JPH04172A - 低温での温度制御方法およびその方法に使用する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、液体ヘリウム温度付近の低温での様々な物質
の物性測定の際、温度を精密にしかも試料内の温度の均
一性を良く制御する方法、およびその方法に使用する装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来、液体ヘリウム温度付近の低温での物性測定におい
ては、試料を冷却する方法として、液体ヘリウムに直接
試料を浸す方法、ヘリウムガスで満たされた容器内に試
料を入れ、この容器を液体ヘリウムに直接浸す方法、液
体ヘリウムが満たされた容器に直接接続された銅などの
金属製の試料ホルダーによって試料を冷却する伝導タイ
プの方法が知られている。また、試料の温度を制御する
方法としては、試料ホルダーにヒーター線を巻きつけて
、ヒーターによる加熱とヘリウムガスによる冷却とによ
って、温度を制御する方法が一般的な方法として知られ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来方式ではヒーターから発生する熱に
よって温度を制御するために、ヒーターからの距離によ
って試料内に温度分布ができてしまう、ヒーターに電流
を流してから温度が一定となるまでに時間がかかる、ヒ
ーター線に流す電流の調整が難しいといった問題点があ
った。

本発明は、従来技術のこのような欠点を解消し、液体ヘ
リウムを使う低温での温度制御において、試料の温度を
正確にかつ試料内での温度のバラツキがないように制御
する方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は液体ヘリウム温度付近の低温において、液体ヘ
リウム槽に囲まれた試料保持領域にヘリウムガスを導入
し、このヘリウムガスの導入量を制御することにより、
試料保持領域の温度を制御することを特徴とする温度制
御方法であり、また、そのために用いる・温度制御装置
は、液体ヘリウム槽に囲まれた真空排気可能な試料保持
領域と、この試料保持領域にヘリウムガスを導入する導
入口、およびこの試料保持領域からヘリウムガスを排気
するための排気口、さらにヘリウムガスの導入量と排気
量をそれぞれ調節するためのバルブとを備えていること
を特徴とする。

〔作用〕

試料はヘリウムガスの雰囲気中に置かれており、試料と
ヘリウムガス、およびヘリウムガスとそれを取り囲む液
体ヘリウムとの熱交換によって冷却される。この時、ヘ
リウムガスが多い程、熱交換の量が増加して試料温度は
液体ヘリウム温度に近づく。逆に、ヘリウムガスの量が
少ないと試料温度は高くなり、試料が完全な真空中に置
かれた場合は、液体ヘリウム槽への輻射と試料ホルダー
等を伝わって外部から侵入する熱によって決まる温度に
なる。したがって、ヘリウムガスの量を適当に調節する
ことによって、試料の温度を制御することができる。ま
た、ヒーターで加熱する方法に比べて、熱を伝えるヘリ
ウムガスが試料表面に均一に接するので、試料表面の温
度は均一になる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は本発明による低温温度制御装置の一実施例の構
成図である。第１図において、１は内部に液体窒素槽、
液体ヘリウム槽、試料保持領域を備えたクライオスタッ
ト、２は試料保持領域のヘリウムガスの導入、排気を行
なうためのバルブ、３は試料部分の温度を測定しバルブ
の開閉を制御する温度制御器、４は真空排気装置、５は
ヘリウムガスを一時ためておくためのバルーン、６はヘ
リウムボンベである。

クライオスタット１は、あらかじめ液体窒素および液体
ヘリウムを内部に貯めて、液体ヘリウム温度付近まで冷
却しておく。ヘリウムガスは、急激に大量のガスが、試
料保持領域に導入されるのを防ぐために、ヘリウムボン
ベ６から、いったんバルーン５へ貯めておく。温度制御
器３は、試料の温度を測定し、目的の温度よりも高けれ
ば、バルーン５側のバルブ２を開いて試料保持領域にヘ
リウムガスを導入し、目的の温度よりも低ければ、真空
排気装置４側のバルブ２を開いて試料保持領域のヘリウ
ムガスを排気する。バルブ２の開閉を調節することによ
って、試料保持領域のヘリウムガスの量を調整し、試料
を目的の温度にする。

第２図は、第１図のクライオスタット１の内部を詳しく
示したものである。第２図において、７は真空断熱層、
８は液体窒素槽、９は液体ヘリウム槽、１０はヘリウム
ガスを導入する試料保持領域、１１は試料ホルダー、１
２は試料ホルダーに取り付けられた温度計、１３は液体
９素導入口、１４は窒素ガス排気口、１５は液体ヘリウ
ム導入口、１６はヘリウムガス排気口、１７はヘリウム
ガス導入および排気口、１８はバルブ、１９は試料ホル
ダーを支え、試料保持領域の真空を保つための０リング
シ一ル部分、２ｏは温度計と温度制御器をつなぐケーブ
ルである。

試料ホルダー１１は、Ｏリングシール１９を緩めること
によって取りはずすことができる。試料を試料ホルダー
１１に取り付けたのち、試料保持領域１０に入れ、Ｏリ
ングシール１９で固定する。バルブ１８の真空排気装置
側を開いて、試料保持領域１０を真空排気した後、バル
ブ１８を閉じる。次に、液体窒素槽８に液体窒素を満た
し、液体ヘリウム槽９および試料保持領域１０の冷却を
行なう。じゅうぶん予冷した後に、液体ヘリウム槽９に
液体ヘリウムを入れ、バルブ１８のヘリウムボンベ側を
開いて試料保持領域にヘリウムガスを導入する。これに
よって、試料は液体ヘリウム温度近くまで冷却されるわ
けであるが、温度計１２によって試料温度を測定し、バ
ルブ１８を開閉することによって試料保持領域１９の内
部のヘリウムガスの量を調整し、試料温度を制御する。

バルブによるヘリウムガスの調整は、非常に微量のガス
の制御が可能であり、したがって温度の微調整が可能で
ある。また、ヘリウムガスは試料表面に均一に接触する
ので、試料内での温度の均一性も良い。

第３図と第４図は、本実施例の方法を用いて試料を冷却
した場合の実験結果である。第３図は、クライオスタッ
トに液体窒素および液体ヘリウムを入れ、試料が冷却さ
れて一定温度を保っている状態で、試料保持領域にヘリ
ウムガスを導入した時、導入したヘリウムガスの量と試
料の到達温度との関係を示したものである。この関係は
、クライオスタットの構造に大きく依存するが、ヘリウ
ムガスの量が増加すると、温度は単調に減少する。した
がって、あらかじめヘリウムガスの量との関係を調べて
おくことによって、ヘリウムガスの量を調整して試料を
希望の温度にすることができる。なお、ヘリウムガスを
増加させ続けると、試料保持領域でヘリウムガスが液化
し始めるため、最終的には試料の最低到達温度は液体ヘ
リウム温度である。

第４図は、本実施例の方法によって試料を冷却した場合
の温度の均一性を示したものである。試料ホルダー内の
約５ｃｍ離れた２カ所に温度計を埋め込み、クライオス
タットに液体窒素および液体ヘリウムを入れ、試料保持
領域にヘリウムガスを導入した時の温度を測定した。第
４図かられかる通り、温度差は約０．２に以内であり、
温度の均一性は非常に良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、液体ヘリウムを
使う低温での温度制御において、試料の温度を正確に、
かつ試料内での温度のバラツキがないように制御するこ
とができる温度制御方法およびその方法に使用される温
度制御装置が提供できる。

１・・・クライオスタット、２・・・バルブ、３・・・
温度制御器、４・・・真空排気装置、５・・・バルーン
、６・・・ヘリウムボンベ、７・・・真空断熱層、８・
・・液体窒素槽、９・・・液体ヘリウム槽、１０１．、
試料保持領域、１１・・・試料ホルダー　１２・・・温
度計、１３・・・液体窒素導入口、１４・・・窒素ガス
排気口、１５・・・液体ヘリウム導入口、１６・・・ヘ
リウムガス排気口、１７・・・ヘリウムガス導入および
排気口、１８・・・バルブ、１９・・・Ｏリングシール
部分、２０・・・ケーブル。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による低温温度制御装置の一実施例の構
成図、第２図は第１図のクライオスタットの内部を示し
た断面図、第３図は第２図に示す試料保持領域に導入し
たヘリウムガスの量と試料の到達温度との関係を示した
図、第４図は本発明の一実施例によって試料を冷却した
場合の温度の均一性を示した図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、液体ヘリウム槽に囲まれた試料保持領域にヘリウム
   ガスを導入し、このヘリウムガスの導入量を制御するこ
   とにより、試料保持領域の温度を制御することを特徴と
   する低温での温度制御方法。 ２、液体ヘリウム槽に囲まれた真空排気可能な試料保持
   領域と、この試料保持領域にヘリウムガスを導入する導
   入口、およびこの試料保持領域からヘリウムガスを排気
   するための排気口、さらにヘリウムガスの導入量と排気
   量をそれぞれ調節するためのバルブとを備えていること
   を特徴とする低温での温度制御装置。