KR102050867B1 - 외측 샘플 장착을 위한 1k 서브 쿨러용 크라이오스탯 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯 에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 샘플 탈부착 방식을 변경하여 샘플의 탈부착을 용이하고 하고, 그로 인한 온도 유지 및 진동 문제를 해결하는 기술에 관한 것이다. 구체적으로, 내부에 쿨러, 일측에 샘플홀더홀 및 상기 샘플홀더홀 외측을 감싸는 샘플탈착부로 구성된 컨테이너; 상기 저온컨테이너 길이 방향의 수직하게 상기 샘플홀더홀를 관통하여 일측은 쿨러하단부에 이격되도록 구성되며, 타측은 상기 샘플탈착부에 구성되고, 제1연결부재에 의해 상기 쿨러 하단부와 연결되는 샘플홀더; 및 일측은 상기 쿨러 상단부에 고정되고, 타측은 상기 샘플홀더에 고정된 하나 이상의 지지부;를 포함하는 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯 를 제공하기 위한 것이다.

Description

외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯{Cryostat using 1K Sub Cooler for sample mounting on the external side}

본 발명은 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯 에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 크라이오스탯의 샘플 탈부착 방식을 변경하여 샘플의 탈부착을 용이하고 하고, 그로 인한 온도 유지 및 진동 문제를 해결하는 기술에 관한 것이다.

크라이오스탯(cryostat, 저온 유지 장치)이란, 제어된 저온환경을 만들고 그것을 유지하기 위해 사용하는 장치를 말한다. 크라이오(cryo-)란 「냉한」을 의미하는 접두사이다. 크라이오스탯은 물리학, 전자공학, 전기공학 등의 연구용으로 많이 사용된다. 특히, 최근 초전도 붐으로 크라이오 일렉트로닉스 연구열이 고조되자 그 필요도 늘어나고 있다.

극저온 환경이 필요할 때에 사용되는 크라이오스탯은 일반적으로 내부에 극저온의 액체 질소나 헬륨을 저장하는 듀어(dewar, 저장용기)와 이를 단열하는 차폐실드(radiation shield)로 구성되어 있다. 하지만, 다중 차폐 실드 등을 통하여도 외부와 완전하게 단열상태를 이룰 수 없기 때문에 내부의 액체 헬륨이나 액체 질소는 액체 상태를 계속 유지할 수 없고 시간에 따라 증발하여 액체 상태로 저장되는 시간이 한정된다. 크라이오스탯이 액체 헬륨 또는 액체 질소를 유지할 수 있는 시간에 따라 극저온으로 작업할 수 있는 시간이 결정되므로 크라이오스탯의 효율은 크라이오스탯의 설계에 있어서 매우 중요한 요소이다. 즉, 극저온 상태의 작업 시간을 늘리기 위하여는 전도와 복사를 통해 외부에서 유입되는 열을 최대한 감소시켜야 한다. 따라서, 크라이오스탯의 설계에서 가장 중요한 점은 작은 열용량, 적은 열의 유입, 진공 여부이다.

열용량이 크면 냉각용 액체 헬륨을 흡입할 때 필요한 액량이 많아진다. 열의 유입이 크면 액체 헬륨의 증발이 빨라 흡입이 곤란하게 된다. 또 진공으로 하는 것은 증기압을 저하시켜 온도를 헬륨의 비점인 4.2K 이하까지 냉각하기 위해서와 증발한 헬륨을 회수하기 위해, 그리고 외부로부터의 단열을 위해서이다. 극저온용 기기의 특징은 단열을 위해 진공으로 한 2중 구조로 되어 있는 점이다. 크라이오스탯은 극저온에서 실온까지의 큰 온도변화에 견딜 수 있도록 제작되어야 한다.

크라이오스탯의 이러한 저온은 액체 헬륨 위에서 압력을 감소시킴으로써 달성되는 것이 일반적이다. 헬륨 배스(helium bath) 위에서의 압력이 감소함에 따라, 배스의 온도가 액체 헬륨의 포화 곡선(saturation curve)에 의해 규정되는 바와 같이 감소한다. 추가적으로, 샘플 냉각 프로세스는 헬륨 배스로부터 액체 헬륨을 증기화시켜서, 처리될 수 있는 샘플의 수와 유지될 수 있는 헬륨 배스의 지속시간(duration)에 영향을 미치게 된다.

대한민국 등록특허 10-1594332, 극저온 고자기장 시험 장치의 재물대 모듈, 한국기초과학지원연구원

이러한 기존의 크라이오스탯에서 샘플은 차폐 실드의 내부에 구성되는 쿨러의 하단에 장착되도록 구성된다. 따라서, 기존의 크라이오스탯에서 샘플의 교환은 크라이오스탯의 하부를 개폐하여 이루어지는데, 이는 아래와 같은 문제를 야기하게 된다. 첫째, 샘플 교환을 위한 공간 및 개폐를 위한 장비로 인하여 크라이오스탯 자체의 크기가 커지는 문제가 발생된다. 둘째, 크라이오스탯 하부에서 샘플을 교체하는 경우 크라이오스탯 내부의 장비를 재조립하여야 하는 불편이 있었다. 특히 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯의 경우에는 위와 같은 문제에도 불구하고, 1K 서브 쿨러가 하중에 약하고 매우 민감하여 샘플 장착부의 구성을 변경하기 어려운 실정이었다.

따라서, 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.

본 발명의 목적은, 크라이오스탯의 하부가 아닌 측면부에서 샘플을 교환하도록하여 1K용 크라이오스탯의 사용을 용이하게 하는 한편, 샘플홀더의 길이 증가로 인한 진동 문제, 열전달 문제 등을 해결하는 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯 을 제공하는데에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 목적은, 1K 저온을 발생시키는 1K 서브 쿨러; 일단은 상기 1K 서브 쿨러의 일단에 연결되고, 타단은 샘플이 구성되는 샘플홀더;상기 1K 서브 쿨러 및 상기 샘플홀더의 상기 일단을 감싸는 중공의 원통형으로 구성되고, 상기 샘플홀더의 상기 타단이 외측으로 관통되도록 구성되는 샘플홀더홀을 포함하는 저온컨테이너; 및 상기 저온컨테이너의 일측에 돌출 구성되어 상기 샘플홀더홀 및 상기 샘플홀더의 상기 타단을 감싸도록 구성되는 샘플탈착부;를 포함하고, 상기 저온컨테이너 및 상기 샘플탈착부에 의해 상기 1K 서브 쿨러 및 상기 샘플홀더가 밀폐되도록 구성되며, 상기 샘플홀더에 의해 상기 샘플은 상기 저온컨테이너의 외측에 위치되도록 구성되고, 상기 샘플탈착부를 상기 저온컨테이너로부터 분리하여 상기 샘플을 상기 샘플홀더에 탈부착하도록 구성되는, 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯을 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 상기 1K 서브 쿨러와 상기 샘플홀더는 상호 접촉하지 않도록 구성되며, 일단은 상기 1K 서브 쿨러의 상기 일단에 연결되고, 타단은 상기 샘플홀더의 상기 일단에 연결되어 상기 1K 서브 쿨러의 상기 일단과 상기 샘플홀더의 상기 일단을 연결하는 제1연결부재;를 더 포함하고, 상기 제1연결부재에 의해 상기 1K 서브 쿨러의 상기 저온이 상기 샘플홀더에 전달되면서도 상기 샘플홀더에 전달되는 상기 1K 서브 쿨러의 진동이 저감되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1연결부재는 편조된(braid) 메쉬망 구조의 구리인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 일단은 상기 1K 서브 쿨러의 타단에 고정되고, 타단은 상기 1K 서브 쿨러의 중단부와 제2연결부재로 연결되는 상부지지부; 및 일단은 상기 상부지지부의 상기 타단에 고정되고, 타단은 상기 샘플홀더의 상기 일단에 연결되는 하부지지부;를 더 포함하고, 상기 상부지지부와 상기 하부지지부의 구조는 세르루리에 트러스 구조(Serrurier truss design)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1연결부재 또는 제2연결부재는 편조된(braid) 주름형 구조의 구리인 것을 특징으로 할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면 크라이오스탯의 샘플을 용이하게 교환할 수 있는 효과가 있다. 즉, 기존의 크라이오스탯 하부를 통해 샘플을 교환하는 방식과는 달리 본 발명의 일실시예에 따라 크라이오스탯 측면부를 통해 샘플을 교환하게 되면 크라이오스탯 하단의 구성들을 모두 드러낼 필요 없이 샘플만을 편리하게 교환할 수 있다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 크라이오스탯 내부의 쿨러에 의한 진동을 감쇠시켜 샘플홀더에 진동을 최소화시키는 효과가 있다.

셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 극저온상태에서도 수축에 의한 지지대의 파손이 일어나지 않도록 하여 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯의 수명을 증대시키는 효과가 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯을 도시한 모식도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯의 서브쿨러 및 샘플탈착부를 도시한 확대도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 서브쿨러(200)의 예시 사진,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질소를 이용한 예비 냉각 곡선을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 헬륨을 이용한 예비 냉각 곡선을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최종 냉각 곡선을 나타낸 그래프,
도 7은 세르루리에 트러스 구조(Serrurier truss design)를 도시한 모식도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 필름버너(230)와 상부지지부(300)의 제2연결부재(320)를 통한 연결을 나타낸 모식도,
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제1연결부재(400)의 편조된(braid) 주름형 구조의 형태를 나타낸 모식도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플홀더(500)의 샘플체결부(510)를 도시한 모식도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯

본 발명의 일실시예에 따른 외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯 에 있어서, 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯을 도시한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯의 서브쿨러 및 샘플탈착부를 도시한 확대도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯(1)은 크게 컨테이너(150), 메인쿨러(600), 서브쿨러(200), 샘플홀더(500)으로 구성될 수 있다.

컨테이너(150)는 크게 외측 단열컨테이너(151), 제1저온컨테이너(152) 및 제2저온컨테이너(153)으로 구성될 수 있다.

외측 단열컨테이너(151)는 메인쿨러(600)가 장착되며 내부에 제1저온컨테이너(152), 제2저온컨테이너(153), 서브쿨러(200), 샘플홀더(500)를 밀폐하며 감싸는 중공의 원통형 구성이다. 외측 단열컨테이너(151)에 의해 쿨러들의 단열 및 진공이 달성되게 된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 메인쿨러(600)에 의해 4K의 저온이 발생되고, 서브쿨러(200)에 의해 1K의 저온이 발생되도록 구성될 수 있고, 1K에서의 샘플에 대한 각종 실험을 위해 샘플홀더(500)는 서브쿨러의 일측(헤드 측)에 위치되어 1K 저온 상태에 도달될 수 있다. 또한, 외측 단열컨테이너(151)의 하단 일측에는 외측 장착부(1510)가 구성될 수 있다.

외측 장착부(1510)는 외측 단열컨테이너(151)의 하단 일측에 돌출되도록 구성되고, 컨테이너(150)의 외측으로 돌출되도록 구성되는 샘플홀더(500)를 감싸 밀폐하도록 구성된다. 실험자가 샘플의 장착이나 탈착을 수행하려는 경우, 외측 장착부(1510)를 제거하여 샘플홀더(500)에 접근할 수 있다.

제1저온컨테이너(152)는 일측이 메인쿨러(600)의 중간부(예를 들어, 70K)와 연결되고 내부에 제2저온컨테이너(153), 서브쿨러(200) 및 샘플홀더(500)를 밀폐하며 감싸는 중공의 원통형 구성을 의미한다. 제1저온컨테이너(152)는 메인쿨러(600)의 중간부에 의해 특정 저온(예를 들어, 70K)을 유지하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1저온컨테이너(152)의 하단 일측에는 외측 장착부(1510) 내에 제1샘플탈착부(1520)가 샘플홀더(500)를 밀폐하도록 구성될 수 있고, 제1샘플탈착부(1520)는 메인쿨러(600)에 의해 70K의 저온을 구성할 수 있다.

제2저온컨테이너(153)는 일측이 메인쿨러(600)의 헤드부(예를 들어, 4K)와 연결되고 내부에 서브쿨러(200) 및 샘플홀더(500)를 밀폐하며 감싸는 중공의 원통형 구성을 의미한다. 제2저온컨테이너(153)는 메인쿨러(600)의 헤드부에 의해 특정 저온(예를 들어, 4K)을 유지하도록 구성될 수 있다. 또한, 제2저온컨테이너(153)의 하단 일측에는 외측 장착부(1510) 및 제1샘플탈착부(1520) 내에 제2샘플탈착부(1530)가 샘플홀더(500)를 밀폐하도록 구성될 수 있고, 제2샘플탈착부(1530)는 메인쿨러(600)에 의해 4K의 저온을 구성할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면 제2저온컨테이너(153)는 원통형의 형상을 가질 수 있고 제2저온컨테이너(153) 일측면에 샘플홀더홀(420)이 구성되어 샘플홀더(500)가 관통될 수 있다. 이때 제2저온컨테이너(153)는 제2샘플탈착부(1530)에 의해 완전하게 밀폐될 수 있으므로, 내부의 유체를 빼내어 진공 상태를 형성할 수 있게 된다.

서브쿨러(200)와 관련하여, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 서브쿨러(200)의 사진이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 제2저온컨테이너(153) 내부에는 서브쿨러(200)가 구비되어 있다. 서브쿨러(200)는 서브쿨러(200)의 상단부인 메인플레이트(220)가 제2저온컨테이너(153)에 고정되어 제2저온컨테이너(153) 내에 지지된다. 서브쿨러는 온도가 4K 이하에 도달하면 내부의 헬륨가스가 액화되기 시작한다. 이 때 내부의 작은 Charcoal 크라이오펌프를 작동시켜 액체 헬륨을 증발시키고 이때의 증발열을 통해 1K 까지 도달하게 된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 서브쿨러(200)는 콜드헤드(210)와 메인플레이트(220)를 구비하고, 메인플레이트(220) 상단에는 크라이오펌프(240)가 위치할 수 있다. 저온(cold) 단부인 콜드헤드(210)와 메인플레이트(220)사이인 쿨러 중단부에는 고온(hot) 단부인 필름버너(230)가 구비될 수 있다. 특히 콜드헤드(210)에는 제2저온컨테이너(153) 내부와 온도교환을 위하여 구멍이 구비될 수 있다. 나아가 콜드헤드(210)에는 온도계 센서가 설치되어 온도를 모니터링이 가능할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 질소를 이용한 예비 냉각 곡선을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 헬륨을 이용한 예비 냉각 곡선을 나타낸 그래프이다. 콜드헤드(210)는 일반적으로 크라이오펌프(240)보다 빠르게 4K로 냉각되지만 설치된 샘플의 열질량이 큰 경우 크라이오펌프(240)가 먼저 냉각 될 수 있다. 이 경우, 크라이오펌프(240)가 20K 이하로 냉각된 후 콜드헤드(210)가 매우 천천히 냉각되어 가스가 콜드헤드(210)에 흡착되는 현상이 발생한다. 이런 경우가 방치되면 콜드헤드(210)가 냉각되는데 2일에서 3일이 소모된다. 따라서 이 경우에는 콜드헤드(210)가 냉각될 때까지 크라이오펌프(240)를 약 20K이상으로 예비 냉각하여 이 상태를 유지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 최종 냉각 곡선을 나타낸 그래프이다. 통상적으로 서브쿨러(200)의 냉각에 있어서 일반적인 방법은 먼저 크라이오펌프(240)를 약 50K까지 가열하고, 이 온도를 메인플레이트(220)의 온도가 헬륨(⁴He)의 액화 포인트(liquefaction point)인 헬륨의 임계점(critical point) 5.2K보다 낮아질 때까지 유지한다. 크라이오펌프(240)가 위와 같은 온도를 유지하는 동안, 메인플레이트(220)가 더 냉각될수록 헬륨의 액화효율이 높아지고, 서브쿨러(200)의 온도 지속 시간이 더 길어진다. 헬륨이 온전하게 액화되면 크라이오펌프(240)는 가열을 중단하는 것이 바람직하다. 크라이오펌프(240)는 가열 중단 후 부터 냉각되기 시작한다. 이때 헬륨은 냉각사이클을 거치게 되어 콜드헤드(200) 및 필름버너(230)의 온도가 급격하게 내려가고, 콜드헤드(200)가 1K 온도에 다다를 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 콜드헤드(200)의 하단에 샘플이 직접 장착되지 않고, 샘플홀더(500)가 장착될 수 있다. 샘플홀더(500)의 일단은 콜드헤드(200)의 하단에 제1연결부재(400)에 의해 간접적으로 장착되고, 타단은 컨테이너(150)의 외측으로 돌출되도록 구성되며, 샘플은 샘플홀더(500)의 타단에 탈부착되도록 구성될 수 있다. 크라이오스탯 외측에서 샘플을 교환할 수 있게 되는 샘플홀더(500)의 구성에 의해 저온 실험에서 샘플의 탈부착이 매우 용이해지는 효과가 발생된다. 이에 따르면, 실험 시간이 단축되어 동일한 리소스로 보다 많은 실험을 진행할 수 있게 되므로, 실험 효율을 증대시키는 효과가 발생된다.

그러나, 본 발명의 일실시예에 따라 크라이오스탯 내측 하부가 아닌 위치인 크라이오스탯 외측에서 샘플을 교환하기 위해서는 샘플홀더(500)의 길이가 길어질 수밖에 없는 문제가 있다. 샘플홀더(500)의 길이가 길어지는 경우 샘플홀더(500)의 샘플의 최저 도달 온도가 높아지게 되는 문제가 있다. 또한, 샘플홀더(500)의 길이가 길어질수록 샘플이 쿨러 진동의 영향을 받을 수 있게 되는 문제가 발생된다. 본 발명의 일실시예에 따른 샘플홀더(500)에는 제1연결부재(400), 상부지지부(300), 하부지지부(310), 제2연결부재(320)가 더 구성되어 위의 문제가 해결되는 효과가 발생된다.

제1연결부재(400)는, 콜드헤드(200)와 샘플홀더(500)를 연결하는 구성으로, 편조된 전도성 소재(특히, 구리) 와이어로 구성되어 콜드헤드(200)와 샘플홀더(500)가 접촉하지 않으면서도 열접촉하도록 구성될 수 있다. 제1연결부재(400)에 의해 샘플이 쿨러 진동의 영향을 받지 않게 되는 효과가 발생되면서도 샘플이 1K까지 도달될 수 있도록 저온 전달이 되는 효과가 발생된다.

상부지지부(300), 하부지지부(310), 제2연결부재(320)는 샘플홀더(500)의 일단과 서브쿨러(200)를 연결하여 샘플홀더(500)의 하중을 지지하는 구성이다. 상부지지부(300)의 일단은 메인플레이트(220)와 고정되고, 상부지지부(300)의 타단은 하부지지부(310)의 일단과 연결되도록 구성될 수 있다. 하부지지부(310)의 타단은 샘플홀더(500)의 일단에 고정되도록 구성될 수 있다. 또한, 상부지지부(300)의 타단과 하부지지부(310)의 일단은 제2연결부재(320)에 의해 필름버너(230)에 루즈(Loose)하게 연결될 수 있다. 서브쿨러(200)가 수축되는 경우에도 제2연결부재(320)에 의해 상부지지부(300)와 하부지지부(310) 및 샘플홀더(500)와의 연결부가 파손되지 않을 수 있다. 상부지지부(300)와 하부지지부(310)는 열전도율이 매우 낮은 Glass Fiber로 구성될 수 있다. 이에 따라, 메인플레이트(220)의 4K에 해당되는 온도가 샘플홀더(500)에 전달되지 않는 효과가 발생된다.

본 발명의 일실시예에 따른 지지부의 구조와 관련하여, 도 7은 세르루리에 트러스 구조(Serrurier truss design)를 도시한 모식도이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 상부지지부(300)와 하부지지부(310)는 상부지지부(300)의 하부 끝단과 하부지지부(310)의 상부 끝단이 연결되어 하나의 지지부를 구성하게 되는데, 이 경우 상부지지부(300)와 하부지지부(310)는 각각 N개의 지지대로 구성되어 서브쿨러(200)를 중심으로 트러스 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 상부지지부(300)와 하부지지부(310)는 각각 8개의 지지대로 이루어진 세르루리에 트러스 구조를 갖도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 상부지지부(300)와 하부지지부(310)의 세르루리에 트러스 구조는 상부지지부(300)와 하부지지부(310)는 필름버너(230)를 중심으로 각각 2구역으로 나뉘어져 고정되며, 수축에 의해 응력이 작용하는 경우에 상부와 하부에 동일하고 평행한 편향력을 받게 되어 축이 뒤틀리지 않고 유지되는 효과가 발생된다. 제2저온컨테이너(153) 내부가 냉각되어 온도가 내려가게 되면 상부지지부(300)와 하부지지부(310)의 수축이 발생되게 되는데, 상부지지부(300)와 하부지지부(310)가 냉각으로 인하여 수축되더라도 세르루리에 트러스 구조에 의해 상부지지부(300)는 장력에 저항하고 하부지지부(310)는 압축에 저항하여 메인플레이트(220), 필름버너(230), 샘플홀더(500)가 서로 평행하게 유지될 수 있다. 즉, 상부지지부(300)와 하부지지부(310)가 극저온 상태에 이르러 수축이 일어나더라도 세르루리에 트러스 구조에 의하여 메인플레이트(220), 필름버너(230) 및 서브쿨러(200)는 물론 샘플홀더(500)가 뒤틀림없이 안정적으로 평행하게 지지될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 필름버너(230)와 상부지지부(300)의 제2연결부재(320)를 통한 연결을 나타낸 모식도이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 제2연결부재(320)는 구리를 소재로 한 편조(braid)된 다수의 개구를 갖는 메쉬망의 형태를 가질 수 있다. 이러한 제2연결부재(320)는 70 내지 300 메쉬의 메쉬망으로 형성될 수 있다. 제2연결부재(320)의 개구는 1mm 이하의 크기(지름)를 가질 수 있는데, 제2저온컨테이너(153) 내의 대류를 다수의 유로로 분리되어 유동할 수 있게 하는 한, 어떠한 형태도 가능하다. 제2연결부재(320)는 메쉬망 구조를 통해 제2저온컨테이너(153) 내의 대류를 방해하지 않으면서도 큰 유동을 여러 개의 유동으로 쪼갤 수 있다. 이러한 유동 분리를 통해 대류로 인한 포텐션 코어(potential core)를 작게하고, 일정한 분로를 갖게 한다. 그에 따라, 유체의 유동이 안정화되어 충격 진동과 같은 서브쿨러(200)에 의한 진동을 안정화시키는 역할을 할 수 있다.

또한, 제2연결부재(320)는 열전도성이 우수한 구리를 이용함으로써 제2저온컨테이너(153) 내부의 열질량 상승을 최소화할 수 있다. 나아가 제2연결부재(320)는 고순도의 구리 또는 산소를 함유하지 않은 고전도성(oxygen-free-high-conductivity;OFHC) 구리로 만드는 것이 더욱 바람직하다. 고순도의 구리나 OFHC 구리를 이용하는 경우 열전도성을 극대화하여 크라이오스탯의 샘플탈착부에 있어서 저온콘테이너(100) 내부의 온도 유지 지속시간을 최대화할 수 있다.

제1연결부재(400)는 제2연결부재(320)와 동일한 편조된 메쉬망 구조와 구리 소재로 서브쿨러(200)와 샘플홀더(500) 사이의 이격된 공간을 메워 서브쿨러(200)의 진동을 흡수하고 콜드헤드(210)에 의한 냉각온도를 샘플에 전달하는데에 도움을 줄 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 제1연결부재(400)의 편조된(braid) 주름형 구조의 형태를 나타낸 모식도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 제1연결부재(400)는 오목한 부분과 볼록한 부분의 섬유부피분율과 배향각을 동일하게 한 편조된 주름형 형태인 구리로 이루어질 수 있다. 진동을 흡수하기 위한 구조로는 크게 판형태의 제재를 적층시켜 제조되는 리프 스프링(Leaf spring)과 강선을 코일 모양으로 감아 제조하는 코일 스프링(Coil spring)이 있다. 이와 같은 스프링 형태는 선형의 구리를 사용하여 적정한 수준의 스프링 상수를 구현하는데 있어서 어려움이 많다. 이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 제1연결부재(400)는 편조된 주름형 구조를 이용하여 서브쿨러(200)의 진동을 효과적으로 흡수하여 샘플홀더(500)의 진동을 최소화할 수 있다. 편조된 주름형 구조는 일반적인 주름형 구조보다 치밀하게 길이 방향으로 압축 및 팽창되는 것을 가능하게 하기 때문에 수축과 팽창에 저항력이 강한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 편조 각도는 30∼50°로 할 수 있다. 이러한 편조 각도를 갖는 경우 서브쿨러(200)와 평행한 방향인 제1연결부재(400)의 길이 방향으로의 팽창에 대한 저항력이 높아지고, 내구성이 향상된다. 편조 각도는 50°이하로 함으로써 충분한 내구성의 향상 효과가 얻어지는데, 30°미만이 되면 제1연결부재(400)의 직경 방향으로의 팽창을 억제할 수 없게 되고, 종래의 편조기로는 편조하기가 곤란해지기 때문에 편조기의 설계 변경이 필요하게 되어 코스트(Cost)가 상승되는 등의 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 편조 각도는 30∼50°로 한다.

샘플홀더(500)는 제2저온컨테이너(153) 길이 방향에 수직하게 구성되어 샘플홀더홀(120)을 관통하도록 구성되고, 일단은 쿨러헤드(210)에 이격되며 연결되도록 구성되며(제1연결부재(400)에 의해 쿨러헤드(210)와 간접적으로 연결), 타단은 컨테이너(150)의 외측에 샘플이 장착되도록 샘플체결부가 구성된다. 샘플홀더(500)는 하부지지부(310)에 의해 고정되며, 서브쿨러(200)와 서로 이격되어 있으나 제1연결부재(400)를 통해 콜드헤드(210)와 연결된다. 샘플홀더(500)가 서브쿨러(200)와 직접적으로 연결되지 않음으로써 서브쿨러(200)에 의한 진동을 직접적으로 전달받지 않는 효과가 발생된다. 즉, 샘플홀더(500)는 제1연결부재(400)를 통해 서브쿨러(200)와 연결되어 서브쿨러(200)에 의한 진동이 감소되므로 샘플(540)에 미치는 진동이 줄어든다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 샘플홀더(500)의 샘플체결부(510)를 도시한 모식도이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 제1샘플탈착부(1520) 및 제2샘플탈착부(1530) 내부에 위치하게 되는 샘플홀더(500)의 타측 끝단부에는 샘플체결부(510)가 존재할 수 있다. 샘플체결부(510)는 샘플홀더(500)에 고정된 제1체결부(520)와 샘플(540)을 고정시킬 수 있는 제2체결부(530)로 구성된다. 제2체결부(530)는 제1체결부(520)와 결합하여 샘플홀더(500)에 고정될 수 있다. 샘플체결부(510)에 제2체결부(530)와 제1체결부(520)를 통해 샘플(540)을 고정함으로써 샘플(540) 탈착시에 진동에 의한 샘플홀더(500)의 변동을 최소화할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 크라이오스탯의 샘플탈착부의 샘플(540) 교환은 외측장착부(1510), 제1샘플탈착부(1520) 및 제2샘플탈착부(1530)를 분리한 뒤에 샘플체결부(510)를 통해 이루어진다. 사용자는 외측장착부(1510)를 외측 단열컨테이너(151)로부터 분리하고, 제1샘플탈착부(1520)를 제1저온컨테이너(152)로부터 분리하며, 제2샘플탈착부(1530)를 제2저온컨테이너(153)로부터 분리하여 샘플홀더홀(120)에 돌출된 샘플체결부(510)에서 샘플(540)을 용이하게 교환할 수 있다. 이에 따라 사용자는 종래와 같이 크라이오스탯 하부를 통해 서브쿨러(200) 하부를 분해하여 샘플(540)을 교체하는 것이 아니라 제2저온컨테이너(153) 측부를 통해 간이하게 샘플(540)을 교환할 수 있다. 이를 통해 크라이오스탯의 수명 향상은 물론, 샘플(540) 측정에 걸리는 시간을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

150: 컨테이너
151: 외측 단열컨테이너
152: 제1저온컨테이너
153: 제2저온컨테이너
200: 서브쿨러
210: 콜드헤드
220: 메인플레이트
230: 필름버너
240: 크라이오펌프
300: 상부지지부
310: 하부지지부
320: 제2연결부재
400: 제1연결부재
500: 샘플홀더
600: 메인쿨러

Claims (5)

1K 저온을 발생시키는 1K 서브 쿨러;
일단은 상기 1K 서브 쿨러의 일단에 연결되고, 타단은 샘플이 구성되는 샘플홀더;
상기 1K 서브 쿨러 및 상기 샘플홀더의 상기 일단을 감싸는 중공의 원통형으로 구성되고, 상기 샘플홀더의 상기 타단이 외측으로 관통되도록 구성되는 샘플홀더홀을 포함하는 저온컨테이너; 및
상기 저온컨테이너의 일측에 돌출 구성되어 상기 샘플홀더홀 및 상기 샘플홀더의 상기 타단을 감싸도록 구성되는 샘플탈착부;
를 포함하고,
상기 저온컨테이너 및 상기 샘플탈착부에 의해 상기 1K 서브 쿨러 및 상기 샘플홀더가 밀폐되도록 구성되며,
상기 샘플홀더에 의해 상기 샘플은 상기 저온컨테이너의 외측에 위치되도록 구성되고, 상기 샘플탈착부를 상기 저온컨테이너로부터 분리하여 상기 샘플을 상기 샘플홀더에 탈부착하도록 구성되고,
상기 1K 서브 쿨러와 상기 샘플홀더는 상호 접촉하지 않도록 구성되며,
일단은 상기 1K 서브 쿨러의 상기 일단에 연결되고, 타단은 상기 샘플홀더의 상기 일단에 연결되어 상기 1K 서브 쿨러의 상기 일단과 상기 샘플홀더의 상기 일단을 연결하는 제1연결부재;를 더 포함하고,
상기 제1연결부재에 의해 상기 1K 서브 쿨러의 상기 저온이 상기 샘플홀더에 전달되면서도 상기 샘플홀더에 전달되는 상기 1K 서브 쿨러의 진동이 저감되는 것을 특징으로 하는,
외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯.

제1항에 있어서,
상기 제1연결부재는 편조된(braid) 메쉬망 구조의 구리인 것을 특징으로 하는,
외측 샘플 장착을 위한 1K 서브 쿨러용 크라이오스탯.

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