JP4334748B2

JP4334748B2 - 冷却装置および光検出装置

Info

Publication number: JP4334748B2
Application number: JP2000244718A
Authority: JP
Inventors: 真工藤; 知行丸山; 二三男成沢; 光喜田中
Original assignee: Hioki EE Corp
Current assignee: Hioki EE Corp
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2002062008A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒によって冷却対象体を冷却する冷却装置および、その冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段を備えた光検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷却装置を備えた光検出装置として、出願人は、図６に示す光検出装置５１を既に開発している。この光検出装置５１は、アバランシェホトダイオード１８を光検出素子として用いて微弱な近赤外域光を検出可能に構成されている。この場合、アバランシェホトダイオード１８は温度変化に非常に敏感な特性を有しているため、近赤外域光の検出に際しては、アバランシェホトダイオード１８を一定温度（例えば−１５０℃）に冷却する必要がある。このため、光検出装置５１は、アバランシェホトダイオード１８を設定温度に冷却する冷却部５２を備えている。冷却部５２は、真空容器１１で囲われて図外の真空ポンプで内気を排気された断熱室Ｓ１内に、アバランシェホトダイオード１８を冷却するための液化窒素ＬＮを貯留可能な冷媒容器５３と、熱伝導率の低い素材で形成され冷媒容器５３の底部から下方に突設された連結材５４と、連結材５４の先端部に取り付けられてアバランシェホトダイオード１８が固定される台座１４ａと、台座１４ａの上端部側に巻き回されてアバランシェホトダイオード１８の冷却温度を調節するヒータ１６と、台座１４ａに取り付けられて台座１４ａの温度に応じたセンサ信号を出力する温度センサ１７とが配設されている。この場合、温度センサ１７は、図外の温度制御部に接続されて折り、温度制御部は、温度センサ１７のセンサ信号に基づいてアバランシェホトダイオード１８の冷却温度を近似的に検出し、その検出温度に基づいてヒータ１６を通電制御することにより、台座１４ａの温度を所定温度に調整する。
【０００３】
この光検出装置５１では、冷媒容器５３内に液化窒素ＬＮを注入することにより、連結材５４を介して台座１４ａの熱が冷媒容器５３に伝熱して液化窒素ＬＮに吸熱される。この場合、連結材５４が熱伝導率の低い素材で形成されているため、台座１４ａは徐々に冷却されて設定温度まで冷却される。次いで、台座１４ａが設定温度よりも低下した際には、温度制御部が温度センサ１７のセンサ信号に基づいてヒータ１６を通電制御することにより、台座１４ａの冷却温度が設定温度に維持される。この場合、連結材５４の熱伝導率が低いため、冷媒容器５３内の液化窒素ＬＮによる急激な冷却が抑えられ、これにより、液化窒素ＬＮの蒸発量およびヒータ１６への通電量が抑制される。一方、アバランシェホトダイオード１８が台座１４ａと同じ温度に冷却された状態では、光ファイバーケーブルを介してアバランシェホトダイオード１８に信号光を入射することにより、アバランシェホトダイオード１８が入射光を検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この光検出装置５１には、以下の改善すべき点がある。すなわち、光検出装置５１では、低熱伝導率の素材で形成した連結材５４によって冷媒容器５３と台座１４ａとが連結されているため、冷媒容器５３に液化窒素ＬＮを注入してからアバランシェホトダイオード１８が設定温度に冷却されるまでに長時間必要とされる。したがって、光検出測定が可能となるまでの待ち時間が長くなってしまい、これを改善するのが好ましい。
【０００５】
一方、高熱伝導率の素材で連結材５４を形成したり、連結材５４を短尺に形成して台座１４ａと冷媒容器５３との距離を短くしたりすることにより、アバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することもできる。しかし、かかる構成を採用した場合、台座１４ａの熱が冷媒容器５３に伝わり易くなるため、液化窒素ＬＮが短時間で気化する。また、アバランシェホトダイオード１８が過度に冷却され易くなるため、ヒータ１６への通電量が増大する。このため、液化窒素ＬＮの消費量、およびヒータ１６による電力の消費量が増大するという問題が生じる。
【０００６】
また、特開平８−３１８１５１号公報に開示された真空装置では、液体窒素（１１）を自動補給するための液体窒素自動補給装置（９）を配設することにより、冷却部位（４）への液体窒素（１１）の供給量を制御して、比較的短時間で冷却部位（４）を冷却可能とし、かつ、冷却部位（４）が所定温度まで冷却された状態では、液体窒素（１１）の供給量を制限することにより、液体窒素（１１）の消費量の低減が図られている。しかし、この真空装置には、複雑かつ大形の液体窒素自動補給装置（９）を必要とするため、製造コストが高騰する点、および広い設置スペースが必要となる点、などの各種問題が存在する。
【０００７】
本発明は、かかる改善すべき課題に鑑みてなされたものであり、装置のコストアップや大型化を招くことなく、冷媒の消費量を抑えつつ冷却対象体を短時間で冷却可能な冷却装置を提供することを主目的とする。また、その冷却装置を用いて受光素子を冷却可能な光検出装置を提供することを他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の冷却装置は、冷媒を別個独立して貯留可能に構成された第１の冷媒容器および第２の冷媒容器を備え、第１の冷媒容器は、直接的にまたは高熱伝導性部材を介して冷却対象体が連結可能に構成され、第２の冷媒容器は、低熱伝導性部材を介して冷却対象体が連結可能に構成されていることを特徴とする冷却装置。
【０００９】
請求項２記載の冷却装置は、請求項１記載の冷却装置において、第２の冷媒容器は、第１の冷媒容器よりも大量の冷媒を貯留可能に構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の冷却装置は、請求項１または２記載の冷却装置において、第１の冷媒容器は、筒状に構成されて、その上部が第２の冷却容器内に配設されると共にその下部が第２の冷却容器の底部から下方に向けて突設され、かつ、その下部の先端部に冷却対象体が連結されると共に、底部に接する部位および下部が共に低熱伝導率素材で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の冷却装置は、請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置において、冷却対象体の温度を検出する温度検出手段と、冷却対象体を加熱する加熱手段と、温度検出手段の検出温度が目標冷却温度よりも低下したときに加熱手段を駆動して冷却対象体を加熱させる温度制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の光検出装置は、請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置と、第１の冷媒容器に連結された冷却対象体と、冷却対象体に固定されて冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷却装置を光検出素子の冷却部に適用した光検出装置の好適な実施の形態について説明する。なお、出願人が既に開発している光検出装置５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１４】
光検出装置１は、大気中の水滴や塵の測定などの環境測定、各種工業分野におけるガスや微量物質の分析、および医療診断などに応用可能な光検出装置であって、例えば波長０．９μｍ〜１．５５μｍの近赤外域光を光パワー０．０００１ｐＷ〜１０ｐＷの範囲で高検出効率で検出可能に構成されている。具体的には、光検出装置１は、図５に示すように、光検出素子を設定温度（目標温度）に冷却する冷却部２と、光検出素子の検出信号に基づいて入射光を検出する光検出部３とを備えている。冷却部２は、本発明における冷却装置に相当し、図１に示すように、真空容器１１、連結材１２、冷媒容器１３，１４、ヒータ１６、温度センサ１７および温度制御部４（図５参照）を備えている。真空容器１１は、例えばステンレススチールで全体として箱状に形成され、連結材１２および冷媒容器１３と相俟って形成される内部空間の内気を真空ポンプで排気されることにより、真空状態の断熱室Ｓ１を形成する。また、真空容器１１には、蓋１５で開閉自在な冷媒注入口１１ａが形成され、この冷媒注入口１１ａを介して冷媒容器１３，１４に液化窒素ＬＮが注入される。この場合、蓋１５は、断熱性に優れ軽量の発泡樹脂で形成され、図２に示すように、冷媒注入口１１ａに装着された状態では、気化した液化窒素ＬＮを外部に放出させるための僅かな隙間Ｈが連結材１２との間に形成される。連結材１２は、熱伝導率が低い素材（例えば発泡樹脂）で形成され、図１に示すように、冷媒容器１３を断熱室Ｓ１内に釣り下げた状態で真空容器１１と冷媒容器１３とを連結する。
【００１５】
冷媒容器１３は、本発明における第２の冷媒容器に相当し、ステンレススチールで形成され、その内部空間Ｓ２に液化窒素ＬＮを貯留可能に構成されている。冷媒容器１４は、本発明における第１の冷媒容器に相当し、筒状に形成されると共に、その内部空間Ｓ３に液化窒素ＬＮを貯留可能に構成されている。この場合、冷媒容器１４は、その上部が断熱材でパイプ状に形成されて冷媒容器１３の内部に配設されている。したがって、冷媒容器１４に貯留された液化窒素ＬＮと冷媒容器１３に貯留された液化窒素ＬＮとは互いに断熱される。また、冷媒容器１４の下部は、冷媒容器１３の底板１３ａを貫通して下方に向けて突出するように配設されている。この場合、冷媒容器１４の下部および底板１３ａに接する部位は、共に低熱伝導率素材の薄肉ステンレスで細管状に形成され、その下部の先端部には、台座１４ａが連結されている。したがって、台座１４ａは、内部空間Ｓ３内に液化窒素ＬＮを貯留した際に、冷媒容器１４の底部に伝熱して直ちに冷却される。一方、台座１４ａと冷媒容器１３との間は低熱伝導率のステンレス細管を介して連結されているため、台座１４ａから冷媒容器１３に対しては熱が伝導しにくい構成となっている。
【００１６】
光検出部３は、図５に示すように、アバランシェホトダイオード１８、検出部５、電源部６および制御部７を備えている。アバランシェホトダイオード１８は、本発明における光検出手段を構成し、温度センサ１７と共に台座１４ａに固定されている。また、図３に示すように、アバランシェホトダイオード１８は、高純度の銅で筒状に形成されて表面に金メッキが施された２つのケース２７，２８で覆われている。この場合、ケース２７は、台座１４ａに固定されると共に、その外周に、電源ケーブル２１，２４、信号ケーブル２２，２５および光ファイバーケーブル２３（以下、「ケーブル２１〜２５」ともいう）が巻き回れている。したがって、ケース２７は、各ケーブル２１〜２５に対する熱アンカーとして機能する。一方、ケース２８は、ケース２７の外周を覆うように嵌め込まれ、ケース２７と相俟って各ケーブル２１〜２５を挟み込んでケース２７に対して熱的に密着させると共に真空容器１１からの輻射熱によるアバランシェホトダイオード１８の温度上昇を防止する。
【００１７】
光ファイバーケーブル２３は、図１に示すように、導入部２３ａを挿通させられて真空容器１１の外部に配置された図外の集光光学系に接続されている。また、各ケーブル２１，２２，２４，２５の一端部は、導入用端子２６，２６・・に接続され、各導入用端子２６，２６・・は、図５に示すように、温度制御部４、検出部５または電源部６にそれぞれ接続されている。さらに、各ケーブル２１，２２，２４，２５の他端部は、ヒータ１６、温度センサ１７またはアバランシェホトダイオード１８に接続されている。
【００１８】
次に、光検出装置１の全体的な動作について説明する。
【００１９】
最初に、真空容器１１の冷媒注入口１１ａから冷媒容器１３，１４の内部空間Ｓ２，Ｓ３に液化窒素ＬＮをそれぞれ注入し、次いで、冷媒注入口１１ａに蓋１５を装着する。この状態では、台座１４ａは、直接的に冷媒容器１４に連結されているため、冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮによって急激に冷却される。したがって、アバランシェホトダイオード１８は、短時間で設定温度まで冷却される。この際に、冷媒容器１４内で気化した液化窒素ＬＮは冷媒注入口１１ａおよび蓋１５の間の隙間Ｈから真空容器１１の外部に放出される。この後、温度制御部４が、温度センサ１７のセンサ信号に基づいて台座１４ａの温度を検出し、設定温度よりも低下したときには、ヒータ１６を通電制御する。これにより、台座１４ａは、液化窒素ＬＮによる冷却とヒータ１６による加熱とで温度制御されて所定温度に維持される。この後、冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮが気化して真空容器１１の外部に放出されるにつれて、台座１４ａの冷却に対する冷媒容器１３内の液化窒素ＬＮによる寄与が徐々に大きくなる。冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮがすべて気化した状態では、台座１４ａは、低熱伝導性部材の冷媒容器１４を介して冷媒容器１３に連結された状態となる。このため、台座１４ａは、冷媒容器１３内の液化窒素ＬＮによって緩やかに冷却され続ける。したがって、冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮがすべて気化する前の状態、つまり冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮによって直接的に冷却される状態と比較して、ヒータ１６の通電量および液化窒素ＬＮの消費量が低下する。なお、必要に応じて冷媒容器１３に液化窒素ＬＮを補充することにより、より長時間に亘ってアバランシェホトダイオード１８を冷却し続けることができる。
【００２０】
一方、アバランシェホトダイオード１８の冷却温度と断熱室Ｓ１の外気温度との間には、百数十℃の温度差が生じており、外気によって暖められた真空容器１１の熱が断熱室Ｓ１内に輻射する。この場合、ケース２７，２８がアバランシェホトダイオード１８を覆っているため、アバランシェホトダイオード１８の輻射熱による温度上昇が防止される。同時に、ケーブル２１〜２５を介して真空容器１１の外部からの熱の流入がケース２７による熱アンカーによって防止されている。したがって、各ケーブル２１〜２５を介してアバランシェホトダイオード１８に流入する熱量が最小かつほぼ一定となるため、アバランシェホトダイオード１８が一定温度に冷却される。
【００２１】
入射光の検出測定時には、図外の集光光学系における絞りを閉じることによって、アバランシェホトダイオード１８に対する信号光の入射を遮断する。続いて、この状態において、検出部５が、アバランシェホトダイオード１８を流れる暗電流に応じた電圧のパルス信号に変換し、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントする。次いで、集光光学系における絞りを開くことによって信号光をアバランシェホトダイオード１８に入射させる。この状態において、検出部５が、所定のしきい値を超えるパルス信号の数をカウントし、信号光が入射している状態のときのカウント値から、信号光が遮断されている状態のときのカウント値を減算することによって、信号光のみに対応するカウント値を算出する。この場合、信号光の入射が遮断されている状態のときの雑音量に相当するカウント値が正確に相殺されるため、信号光の入射量を高精度で検出することができる。
【００２２】
このように、この光検出装置１によれば、冷媒容器１４と台座１４ａとを直接的に連結し、冷媒容器１３と台座１４ａとを低熱伝導性部材の冷媒容器１４を介して連結したことにより、冷媒容器１４内の液化窒素ＬＮによってアバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することができ、しかも、冷媒容器１３内の液化窒素ＬＮが気化し尽くされた状態では、冷媒容器１３内の液化窒素ＬＮによってアバランシェホトダイオード１８を長時間に亘って緩やかに冷却し続けることができる。この結果、液化窒素ＬＮの消費量およびヒータ１６の通電量を抑えつつアバランシェホトダイオード１８を冷却することができる。
【００２３】
次に、本発明の他の実施の形態に係る光検出装置３１について、図４を参照して説明する。なお、光検出装置１と同一の機能を有する構成要素については、同一の符合を付して重複した説明を省略する。
【００２４】
光検出装置３１は、光検出装置１における冷媒容器１３，１４に代えて、本発明における第２の冷媒容器に相当する冷媒容器４３と、本発明における第１の冷媒容器に相当する冷媒容器４４とを備えている。冷媒容器４３，４４は、互いに別個独立して構成され、低熱伝導率の素材で形成された連結材４５で互いに連結されている。また、冷媒容器４４の下端部には、台座１４ａが固定されている。この光検出装置３１では、冷媒容器４３，４４に液体窒素ＬＮがそれぞれ注入された際に、台座１４ａに直接的に連結された冷媒容器４４内の液化窒素ＬＮが、台座１４ａを短時間で冷却する。また、冷媒容器４４内の液化窒素ＬＮが気化し尽くされた状態では、台座１４ａに低熱伝導性部材の連結材４５を介して連結された冷媒容器４３内の液化窒素ＬＮが、台座１４ａを長時間に亘って緩やかに冷却し続ける。したがって、この光検出装置３１でも、光検出装置１と同様にして、液化窒素ＬＮの消費量およびヒータ１６の通電量を抑えつつ、アバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することができる。
【００２５】
なお、本発明は、上記した発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、冷媒容器１４と台座１４ａとを直接的に連結した例について説明したが、例えば、銅やアルミニウムなどの熱伝導率が高い素材で形成した高熱伝導性部材（連結材など）を介して冷媒容器１４と台座１４ａとを連結してもよい。この構成であっても、冷媒容器１４内の冷媒で台座１４ａが急激に冷却されるため、光検出装置１と同様にして、アバランシェホトダイオード１８を短時間で冷却することができる。また、本発明の実施の形態では、冷媒容器１４よりも大量の液化窒素ＬＮを貯留可能に冷媒容器１３を形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば冷媒容器１３，１４を同容積で構成し、冷媒容器１３に大量の液化窒素ＬＮを注入し、冷媒容器１４に少量の液化窒素ＬＮを注入することにより、本発明の実施の形態に示した光検出装置１と同様にして、液化窒素ＬＮの消費量を抑えることができる。
【００２６】
さらに、本発明の実施の形態では、冷媒として液化窒素ＬＮを用いた例について説明したが、各種低温冷媒を採用することができる。さらに、本発明の実施の形態では、本発明における冷却装置を光検出装置の光検出素子冷却用冷却部に適用した例について説明したが、本発明における冷却対象体は、これに限定されない。また、本発明における光検出手段についても、本発明の実施の形態に示したアバランシェホトダイオード１８に限定されず、ＰＩＮホトダイオードなどの各種光検出用ダイオードを用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の冷却装置よれば、第１の冷媒容器を直接的にまたは高熱伝導性部材を介して冷却対象体に連結し、第２の冷媒容器を低熱伝導性部材を介して冷却対象体に連結することにより、装置のコストアップや大型化を招くことなく、冷却開始直後に第１の冷媒容器内の冷媒によって冷却対象体を短時間で冷却することができ、第１の冷媒容器内の冷媒が気化し尽くされた状態では、第２の冷媒容器内の冷媒で冷却対象体を長時間に亘って緩やかに冷却し続けることができる。
【００２８】
また、請求項２記載の冷却装置によれば、第２の冷媒容器を、第１の冷媒容器よりも大量の冷媒を貯留可能に構成したことにより、比較的短時間で消費される第１の冷媒容器内の冷媒の消費量を軽減することができると共に、第２の冷媒容器内の冷媒で冷却対象体を長時間に亘って冷却し続けることができる。
【００２９】
さらに、請求項３記載の冷却装置によれば、第１の冷媒容器を筒状に構成し、その上部を第２の冷却容器内に配設すると共にその下部を第２の冷却容器の底部から下方に向けて突設し、かつ、その下部の先端部に冷却対象体を連結すると共に、第１の冷媒容器における底部に接する部位および下部を共に低熱伝導率素材で形成したことにより、第１の冷媒容器を低熱伝導性部材として冷却対象体に連結することができると共に、第１および第２の冷媒容器を別個独立して断熱室内に配設する構成と比較して、冷却装置全体を小形化することができる。
【００３０】
また、請求項４記載の冷却装置によれば、温度検出手段、加熱手段および温度制御手段を備えたことにより、冷却対象体を正確に目標冷却温度に冷却することができる。
【００３１】
また、請求項５記載の光検出装置によれば、冷却装置によって光検出手段を短時間で目標温度に冷却できるため、光検出手段による入射光の検出測定を迅速に開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る光検出装置１の構成を示す断面図である。
【図２】光検出装置１の真空容器１１における冷媒注入口１１ａ近傍の断面図である。
【図３】光検出装置１における温度センサ１７およびアバランシェホトダイオード１８近傍の断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る光検出装置３１の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光検出装置１，３１の構成を示すブロック図である。
【図６】出願人が既に開発している光検出装置５１の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１，３１光検出装置
２，３２冷却部
４温度制御部
１１真空容器
１３，１４，４３，４４冷媒容器
１３ａ底板
１４ａ台座
１６ヒータ
１７温度センサ
１８アバランシェホトダイオード
４５連結材
ＬＮ液化窒素
Ｓ１断熱室
Ｓ２，Ｓ３内部空間

Claims

冷媒を別個独立して貯留可能に構成された第１の冷媒容器および第２の冷媒容器を備え、前記第１の冷媒容器は、直接的にまたは高熱伝導性部材を介して冷却対象体が連結可能に構成され、前記第２の冷媒容器は、低熱伝導性部材を介して前記冷却対象体が連結可能に構成されていることを特徴とする冷却装置。
前記第２の冷媒容器は、前記第１の冷媒容器よりも大量の前記冷媒を貯留可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
前記第１の冷媒容器は、筒状に構成されて、その上部が前記第２の冷却容器内に配設されると共にその下部が当該第２の冷却容器の底部から下方に向けて突設され、かつ、その下部の先端部に前記冷却対象体が連結されると共に、前記底部に接する部位および前記下部が共に低熱伝導率素材で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
前記冷却対象体の温度を検出する温度検出手段と、前記冷却対象体を加熱する加熱手段と、前記温度検出手段の検出温度が目標冷却温度よりも低下したときに前記加熱手段を駆動して前記冷却対象体を加熱させる温度制御手段とを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置と、前記第１の冷媒容器に連結された冷却対象体と、当該冷却対象体に固定されて前記冷却装置によって目標冷却温度に冷却された状態で入射光を検出する光検出手段とを備えていることを特徴とする光検出装置。