JP2024056648A - コールドヘッド装着構造、支持構造、およびクライオスタット - Google Patents

Abstract

【課題】極低温装置の初期冷却時間を短縮する。
【解決手段】極低温冷凍機１０のコールドヘッド１４を真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造３０が提供される。コールドヘッド１４は、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージ２０と、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージ２４とを備える。コールドヘッド装着構造３０は、第１冷却ステージ２０に対応して設けられた第１伝熱ステージ３６と、第２冷却ステージ２４に対応して設けられた第２伝熱ステージ４０と、第２伝熱ステージ４０の温度が第１冷却温度と第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６に熱的に結合し、第２伝熱ステージ４０の温度が切替温度を下回るとき第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６から熱的に切り離すように構成された熱スイッチ８０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造、および、真空容器内の被冷却物を真空容器に支持する支持構造に関する。また、本発明は、クライオスタットに関する。

従来、極低温冷凍機のコールドヘッドをスリーブを介してクライオスタットなどの極低温真空容器に装着することが知られている。極低温真空容器内には例えば超伝導コイルなどの被冷却物が収容され、この被冷却物はスリーブに熱的に結合されている。コールドヘッドとスリーブを接触させることにより、極低温冷凍機は、スリーブを介して被冷却物を冷却することができる。

極低温冷凍機を長期的に運転するなかで、極低温冷凍機のメンテナンスが定期的に必要とされうる。作業者は、スリーブからコールドヘッドをいくらか引き上げ、コールドヘッドとスリーブの接触を解除して極低温冷凍機にメンテナンスを施すことができる。極低温冷凍機は例えば室温などメンテナンス作業に都合のよい温度に昇温され、作業完了後に再冷却される。コールドヘッドの接触解除により、被冷却物は低温に保つことができる。したがって、極低温冷凍機とともに被冷却物を室温に昇温して極低温冷凍機にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。

特開２０１３－１６０３９３号公報

ところで、極低温冷凍機を用いて超伝導コイルなどの被冷却物を冷却する上述のような極低温装置においては、その起動に際して被冷却物を室温から目標冷却温度に冷却する初期冷却が行われる。被冷却物の利用は初期冷却の完了後に可能となる。したがって、初期冷却の所要時間はなるべく短いことが望まれる。

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、極低温装置の初期冷却時間を短縮することにある。

本発明のある態様によると、極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造が提供される。コールドヘッドは、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備える。コールドヘッド装着構造は、第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、第２伝熱ステージの温度が第１冷却温度と第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージを第１伝熱ステージに熱的に結合し、第２伝熱ステージの温度が切替温度を下回るとき第２伝熱ステージを第１伝熱ステージから熱的に切り離すように構成された熱スイッチと、を備える。

本発明のある態様によると、真空容器内に配置され、真空容器に装着された極低温冷凍機のコールドヘッドによって冷却される被冷却物を真空容器に支持する支持構造が提供される。コールドヘッドは、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備える。支持構造は、真空容器に取り付けられた支持体と、支持体に設置され、第１冷却ステージによって冷却される第１伝熱ステージと、支持体に設置され、第２冷却ステージによって冷却される第２伝熱ステージと、支持体に組み込まれた熱スイッチと、を備える。熱スイッチは、第２伝熱ステージの温度が第１冷却温度と第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージを第１伝熱ステージに熱的に結合し、第２伝熱ステージの温度が切替温度を下回るとき第２伝熱ステージを第１伝熱ステージから熱的に切り離すように構成されている。

本発明のある態様によると、クライオスタットが提供される。クライオスタットは、極低温冷凍機のコールドヘッドが装着される真空容器であって、その内部空間には、コールドヘッドの第１冷却ステージによって第１冷却温度に冷却される第１物体と、コールドヘッドの第２冷却ステージによって第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２物体とが収容される真空容器を備える。また、クライオスタットは、真空容器の内部空間において第１物体と第２物体との間に設置された熱スイッチであって、第２物体の温度が第１冷却温度と前第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき第２物体を第１物体に熱的に結合し、第２物体の温度が切替温度を下回るとき第２物体を第１物体から熱的に切り離すように構成された熱スイッチを備える。真空容器は、切替温度を沸点とするガスを内部空間に導入することを可能にするポートを備える。熱スイッチは、第１物体と熱的に結合され、内部空間に露出された第１熱交換部と、第２物体と熱的に結合され、内部空間に露出された第２熱交換部とを備え、第１熱交換部と第２熱交換部が、ガスを介した熱交換のためのガスギャップを挟んで対向配置されている。

本発明によれば、極低温装置の初期冷却時間を短縮することができる。

実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を説明するための概略図である。 実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を説明するための概略図である。 実施の形態に係る熱スイッチの例示的な構成を示す概略断面図である。 実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の他の一例を説明するための概略図である。 他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。 他の実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す斜視図である。 図８（ａ）は、他の実施の形態に係る第１伝熱ステージを模式的に示す平面図であり、図８（ｂ）は、他の実施の形態に係る第２伝熱ステージを模式的に示す平面図である。 他の実施の形態に係る熱スイッチの例示的な構成を示す概略断面図である。 更なる実施の形態に係る極低温装置の一部を示す概略図である。 更なる実施の形態に係る極低温装置の一部を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１および図２は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を説明するための概略図である。図１には、極低温冷凍機１０と例えば超伝導コイルなどの被冷却物９０との熱的な結合が解除された状態が示され、図２には、両者が熱的に結合された状態が示されている。

極低温冷凍機１０は、この実施の形態においては、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。極低温冷凍機１０は、圧縮機１２と、二段式のコールドヘッド１４とを備える。

圧縮機１２は、極低温冷凍機１０の冷媒ガスをコールドヘッド１４から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１４に供給するよう構成されている。コールドヘッド１４は、膨張機とも称され、供給された冷媒ガスを内部の膨張室で断熱膨張させることにより寒冷を発生させることができる。圧縮機１２とコールドヘッド１４との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１４での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１０の冷凍サイクル（例えばＧＭサイクル）が構成され、それによりコールドヘッド１４の各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

コールドヘッド１４は、コールドヘッドフランジ１６、第１シリンダ１８、第１冷却ステージ２０、第２シリンダ２２、および第２冷却ステージ２４を備え、これらはコールドヘッド１４の中心軸に沿って同軸に配置されている。第１シリンダ１８は、コールドヘッドフランジ１６を第１冷却ステージ２０と連結し、第２シリンダ２２は、第１冷却ステージ２０を第２冷却ステージ２４と連結する。第１冷却ステージ２０および第２冷却ステージ２４は、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。第１シリンダ１８および第２シリンダ２２は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。冷却ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダを形成する材料の熱伝導率より高い。

なおコールドヘッドフランジ１６には、コールドヘッド１４の駆動部１７が取り付けられている。駆動部１７は、第１シリンダ１８および第２シリンダ２２のそれぞれに収容された一段ディスプレーサおよび二段ディスプレーサを軸方向に往復させるモータを備える。また、駆動部１７には、このモータによってディスプレーサと同期して駆動される圧力切替バルブも収納されている。圧力切替バルブは、コールドヘッド１４への高圧冷媒ガスの受け入れと低圧冷媒ガスの送出を周期的に切り替えるよう構成されている。圧縮機１２、コールドヘッドフランジ１６、および駆動部１７は、周囲環境２７に配置されている。

極低温冷凍機１０の動作中、第１冷却ステージ２０は第１冷却温度に冷却され、第２冷却ステージ２４は第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される。第１冷却温度は、例えば３０Ｋ～８０Ｋ（通例は３０Ｋ～５０Ｋ、例えば４０Ｋ）にあり、第２冷却温度は、例えば３Ｋ～２０Ｋ（通例は３Ｋ～４Ｋ）にある。

コールドヘッド装着構造３０は、真空容器２６、例えばクライオスタットなどの極低温真空容器に極低温冷凍機１０のコールドヘッド１４を装着するための器具である。コールドヘッド装着構造３０は、コールドヘッド収容スリーブ、または単にスリーブとも称される。コールドヘッド装着構造３０は、周囲環境２７から隔離された気密領域２８をコールドヘッド１４とコールドヘッド装着構造３０との間に形成するよう真空容器２６に設置される。周囲環境２７は例えば室温の大気圧環境である。気密領域２８は、真空に排気されてもよいし、あるいは、ヘリウムガスのような極低温で液化しない不活性ガスで充填されてもよい。また、コールドヘッド装着構造３０は、真空容器２６と組み合わされて真空容器２６内に真空領域２９を区画するように真空容器２６に設置される。

コールドヘッド装着構造３０は、極低温冷凍機１０とともに、極低温冷凍機１０の製造業者により顧客に提供されてもよい。被冷却物９０を冷却する冷却装置が、極低温冷凍機１０およびコールドヘッド装着構造３０から構成される、とも言える。

コールドヘッド装着構造３０も、コールドヘッド１４に対応して二段式に構成される。コールドヘッド装着構造３０は、スリーブフランジ３２、第１スリーブ３４、第１伝熱ステージ３６、伝熱ステージ連結部３８、および第２伝熱ステージ４０を備え、これらはコールドヘッド１４の中心軸に沿って同軸に配置されている。伝熱ステージ連結部３８は、同軸配置された一組の第２スリーブ４２と、熱スイッチ８０とを備え、第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０を固定的に連結する。熱スイッチ８０の例示的な構成は図３を参照して後述する。

スリーブフランジ３２は、一例として、真空容器２６の天板に形成された開口部に固定され、コールドヘッド装着構造３０はこの開口部から真空容器２６内に延びている。また、スリーブフランジ３２には、コールドヘッドフランジ１６が例えばボルト等の締結部材３３で取り付けられる。コールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２が締結されるとき、第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２４がそれぞれ第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０に押し付けられることになる。スリーブフランジ３２は、コールドヘッド１４を受け入れる開口部を締結部材３３よりも径方向に内側に有し、この開口部の内周面にはコールドヘッドフランジ１６が接触している。

締結部材３３によるコールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２の締結が解除されているとき、コールドヘッドフランジ１６は、スリーブフランジ３２に対して軸方向に摺動可能であり、それにより、コールドヘッド１４は、コールドヘッド装着構造３０に対し軸方向（図１および図２における上下方向）に移動可能である。可動範囲は例えば数ｃｍ以内、例えば２～３ｃｍ程度である。作業者は、手動により、または油圧ジャッキなどの補助器具を使用して、または動力源を有する昇降装置がコールドヘッド１４に接続されている場合にはこれを作動させて、この可動範囲においてコールドヘッド１４を軸方向に昇降させることができる。

したがって、コールドヘッド装着構造３０の第１伝熱ステージ３６は、極低温冷凍機１０のコールドヘッド１４の移動によりコールドヘッド１４の第１冷却ステージ２０と接触し又は接触解除される。同様に、コールドヘッド装着構造３０の第２伝熱ステージ４０は、コールドヘッド１４の移動により第２冷却ステージ２４と接触し又は接触解除される。

コールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２との間には例えばＯリングなどのシール部材４４が挟み込まれている。シール部材４４は、スリーブフランジ３２の開口部内周面に形成された周溝に配置されている。シール部材４４が設けられているので、コールドヘッド１４がコールドヘッド装着構造３０に対し上述の可動範囲内で軸方向に移動されても気密領域２８は周囲環境２７から隔離されている。

第１スリーブ３４は、スリーブフランジ３２を第１伝熱ステージ３６と連結し、第２スリーブ４２は、第１伝熱ステージ３６を第２伝熱ステージ４０と連結する。第１スリーブ３４および第２スリーブ４２はそれぞれ、第１シリンダ１８および第２シリンダ２２を囲むように配置されている。第１伝熱ステージ３６の中心部には、第１スリーブ３４の内部空間を伝熱ステージ連結部３８の内部空間（後述の内スリーブ４２ｂよりも径方向内側の空間）に接続する開口部が設けられている。コールドヘッド１４の第２シリンダ２２および第２冷却ステージ２４はこの開口部から伝熱ステージ連結部３８の内部空間へと挿入される。

第１伝熱ステージ３６および第２伝熱ステージ４０は、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。第１スリーブ３４および第２スリーブ４２は、例えばステンレスなどの金属で形成されている。伝熱ステージを形成する熱伝導材料の熱伝導率は、スリーブ体を形成する材料の熱伝導率より高い。

真空領域２９に露出される第１伝熱ステージ３６の外面には、輻射シールド９２が熱的に結合されている。輻射シールド９２は、被冷却物９０を熱的に保護するために、被冷却物９０を囲むように配置されている。図１及び図２には輻射シールド９２の一部のみが示される。輻射シールド９２は、第１伝熱ステージ３６に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。第１伝熱ステージ３６には、輻射シールド９２とともに、またはこれに代えて、別の被冷却物が熱的に結合されてもよい。また、真空領域２９に露出される第２伝熱ステージ４０の外面には被冷却物９０が熱的に結合されている。被冷却物９０は、第２伝熱ステージ４０に直接取り付けられてもよいし、あるいは、剛性または可撓性の伝熱部材を介して接続されてもよい。

図３は、図１および図２に示される熱スイッチ８０の例示的な構成を示す概略断面図である。図３には、熱スイッチ８０の中心軸を含む縦断面が示されている。

熱スイッチ８０は、第１伝熱ステージ３６と熱的に結合された第１熱交換部８１と、第２伝熱ステージ４０と熱的に結合された第２熱交換部８２とを備える。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は、熱スイッチ８０の作動ガスを介した熱交換のためのガスギャップ８３を挟んで対向配置されている。

一例として、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は、上述の第２スリーブ４２と同軸に配置された円筒状の形状を有する。第１熱交換部８１の一端は第１伝熱ステージ３６に固定され、第１熱交換部８１の他端は第２伝熱ステージ４０から軸方向に隙間をあけて配置されている。第２熱交換部８２の一端は第２伝熱ステージ４０に固定され、第２熱交換部８２の他端は第１伝熱ステージ３６から軸方向に隙間をあけて配置されている。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は、異なる径を有し、互いに接触していない。この例では、第１熱交換部８１が第２熱交換部８２よりも大径であり、第２熱交換部８２が第１熱交換部８１の内側に挿入されている。なお、図示の例とは逆に、第２熱交換部８２が第１熱交換部８１よりも大径であり、第１熱交換部８１が第２熱交換部８２の内側に挿入されてもよい。

熱スイッチ８０は上述のように、伝熱ステージ連結部３８に組み込まれている。伝熱ステージ連結部３８は、熱スイッチ８０の作動ガスを収容する気密空間４６を形成する。一組の第２スリーブ４２は、第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０を剛に連結する外スリーブ４２ａおよび内スリーブ４２ｂからなる。したがって、気密空間４６は、径方向には外スリーブ４２ａと内スリーブ４２ｂとの間に、軸方向には第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０との間に形成されている。これら第２スリーブ４２と２つの伝熱ステージとは、例えばろう付けなど適宜の接合方法により固定されてもよい。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２はともに、気密空間４６に露出されている。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２を隔てるガスギャップ８３は、気密空間４６の一部である。

熱スイッチ８０は、第２伝熱ステージ４０の温度が熱スイッチ８０の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６に熱的に結合し、第２伝熱ステージ４０の温度がこの切替温度を下回るとき第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６から熱的に切り離すように構成されている。

熱スイッチ８０は、切替温度よりも第１熱交換部８１および第２熱交換部８２の温度が高いとき、ガスギャップ８３の作動ガスを介したこれら熱交換部間の熱伝達により高温側と低温側とを熱接続することができる。これが熱スイッチ８０のオン状態である。熱スイッチ８０の切替温度は、封入された作動ガスの沸点に相当する。ガスギャップ８３は、良好な熱伝達のために、ごく狭い隙間である。ガスギャップ８３の大きさ（第１熱交換部８１と第２熱交換部８２の最短距離）は、例えば５ｍｍ以内、または２ｍｍ以内であってもよい。

また、熱スイッチ８０は、第１熱交換部８１および第２熱交換部８２の少なくとも一方（ふつうは第２熱交換部８２）の温度が切替温度よりも低いとき、高温側と低温側の熱接続を解除する。ガスギャップ８３の作動ガスが少なくとも第２熱交換部８２の表面に凝縮し、ガスギャップ８３が真空となり、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２がガスギャップ８３を介して真空断熱されるからである。これが熱スイッチ８０のオフ状態である。

第１熱交換部８１および第２熱交換部８２は、上述の他の伝熱部材と同様に、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。なお、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は通例同じ材料で形成されるが、異なる材料で形成されてもよい。

第２スリーブ４２は、第１熱交換部８１および第２熱交換部８２に比べて熱伝導率の低い材料、例えば断熱材料で形成される。ここで、断熱材料は、第１熱交換部８１（または第２熱交換部８２）を形成する高熱伝導材料の熱伝導率の例えば１／１０以下の熱伝導率を持つ材料であってもよい。第２スリーブ４２は、例えば、ステンレス鋼、または、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）またはその他のプラスチック材料で形成されてもよい。これにより、熱スイッチ８０がオフのとき第２スリーブ４２を通じた第１熱交換部８１から第２熱交換部８２への熱侵入を防止しまたは最小限に抑えることができる。

熱スイッチ８０に封入される作動ガスは、熱スイッチ８０の切替温度が極低温冷凍機１０の第１冷却温度よりも低くなりかつ第２冷却温度よりも高くなるように選択される。上述のように、熱スイッチ８０の切替温度は、封入された作動ガスの沸点に相当する。よって、熱スイッチ８０に封入される作動ガスは、例えば、ネオン（約２７．１Ｋ）であってもよい。あるいは、作動ガスは、水素（約２０．４Ｋ）、またはヘリウム（約４．２Ｋ）であってもよい。ここで、ガス種に括弧書きで付記したのは各ガス種の大気圧での沸点である。例えば、熱スイッチ８０に作動ガスとしてネオンを大気圧で封入した場合には、熱スイッチ８０の切替温度を約２７．１Ｋとすることができる。作動ガスは、大気圧よりも高い圧力（例えば５気圧以内、または１０気圧以内）で熱スイッチ８０に封入されてもよい。作動ガスの封入圧を調整することにより、熱スイッチ８０の切替温度が調整されてもよい。

なお、作動ガスは、混合ガス、例えば、ネオン、水素、およびヘリウムのうち少なくとも１つを含む混合ガスであってもよい。この混合ガスは、例えば、窒素、アルゴン、または空気などの希釈ガスを含んでもよい。混合ガスの組成を調整することにより、熱スイッチ８０の切替温度が調整されてもよい。

任意選択として、熱スイッチ８０は、第２伝熱ステージ４０と熱的に結合され、気密空間４６からガスを吸着可能なゲッター材８４を備えてもよい。ゲッター材８４は、極低温下（すなわち熱スイッチ８０の切替温度以下の温度、例えば第２冷却温度）で熱スイッチ８０の作動ガスの吸着能力を有する例えば活性炭、またはその他の多孔質材料、またはその他の吸着材料であってもよい。ゲッター材８４は、第２熱交換部８２によって冷却されることができるように、第２熱交換部８２の表面に適宜の方法で設置されている。

理想的には、熱スイッチ８０がその切替温度よりも低い温度に冷却されるとき、上述のように作動ガスは熱スイッチ８０内で凝縮し、ガスギャップ８３が真空となり、熱スイッチ８０はオフとなる。しかしながら、実際には、いくらかの作動ガスがガスギャップ８３に残留しうる。このような残留ガスは第１熱交換部８１と第２熱交換部８２との間の熱伝達を生じさせうる。好ましくないことに、オフであるべき熱スイッチ８０を通じた第１熱交換部８１から第２熱交換部８２への熱侵入が無視できなくなる可能性がある。

これに対して、熱スイッチ８０内にゲッター材８４を設けることにより、残留ガスを吸着し、ガスギャップ８３の真空度をいっそう高めることができる。したがって、熱スイッチ８０のオフ状態における熱接続の切断をより確実に実現することができる。

ゲッター材８４は、第２伝熱ステージ４０上でガスギャップ８３に面して配置されている。これにより、ゲッター材８４は、ガスギャップ８３に存在しうる残留ガスにさらされることになり、残留ガスを効率的に吸着することができる。また、ゲッター材８４を第２伝熱ステージ４０で直接冷やすことで、ゲッター材８４の温度をすばやく下げることができる。これにより、熱スイッチ８０を速やかにオフに切り替えることができ、応答性に優れる熱スイッチ８０を提供することができる。

図示の例では、ゲッター材８４は、第２伝熱ステージ４０上で第１熱交換部８１の先端に近接する位置に設けられている。これに代えて、またはこれとともに、ゲッター材８４は、第２伝熱ステージ４０または第２熱交換部８２上で他の配置も可能である。例えば、ゲッター材８４は、第２熱交換部８２の表面（例えば、第１熱交換部８１と対向する表面、または第２スリーブ４２と対向する表面）に設置されてもよい。

また、任意選択として、熱スイッチ８０は、伝熱ステージ連結部３８に接続され、気密空間４６にガスを給排するガス給排バルブ８５をさらに備えてもよい。ガス給排バルブ８５は、ガス配管８６を通じて伝熱ステージ連結部３８に接続されてもよい。この例では、ガス配管８６は、第２スリーブ４２（例えば外スリーブ４２ａ）に接続されてもよい。ガス給排バルブ８５は、図１および図２に示される真空容器２６の外に配置されてもよい。

このようにすれば、ガス給排バルブ８５を利用して、熱スイッチ８０のオンオフを極低温冷凍機１０の動作（つまり伝熱ステージの温度）から独立して能動的に切り替えることができる。例えば、熱スイッチ８０の作動ガス源をガス給排バルブ８５に接続し、ガス給排バルブ８５を通じて気密空間４６に作動ガスを供給することで、ガスギャップ８３を作動ガスで満たし、熱スイッチ８０をオンにすることができる。また、真空ポンプをガス給排バルブ８５に接続し、ガス給排バルブ８５を通じて気密空間４６を真空排気することで、ガスギャップ８３の残留ガスを除去し、熱スイッチ８０をオフにすることができる。

なお、上述した熱スイッチ８０の構成は例示にすぎず、熱スイッチ８０は、さまざまな他の構成をとりうる。例えば、熱スイッチ８０は、第１伝熱ステージ３６に熱的に結合され、第２伝熱ステージ４０に向かって延在する１つ又は複数の高温側伝熱フィンと、第２伝熱ステージ４０に熱的に結合され、第１伝熱ステージ３６に向かって延在する１つ又は複数の低温側伝熱フィンとを備え、高温側伝熱フィンと低温側伝熱フィンが複数のガスギャップを形成するように互い違いに配置されてもよい。

以上の構成を有する極低温冷凍機１０およびコールドヘッド装着構造３０の動作を説明する。

図２に示されるように、コールドヘッド１４とコールドヘッド装着構造３０が熱接触している状態においては、コールドヘッド１４が可動範囲の下端に位置する。このとき、第１冷却ステージ２０が第１伝熱ステージ３６に物理的に接触し、それにより、第１冷却ステージ２０は、第１伝熱ステージ３６を介して輻射シールド９２と熱接触する。それとともに、第２冷却ステージ２４が第２伝熱ステージ４０に物理的に接触し、それにより、第２冷却ステージ２４は、第２伝熱ステージ４０を介して被冷却物９０と熱接触する。こうして、極低温冷凍機１０は、輻射シールド９２を第１冷却温度に、被冷却物９０を第２冷却温度に冷却することができる。被冷却物９０が超伝導コイルである場合、図示されない電源から超伝導コイルに通電することにより、超伝導コイルは、強力な磁場を発生することができる。

極低温冷凍機１０のメンテナンスが許容されるタイミングが到来すると、極低温冷凍機１０の冷却運転が停止される。作業者が締結部材３３を操作することによって、コールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２との締結が解除される。そして、コールドヘッド１４がコールドヘッド装着構造３０からいくらか引き上げられる。コールドヘッド１４は可動範囲の例えば上端に位置する。コールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２の間にはシール部材４４が設けられているので、周囲環境２７からの気密領域２８の隔離は保持される。

このとき、図１に示されるように、第１冷却ステージ２０が第１伝熱ステージ３６から物理的に離れ、第２冷却ステージ２４が第２伝熱ステージ４０から物理的に離れる。気密領域２８での真空断熱により、コールドヘッド１４は、被冷却物９０および輻射シールド９２を冷却しない。コールドヘッド１４が被冷却物９０および輻射シールド９２よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、コールドヘッド１４から被冷却物９０および輻射シールド９２への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。被冷却物９０および輻射シールド９２を極低温に維持しつつ、コールドヘッド１４を昇温することができる。

極低温冷凍機１０のメンテナンスが行われる。コールドヘッド１４の駆動部１７およびディスプレーサがコールドヘッド１４から取り外される。コールドヘッド１４の外側構造、すなわち、コールドヘッドフランジ１６、第１シリンダ１８、第１冷却ステージ２０、第２シリンダ２２、および第２冷却ステージ２４は、そのままコールドヘッド装着構造３０に装着されている。そして、メンテナンスが施された（または新品の）駆動部１７およびディスプレーサがコールドヘッド１４に取り付けられる。そして、極低温冷凍機１０の冷却運転が再開される。

作業者はコールドヘッド１４をコールドヘッド装着構造３０に再び押し込む。第１冷却ステージ２０と第２冷却ステージ２４がそれぞれ、第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０に接触して押し付けられる。第１冷却ステージ２０は第１伝熱ステージ３６と物理的かつ熱的に接触し、第２冷却ステージ２４は第２伝熱ステージ４０と物理的かつ熱的に接触する。そして、締結部材３３によってコールドヘッドフランジ１６とスリーブフランジ３２が締結される。こうして、図２に示される状態に戻る。

したがって、実施の形態に係る極低温冷凍機１０およびコールドヘッド装着構造３０によれば、コールドヘッド１４の移動によりコールドヘッド装着構造３０との熱接触が解除され、被冷却物９０および輻射シールド９２を低温に保ちつつコールドヘッド１４を昇温しメンテナンスをすることができる。被冷却物９０および輻射シールド９２をコールドヘッド１４とともに室温に昇温して極低温冷凍機１０にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物９０および輻射シールド９２の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。

この実施の形態では、上述のように、コールドヘッド装着構造３０の第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０とが熱スイッチ８０で接続される。これは、極低温装置（すなわち、極低温冷凍機１０および被冷却物９０）の初期冷却に有利である。初期冷却では、極低温装置の全体、つまり極低温冷凍機１０および被冷却物９０の両方が、周囲温度（例えば室温）から目標の極低温まで冷却される。したがって、初期冷却の当初、熱スイッチ８０はオンとなり、第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０が熱接続される。図１に示されるようにコールドヘッド１４がコールドヘッド装着構造３０に装着されているとき、コールドヘッド１４の第１冷却ステージ２０が熱スイッチ８０を介して第２冷却ステージ２４と熱接続されることになる。一般的に、極低温冷凍機１０の第１冷却ステージ２０での冷凍能力は第２冷却ステージ２４での冷凍能力よりも大きいため、第１冷却ステージ２０の冷凍能力を第２冷却ステージ２４による被冷却物９０の冷却の補助に利用することができる。これにより、初期冷却の所要時間を短縮することができる。

その後冷却が進み、熱スイッチ８０の切替温度よりも低い温度に被冷却物９０が冷却されると、熱スイッチ８０はオフに切り替わり、第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０の熱接続は切れる。第１伝熱ステージ３６および輻射シールド９２は第１冷却ステージ２０によって第１冷却温度に維持される一方、第２伝熱ステージ４０および被冷却物９０は第２冷却ステージ２４によってさらに冷却され、最終的には第２冷却温度へと冷却される。

比較例として、被冷却物９０と輻射シールド９２とを直接つなぐように別の熱スイッチを設置する案も考えられる。この場合、被冷却物９０と輻射シールド９２の冷却温度の違いに起因する熱応力を低減するために、柔軟な伝熱部材（典型的には例えば銅の編線）を介して熱スイッチと被冷却物９０（または輻射シールド９２）とを接続することが、実用上必要となりうる。柔軟な伝熱部材は一般に、剛性の伝熱部材に比べて熱抵抗が大きい。被冷却物９０と輻射シールド９２との間で柔軟な伝熱部材と熱スイッチが直列に接続されることで、この伝熱経路の熱抵抗が比較的大きくなり、初期冷却における伝熱損失の増加を招きうる。これは初期冷却の時間短縮効果を減らしうる。加えて、熱スイッチをオフとすべき極低温装置の通常運転において、熱スイッチを構成する気密容器と柔軟伝熱部材は輻射シールド９２から被冷却物９０への伝熱経路となり、追加の熱侵入をもたらしうる。

これに対して、実施の形態によると、熱スイッチ８０は、スリーブ型のコールドヘッド装着構造３０に組み込まれている。そのため、熱スイッチ８０を設置するために、柔軟な伝熱部材を追加で設ける必要はなく、追加的な伝熱損失も生じないという利点がある。また、熱スイッチ８０の気密容器を構成する第２スリーブ４２は、既存の（つまり熱スイッチ８０を持たない）コールドヘッド装着構造において２つの伝熱ステージを接続するスリーブと概ね同じ断面積を持つように設計することが可能である。そのため、第２スリーブ４２は、追加の熱侵入をもたらさないか、十分に小さくすることができる。

熱スイッチ８０は、気密構造を形成するために、スリーブ型のコールドヘッド装着構造３０と第２スリーブ４２を共用している。そのため、比較例のように熱スイッチを別個に設ける場合に比べて、熱スイッチ８０は、比較的安価に製作できると期待される。

図４は、実施の形態に係るコールドヘッド装着構造の他の一例を説明するための概略図である。この例においても、上述の実施の形態と同様に、コールドヘッド装着構造３０は、コールドヘッド装着構造３０に装着されたコールドヘッド１４とコールドヘッド装着構造３０との間に気密領域２８を形成するように構成されている。

また、熱スイッチ８０は、第１伝熱ステージ３６と熱的に結合された第１熱交換部８１と、第２伝熱ステージ４０と熱的に結合された第２熱交換部８２とを備える。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は、熱スイッチ８０の作動ガスを介した熱交換のためのガスギャップ８３を挟んで対向配置されている。熱スイッチ８０は、第２伝熱ステージ４０の温度が熱スイッチ８０の切替温度を上回るとき、ガスギャップ８３の作動ガスを介したこれら２つの熱交換部間の熱伝達により第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６に熱的に結合する。すなわち、熱スイッチ８０は、オン状態となる。一方、熱スイッチ８０は、第２伝熱ステージ４０の温度がこの切替温度を下回るとき第２伝熱ステージ４０を第１伝熱ステージ３６から熱的に切り離す。ガスギャップ８３の作動ガスが少なくとも第２熱交換部８２の表面に凝縮し、ガスギャップ８３が真空となり、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２がガスギャップ８３を介して真空断熱され、熱スイッチ８０は、オフ状態となる。

ただし、図４の例では、図２の例とは異なり、内スリーブ４２ｂが設けられていない。コールドヘッド装着構造３０の第１伝熱ステージ３６と第２伝熱ステージ４０は、外スリーブ４２ａのみによって連結されている。したがって、熱スイッチ８０の第１熱交換部８１と第２熱交換部８２はともに、コールドヘッド１４とコールドヘッド装着構造３０との間の気密領域２８に露出されている。

コールドヘッド装着構造３０は、ガスを気密領域２８に導入することを可能にするポート４８を備えてもよい。一例として、ポート４８は、コールドヘッド装着構造３０のスリーブフランジ３２に設けられていてもよい。

このポート４８にガス源が接続されたとき、ガス源からポート４８を通じて気密領域２８にガスが導入されてもよい。このようにして、熱スイッチ８０の作動ガス、すなわち、例えばヘリウムガスなど、上述の切替温度を沸点とするガスが、気密領域２８に、さらには熱スイッチ８０のガスギャップ８３に導入されてもよい。

ポート４８は、ガスの供給ポートとして機能するだけでなく、ガスの排気ポートとして機能してもよい。ポート４８に真空ポンプが接続されたとき、気密領域２８からポート４８を通じてガスが真空排気されてもよい。ポート４８は、例えば、図３を参照して上述した、ガス給排バルブ８５であってもよい。このようにして、熱スイッチ８０の作動ガスがガスギャップ８３から除去されてもよい。

したがって、ポート４８を利用して、熱スイッチ８０のオンオフを極低温冷凍機１０の動作（つまり伝熱ステージの温度）から独立して能動的に切り替えることができる。例えば、ポート４８を通じて気密領域２８に作動ガスを供給することで、ガスギャップ８３を作動ガスで満たし、熱スイッチ８０をオンにすることができる。また、ポート４８を通じて気密領域２８を真空排気することで、ガスギャップ８３からガスを除去し、熱スイッチ８０をオフにすることができる。

図４に示されるように、第１伝熱ステージ３６には、少なくとも１つの貫通穴５０が形成されていてもよい。貫通穴５０は、気密領域２８におけるポート４８から熱スイッチ８０へのガス流路の一部であってもよい。

貫通穴５０は、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２との隙間、すなわちガスギャップ８３の直上で、第１伝熱ステージ３６に形成されていてもよい。熱スイッチ８０を確実にオフにするためには、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２とが互いに接触せず径方向に離間している必要がある。コールドヘッド装着構造３０の製造工程において、作業者は、貫通穴５０を利用してそれを検証することができる。具体的には、作業者は、貫通穴５０を上方から（つまりスリーブフランジ３２側から）のぞき込む。それにより、作業者は、ガスギャップ８３が設計通りに存在することを確認することができる。なお、全周にわたりガスギャップ８３が存在することを確認するために、貫通穴５０は、第１伝熱ステージ３６上で周方向に複数箇所（例えば９０度おきに４箇所）に設けられてもよい。

図４に示される実施の形態においても、図１から図３を参照して説明した実施の形態と同様に、熱スイッチ８０を利用して、極低温装置１００の初期冷却時間を短縮することができる。また、図４の実施の形態では内スリーブ４２ｂが設けられていないので、図１から図３の実施の形態に比べて、極低温装置１００の初期冷却後の通常運転における第１伝熱ステージ３６から第２伝熱ステージ４０へと伝わる入熱を低減することができる。

図５および図６は、他の実施の形態に係る極低温装置を模式的に示す図である。図７は、他の実施の形態に係るコールドヘッド装着構造を模式的に示す斜視図である。図５および図７には、極低温装置内の被冷却物が極低温装置に設けられた極低温冷凍機のコールドヘッドと熱的に結合された状態が示され、図６には、コールドヘッドと被冷却物の熱的な結合が解除された状態が示されている。後述するように、コールドヘッド装着構造に対するコールドヘッドの移動により、コールドヘッドと被冷却物を熱接触させ、または熱接触を解除することができる。

極低温装置１００は、被冷却物の一例としての超伝導コイル１０２を室温から極低温に冷却するとともに、超伝導コイル１０２の使用中、超伝導コイル１０２を極低温に維持するように構成される。超伝導コイル１０２は、例えば単結晶引き上げ装置、ＮＭＲシステム、ＭＲＩシステム、サイクロトロンなどの加速器、核融合システムなどの高エネルギー物理システム、またはその他の高磁場利用機器（図示せず）の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。超伝導コイル１０２は、超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で超伝導コイル１０２に通電することにより強力な磁場を発生するように構成される。

極低温装置１００は、極低温冷凍機１０６と、真空容器１３０と、輻射熱シールド１４０と、コールドヘッド装着構造１５０とを備える。詳細は後述するが、極低温冷凍機１０６がコールドヘッド装着構造１５０を介して真空容器１３０に装着される。コールドヘッド装着構造１５０は極低温冷凍機１０６とともに、被冷却物を冷却する冷却装置を構成するとも言える。コールドヘッド装着構造１５０は、極低温冷凍機１０６（及び／または真空容器１３０）とともに、極低温冷凍機１０６の製造業者により顧客に提供されてもよい。

極低温冷凍機１０６は、この実施の形態においては、二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機である。極低温冷凍機１０６は、圧縮機１０８と、二段式のコールドヘッド１１０とを備える。圧縮機１０８は、真空容器１３０の外側となる周囲環境１０４に配置されている。周囲環境１０４は例えば室温の大気圧環境である。

圧縮機１０８は、極低温冷凍機１０６の冷媒ガスをコールドヘッド１１０から回収し、回収した冷媒ガスを昇圧して、再び冷媒ガスをコールドヘッド１１０に供給するよう構成されている。コールドヘッド１１０は、膨張機とも称され、供給された冷媒ガスを内部の膨張室で断熱膨張させることにより寒冷を発生させることができる。圧縮機１０８とコールドヘッド１１０との間の冷媒ガスの循環がコールドヘッド１１０での冷媒ガスの適切な圧力変動と容積変動の組み合わせをもって行われることにより、極低温冷凍機１０６の冷凍サイクル（例えばＧＭサイクル）が構成され、それによりコールドヘッド１１０の各冷却ステージが所望の極低温に冷却される。コールドヘッド１１０と圧縮機１０８は、フレキシブル管などの冷媒ガス配管により接続される。冷媒ガスは、作動ガスとも称され、通例はヘリウムガスであるが、適切な他のガスが用いられてもよい。

コールドヘッド１１０は、冷却ステージ１２２、具体的には、第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂを備える。極低温冷凍機１０６が動作することによって、第１冷却ステージ１２２ａは、第１冷却温度、例えば３０Ｋ～８０Ｋに冷却され、第２冷却ステージ１２２ｂは、第１冷却温度よりも低い第２冷却温度、例えば３Ｋ～２０Ｋに冷却される。第２冷却温度は、超伝導コイル１０２の超伝導転移温度より低い温度である。

また、コールドヘッド１１０は、第１シリンダ１２４ａと、第２シリンダ１２４ｂと、駆動部１２６と、取付フランジ１２８とを備える。第１シリンダ１２４ａは、取付フランジ１２８を第１冷却ステージ１２２ａに接続し、第２シリンダ１２４ｂは、第１冷却ステージ１２２ａを第２冷却ステージ１２２ｂに接続する。駆動部１２６は、第１シリンダ１２４ａとは反対側で取付フランジ１２８に取り付けられている。

コールドヘッド１１０が真空容器１３０に装着されるとき、コールドヘッド１１０は真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に挿入され、取付フランジ１２８が真空容器１３０の外側でコールドヘッド挿入口１３１に取り付けられる。こうして、コールドヘッド１１０は、第１シリンダ１２４ａ、第１冷却ステージ１２２ａ、第２シリンダ１２４ｂ、第２冷却ステージ１２２ｂが真空容器１３０内の真空領域１３２に配置されるとともに、駆動部１２６が周囲環境１０４に配置されるようにして、真空容器１３０に設置される。

図示される例では、コールドヘッド挿入口１３１は、真空容器１３０の天板に形成され、コールドヘッド１１０は、その中心軸を鉛直方向に平行とするようにして、駆動部１２６を上方にかつ冷却ステージ１２２を下方に向けて、真空容器１３０に設置される。ただし、コールドヘッド１１０の設置の向きはこのような縦向きに限定されず、横向きや斜めなど他の向きで設置されてもよい。コールドヘッド挿入口１３１は、真空容器１３０の側面や底面など任意の面に形成されてもよい。

典型的に、第１シリンダ１２４ａと第２シリンダ１２４ｂは、円筒形状を有する部材であり、第２シリンダ１２４ｂが第１シリンダ１２４ａよりも小径である。第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂはそれぞれ、第１シリンダ１２４ａと第２シリンダ１２４ｂの先端に固着された円柱状の部材である。第１シリンダ１２４ａ、第１冷却ステージ１２２ａ、第２シリンダ１２４ｂ、第２冷却ステージ１２２ｂは、コールドヘッド１１０の中心軸に沿って同軸に配置されている。

第１冷却ステージ１２２ａおよび第２冷却ステージ１２２ｂは、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。第１シリンダ１２４ａと第２シリンダ１２４ｂは、例えばステンレスなどの金属で形成されている。冷却ステージ１２２を形成する熱伝導材料の熱伝導率は、シリンダを形成する材料の熱伝導率より高い。

極低温冷凍機１０６がギフォード・マクマホン冷凍機である場合、第１シリンダ１２４ａと第２シリンダ１２４ｂにはそれぞれ、蓄冷材を内蔵した第１ディスプレーサと第２ディスプレーサが収容されている。第１ディスプレーサと第２ディスプレーサは互いに連結され、それぞれ第１シリンダ１２４ａと第２シリンダ１２４ｂに沿って往復動可能である。

駆動部１２６は、モータと、モータの出力する回転運動を第１ディスプレーサと第２ディスプレーサの軸方向往復動に変換するようにモータをこれらディスプレーサに連結する連結機構とを備える。また、駆動部１２６には、このモータによってディスプレーサと同期して駆動される圧力切替バルブも収納されている。圧力切替バルブは、コールドヘッド１１０への高圧冷媒ガスの受け入れと低圧冷媒ガスの送出を周期的に切り替えるよう構成されている。

なお、図５では例として、１台の極低温冷凍機１０６を示しているが、極低温装置１００は、複数台の極低温冷凍機１０６を備えてもよい。極低温冷凍機１０６ごとにコールドヘッド装着構造１５０が設けられてもよい。

真空容器１３０は、真空領域１３２を周囲環境１０４から隔てるように構成される。真空領域１３２は、真空容器１３０の内部に定められる。真空容器１３０は、例えばクライオスタットであってもよい。超伝導コイル１０２、極低温冷凍機１０６の冷却ステージ１２２、輻射熱シールド１４０は、真空領域１３２に配置され、周囲環境１０４から真空断熱される。断熱性能を高めるために、真空領域１３２を周囲環境１０４から隔てる真空容器１３０の壁部材の表面に沿って、または壁部材の内部に、断熱材料が設けられていてもよい。

輻射熱シールド１４０は、コールドヘッド装着構造１５０を介して第１冷却ステージ１２２ａと熱的に結合され第１冷却温度に冷却される。輻射熱シールド１４０は、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。輻射熱シールド１４０は、第２冷却温度に冷却される超伝導コイル１０２、極低温冷凍機１０６の第２冷却ステージ１２２ｂ、およびその他の低温部を囲むように配置され、外部からの輻射熱からこれら低温部を熱的に保護することができる。

コールドヘッド装着構造１５０は、コールドヘッド１１０を真空容器１３０に装着するための器具であり、真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に設けられている。コールドヘッド装着構造１５０にコールドヘッド１１０が装着されたとき、コールドヘッド１１０によってコールドヘッド挿入口１３１が塞がれ、真空領域１３２が周囲環境１０４から隔絶される。また、コールドヘッド装着構造１５０は、コールドヘッド１１０がその中心軸の方向に真空容器１３０に対して移動可能となるようにコールドヘッド１１０を支持する。コールドヘッド装着構造１５０は、真空容器１３０に対するコールドヘッド１１０の移動により、コールドヘッド１１０を真空容器１３０内の被冷却物（例えば超伝導コイル１０２）と熱的に結合し、またはこの熱的結合を解除する熱スイッチとして真空容器１３０に設置されている。

コールドヘッド装着構造１５０は、伝熱ステージ１５２と、気密接続部１５４と、非気密性の支持構造１５６とを備える。

コールドヘッド装着構造１５０も、コールドヘッド１１０に対応して二段式に構成される。よって、伝熱ステージ１５２には、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂが含まれる。第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂはともに、真空容器１３０内の真空領域１３２に配置される。第１伝熱ステージ１５２ａ、第２伝熱ステージ１５２ｂはそれぞれ、真空容器１３０に対するコールドヘッドの移動により、第１冷却ステージ１２２ａ、第２冷却ステージ１２２ｂと接触または離間する。これら伝熱ステージ１５２は、冷却ステージ１２２と同様に、例えば銅（例えば純銅）などの高熱伝導金属、またはその他の熱伝導材料で形成されている。

第１伝熱ステージ１５２ａは、輻射熱シールド１４０と第１柔軟伝熱部材１５８ａを介して接続される。柔軟伝熱部材は、可撓性をもつように例えば細線の束または箔の積層として形成されてもよく、銅などの高熱伝導材料で形成されてもよい。したがって、第１冷却ステージ１２２ａが第１伝熱ステージ１５２ａと接触するとき、第１冷却ステージ１２２ａは、第１伝熱ステージ１５２ａと第１柔軟伝熱部材１５８ａを介して、輻射熱シールド１４０と熱的に結合される。第１冷却ステージ１２２ａが第１伝熱ステージ１５２ａから離間するとき、第１冷却ステージ１２２ａと輻射熱シールド１４０の熱的結合は解除される。

第２伝熱ステージ１５２ｂは、伝熱部材１４２と第２柔軟伝熱部材１５８ｂを介して接続される。超伝導コイル１０２は、伝熱部材１４２上に設置され、または伝熱部材１４２と接続されている。伝熱部材１４２は、可撓性または剛性をもつ伝熱部材であってもよく、例えば銅などの金属材料またはその他の高い熱伝導率をもつ材料で形成される。なお、伝熱部材１４２は必須ではなく、第２伝熱ステージ１５２ｂは、超伝導コイル１０２と第２柔軟伝熱部材１５８ｂを介して接続されてもよい。

第２冷却ステージ１２２ｂが第２伝熱ステージ１５２ｂと接触するとき、第２冷却ステージ１２２ｂは、第２伝熱ステージ１５２ｂ、第２柔軟伝熱部材１５８ｂ、伝熱部材１４２を介して、超伝導コイル１０２と熱的に結合される。これにより、第２冷却ステージ１２２ｂは、超伝導コイル１０２を第２冷却温度に冷却することができる。第２冷却ステージ１２２ｂが第２伝熱ステージ１５２ｂから離間するとき、第２冷却ステージ１２２ｂと超伝導コイル１０２の熱的結合は解除される。

気密接続部１５４は、周囲環境１０４から真空領域１３２を隔絶するとともに真空容器１３０に対するコールドヘッド１１０の移動を許容するようにコールドヘッド１１０を真空容器１３０に接続する。この実施の形態では、気密接続部１５４は、コールドヘッド１１０の移動方向（すなわち中心軸の方向）に伸縮可能な気密隔壁１６０を備え、この気密隔壁１６０は例えばベローズである。この伸縮可能な気密隔壁１６０は、コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８を真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に接続する。気密隔壁１６０の外側は周囲環境１０４であり、内側にはコールドヘッド１１０の第１シリンダ１２４ａが挿通されており、真空領域１３２となっている。気密隔壁１６０は、コールドヘッド１１０がコールドヘッド挿入口１３１に挿し込まれる方向に移動するとき（図５では下方に移動するとき）縮み、反対にコールドヘッド１１０がコールドヘッド挿入口１３１から引き抜かれる方向に移動するとき（図６に示されるように上方に移動するとき）伸びる。

また、気密接続部１５４は、ガイド部１６２を備える。ガイド部１６２は、真空容器１３０の外側で気密隔壁１６０の周囲に配置され、真空容器１３０に固定されている。一例として、ガイド部１６２は、図７に示されるように、ガイドプレート１６２ａと、支持部１６２ｂとを備える。ガイドプレート１６２ａは、気密隔壁１６０を囲むように配置されたリング状のプレートであり、取付フランジ１２８と概ね同径であってもよい。支持部１６２ｂはガイドプレート１６２ａの下側に設けられ、支持部１６２ｂを介してガイドプレート１６２ａは真空容器１３０に取り付けられている。支持部１６２ｂはガイドプレート１６２ａに沿って周方向に複数箇所（例えば４箇所）に設けられてもよく、そのうち３つの支持部１６２ｂが図７に示されている。

コールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０に装着されるとき、コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８がガイドプレート１６２ａの上面に接触し、例えばボルトなどの締結部材を用いてガイドプレート１６２ａと締結される。締結は解除することができ、そのとき取付フランジ１２８はガイド部１６２に沿って移動可能となる。ガイドプレート１６２ａの上面にはガイドピン１６２ｃ（図７参照）が立設しており、取付フランジ１２８にはこのガイドピン１６２ｃに対応するガイド穴が形成されている。ガイドピン１６２ｃは、コールドヘッド１１０の軸方向の移動の際、当該方向に取付フランジ１２８をガイドする。

コールドヘッド１１０を真空容器１３０に対して移動させるために、後述するように、コールドヘッド装着構造１５０は、コールドヘッド１１０を真空容器１３０に対して昇降させる昇降機構１６４を備える。取付フランジ１２８には操作プレート１２９（図７参照）が設けられ、昇降機構１６４はこの操作プレート１２９をコールドヘッド１１０の軸方向に昇降させるように構成されてもよい。昇降機構１６４による操作を容易にするために、操作プレート１２９は取付フランジ１２８から径方向外側に向けて延びている。図７では一例として、２つの操作プレート１２９が取付フランジ１２８の両側に取り付けられている。操作プレート１２９は、取付フランジ１２８と一体であってもよい。昇降機構１６４は、例えば油圧ジャッキなど、適宜の動力源を有するタイプであってもよいし、人力でコールドヘッド１１０を昇降させるものであってもよい。昇降機構１６４は、常設されてもよいし、必要なとき一時的に設置されてもよい。

非気密性の支持構造１５６は、真空容器１３０内の真空領域１３２に配置される。支持構造１５６は、伝熱ステージ１５２を真空容器１３０に支持し、コールドヘッド１１０の冷却ステージ１２２が真空領域１３２にさらされるようにコールドヘッド１１０の周囲に配置される。

より具体的には、支持構造１５６は、真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１から伝熱ステージ１５２へと延びる複数（例えば４本）の支持棒１６６を備える。複数の支持棒１６６は、コールドヘッド１１０の周囲に、例えば周方向に等間隔に配置されている。複数の支持棒１６６の各々は、コールドヘッド１１０の中心軸と平行に、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂを貫通して延びている。図７に示されるように、コールドヘッド１１０の周囲には少数の支持棒１６６が設けられるにすぎず、コールドヘッド１１０は、真空容器１３０内の真空領域１３２に開放されている。よって、コールドヘッド１１０の周囲の空間は常時、真空領域１３２と同じ圧力となる。真空領域１３２が真空に保たれている限り、コールドヘッド１１０の周囲の空間も真空となる。

これは、従来のコールドヘッド装着構造とは異なる。典型的に、従来のコールドヘッド装着構造には、コールドヘッド挿入口１３１から真空容器１３０内に延びその中にコールドヘッドを収容する気密スリーブが設けられ、このスリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空領域１３２から隔絶される。従来のコールドヘッド装着構造ではコールドヘッドは真空領域１３２にさらされない。真空領域１３２から隔絶されたコールドヘッド周囲の空間は、ヘリウムガスのような極低温で液化しない不活性ガスで充填されることがある。または、コールドヘッド周囲の空間は真空排気されることもある。しかし、いずれにせよ、コールドヘッド周囲の空間は真空領域１３２から隔絶されているから、真空領域１３２と異なる圧力（たいてい、真空領域１３２よりも高い圧力）となる。

複数の支持棒１６６のうち少なくとも１つの支持棒１６６は、中空である。すべての支持棒１６６が中空であってもよい。支持棒１６６が中実のロッドである場合に比べて、支持棒１６６の断面積が小さくなり、周囲環境１０４から支持棒１６６を通じた真空容器１３０内の低温部への侵入熱を低減することができる。一例として、支持棒１６６は、円形の断面を有するが、長方形または六角形など多角形や、Ｌ字状など、他の任意の形状の断面を有してもよい。なお支持棒１６６は中実のロッドであってもよい。

支持棒１６６は、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの断熱材料で形成される。あるいは、支持棒１６６は、たとえばステンレス鋼など、極低温装置１００において伝熱経路を形成する高熱伝導材料よりも熱伝導率が小さい材料で形成されてもよい。

すべての支持棒１６６が同じ形状および寸法を有することは必須ではない。ある支持棒１６６が他の支持棒１６６と異なる断面をもつことにより、コールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０に押し付けられたとき発生しうる偏荷重の影響が緩和されてもよい。

支持構造１５６は、複数の支持棒１６６に装着された第１スプリング部１６８ａおよび第２スプリング部１６８ｂを備える。各支持棒１６６が第１スプリング部１６８ａと第２スプリング部１６８ｂを有する。第１スプリング部１６８ａは、第１伝熱ステージ１５２ａの下側で支持棒１６６に装着されている。第２スプリング部１６８ｂは、第２伝熱ステージ１５２ｂの下側で支持棒１６６に装着されている。スプリング部は、例えば、コイル状のスプリングまたはその他のスプリングを備えてもよい。

複数の支持棒１６６は、第１スプリング部１６８ａを介して第１伝熱ステージ１５２ａを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド１１０の移動方向における第１伝熱ステージ１５２ａの移動をガイドする。また、複数の支持棒１６６は、第２スプリング部１６８ｂを介して第２伝熱ステージ１５２ｂを弾性的に支持するとともに、コールドヘッド１１０の移動方向における第２伝熱ステージ１５２ｂの移動をガイドする。

また、支持構造１５６は、第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂを備える。第１ストッパー１７０ａは、真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に近づく方向の第１伝熱ステージ１５２ａの移動に関してその移動量を規制する。第１ストッパー１７０ａは、第１伝熱ステージ１５２ａに対して第１スプリング部１６８ａとは反対側で支持棒１６６に設けられている。第１ストッパー１７０ａは、支持棒１６６からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第１伝熱ステージ１５２ａが支持棒１６６に沿って移動するとき第１ストッパー１７０ａに当たることにより第１伝熱ステージ１５２ａの移動が規制される。同様に、第２ストッパー１７０ｂは、真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に近づく方向の第２伝熱ステージ１５２ｂの移動に関してその移動量を規制する。第２ストッパー１７０ｂは、第２伝熱ステージ１５２ｂに対して第２スプリング部１６８ｂとは反対側で支持棒１６６に設けられている。第２ストッパー１７０ｂは、支持棒１６６からその径方向に突出した凸部またはフランジ状の部位であり、第２伝熱ステージ１５２ｂが支持棒１６６に沿って移動するとき第２ストッパー１７０ｂに当たることにより第２伝熱ステージ１５２ｂの移動が規制される。

なお、第１スプリング部１６８ａ、第２スプリング部１６８ｂはそれぞれ、第１伝熱ステージ１５２ａ、第２伝熱ステージ１５２ｂの上側で支持棒１６６に装着されてもよい。この場合、第１スプリング部１６８ａ、第２スプリング部１６８ｂがそれぞれ、真空容器１３０のコールドヘッド挿入口１３１に近づく方向の第１伝熱ステージ１５２ａ、第２伝熱ステージ１５２ｂの移動を規制する第１ストッパー１７０ａ、第２ストッパー１７０ｂとして機能してもよい。

なお、真空容器１３０内に配置される機器、例えば超伝導コイル１０２、輻射熱シールド１４０などの被冷却物が、支持構造１５６と構造的に連結され、支持構造１５６によって支持されてもよい。このようにすれば、真空容器１３０から真空容器１３０内の被冷却物への伝熱経路を支持構造１５６に限定することができ、被冷却物への侵入熱を低減することができる。あるいは、真空容器１３０内の被冷却物は、図示しない支持部材により真空容器１３０の壁に連結され、真空容器１３０に支持されてもよい。

図８（ａ）は、他の実施の形態に係る第１伝熱ステージ１５２ａを模式的に示す平面図であり、図８（ｂ）は、他の実施の形態に係る第２伝熱ステージ１５２ｂを模式的に示す平面図である。図８（ａ）および図８（ｂ）はそれぞれ、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂをコールドヘッド挿入口１３１側から見た上面図を示す。

図８（ａ）に示されるように、第１伝熱ステージ１５２ａは、中心開口１７１と、第１接触面１７２と、複数の第１ガイド穴１７３とを有する。中心開口１７１は、コールドヘッド１１０のための貫通穴であり、コールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０に装着されるとき、コールドヘッド１１０の第２シリンダ１２４ｂが中心開口１７１に挿し通される。第１接触面１７２は、中心開口１７１を囲む第１伝熱ステージ１５２ａの部位であり、第１冷却ステージ１２２ａと対向する第１伝熱ステージ１５２ａの上面にある。第１冷却ステージ１２２ａが第１接触面１７２と接触することにより、第１冷却ステージ１２２ａと第１伝熱ステージ１５２ａが熱的に結合される。複数の第１ガイド穴１７３は、複数の支持棒１６６のための貫通穴であり、各第１ガイド穴１７３に対応する支持棒１６６が挿入され、それにより、第１伝熱ステージ１５２ａが支持棒１６６に沿ってガイドされることができる。第１ガイド穴１７３は、中心開口１７１および第１接触面１７２よりも径方向外側で、支持棒１６６と同様に周方向に等間隔に設けられている。図示されるように、第１伝熱ステージ１５２ａは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。

図８（ｂ）に示されるように、第２伝熱ステージ１５２ｂは、その中心部に第２接触面１７４を有し、第２接触面１７４の径方向外側に複数の第２ガイド穴１７５を有する。第２接触面１７４は、第２冷却ステージ１２２ｂと対向する第２伝熱ステージ１５２ｂの上面にあり、第２冷却ステージ１２２ｂが第２接触面１７４と接触することにより、第２冷却ステージ１２２ｂと第２伝熱ステージ１５２ｂが熱的に結合される。複数の第２ガイド穴１７５は、複数の支持棒１６６のための貫通穴であり、各第２ガイド穴１７５に対応する支持棒１６６が挿入され、それにより、第２伝熱ステージ１５２ｂが支持棒１６６に沿ってガイドされることができる。第２伝熱ステージ１５２ｂは、例えば円板形状を有するが、他の任意の形状を有してもよい。

次に、図５および図６を参照して、真空容器１３０に対するコールドヘッド１１０の移動によってコールドヘッド１１０と真空容器１３０内の被冷却物との熱的な結合とその解除の切替動作を説明する。

図６に示されるように、コールドヘッド１１０とコールドヘッド装着構造１５０の熱接触が解除された状態においては、コールドヘッド１１０が可動範囲の末端例えば上端に位置する。このとき、コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８は、コールドヘッド装着構造１５０のガイド部１６２から離れている。気密接続部１５４の気密隔壁１６０は伸長されており、気密接続部１５４によって真空領域１３２は周囲環境１０４から隔絶されている。

また、第１冷却ステージ１２２ａが第１伝熱ステージ１５２ａから物理的に離れ、第２冷却ステージ１２２ｂが第２伝熱ステージ１５２ｂから物理的に離れているので、極低温冷凍機１０６から真空容器１３０内の被冷却物（例えば輻射熱シールド１４０および超伝導コイル１０２）への伝熱経路は遮断される。

第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂは初期位置にある。例えば、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂはそれぞれ、第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂにそれぞれ接触していてもよい。このとき、第１スプリング部１６８ａと第２スプリング部１６８ｂは、未圧縮の中立状態にあり、または第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂをそれぞれいくらかの予荷重で第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂに押し当ててもよい。あるいは、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂはそれぞれ、第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂからいくらか離れていてもよく、第１スプリング部１６８ａと第２スプリング部１６８ｂは中立状態にあってもよい。

コールドヘッド１１０と真空容器１３０内の被冷却物を熱的に結合するために、上述の昇降機構１６４を作動させ、それによりコールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０へと押し込まれる。このとき、コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８は、コールドヘッド装着構造１５０のガイド部１６２へと接近し、気密接続部１５４の気密隔壁１６０は縮む。気密接続部１５４によって真空領域１３２は依然として周囲環境１０４から隔絶されている。

コールドヘッド装着構造１５０に対するコールドヘッド１１０の移動により、第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂがそれぞれ、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂに接近し、やがて物理的に接触する。コールドヘッド１１０がさらに押し込まれると、第１冷却ステージ１２２ａは第１伝熱ステージ１５２ａを移動させ、第１伝熱ステージ１５２ａは第１スプリング部１６８ａを圧縮しながら支持棒１６６に沿って移動する。同様に、第２冷却ステージ１２２ｂは第２伝熱ステージ１５２ｂを移動させ、第２伝熱ステージ１５２ｂは第２スプリング部１６８ｂを圧縮しながら支持棒１６６に沿って移動する。このとき第１伝熱ステージ１５２ａの輻射熱シールド１４０に対する移動は第１柔軟伝熱部材１５８ａによって許容され、第２伝熱ステージ１５２ｂの超伝導コイル１０２に対する移動は第２柔軟伝熱部材１５８ｂによって許容される。

図５に示されるように、コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８がコールドヘッド装着構造１５０のガイド部１６２に接触すると（すなわち上述のように、取付フランジ１２８がガイドピン１６２ｃに沿って移動しガイドプレート１６２ａに接触すると）、コールドヘッド１１０の移動は止まる。例えばボルトなどの締結部材を用いて取付フランジ１２８がガイドプレート１６２ａと締結され、コールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０に固定される。その後、加圧装置１６４ａによる操作プレート１２９および取付フランジ１２８への押付荷重は解除される。

このようにして、コールドヘッド１１０が可動範囲の反対側の末端例えば下端まで移動され、コールドヘッド１１０とコールドヘッド装着構造１５０が熱的に結合される。第１冷却ステージ１２２ａは第１伝熱ステージ１５２ａを介して輻射熱シールド１４０と熱的に結合され、輻射熱シールド１４０はコールドヘッド１１０によって第１冷却温度に冷却される。第２冷却ステージ１２２ｂは第２伝熱ステージ１５２ｂを介して超伝導コイル１０２と熱的に結合され、超伝導コイル１０２はコールドヘッド１１０によって第２冷却温度に冷却される。

圧縮された第１スプリング部１６８ａは第１冷却ステージ１２２ａと第１伝熱ステージ１５２ａとの間に所定の接触面圧を生じさせ、これにより第１冷却ステージ１２２ａと第１伝熱ステージ１５２ａの間に良好な熱接触が実現される。また、圧縮された第２スプリング部１６８ｂは第２冷却ステージ１２２ｂと第２伝熱ステージ１５２ｂとの間に所定の接触面圧を生じさせ、これにより第２冷却ステージ１２２ｂと第２伝熱ステージ１５２ｂの間に良好な熱接触が実現される。このように伝熱ステージごとにスプリング部を設けることで、スプリング部ごとに異なる弾性的特性を与えることができ、それにより伝熱ステージごとに個別に接触面圧を調整することができる。

また、スプリング部を用いて冷却ステージ１２２と伝熱ステージ１５２を押し付け合うことにより、冷却ステージ１２２と伝熱ステージ１５２が極低温冷却によって熱収縮したとしても接触状態を容易に保つことができるという利点もある。コールドヘッド１１０の個体差によってコールドヘッド１１０とコールドヘッド装着構造１５０の中心軸が互いにわずかにずれている場合にも、スプリング部を用いて冷却ステージ１２２と伝熱ステージ１５２を押し付け合うことにより、冷却ステージ１２２と伝熱ステージ１５２の接触状態を容易に保つことができる。

コールドヘッド１１０と被冷却物の熱的結合を解除する場合には、まず、コールドヘッド１１０とコールドヘッド装着構造１５０の締結が解除される。そして、上述の昇降機構１６４によってコールドヘッド１１０がコールドヘッド装着構造１５０から持ち上げられる。コールドヘッド１１０の取付フランジ１２８がコールドヘッド装着構造１５０のガイド部１６２から離れ、気密接続部１５４の気密隔壁１６０が伸長される。

コールドヘッド装着構造１５０に対するコールドヘッド１１０の移動により、第１冷却ステージ１２２ａが第１伝熱ステージ１５２ａから持ち上げられ、第２冷却ステージ１２２ｂが第２伝熱ステージ１５２ｂから持ち上げられる。第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂはそれぞれ第１スプリング部１６８ａと第２スプリング部１６８ｂによって第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂに押し付けられている。そのため、第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂの移動量が小さいとき、第１冷却ステージ１２２ａと第１伝熱ステージ１５２ａの接触、および第２冷却ステージ１２２ｂと第２伝熱ステージ１５２ｂの接触が保持されるかもしれない。

そこで、確実に接触を解除するために、第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂがそれぞれ第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂよりも上方まで移動されるように、コールドヘッド１１０は持ち上げられる。このようにすれば、第１ストッパー１７０ａと第２ストッパー１７０ｂが第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂの上方移動を規制することができ、第１冷却ステージ１２２ａと第２冷却ステージ１２２ｂをそれぞれ第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂから確実に離間させることができる。

このようにして、図６に示されるように、第１冷却ステージ１２２ａが第１伝熱ステージ１５２ａから物理的に離れ、第２冷却ステージ１２２ｂが第２伝熱ステージ１５２ｂから物理的に離れる。コールドヘッド１１０と真空容器１３０内の被冷却物との熱的な結合は解除され、極低温冷凍機１０６から真空容器１３０内の被冷却物への伝熱経路は遮断される。コールドヘッド１１０が輻射熱シールド１４０および超伝導コイル１０２よりも高い温度例えば室温に昇温されたとしても、真空領域１３２が真空に保たれている限り、コールドヘッド１１０から輻射熱シールド１４０および超伝導コイル１０２への熱的な影響は限定的であるか、無視しうる。よって、輻射熱シールド１４０および超伝導コイル１０２はコールドヘッド１１０と異なる温度（例えば極低温）に維持することができる。

コールドヘッド１１０と被冷却物との熱的な結合を解除している間に、極低温冷凍機１０６のメンテナンスを行うことができる。極低温冷凍機１０６を被冷却物から熱的に切り離すことによって、被冷却物を極低温に保持した状態で（あるいは温度上昇を最小限に抑えながら）、極低温冷凍機１０６の冷却運転を停止して室温へと昇温し、極低温冷凍機１０６のメンテナンスをすることができる。メンテナンスが終了したら、極低温冷凍機１０６の冷却運転が再開される。コールドヘッド１１０が十分に冷却されたときコールドヘッド１１０と被冷却物を再び結合し、極低温装置１００の運転を再開することができる。被冷却物をコールドヘッド１１０とともに室温に昇温して極低温冷凍機１０６にメンテナンスを施す場合に比べて被冷却物の再冷却時間を短縮することができ、メンテナンスの所要時間を短くすることができる。

上述のように、従来のコールドヘッド装着構造、すなわちメンテナンススリーブは、真空容器の気密性を保つように構成され、真空容器の壁から内部へと延びており、このスリーブの内側にコールドヘッドが取り外し可能に装着される。極低温冷却中、コールドヘッドをスリーブに良好に熱接触させるためにコールドヘッドがメンテナンススリーブに強い力で押し付けられるので、メンテナンススリーブはこれに耐えるよう頑丈でなければならない。また、メンテナンススリーブによってコールドヘッド周囲の空間が真空容器内の真空領域から隔絶されるから、メンテナンススリーブには気密性を保持する構造が求められる。これらの要件を満たすために、メンテナンススリーブは、比較的複雑な構造をとり、また製造コストも高くなりがちである。

これに対して、実施の形態によると、スリーブレス、つまりスリーブを持たないコールドヘッド装着構造１５０を提供することができる。コールドヘッド装着構造１５０は、非気密性の支持構造１５６を有し、コールドヘッド１１０は真空容器１３０内の真空領域１３２にさらされる。支持構造１５６は、気密スリーブを要しない。コールドヘッド装着構造１５０は、比較的簡素な構造で実現でき、製造コストも抑えられる。

メンテナンススリーブのように気密スリーブの場合、万一発生した過剰なスリーブ内圧を解放するための安全弁を設置することが実用上望まれる。しかし、実施の形態によると、コールドヘッド装着構造１５０は気密スリーブを要しないから、こうした安全弁も不要である。また、メンテナンススリーブの場合、真空容器内の機器への配線のために真空容器に設けられるフィードスルー部とメンテナンススリーブ内のコールドヘッドへの配線のためのフィードスルー部を別々に設ける必要がある。しかし、実施の形態によると、これら配線をまとめることもできる。これらの要因も、製造コストの低減に役立つ。

図９は、他の実施の形態に係る熱スイッチ１８０の例示的な構成を示す概略断面図である。図５から図７に示されるコールドヘッド装着構造１５０においては、第１伝熱ステージ１５２ａと第２伝熱ステージ１５２ｂを相対変位可能に連結する伝熱ステージ連結部としての支持棒１６６に、熱スイッチ１８０が組み込まれてもよい。図９には、支持棒１６６の中心軸を含む縦断面が示されている。支持棒１６６は、上述のように中空であり、熱スイッチ１８０の作動ガスを封入する気密空間を内部に形成する。

熱スイッチ１８０は、第１伝熱ステージ１５２ａと熱的に結合された第１熱交換部１８１と、第２伝熱ステージ１５２ｂと熱的に結合された第２熱交換部１８２とを備える。第１熱交換部１８１と第２熱交換部１８２は、熱スイッチ１８０の作動ガスを介した熱交換のためのガスギャップ１８３を挟んで対向配置されている。第１熱交換部１８１と第２熱交換部１８２は、互いに接触していない。

一例として、第１熱交換部１８１は、第１端部１８１ａと、支持棒１６６の軸方向に同軸に第１端部１８１ａから延在する円筒状の筒部１８１ｂとを備える。第１端部１８１ａは、支持棒１６６の中間部に固定され、第１冷却ステージ１２２ａと熱的に結合される。第１端部１８１ａは、第１伝熱ステージ１５２ａの第１ガイド穴１７３内に配置されてもよく、第１端部１８１ａの外周面が第１ガイド穴１７３の内周面と摺動可能に接触してもよい。あるいは、第１端部１８１ａは、柔軟な伝熱部材など適宜の伝熱経路により第１伝熱ステージ１５２ａと熱的に結合されてもよい。筒部１８１ｂは、第１端部１８１ａと一体形成されてもよく、または第１端部１８１ａとは別体として用意されて第１端部１８１ａに接合されてもよい。

第２熱交換部１８２は、第２端部１８２ａと、支持棒１６６の軸方向に同軸に第２端部１８２ａから延在する円柱状の柱部１８２ｂとを備える。第２端部１８２ａは、支持棒１６６の先端部を気密に塞ぐようにして支持棒１６６に固定されている。第２端部１８２ａは、第２伝熱ステージ１５２ｂの第２ガイド穴１７５内に配置されてもよく、第２端部１８２ａの外周面が第２ガイド穴１７５の内周面と摺動可能に接触してもよい。あるいは、第２端部１８２ａは、柔軟な伝熱部材など適宜の伝熱経路により第２伝熱ステージ１５２ｂと熱的に結合されてもよい。柱部１８２ｂは、第２端部１８２ａと一体形成されてもよく、または第２端部１８２ａとは別体として用意されて第２端部１８２ａに接合されてもよい。

第１熱交換部１８１は、その内側に第２熱交換部１８２を受け入れるように構成されている。第２熱交換部１８２の柱部１８２ｂは、第１熱交換部１８１の筒部１８１ｂ内の空洞に挿入されている。第１熱交換部１８１の第１端部１８１ａは、第２熱交換部１８２の柱部１８２ｂと対向し、第１熱交換部１８１の筒部１８１ｂは、第２熱交換部１８２の柱部１８２ｂを囲んでいる。第１熱交換部１８１の筒部１８１ｂと第２熱交換部１８２の柱部１８２ｂとは、ガスギャップ１８３により隔てられ、物理的に接触していない。なお、図示の例とは逆に、第２熱交換部１８２がその内側に第１熱交換部１８１を受け入れるように構成されてもよい（すなわち、第１熱交換部１８１が柱部を備え、第２熱交換部１８２がその柱部を受け入れる筒部を備えてもよい）。

熱スイッチ１８０は、上述の熱スイッチ８０と同様に、第２伝熱ステージ１５２ｂの温度が熱スイッチ１８０の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージ１５２ｂを第１伝熱ステージ１５２ａに熱的に結合し、第２伝熱ステージ１５２ｂの温度がこの切替温度を下回るとき第２伝熱ステージ１５２ｂを第１伝熱ステージ１５２ａから熱的に切り離すように構成されている。

熱スイッチ１８０に封入される作動ガスは、熱スイッチ１８０の切替温度が極低温冷凍機１０の第１冷却温度よりも低くなりかつ第２冷却温度よりも高くなるように選択される。上述のように、熱スイッチ１８０の切替温度は、封入された作動ガスの沸点に相当する。よって、熱スイッチ１８０に封入される作動ガスは、例えば、ネオンであってもよい。あるいは、作動ガスは、水素、またはヘリウムであってもよい。作動ガスは、混合ガス、例えば、ネオン、水素、およびヘリウムのうち少なくとも１つを含む混合ガスであってもよい。この混合ガスは、例えば、窒素、アルゴン、または空気などの希釈ガスを含んでもよい。

任意選択として、熱スイッチ１８０は、第２伝熱ステージ１５２ｂと熱的に結合され、熱スイッチ１８０内の気密空間からガスを吸着可能なゲッター材１８４を備えてもよい。ゲッター材１８４は、極低温下（すなわち熱スイッチ１８０の切替温度以下の温度、例えば第２冷却温度）で熱スイッチ１８０の作動ガスの吸着能力を有する例えば活性炭、またはその他の多孔質材料、またはその他の吸着材料であってもよい。ゲッター材１８４は、第２熱交換部１８２によって冷却されることができるように、第２熱交換部１８２の表面に適宜の方法で設置されている。例えば、ゲッター材１８４は、第２熱交換部１８２の柱部１８２ｂに設置されてもよい。熱スイッチ１８０内にゲッター材１８４を設けることにより、残留ガスを吸着し、ガスギャップ１８３の真空度をいっそう高めることができる。したがって、熱スイッチ１８０のオフ状態における熱接続の切断をより確実に実現することができる。

また、任意選択として、熱スイッチ１８０は、伝熱ステージ連結部としての支持棒１６６に接続され、熱スイッチ１８０の気密空間にガスを給排するガス給排バルブ１８５をさらに備えてもよい。ガス給排バルブ１８５は、支持棒１６６内のガス流路１８６を通じて熱スイッチ１８０に接続されてもよい。このガス流路１８６は、支持棒１６６内で断熱材１８７に囲まれていてもよい。ガス給排バルブ１８５は、真空容器１３０の外に配置されてもよい。また、他の支持棒１６６へのガスの給排のために、支持棒１６６どうしを接続する導管１８８が設けられてもよい。

このようにすれば、ガス給排バルブ１８５を利用して、熱スイッチ１８０のオンオフを極低温冷凍機１０６の動作（つまり伝熱ステージの温度）から独立して能動的に切り替えることができる。例えば、熱スイッチ１８０の作動ガス源をガス給排バルブ１８５に接続し、ガス給排バルブ１８５を通じて熱スイッチ１８０内に作動ガスを供給することで、ガスギャップ１８３を作動ガスで満たし、熱スイッチ１８０をオンにすることができる。また、真空ポンプをガス給排バルブ１８５に接続し、ガス給排バルブ１８５を通じて熱スイッチ１８０を真空排気することで、ガスギャップ１８３の残留ガスを除去し、熱スイッチ１８０をオフにすることができる。

この実施の形態においても、極低温装置１００の初期冷却の際に、オン状態の熱スイッチ１８０を介してコールドヘッド１１０の第１冷却ステージ１２２ａの冷凍能力を第２冷却ステージ１２２ｂによる超伝導コイル１０２の冷却の補助に利用することができる。これにより、初期冷却の所要時間を短縮することができる。また、初期冷却の完了に伴って熱スイッチ１８０はオフに切り替わるため、第１冷却ステージ１２２ａによって第１伝熱ステージ１５２ａおよび輻射熱シールド１４０を第１冷却温度に維持するとともに、第２冷却ステージ１２２ｂによって第２伝熱ステージ１５２ｂおよび超伝導コイル１０２を第２冷却温度へと冷却することができる。

また、この実施の形態では、熱スイッチ１８０が支持棒１６６に組み込まれている。熱スイッチ１８０の有無にかかわらず、真空容器１３０から超伝導コイル１０２への支持棒１６６を通じた侵入熱は変わらない。よって、熱スイッチ１８０を追加したことによる侵入熱の増加が生じない点で有利である。

図１０は、更なる実施の形態に係る極低温装置１００の一部を示す概略図である。極低温装置１００の真空容器１３０には、上述の実施の形態と同様に、コールドヘッド１１０が設置されてもよく、コールドヘッド１１０は例えば図１および図２に示されるコールドヘッド装着構造３０を介して真空容器１３０に装着されてもよい。コールドヘッド１１０は、輻射熱シールド１４０を冷却するための第１冷却ステージ１２２ａと、超伝導コイル１０２を冷却するための第２冷却ステージ１２２ｂとを備える。なお、説明の簡略化のために、図１０においてコールドヘッド装着構造１５０、３０の図示は省略している。

上述の熱スイッチ１８０は、真空容器１３０内に配置され、被冷却物を真空容器１３０に支持する支持構造２００に適用されてもよい。支持構造２００は、縦方向支持体２０２を備え、熱スイッチ１８０は、縦方向支持体２０２に組み込まれてもよい。

縦方向支持体２０２は、真空容器１３０に固定され、鉛直方向に沿って輻射熱シールド１４０を貫通して延在し、超伝導コイル１０２などの被冷却物に突き当てられている。縦方向支持体２０２は、例えば超伝導コイル１０２の自重など被冷却物に鉛直方向下向きに働く力を支持することができる。縦方向支持体２０２などの支持体は、たとえば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの断熱材料で形成される。あるいは、支持体は、たとえばステンレス鋼など、極低温装置１００において伝熱経路を形成する高熱伝導材料よりも熱伝導率が小さい材料で形成されてもよい。

第１伝熱ステージ２０４と第２伝熱ステージ２０６が縦方向支持体２０２に設置されてもよい。第１伝熱ステージ２０４は、輻射熱シールド１４０に固定され（または適宜の伝熱部材を介して輻射熱シールド１４０に接続され）、輻射熱シールド１４０を介してコールドヘッド１１０の第１冷却ステージ１２２ａと熱的に結合される。第２伝熱ステージ２０６は、超伝導コイル１０２に固定され（または適宜の伝熱部材を介して超伝導コイル１０２に接続され）、超伝導コイル１０２を介してコールドヘッド１１０の第２冷却ステージ１２２ｂと熱的に結合される。従って、第１伝熱ステージ２０４は、第１冷却ステージ１２２ａによって第１冷却温度に冷却され、第２伝熱ステージ２０６は、第２冷却ステージ１２２ｂによって第２冷却温度に冷却される。

熱スイッチ１８０は、第２伝熱ステージ２０６の温度が熱スイッチ１８０の切替温度を上回るとき第２伝熱ステージ２０６を第１伝熱ステージ２０４に熱的に結合し、第２伝熱ステージ２０６の温度が切替温度を下回るとき第２伝熱ステージ２０６を第１伝熱ステージ２０４から熱的に切り離すように構成されている。

一例として、熱スイッチ１８０は、第１伝熱ステージ２０４と熱的に結合された第１熱交換部１８１と、第２伝熱ステージ２０６と熱的に結合された第２熱交換部１８２とを備える。第１熱交換部１８１は柱部であり、第２熱交換部１８２は柱部を受け入れる筒部であってもよい。第１熱交換部１８１と第２熱交換部１８２は、熱スイッチ１８０の作動ガスを介した熱交換のためのガスギャップ１８３を挟んで対向配置されている。第１熱交換部１８１と第２熱交換部１８２は、互いに接触していない。

上述のように、熱スイッチ１８０に封入される作動ガスは、熱スイッチ１８０の切替温度が極低温冷凍機１０の第１冷却温度よりも低くなりかつ第２冷却温度よりも高くなるように選択される。任意選択として、熱スイッチ１８０は、第２伝熱ステージ２０６と熱的に結合され、熱スイッチ１８０内の気密空間からガスを吸着可能なゲッター材を備えてもよい。

また、支持構造２００は、横方向支持体２１０を備えてもよい。横方向支持体２１０は、真空容器１３０に固定され、水平方向に沿って輻射熱シールド１４０を貫通して延在し、被冷却物に突き当てられている。横方向支持体２１０は、例えば超伝導コイル１０２に働く電磁力など、被冷却物に水平方向に働く力を支持することができる。同様にして、熱スイッチ１８０は、横方向支持体２１０に組み込まれてもよい。

この実施の形態においても、極低温装置１００の初期冷却の際に、オン状態の熱スイッチ１８０を介してコールドヘッド１１０の第１冷却ステージ１２２ａの冷凍能力を第２冷却ステージ１２２ｂによる超伝導コイル１０２の冷却の補助に利用することができる。これにより、初期冷却の所要時間を短縮することができる。また、初期冷却の完了に伴って熱スイッチ１８０はオフに切り替わるため、第１冷却ステージ１２２ａによって第１伝熱ステージ２０４および輻射熱シールド１４０を第１冷却温度に維持するとともに、第２冷却ステージ１２２ｂによって第２伝熱ステージ２０６および超伝導コイル１０２を第２冷却温度へと冷却することができる。

また、この実施の形態では、熱スイッチ１８０が支持構造２００に組み込まれている。熱スイッチ１８０の有無にかかわらず、真空容器１３０から超伝導コイル１０２への支持構造２００を通じた侵入熱は変わらない。よって、熱スイッチ１８０を追加したことによる侵入熱の増加が生じない点で有利である。

なお、支持構造２００（例えば縦方向支持体２０２、または横方向支持体２１０）が円筒状の形状を有する場合には、図３を参照して説明した熱スイッチ８０が組み込まれてもよい。

図１１は、更なる実施の形態に係る極低温装置１００の一部を示す概略図である。極低温装置１００は、熱スイッチ８０付きのクライオスタットを備える。このクライオスタットは、コールドヘッド１１０が装着される真空容器１３０と、真空容器１３０の内部空間（すなわち真空領域２９）に配置された熱スイッチ８０とを備える。

上述の実施の形態と同様に、コールドヘッド１１０は、例えば図１および図２に示されるコールドヘッド装着構造３０を介して、または図５および図６に示されるコールドヘッド装着構造１５０を介して、真空容器１３０に装着されてもよい。コールドヘッド１１０は、真空領域２９に配置された第１物体、例えば輻射熱シールド１４０を冷却するための第１冷却ステージ１２２ａと、真空領域２９に配置された第２物体、例えば超伝導コイル１０２を冷却するための第２冷却ステージ１２２ｂとを備える。なお、説明の簡略化のために、図１１においてコールドヘッド装着構造３０、１５０の図示は省略している。

熱スイッチ８０は、第１物体例えば輻射熱シールド１４０と熱的に結合され、真空領域２９に露出された第１熱交換部８１と、第２物体例えば超伝導コイル１０２と熱的に結合され、真空領域２９に露出された第２熱交換部８２とを備える。第１熱交換部８１と第２熱交換部８２は、熱スイッチ８０の作動ガスを介した熱交換のためのガスギャップ８３を挟んで対向配置されている。熱スイッチ８０は、第２物体の温度が熱スイッチ８０の切替温度を上回るとき、ガスギャップ８３の作動ガスを介したこれら２つの熱交換部間の熱伝達により第２物体を第１物体に熱的に結合する。すなわち、熱スイッチ８０は、オン状態となる。一方、熱スイッチ８０は、第２物体の温度がこの切替温度を下回るとき第２物体を第１物体から熱的に切り離す。ガスギャップ８３の作動ガスが少なくとも第２熱交換部８２の表面に凝縮し、ガスギャップ８３が真空となり、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２がガスギャップ８３を介して真空断熱され、熱スイッチ８０は、オフ状態となる。

真空容器１３０は、ガスを真空領域２９に導入することを可能にするポート４８を備えてもよい。一例として、ポート４８は、周囲環境２７から真空領域２９を隔離する真空容器１３０の壁に設けられていてもよい。

このポート４８にガス源が接続されたとき、ガス源からポート４８を通じて真空領域２９にガスが導入されてもよい。このようにして、熱スイッチ８０の作動ガス、すなわち、例えばヘリウムガスなど、上述の切替温度を沸点とするガスが、真空領域２９に、さらには熱スイッチ８０のガスギャップ８３に導入されてもよい。

ポート４８は、ガスの供給ポートとして機能するだけでなく、ガスの排気ポートとして機能してもよい。ポート４８に真空ポンプが接続されたとき、真空領域２９からポート４８を通じてガスが真空排気されてもよい。ポート４８は、例えば、図３を参照して上述した、ガス給排バルブ８５であってもよい。このようにして、熱スイッチ８０の作動ガスがガスギャップ８３から除去されてもよい。

したがって、ポート４８を利用して、熱スイッチ８０のオンオフを極低温冷凍機１０の動作から独立して能動的に切り替えることもできる。例えば、ポート４８を通じて真空領域２９に作動ガスを供給することで、ガスギャップ８３を作動ガスで満たし、熱スイッチ８０をオンにすることができる。また、ポート４８を通じて真空領域２９を真空排気することで、ガスギャップ８３からガスを除去し、熱スイッチ８０をオフにすることができる。

図１１の例では、図１０の例とは異なり、熱スイッチ８０は、真空領域２９において支持構造２００の外側に設置されている。例えば、熱スイッチ８０は、縦方向支持体２０２の近傍に配置されている。熱スイッチ８０の第１熱交換部８１は、縦方向支持体２０２の第１物体側（例えば輻射熱シールド１４０側）の端部に固定されている。第２熱交換部８２は、縦方向支持体２０２の第２物体側（例えば超伝導コイル１０２側）の端部に固定されている。支持構造２００は、第１物体（または第２物体）に比べて熱変形の小さい材料で形成されている。よって、熱スイッチ８０の第１熱交換部８１と第２熱交換部８２を支持構造２００に固定することは、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２の物理的接触を避け、熱スイッチ８０のガスギャップ８３を規定の寸法に保持することに役立つ。

第２熱交換部８２と対向する第１熱交換部８１の表面は、平面であってもよい。同様に、第１熱交換部８１と対向する第２熱交換部８２の表面は、平面であってもよい。

熱スイッチ８０のオン状態におけるガスギャップ８３を通じた良好な熱交換を可能にするうえで、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２の対向表面どうしの隙間、すなわちガスギャップ８３の大きさは、例えば、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下であってもよい。また、同様の観点から、第１熱交換部８１と第２熱交換部８２の対向表面の面積は、０．０１ｍ^２以上０．１ｍ^２以下であってもよい。

なお、熱スイッチ８０は、真空領域２９において任意の場所に設置されてもよい。例えば、熱スイッチ８０は、支持構造２００の横方向支持体２１０の近傍に配置され、第１熱交換部８１が横方向支持体２１０の第１物体側の端部に固定され、第２熱交換部８２が横方向支持体２１０の第２物体側の端部に固定されてもよい。あるいは、熱スイッチ８０は、真空領域２９において支持構造２００から離れた場所に配置され、第１熱交換部８１が第１物体に固定され、第２熱交換部８２が第２物体に固定されてもよい。

図１１に示される実施の形態においても、図１０を参照して説明した実施の形態と同様に、熱スイッチ８０を利用して、極低温装置１００の初期冷却時間を短縮することができる。また、図１１の実施の形態では熱スイッチ８０の第１熱交換部８１と第２熱交換部８２に平面状の部材を用いることができるので、図１０の実施の形態のように円筒状の部材を用いる場合に比べて、熱スイッチ８０を安価に製作することが可能になる。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

上述の実施の形態では、極低温冷凍機がＧＭ冷凍機である場合を例として説明しているが、これは必須ではない。ある実施の形態では、極低温冷凍機（１０、１０６）は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機、またはそのほかのタイプの極低温冷凍機であってもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１０ 極低温冷凍機、 １４ コールドヘッド、 ２０ 第１冷却ステージ、 ２４ 第２冷却ステージ、 ２６ 真空容器、 ２９ 真空領域、 ３０ コールドヘッド装着構造、 ３６ 第１伝熱ステージ、 ３８ 伝熱ステージ連結部、 ４０ 第２伝熱ステージ、 ４２ａ 外スリーブ、 ４２ｂ 内スリーブ、 ４６ 気密空間、 ８０ 熱スイッチ、 ８１ 第１熱交換部、 ８２ 第２熱交換部、 ８３ ガスギャップ、 ８４ ゲッター材、 ９０ 被冷却物、 １０６ 極低温冷凍機、 １１０ コールドヘッド、 １２２ 冷却ステージ、 １２２ａ 第１冷却ステージ、 １２２ｂ 第２冷却ステージ、 １３０ 真空容器、 １３２ 真空領域、 １５０ コールドヘッド装着構造、 １５２ 伝熱ステージ、 １５２ａ 第１伝熱ステージ、 １５２ｂ 第２伝熱ステージ、 １５６ 支持構造、 １６６ 支持棒、 １８０ 熱スイッチ、 １８１ 第１熱交換部、 １８２ 第２熱交換部、 １８３ ガスギャップ、 １８４ ゲッター材、 ２００ 支持構造、 ２０４ 第１伝熱ステージ、 ２０６ 第２伝熱ステージ。

Claims (10)

1. 極低温冷凍機のコールドヘッドを真空容器に装着するためのコールドヘッド装着構造であって、前記コールドヘッドは、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備えており、前記コールドヘッド装着構造は、
   前記第１冷却ステージに対応して設けられた第１伝熱ステージと、
   前記第２冷却ステージに対応して設けられた第２伝熱ステージと、
   前記第２伝熱ステージの温度が前記第１冷却温度と前記第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき前記第２伝熱ステージを前記第１伝熱ステージに熱的に結合し、前記第２伝熱ステージの温度が前記切替温度を下回るとき前記第２伝熱ステージを前記第１伝熱ステージから熱的に切り離すように構成された熱スイッチと、を備えることを特徴とするコールドヘッド装着構造。
2. 前記切替温度を沸点とするガスを収容する気密空間を形成し、前記第１伝熱ステージと前記第２伝熱ステージを連結する伝熱ステージ連結部をさらに備え、
   前記熱スイッチは、
   前記第１伝熱ステージと熱的に結合され、前記気密空間に露出された第１熱交換部と、
   前記第２伝熱ステージと熱的に結合され、前記気密空間に露出された第２熱交換部とを備え、
   前記第１熱交換部と前記第２熱交換部が、前記ガスを介した熱交換のためのガスギャップを挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド装着構造。
3. 前記伝熱ステージ連結部は、前記気密空間を内部に形成する中空の支持棒を備えることを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
4. 前記支持棒は、前記コールドヘッドの前記第１冷却ステージおよび前記第２冷却ステージが前記真空容器内の真空領域にさらされるように前記コールドヘッドの周囲に配置されることを特徴とする請求項３に記載のコールドヘッド装着構造。
5. 前記伝熱ステージ連結部は、前記第１伝熱ステージと前記第２伝熱ステージを剛に連結する外スリーブおよび内スリーブを備え、前記気密空間が前記外スリーブと前記内スリーブとの間に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
6. 前記伝熱ステージ連結部に接続され、前記気密空間に前記ガスを給排するバルブをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のコールドヘッド装着構造。
7. 前記熱スイッチは、前記第２伝熱ステージと熱的に結合され、前記気密空間から前記ガスを吸着可能なゲッター材を備えることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のコールドヘッド装着構造。
8. 前記コールドヘッド装着構造は、前記コールドヘッド装着構造に装着された前記コールドヘッドと前記コールドヘッド装着構造との間に気密領域を形成するように構成され、
   前記コールドヘッド装着構造は、前記切替温度を沸点とするガスを前記気密領域に導入することを可能にするポートをさらに備え、
   前記熱スイッチは、
   前記第１伝熱ステージと熱的に結合され、前記気密領域に露出された第１熱交換部と、
   前記第２伝熱ステージと熱的に結合され、前記気密領域に露出された第２熱交換部とを備え、
   前記第１熱交換部と前記第２熱交換部が、前記ガスを介した熱交換のためのガスギャップを挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項１に記載のコールドヘッド装着構造。
9. 真空容器内に配置され、前記真空容器に装着された極低温冷凍機のコールドヘッドによって冷却される被冷却物を前記真空容器に支持する支持構造であって、前記コールドヘッドは、第１冷却温度に冷却される第１冷却ステージと、前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２冷却ステージとを備えており、前記支持構造は、
   前記真空容器に取り付けられた支持体と、
   前記支持体に設置され、前記第１冷却ステージによって冷却される第１伝熱ステージと、
   前記支持体に設置され、前記第２冷却ステージによって冷却される第２伝熱ステージと、
   前記支持体に組み込まれた熱スイッチであって、前記第２伝熱ステージの温度が前記第１冷却温度と前記第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき前記第２伝熱ステージを前記第１伝熱ステージに熱的に結合し、前記第２伝熱ステージの温度が前記切替温度を下回るとき前記第２伝熱ステージを前記第１伝熱ステージから熱的に切り離すように構成された熱スイッチと、を備えることを特徴とする支持構造。
10. 極低温冷凍機のコールドヘッドが装着される真空容器であって、その内部空間には、前記コールドヘッドの第１冷却ステージによって第１冷却温度に冷却される第１物体と、前記コールドヘッドの第２冷却ステージによって前記第１冷却温度よりも低い第２冷却温度に冷却される第２物体とが収容される真空容器と、
    前記真空容器の前記内部空間において前記第１物体と前記第２物体との間に設置された熱スイッチであって、前記第２物体の温度が前記第１冷却温度と前記第２冷却温度の間の切替温度を上回るとき前記第２物体を前記第１物体に熱的に結合し、前記第２物体の温度が前記切替温度を下回るとき前記第２物体を前記第１物体から熱的に切り離すように構成された熱スイッチと、を備え、
    前記真空容器は、前記切替温度を沸点とするガスを前記内部空間に導入することを可能にするポートを備え、
    前記熱スイッチは、
    前記第１物体と熱的に結合され、前記内部空間に露出された第１熱交換部と、
    前記第２物体と熱的に結合され、前記内部空間に露出された第２熱交換部とを備え、
    前記第１熱交換部と前記第２熱交換部が、前記ガスを介した熱交換のためのガスギャップを挟んで対向配置されていることを特徴とするクライオスタット。

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