JP4686767B2 - 熱シールド - Google Patents

Description

本願発明は、ハニカムコリメータ及び金属メッシュを用いた熱シールドに関する。

極低温検出器は、冷却部、輻射シールド、窓、検出器、読出回路からなる。検出器は、輻射シールドに囲まれ、輻射シールドは、冷却部によって冷却される。検出器が検出する対象である光子ないし粒子(電子、イオン、中性粒子など)は、窓を通して室温の粒子源から検出器に導かれる。

窓は、極低温部の冷却能力を維持し、検出器の性能を損なわないよう、室温赤外線をできるだけ内部に入れないよう細心の注意を払って設計される。窓を通して大きな熱流入があると冷却装置の到達温度が制限される。また、窓を通した熱流入は、赤外線光子が媒介する。この光子に検出器が応答してしまうために、窓を通した熱流入は、検出器のＳ／Ｎ比を悪化させる。

一般に、窓には金属薄膜、ガラス、プラスチックフィルムなどが用いられるが、粒子を検出する際や、特定波長の光子を検出する際には、窓材として物質を使用することができず、コリメーターが用いられる。

単一の検出器を用いた場合、検出器の温度を保つため、２個のリフレクトロンを配置し、リフレクトロン全体を冷却して、極低温環境への熱流入を抑えていた（下記非特許文献１参照）。それほど冷却に注意を払わない場合でも、直径１ｍｍのコリメーターを１０ｃｍ程度の距離に配置する例が多い（下記非特許文献２、３参照）。

複数の検出器を並べる場合にはさらに大きなスペースが必要となる。またコリメーターを用いた場合、検出器の性能は、コリメーターを用いない場合に比べて劣化する。
"Development of a superconducting-phase-transitionthermometer (SPT) for the application in a time-of-flight mass spectrometer(TOF-MS) for heavy-ion molecules", Rutzinger et. al, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, vol.520, pp625-627, 2004 "Impact energy measurement in time-of-flight massspectrometry with cryogenic microcalorimeter", Hilton et. al, Nature, vol.391, pp672-676 "High-efficiency Detection of 66000 Da Protein Molecules Using a Cryogenic Detector in a Matrix-assisted Laser Desorption /Ionization Time-of-flight Mass Spectrometer", Frank et. al, Rapid Communication in Mass Spectrometry, vol.10, pp1946-1950, 1996

本願発明は、コリメーターのサイズを縮小して極低温検出器をより使いやすいものとし、検出器の性能を向上させるものである。近年の検出器技術の進展によって検出器サイズが拡大してきているため、コリメーターのサイズは、巨大化する傾向にある。

本願発明は、微細なハニカムコリメーター（図1）と金属メッシュ（図２）を用いたコンパクトな熱シールドである。

多数のセルから成るハニカム構造体を用いて窓を分割することにより、分割数に応じてコリメーターの長さを短くすることができる。ハニカム構造体には、セラミック、金属またはグラファイトを用いる。各セルの内面をカーボンブラックやネクテルブラックなど黒色の艶消し塗料で塗装する。塗装を施すことにより、赤外線がハニカムの壁を透過することや、赤外線が壁で散乱・反射されることを防ぎ、冷却装置内部への赤外線の流入を減少させることができる。ハニカムにグラファイトを用いる場合、塗装は必要ない。

コリメーターを用いても赤外線は、検出器に入射し、検出器の性能を悪化させる。コリメーターとともに金属メッシュを用いることにより、検出器に入射する赤外線を反射し、メッシュを使用しない場合に比べて入射する赤外線を１％程度まで減少させることができる。

金属メッシュの構造は、波長１０ミクロン近傍の常温の黒体輻射を効率よく反射するため、ピッチを5ミクロン以下とする（図２）。

ハニカムコリメーターと金属メッシュは、必要に応じて片方だけでもよい。金属メッシュは、例えば、ピンホール型のコリメーターと組み合わせても機能する。このようにして構成した熱シールドは、奥行き１０ｍｍ程度のスペースに収めることができる。また金属メッシュを用いることにより検出器に入射する赤外線が大幅にカットされ、検出器本来の性能が発揮できるようになる。

本願発明を用いることにより、極低温への熱流入量を抑制し、極低温検出器を動作せるために必要な熱シールドに使用する空間を著しく小さくすること、検出器の性能を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態を以下に示す。

図３には、粒子源にＭＡＬＤＩ（Matrix-assisted Laser Desorption / Ionization）を使用し、超伝導検出器を取り付けた例を示す。粒子源で発生し、加速されたイオンは、飛行管（反応チャンバー）４、ハニカムコリメーター６、金属メッシュ７を通り超伝導検出器９に入射する。Φ１０ｍｍ、ピッチ１ｍｍ、長さ１０ｍｍの黒く塗装したハニカムコリメーター６を用いることで、該コリメーター６を通して内部に侵入する熱を２００〜３００μＷにすることができる。

金属メッシュ７は、ハニカムコリメーター６を通過した、ほぼ直入射の赤外線を効率よく反射する。該メッシュ７を通して内部に到達する熱量は、１％程度（図４）であり、冷却装置への熱負荷は、２μＷ程度になる。波長１０ミクロン近傍の室温黒体放射は、ほとんど金属メッシュを透過しないことがわかる。穴径と穴ピッチから幾何学的に決まる粒子の透過率は、２５％程度で、実測でも２０％程度のイオンは、透過する。材質は、銅のほか、アルミ、金、ニッケル、タングステン等の電気伝導率が高いものがよい。

図５には、粒子源に質量分析装置を用い、金属メッシュ７、コリメーター１４、超伝導検出器９を取り付けた例を示す。質量分析部１２において、単一のｍ／ｚをもつ粒子だけが選別される。質量分析部１２には、Ｑ−ＭＡＳＳ、ウィーンフィルター、磁気スペクトロメーター、静電スペクトロメーター等のあらゆる質量分析装置が使用できる。

質量分析部１２を通過した粒子は、飛行管（反応チャンバー）４に入射する。反応チャンバー４から出た粒子は、金属メッシュ７、コリメーター１４を通過して超伝導検出器９に入射する。各装置の壁面から放射される赤外線光子は、金属メッシュ７で反射され、コリメーター１４で視野角を制限されて、冷却装置、および超伝導検出器９にはほとんど届かない。

図６に、3keVに加速されたAr+イオンを入射させたときの検出器の応答を示す。横軸は波高値、縦軸はカウント数である。破線が金属メッシュを利用した場合であり、実線が金属メッシュを利用しない場合である。金属メッシュを利用したことにより、エネルギー測定精度が向上することがわかる。

ハニカムコリメーターの模式図。ハニカム上に多数の穴が開いている。穴のサイズは1mm程度、穴のピッチともに1mm程度。 金属メッシュの模式図。穴ピッチは5ミクロン以下とする。穴の大きさはできるだけ大きくする。穴形状は円形、四角、六角形、三角形など、平面を密に埋めることができるものとする。 粒子源にMALDIを使用した場合の実施例 穴径2μm、穴ピッチ3.5μm、厚さ0.5μmのCu製金属メッシュの分光透過率。 粒子源に質量分析装置を使用した場合の実施例 3keVに加速されたAr+イオンを入射させたときの検出器の応答。

符号の説明

１ サンプル
２ レーザー
３ 加速電極
４ 飛行管（反応チャンバー）
５ シャッター
６ ハニカムコリメーター
７ 金属メッシュ
８ ４Ｋ輻射シールド
９ 超伝導検出器
１０ ０．４Ｋステージ
１１ イオン源
１２ 質量分析部
１３ イオンが通る経路
１４ コリメーター

Claims (3)

1. 粒子を検出する極低温検出器のための熱シールドであって、
   多数のセルからなる微細ハニカム構造を有し、各セルの内面を黒くすることにより赤外線を吸収しコリメートするハニカムコリメーターから成り、
   前記セルは、前記粒子が通過して前記検出器に入射するものであることを特徴とする熱シールド。
2. 請求項１に記載の熱シールドにおいて、上記ハニカムコリメーターは、セラミック又は金属により形成されていることを特徴とする熱シールド。
3. 粒子を検出する極低温検出器のための熱シールドであって、
   多数のセルからなる微細ハニカム構造を有し、各セルの内面を黒くすることにより赤外線を吸収しコリメートするハニカムコリメーターと、
   ５μｍ以下のピッチを有する金属メッシュから成り、
   前記セルと前記金属メッシュは、前記粒子が通過して前記検出器に入射するものであることを特徴とする熱シールド。
   

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