JP2012520987A - Cryogen-free cooling device and method - Google Patents
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Abstract
クライオジェンフリー冷却装置が作業領域(20)を包囲すると共に真空チャンバ(4)内に配置された少なくとも1つの熱線遮蔽体(54)を有する。クライオジェンフリー冷却システムが熱線遮蔽体(54)に結合された冷却段を有する。熱線遮蔽体及び真空チャンバ壁には整列状態の孔(56,58)が設けられている。サンプル装填装置がサンプル保持器具(2)を有し、このサンプル保持器具は、サンプル保持器具を整列状態の孔(56,58)に通して作業領域(20)まで挿入する1つ又は2つ以上の細長いプローブ(3)に取り付けられ、サンプル保持器具上のサンプル又はサンプル保持器具内のサンプルを予備冷却するためにサンプル保持器具をサーマルコネクタにより熱伝導可能に真空チャンバ内の1つ又は複数個の低温物体に解除可能に結合できる。 A cryogen-free cooling device has at least one heat shield (54) surrounding the work area (20) and arranged in the vacuum chamber (4). The cryogen free cooling system has a cooling stage coupled to the heat shield (54). The heat ray shield and the vacuum chamber wall are provided with aligned holes (56, 58). The sample loading device has a sample holder (2) that inserts the sample holder through the aligned holes (56, 58) to the working area (20). One or more of the sample holders in the vacuum chamber attached to the elongate probe (3) of the vacuum chamber, wherein the sample holder is thermally conductive by a thermal connector to precool the sample on the sample holder Can be releasably coupled to a cold object.
Description
本発明は、クライオジェンフリー(cryogen free)型冷却装置及びかかる装置の使用方法に関する。 The present invention relates to a cryogen free type cooling device and a method of using such a device.
低い温度(100ケルビン未満)又は極めて低い温度(4ケルビン未満)の場合に極低温機器を作動させる場合、この機器の低温部のところでサンプル又は他の物体を交換する必要のある場合が多い。液体クライオジェン、例えば液体ヘリウム又は液体窒素を用いる従来型機器では、これは、通常、機器をウォームアップして機器を開放し又は機器の一部を取り外してこれをウォームアップすることにより行なわれる。次に、サンプルを室温で交換する。これは、ゆっくりとしたプロセスである場合があるので、液体クライオジェンを用いた従来型極低温システムの中には、システムの大部分が低温状態のままであるようにすることができる迅速サンプル交換機構体を備えているものがある。これらシステムに関する重要な課題は、サンプルを室温で、典型的には約300Kで機器内に入れ、次に、これよりも非常に低い温度で物体との熱的接触が行なわれる別の位置に動かすことであり、この非常に低い温度は、システムによっては、1Kを下回る場合がある。液体クライオジェンを用いたシステムでは、サンプル及び関連の取り付け・連結機器は、通常、これらを低温クライオジェンガス中にシステム内で途中まで通すか、低温クライオジェンガス又は液体をサンプル移送機構体中に通すかのいずれかによって予備冷却され、これは、サンプルと機器の両方に対する熱的衝撃を減少させる。 When operating a cryogenic instrument at low temperatures (less than 100 Kelvin) or very low temperatures (less than 4 Kelvin), it is often necessary to change samples or other objects in the cold part of the instrument. In conventional equipment using a liquid cryogen, such as liquid helium or liquid nitrogen, this is usually done by warming up the equipment and opening the equipment or removing a portion of the equipment and warming it up. The sample is then exchanged at room temperature. Because this can be a slow process, some conventional cryogenic systems using liquid cryogens can allow a large portion of the system to remain cold. Some have a mechanism. An important challenge with these systems is that the sample is placed in the instrument at room temperature, typically about 300 K, and then moved to another location where thermal contact with the object is made at a much lower temperature. This very low temperature may be below 1K in some systems. In systems using liquid cryogens, the sample and associated mounting and coupling equipment are usually passed partially through the cryogenic gas through the system or the cryogenic gas or liquid is passed into the sample transport mechanism. It is precooled by either passing through, which reduces thermal shock to both the sample and the instrument.
近年、液体クライオジェンの追加を必要とせず又は初期冷却中にのみ液体窒素を必要とする極低温システムが開発された。これら極低温システムは、一般に、クライオジェンフリー(又は「クライオフリー(cryofree)」)型システムと呼ばれている。これらシステムは、冷却動力をもたらすために機械式冷却器、例えばGM冷却器、スターリング冷却器又はパルスチューブを用いている。市販の冷却器の冷却動力は、液体クライオジェンのリザーバから利用できる冷却動力よりも幾分低いので、これらシステムは、典型的には、ウォームアップし、サンプルを変更し、そして冷却するのに長い時間を要する場合がある。したがって、クライオジェンフリー型システム全体をウォームアップする必要なく、クライオジェンフリー型システム内でサンプルを交換する方法が相当強く要望されている。 In recent years, cryogenic systems have been developed that do not require the addition of liquid cryogen or require liquid nitrogen only during initial cooling. These cryogenic systems are commonly referred to as cryogen-free (or “cryofree”) type systems. These systems use mechanical coolers such as GM coolers, Stirling coolers or pulse tubes to provide cooling power. Since the cooling power of commercial coolers is somewhat lower than that available from the liquid cryogen reservoir, these systems are typically long to warm up, change samples and cool. It may take time. Accordingly, there is a considerable need for a method of exchanging samples within a cryogen-free system without having to warm up the entire cryogen-free system.
サンプルをクライオフリー型クライオスタット中に装填する公知のロードロックの幾つかの例が米国特許第4446702号(A)号明細書、同第4577465(A)号明細書、同第5077523(A)号明細書、同第5727392(A)号明細書、同第5806319(A)号明細書、同第5834938(A)号明細書、米国特許出願公開第2007/0234751号明細書及び同第2008/0282710号明細書に記載されている。 Some examples of known load locks for loading a sample into a cryo-free cryostat are U.S. Pat. Nos. 4,446,702 (A), 4,577,465 (A), and 5,775,523 (A). No. 5,727,392 (A), No. 5,806,319 (A), No. 5834938 (A), US Patent Application Publication Nos. 2007/0234751 and 2008/0282710. It is described in the specification.
クライオジェンフリー型システムでは、暖かい状態のサンプルを低温状態のクライオスタット中に装填しようとする場合に多くの技術的課題が存在する。第1に、システムの内部構造体は、通常、熱負荷を減少させるために密閉真空容器内に入れられている。第2に、この密閉真空容器内では、サンプル空間は、通常、熱負荷を一段と減少させるために1つ又は2つ以上の放射線遮蔽体によって囲まれている。第3に、サンプルが室温状態から低温取り付け物体まで動いているときにサンプルを予備冷却するのに利用できる液体クライオジェンが存在しない。また、サンプルをクライオスタット内に装填するときにサンプルへの電気的接触を遠隔から行なう必要がある。本発明は、これら課題に対する解決策を提供しようとするものである。 In a cryogen-free system, there are many technical challenges when trying to load a warm sample into a cryostat cryostat. First, the internal structure of the system is usually placed in a sealed vacuum vessel to reduce the heat load. Second, within this sealed vacuum vessel, the sample space is usually surrounded by one or more radiation shields to further reduce the heat load. Third, there is no liquid cryogen available to pre-cool the sample as it moves from room temperature to a cold attachment. It is also necessary to make electrical contact to the sample remotely when loading the sample into the cryostat. The present invention seeks to provide solutions to these problems.
本発明の第1の観点によれば、クライオジェンフリー型冷却装置は、作業領域を包囲すると共に真空チャンバ内に配置された少なくとも1つの熱線遮蔽体と、熱線遮蔽体に結合された冷却段を有するクライオジェンフリー型冷却システムと、熱線遮蔽体及び真空チャンバの壁に設けられた整列状態の孔と、1つ又は2つ以上の細長いプローブに取り付けられたサンプル保持器具を有し、サンプル保持器具を整列状態の孔に通して作業領域まで挿入するサンプル装填装置と、サーマルコネクタとを有し、サンプル保持器具は、サンプル保持器具上又はサンプル保持器具内のサンプルを予備冷却するためにサーマルコネクタを介して熱伝導可能に真空チャンバ内の1つ又は複数個の低温物体に解除可能に結合できる。 According to a first aspect of the present invention, a cryogen-free cooling device includes at least one heat ray shield that surrounds a work area and is disposed in a vacuum chamber, and a cooling stage coupled to the heat ray shield. A cryogen-free cooling system, an aligned hole provided in the wall of the heat shield and the vacuum chamber, and a sample holder attached to one or more elongated probes; A sample loading device that inserts the sample through the aligned holes into the working area and a thermal connector, the sample holder holding the thermal connector to precool the sample on or in the sample holder. Through which heat can be transferred to one or more cold objects in the vacuum chamber.
代表的には、サンプル装填装置は、サンプル保持器具及び細長い1つ又は複数のプローブを運動可能に収納する真空容器を更に有し、真空容器は、真空チャンバ壁の孔に結合可能である。 Typically, the sample loading device further includes a vacuum vessel that movably houses a sample holder and one or more elongated probes, the vacuum vessel being connectable to a hole in the vacuum chamber wall.
本発明の別の観点によれば、本発明の第1の観点としてのクライオジェンフリー型冷却装置の作業領域中にサンプルを装填する方法は、
サンプルをサンプル保持器具内又はサンプル保持器具上に配置するステップと、
サンプル装填装置の真空容器を真空チャンバに固定すると共に真空チャンバの孔と整列させるステップと、
真空容器を排気するステップと、
真空チャンバの孔を開き、細長いプローブを操作してサンプル保持器具を開かれた孔中に挿入してサンプル保持器具が低温物体に熱的に結合されるようにするステップと、サンプル保持器具内又はサンプル保持器具上のサンプルを低温物体への熱伝導の結果として冷却することができるようにし、
a)サンプル保持器具を低温物体から結合解除し、細長いプローブを操作してサンプル保持器具を作業領域中に挿入するか、或いは、
b)低温物体への熱的結合を強化してサンプルから奪われる熱流を増大させると共にサンプルを一層冷却するかのいずれかを行なうステップとを有する。
According to another aspect of the present invention, a method for loading a sample into a work area of a cryogen-free cooling device according to the first aspect of the present invention includes:
Placing the sample in or on the sample holder; and
Securing the vacuum vessel of the sample loading device to the vacuum chamber and aligning it with the holes of the vacuum chamber;
Evacuating the vacuum vessel;
Opening a hole in the vacuum chamber and manipulating the elongated probe to insert the sample holder into the opened hole so that the sample holder is thermally coupled to the cold object; and in the sample holder or Allowing the sample on the sample holder to cool as a result of heat conduction to the cold object,
a) uncouple the sample holder from the cold object and manipulate the elongated probe to insert the sample holder into the work area, or
b) either strengthening the thermal coupling to the cold body to increase the heat flow taken away from the sample and further cooling the sample.
本発明者は、上述の課題を解決するのに真空チャンバ内の低温物体を利用してサンプルが作業領域に達する前にサンプルを予備冷却する新規形式の装置を案出した。 The inventor has devised a new type of apparatus that uses a cold object in a vacuum chamber to pre-cool the sample before it reaches the working area to solve the above-mentioned problems.
クライオスタット内の種々の低温物体、例えば冷却システムの冷却段又は4K以下クーラの中間段、例えば希釈冷凍機のスチル(蒸留器)に結合された任意の低温表面を利用することができるが、既に存在する熱線遮蔽体を利用することが最も好都合である。もう1つの考えられる手段として、低温物体は、冷却装置内の最も低い温度に保持された物体であり、この場合、熱的コネクタは、予備冷却のために当初低温物体への弱い熱的結合を可能にし、その後、低温物体への結合を強化してサンプルが所望の最終温度まで冷えるようにする。 Various cold objects in the cryostat can be used, such as any cold surface coupled to a cooling stage of a cooling system or an intermediate stage of a 4K or less cooler, such as a still in a dilution refrigerator, but already exists It is most convenient to use a heat ray shield. As another possible means, the cold object is the object held at the lowest temperature in the cooling device, in which case the thermal connector provides a weak thermal coupling to the initial cold object for pre-cooling. And then strengthen the bond to the cold object so that the sample cools to the desired final temperature.
作業用領域が露出されるべき温度に応じて、真空チャンバ内に2つ以上の熱線遮蔽体を設けるのが良い。したがって、これらのうちの1つ又は2つ以上を更に用いると、サンプルを予備冷却することができる。 Two or more heat ray shields may be provided in the vacuum chamber depending on the temperature at which the work area is to be exposed. Thus, further use of one or more of these can precool the sample.
例えば、好ましい実施形態では、本装置は、第1の熱線遮蔽体内に配置されると共に作業領域を包囲した第2の熱線遮蔽体を更に有し、クライオジェンフリー型冷却システムは、第1の冷却段よりも低温であって第2の熱線遮蔽体に結合された第2の冷却段を有し、第2の熱線遮蔽体は、第1の熱線遮蔽体及び真空チャンバ壁の孔と整列していて、サンプル保持器具を挿通させることができる孔を有し、サンプル保持器具は、熱伝導可能に第2の熱線遮蔽体に解除可能に結合できる。 For example, in a preferred embodiment, the apparatus further comprises a second heat ray shield disposed within the first heat ray shield and surrounding the work area, wherein the cryogen-free cooling system comprises the first cooling ray. Having a second cooling stage that is cooler than the stage and coupled to a second heat ray shield, the second heat ray shield being aligned with the first heat ray shield and a hole in the vacuum chamber wall. And a hole through which the sample holding device can be inserted, and the sample holding device can be releasably coupled to the second heat ray shield so as to conduct heat.
2つ又は3つ以上の熱遮蔽体が設けられる場合、サンプルの予備冷却を各遮蔽体への連結によって行なうことは不要である。例えば、予備冷却は、最も内側(代表的には4K)の遮蔽体でのみ実施するのが良い。3つ又は4つ以上の遮蔽体が設けられる場合、予備冷却のために1つ又は2つ以上を利用することができる。 If two or more thermal shields are provided, it is not necessary to precool the sample by connection to each shield. For example, pre-cooling should be performed only on the innermost shield (typically 4K). If three or more shields are provided, one or more can be utilized for pre-cooling.
代表的には、第1の熱線遮蔽体は、45K〜90Kの温度に保持され、第2の熱線遮蔽体(設けられる場合)は、6K未満又はそれどころか4.2K未満の温度に保持される。 Typically, the first heat shield is maintained at a temperature between 45K and 90K, and the second heat shield (if provided) is maintained at a temperature below 6K or even below 4.2K.
熱線遮蔽体孔は、開放状態のままにされても良いが、熱伝達を減少させるためには、好ましくは、各孔は、各クロージャシステムにぞれぞれ閉鎖可能である。適当なクロージャシステムの一例は、1つ又は2つ以上の可撓性フラップ又はヒンジ式且つばね式フラップである。 The heat shield holes may be left open, but preferably each hole can be closed to each closure system to reduce heat transfer. An example of a suitable closure system is one or more flexible flaps or hinged and spring-loaded flaps.
一実施形態では、サンプル装填装置は、各々がサンプル保持器具に結合された2つの細長いプローブを有するが、他の実施形態では、単一の細長いプローブを用いても良い。両方の場合、好ましくは、プローブは、サンプル保持器具に対してその軸線回りに回転可能である。当然のことながら、3つ以上のプローブを用いることができる。 In one embodiment, the sample loading device has two elongate probes each coupled to a sample holding device, but in other embodiments a single elongate probe may be used. In both cases, preferably the probe is rotatable about its axis relative to the sample holder. Of course, more than two probes can be used.
コネクタは、好都合には、ねじ山をロッドの一端部に設けることによって形成され、第1のコネクタは、低温物体又は複数個の低温物体のうちの1つに設けられたねじ山と協働して、この低温物体との熱的結合を達成するようになっている。変形例として、熱的結合は、ばね連結手段を用いて達成されても良く、この場合、サンプル保持器具は、熱線遮蔽体の孔の内面に係合する1つ又は複数個の熱伝導性ばねを備える。この内面の延長部として、例えば追加的に、係合を可能にする管組立体又は厚手のプレート組立体を設けるのが良い。ばねコネクタを熱線又は熱線遮蔽体上に固定し、サンプル保持器具をこれらばねコネクタに押し付けるのが良い。変形例として、熱的結合は、高温遮蔽体のところでばねにより且つ低温遮蔽体のところでねじ接触により、或いはこれらの任意の組み合わせで行なわれても良い。別の実施形態では、コネクタは、取り付け機構体からの接触圧力を増大させる円錐形又はウェッジ形嵌合部分によって構成されても良い。これにより、性能が著しく向上する。 The connector is conveniently formed by providing a thread at one end of the rod, and the first connector cooperates with a thread provided on the cold object or one of the cold objects. Thus, thermal coupling with the low temperature object is achieved. Alternatively, the thermal coupling may be achieved using a spring coupling means, in which case the sample holder is one or more thermally conductive springs that engage the inner surface of the hole in the heat shield. Is provided. As an extension of this inner surface, for example, a tube assembly or a thick plate assembly that allows for engagement may be additionally provided. The spring connectors may be fixed on a hot wire or a heat shield and the sample holder may be pressed against these spring connectors. Alternatively, the thermal coupling may be performed by a spring at the high temperature shield and by screw contact at the low temperature shield, or any combination thereof. In another embodiment, the connector may be configured with a conical or wedge shaped mating portion that increases the contact pressure from the attachment mechanism. This significantly improves performance.
コネクタが当初弱い熱的結合をもたらす上述の場合において、これは、予備冷却のためにねじを部分的に接触させ、次にいったん予備冷却されるとこれらを完全に接触させることによって(ねじが設けられている場合)又は変形例として当初ねじを押してこれをばね接触させ、次にいったん予備冷却されるとクランプねじを締め付けることによって行われても良い。 In the case described above, where the connector initially provides a weak thermal bond, this is achieved by contacting the screws partially for pre-cooling and then bringing them into full contact once pre-cooled (the screws are provided). Or as an alternative, it may be done by initially pushing the screw into spring contact and then tightening the clamp screw once precooled.
特に好ましい実施形態では、プローブは、サンプル保持器具に解除可能に結合され、プローブの第1の操作により、サンプル保持器具は、作業領域のところに設けられた支持体に連結され、次の第2の操作により、プローブをサンプル保持器具から解除して引っ込めることができる。これにより、プローブをクライオスタットの真空チャンバから取り外してクライオスタット中への熱流を減少させることができる。プローブ又は低温本体にはこれを可能にするアクチュエータを設けるのが良い。 In a particularly preferred embodiment, the probe is releasably coupled to the sample holder, and the first operation of the probe couples the sample holder to a support provided at the work area, and By this operation, the probe can be released from the sample holder and retracted. This allows the probe to be removed from the cryostat vacuum chamber to reduce heat flow into the cryostat. The probe or the cold body may be provided with an actuator that enables this.
クライオジェンフリー型冷却装置は、種々の目的、例えば科学的極低温研究、量子コンピュータ計算、実験分析、材料特性決定、デバイス特性決定、検出器冷却、装置冷却、DNP、NMR又は極低温温度への物質の冷却が必要な任意他の用途に利用でき、多くの場合、クライオスタット内に作業領域を包囲した状態で配置されるのが良い。 Cryogen-free cooling devices can be used for various purposes such as scientific cryogenic research, quantum computer calculations, experimental analysis, material characterization, device characterization, detector cooling, device cooling, DNP, NMR or cryogenic temperatures. It can be used for any other application that requires cooling of the material, and in many cases, it may be placed in a cryostat surrounding the work area.
理解されるべきこととして、ちょうど説明したばかりのサンプル装填装置、特にサンプル保持器具の解除可能な性質は、それ自体発明性があると考えられ、しかも本発明の第1及び第2の観点において規定されているサンプル予備冷却概念とは別のことであると考えられる。 It should be understood that the releasable nature of the sample loading device, particularly the sample holder, just described is considered inventive in its own right and is defined in the first and second aspects of the invention. This is considered to be different from the sample precooling concept.
いま、本発明の装置及び方法の幾つかの具体例について添付の図面を参照して説明する。 Several specific examples of the apparatus and method of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.
本発明の第1の実施形態が図1〜図5に詳細に示されている。図1では、サンプル1は、2つのロッド又はプローブ組立体3の熱伝導性ロッド上に支持されたサンプルキャリヤ又はサンプル保持器具2に取り付けられている。サンプルキャリヤ2は、クライオスタット内の主要低温物体に取り付けられたコネクタへの結合を可能にする多数の電気的及び/又は光学的コネクタ(図示せず)のための空間を有している。これにより、高い融通性をもたらすと共にオプションとして配線がプローブ管に沿って下方に進むのではなくクライオスタット中を進むようにするための多数個の押し込み嵌めコネクタを用いることができ、それにより、顕著な熱的利益が得られる。2つのロッド組立体3の端部は、キャリヤ内で自由に回転することができる。管・フランジ組立体は、ロッド組立体3を包囲した真空容器6を形成し、この真空容器は、一端が開いており、この端部は、クライオスタット50に組み付けられるとゲート弁の底部に密着する。真空容器6の反対側の端部のところにおいて、ロッド組立体は、1対のOリングシール7を貫通して延びる。これらシール相互間には別個の真空空間9及びポート8Aが設けられ、それにより、ロッド組立体が動かされたときに第1のシールを通って漏れる空気を弁8を通って排出することができる。
A first embodiment of the invention is shown in detail in FIGS. In FIG. 1, a
クライオスタット50は、大径ゲート弁5によって覆われたポート52を除き閉鎖された外側真空容器4を有している。真空容器4内には、真空チャンバの孔52と整列した孔56を有する第1の放射線遮蔽体54が配置され、第1の放射線遮蔽体54内には、孔52,56と整列した孔58を有する第2の放射線遮蔽体10が配置されている。放射線遮蔽体10,54は、低温取り付け物体15が設けられている作業領域20を包囲している。
The cryostat 50 has the outer vacuum vessel 4 closed except for the port 52 covered by the large-diameter gate valve 5. A
遮蔽体10,54は、従来型機械式冷却器、例えばGM冷却器、スターリング冷却器又はパルスチューブ装置によって冷却される。これは、分かりやすくするために図面には示されていない。機械式冷却器の第1段は、遮蔽体54に熱的に結合され、これよりも低温の第2段は、遮蔽体10に熱的に結合されている。代表的には、第1の遮蔽体54は、約77Kの温度に冷却され、第2の遮蔽体10は、6K以下、例えば約4.2Kの温度に冷却される。場合によっては、第2の遮蔽体は、6Kよりも高い温度に保持される。かくして、最も低い温度に保持される遮蔽体の各々並びに低温取り付け物体15を「低温物体」と見なすことができる。
The
図2で理解できるように、遮蔽体54の孔56は、切欠き17を備えたプレート12によって画定されている。動揺に、遮蔽体10の孔58は、別のプレート12及び切欠き17によって画定されている。
As can be seen in FIG. 2, the
オプションとして、孔56,58を適当なクロージャ機構体によって閉鎖するのが良い。図5は、かかる機構体の考えられる一実施形態の拡大断面図である。1つ又は複数個のフラップ25がばねヒンジ式構造体26により放射線遮蔽体10に連結されている。ロッド組立体3がフラップ組立体を貫通すると、1つ又は複数個のフラップ25が開く。1つ又は複数個のフラップ25は、オプションとして、サンプルキャリヤ、バッフル又はロッド組立体がロッド組立体及び/又はキャリヤを引っ込めたときにフラップに引っ掛かるのを阻止するよう形作られるのが良く又はそのような阻止を行なう案内機構体を備えるのが良い。
Optionally, the
作用を説明すると、サンプル1をサンプルキャリヤ2上に装填し、電気的又は光学的結合を行なう。次に、サンプルキャリヤ2をロッド組立体3の端部に取り付ける。次に、ロッド組立体3を摺動Oリングシール7を通って引っ込め、ついには、サンプルキャリヤが真空容器6内に完全に位置するようにする。次に、真空容器6をゲート弁5に取り付け、ポート8A,8B及び弁8を通って空気を真空容器6から排出する。真空がゲート弁5の両側に生じると、ゲート弁を開く。次に、ロッド組立体3を押してサンプルキャリヤをゲート弁中に動かし、そして第1の予備冷却位置に至らせる。
To explain the operation, the
図2は、サンプルキャリヤ2が遮蔽体54のプレート12に近づいてサンプルキャリヤを放射線遮蔽予備冷却位置に熱的に結合し、第1の低温物体を構成する状態を示している。ロッド組立体3は、端部に設けられたキー22(図4)を有し、このキーは、係合時に、ねじ山18を回す。ねじ山18をプレート12に設けられている相手方のねじ山19に整列させ、それにより、サンプルキャリヤ2を放射線遮蔽体54のプレート12にねじ止めすることができ、それにより熱的接触状態が得られる。オプションとしての温度計(図示せず)がサンプルキャリヤ又はロッド組立体に設けられており、サンプルキャリヤの温度を冷却中、モニタすることができるようになっている。サンプルキャリヤ2が十分に低温状態になると、ロッド組立体3を再び回して2つのねじ山を互いに分離する。次に、ロッド・キャリヤ組立体全体を真空容器6又はゲート弁5に設けられた回転シールによって回転させてキャリヤ2が切欠き17を通過することができるようにする。次に、キャリヤをオプションとして同様な仕方で1つ又は複数のオプションとしての追加の放射線遮蔽体、例えば遮蔽体10(追加の低温物体を形成している)に連結する。
FIG. 2 shows the condition where the
サンプルキャリヤが適度にいったん予備冷却されると、ロッド組立体3をこれらの最終位置に押して低温物体15へのサンプルキャリヤ2の連結を可能にし、低温物体は、一例を挙げると希釈冷凍機の混合チャンバ又はクライオスタットのサンプルプレートに連結されるのが良い。図3は、サンプルキャリヤ2が低温プレート15に接触している状態を示している。ねじ山18を低温プレート15に設けられている相手方のねじ山(図示せず)に螺合させる。サンプルキャリヤ2と低温物体5との熱的結合中、多数個のオプションとしての押し込み嵌め電気的及びオプションとしての光学的結合をサンプルキャリヤ2と低温物体15との間で行なうのが良い。これらコネクタは、この図には示されていない。この図では、2つのバッフル組立体14も又見える。これらバッフル組立体は、ロッド組立体3上でこれに沿って自由に摺動することができ、これらバッフル組立体をばね組立体21によってサンプルキャリヤに向かって押し又は引く。分かりやすくするために、バッフル組立体14は、ここでは引っ込み位置で示されており、実際には、これらバッフル組立体は、ばね組立体によって放射線遮蔽体のプレートに接触するようにされ、それにより、切欠き17を閉じると共に熱的接触を行なっている。バッフル組立体は又、オプションとして、摺動熱的連結手段、例えば熱伝導性ばね組立体を用いてロッド組立体に連結され、かくして、室温からロッドに沿ってこれを下っている熱を遮ることができる。
Once the sample carrier has been reasonably pre-cooled, the rod assembly 3 is pushed to their final position to allow connection of the
図4は、サンプルキャリヤ及びロッド組立体の拡大断面図である。各ロッド組立体3の端部には、キー22が設けられ、このキーは、ねじ山18に設けられた嵌合連結部内に嵌まり込む。キー及びロッド組立体にはねじ山23が設けられ、サンプルキャリヤにはこれと螺合するねじ山24が設けられている。この構成は、ロッド組立体を引っ込めた場合、ねじ山23,24が互いに衝突し、したがって、サンプルキャリヤも又引っ込められることを意味している。サンプルキャリヤをねじ山18によって低温物体15にいったん連結すると、次に、ロッド組立体を部分的に引っ込めてキーをねじ山18の後ろから取り外してサンプルの熱流を減少させるのが良い。しかしながら、これは、必要不可欠ではなく、サンプルは、プローブに連結されたままであっても良い。ねじ山23,24が互いに衝突すると、ロッド組立体を回転させてねじ山が互いに通過することができるようにし、次に、ロッド組立体のいずれか一方をクライオスタットから部分的に引っ込め、後には、バッフルが放射線遮蔽体と接触状態のままであり、或いは、ロッド組立体のいずれか一方をクライオスタットから完全に引っ込めて熱負荷を一段と減少させることができる。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the sample carrier and rod assembly. A key 22 is provided at the end of each rod assembly 3, and this key fits into a fitting connection provided in the
ロッド組立体をクライオスタットから完全に引っ込めた場合、放射線遮蔽体の切欠きを閉鎖するようオプションとしての機構体11を取り付けるのが良い。
When the rod assembly is fully retracted from the cryostat, an
本発明の第2の実施形態が図6に示されている。この実施形態では、単一のロッド組立体3が単一の大径ねじ山18と共に用いられている。ロッド組立体3の端部には、ロッド組立体をサンプルキャリヤ組立体2に連結するアダプタ27が設けられている。アダプタには、1つ又は複数の突起28が設けられ、かかる突起は、キャリヤを放射線遮蔽体に熱的に結合できる手段12に形成されているスロット又は凹部29に嵌まり込む。第1の実施形態の場合と動揺、サンプルをキャリヤ中に装填し、ゲート弁5中に挿入する。ロッド組立体を回転させて突起28をスロット又は凹部29内に嵌め込み、次に、ロッド組立体をクライオスタットに向かって押し、ついには、突起28が障害物30に当たるようになる。その際、オプションとして、突起を介して又はオプションとしてのばね接触部31を介して熱的結合が行なわれている。スロットと障害物は、オプションであり、これらは、サンプルキャリヤが予備冷却に先立って放射線遮蔽体を越えて偶発的に押されるのを阻止するのに役立つ。
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, a single rod assembly 3 is used with a single
サンプルを適度に冷却すると、サンプルロッドをオプションとして僅かに引っ込め、次にこれを回転させて突起28が障害物30を越えて動くことができるようにする。次に、ロッド組立体を更に挿入してこれが必要ならば次の放射線遮蔽体に熱的に結合することができるようにする。サンプルロッドを遮蔽体中に挿入すると、オプションとしてのばね熱的接触部14を備えたオプションとしてのバッフル13が組立体12に嵌まり込んで放射線遮蔽体のポートを閉鎖すると共にオプションとして放射線遮蔽体とロッド組立体とを熱的に接触させ、それにより熱を遮る。次に、その次の放射線遮蔽体上で予備冷却を行なう同様なオプションとしての方法を実施するのが良く、その後サンプルを低温物体まで動かす。
With moderate cooling of the sample, the sample rod is optionally retracted slightly and then rotated so that the
図7は、低温物体に係合している第2の実施形態としてのサンプルキャリヤ組立体の断面図である。サンプルキャリヤ2は、一端部にねじ山18を備えた管32内に納められている。管の反対側の端部には、管をロッド組立体の端部のアダプタに連結する手段33が設けられている。これにより、管を挿入したり引っ込めたりすることができ、そしてこれをロッド組立体によって回転させることができる。サンプルキャリヤは、管内で自由に回転することができ、このサンプルキャリヤは、ばね熱的接触部34を用いてロッド組立体の端部のところのアダプタに熱的に結合されている。管及びキャリヤ組立体を押して、低温物体に取り付けられている嵌合部品に嵌めると、キー溝は、サンプルキャリヤを嵌合部品に回転的に整列させ、オプションとしてのコネクタ35が互いに整列するようにする。次に、ロッド組立体を回転させてサンプルキャリヤを引いてこれを嵌合部品に嵌め、それにより熱的に接触させると共にオプションとして電気的及び光学的結合を行なう。次に、ロッド組立体をクライオスタットから引っ込めるのが良く、それにより管をロッド組立体の端部のアダプタに連結する手段のところで連結解除を行なう。ロッド組立体が完全に取り外されるべき場合、放射線遮蔽体のポートを閉鎖するようオプションとしてのバッフルを取り付けるのが良い。サンプルの取り出しは、本質的に、挿入プロセスの逆であり、異なる点は、サンプルを引っ込める際にウォームアップするよう放射線遮蔽体のところにサンプルキャリヤを残すことが通常は必要ではないということにある。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a second embodiment sample carrier assembly engaged with a cold object. The
変形実施形態 Modified embodiment
第1の変形実施形態では、放射線遮蔽体への連結のための機構体をねじ連結方式から放射線遮蔽体の切欠きの内面に係合する1つ又は複数個の熱伝導性ばねを備えたばね連結方式に変更することが可能である。この内面の延長部として、例えば追加的に、係合を可能にする管組立体又は厚手のプレート組立体を設けるのが良い。変形例として、熱的結合は、高温遮蔽体のところでばねにより且つ低温遮蔽体のところでねじ接触により、或いはこれらの任意の組み合わせで行なわれても良い。別の実施形態では、コネクタは、取り付け機構体からの接触圧力を増大させるために解除可能な結合部の各側に円錐形又はウェッジ形嵌合部分を使用しても良い。空気圧若しくは圧電又は他形式の解除可能な接触方式も又使用できる。 In a first variant embodiment, a spring connection comprising one or more thermally conductive springs for engaging a mechanism for connection to the radiation shield from the screw connection system to the inner surface of the notch of the radiation shield. It is possible to change to a method. As an extension of this inner surface, for example, a tube assembly or a thick plate assembly that allows for engagement may be additionally provided. Alternatively, the thermal coupling may be performed by a spring at the high temperature shield and by screw contact at the low temperature shield, or any combination thereof. In another embodiment, the connector may use a conical or wedge shaped mating portion on each side of the releasable coupling to increase contact pressure from the attachment mechanism. Pneumatic or piezoelectric or other types of releasable contact methods can also be used.
全ての実施形態において、低温物体への連結は、オプションとして、ねじ連結方式ではなく熱伝導性ばね接触部を介して行なわれるのが良い。
全ての実施形態において、放射線遮蔽体への連結は、オプションとして、熱伝導性ばね接触部又はねじ接触部を介して行なわれるのが良い。
In all embodiments, the connection to the cold object may optionally be made via a thermally conductive spring contact rather than a screw connection.
In all embodiments, the connection to the radiation shield may optionally be made via a thermally conductive spring contact or a screw contact.
全ての実施形態において、1つ又は複数個の放射線遮蔽体への熱的結合を行なうのが良いことが指定された場合、この熱的結合は、変形例として、任意他の適当な低温表面に対して行なわれても良い。 In all embodiments, if it is specified that thermal coupling to one or more radiation shields may be performed, this thermal coupling may, as a variant, be applied to any other suitable cold surface. It may be performed against.
全ての実施形態において、放射線遮蔽体のところでの次第に低くなる温度での予備冷却の代替手段として、サンプル及びキャリヤは、オプションとして、低温物体、例えば最も低温の物体への弱い熱的接触を行なうことにより予備冷却されても良い。クライオスタットを比較的温かくすること及びサンプル及びキャリヤを比較的冷たくすることは、熱的接触の接近によって制御できる。 In all embodiments, as an alternative to precooling at progressively lower temperatures at the radiation shield, the sample and carrier can optionally make a weak thermal contact to a cold object, e.g., the coldest object. May be pre-cooled. Making the cryostat relatively warm and making the sample and carrier relatively cool can be controlled by close thermal contact.
熱伝導性ばね接触部を用いる場合にはどの場合であっても、これらは、単一の物質、例えば、ベリリウム銅合金で作られるのが良く、或いは、良好なばね力と高い熱伝導率の両方を提供する互いに異なる物質のラミネート又は複合材で作られても良い。これは、例えば、ばね力をもたらすベリリウム銅合金又は鋼や熱伝導率を高める銅、銀及び/又は金が挙げられる。磁石に用いられた場合に渦電流及びクエンチ力を減少させるよう異種材料の使用が好ましい。異種材料の例は、高い熱伝導率を得るための銅や高い強度及び誘起渦電流を減少させることを目的として低い熱伝導率を得るためのステンレス鋼であるのが良い。他の考えられる例としては、チタン及び銅又は真鍮及び銅又はアルミニウム合金及び銅が挙げられる。一般に、これは、高い熱伝導率の一材料であると共に高い強度及び高い抵抗の一材料である。第2の材料は又、プラスチック又は複合材であっても良い。 In any case where thermally conductive spring contacts are used, these may be made of a single material, for example beryllium copper alloy, or with good spring force and high thermal conductivity. It may be made of a laminate or composite of different materials that provide both. This includes, for example, beryllium copper alloys or steels that provide spring force, and copper, silver and / or gold that increase thermal conductivity. The use of dissimilar materials is preferred to reduce eddy currents and quenching forces when used in magnets. Examples of dissimilar materials may be copper for high thermal conductivity and stainless steel for low thermal conductivity for the purpose of reducing high strength and induced eddy currents. Other possible examples include titanium and copper or brass and copper or aluminum alloys and copper. In general, this is one material with high thermal conductivity and one material with high strength and high resistance. The second material may also be a plastic or a composite.
全ての実施形態において、追加の1つのポート又は複数個の追加のポートを第2の真空容器に設けて主真空容器から第2の真空容器を取り外すことなく、サンプル及びオプションとしてサンプルキャリヤを取り出すことができるようにしても良い。 In all embodiments, an additional port or multiple additional ports are provided in the second vacuum vessel to remove the sample and optionally the sample carrier without removing the second vacuum vessel from the main vacuum vessel. You may be able to.
第2の実施形態では、放射線遮蔽体への連結を回転式管組立体の外部に設けられたねじ山に変更することが可能である。また、低温物体へのねじ山による連結を雄ねじに変更することが可能であり、このことは、同じねじ山を用いて予備冷却のために放射線遮蔽体への連結を行ない、次に低温物体への連結を行なうことができるということを意味している。ねじ山を備えた管組立体には、オプションとして、直径が熱膨張及び熱収縮を補償するよう変わることができるようにする裂け目が設けられるのが良い。 In the second embodiment, the connection to the radiation shield can be changed to a screw thread provided outside the rotary tube assembly. It is also possible to change the threaded connection to the cold object to a male thread, which uses the same thread to connect to the radiation shield for pre-cooling and then to the cold object. It means that the connection of can be performed. The threaded tube assembly may optionally be provided with a tear that allows the diameter to change to compensate for thermal expansion and contraction.
図示していないが、従来動的核偏極及び核磁気共鳴並びに極低温磁場用途向きに知られているように超伝導磁石をクライオスタット50内に配置しても良い。 Although not shown, a superconducting magnet may be disposed in the cryostat 50 as known for conventional dynamic nuclear polarization and nuclear magnetic resonance and cryogenic magnetic field applications.
上述の例では、ロッドは、低温物体への着脱のためのアクチュエータを形成し、クライオスタットから取り外し可能である。変形例では、ロッド(又は他のアクチュエータ)は、クライオスタットの一部をなしても良く、サンプルキャリヤは、ロッド(又は他のアクチュエータ)とは独立したプローブ上に支持されても良く、ロッド(又は他のアクチュエータ)は、従前通りねじ山(又は他の連結機構体)に係合するよう操作される。 In the above example, the rod forms an actuator for attachment to and detachment from a cold object and is removable from the cryostat. In a variant, the rod (or other actuator) may form part of a cryostat, the sample carrier may be supported on a probe independent of the rod (or other actuator), and the rod (or The other actuator) is operated to engage the thread (or other coupling mechanism) as before.
Claims (24)
サンプルを前記サンプル保持器具内又は前記サンプル保持器具上に配置するステップと、
前記サンプル装填装置の真空容器を前記真空チャンバに固定すると共に前記真空チャンバの孔と整列させるステップと、
前記真空容器を排気するステップと、
前記真空チャンバの前記孔を開き、細長いプローブを操作して前記サンプル保持器具を前記開かれた孔中に挿入して前記サンプル保持器具が低温物体に熱的に結合されるようにするステップと、前記サンプル保持器具内又は前記サンプル保持器具上の前記サンプルを前記低温物体への熱伝導の結果として冷却することができるようにし、
a)前記サンプル保持器具を前記低温物体から結合解除し、前記細長いプローブを操作して前記サンプル保持器具を前記作業領域中に挿入するか、或いは、
b)前記低温物体への前記熱的結合を強化して前記サンプルから奪われる熱流を増大させると共に前記サンプルを一層冷却するかのいずれかを行なうステップとを有する、方法。 A method of loading a sample into a work area of at least a cryogen-free cooling device according to claim 18, comprising:
Placing a sample in or on the sample holder;
Securing a vacuum vessel of the sample loading device to the vacuum chamber and aligning with a hole in the vacuum chamber;
Evacuating the vacuum vessel;
Opening the hole in the vacuum chamber and manipulating an elongate probe to insert the sample holder into the opened hole so that the sample holder is thermally coupled to a cold object; Allowing the sample in or on the sample holder to be cooled as a result of heat conduction to the cold object;
a) decoupling the sample holder from the cold object and manipulating the elongated probe to insert the sample holder into the working area; or
b) enhancing the thermal coupling to the cold body to increase the heat flow taken away from the sample and further cooling the sample.
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