JP3069130B2 - 極低温ケーブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 この発明は信号インターフェースに関し、特に好まし
くはほぼ50〜400K（又は℃）の温度差のある極低温の部
品と外気雰囲気内の部品との間の接続に使用される同軸
ケーブル及びケーブル・回路の連結器（即ち、相互接続
器）に関する。本件発明は高温超伝導体材料を含む低温
の電子部品又は回路のマイクロ波又は無線周波数の用途
において特に有用である。

背景技術 超伝導材料を含む回路には多くの利点がある。超伝導
とは試料が充分な低温に冷却された時にその電気抵抗が
零になるような金属又は材料の状態をいう。試料が通常
の電気抵抗の状態から超伝導の状態に遷移するようにな
る温度は臨界温度（“T_c"）として知られている。回路
において超伝導材料を使用することは抵抗損失を取り除
くことができる利点がある。

最近まで公知の超伝導材料の臨界温度T_cを達成するた
めには液体ヘリウムと高価な冷却設備の使用が必要であ
った。しかし、1986年に30Kの臨界温度T_cを有する超伝
導材料が報告された。例えば、ベドノルツ及びミューラ
ー著の「Ba−La−Cu−Ｏ系における高T_c超伝導性の可能
性」Z.phys.B−Condensed Matter 64,189−193（1986）
を参照されたし。その報告があってから高い臨界温度を
有する各種の超伝導材料が発見された。これらはひとま
とめにして高温超伝導体（HTSs）として述べられてい
る。現在、大気圧下において液体窒素の沸点77K（例え
ば、摂氏約−196又は華氏−321）を越える臨界温度を有
する超伝導材料が発表されている。

高温超伝導体HTSsは多くの形態で作製されている。初
期の形態は超伝導の状態及び相の存在を決定するのに十
分であるバルク材として作製された。最近では各種の基
体上の薄フィルムが作製され、実際の超伝導デバイスを
製造するのに有用であることが検証されている。特に、
本件出願人の譲受人は基体にエピタキシャル成長させた
タリウム薄フィルム超伝導体の作製に成功した。例え
ば、オルソン等．による「化学的デポジションによるTl
−Ca−Ba−Cu超伝導薄フィルムの作製」、Appl.Phys.Le
tt.55,No.2,189−190（1989）を参照のこと。タリウム
薄フィルム超伝導体の製造及び改良の技術については下
記の特許及び特許出願に説明されている。即ち、1991年
12月10日に特許されたオルソン等の米国特許第5,071,83
0号、1990年４月27日出願の米国特許願第516,078号「タ
リウム超伝導体フィルムの制御された酸化タリウムの蒸
着及び反応のデザイン」、1990年10月16日出願の米国特
許第598,134号「超伝導フィルムのその場成長」、1991
年５月８日の米国特許第697,660号「超伝導薄フィルム
デバイスのパッシベーションコーティング」などがあ
る。

高温超伝導フィルムは現在は10GHz及び77Kの条件下で
500μｍを大きく下回る表面抵抗で実際的に製造されて
いる。これらのフィルムは回路内に形成されることがで
きる。これらの超伝導フィルムは共振回路として形成さ
れた時に非常に高い品質係数（“Q"）を有する。デバイ
スの品質係数Ｑはその損失又はパワー消散の尺度であ
る。理論的には抵抗零のデバイス（例えば、無損失のデ
バイス）は無限大の品質係数Ｑを有する。本件出願人の
譲受人によって製造され販売されている超伝導デバイス
は15,000を越える品質係数Ｑを実際に実現している。こ
れは類似の構造を有するとともに類似の状態で操作され
る最も公知の非超伝導の導体の場合の数100の品質係数
Ｑに比して高い。

超伝導材料を含む回路の利点は比較的長い回路が重大
な損失を招来することなく製造されることができる点に
ある。例えば、超伝導材料で製造された検知回路の誘導
子コイルは非超伝導コイルのように損失を大幅に増加さ
せることなく、非超伝導材料で製造された類似のコイル
に比して多い巻数を含むことができる。従って、超伝導
コイルでは信号ピックアップ性が向上するとともに、非
超伝導コイルに比してより感度が高い。

超伝導薄フィルムの他の利点はそのようなフィルムで
製造された共振器が相対的に小さい物理的空間内に非常
に高いエネルギーを蓄積する望ましい特性を有する点に
ある。かかる超伝導共振器は小型で軽量である。

高温超伝導体HTSsで作製された回路は高いN/S比及び
高いＱ値を有するが、かかる回路は臨海温度T_c以下（例
えば、代表的には77K又はそれより低い温度）まで冷却
される必要がある。さらに、これらの冷却された高温超
伝導体HTSの回路は冷却されるべきでない他の部品又は
デバイスに直接的に接続され又は結合されるのが望まし
い。特に、冷却された回路からの信号はしばしば大気温
度において電気部品と電気的に結合される必要がある。

さらに、極低温に冷却された電気部品及び紫外線検知
器を使用する時には低温度が維持される必要がある。そ
のような状況において、冷却温度と大気温度との間で信
号を結合するインターフェースが必要となる。

一般的には同軸ケーブルが信号インターフェースに使
用されている。同軸ケーブルは一般的には遮蔽材料（例
えば、絶縁体）によって被覆された中央の信号導体（例
えば、中心導体又は内部導体）で製作され、遮蔽材料が
今度は外側導体で被覆されている。通常はこの組立て体
の全体がジャケットで被覆されている。かかるケーブル
は絶縁体コアによって分離された軸上の２つの導体を含
むことによって“同軸”と言われる。

同軸ケーブルは一般的には信号インターフェースとし
て使用されるが、高温超伝導体HTSの材料を含む回路に
接続される場合、接続用の同軸ケーブルの一端は77Kま
で冷却された回路に接続され、その他端はより高い温度
（即ち、室内雰囲気温度は約300Kである）のデバイスに
接続される。標準的な同軸ケーブルはそのような状態で
操作されるために製造されてはいない。標準的な同軸ケ
ーブルがそのような状態で使用される場合、信号損失は
非常に高くなり、ケーブルを通しての熱伝導に起因する
熱負荷は非常に大きくなる。

信号を伝送する性能がデバイスの感度及び正確さに直
接的に影響するという理由により、信号損失を最少にす
ることは重要である。挿入損失は中間部品に起因するそ
のような損失の尺度である。方程式において、中間部品
のない場合及びある場合の出力ワット数をP1及びP2とす
ると、挿入損失Ｌは次の式で与えられる。

Ｌ（dB）＝10log₁₀（P₁/P₂） かかる損失が最少化されない場合には高温超伝導体HT
S又は極低温冷却の材料を用いる利点は損なわれるであ
ろう。

高温超伝導体HTSの回路を冷却するのに利用される極
低温冷却器には一般的に冷却能力に制限があり、比較的
不十分であるという理由により、熱損失を最少化するこ
とは重要である。例えば、現在利用しうる最もよい極低
温冷却器は１ワットの熱負荷を除去し又は付加するため
にコンプレッサーにほぼ40ワットの電力を供給する必要
がある。従って、熱負荷は0.1ワット又はそれ以下に制
限するのが好ましい。

熱負荷を最小化することは重要ではあるが、又それは
困難なことである。標準的な同軸ケーブルは絶縁体（例
えば、低損失プラスチック材料、ポリエチレン材料、又
はテフロン（登録商標））の上に金属管を押出し又はス
エージングすることによって製造されている。本件出願
人が現在知っている最も薄い押出し管は約0.005インチ
（約0.127mm）の肉厚である。

さらに、上述のように、マイクロ波システム用の回路
に高温超伝導体HTSの材料を用いる利点の１つは抵抗損
失を除去する点にある。しかし、反射損失又は反射減衰
（例えば、部品のインピーダンス特性の不整合に起因す
る損失）が最小化されない場合には抵抗損失を減少させ
ることの利点は十分には活用され得ない。これは高い周
波数（例えば、ミリ波）で使用されるべき部品について
は特に当てはまる。

高温超伝導体HTSの材料を含む回路における不整合の
問題の主たる原因として考えられているのは、同軸ケー
ブルと回路との間の接続（transition）である。一般的
に、高温超伝導体HTSの材料及びこれを含む回路はプレ
ーナー構造において最良の特性を有する。しかし、同軸
ケーブルは円筒状にシールドされている。プレーナー型
回路と円筒状ケーブルとの間の接続は反射損失又は反射
減衰に非常に関係する。

また、回路接続プロセスは回路とケーブル間の接続の
形態に密接に関係する。代表的なケーブルはケーブルと
回路との間を固着し又は接続する接続器を必要とする。
代表的な同軸ケーブル接続器（transition）には絶縁体
として作用する空気中に懸架されたケーブルの内部導体
（例えば、ピンを形成する）が用いられる。この懸架導
体は一般的な接続プロセスの間に偶然にわずかに曲げら
れることがある。接続器の形態はピンの機械的な安定性
（又は不安定性）に起因し、再現性に関して不満足であ
るという問題がある。接触点が内部導体のピンの回りを
取り囲むように生じた時にはインダクタンスが不必要に
増加するという他の欠点が起こる。

更に、回路とケーブルとの間の接続器の形態はかかる
部品を用いたデバイスの組立てに直接的に関連するであ
ろう。組立ての容易さを最大にするためには、極低温の
温度に冷却される高温超伝導体HTSの回路のパッケージ
が特別の入力及び出力のリードを含むことが必要であ
る。上述のように、高温超伝導体HTSの回路は臨界温度T
c以下に冷却される必要がある。一般に、かかる冷却は
極低温冷却器の冷却ヘッドに回路を接触させることによ
って達成される（具体的には真空デュアール容器内に内
蔵される）。デュアール容器内に内蔵された回路と接続
するためには、相互接続部がデュアール容器の壁面を挿
通して設けられる必要がある。このような相互接続部は
既に効率の低い極低温冷却器に対して大きな熱伝達通路
を与えることとなる。

従来の技術では冷却された電子部品及び高温超伝導体
を無線周波数の用途において使用する場合に極低温部品
と外気雰囲気内の部品との間の信号インターフェース
（伝送ケーブル及びケーブル・回路間の接続器を含む）
を与えることができない。また、従来の技術では低い熱
伝導及び低い電気的損失（例えば、インピーダンス整合
及び低反射損失）を示し、又UHF、マイクロ波及び低ミ
リ波の周波数（例えば、40GHzまでの周波数）を含む周
波数範囲において作動するインターフェース及び伝送ケ
ーブルを与えることができない。更に、従来の技術では
また機械的に安定であり（従って、再現性があり）、比
較的容易に使用できるインターフェースを与えることが
できない。

発明の概要 本件発明は冷却電気部品及び高温超伝導体の無線周波
数の用途において使用されるべき極低温の部品及び大気
雰囲気の部品を接続するための信号インターフェース
（伝送ケーブル及びケーブル・回路間の接続器を含む）
からなる。好ましい一実施の形態においては、本件発明
の伝送ケーブルは絶縁体内に配置された内部導体からな
り、絶縁体の外表面には薄い外側導体が鍍金（platin
g）されている。また、本件発明のケーブル・回路間の
接続器の好ましい実施の形態では、一般的には円筒状を
なし、絶縁体内に配置された内部導体を含み、絶縁体の
外表面には薄い外側導体がプレーティングされている。
更にまた、接続器は好ましくは半円筒状の端部領域を含
み、これは少なくとも接続器を極低温に冷却された回路
に接続するのを容易とし、しかもインピーダンス整合を
目的とする平坦表面を形成している。部品は挿入損失を
有する伝送ケーブル及び接続器を通しての熱負荷がバラ
ンスするような寸法であるのが好ましい。

上述のように、同軸ケーブルの外側導体は一般的には
絶縁体の上に金属管を押出し又はスエージング（swagin
g）することによって製造される。また、上述のよう
に、本件出願人が現在知っている最も薄い押出し管は約
0.005インチ（約0.127mm）の肉厚である。かかる押出し
管はより薄い金属管に比して高い熱伝導性を示す。例え
ば、0.005インチ（0.127mm）の厚みを有する管は約0.00
08インチ（約20μ）の厚みを有する類似の管の熱伝導の
８倍、0.0024インチ（約６μ）の厚みを有する類似の管
の熱伝導の20倍である熱負荷を示す。

最も好ましい実施の形態において、本件発明の伝送ケ
ーブルは絶縁体（例えば、テフロン（登録商標））によ
って包囲された中心導体を有し、絶縁体が約６ミクロン
と20ミクロンの間の厚みを有する外側導体によって包囲
されてなる同軸極低温ケーブルからなる。熱負荷は１デ
シベル以下の挿入損失に関して好ましくは１ワット以
下、より好ましくは1/10ワット以下がよい。このケーブ
ルの好ましい実施の形態による好ましい全体的形態は一
般的に円筒形状であるが、他の形態（例えば、ストリッ
プライン、ミクロストリップ、共プレーナー又はスロッ
トラインの形態）が可能である。

本件の信号インターフェース（例えば、ケーブル及び
接続器）は低い熱伝導、低い電気的損失（例えば、イン
ピーダンス整合及び低反射損失）を示し、UHF、マイク
ロ波及び低ミリ波の周波数（例えば、40GHzまでの周波
数）を含む周波数範囲において作動する。また、本件の
信号インターフェースは機械的に安定で、再現性を有
し、比較的容易に使用できる。

本件発明の主たる目的は改善された信号インターフェ
ースを提供することである。

また、本件発明の目的は望ましい電気的特性（例え
ば、低い電気的反射及びパワー損失、インピーダンス整
合）を示す信号インターフェースを提供することであ
る。

本件発明の他の目的は機械的に安定であり、容易な再
現性を有する信号インターフェースを提供することであ
る。

本件発明の更に他の目的は容易に組立てることのでき
る信号インターフェースを提供することである。

本件発明の他の目的はコールド電気部品及び高温超伝
導体の無線周波数の用途において使用されるべき極低温
部品及び大気雰囲気の部品を結合する信号インターフェ
ースを提供することである。

また、本件発明の目的は適切な材料を選択し、これに
よって完全な真空状態が数年にわたって保持されること
を許容するほぼ完全に脱ガスされた材料を提供すること
である。

また、本件発明の目的はデュアール容器の真空側から
デュアール容器の温暖側に延び、完全な真空状態が数年
にわたって保持されることを許容する密封されたフィー
ドスルー（feedthrough）を提供することである。

また、本件発明の目的は完全な真空状態を損なうよう
な汚染物質を含まない清浄な極低温ケーブルを提供する
ことである。

また、本件発明の目的は低い熱伝導性を示す信号イン
ターフェースを提供することである。

本件発明の更に他の目的は低い電気的損失、インピー
ダンス整合及び低い反射損失を示す信号インターフェー
スを提供することである。

本件発明の更に他の目的はUHF、マイクロ波及び低ミ
リ波の周波数（例えば、40GHzまでの周波数）を含む周
波数範囲において作動する信号インターフェースを提供
することである。

本件発明の他の目的は絶縁体によって包囲された中央
導体を有し、絶縁体の外表面が外側導体によってプレー
ティングされてなる信号インターフェースを提供するこ
とである。

また、本件発明の他の目的は同軸ケーブルが固着され
る同軸の接続端部及び回路が結合される平坦表面の結合
端部を有するケーブル・回路の接続器を含む信号インタ
ーフェースを提供することである。

本件発明の他の目的及び特徴は添付図面に関連する下
記の詳細な説明を参照することによって明らかとなるで
あろう。

図面の簡単な説明 図１は本件発明の極低温ケーブルの好ましい実施の形
態を示す断面図である。

図２は各種外径の同軸ケーブルについての外側導体の
プレーティングのミクロン厚みに対する熱負荷のワット
数をプロットした図である。

図３は各種外径の同軸ケーブルについてのギガヘルツ
周波数に対する10cm長さ当たりの減衰量デシベルをプロ
ットした図である。

図４はその両端にコネクタを有する本件発明の同軸極
低温ケーブルの好ましい実施の形態及び本件発明のガラ
ス製フィードスルーの好ましい実施の形態を示す断面図
である。

図５は一端に図４に示すコネクタと類似のコネクタを
有する本件発明の同軸極低温ケーブルの実施形態及びこ
のコネクタに連結される本件発明のトラフラインの実施
の形態を示す断面図である。ケーブルの他端には加熱ガ
ラス製のフィードスルーが設けられ、これを介して連続
中心導体が通過し、トラフラインのインターフェースと
連結するコネクタまで延びている。

図６は本件発明のトラフラインの接続部（launch）の
実施の形態を示す平面図である。

図７は図６のトラフラインの接続部を示す側面図であ
る。

図８は図６のトラフラインの接続部を示す正面図であ
る。

図９は同軸ケーブルのインピーダンスの感度を決定す
るための固定具を示す平面図である。

図10は図９の固定具を示す側面図である。

図11は本件発明のトラフラインを製造し組立るための
典型的なフローチャート図である。

図12は本件発明のストリップライン状の極低温ケーブ
ルを示す斜視図である。

図13は本件発明のストリップライン状の極低温ケーブ
ルの第二の実施の形態を示す斜視図である。

図14は本件発明のマイクロストリップ状の極低温ケー
ブルを示す斜視図である。

図15は本件発明の平衡されたマイクロストリップ状の
極低温ケーブルを示す斜視図である。

好ましい実施の形態の詳細な説明 図５に示したように、本件発明の好ましい信号インタ
ーフェースは極低温ケーブル10及び極低温ケーブル接続
具20を含む。この接続具20は回路を本件発明の極低温ケ
ーブル10又は従来公知の他の同軸ケーブルに接続するの
に用いられる。

本件発明では広範な温度差（具体的には約50から400K
（又は℃）の温度差（例えば、約90から720゜Fの温度
差））で保持されるデバイスを接続する一方、信号損失
及び熱伝導を最小化する同軸ケーブル10が提供される。
図１に示されるように、本件発明では内部導体11を含む
同軸極低温ケーブル10が提供される。この内部導体11は
ワイヤー、好ましくは非常に低い熱伝導性の固体であっ
て、好ましくは容易に制御され及び／又はシステムの作
動周波数に整合するように容易に変化されることのでき
る厚みに電気鍍金法によって鍍金された銅、金又は銀で
ある。

また、極低温ケーブル10は絶縁体12を含み、これはテ
フロン（登録商標）又は従来公知の他の絶縁材料で作製
されている。テフロン（登録商標）の誘電率は約800MHz
から40GHzを越えるまで実質的に一定である。この絶縁
体12は米国南カリフォルニア州オレンジバーグボールバ
ール通501に所在するゼウス工業製造社から販売されて
いるような押出し管が好ましい。内部導体11はこの絶縁
管12の内部にピッタリと一致されるべきである。

極低温ケーブル10はさらに外側導体13を含む。この外
側導体13は銅、金又は銀の層であるのが望ましく、これ
は絶縁管12の外表面に所望の金属材料を電気鍍金するこ
とによって形成されるのが好ましい。この外側導体13の
厚みは電気鍍金法によって正確に制御されることができ
る。絶縁材料の電気鍍金は米国ニューヨーク州ニューロ
ッシェルリバー通35に所在するポリフロン社等の鍍金会
社によって行われることができる。

内部導体11、絶縁体12及び外側導体13の最適寸法を決
定する場合には下記の点を考慮する必要がある。即ち、
（１）外側導体13の種々な厚み及び内部導体11の種々な
外径によって与えられる熱負荷（図２）及び（２）種々
の作動周波数における内部導体11の種々な外径によって
招来される減衰（図３）。

図２は内部導体が種々な外径を有し、極低温ケーブル
5cmの長さである時において種々な外径を有する外側導
体によって与えられる熱負荷を示す。第１表は、当該表
の情報の出所となった同軸ケーブルに使用される寸法及
び材料を示す。

上述のように、熱負荷は0.10ワット以下に維持するの
が望ましい。従って、極低温ケーブル10が約0.010イン
チの厚みの内部導体11を有することを示す図２のライン
Ａの外挿法においては、約0.10ワット以下の熱負荷を確
保するために外側導体13の厚みは約20ミクロンより小さ
いのが好ましい。図２のラインＤに示されるように、0.
1ワットの熱負荷のために厚み約0.020インチの内部導体
11を有する極低温ケーブル10の外側導体13の最大厚みは
7.5ミクロン以下の厚みであるのが好ましい。

図３は種々の作動周波数で動作する各種の極低温ケー
ブルにおける減衰又は挿入損失を示す。第２表は図３の
ために試験される極低温ケーブルに採用された外径及び
材料を示す。全ての例において、銅の鍍金層は厚み約６
ミクロン（即ち、表皮厚さ３）である。

図３は極低温ケーブルが小径になればなるほど減衰が
より大きくなることを示している。従って、より小径の
導体が熱負荷（図２参照）を最小化する上で好ましい
が、より小径の導体はまた受入れ難いような高い挿入損
失を招来する。

高温超伝導体の材料を含むコールド電気部品又は回路
のマイクロ波又は無線周波数の作動について、好ましい
作動周波数範囲は40GHzまでである。さらに、そのよう
な用途の場合、減衰量は極低温ケーブルの10cmの長さに
対して約0.7dB以下が好ましい。図３のラインＥ、Ｆ、
Ｇで示される極低温ケーブルは40GHzで作動される時に
は約0.7dB以下の減衰である。上述のように、より小径
の極低温ケーブルはより小さな熱伝導性を有する。従っ
て、好ましい極低温ケーブルはラインＧで示されるよう
なより小径の極低温ケーブルである。

更に、内部導体11の外径（例えば、絶縁体12の内径を
IDとし）に対する外側導体13の内径（例えば、絶縁体の
外径をODとし）の比率は極低温ケーブル10の作動周波数
範囲、極低温ケーブル10のインピーダンス及び絶縁体12
の誘電率に基づく式によって相対的に決まる。例えば、
50Ωのインピーダンスの場合、IDに対するODの比率はほ
ぼ3.35である。この望ましい比率は公知の式に従って当
業者によって容易に計算される： ここで、Z₀は同軸ケーブルのインピーダンス特性、E_xは
誘電率である。更に、ID及びODの合計は最大作動電圧に
関連する。例えば、ID及びODの合計が0.12インチの場
合、その信号は約40GHzで劣化を開始するであろう。

上述の全ての点を考慮すると、本件発明の極低温ケー
ブルの特徴は下記の寸法を有する点にある。内部導体11
は約0.012インチ（即ち、0.30mm）の外径を有し、内部
導体11上の鍍金層は20ミクロン以下の厚みを有するのが
好ましい。絶縁管12は約0.012インチ（即ち、0.30mm）
の内径と約0.040インチ（即ち、1.02mm）外径を有する
のが好ましい。熱伝導を減少させるためには、外側導体
13は約20と約６ミクロンの間の範囲の厚みであるのが好
ましい。この厚みは少なくとも数表皮深さを許容すべき
である。例えば、鍍金層が銅の場合、1GHzで約３表皮深
さである少なくとも0.00024インチ（即ち、６μ）であ
るのが好ましい。

上述の構造及び材料を有する同軸極低温ケーブル10は
半剛体であり、極低温ケーブル10を部品に結合するのを
促進するようにわずかに曲げられることができる。更
に、約300K（即ち、摂氏27゜又は華氏80゜）の室温雰囲
気温度から77K（即ち、−196℃又は−321゜F）の極低温
の温度まで冷却された時に極低温ケーブル10の収縮を許
容するためにサービスループが設けられるであろう。

上述のように、代表的な同軸ケーブルは接続器を必要
とし、代表的な接続器は空気中に懸架された内部導体
（具体的にはピンを形成する）を含み、その場合に空気
が内部導体のための絶縁体として機能する。また、上述
のように、ワイヤー接続の再現性はケーブルが回路に固
着され又はワイヤー接続される間に懸架導体が曲げられ
ることに影響されるであろう。ピンの機械的な安定性は
ピン下方の絶縁体材料が空気ではなく、固体である場合
には大きく増加される。ピンの結合はそこに結合しうる
平坦な表面をピンが有する時にはより容易となる。本件
発明はこれらの構造を利用している。

図４及び図５に示されるように、本件発明の同軸極低
温ケーブル10は両端で接続可能であるのが望ましい。極
低温ケーブル10の一端は高温超伝導体を含む冷却電気部
品又は回路に、好ましくは図５に示されるとともに後述
される本件発明のケーブル接続具20を介して接続可能で
ある。極低温ケーブル10の他端は大気雰囲気内の電気部
品に、好ましくは密封状態の真空シールを維持する接続
部を介して接続可能であり、これにより極低温ケーブル
10は図４及び図５に示されるとともに後述されるように
真空漏れを発生させることなく、冷却された部品をデュ
アール容器内に配置させることができる。

一般的には上述のように、極低温の温度（即ち、77
K、−196℃、−321゜F）に維持される必要のある回路は
真空デュアール容器又は類似の保持デバイス内の冷却プ
レートと接触して配置される。本件発明の極低温ケーブ
ル10はデュアール容器を挿通して大気雰囲気に接続可能
でなければならない一方、デュアール容器内の真空が維
持される必要がある。

図５ないし図８に示されるように、本件発明は円筒状
部分21と半円筒状部分22とを有するケーブル接続具20を
含む。この円筒状部分21は円筒状の内部導体23、円筒状
の絶縁固体24及び円筒状絶縁体24の曲がった外表面上の
外側導体25を含む。

また、図５ないし図８に示されるように、半円筒状部
分22は半円筒状の内部導体26及び半円筒状の絶縁固体27
を含む。半円筒状の内部導体26と絶縁体27とは平坦な露
出表面28を形成している。この半円筒状部分22は半円筒
状表面29と好ましくは半円筒状の絶縁体27の半円筒状に
曲がった外表面29上に鍍金された外側導体30とを含む。
この外側導体25及び30は図５に示されるように金属製の
回路ハウジング31に半田付けされることのできる金属表
面を与えている。絶縁体24及び27は適切な材料で製造さ
れることができ、好ましくは米国ペンシルバニア州エク
ストンクリーメリーウエイ475に所在するICIアドバンス
ド材料社のビクトレックス（登録商標）として販売され
ているPEEK等の硬質プラスチックで製造される。

外側導体30は絶縁体27の半円筒状表面29上にのみ位置
しているので、外側導体30は半円筒状の内部導体26を電
気的に完全にシールドしない。更に、（一方が絶縁固体
27、他方が空気である）内部導体26を包囲する絶縁体の
全体の誘電率はもはや一定ではないであろう。従って、
接続具20は内部導体20の回りの２つの絶縁体（絶縁固体
27及び空気）の間の何れかで誘電率の関数であるインピ
ーダンスを有することとなる。

（誘電率が１である）空気は半円筒状の内部導体26の
約1/2の絶縁体であるので、接続具20の効率的な誘電率
は完全な円筒状部分21のそれに比して半円筒状部分22で
低くなるであろう。従って、（図６及び図８に示され
る）半円筒状部分22の外径ｄは（又図６及び図８に示さ
れる）完全円筒状部分21の外径Ｄに比して小さいのが好
ましい。半円筒状である接続具20の部分は図６及び図７
に示されるように、ケーブルトラフライン又はCLT22と
して説明されるであろう。

モデルを工夫する目的で本件発明の接続具20を説明す
るために、少数の変数が用いられている。接続具20の各
セグメントのインピーダンスを発見するために単純なモ
デルが工夫され、実験的な目的で寸法が決定されること
ができた。D₁、D₂、D₃は各々ケーブルトラフライン22、
同軸内部導体23及び同軸外側導体25における半円筒状の
絶縁体27の外径を示す。E_xは円筒状部分21における絶縁
固体24及び半円筒状部分又はケーブルトラフライン部分
22の安定化された半部における絶縁固体27の誘電率を示
す。

絶縁体材料の数は絶縁固体24及び27として使用される
ために考慮された。多数の優れた候補がある。絶縁固体
24及び27は内部導体23及び26に結合される必要があり、
小さな公差（0.001インチ又はそれ以下（即ち、0.025mm
又はそれ以下））に製造されるために適している必要が
ある。この材料は従来の研磨装置で研磨可能であるのが
好ましい。他の要求によって可能な絶縁体の候補の範囲
が狭くなる。これらの要求には作動周波数、接続ケーブ
ルの性質（およびそのインピーダンス）、真空互換性、
温度露出性及び熱サイクルに対する安定性が含まれる。
多くの材料（例えば、PEEK等の硬質プラスチック）が絶
縁体24として用いられることができるが、下記の第３表
は絶縁体24として濃テフロン（登録商標）を用いたモデ
ルの出力を示す。

絶縁体としてPEEKやテフロン（登録商標）等の材料を
用いる利点の幾つかにはこれらの材料が射出成型又は従
来の固体片の機械加工や研磨によって製造できる点が含
まれる。こうして、PEEKやテフロン（登録商標）の絶縁
体からなる接続具20は容易に、しかも安価に製造され
る。ケーブルトラフライン22の平坦表面28は図５ないし
図８に示されるように結合表面を与え、これも安価に、
しかもその小さな寸法にかかわらず大量に製造されるこ
とができる。従って、接続具20のための絶縁体24及び27
の好ましい材料はPEEKやテフロン（登録商標）の材料で
ある。

接続具20に必要な正確さの程度はケーブルトラフライ
ン22を形成するために使用される方法を考慮し、絶縁体
24及び27として用いる特定の材料に対して決定される必
要がある。図９及び図10はケーブルトラフライン22の寸
法に対する同軸ラインのインピーダンスの感度を決定す
るために使用される固定具40を示す。当業者は既に公知
であるＫコネクタ（登録商標）は固定具40と装置とを接
続するために用いられることができる。固定具40の反射
減衰率は固定具・トラフ41（これはケーブルトラフライ
ン22となる）の磨耗として監視される。固定具トラフ41
の深さは磨耗量として監視され、その結果として所定周
波数における電圧定在波比（VSWR）はトラフ41の深さの
関数として測定されることができ、設計寸法の検証に用
いられることができる。固定具40の寸法は第３表等の情
報を用いて決定されることができる。

内部導体23及び26に対して強固な接続を行う絶縁固体
材料（例えば、シールガラス）の場合、研磨プロセスは
絶縁体24及び27がハウジングに取付けられた後に用いら
れることができる。PEEKやテフロン（登録商標）等の軟
質絶縁体材料の場合、絶縁体24及び27は内部導体23及び
26とは分離して製造されることができ、各種のハウジン
グに対する規格部品として用いられることができる。

接続具20は極低温ケーブル10の上述のプロセスと類似
したプロセスを用いて製造されることができる。しか
し、外側導体25及び30（図５ないし図８に示される）が
絶縁体24及び27の円筒状表面にプレーティングされる前
に、接続具20は小径ｄを有する部分を形成するために回
される（又図５ないし図８に示される）。小径ｄの部分
が形成された後、外側導体25及び30が絶絶縁体24及び27
の外表面上に鍍金することができる。鍍金が終了した
後、小径ｄを有する接続具20の部分は次に研磨又は切削
されて半円筒状部分22及び半円筒状部分22の平坦表面28
が形成される（図５ないし図８に示される）。

図11は絶縁体24及び27の材料としてテフロン（登録商
標）を用いたケーブルトラフライン22を含む接続具20を
製造し組立てるための典型的なフローチャートを提示し
ている。まず、上述のように、接続具20のモデルが各種
の寸法でそのインピーダンスのために試験されるべきで
ある。次に、特定の部品がデザインされる。そして、内
部導体23、26及び絶縁体24、27が製造される。次に、内
部導体23、26及び絶縁体24、27の曲がった外表面が鍍金
される。最後に、内部導体23及び26が絶縁体24内に配置
され、膠接着、結合、エポキシ樹脂接着、半田付け又は
その場所での摩擦によって保持される。さて、この接続
具20はハウジング内に容易に組立てられ、図５に示され
るように回路に結合される。

同軸コネクタは極低温ケーブル10を接続具20及び／又
は大気雰囲気で保持されている電気部品に結合するよう
になっている。図４及び図５は極低温ケーブル10と接続
具20との間に適切な同軸結合部を与える典型的な冷却ハ
ウジングコネクタ50を示す。この冷却ハウジングコネク
タ50は端部レセプタクル又はスリーブ51を含み、これは
極低温ケーブル10からの内部導体11及び接続具20からの
内部導体23の双方を受け取るようになっている。この内
部導体11及び23は端部レセプタクル51内で一緒に半田付
けされることができる。この端部レセプタクル51にはば
ね製爪状の接触点が設けられて内部導体23と端部レセプ
タクル51との間に滑り嵌めを与えることができる。

図４及び図５に示すように、端部レセプタクル51は絶
縁体53によって軸方向に包囲され、絶縁体53は金属製コ
ネクタハウジング54によって軸方向に包囲されている。
この絶縁体53は冷却ハウジングコネクタ50に適切なイン
ピーダンス（例えば、極低温ケーブル10及び接続具20の
インピーダンスを整合させるようなインピーダンス）を
与えるような寸法であることが必要である。内部導体11
よりも大きな外径を有する端部レセプタクルにより、絶
縁体53を極低温ケーブル10の絶縁体12よりも大きな外径
にすると、冷却ハウジングコネクタ50に適切なインピー
ダンスを付与できることが期待される。コネクタハウジ
ング54は金属材料で製造されるのが好ましく、コネクタ
50のための外側導体として作用するのが好ましい。

図４及び図５は極低温ケーブル10と大気温度に保持さ
れた電気部品との間の適切な同軸接続部を与える典型的
な温暖ハウジングコネクタ55の実施の形態を各々示す。
図４に示される温暖ハウジングコネクタ55は極低温ケー
ブル10の内部導体11及びフィードスルーの内部導体57の
双方を受け取る端部レセプタクル又はスリーブ56を含
む。上述のように、極低温ケーブル10と大気温度の部品
との間の接続部は真空シールを有するのが望ましく、例
えば接続部は真空デュアール容器の壁面を挿通して延び
ることができる。図４に示されるフィードスルーの内部
導体57は内部導体57を包囲するガラス製ビード58内に半
田付けして設けられ、これにより真空シールを与える。
このガラス製ビード58は次にデュアール容器の壁面に固
定されて強固な真空シールを与えることができる。ガラ
ス製ビード58には外側金属コーティングが設けられてガ
ラス製ビード58がデュアール容器の壁面に半田付けさ
れ、これにより強固な真空シールを与えることができる
ようになっている。内部導体11及び57は端部レセプタク
ル56内で一緒に半田付けされることができる。この端部
レセプタクル56にはばね製爪状の接触点59が設けられ、
内部導体57とレセプタクル56との間に滑り嵌めを与える
ようになっている。

また、図４に示される温暖ハウジングコネクタ55は端
部レセプタクル56によって軸方向に包囲された絶縁体60
及び絶縁体60によって軸方向に包囲された金属製コネク
タハウジング61を含む。冷却ハウジングコネクタ50に関
して上述のように、温暖ハウジング55の絶縁体60はコネ
クタ55に適切なインダクタンスを与えるような適当な寸
法であることが必要である。冷却ハウジングコネクタ50
に関して上述のように、温暖ハウジングコネクタ55のコ
ネクタハウジング61は金属材料で製作されるのが望まし
く、コネクタ55の外側導体として作用するように金で鍍
金されるのが好ましい。

図５に示される温暖ハウジングコネクタ55は連続内部
導体として極低温ケーブル10の内部導体11と共同する。
内部導体11は加熱ガラス製ビード62を挿通して延びてい
る。加熱ガラス製ビード62は内部導体11と金属製コネク
タハウジング63との間に真空シールを与える。この金属
製コネクタハウジング63は次に例えば電子ビーム溶接又
はレーザー溶接によってデュアール容器に直接的に取付
けられることができる。

図４及び図５に示されるように、極低温ケーブル10は
冷却ハウジングコネクタ50及び温暖ハウジングコネクタ
55に別個の保護ジャケット65及びねじ付きカラー66の配
列によって結合されるのが好ましい。保護ジャケット65
はねじ付きカラー66によって被覆されるべき極低温ケー
ブル10の外側導体13の部分の上に設けられるのが好まし
い。保護ジャケット65は薄い外側導体13が接続部によっ
て損傷を受けることから保護する。ねじ付きカラー66は
保護ジャケット65上にピッタリとフィットし、カラー66
がハウジング54に螺合されることによって生じる加圧接
触により、極低温ケーブル10が冷却ハウジングコネクタ
50及び温暖ハウジングコネクタ55に結合される。このね
じ付きカラー66は接続部で極低温ケーブル10に機械的剛
性及び完全な電気状態を与える。

冷却ハウジングコネクタ50及び温暖ハウジングコネク
タ55にはボルト穴67（図４及び図５に示される）が設け
られて冷却ハウジングコネクタ50が回路ハウジング31及
びデュアール容器64の各々にボルト締結されることを許
容するようになっている。しかし、上述のように、図５
に示される温暖ハウジングコネクタ55はボルト以外の手
段（例えば、半田付け、膠接着、電子ビーム溶接又はレ
ーザー溶接により）によってデュアール容器のハウジン
グ64に直接的に結合されることもできる。

同軸ケーブル形態以外の相互接続の実施形態も本件発
明によって実現されて用いられることができる。特に、
極低温ケーブル10は図12及び図13に各々示されるよう
に、（側方接地を備え、又は無しに）ストリップライン
として作製されることができる。かかるストリップライ
ン状の極低温ケーブルは図12及び図13に示されるよう
に、中心導体11、周囲の絶縁体12及び外側導体13を含
み、外側導体13は図12に示されるように絶縁体12を完全
に包囲するか又は図13に示されるように絶縁体12の２つ
の側面上のみに存在している。

更に、極低温ケーブル10は図14及び図15に各々示され
るようにマイクロストリップ構造あるいは平衡マイクロ
ストリップ構造に製作されることもできる。かかるマイ
クロストリップ状の極低温ケーブル10は図14及び図15に
示されるように、中心導体として作用する第１導体11、
絶縁体12及び外側導体として作用する第２導体13を含
む。図14に示されるマイクロストリップ状極低温ケーブ
ル10の第１導体11は寸法において第２導体13に比して小
さい。図15に示されるように、平衡マイクロストリップ
状の極低温ケーブル10の第１及び第２導体11及び13はほ
ぼ等しい寸法である。

更に、極低温ケーブル10は図16及び図17に各々示され
るように共プレーナーのウエーブガイド構造又は共プレ
ーナーのスロットライン構造に製作されることができ
る。かかる共プレーナーの極低温ケーブル10は図16及び
17に示されるように、中心導体として作用する第１導体
11、絶縁体12及び外側導体として作用する第３導体13を
含む。かかる極低温ケーブル10は両導体11及び13が図16
及び図17に示されるようにプレーナー型の絶縁体12の同
一側に配置されるという理由によって共プレーナー型と
言われる。共プレーナーウエーブガイド型の極低温ケー
ブル10は図16に示されるように、第１導体11の両側方の
絶縁体12上に配置される２つの第２導体13を含む。図17
に示されるように、共プレーナースロットライン型の極
低温ケーブル10の第１及び第２の導体11及び13は単数で
あり、絶縁体12上に相互に並んで横たわっている。

同軸ケーブルに代わるストリップライン型、マイクロ
ストリップ型、共プレーナー型又はスロットライン型の
伝送ラインの使用は極低温ケーブルの作動モードを変更
することはない。基本的な変更はストリップライン型相
互接続、マイクロストップ型相互接続及び共プレーナー
型又はスロットライン型の相互接続が（上述のような同
軸ケーブルの場合のような円形ではなく）矩形であるこ
とである。これはストリップライン型、マイクロストリ
ップ型、共プレーナー型又はスロットライン型が絶縁基
体上の銅製の薄い導体（例えば、米国アリゾナ州チャン
ドラールーズベルト街100通に所在するロジャー社のRT
デュルイド）をパターニング又はエッチングした規格回
路として製造できることを意味している。

本件発明の実施形態が示され、説明されたが、本件発
明の思想から逸脱することなく種々の変更をなすことが
でき、そのような改良及び均等物は全て本件発明に含ま
れるべきである。

フロントページの続き (72)発明者 クニモト，ウォーレス・ヨシト アメリカ合衆国93111カリフォルニア州 サンタ・バーバラ、ビア・ロブラダ 4602番 (72)発明者 シャーレン，マイケル・ジェイムズ アメリカ合衆国93103カリフォルニア州 サンタ・バーバラ、ルビオ・ロード33 番 (72)発明者 ロールフィング，スティーブン・マイケ ル アメリカ合衆国91320カリフォルニア州 ニューベリー・パーク、ヘンリエッ タ・ストリート 235番 (72)発明者 カポルネック，デイビッド・ジェイ アメリカ合衆国93101カリフォルニア州 サンタ・バーバラ、ユニット・ビー、 モドック・ロード2128番 (56)参考文献 特開 昭59−14276（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−24367（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−171244（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−24367（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−37974（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−225832（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163095（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−71573（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−21118（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5120705（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01R 4/68 ZAA H01B 11/00 H01B 12/02 ZAA H01P 3/06 ZAA

Claims (23)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】極低温の回路から大気内の回路にミリ波又
   はマイクロ波の信号を伝送する電気的相互接続器であっ
   て、 第１電導体、 第１電導体に隣接する絶縁体、および 絶縁体に隣接し、約６ミクロンから約20ミクロンの厚み
   を有する銅の第２電導体からなり、 極低温の回路と大気内の回路との間の温度差が少なくと
   も約200℃である時に極低温の回路と大気内の回路との
   間の電気的相互接続器を通しての熱伝導が約1/10ワット
   以下であり、さらに挿入損失が約１デシベル以下である
   ことを特徴とする電気的相互接続器。
2. 【請求項２】相互接続器の長さが少なくとも約5cmであ
   る請求項１に記載の相互接続器。
3. 【請求項３】相互接続器が約0.10インチ以下の外径を有
   する請求項１に記載の相互接続器。
4. 【請求項４】相互接続器が約0.040インチ以下の外径を
   有する請求項１に記載の相互接続器。
5. 【請求項５】極低温の回路から非極低温雰囲気に電気信
   号を結合するための同軸相互接続器であって、 中央導体、 中央導体を軸方向に包囲するとともに接触し、外表面を
   有する絶縁体、および 絶縁体の外表面と接触するとともに、厚みが20ミクロン
   以下である外側導体からなる同軸相互接続器。
6. 【請求項６】中央導体が円形断面を有する請求項５に記
   載の同軸相互接続器。
7. 【請求項７】中央導体が矩形断面を有する請求項５に記
   載の同軸相互接続器。
8. 【請求項８】絶縁体が円形断面を有する請求項５に記載
   の同軸相互接続器。
9. 【請求項９】絶縁体が矩形断面を有する請求項５記載の
   同軸相互接続器。
10. 【請求項１０】外側導体が絶縁体を完全に包囲する請求
    項５に記載の同軸相互接続器。
11. 【請求項１１】外側導体が絶縁体を部分的に包囲してい
    る請求項５記載の同軸相互接続器。
12. 【請求項１２】絶縁体がテフロン（登録商標）である請
    求項５に記載の同軸相互接続器。
13. 【請求項１３】絶縁体がPEEKである請求項５に記載の同
    軸相互接続器。
14. 【請求項１４】外側導体が銅である請求項５に記載の同
    軸相互接続器。
15. 【請求項１５】外側導体が絶縁体に電気的鍍金されてい
    る請求項５に記載の同軸相互接続器。
16. 【請求項１６】請求項５に記載の同軸相互接続器におい
    て、同軸相互接続器は、極低温の回路からの電気信号を
    接続するための接続具をさらに備え、この接続具は、 第１端部と第２端部とを有する中央導体、 第１端部で中央導体を軸方向に包囲するとともに接触
    し、第２端部で中央導体を軸方向に部分的に包囲して中
    央導体の第２端部の部分が露出されることを許容する絶
    縁体であって、絶縁体と中央導体の第２端部の露出部分
    とが実質的に平坦な表面を形成する絶縁体、 を含む同軸相互接続器。
17. 【請求項１７】接続具の絶縁体の外表面が湾曲している
    請求項16に記載の同軸相互接続器。
18. 【請求項１８】接続具の中央導体の第１端部を包囲する
    絶縁体が実質的に円筒状である請求項17に記載の同軸相
    互接続器。
19. 【請求項１９】接続具の中央導体の第２端部を部分的に
    包囲する絶縁体が実質的に半円筒状である請求項17に記
    載の同軸相互接続器。
20. 【請求項２０】接続具の外側導体が絶縁体の外表面に鍍
    金されている請求項16に記載の同軸相互接続器。
21. 【請求項２１】接続具の中央導体の第１端部が絶縁体に
    よってシールドされ、中央導体の第２端部が絶縁体及び
    空気によってシールドされている請求項16に記載の同軸
    相互接続器。
22. 【請求項２２】接続具の中央導体の第１端部に対応する
    第１部分及び中央導体の第２端部に対応する第２部分を
    更に含み、 第１及び第２部分が第１部分の軸径が第２部分の軸径よ
    りも大きくなるような軸径を有する請求項16に記載の同
    軸相互接続器。
23. 【請求項２３】極低温の回路と大気内の回路との間の温
    度差が少なくとも約200℃である時に極低温の回路と大
    気内の回路との間の相互接続部を通しての熱伝導が約1/
    10ワット以下であることを特徴とする請求項１に記載の
    同軸相互接続器。