り付けてもよい。同様に、加熱ユニット４も、保持部材９２を介することなく、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに対して直接に接するように取り付けてもよい。第２冷却ステージ３２４に対する対象物９１と加熱ユニット４との取付形態については、変形例として後述する。

図３に示すように、加熱ユニット４は、加熱ブロック４４と光照射部９０とを有する。より具体的には、光照射部９０は、光ファイバ４１と、フェルール４２と、光ファイバホルダ４３とを有し、ボルト４５Ａ及びボルト４５Ｂによるによる結合（螺合）によって加熱ブロック４４に固定されている。また、加熱ユニット４は、同じくボルト４５Ｃ及びボルト４５Ｄ（図２参照）による結合（螺合）によって保持部材９２に固定されているが、図３には、ボルト４５Ｃ及びボルト４５Ｄの図示を省略している。

まず、加熱ユニット４が形成する閉鎖領域Ｓ２について説明する。図４に示すように、加熱ユニット４は、冷却領域Ｓ１から隔てられた閉鎖領域Ｓ２を含む。この「閉鎖」とは、光照射部９０から閉鎖領域Ｓ２に照射される光Ｌが、閉鎖領域Ｓ２から冷却領域Ｓ１への漏れを生じないことを意味する。閉鎖領域Ｓ２は、換言すると、閉じた空間であるとも言える。閉鎖領域Ｓ２は、加熱ブロック４４に設けられた有底の穴である閉鎖穴４４Ｈの開口を、蓋部Ｃ（本実施形態においては光照射部９０）で塞ぐことにより、冷却領域Ｓ１から隔離された状態で閉鎖されている。閉鎖穴４４Ｈは、互いに異なる内径を有し、互いに同軸に形成された２個の穴（光吸収穴４４３及びファイバ露出穴４４２）によって構成される。光吸収穴４４３は、光吸収領域Ｓ２１を構成する。ファイバ露出穴４４２は、ファイバ露出領域（光出射端露出領域）Ｓ２２を構成する。なお、蓋部Ｃは、光照射部９０と他の部材との組み合わせによって構成されてもよく、光照射部９０とは別体の部材のみによって構成されてもよい。閉鎖領域Ｓ２は、光ファイバ４１及びフェルール４２、光ファイバホルダ４３、加熱ブロック４４によって画定される領域である。

閉鎖領域Ｓ２は、光吸収領域Ｓ２１と、ファイバ露出領域Ｓ２２と、を含む。そして、ファイバ露出領域Ｓ２２の内径は、光吸収領域Ｓ２１の内径より大きい。ファイバ露出領域Ｓ２２の上端を規定する面は、外ホルダ筒先端面４３１ｂとフェルール先端面４２ｂと光出射端４１２とを含む。ファイバ露出領域Ｓ２２の下端を規定する面は、露出穴底面４４２ｂを含む。ファイバ露出領域Ｓ２２の内周を規定する面は、内ホルダ筒内周面４３２ａと露出穴内周面４４２ａとを含む。光吸収領域Ｓ２１の下端を規定する面は、光吸収穴底面４４３ｂを含む。光吸収領域Ｓ２１の内周を規定する面は、光吸収面４４３ａを含む。光吸収領域Ｓ２１の上端は、露出穴底面４４２ｂに設けられた開口によって開放されている。

真空チャンバ２の外部に配置されているレーザ光源ＬＳ（図１参照）が出力したレーザ光は、光Ｌとして光照射部９０を介して加熱ユニット４の光吸収領域Ｓ２１に照射される。つまり、冷凍システム１では、加熱の対象となる物体へ、直接に加熱用の光Ｌを照射しない。なお、レーザ光源ＬＳの波長帯域には特に制限はない。そして、加熱ユニット４は、光Ｌのエネルギを熱のエネルギに変換する。この熱エネルギによって、加熱ユニット４が熱を発生する。熱は、加熱ユニット４を介して保持部材９２に移動する。

光ファイバ４１は、真空チャンバ２の外部から加熱ユニット４に光Ｌを導く。光ファイバ４１は、真空チャンバ２に設けられた導出入部２４を介して導入され、外部機器と接続される。外部機器とは、レーザ光源ＬＳである。

光ファイバ４１は、ガラス材料によって形成されている。電気的接続を行うための導電性部材を含むケーブルとくらべると、光ファイバ４１の熱伝導率は、ケーブルの熱伝導率より低い。例えば、ケーブルが金属導線を備えており、当該金属導線がりん青銅であるとする。この場合には、金属導線の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍ・Ｋである。一方、石英からなる光ファイバ４１の場合、熱伝導率は、１．５Ｗ／ｍ・Ｋである。従って、石英からなる光ファイバ４１は、金属導線を備えたケーブルに対して、熱伝導率を１／３０程度に抑制できるため、石英からなる光ファイバ４１を介した、真空チャンバ２の外部から真空チャンバ２の内部への熱伝導は、金属導線を備えたケーブルを介したそれよりも大幅に抑制される。これは、極低温の温度に維持される真空チャンバ２においては、大きな影響を及ぼす。光ファイバ４１は、光入射端４１１（図１参照）と、光出射端４１２と、を有する。光入射端４１１は、レーザ光源ＬＳに接続されている。なお、光ファイバ４１は、複数の光ファイバで構成されていてもよく、例えば、２つの光ファイバが導出入部２４で光学的に接続されていてもよい。光出射端４１２は、後述するファイバ露出領域Ｓ２２に露出する。

光ファイバ４１は、導出入部２４を介して真空チャンバ２に物理的に接している。従って、真空チャンバ２が保持する熱の移動経路になり得る。しかし、上述のように光ファイバ４１の熱伝導率は小さいので、光ファイバ４１を伝わる熱は実質的に無視できる。また、加熱ユニット４の発熱量は、光Ｌの出力（レーザパワー）に応じる。強いエネルギを有する光を導く場合であっても、光ファイバ４１の外形寸法などは、影響を受けない。断面積が小さいということは、熱の移動経路の側面からすると、熱抵抗が大きいことに寄与する。対象物９１の温度を極低温に維持するためには、真空チャンバ２の外部からの熱流入を小さくすることが重要であるため、熱の移動経路における熱抵抗が大きいことは、極低温の維持に有利である。従って、加熱のためのエネルギを導入する経路として、光ファイバ４１は、例えば抵抗加熱による加熱方法で用いるような電気的接続のためのケーブルより優れている。さらに、光ファイバ４１は、真空チャンバ２の内部において、所定の長さを有する。光ファイバ４１が導入される導出入部２４は、真空チャンバ２の下端近傍に配置されている。光ファイバ４１の光出射端４１２が配置される加熱ユニット４は、天板部２１の近傍に設置された第２冷却ステージ３２４に配置されている。つまり、光ファイバ４１は、おおよそ真空チャンバ２の下端から上端にまで至る長さを有する。光ファイバ４１の長さも、熱の移動経路の側面からすると、熱抵抗が大きいことに寄与する。

図３に示すように、光ファイバ４１には、フェルール４２が取り付けられている。フェルール４２の形状は円柱状であり、ジルコニアといった熱伝導率の小さい材料によって構成されている。フェルール４２は、フェルール内周面４２ａと、フェルール先端面４２ｂと、フェルール基端面４２ｃと、フェルール外周面４２ｄと、を有する。フェルール内周面４２ａは、貫通穴を形成する。フェルール内周面４２ａは、フェルール先端面４２ｂからフェルール基端面４２ｃに至る。フェルール内周面４２ａが形成する貫通穴には、光ファイバ４１の光出射端４１２の側が挿入される。

フェルール基端面４２ｃは、冷却領域Ｓ１に露出する。フェルール先端面４２ｂは、加熱ユニット４の内部（閉鎖領域Ｓ２）に露出する。例えば、フェルール先端面４２ｂは、光ファイバ４１の光出射端４１２と面一であってもよい。フェルール外周面４２ｄは、光ファイバホルダ４３に保持されている。具体的には、フェルール４２は、光ファイバホルダ４３に挿入されている。フェルール先端面４２ｂ及びフェルール基端面４２ｃの少なくとも一方は光ファイバホルダ４３の外部に位置する。図３に示す例では、フェルール先端面４２ｂ及びフェルール基端面４２ｃの両方が、光ファイバホルダ４３から突出する。

光ファイバホルダ４３は、光ファイバ４１を加熱ブロック４４に対して固定する。具体的には、光ファイバ４１が挿入されたフェルール４２が光ファイバホルダ４３に取り付けられる。そして、光ファイバホルダ４３が加熱ブロック４４に対して固定される。その結果、光ファイバ４１が加熱ブロック４４に対して固定される。

光ファイバホルダ４３および加熱ブロック４４を構成する材料（基材）としては、例えば金属材料が用いられる。そして、光ファイバホルダ４３の基材である金属材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））は、加熱ブロック４４の基材である金属材料（例えば、アルミニウム合金）よりも熱伝導率が小さい。つまり、加熱ブロック４４から光ファイバホルダ４３へは、熱が伝わりにくい。

光ファイバホルダ４３は、外ホルダ筒部４３１と、内ホルダ筒部４３２と、ホルダフランジ４３３Ａ、４３３Ｂと、を有する。

外ホルダ筒部４３１の形状は、円筒である。外ホルダ筒部４３１は、外ホルダ筒内周面４３１ａと、外ホルダ筒先端面４３１ｂと、外ホルダ筒基端面４３１ｃと、外ホルダ筒外周面４３１ｄと、を有する。外ホルダ筒内周面４３１ａは、外ホルダ筒先端面４３１ｂから外ホルダ筒基端面４３１ｃに至る。外ホルダ筒内周面４３１ａによって形成される貫通穴には、フェルール４２が挿入される。従って、光ファイバ４１、フェルール４２、外ホルダ筒部４３１は、互いに同軸である。外ホルダ筒先端面４３１ｂは、閉鎖領域Ｓ２に露出する。具体的には、外ホルダ筒先端面４３１ｂは、ファイバ露出領域Ｓ２２に露出する。外ホルダ筒先端面４３１ｂには開口が形成されている。外ホルダ筒内周面４３１ａに挿入されているフェルール４２のフェルール先端面４２ｂは、図３に示すように外ホルダ筒先端面４３１ｂから突出してもよい。フェルール先端面４２ｂは、外ホルダ筒先端面４３１ｂと面一でもよい。フェルール先端面４２ｂは、外ホルダ筒先端面４３１ｂから突出していなくてもよい。外ホルダ筒基端面４３１ｃは、冷却領域Ｓ１に露出する。外ホルダ筒内周面４３１ａに挿入されているフェルール４２のフェルール基端面４２ｃは、図３に示すように外ホルダ筒基端面４３１ｃから突出してもよい。

内ホルダ筒部４３２の形状は、円筒である。内ホルダ筒部４３２は、内ホルダ筒内周面４３２ａと、内ホルダ筒外周面４３２ｂと、内ホルダ筒先端面４３２ｃと、を有する。内ホルダ筒部４３２は、外ホルダ筒部４３１の外ホルダ筒先端面４３１ｂから突出する。つまり、内ホルダ筒部４３２の基端は、外ホルダ筒部４３１と一体化している。内ホルダ筒部４３２は、外ホルダ筒部４３１と同軸である。内ホルダ筒部４３２の内径は、一例として外ホルダ筒部４３１の外径と同じであるか、外ホルダ筒部４３１の外径よりも大きい。内ホルダ筒部４３２の内径は、フェルール４２の外径より大きい。内ホルダ筒部４３２の外径は、外ホルダ筒部４３１の外径よりも大きい。フェルール先端面４２ｂおよび光出射端４１２、内ホルダ筒内周面４３２ａ、外ホルダ筒先端面４３１ｂに囲まれた空間は、ファイバ露出領域Ｓ２２である。換言すると、内ホルダ筒内周面４３２ａに囲まれた領域は、ファイバ露出領域Ｓ２２である。ファイバ露出領域Ｓ２２は、内ホルダ筒内周面４３２ａと外ホルダ筒先端面４３１ｂとに面する。

一対のホルダフランジ４３３Ａ、４３３Ｂは、光ファイバホルダ４３を加熱ブロック４４に固定するための部位である。ホルダフランジ４３３Ａ、４３３Ｂは、外ホルダ筒外周面４３１ｄから、外ホルダ筒部４３１の直径方向に延びている。ホルダフランジ４３３Ｂが延びる方向は、ホルダフランジ４３３Ａが延びる方向と逆向きである。

ホルダフランジ４３３Ａは、フランジ穴４３３ａと、フランジ取付面４３３ｂと、フランジ主面４３３ｃと、を有する。フランジ穴４３３ａは、貫通穴である。フランジ穴４３３ａは、フランジ取付面４３３ｂからフランジ主面４３３ｃに至る。フランジ穴４３３ａには、ボルト４５Ｂが挿入される。フランジ穴４３３ａの内径は、ボルト４５Ｂの外径と同じであるか、わずかに大きい。フランジ取付面４３３ｂは、加熱ブロック４４に接する。フランジ主面４３３ｃは、冷却領域Ｓ１に面する。ボルト４５Ｂは、フランジ主面４３３ｃに形成されたフランジ穴４３３ａの開口から挿入される。つまり、フランジ主面４３３ｃには、ボルト４５Ｂの頭部が押し当てられる。一方、フランジ取付面４３３ｂからは、ボルト４５Ｂのネジ部が突出する。

ホルダフランジ４３３Ｂも、フランジ穴４３３ａと、フランジ取付面４３３ｂと、フランジ主面４３３ｃと、を有する。ホルダフランジ４３３Ｂは、ホルダフランジ４３３Ａとは逆向きに延びているから、一方のフランジ穴４３３ａと他方のフランジ穴４３３ａとの間には、外ホルダ筒部４３１が位置する。従って、一対のボルト４５Ａ、４５Ｂは、外ホルダ筒部４３１を挟むように取り付けられる。なお、ホルダフランジ４３３Ｂは、ホルダフランジ４３３Ａと設けられる位置が異なるだけであるから、個別の部位に関する詳細な説明は省略する。

加熱ブロック４４は、光Ｌの照射を受けて発熱する。加熱ブロック４４は、発生した熱を加熱対象物に導く。加熱対象物は、一例として保持部材９２である。加熱ブロック４４は、熱を良好に移動させるために、熱伝導率の高い材料によって形成される。例えば、加熱ブロック４４は、アルミニウムによって形成されてよい。また、加熱ブロック４４において発生した熱は、損失を生じることなく保持部材９２に導くことが望まれる。損失とは、加熱ブロック４４から出てゆく熱のうち、保持部材９２に移動しないものが発生することを言う。加熱ブロック４４からは、熱伝導及び熱放射によって熱が出ていく。加熱ブロック４４を保持部材９２に接触させることによって、加熱ブロック４４から保持部材９２への熱伝導による熱移動を実現できる。

一方、加熱ブロック４４のうち保持部材９２に接触しない箇所からは、熱放射（熱輻射）によって熱が光（電磁波）として冷却領域Ｓ１内に放出されることで、エネルギー損失を生じる場合があり得る。そこで、加熱ブロック４４のうち、保持部材９２に接触しない面は、放射率が低くされていてもよい。例えば、保持部材９２に接触しない面を鏡面加工することにより、放射率を低くすることができる。

加熱ブロック４４の形状は、直方体である。加熱ブロック４４の形状は、立方体であってもよいし、円柱であってもよい。以下の説明では、加熱ブロック４４の形状は、直方体であるとする。加熱ブロック４４は、ブロック主面４４ａ（第１主面）と、ブロック熱出力面４４ｂ（第２主面）と、を有する。ブロック主面４４ａは、光ファイバホルダ４３が取り付けられる面である。ブロック主面４４ａには、一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂの開口が形成される。

一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂには雌ネジが形成されている。この雌ネジには、ボルト４５Ａ、４５Ｂのネジ部が螺合される。一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂは、貫通穴であってもよいし、有底の止まり穴であってもよい。貫通穴である場合には、一方の開口は、ブロック主面４４ａに形成され、他方の開口はブロック底面４４ｃに形成される。止まり穴である場合には、開口は、ブロック主面４４ａのみ形成され、ブロック底面４４ｃには開口が形成されない。一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂの軸線は、閉鎖領域Ｓ２の軸線と平行である。そして、一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂは、閉鎖領域Ｓ２を挟むように設けられている。より詳細には、一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂは、ファイバ露出領域Ｓ２２及び光吸収領域Ｓ２１を挟むように設けられている。

一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂは、空隙であるので、熱移動には実質的に寄与しない。つまり、熱経路上にブロックネジ穴４４１Ａ又はブロックネジ穴４４１Ｂが存在する場合と、存在しない場合とでは、熱抵抗に差異が生じることがあり得る。そこで、ブロック熱出力面４４ｂと一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂとの位置関係を関連付けることもできる。ブロック熱出力面４４ｂには積極的に熱を移動させたい。従って、光吸収領域Ｓ２１とブロック熱出力面４４ｂとの間には、一対のブロックネジ穴４４１Ａ、４４１Ｂの何れも設けない。一方、熱出力させないブロック側面４４ｄ、４４ｅには、熱の移動を抑制したい。そこで、光吸収領域Ｓ２１と一方のブロック側面４４ｄとの間には、一方のブロックネジ穴４４１Ａを設けてもよい。そして、光吸収領域Ｓ２１と他方のブロック側面４４ｅとの間には、他方のブロックネジ穴４４１Ｂを設けてもよい。

さらに、ブロック主面４４ａには、ファイバ露出穴４４２の開口も形成される。ファイバ露出穴４４２には、内ホルダ筒部４３２が配置される。つまり、ファイバ露出穴４４２は、ファイバ露出領域Ｓ２２のためのものである。ファイバ露出穴４４２は、露出穴内周面４４２ａと露出穴底面４４２ｂとに囲まれている。露出穴内周面４４２ａは、内ホルダ筒外周面４３２ｂと対面する。露出穴内周面４４２ａと内ホルダ筒外周面４３２ｂとの間には、わずかな隙間が形成されてもよい。露出穴底面４４２ｂは、内ホルダ筒先端面４３２ｃと対面する。露出穴底面４４２ｂと内ホルダ筒先端面４３２ｃとの間には、隙間が設けられている。つまり、露出穴底面４４２ｂは、内ホルダ筒先端面４３２ｃと接触しない。露出穴底面４４２ｂには、光吸収領域Ｓ２１の開口が形成されている。

光吸収領域Ｓ２１は、光ファイバ４１の光軸４１Ｓ上に形成されている。光吸収領域Ｓ２１は、平面視して円形の光吸収面４４３ａに囲まれた光吸収穴４４３である。光吸収穴４４３は、ファイバ露出穴４４２と同軸である。つまり、光吸収穴４４３の軸線４４３Ｓ及びファイバ露出穴４４２の軸線は、光ファイバ４１の光軸４１Ｓに重複する。光吸収穴４４３の内径は、ファイバ露出穴４４２の内径より小さい。光吸収穴４４３の内径とファイバ露出穴４４２の内径との差異は、ファイバ露出穴４４２の露出穴底面４４２ｂとして現れる。

光吸収面４４３ａは、光Ｌの吸収率（放射率）を高めるために凹凸状になっており、例えば、雌ネジ状の凹凸形状が形成されている。換言すれば、光吸収面４４３ａは、光吸収穴４４３の内周面において、螺旋状に突起が形成されている。なお、光吸収面４４３ａは、凹凸形状が設けられた部分に限定されない。例えば、後述するアルマイト処理などの表面処理が施された部分を光吸収面４４３ａとしてもよい。さらに、凹凸形状であり且つ表面処理が施された部分を光吸収面４４３ａとしてもよい。

雌ネジ状の凹凸形状は、光吸収穴４４３の開口から底に向かって形成されている。雌ネジ状の凹凸形状は、光吸収穴４４３の内周面の全面に設けられていてもよい。雌ネジ状の凹凸形状は、光吸収穴４４３の内周面の一部に設けられていてもよい。図３の例示では、光吸収穴４４３の底面の近傍における部分には、雌ネジ状の凹凸形状が設けられていない。

雌ネジ状の凹凸形状によれば、光Ｌの照射を受けることができる面積を増やすことができる。さらに、雌ネジ状の凹凸形状によれば、光吸収面４４３ａの微視的な向きは、光ファイバ４１の光軸４１Ｓに対して傾いている。そうすると、光軸４１Ｓに沿った方向の光Ｌが光吸収面４４３ａに入射したとき、吸収されなかった光Ｌは、入射方向とは異なる方向に反射される。その結果、光Ｌが乱反射するとともに、いわゆる光路長が長くなるので、光Ｌが光吸収面４４３ａに入射する機会を増やすことができる。その結果、光ファイバ４１から出射された光Ｌを良好に吸収させることができる。また、光ファイバ４１から出射された光Ｌの進行方向が変わるので、光ファイバ４１から出射された光が再び光ファイバ４１に入射する機会を減らすことができる。つまり、戻り光を減らすことができる。この結果、戻り光が光ファイバ４１（光出射端４１２）に再入射することで光ファイバ４１が損傷することを抑制できる。なお、凹凸形状は雌ネジ状に限らず、光吸収面４４３ａに形成された壁状部や突出部によって構成されていてもよい。

さらに、光吸収面４４３ａは、光Ｌの吸収率を高める別の加工がなされている。光Ｌの吸収率が高いとは、例えば、光吸収面４４３ａの吸収率が反射率よりも高いと定義してよい。例えば、光吸収面４４３ａの吸収率が加熱ブロック４４を構成する基材の吸収率よりも大きいと定義してもよい。光の吸収率を高める加工とは、所定の表面処理加工であり、例えば、加熱ブロック４４の基材における光Ｌの吸収率よりも、光吸収面４４３ａにおける光Ｌの吸収率が高くなるような加工である。表面処理加工とは、例えば、加熱ブロック４４の基材にアルミニウムを用いた場合には、黒色アルマイト加工又はメッキ加工である。例えば、黒色アルマイトである場合には、アルミニウムの基材の表面に表面処理層である黒色アルマイト被膜が形成された状態である。ここで、アルミニウム（研磨面）の吸収率は０．０５であるのに対して、黒色アルマイトの吸収率は０．９５である。したがって、黒色アルマイトの吸収率は、アルミニウムの吸収率よりも大きい。この場合、光吸収面４４３ａの色は黒である。従って、アルミニウムの基材とアルマイト被膜との間の熱抵抗は小さい。そうすると、アルマイト被膜が光の照射を受け、熱を発生させる。そして、アルマイト被膜からアルミニウムの基材に対して、良好に熱を伝えることができる。

表面処理加工は、光吸収穴４４３の内周面において少なくとも雌ネジ状の凹凸形状が設けられた部分に施される。なお、表面処理加工は、光吸収穴４４３の内周面における全面、つまり雌ネジ状の凹凸形状が設けられていない部分にも施されてもよいし、光吸収穴４４３の底面に施されてもよい。表面処理加工は、前述した露出穴底面４４２ｂに施されてもよい。表面処理加工は、前述した露出穴内周面４４２ａに施されてもよい。つまり、表面処理加工は、加熱ブロック４４において閉鎖領域Ｓ２を形成する内周面の全面に施されてもよい。

光吸収穴４４３の底は、光吸収穴底面４４３ｂによって規定されている。光吸収穴底面４４３ｂは、光ファイバ４１の光出射端４１２から離れるほど径が小さくなるテーパ形状を有している。例えば、光吸収穴底面４４３ｂは、円錐状の斜面である。光吸収穴底面４４３ｂは、光ファイバ４１の光軸４１Ｓに対して傾いている。このような形状によれば、光吸収穴底面４４３ｂに入射した光Ｌは、入射方向とは異なる方向に反射される。その結果、光Ｌが乱反射するとともに、光Ｌの光路長を長くすることができるので、光Ｌが光吸収面４４３ａに入射する機会を増やすことができる。さらに、光Ｌが正反射して光ファイバ４１へ再び入射することによって光ファイバ４１が損傷することを抑制できる。

ここで、図４を参照しながら、光ファイバ４１の光出射端４１２と、光吸収穴４４３の位置と、光吸収穴４４３の内径Ｄ１と、の関係について説明する。図４に示すように、光出射端４１２から出射された光Ｌは、光ファイバ４１の開口数（ＮＡ）に基づいて広がりながら進行する。光Ｌの吸収によって熱が生じるという点からすれば、光出射端４１２から出射された光Ｌは、すべて光吸収穴４４３に導かれることが望ましい。例えば、光吸収穴４４３の開口において、広がった光Ｌの直径Ｄ２が光吸収穴４４３の内径Ｄ１より大きい場合を想定する。この場合には、光Ｌの一部は、露出穴底面４４２ｂに照射されてしまう。一方、図４に示すように、光吸収穴４４３の開口において、広がった光Ｌの直径Ｄ２が光吸収穴４４３の内径Ｄ１より小さい場合を想定する。この場合には、光Ｌは、すべて光吸収穴４４３に導かれる。後者のような状態は、光ファイバ４１の開口数（ＮＡ）、光出射端４１２から光吸収穴４４３の開口までの光軸４１Ｓに沿った距離及び光吸収穴４４３の内径を所定の関係とすることによって実現できる。

図２に示すように、ブロック熱出力面４４ｂは、保持部材９２に熱的に接触する面である。なお、ブロック熱出力面４４ｂと熱的に接触するのは加熱対象物Ｔのいずれかであってよく、例えば保持部材９２に接触する対象物９１及び第２冷却ステージ３２４でもよい。ブロック熱出力面４４ｂは、ブロック主面４４ａとは異なる面である。図２の例では、ブロック熱出力面４４ｂは、ブロック主面４４ａに対して直交する面である。なお、ブロック熱出力面４４ｂは、ブロック主面４４ａに対して平行な面であってもよい。つまり、ブロック熱出力面４４ｂは、後述するブロック底面４４ｃであってもよい。

加熱ブロック４４は、ブロック底面４４ｃと、ブロック側面４４ｄ、４４ｅと、ブロック背面４４ｆ（図２参照）と、をさらに有する。ブロック底面４４ｃは、ブロック主面４４ａに対して平行な面である。ブロック底面４４ｃは、熱出力面として用いられることもあり得る。ブロック側面４４ｄ、４４ｅは、ブロック熱出力面４４ｂに対して直交する面である。ブロック背面４４ｆは、ブロック熱出力面４４ｂに対して対向するとともに平行な面である。ブロック側面４４ｄ、４４ｅ及びブロック背面４４ｆは、熱出力面として用いられない。従って、ブロック側面４４ｄ、４４ｅ及びブロック背面４４ｆは、放射率を小さくするために鏡面加工が施されていてもよい。ブロック熱出力面４４ｂ、ブロック側面４４ｄ、４４ｅ及びブロック背面４４ｆは、加熱ブロック４４を形成する４つの側面である。これらは、ブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂによって区別することができる。

一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂは、加熱ブロック４４を保持部材９２に固定するためのボルト４５Ｃ、４５Ｄを挿入するためのものである。一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂは、貫通穴である。一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂは、ブロック背面４４ｆからブロック熱出力面４４ｂに至る。つまり、一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂの開口が形成されている一方の面がブロック熱出力面４４ｂである。一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂの開口が形成されている他方の面がブロック背面４４ｆである。換言すると、ブロック側面４４ｄ、４４ｅには、一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂの開口が形成されていない。一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂは、閉鎖領域Ｓ２を挟むように設けられている。より詳細には、一対のブロック固定穴４４４Ａ、４４４Ｂは、ファイバ露出領域Ｓ２２を挟むように設けられている。

＜加熱ユニットを備えた冷凍システムの動作＞
冷凍システム１は、例えば次のような動作が可能である。まず、冷凍機３１を駆動することによって、第２冷却ステージ３２４を所定の温度（例えば２ケルビン）まで冷却する。次に、冷凍機３１を停止する。次に、レーザ光源ＬＳからレーザ光を出射させる。レーザ光は、光Ｌとして、光照射部９０によって加熱ユニット４に導かれる。光Ｌの照射を受けた加熱ブロック４４は、発熱する。加熱ブロック４４が発生した熱は、ブロック熱出力面４４ｂを介して、保持部材９２（加熱対象物Ｔ）へ移動する。保持部材９２（加熱対象物Ｔ）の温度が所定の温度（例えば、室温）まで昇温したことが確認された後に、レーザ光（光Ｌ）の出射を停止する。

＜作用効果＞
冷凍システム１は、対象物９１を収容するとともに冷却を行う冷却領域Ｓ１を形成する真空チャンバ２と、冷却領域Ｓ１に収容された対象物９１を冷却する冷却ユニット３と、冷却領域Ｓ１に配置されると共に熱を発生する加熱ユニット４と、を備える。加熱ユニット４は、真空チャンバ２の外部から与えられた光を導く光ファイバ４１を含む光照射部９０と、冷却領域Ｓ１に配置され、光ファイバ４１から出射された光Ｌを受けることによって発熱する加熱ブロック４４と、を有する。加熱ブロック４４は、冷却領域Ｓ１から隔離されるように構成された閉鎖領域Ｓ２を含む。光照射部９０は、光Ｌを閉鎖領域Ｓ２に照射する。

この冷凍システム１は、真空チャンバ２の内部に配置される加熱ブロック４４を備えている。加熱ブロック４４は、光Ｌの照射を受けて発熱する。加熱ブロック４４によって、真空チャンバ２の内部に配置されている加熱対象物Ｔを積極的に昇温させることができる。従って、真空チャンバ２の内部に配置された部材の温度を速やかに上昇させることが可能である。その結果、真空チャンバ２を開放するまでの時間を短縮することができる。

つまり、冷凍システム１によれば、冷凍システム１のメンテナンスを実施するときに行われる真空チャンバ２の内部の昇温の速度を高めることができる。さらに、真空チャンバ２の内部に配置された物体には、ガスが吸着することがある。加熱ユニット４の加熱によって、吸着したガスを速やかにガス化することもできる。また、光ファイバ４１を採用することによって、熱伝導によって真空チャンバ２の内部に流入する熱量を低減することができる。その結果、真空チャンバ２の内部に設ける電気的接続用のケーブルを増やすことも可能である。そのうえ、冷凍システム１は、冷凍機３１の冷却性能評価を行うこともできる。冷却性能評価について、後述する実験例１でも説明する。

冷凍システム１の閉鎖領域Ｓ２は、加熱ブロック４４に固定された蓋部Ｃによって冷却領域Ｓ１から隔離され、蓋部Ｃは光照射部９０を含んでもよい。この構成によれば、蓋部Ｃによって閉鎖領域Ｓ２を確実に冷却領域Ｓ１から隔離して、光のエネルギを熱のエネルギに効率よく変換できるとともに、光照射部９０が蓋部Ｃの少なくとも一部を兼ねることで、加熱ユニット４を小型化することができる。

冷凍システム１の閉鎖領域Ｓ２は、光Ｌが照射される光吸収領域Ｓ２１を含む。光吸収領域Ｓ２１は、加熱ブロック４４の基材よりも光Ｌの吸収率が高い光吸収面４４３ａを有してもよい。この構成によれば、光Ｌのエネルギを熱のエネルギに効率よく変換できる。

冷凍システム１の光吸収領域Ｓ２１は、筒状である。光吸収面４４３ａは、光吸収領域Ｓ２１を囲む内周壁面である。この構成によれば、光ファイバ４１から出射された光Ｌを効率よく光吸収面４４３ａに照射しやすくなる。

冷凍システム１の光吸収面４４３ａは、凹凸状であってもよい。この構成によれば、光吸収面４４３ａの表面積を大きくし、光Ｌのエネルギを熱のエネルギにより効率よく変換できる。

冷凍システム１における光吸収領域Ｓ２１の底は、光吸収穴底面４４３ｂによって規定される。光吸収穴底面４４３ｂは、テーパ形状を有している。この構成によれば、光Ｌの進行方向を変化させることができるので、光が光吸収面４４３ａに吸収される機会を増やすことができる。

冷凍システム１の光吸収面４４３ａは、光Ｌの吸収率が光Ｌの反射率よりも大きい。この構成によれば、光Ｌのエネルギを熱のエネルギにさらに効率よく変換できる。

冷凍システム１の閉鎖領域Ｓ２は、光ファイバ４１の光出射端４１２が配置されるファイバ露出領域Ｓ２２を含む。光ファイバ４１の光軸４１Ｓに交差するファイバ露出領域Ｓ２２の断面の面積は、光吸収領域Ｓ２１の光軸に交差する断面の面積よりも大きい。この構成によれば、光ファイバ４１へ再び入射する戻り光の発生を抑制できる。

光照射部９０は、光Ｌを導光する光ファイバ４１と、光ファイバ４１を保持すると共に、光ファイバ４１を加熱ブロック４４に取り付ける光ファイバホルダ４３とをさらに備えてもよい。この構成によれば、加熱ブロック４４に対する光ファイバ４１の位置を保持することができ、加熱ブロック４４に対して安定した光照射を行うことができる。

冷凍システム１における加熱ブロックの基材の熱伝導率は、光ファイバホルダ４３の基材の熱伝導率よりも大きい。この構成によれば、対象物９１へ熱を良好に提供することができる。

冷凍システム１の加熱ブロック４４は、ブロック主面４４ａと、ブロック熱出力面４４ｂと、を有する。ブロック主面４４ａには、光照射部９０が配置される。ブロック熱出力面４４ｂは、対象物９１が取り付けられた保持部材９２に熱的に接触する。この構成によれば、加熱ブロック４４から保持部材９２を介して対象物９１へ熱を良好に提供することができる。

冷凍システム１の対象物９１は、入射した光に応じる信号を出力する光センサを含む。この構成によれば、光センサを備えた冷凍システム１を得ることができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。

変形例１～４は、光ファイバ４１を加熱ブロック４４に取り付けるいくつかの構造を例示する。

図５（ａ）は、変形例１の冷凍システム１Ａが備える加熱ユニット４Ａを示す。加熱ユニット４Ａは、フェルール４２と、光ファイバホルダ４３と、加熱ブロック４４と、光ファイバコネクタ４６と、を有する。変形例１の加熱ユニット４Ａは、光ファイバコネクタ４６を有する点で、実施形態の加熱ユニット４と相違する。光ファイバコネクタ４６は、光ファイバ４１の光出射端４１２の側を保持する。光ファイバコネクタ４６は、光ファイバホルダ４３の外ホルダ筒部４３１に差し込まれる。そして、光ファイバホルダ４３は、ボルト４５Ａ、４５Ｂなどの締結部材を用いて加熱ブロック４４に固定される。

図５（ｂ）は、変形例２の冷凍システム１Ｂが備える加熱ユニット４Ｂを示す。変形例２の加熱ユニット４Ｂは、構成部品としては変形例１の加熱ユニット４Ａと同じである。つまり、加熱ユニット４Ｂは、フェルール４２と、光ファイバホルダ４３と、加熱ブロック４４と、光ファイバコネクタ４６と、を有する。その一方、変形例２の加熱ユニット４Ｂは、加熱ブロック４４に対する光ファイバ４１の位置が変形例１の加熱ユニット４Ａと相違する。具体的には、変形例１の加熱ユニット４Ａでは、光出射端４１２は、外ホルダ筒先端面４３１ｂから突出していた。つまり、光ファイバ４１が光ファイバホルダ４３より突出していた。従って、変形例１では、光ファイバ４１の光出射端４１２は、加熱ブロック４４の内部に差し込まれていた。一方、変形例２の加熱ユニット４Ｂでは、光出射端４１２は、外ホルダ筒先端面４３１ｂから突出しない。つまり、光ファイバ４１が光ファイバホルダ４３より突出しない。従って、変形例２では、光ファイバ４１の光出射端４１２は、外ホルダ筒内周面４３１ａに囲まれた貫通穴の内部に配置される。

図６（ａ）は、変形例３の冷凍システム１Ｃが備える加熱ユニット４Ｃを示す。加熱ユニット４Ｃは、光ファイバコネクタ４６と、加熱ブロック４４と、を有する。変形例３の加熱ユニット４Ｃは、光ファイバコネクタ４６を有する点で、実施形態の加熱ユニット４と相違する。さらに、変形例３の加熱ユニット４Ｃは、光ファイバホルダ４３を備えていない点で、実施形態の加熱ユニット４と相違する。変形例３の場合には、光ファイバ４１を保持した光ファイバコネクタ４６が、加熱ブロック４４に対して直接に固定される。光ファイバコネクタ４６を加熱ブロック４４に固定するための構成には、特に制限はない。

図６（ｂ）は、変形例４の冷凍システム１Ｄが備える加熱ユニット４Ｄを示す。加熱ユニット４Ｄは、加熱ブロック４４を有する。変形例４の加熱ユニット４Ｄは、光ファイバホルダ４３を備えていない点で、実施形態の加熱ユニット４と相違する。さらに、変形例４の加熱ユニット４Ｄは、光ファイバコネクタ４６も備えていない。変形例４の加熱ユニット４Ｄでは、光ファイバ４１は加熱ブロック４４に対して直接に固定される。例えば、樹脂製の蓋部材４７によって光ファイバ４１を保持する構成としてもよい。

実施形態の説明において、対象物９１が加熱ユニット４から見えない場所に配置されていることを説明した。これにより、仮に加熱ユニット４から光Ｌが漏れ出てしまうようなことがあっても、漏れ出た光が例えば光センサである対象物９１に入射してしまうことによる悪影響（例えば光センサの感度劣化等）を抑制することができる。変形例５～１０は、対象物９１が加熱ユニット４から見えない場所に配置されている構成をいくつか例示する。

図７（ａ）は、変形例５の冷凍システム１Ｅにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図７（ａ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４は、第２冷却ステージ３２４の下面３２４ｂ（裏面）に配置される。

図７（ｂ）は、変形例６の冷凍システム１Ｆにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図７（ｂ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４は、第２冷却ステージ３２４の外周面３２４ｃに配置される。

図７（ｃ）は、変形例７の冷凍システム１Ｇにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図７（ｃ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４も、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。さらに、対象物９１と加熱ユニット４との間は、これらを隔てる仕切り９４が設けられる。

図８（ａ）は、変形例８の冷凍システム１Ｈにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図８（ａ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４も、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。さらに、対象物９１を収容する対象物ケース９５が、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。なお、加熱ユニット４を収容するケースは配置しない。

図８（ｂ）は、変形例９の冷凍システム１Ｋにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図８（ｂ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４も、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。さらに、加熱ユニット４を収容するユニットケース９６が、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。なお、対象物９１を収容するケースは配置しない。

図８（ｃ）は、変形例１０の冷凍システム１Ｍにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図８（ｃ）に示すように、対象物９１は、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。加熱ユニット４も、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。さらに、加熱ユニット４を収容するユニットケース９６が、第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。そのうえ、対象物９１を収容する対象物ケース９５も第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに配置される。

＜変形例１１＞
図８（ｄ）は、変形例１１の冷凍システム１Ｎにおける対象物９１と加熱ユニット４との配置を示す。図８（ｄ）に示すように、対象物９１が加熱ユニット４から見えない場所に配置されている構成を採用しないことも可能である。第２冷却ステージ３２４の上面３２４ａに対象物９１を配置すると共に加熱ユニット４を配置する。そして、対象物９１と加熱ユニット４との間には、これらを隔てる如何なる部材も配置されない。このような配置を、「対象物９１は、加熱ユニット４から見える場所に配置されている」という。

＜変形例１２＞
図９（ａ）は、変形例１２の冷凍システム１Ｐにおける加熱ブロック４４Ｐを示す。実施形態の加熱ユニット４では、光の吸収を高めるための加工は、閉鎖領域Ｓ２を囲む内周面などに施されていた。つまり、加熱ブロック４４のブロック主面４４ａ、ブロック熱出力面４４ｂ、ブロック底面４４ｃ、ブロック背面４４ｆ及びブロック側面４４ｄ、４４ｅには、黒色アルマイトといった表面処理層は設けられていなかった。図９（ａ）に示すように、変形例１２の加熱ブロック４４Ｐの表面処理層は、加熱ブロック４４のブロック主面４４ａ、ブロック熱出力面４４ｂ、ブロック底面４４ｃ、ブロック背面４４ｆ及びブロック側面４４ｄ、４４ｅに設けられてもよい。なお、図９（ａ）では、加熱ブロック４４Ｐの一部の部品の図示を省略している。

実施形態の加熱ユニット４では、光ファイバ４１の光軸４１Ｓは、光吸収穴４４３（光吸収領域Ｓ２１）の軸線４４３Ｓと重複していた。これらの軸の関係は、重複に限定されない。図９（ｂ）は、変形例１３の冷凍システム１Ｑが備える加熱ユニット４Ｑを示す。図９（ｂ）に示すように、変形例１３では、光ファイバ４１の光軸４１Ｓは、光吸収穴４４３（光吸収領域Ｓ２１）の軸線４４３Ｓに対して平行である。しかし、光ファイバ４１の光軸４１Ｓは、光吸収穴４４３（光吸収領域Ｓ２１）の軸線４４３Ｓと重複しない。図９（ｃ）は、変形例１４の冷凍システム１Ｒが備える加熱ユニット４Ｒを示す。図９（ｃ）に示すように、変形例１４では、光ファイバ４１の光軸４１Ｓは、光吸収穴４４３（光吸収領域Ｓ２１）の軸線４４３Ｓに対して傾いている。

＜その他の変形例＞
実施形態では、加熱ユニット４に光を導く光ファイバ４１は、１本であった。図１０（ａ）に示すように加熱ユニット４には、２本の光ファイバ４１ｆ、４１ｓが接続されてもよい。さらに、加熱ユニット４に光を導く光ファイバ４１は、２本より多くてもよい。

実施形態では、第２冷却ステージ３２４にのみ加熱ユニット４を取り付けた。冷凍システム１が備える加熱ユニット４の数は、複数台であってもよい。例えば、図１０（ｂ）に示すように、冷凍システム１は、第２冷却ステージ３２４に取り付ける加熱ユニット４Ａに加えて、さらに、第１冷却ステージ３２２に取り付ける加熱ユニット４Ｂを備えてもよい。加熱ユニット４Ａは、光ファイバ４１Ａを含む。加熱ユニット４Ｂは、光ファイバ４１Ｂを含む。図１０（ｃ）に示すように、冷凍システム１は、第２冷却ステージ３２４に取り付ける加熱ユニット４Ａに加えて、さらに、第２コラム３２３に取り付ける加熱ユニット４Ｃを備えてもよい。加熱ユニット４Ｃは、光ファイバ４１Ｃを含む。図１１（ａ）に示すように、冷凍システム１は、第２冷却ステージ３２４に取り付ける加熱ユニット４Ａに加えて、第１コラム３２１に取り付ける加熱ユニット４Ｄを備えてもよい。加熱ユニット４Ｄは、光ファイバ４１Ｄを含む。図１１（ｂ）に示すように、冷凍システム１は、第２冷却ステージ３２４に取り付ける加熱ユニット４Ａに加えて、第２コラム３２３に取り付ける加熱ユニット４Ｃと、第１コラム３２１に取り付ける加熱ユニット４Ｄと、を備えてもよい。

実施形態では、加熱ブロック４４は、保持部材９２に対して直接に接触させていた。図１２に示すように、加熱ブロック４４は、保持部材９２に対して何らかの部材を挟んで固定してもよい。例えば、比較的柔らかい金属（インジウム等）の熱伝導部材９７を介して加熱ブロック４４と保持部材９２とを接続することによって、加熱ブロック４４と熱伝導部材９７の接触面積が増加すると共に、熱伝導部材９７と保持部材９２との接触面積が増加する。つまり、接触面積の増加によって、加熱ブロック４４から保持部材９２への熱抵抗が下がるので、加熱ブロック４４から保持部材９２へ良好に熱を移動させることができる。

＜実験例１＞
実験例１では、加熱ユニット４の加熱能力を評価した。具体的には、実験例１では、加熱ユニット４の動作によって対象物の温度を高めることができることを確認した。図１３（ａ）は、光出力と内部温度との関係を示すグラフである。横軸は、加熱のために提供される光の出力を示す。つまり、加熱ユニット４に照射される光の光出力を示す。縦軸は、各光出力において光照射を開始してから温度平衡に達した時点での真空チャンバ２の内部温度を示す。実験例１では、内部温度は、第２冷却ステージ３２４の温度である。そして、加熱ユニット４は、第２冷却ステージ３２４に取り付けた。つまり、実験例１における対象物は、第２冷却ステージ３２４とした。グラフＧ１３ａを参照すると、光出力の増大に伴って、内部温度も高まることが確認できた。つまり、投入した光のエネルギが増大すると、加熱ユニット４が発生する熱エネルギも増加する。熱エネルギの増加に伴って、対象物である第２冷却ステージ３２４の温度も上昇していることがわかった。また、光出力と内部温度との関係は、おおよそ比例するものであった。

このような特性を有する加熱ユニット４を備えた冷凍システム１は、冷凍機３１の冷却能力の評価も可能である。つまり、レーザ光の出力を制御することによって、真空チャンバ２の内部に供給する熱量を制御できる。そして、単位時間あたりに所定量の熱量が真空チャンバ２の内部に供給される状態において、冷凍機３１に供給される当該熱量と等しいだけの熱量を奪う設定とする。冷凍機３１が正常に動作している場合、与えられる熱量と奪われる熱量とが等しくなるので、真空チャンバ２の内部に配置された対象物の温度は変化しないことになる。逆に、冷凍機３１が正常に動作していない場合、つまり、冷凍機３１の冷却機能が低下している場合には、与えられる熱量と奪われる熱量とが釣り合わなくなるので、真空チャンバ２の内部に配置された対象物の温度が上昇することになる。このような試験によって、冷凍機３１が正常に動作しているか否かの検査を行うこともできる。

＜実験例２、３＞
実験例２、３では、冷凍機３１の運転を停止したときから真空チャンバ２を開放できる温度まで上昇するまでの時間を確認した。真空チャンバ２を開放できる温度として、室温を設定した。実験例２では、比較例として加熱ユニット４による加熱を行わないことを条件とした。実験例３では、加熱ユニット４による加熱を行うことを条件とした。図１３（ｂ）は、内部温度の時間変化を示す。横軸は、冷凍機３１の運転を停止したタイミングから経過した時間を示す。縦軸は、内部温度を示す。実験例２、３では、第１冷却ステージ３２２と第２冷却ステージ３２４とを対象物とした。つまり、実験例３では、第１冷却ステージ３２２に加熱ユニット４を取り付けると共に、第２冷却ステージ３２４にも加熱ユニット４を取り付けた。さらに、加熱ユニット４に提供する光の出力は、いずれも最大９Ｗとした。

図１３（ｂ）において、グラフＧ１３ｂ、Ｇ１３ｃは、実験例２の結果を示す。グラフＧ１３ｂは、第１冷却ステージ３２２の温度を示す。グラフＧ１３ｃによれば、第１冷却ステージ３２２の室温までの上昇に要した時間は、１２時間ほどであった。グラフＧ１３ｃは、第２冷却ステージ３２４の温度を示す。グラフＧ１３ｃによれば、第２冷却ステージ３２４の温度室温までの上昇に要した時間は、１５時間ほどであった。つまり、加熱ユニット４を用いない場合には、冷凍機３１の運転を停止したときから１５時間ほどは、真空チャンバ２を開放することができないことがわかった。

図１３（ｂ）において、グラフＧ１３ｄ、Ｇ１３ｅは、実験例３の結果を示す。グラフＧ１３ｄは、第１冷却ステージ３２２の温度を示す。グラフＧ１３ｄによれば、第１冷却ステージ３２２の室温までの上昇に要した時間は、６時間ほどであった。加熱ユニット４を用いない場合には、１２時間ほどを要していた。従って、第１冷却ステージ３２２の室温までの上昇に要した時間は、加熱ユニット４の使用によって、６時間ほど短縮できることがわかった。グラフＧ１３ｅは、第２冷却ステージ３２４の温度を示す。グラフＧ１３ｅによれば、第２冷却ステージ３２４の室温までの上昇に要した時間も、６時間ほどであった。加熱ユニット４を用いない場合には、１５時間ほどを要していた。従って、第２冷却ステージ３２４の室温までの上昇に要した時間は、加熱ユニット４の使用によって、９時間ほど短縮できることがわかった。つまり、加熱ユニット４を用いた場合には、冷凍機３１の運転を停止したときから６時間ほどで真空チャンバ２を開放することができることがわかった。加熱ユニット４を用いない場合と比較すると、冷凍機３１を停止してからの待機時間を９時間ほど短縮できることがわかった。

１…冷凍システム、１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ，１Ｇ，１Ｈ，１Ｋ，１Ｍ，１Ｎ，１Ｐ，１Ｑ，１Ｒ…冷凍システム、２…真空チャンバ、２１…天板部、２２…円筒部、２３…チャンバフランジ、２４…導出入部、３…冷却ユニット、３１…冷凍機、３２…支持台、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｑ，４Ｒ…加熱ユニット、４１，４１ｆ，４１ｓ…光ファイバ、４１Ｓ…光軸、４２…フェルール、４３…光ファイバホルダ、４４…加熱ブロック、４４Ｐ…加熱ブロック、４４ａ…ブロック主面（第１主面）、４４ｂ…ブロック熱出力面（第２主面）、４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４５Ｄ…ボルト、４６…光ファイバコネクタ、４７…蓋部材、４１１…光入射端、４１２…光出射端、４３１…外ホルダ筒部、４３２…内ホルダ筒部、４３３Ａ，４３３Ｂ…ホルダフランジ、４３３Ｂ…ホルダフランジ、４４１Ａ…ブロックネジ穴、４４１Ａ、４４１Ｂ…ブロックネジ穴、４４１Ｂ…ブロックネジ穴、４４２…ファイバ露出穴、４４３…光吸収穴、４４３Ｓ…軸線、４４３ｂ…光吸収穴底面、４４４Ａ、４４４Ｂ…ブロック固定穴、９１…対象物、９２…保持部材、ＬＳ…レーザ光源、９４…仕切り、９５…対象物ケース、９６…ユニットケース、９７…熱伝導部材、９２１…保持部材ベース、９２２…保持部材起立部、Ｓ１…冷却領域、Ｓ２…閉鎖領域、Ｓ２１…光吸収領域、Ｓ２２…ファイバ露出領域、Ｌ…光。

Claims (14)

1. 対象物を収容するとともに冷却を行う冷却領域を形成するチャンバと、
   前記冷却領域に収容された前記対象物を冷却する冷却ユニットと、
   前記冷却領域に配置されると共に熱を発生する加熱ユニットと、を備え、
   前記加熱ユニットは、
   前記冷却領域に配置され、光を受けることによって発熱する加熱ブロックと、
   前記加熱ブロックに前記光を照射する光照射部と、を有し、
   前記加熱ブロックは、前記冷却領域から隔離された閉鎖領域を含み、
   前記光照射部は、前記光を前記閉鎖領域に照射する、冷凍システム。
2. 前記閉鎖領域は、前記加熱ブロックに固定された蓋部によって前記冷却領域から隔離され、
   前記蓋部は光照射部を含む、請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記閉鎖領域は、前記光が照射される光吸収領域を含み、
   前記光吸収領域は、前記加熱ブロックの基材よりも前記光の吸収率が高い光吸収面を有する、請求項１または２に記載の冷凍システム。
4. 前記光吸収領域は、筒状であり、
   前記光吸収面は、前記光吸収領域を囲む内周壁面である、請求項３に記載の冷凍システム。
5. 前記光吸収面は、凹凸状である、請求項４に記載の冷凍システム。
6. 前記光吸収領域の底は、光吸収穴底面によって規定され、
   前記光吸収穴底面は、テーパ形状を有している、請求項３～５の何れか一項に記載の冷凍システム。
7. 前記閉鎖領域は、前記光照射部の光出射端が配置される光出射端露出領域を含み、
   前記光照射部の光軸に交差する前記光出射端露出領域の断面の面積は、前記光吸収領域の前記光軸に交差する断面の面積よりも大きい、請求項３～６の何れか一項に記載の冷凍システム。
8. 前記光照射部は、前記光を導光する光ファイバと、前記光ファイバを保持すると共に、前記光ファイバを前記加熱ブロックに取り付ける光ファイバホルダとをさらに備える、請求項１～７の何れか一項に記載の冷凍システム。
9. 前記加熱ブロックの基材の熱伝導率は、前記光ファイバホルダの基材の熱伝導率よりも大きい、請求項８に記載の冷凍システム。
10. 前記加熱ブロックは、第１主面と、第１主面と交差する第２主面と、を有し、
    前記第１主面には、前記光照射部が配置され、
    前記第２主面は、対象物に熱的に接触する、請求項１～９の何れか一項に記載の冷凍システム。
11. 前記第２主面と前記対象物との間には、熱伝導部材が挟み込まれている、請求項１０に記載の冷凍システム。
12. 前記冷却ユニットは、冷凍機と、前記冷凍機に連結されると共に前記冷却領域に配置された支持台と、を有し、
    前記支持台は、前記対象物が配置されるステージと、前記ステージを支持するコラムと、を含み、
    前記加熱ユニットは、前記コラムに取り付けられる、請求項１～１１の何れか一項に記載の冷凍システム。
13. 前記冷却ユニットは、冷凍機と、前記冷凍機に連結されると共に前記冷却領域に配置された支持台と、を有し、
    前記支持台は、前記対象物が配置されるステージと、前記ステージを支持するコラムと、を含み、
    前記加熱ユニットは、前記ステージに取り付けられる、請求項１～１２の何れか一項に記載の冷凍システム。
14. 前記対象物は、入射した光に応じる信号を出力する光センサを含む、請求項１～１３の何れか一項に記載の冷凍システム。

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