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JP6975415B2 - Sample cooling device - Google Patents
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JP6975415B2 - Sample cooling device - Google Patents

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JP6975415B2 JP2017110353A JP2017110353A JP6975415B2 JP 6975415 B2 JP6975415 B2 JP 6975415B2 JP 2017110353 A JP2017110353 A JP 2017110353A JP 2017110353 A JP2017110353 A JP 2017110353A JP 6975415 B2 JP6975415 B2 JP 6975415B2
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本発明は、試料冷却装置に関し、超高真空下で極低温に冷却可能な冷却装置に関するものである。 The present invention relates to a sample cooling device, and relates to a cooling device capable of cooling to an extremely low temperature under an ultra-high vacuum.

固体表面に関する低温実験は様々な目的で行われ、その目的に応じて寒剤が適宜選ばれる。そして、寒剤の種類と試料を保持する構造・機構(以下、「試料保持機構」と呼ぶ。)に応じて、試料表面の最低到達温度が決まる。低温実験の目的の一つは、常温では気体の分子を凍結凝縮して、固化することである。このように気体分子を固化することで、様々な基礎物性に関する実験が可能となる。ほとんどの気体分子は20Kの極低温で凍結凝縮することから、低温発生技術では、20Kを最低到達温度の目安の一つと見なすことが出来る。 Low temperature experiments on solid surfaces are carried out for various purposes, and cryogens are appropriately selected according to the purposes. Then, the minimum temperature reached on the sample surface is determined according to the type of the cryogen and the structure / mechanism for holding the sample (hereinafter referred to as "sample holding mechanism"). One of the purposes of low temperature experiments is to freeze-condensate gaseous molecules at room temperature and solidify them. By solidifying gas molecules in this way, experiments on various basic physical properties become possible. Since most gas molecules freeze and condense at an extremely low temperature of 20K, 20K can be regarded as one of the indicators of the minimum temperature reached in the low temperature generation technology.

20K以下の最低到達温度を得るには、寒剤としては液体ヘリウムが用いられる。ヘリウム4の沸点は常圧で4.2Kであり、試料近傍にヘリウムの流路を設ければ4Kに近い低温が得られることになる。非特許文献1には、液体ヘリウムを利用し、12.5Kまで冷却可能な超高真空試料冷却移動機構が記載されている。非特許文献2には、He冷凍機システムによる1K以下の低温冷却技術が記載されている。特許文献3には、150Kに冷却可能な液体ヘリウムを利用する超高真空試料冷却移動機構が記載されている。非特許文献6には、液体ヘリウムを用いたジュール・トムソン膨張による1mK以下に冷却可能な超高真空試料冷却機構が記載されている。特許文献1には、液体ヘリウムを利用し、25Kまで冷却可能な2軸移動機構が記載されている。特許文献2には、液体ヘリウムを利用し、20Kまで冷却可能な移動機構、及び放射シールドが記載されている。また、液体ヘリウムを寒剤として用いる超高真空(UHV)冷却試料マニピュレータ装置は既に幾つか市販されている。ただし、液体ヘリウムは高価なため、その結果、実験のランニングコストが高額となる。 Liquid helium is used as the cryogen to obtain the minimum temperature reached below 20 K. The boiling point of helium-4 is 4.2K at normal pressure, and if a helium flow path is provided near the sample, a low temperature close to 4K can be obtained. Non-Patent Document 1 describes an ultra-high vacuum sample cooling transfer mechanism capable of cooling up to 12.5 K using liquid helium. Non-Patent Document 2 describes a low temperature cooling technique of 1 K or less by a 3 He refrigerator system. Patent Document 3 describes an ultra-high vacuum sample cooling transfer mechanism using liquid helium that can be cooled to 150 K. Non-Patent Document 6 describes an ultra-high vacuum sample cooling mechanism capable of cooling to 1 mK or less by Joule-Thomson expansion using liquid helium. Patent Document 1 describes a biaxial moving mechanism capable of cooling up to 25 K using liquid helium. Patent Document 2 describes a moving mechanism capable of cooling up to 20 K using liquid helium, and a radiation shield. In addition, some ultra-high vacuum (UHV) cooling sample manipulators using liquid helium as a cryogen are already on the market. However, liquid helium is expensive, and as a result, the running cost of the experiment is high.

また極低温を得る別の方法として、閉サイクルヘリウム冷凍機がある。液体ヘリウムフリーの冷凍機として、非特許文献3には、50K程度に冷却可能な液体ヘリウムフリー超高真空試料冷却移動機構が記載されている。非特許文献4には、パルスチューブ冷凍機を利用した、寒剤フリーの超高真空試料冷却機構が記載されているが、ビームの入射・出射は実質的にできない機構となっている。非特許文献5には、Gifford−McMahon(以下、GMという。)冷凍機を用いた40Kまで冷却可能な超高真空試料冷却移動機構が記載されている。GM冷凍機は、比較的安価な液体ヘリウムフリーの代表的な冷凍機であって、ヘリウムガスを作業流体とし、気体の断熱膨張(サイモン膨張)を利用する冷凍サイクルにより、低温にする装置である。GM冷凍機では、簡単に4K程度の低温が得られる。このように、閉サイクルヘリウム冷凍機による最低到達温度は4K以下であるので、最低温度部(コールドエンド)と試料とを熱接触させることで、試料を冷却することが出来る。この方法を用いれば、冷媒として液体ヘリウムを用いる必要が無いので、前述のコストの問題は大きく改善される。しかしこの方法では、試料保持機構の動作に制限がある。すなわち、閉サイクルヘリウム冷凍機を利用するこれまでの試料保持機構では、試料を極低温に冷却するためには、コールドエンドと試料との熱接触を良好にする必要があり、このために試料を面内方向に回転することが実質的にできない。そのため、例えば、極低温において凍結凝縮されたもの(例えば、気体分子等)に種々の作用を角度を変えて及ぼすことが難しく、例えば、試料表面の構造解析等に利用し易いとは言えない。 Another method of obtaining cryogenic temperatures is a closed-cycle helium refrigerator. As a liquid helium-free refrigerator, Non-Patent Document 3 describes a liquid helium-free ultra-high vacuum sample cooling transfer mechanism capable of cooling to about 50 K. Non-Patent Document 4 describes a cryogen-free ultra-high vacuum sample cooling mechanism using a pulse tube refrigerator, but the mechanism is such that the beam cannot enter or exit. Non-Patent Document 5 describes an ultra-high vacuum sample cooling transfer mechanism capable of cooling up to 40 K using a Gift-McMahon (hereinafter referred to as GM) refrigerator. The GM refrigerator is a typical liquid helium-free refrigerator that is relatively inexpensive, and is a device that uses helium gas as a working fluid and lowers the temperature by a refrigeration cycle that uses adiabatic expansion (simon expansion) of gas. .. With a GM refrigerator, a low temperature of about 4K can be easily obtained. As described above, since the minimum temperature reached by the closed-cycle helium refrigerator is 4K or less, the sample can be cooled by thermally contacting the minimum temperature portion (cold end) with the sample. By using this method, it is not necessary to use liquid helium as a refrigerant, so that the above-mentioned cost problem is greatly improved. However, in this method, the operation of the sample holding mechanism is limited. That is, in the conventional sample holding mechanism using a closed cycle helium refrigerator, in order to cool the sample to an extremely low temperature, it is necessary to improve the thermal contact between the cold end and the sample, and for this reason, the sample is used. It is virtually impossible to rotate in the in-plane direction. Therefore, for example, it is difficult to exert various actions on freeze-condensed substances (for example, gas molecules) at extremely low temperatures at different angles, and it cannot be said that they are easy to use for structural analysis of the sample surface, for example.

非特許文献7では、畜冷器の脱着が容易に可能な冷凍機、低温での熱伝導に優れた試料絶縁機構、電子衝撃加熱用のフィラメント、ビームの入射・出射用のスリットを有する開閉式の熱シールド、UHV中で出し入れ可能な試料ホルダー、Siダイオード温度センサ等から構築されたマニピュレータによる実験結果が述べられている。また、特許文献4では、超高真空中、7.2K未満に冷却可能で、装置外から様々なビームを試料の表面に照射し、前記表面からの反射ビームや放出ビームを装置外で測定可能であり、かつ、真空を破らず、試料の交換が可能である表面観測用試料冷却装置及び表面観測装置を提供すべく、表面観測用試料冷却装置が開示されている。特許文献5では、ねじれ及び撓みが可能な内部熱伝導ワイヤケーブル、その外表面に熱制御薄膜を被覆し、該熱制御膜の外側に断熱要素を介してねじれ及び撓みが可能な外部熱伝導ワイヤケーブルを積層し、その外表面に熱制御薄膜を被覆してなる輻射の影響を軽減させた熱伝導部材が開示されている。 In Non-Patent Document 7, a refrigerator with a refrigerator that can be easily attached and detached, a sample insulation mechanism with excellent heat conduction at low temperatures, a filament for electronic shock heating, and an open / close type having a slit for injecting and emitting a beam. The results of experiments using a manipulator constructed from a heat shield, a sample holder that can be taken in and out of a UHV, a Si diode temperature sensor, and the like are described. Further, in Patent Document 4, it is possible to cool the sample to less than 7.2K in an ultra-high vacuum, irradiate the surface of the sample with various beams from outside the device, and measure the reflected beam and the emitted beam from the surface outside the device. The surface observation sample cooling device is disclosed in order to provide a surface observation sample cooling device and a surface observation device capable of exchanging samples without breaking the vacuum. In Patent Document 5, an internal heat conductive wire cable that can be twisted and bent, and an external heat conductive wire that can be twisted and bent via a heat insulating element on the outside of the heat control film with a heat control thin film coated on the outer surface thereof. Disclosed is a heat conductive member in which cables are laminated and the outer surface thereof is coated with a heat control thin film to reduce the influence of radiation.

ここで、試料表面の構造解析には、しばしば、イオンビーム等の荷電粒子が用いられる。具体的には、例えばイオンビームを試料に入射し、散乱イオン強度を試料面内方向の回転角度の関数として測定することで、表面の原子位置が決定される。このように、表面の構造解析では、試料を面内方向に回転することが重要である。 Here, charged particles such as an ion beam are often used for structural analysis of the sample surface. Specifically, for example, an ion beam is incident on the sample and the scattered ion intensity is measured as a function of the rotation angle in the in-plane direction of the sample to determine the atomic position on the surface. As described above, in the structural analysis of the surface, it is important to rotate the sample in the in-plane direction.

試料を面内方向に回転する機構を、試料保持機構に加えることは、試料への熱流入の増大につながる。これは面内方向の回転に必要な動きを大気から導入するために、大気側から試料への熱流入が不可避なためである。実際、閉サイクルヘリウム冷凍機を利用した試料保持機構において、最低到達温度が20K以下で、なおかつ試料を面内方向に回転可能なものはこれまでに実現されていない。そのため、閉サイクルヘリウム冷凍機を用いた試料冷却装置を構造解析に応用することが困難である。 Adding a mechanism for rotating the sample in the in-plane direction to the sample holding mechanism leads to an increase in heat inflow to the sample. This is because heat inflow from the atmosphere side to the sample is unavoidable in order to introduce the movement required for in-plane rotation from the atmosphere. In fact, no sample holding mechanism using a closed-cycle helium refrigerator has been realized so far, in which the minimum temperature reached is 20 K or less and the sample can be rotated in the in-plane direction. Therefore, it is difficult to apply a sample cooling device using a closed-cycle helium refrigerator to structural analysis.

特開2004−100989号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-10989 特開2004−103274号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-103274 米国特許第4516435号明細書U.S. Pat. No. 4,516,435 特開2015−025592号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-05592 特開2004−245790号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-245790

Aiura et al.、Rev.Sci.Instrum.74(2003)3177Aiura et al. , Rev. Sci. Instrument. 74 (2003) 3177 小池良浩、大陽日酸技報、24(2005)60Yoshihiro Koike, Taiyo Nippon Sanso Technical Report, 24 (2005) 60 Franzen,Kollias,El−Batanouny、Rev.Sci.Instrum.63(1992)4227Franzen, Kollias, El-Batanony, Rev. Sci. Instrument. 63 (1992) 4227 Pelliccione et al.、Rev.Sci.Instrum.84(2013)033703Pellicione et al. , Rev. Sci. Instrument. 84 (2013) 033703 J.Phys.E:Sci.Instrum.17(1984)22J. Phys. E: Sci. Instrument. 17 (1984) 22 Zhang et al.、Rev.Sci.Instrum. 82(2011)103702Zhang et al. , Rev. Sci. Instrument. 82 (2011) 103702 鈴木拓、菱田俊一、日本物理学会概要集2013 秋季大会26pPSA−28Taku Suzuki, Shunichi Hishida, Physical Society of Japan Summary 2013 Autumn Meeting 26p PSA-28

本発明では、比較的安価な液体ヘリウムフリーの冷凍機を用いて、最低到達温度が十分に低く、なおかつ試料の面内方向の回転を可能にする試料冷却装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a sample cooling device using a relatively inexpensive liquid helium-free refrigerator, in which the minimum temperature reached is sufficiently low and the sample can be rotated in the in-plane direction.

液体ヘリウムフリーの閉サイクルヘリウム冷凍機を利用した本発明の実施例である試料冷却装置において、外部から試料への熱流入を最小にするように、閉サイクルヘリウム冷凍機のコールドエンドに取り付けられた試料保持機構を設ける。これにより、液体ヘリウムを用いることなく最低到達温度が十分に低く、なおかつ試料を面内方向に高精度で回転することが可能になった。前記試料保持機構は、熱遮蔽壁からなる熱遮蔽体と、該熱遮蔽体に囲われた伝熱部材と、該伝熱部材に着脱できる試料保持部と、該試料保持部に回転可能に取付られたサンプルステージと、を含むことができる。該サンプルステージは、試料を保持したまま、回転することができる。 In the sample cooling device according to the embodiment of the present invention using the liquid helium-free closed cycle helium refrigerator, it was attached to the cold end of the closed cycle helium refrigerator so as to minimize the heat inflow from the outside to the sample. Provide a sample holding mechanism. This makes it possible to rotate the sample in the in-plane direction with high accuracy while the minimum temperature reached is sufficiently low without using liquid helium. The sample holding mechanism is rotatably attached to a heat shielding body made of a heat shielding wall, a heat transfer member surrounded by the heat shielding body, a sample holding portion that can be attached to and detached from the heat transfer member, and a sample holding portion. Can include sample stages, and so on. The sample stage can rotate while holding the sample.

閉サイクルヘリウム冷凍機として、例えば、GM冷凍機と試料移動機構を組み合わせた装置において、試料移動機構の熱遮蔽設計やGM冷凍機の冷却性能等を十分なものにして、試料を面内方向に回転可能とする。 As a closed-cycle helium refrigerator, for example, in a device that combines a GM refrigerator and a sample transfer mechanism, the heat shielding design of the sample transfer mechanism and the cooling performance of the GM refrigerator are sufficiently improved to move the sample in the in-plane direction. Make it rotatable.

例えば、閉サイクルヘリウム冷凍機の冷凍機ヘッドの先端のコールドエンドでは、冷凍機単体で4K程度の最低到達温度が得られるものを使用することができる。この低温は、中間ロッドを介して、サンプルホルダーに伝わる構造とすることができる。また、この中間ロッド及びサンプルホルダーを保持するサンプルステージへの輻射熱の侵入は、ラディエーションチューブ(例えば、金メッキ無酸素銅製)及びラディエーションシールドカバー(例えば、金メッキ無酸素銅製)により最小限に抑えることができる。 For example, as a cold end at the tip of the refrigerator head of a closed-cycle helium refrigerator, a refrigerator alone that can obtain a minimum temperature of about 4K can be used. This low temperature can be transmitted to the sample holder via the intermediate rod. In addition, the intrusion of radiant heat into the sample stage holding the intermediate rod and sample holder should be minimized by the radius tube (for example, made of gold-plated oxygen-free copper) and the radius shield cover (for example, made of gold-plated oxygen-free copper). Can be done.

より具体的には、以下のようなものを提供することができる。
(1)閉サイクル冷凍機と、該閉サイクル冷凍機のコールドエンドに取り付けられる伝熱手段と、該伝熱手段へ外部からのラディエーションを遮断すべきシールド手段と、該伝熱手段に熱的に接触し、試料を特定の面内に回転可能に保持する試料保持手段と、前記伝熱手段、シールド手段、及び試料保持手段を真空中に維持可能な真空槽と、を備える試料冷却装置において、
前記試料保持手段は、前記特定の面内において回転可能な回転部材と、該回転部材を回転可能に受ける受け手段と、該回転部材に保持される前記試料を少なくとも前記真空槽又はシールド手段又は伝熱手段から電気的に絶縁可能である、高熱伝導性電気的絶縁部材と、及び、前記回転部材に電気絶縁的に係合して、前記特定の面内の回転運動を伝えるものであって、当該試料保持手段の外部からの回転駆動力を受けて回転させられる受動回転手段と、を含み、
当該試料冷却装置は、更に、前記伝熱手段に熱的に接続され、前記電気的絶縁部材に密着して、該電気的絶縁部材から前記伝熱手段へと熱の移動を可能にする、フレキシブルな伝熱継手と、及び、前記受動回転手段に係合して駆動させる外部駆動手段と、を含む、試料冷却装置。
(2)前記閉サイクル冷凍機は、GM冷凍機を含むことを特徴とする上記(1)に記載の試料冷却装置。
(3)前記伝熱手段は、伝熱棒を含むことを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の試料冷却装置。
(4)前記シールド手段は、ラディエーションチューブを含むことを特徴とする上記(1)から(3)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(5)前記回転部材は、サンプルステージを含むことを特徴とする上記(1)から(4)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(6)前記受け手段は、ベアリングを含むことを特徴とする上記(1)から(5)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(7)前記高熱伝導性電気的絶縁部材は、サファイアプレートを含むことを特徴とする上記(1)から(6)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(8)前記受動回転手段は、前記回転部材との共通する軸に、電気的絶縁材料を介して結合するものであって、前記外部駆動手段の係合凸部若しくは凹部に係合して、駆動力を伝達できる伝達部材であることを特徴とする上記(1)から(7)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(9)前記フレキシブルな伝熱継手は、銅編み線を含むことを特徴とする上記(1)から(8)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(10)前記外部駆動手段は、駆動シャフトを含むことを特徴とする上記(1)から(9)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(11)前記真空槽には、必要に応じてベーキング用のヒータが備えられることを特徴とする上記(1)から(10)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(12)更に、装置移動機構を備え、前記試料保持手段を前記真空槽内において適切な位置に移動させることができることを特徴とする上記(1)から(11)のいずれかに記載の試料冷却装置
(13)前記試料保持手段は、前記伝熱手段の先端に備えられ、前記シールド手段は、前記伝熱手段を覆うラディエーションチューブ、及び、前記試料保持手段を覆うラディエーションシールドカバー、を含むことを特徴とする上記(1)から(12)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(14)前記ラディエーションシールドカバーは、少なくとも試料の一部を露出させる開口を備えるシャッターを含むことを特徴とする上記(13)に記載の試料冷却装置。
(15)前記シャッターは、ヒンジにより前記ラディエーションシールドカバーに回動可能に取り付けられ、前記真空槽の外側からの駆動力が前記ラディエーションチューブの外側に沿うように延びる開閉用駆動シャフトにより、前記シャッターが開閉すべく、前記ヒンジにおいて回動させられることを特徴とする上記(14)に記載の試料冷却装置。
(16)前記GM冷凍機は、そのヘッド部から延びる円筒形状のファーストステージ、及び、そのファーストステージの端部から延びる円筒形状のセカンドステージを含み、前記ファーストステージは、前記セカンドステージより大きい口径を備え、前記セカンドステージの外側の前記ファーストステージの端部に、前記シールド手段が取り付けられ、前記セカンドステージの先端から延びる前記伝熱手段がロッド形状であり、前記シールド手段は、前記伝熱手段を外部からのラディエーションを遮蔽すべく、前記伝熱手段を覆うことを特徴とする上記(2)に記載の試料冷却装置。
(17)前記外部駆動手段は、駆動シャフトを含み、該駆動シャフトは、前記シールド手段の外側に沿って延び、前記シールド手段の外側に固定される少なくとも1つの軸受を通ることを特徴とする上記(1)から(12)のいずれかに記載の試料冷却装置。
(18)前記駆動シャフトは、少なくとも1つのユニバーサルジョイントにより接続されることを特徴とする上記(17)に記載の試料冷却装置。
(19)前記駆動シャフトは、前記真空槽の外側の駆動装置により駆動されることを特徴とする上記(18)に記載の試料冷却装置。
(20)更に、真空ポンプを備える上記(1)から(19)のいずれかに記載の試料冷却装置。
More specifically, the following can be provided.
(1) The closed cycle refrigerator, the heat transfer means attached to the cold end of the closed cycle refrigerator, the shield means for blocking external radiation to the heat transfer means, and the heat transfer means thermally. In a sample cooling device comprising a sample holding means for contacting and rotatably holding a sample in a specific plane, and a vacuum chamber capable of holding the heat transfer means, shielding means, and sample holding means in a vacuum. ,
The sample holding means includes a rotating member that can rotate in the specific plane, a receiving means that rotatably receives the rotating member, and at least the vacuum chamber, a shielding means, or a transmission means that holds the sample held by the rotating member. It engages with a highly thermally conductive electrically insulating member that can be electrically insulated from the thermal means and electrically insulatingly engages with the rotating member to transmit rotational motion in the specific plane. Includes a passive rotating means that is rotated by receiving a rotational driving force from the outside of the sample holding means.
The sample cooling device is further flexible, thermally connected to the heat transfer means and in close contact with the electrically insulating member, allowing heat transfer from the electrically insulating member to the heat transfer means. A sample cooling device including a heat transfer joint and an external driving means for engaging and driving the passive rotating means.
(2) The sample cooling device according to (1) above, wherein the closed cycle refrigerator includes a GM refrigerator.
(3) The sample cooling device according to (1) or (2) above, wherein the heat transfer means includes a heat transfer rod.
(4) The sample cooling device according to any one of (1) to (3) above, wherein the shielding means includes a radiation tube.
(5) The sample cooling device according to any one of (1) to (4) above, wherein the rotating member includes a sample stage.
(6) The sample cooling device according to any one of (1) to (5) above, wherein the receiving means includes a bearing.
(7) The sample cooling device according to any one of (1) to (6) above, wherein the high thermal conductive electrical insulating member includes a sapphire plate.
(8) The passive rotating means is coupled to a shaft common to the rotating member via an electrically insulating material, and engages with an engaging convex portion or a concave portion of the external driving means. The sample cooling device according to any one of (1) to (7) above, which is a transmission member capable of transmitting a driving force.
(9) The sample cooling device according to any one of (1) to (8) above, wherein the flexible heat transfer joint includes a copper braided wire.
(10) The sample cooling device according to any one of (1) to (9) above, wherein the external drive means includes a drive shaft.
(11) The sample cooling device according to any one of (1) to (10) above, wherein the vacuum chamber is provided with a heater for baking as needed.
(12) The sample cooling according to any one of (1) to (11) above, further comprising an apparatus moving mechanism and capable of moving the sample holding means to an appropriate position in the vacuum chamber. Device (13) The sample holding means is provided at the tip of the heat transfer means, and the shield means includes a radiation tube for covering the heat transfer means and a radiation shield cover for covering the sample holding means. The sample cooling device according to any one of (1) to (12) above.
(14) The sample cooling device according to (13) above, wherein the radiation shield cover includes a shutter having an opening for exposing at least a part of the sample.
(15) The shutter is rotatably attached to the radiation shield cover by a hinge, and the opening / closing drive shaft extends a driving force from the outside of the vacuum chamber along the outside of the radiation tube. The sample cooling device according to (14) above, wherein the shutter is rotated by the hinge so as to open and close.
(16) The GM refrigerator includes a cylindrical first stage extending from the head portion and a cylindrical second stage extending from the end portion of the first stage, and the first stage has a larger diameter than the second stage. The shield means is attached to the end of the first stage outside the second stage, the heat transfer means extending from the tip of the second stage is rod-shaped, and the shield means has the heat transfer means. The sample cooling device according to (2) above, wherein the heat transfer means is covered in order to shield the radiation from the outside.
(17) The external drive means includes a drive shaft, which extends along the outside of the shield means and passes through at least one bearing fixed to the outside of the shield means. The sample cooling device according to any one of (1) to (12).
(18) The sample cooling device according to (17) above, wherein the drive shaft is connected by at least one universal joint.
(19) The sample cooling device according to (18) above, wherein the drive shaft is driven by a drive device outside the vacuum chamber.
(20) The sample cooling device according to any one of (1) to (19) above, further comprising a vacuum pump.

ここで、冷凍機とは、一般に、物体から熱を奪って周囲の温度以下に冷却し(冷凍)、大気に熱を捨てる装置のことをいう。冷却到達温度、冷却方法によって、蒸気圧縮式冷凍機、吸収式冷凍機、空気断熱式冷凍機、ジュール−トムソン効果式冷凍機、スターリングサイクル冷凍機がある。スターリング冷凍機は、スターリングサイクルを利用した冷凍機である。スターリングエンジンと同様の構造を持った機械を、電気モータなどのエンジン本体とは別のエネルギー源によってエンジンを駆動すれば、エンジンは温度差をもつので、低温側を冷却器として使える。これがスターリング冷凍機(Stirling refrigerator、あるいはStirling cooler)である。冷凍機には作動流体が冷凍機内部に必要であるが、極低温を得るための作動流体には、ヘリウムを用いることが多い。また、閉サイクルとは、作動流体がシステムの内部を循環し、熱エネルギー及び仕事の間の変換を行うサイクルを意味してよい。これに対してオープンサイクルがある。そして、閉サイクル冷凍機とは、上述のようなサイクルを利用して低温を発生させる装置を意味してよく、閉サイクルヘリウム冷凍機とは、ヘリウムを作動流体として用い、作動流体が冷凍機の内部を循環し、熱エネルギー及び仕事の間の変換を行うことにより、冷却(冷凍)する装置を意味することができる。スターリング冷凍機の構造に加えて、さらに、ディスプレーサに連動したロータリーバルブを持ち、このバルブにより管路の切り替えを周回的に行うことで、冷却性能を向上させた冷却器を、ギフォード・マクマホン冷凍機(Gifford−McMahon cooler、略称はGM冷凍機)という。また、上述するコールドエンドは、スターリング冷凍機(例えば、閉サイクルヘリウム冷凍機、GM冷凍機等)の低温側端を意味することができる。 Here, the refrigerator generally refers to a device that takes heat from an object, cools it below the ambient temperature (freezing), and dissipates the heat to the atmosphere. There are steam compression chillers, absorption chillers, air insulation chillers, Joule-Thomson effect chillers, and Sterling cycle chillers depending on the cooling ultimate temperature and cooling method. The Stirling refrigerator is a refrigerator that uses a Stirling cycle. If a machine having the same structure as a Stirling engine is driven by an energy source other than the engine body such as an electric motor, the engine has a temperature difference, so the low temperature side can be used as a cooler. This is a Stirling refrigerator (or Stirling cooler). A working fluid is required inside the refrigerator for the refrigerator, but helium is often used as the working fluid for obtaining extremely low temperature. Also, the closed cycle may mean a cycle in which the working fluid circulates inside the system to perform conversion between thermal energy and work. On the other hand, there is an open cycle. The closed cycle refrigerator may mean a device that generates a low temperature by using the cycle as described above, and the closed cycle helium refrigerator uses helium as a working fluid and the working fluid is a refrigerator. It can mean a device that circulates inside and cools (freezes) by performing heat energy and conversion between work. In addition to the structure of the Stirling refrigerator, the Gifford McMahon refrigerator has a rotary valve linked to the displacer, and by using this valve to switch the pipeline in a circular manner, the cooling performance is improved. (Giford-McMahon cooler, abbreviated as GM refrigerator). Further, the cold end described above can mean a low temperature side end of a Stirling refrigerator (for example, a closed cycle helium refrigerator, a GM refrigerator, etc.).

上述する伝熱手段は、熱を伝える手段を意味することができ、熱を伝える媒体(固体及び/又は液体や気体を含む流体、ヒートパイプのような構造物や複合体を含んでよい)を意味することができる。例えば、伝熱部材を含んでよい。該伝熱部材は伝熱棒を含んでよい。これらには、極低温で伝導性の高い固体を用いることができる。この伝熱手段は、取り付けられるコールドエンドから低温を以遠に伝える(即ち、熱を遠方より吸収する(若しくは奪う))ことができ、その伝達方向を長手方向とすることができる。前記コールドエンドに近い方が、より容易に低温になり易いが、試料に対して種々の作用を及ぼすためには、前記コールドエンドとの干渉を避けることができる分だけ離れていることが好ましい。一方、離れすぎると最低到達温度が高くなり易い。このような伝熱手段は、2以上の並列する通路(又は導体)を備えてもよい。伝熱手段は、長手方向に熱を容易に伝達することができるものが好ましい。例えば、金属製の中間ロッドのようなものは、その一方の端面を閉サイクルヘリウム冷凍機のコールドエンドに取り付け得るので、他端部の熱をコールドエンド側に移動させることができる。ここで、金属製とは、例えば、銅又は銅合金或いは無酸素銅等を材料に用いて中間ロッドを構成する場合を含んでよい。ここで、前記コールドエンドへの伝熱手段の取付は、高い熱伝達性を備える方法で行うことが好ましい。コールドエンドの端面及び伝熱手段の端面を突合せ接合する場合は、両端面の真実接触面積が大きくなると熱伝達性が高くなるので、両端面の平坦度が高く表面粗さが小さいことが好ましい。また、両端面間に塑性変形性が高い無酸素銅等からなる薄板を挟んで押し付けることにより、両端面の間の隙間に塑性変形された銅等が入り込み接触するので、熱伝達率を向上させることもできる。前記コールドエンド側は極低温になるため、周囲の温度(例えば、室温、ファーストステージ等)より高く、前記伝熱手段は周囲環境に面している長手方向の側面を持ち、高い熱伝導率によりその中心部の温度とほぼ等しい側面温度を有する。周囲環境から可視光等で見られる、即ち、光や熱等による放射エネルギーが、環境物から容易に伝熱手段に入射される。そこで、シールド手段により、環境物から見られないようにすることが好ましい。このシールド手段は、周囲環境よりも低温になり得る熱遮蔽壁や熱遮蔽体を含んでよい。また、ラディエーションチューブを含んでよい。熱遮蔽壁及び/又は熱遮蔽体からなる低温のラディエーションチューブを含んでよい。伝熱手段がこのようなシールド手段で覆われると、入射する熱エネルギーが小さくなり、好ましい。このようなラディエーションチューブは、ファーストステージに接触することで十分冷却され、且つ、その低温が長手方向に伝達し易い材料である金属製、特に、銅、アルミ、鉄、ステンレスから構成されることが好ましい。環境から入り込むエネルギーは、主に、紫外線、可視光、及び赤外線や遠赤外線によってもたらされるので、このような材料は不透明性が高く、これらを効率よく遮蔽できる。 The heat transfer means described above can mean a means for transferring heat, and may include a medium for transferring heat (including a solid and / or a fluid containing a liquid or a gas, a structure or a composite such as a heat pipe). Can mean. For example, a heat transfer member may be included. The heat transfer member may include a heat transfer rod. For these, solids having high conductivity at extremely low temperatures can be used. This heat transfer means can transfer low temperature farther (that is, absorb (or take away) heat from a distance) from the attached cold end, and the transfer direction can be the longitudinal direction. The closer to the cold end, the easier it is to lower the temperature, but in order to exert various actions on the sample, it is preferable that the temperature is separated by an amount that can avoid interference with the cold end. On the other hand, if it is too far away, the minimum temperature reached tends to be high. Such heat transfer means may include two or more parallel passages (or conductors). The heat transfer means preferably one that can easily transfer heat in the longitudinal direction. For example, a metal intermediate rod or the like can have one end face attached to the cold end of a closed cycle helium refrigerator so that the heat at the other end can be transferred to the cold end side. Here, the term "metal" may include, for example, the case where an intermediate rod is formed by using copper, a copper alloy, oxygen-free copper, or the like as a material. Here, it is preferable that the heat transfer means is attached to the cold end by a method having high heat transfer. When the end faces of the cold end and the end faces of the heat transfer means are butt-joined, the heat transfer property increases as the true contact area of both end faces increases, so that the flatness of both end faces is high and the surface roughness is small. Further, by sandwiching and pressing a thin plate made of oxygen-free copper or the like having high plastic deformation between both end faces, the plastically deformed copper or the like enters the gap between both end faces and comes into contact with each other, thereby improving the heat transfer coefficient. You can also do it. Since the cold end side becomes extremely cold, it is higher than the ambient temperature (for example, room temperature, first stage, etc.), and the heat transfer means has a longitudinal side surface facing the ambient environment and has a high thermal conductivity. It has a side temperature that is approximately equal to the temperature at its center. Radiant energy seen from the surrounding environment with visible light or the like, that is, radiant energy due to light or heat, is easily incident on the heat transfer means from the environmental object. Therefore, it is preferable to prevent it from being seen by environmental objects by means of shielding. The shielding means may include a heat shield wall or a heat shield that can be cooler than the surrounding environment. It may also include a radiation tube. It may include a low temperature radiation tube consisting of a heat shield wall and / or a heat shield. When the heat transfer means is covered with such a shield means, the incident heat energy becomes small, which is preferable. Such a radiation tube is made of a metal, which is a material that is sufficiently cooled by contact with the first stage and whose low temperature is easily transmitted in the longitudinal direction, particularly copper, aluminum, iron, and stainless steel. Is preferable. Since the energy entering from the environment is mainly provided by ultraviolet rays, visible light, and infrared rays and far infrared rays, such materials are highly opaque and can efficiently shield them.

上述する試料保持手段は、試料保持部を含んでよい。試料保持部は、試料を保持し、特定の面内において試料の回転を可能とすることができる。試料保持部は、その試料の温度を十分低く保つことができ、その試料を筐体等から電気的に浮いた状態にすることができる。試料保持部は、回転部材と、受け手段と、高熱伝導性電気的絶縁部材と、及び、受動回転手段と、を含んでよい。回転部材は、サンプルステージを含んでよく、該サンプルステージには、試料を保持するサンプル(試料)ホルダーを備えてもよい。特定の面は、試料の表面を含んでよい。回転部材は、試料を冷却可能に低温部材に接触してよい。受け手段は、前記所定の面内で試料が回転できるように回転部材を受ける。この受け手段は、ベアリングを含むことができ、ローラベアリング及び/又はボールベアリングを含むことができる。真空中で用いられるため、例えば、固体潤滑されたベアリングが好ましい。ベアリングは、筐体等の固定部材に対して回転部材が容易に回転できるようにすることができる。試料が筐体等の固定部材から電気的に絶縁状態であることが好ましい。例えば、ベアリング等のような受け手段が、絶縁性の材料から構成されてもよい。また、受け手段の回転部材側において、高熱伝導性電気的絶縁部材を用いることができる。高熱伝導性及び電気絶縁性備える材料としては、例えば、セラミックが挙げられ、特に、ダイヤモンド、立方晶の窒化ホウ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等を用いることができる。例えば、高熱伝導性電気的絶縁部材は、セラミック部材、ダイヤモンド部材、立方晶の窒化ホウ素部材、酸化アルミニウム部材、窒化アルミニウム部材等を含んでよい。高熱伝導性及び電気絶縁性が機能する形状を備え、薄膜状、板状、棒状、円筒状等を含むことができる。バルク部材の形成容易性から、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。特に、単結晶の酸化アルミニウム(例えば、サファイア)を用いることができる。例えば、サファイアプレートを含むことができる。試料保持手段の近傍に、前記回転部材を回転させる駆動装置を配置することは、不必要な熱量の流入や、清浄な真空状態の維持が難しくなるおそれがあるので、好ましくない。従って、回転部材は、試料保持手段の外側(例えば、真空槽の外側)にある駆動手段から伝達される回転駆動力を受け取る受動回転手段により回転させられる。この受動回転手段は、回転部材の回転と実質的に同じ向きに回転してよい。前記伝熱手段の長手方向に沿って延びるワイヤ等により回転駆動力が伝達される場合は、前記所定面内の回転の回転軸に対して、ほぼ垂直な回転軸を持つことも多いと考えられるので、回転駆動力の向きを例えば約90度変える機構を備えることが好ましい。このような機構には、駆動側及び受動側にそれぞれ対応する係合凸部若しくは係合凹部を備えて駆動力を伝達することができる伝達部材を含んでよい。このような伝達部材は、平歯車、傘歯車、冠歯車、ウォームギア(例えば、ねじ歯車(ウォーム)及びはす歯歯車(ウォームホイール)の組合せ機構)、ベルト若しくはタイミングベルト及びプーリ、又は、スプロケット及びローラーチェーン等を含んでよい。測定対象となる試料に応じて、その構造、形状、材質等が適宜変更、修正、調製される。本発明の実施例である試料冷却装置は、特に、板状の試料を用いることが多いため、それに則したサンプルホルダーの構造、形状、材質を選択すべきである。特に、表面に、電子ビーム、放射線、その他の光等を照射して、反射する放射線や光などのスペクトルを解析することを念頭に置けば、表面をツライチに出しやすいサンプルホルダーが好ましいと考えられる。 The sample holding means described above may include a sample holding portion. The sample holder can hold the sample and allow the sample to rotate in a particular plane. The sample holding portion can keep the temperature of the sample sufficiently low, and can make the sample electrically float from the housing or the like. The sample holding portion may include a rotating member, a receiving means, a high thermal conductive electrical insulating member, and a passive rotating means. The rotating member may include a sample stage, which may include a sample (sample) holder for holding the sample. The particular surface may include the surface of the sample. The rotating member may come into contact with the cold member so that the sample can be cooled. The receiving means receives a rotating member so that the sample can rotate in the predetermined plane. The receiving means can include bearings and can include roller bearings and / or ball bearings. For example, solid-lubricated bearings are preferred because they are used in vacuum. The bearing can allow the rotating member to easily rotate with respect to the fixing member such as the housing. It is preferable that the sample is electrically insulated from a fixing member such as a housing. For example, the receiving means such as a bearing may be made of an insulating material. Further, a high thermal conductive electrical insulating member can be used on the rotating member side of the receiving means. Examples of the material having high thermal conductivity and electrical insulation include ceramics, and in particular, diamond, cubic boron nitride, aluminum oxide, aluminum nitride and the like can be used. For example, the high thermal conductive electrical insulating member may include a ceramic member, a diamond member, a cubic boron nitride member, an aluminum oxide member, an aluminum nitride member, and the like. It has a shape in which high thermal conductivity and electrical insulation function, and can include a thin film shape, a plate shape, a rod shape, a cylindrical shape, and the like. Aluminum oxide is preferably used because of the ease of forming the bulk member. In particular, single crystal aluminum oxide (eg, sapphire) can be used. For example, a sapphire plate can be included. It is not preferable to dispose a driving device for rotating the rotating member in the vicinity of the sample holding means because an unnecessary inflow of heat and maintenance of a clean vacuum state may be difficult. Therefore, the rotating member is rotated by the passive rotating means that receives the rotational driving force transmitted from the driving means outside the sample holding means (for example, the outside of the vacuum chamber). The passive rotating means may rotate in substantially the same direction as the rotation of the rotating member. When the rotational driving force is transmitted by a wire or the like extending along the longitudinal direction of the heat transfer means, it is considered that the rotational axis is often substantially perpendicular to the rotational axis of rotation in the predetermined plane. Therefore, it is preferable to provide a mechanism for changing the direction of the rotational driving force by, for example, about 90 degrees. Such a mechanism may include a transmission member capable of transmitting the driving force by having an engaging convex portion or an engaging concave portion corresponding to the driving side and the passive side, respectively. Such transmission members include spur gears, bevel gears, crown gears, worm gears (eg, a combination mechanism of screw gears (worms) and spiral gears (worm wheels)), belts or timing belts and pulleys, or sprockets. A roller chain or the like may be included. The structure, shape, material, etc. are appropriately changed, modified, and prepared according to the sample to be measured. Since the sample cooling device according to the embodiment of the present invention often uses a plate-shaped sample, the structure, shape, and material of the sample holder should be selected according to the plate-shaped sample. In particular, if the surface is irradiated with an electron beam, radiation, or other light to analyze the spectrum of the reflected radiation or light, a sample holder that makes it easy to expose the surface to the surface is considered preferable. ..

前記高熱伝導性電気的絶縁部材は、熱伝導性が高い電気的絶縁部材であり、例えば、絶縁性のセラミックス等がその材料として好適に用いられる。例えば、サファイアプレートを含むことができる。上述するフレキシブルな伝熱継手とは、少なくとも2つの部材の間に熱を伝えることができる継手を意味してよく、熱の導管又は導体を意味してよい。この伝熱継手は、フレキシブルであり、柔軟に変形できる。例えば、前記伝熱継手により接続された少なくとも2つの部材が相対的な移動をすることが容易にできるほど柔軟に変形可能であってよい。具体的には、2つの部材(例えば、電気的絶縁部材及び伝熱手段)の間に張力が働くと、撓んだ状態からピンと張った状態になることができてもよい。或いは、撓んだ状態であって、前記2つの部材の少なくとも1つが回転する等の相対移動をしたために、前記伝熱継手が曲がったり、ねじれたりすることができる。このような伝熱継手としては、熱伝導率の高い材料からなる細線を束ねたもの(撚ったものを含む)を含むことができる。細線は、容易に屈曲等の変形が可能なものが好ましい。例えば、無酸素銅製の細線を含むことができる。例えば、銅編み線を含んでもよい。外部駆動手段は、ねじり力を伝達可能な剛性の高い線やワイヤ等を含むことができ、例えば、最終シャフトを含む駆動シャフトを含んでもよい。また、駆動シャフトの先端などに取り付けられる傘歯車を含む歯車のような係合機構を含んでもよい。そして、剛直なシャフトの場合は特にフレキシブルなカップリング(例えば、ユニバーサルジョイント)を用いて駆動軸の向きを変えることができる。また、このような外部駆動手段には、真空槽内又は槽外に配置されたモータ等によりねじり力を与えてもよい。モータは、サーボモータやステッピングモータを含んでよく、エンコーダーを更に備えてもよい。真空槽外にモータがある場合は、真空槽の外側から内側にねじり力のような力を伝達できる継手を備えることができる。例えば、磁性流体シールにより、真空を維持しながら直接駆動軸を真空槽の内外を貫通させることもできる。クリーンな超高真空を実現するように、内外を貫通する軸のようなものがないマグネットカップリングのような継手を用いることもできる。 The highly thermally conductive electrical insulating member is an electrically insulating member having high thermal conductivity, and for example, insulating ceramics and the like are preferably used as the material thereof. For example, a sapphire plate can be included. The flexible heat transfer joint described above may mean a joint capable of transferring heat between at least two members, and may mean a conduit or conductor of heat. This heat transfer joint is flexible and can be flexibly deformed. For example, at least two members connected by the heat transfer joint may be deformable so flexibly that they can easily move relative to each other. Specifically, when tension acts between two members (for example, an electrically insulating member and a heat transfer means), it may be possible to change from a bent state to a taut state. Alternatively, the heat transfer joint can be bent or twisted due to relative movement such as rotation of at least one of the two members in a bent state. Such a heat transfer joint may include a bundle (including a twisted one) of thin wires made of a material having high thermal conductivity. The thin wire is preferably one that can be easily deformed such as bent. For example, a thin wire made of oxygen-free copper can be included. For example, copper braided wire may be included. The external drive means can include a rigid wire, a wire, or the like capable of transmitting a torsional force, and may include, for example, a drive shaft including a final shaft. It may also include an engaging mechanism such as a gear including a bevel gear attached to the tip of a drive shaft or the like. And, in the case of a rigid shaft, the direction of the drive shaft can be changed by using a particularly flexible coupling (for example, a universal joint). Further, such an external drive means may be subjected to a torsional force by a motor or the like arranged inside or outside the vacuum chamber. The motor may include a servo motor or a stepping motor, and may further include an encoder. When the motor is located outside the vacuum chamber, a joint capable of transmitting a force such as a torsional force from the outside to the inside of the vacuum chamber can be provided. For example, a ferrofluidic seal can directly penetrate the drive shaft inside and outside the vacuum chamber while maintaining a vacuum. In order to achieve a clean ultra-high vacuum, it is also possible to use a joint such as a magnet coupling that does not have a shaft that penetrates inside and outside.

また、試料の裏側に設けられたフィラメントからの荷電粒子等を表面(又は裏面)にぶつけることがあり得るので、試料及び/又はサンプルホルダーの電位を、真空槽等よりも高く(若しくは低く)することが好まれる。そのため、試料及び/又はサンプルホルダーは、真空槽等から電気的に絶縁されていることが好ましい。一方、試料及び/又はサンプルホルダーは面内で回転可能に設けられているので、回転機構から、或いは、その回転機構と共に、真空槽等から電気的に絶縁されていることが好ましい。一方、低温を実現するためには、熱吸収部材(例えば、中間ロッド等を含む伝熱手段)に密着することが好ましい。このような特性を得るために、熱の良伝導材料であるが電気的に絶縁性のセラミックス特に酸化アルミニウム(例えば、多結晶酸化アルミニウムや、サファイア等の単結晶酸化アルミニウム)を介在させることができる。また、一連の動作は、高真空中で行われるので、有機成分が混入しないことが好ましい。従って、回転部材とそれを支持する回転しない部材との間の摺動部には、油、グリース等を使用することが難しい。そのため、二硫化モリブデン等の固体潤滑剤を表面にコーティングさせた材料(例えば、スパッタリングにより二硫化モリブデン付着させたステンレス鋼等)を用いることが好ましい。真空槽は、高真空を達成するために、ベーキングを行うためのヒータを備えてもよい。 Further, since charged particles or the like from the filament provided on the back side of the sample may hit the front surface (or the back surface), the potential of the sample and / or the sample holder is made higher (or lower) than that of the vacuum chamber or the like. Is preferred. Therefore, it is preferable that the sample and / or the sample holder is electrically insulated from the vacuum chamber or the like. On the other hand, since the sample and / or the sample holder is rotatably provided in the plane, it is preferable that the sample and / or the sample holder is electrically insulated from the rotation mechanism or, together with the rotation mechanism, from the vacuum chamber or the like. On the other hand, in order to realize a low temperature, it is preferable to adhere to a heat absorbing member (for example, a heat transfer means including an intermediate rod or the like). In order to obtain such properties, ceramics that are heat conductive materials but are electrically insulating, particularly aluminum oxide (for example, polycrystalline aluminum oxide or single crystal aluminum oxide such as sapphire) can be interposed. .. Further, since the series of operations is performed in a high vacuum, it is preferable that no organic component is mixed. Therefore, it is difficult to use oil, grease, or the like for the sliding portion between the rotating member and the non-rotating member that supports the rotating member. Therefore, it is preferable to use a material whose surface is coated with a solid lubricant such as molybdenum disulfide (for example, stainless steel to which molybdenum disulfide is adhered by sputtering). The vacuum chamber may be equipped with a heater for baking in order to achieve a high vacuum.

上述する装置移動機構は、XYステージ及びそれらに垂直なZ軸方向に移動できるZステージを含んでもよい(xyzステージ)。このような移動機構による移動を容易にするために、ベローズを更にそなえることができる。 The device movement mechanism described above may include an XY stage and a Z stage capable of moving in the Z-axis direction perpendicular to them (xyz stage). In order to facilitate the movement by such a moving mechanism, a bellows can be further provided.

以上のような構成を備えるため、本発明の実施例である試料冷却装置は、液体ヘリウムを用いることなく、試料を、例えば、30K以下、20K以下、又は15K以下等に冷却し、なおかつ試料を面内方向に高精度で回転させることが可能になった。このような回転としては、例えば時計回りを正にして、±10度若しくはそれ以上、±30度若しくはそれ以上、±50度若しくはそれ以上、±70度若しくはそれ以上、或いは、±90度若しくはそれ以上、或いは、0から+又は−の何れかにおいて10度若しくはそれ以上、30度若しくはそれ以上、50度若しくはそれ以上、70度若しくはそれ以上、90度若しくはそれ以上等を例として挙げることができる。これに加え、本装置は、固体表面の実験研究に応用する際にしばしば求められる種々の仕様を満たすことができる。 In order to have the above configuration, the sample cooling device according to the embodiment of the present invention cools the sample to, for example, 30K or less, 20K or less, or 15K or less without using liquid helium, and yet the sample is cooled. It has become possible to rotate in the in-plane direction with high accuracy. Such rotations include, for example, clockwise, ± 10 degrees or more, ± 30 degrees or more, ± 50 degrees or more, ± 70 degrees or more, or ± 90 degrees or more. Examples thereof include 10 degrees or more, 30 degrees or more, 50 degrees or more, 70 degrees or more, 90 degrees or more in any of 0 to + or-. .. In addition to this, the device can meet various specifications often required when applied to experimental studies of solid surfaces.

本発明の実施例である試料冷却装置の概略模式図である。It is a schematic schematic diagram of the sample cooling apparatus which is an Example of this invention. 本発明の実施例である試料冷却装置を示す一部を切り取った斜視図である。It is a cut-out perspective view which shows the sample cooling apparatus which is an Example of this invention. 本発明の実施例である試料冷却装置の試料保持機構を構成するサンプルステージの周りの正面からの斜視図である。It is a perspective view from the front around the sample stage which constitutes the sample holding mechanism of the sample cooling apparatus which is an Example of this invention. 本発明の実施例である試料冷却装置の試料保持機構を構成するサンプルステージの周りの背面からの斜視図である。It is a perspective view from the back around the sample stage which constitutes the sample holding mechanism of the sample cooling apparatus which is an Example of this invention. サンプルホルダー及びその周辺の詳細を示す分解斜視図である。It is an exploded perspective view which shows the detail of a sample holder and its surroundings. サンプルホルダー及びその搬送に用いるサンプルトランスファーを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the sample holder and the sample transfer used for the transfer. サンプルホルダー及びその搬送に用いる別のサンプルトランスファーを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the sample holder and another sample transfer used for the transfer thereof. サンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the outline of the boat member which attached the sample holding mechanism such as a sample stage. サンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略正面図である。It is a schematic front view which shows the outline of the boat member which attached the sample holding mechanism such as a sample stage. サンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略A−A断面図である。It is a schematic AA sectional view which shows the outline of the boat member which attached the sample holding mechanism such as a sample stage. 別の実施例にかかるサンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略断面図である。It is schematic cross-sectional view which shows the outline of the boat member which attached the sample holding mechanism such as the sample stage which concerns on another Example. 更に別の実施例にかかるサンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the outline of the boat member which attached the sample holding mechanism such as the sample stage which concerns on still another Example. 図11の実施例にかかるサンプルステージ等の試料保持機構を装着したボート部材の概略を示す概略横断面図であり、伝熱継手である銅編み線の一部を切断し断面を表すようにした概略図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an outline of a boat member equipped with a sample holding mechanism such as a sample stage according to an embodiment of FIG. 11, and a part of a copper braided wire which is a heat transfer joint is cut to show a cross section. It is a schematic diagram. 1つの実施例における伝熱継手に相当する銅編み線の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the copper braided wire corresponding to the heat transfer joint in one Example. 極低温における、銅及びサファイアの熱伝導率の温度変化を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature change of the thermal conductivity of copper and sapphire at an extremely low temperature. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す正面図である。It is a front view which shows the radical tube which contains the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus, the intermediate rod connected to it, and the like. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す側面図である。It is a side view which shows the radical tube which contains the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus, the intermediate rod connected to it, and the like. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す上面図である。It is a top view which shows the radical tube which contains the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus, the intermediate rod connected to it, and the like. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the radical tube which contains the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus, the intermediate rod connected to it, and the like. 試料部を拡大した斜視図である。It is an enlarged perspective view of a sample part. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッドに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the radical tube which contains the intermediate rod and the like connected to the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus. 試料冷却装置のGM冷凍機ヘッドに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブの外面に沿う駆動伝達経路を示すイメージ斜視図である。It is an image perspective view which shows the drive transmission path along the outer surface of the radiation tube which contains the intermediate rod which is connected to the GM refrigerator head of a sample cooling apparatus. 別の実施例における、装置移動機構の上から取り付ける試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す部分断面斜視図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view showing a radiation tube including a GM refrigerator head of a sample cooling device attached from above the device moving mechanism and an intermediate rod connected to the head of the sample cooling device in another embodiment. 別の実施例における、装置移動機構の上から取り付ける試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す部分断面側面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional side view showing a radiation tube including a GM refrigerator head of a sample cooling device attached from above the device moving mechanism and an intermediate rod connected to the head of the sample cooling device in another embodiment. ラディエーションシールドカバーの開状態を示す正面からの写真である。It is a photograph from the front showing the open state of the radiation shield cover. ラディエーションシールドカバーの閉状態を示す正面からの写真である。It is a photograph from the front showing the closed state of the radiation shield cover. 冷却開始からの経過時間と、中間ロッド部およびサンプルステージとの温度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the elapsed time from the start of cooling, and the temperature of an intermediate rod part and a sample stage. 試料の面内回転角度と、中間ロッド部およびサンプルステージ部との温度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the in-plane rotation angle of a sample, and the temperature of an intermediate rod part and a sample stage part. 本発明の実施例における試料冷却装置を用いた試料加熱試験において、タンタル試料と中間ロッド部における温度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the temperature in the tantalum sample and the intermediate rod part in the sample heating test using the sample cooling apparatus in the Example of this invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明するが、本発明の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the scope of the present invention is not limited.

[実施例1]
図1は、本発明の実施例である冷却装置の一例を示す模式図である。本発明の試料冷却装置10は、GM冷凍機のヘッド12、これにヘリウムガスを供給するチューブ14及びこれからヘリウムガスを排出するチューブ16、ヘリウムガスを圧縮するヘリウムガスコンプレッサー18からなるGM冷凍機と、GM冷凍機のヘッド12の下側にある装置移動機構20と、この装置移動機構20の槽内の移動機構を槽外から操作可能に接続するフランジ22、必要に応じてベーキング用ヒータ24を着脱可能に備える真空槽26(図1では、手前側を透明にしている。)、及びバルブ28で接続される真空ポンプ30からなる真空槽系と、ファーストステージ32を備えるGM冷凍機のヘッド12の先端のセカンドステージ(コールドエンド)34の下端に接続される中間ロッド36、ファーストステージ32の下端に接続されて中間ロッド36を覆うラディエーションチューブ38、及びそれらの下側に位置する試料部40からなる試料保持システムと、真空槽26の下方部で試料部40に高さを合わせてゲートバルブ42を備えるサンプルトランスファー機構44と、を含む。このサンプルトランスファー機構44は、真空ポンプ49で排気される真空槽の外部から操作可能な操作部46にマグネットカップリングで接続されるサンプルトランスファー装置48を備える。GM冷凍機は、比較的安価な液体ヘリウムフリーの冷凍機であり、市販のものを利用できる。上記装置移動機構20は、フランジ22に対して高さ方向以外(水平方向若しくはXY方向)が固定されたXYステージ20aと、このXYステージのフレームを固定する中間フランジの高さ方向(Z方向)を調整可能なZ軸調節機構20bと、及び、XY方向及びZ方向の動きを可能にするベローズ20cと、を備える。これにより、試料部40の真空槽26内の位置を微調整できる。真空ポンプ30、49としては、例えば、市販のターボ分子ポンプを用いることができる。磁気浮上型が好ましい。
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a cooling device according to an embodiment of the present invention. The sample cooling device 10 of the present invention includes a GM refrigerator head 12, a tube 14 for supplying helium gas to the head 12, a tube 16 for discharging helium gas from the head 12, and a helium gas compressor 18 for compressing helium gas. , A device moving mechanism 20 under the head 12 of the GM refrigerator, a flange 22 for operably connecting the moving mechanism in the tank of the device moving mechanism 20 from outside the tank, and a baking heater 24 as needed. A head 12 of a GM refrigerator equipped with a vacuum tank system including a removable vacuum tank 26 (the front side is transparent in FIG. 1), a vacuum pump 30 connected by a valve 28, and a first stage 32. Intermediate rod 36 connected to the lower end of the second stage (cold end) 34 at the tip of the A sample holding system comprising a sample holding system and a sample transfer mechanism 44 having a gate valve 42 whose height is adjusted to the sample portion 40 at the lower portion of the vacuum chamber 26 are included. The sample transfer mechanism 44 includes a sample transfer device 48 connected by a magnet coupling to an operation unit 46 that can be operated from the outside of the vacuum chamber exhausted by the vacuum pump 49. The GM refrigerator is a relatively inexpensive liquid helium-free refrigerator, and a commercially available one can be used. The device moving mechanism 20 has an XY stage 20a fixed to the flange 22 in a direction other than the height direction (horizontal direction or XY direction), and an intermediate flange fixing the frame of the XY stage in the height direction (Z direction). The Z-axis adjusting mechanism 20b and the bellows 20c that enable movement in the XY and Z directions are provided. As a result, the position of the sample unit 40 in the vacuum chamber 26 can be finely adjusted. As the vacuum pumps 30 and 49, for example, commercially available turbo molecular pumps can be used. The magnetic levitation type is preferable.

図2は、本発明の1つの実施例である試料冷却装置(GM冷凍機ヘッドに接続されたコンプレッサーは除く。)の一部を部分的に切り取った断面を含む斜視図を示す。図1で模式的に示したGM冷凍機のヘッド12は、100℃以上の高温に耐えない蓄冷器が容易に着脱可能な構造となっている。このGM冷凍機のヘッド12を取り外すことで、200℃程度のベーキングが実施可能となり、その結果、超高真空(10−8 Pa以下)が得られる。このGM冷凍機ヘッド12の先端のセカンドステージ(コールドエンド)34では、冷凍機単体で4K程度の最低到達温度が得られる。この低温は、中間ロッド36を介して、最終的に、サンプルホルダー50に伝わる構造となっている。また中間ロッド36やサンプルステージ52への輻射熱の侵入は、ファーストステージ32に接続された金メッキ無酸素銅製のラディエーションチューブ38とラディエーションシールドカバー(後述)により最小限に抑えられている。ステッピングモータ107を備える回転導入器100が備えられている。 FIG. 2 shows a perspective view including a partially cut-out cross section of a sample cooling device (excluding a compressor connected to a GM refrigerator head) according to one embodiment of the present invention. The head 12 of the GM refrigerator schematically shown in FIG. 1 has a structure in which a cool storage device that cannot withstand a high temperature of 100 ° C. or higher can be easily attached and detached. By removing the head 12 of this GM refrigerator, baking at about 200 ° C. can be performed, and as a result, an ultra-high vacuum ( 10-8 Pa or less) can be obtained. In the second stage (cold end) 34 at the tip of the GM refrigerator head 12, the minimum temperature reached of about 4K can be obtained by the refrigerator alone. This low temperature is finally transmitted to the sample holder 50 via the intermediate rod 36. Further, the intrusion of radiant heat into the intermediate rod 36 and the sample stage 52 is minimized by the gold-plated oxygen-free copper radiation tube 38 and the radiation shield cover (described later) connected to the first stage 32. A rotary introducer 100 including a stepping motor 107 is provided.

試料部40に配置される試料保持機構は、xyz方向の移動が可能なxyzステージ及び回転動作が可能な回転ステージから構成される装置移動機構20に中間ロッド36及びGM冷凍機ヘッド12を介して接続されて、真空槽26(図1参照)内で、真空を破らず、任意の方向に試料を移動できる構成とされている。これにより、構造解析の際に必要となる試料位置の調整が可能となる。 The sample holding mechanism arranged in the sample unit 40 is a device moving mechanism 20 composed of an xyz stage capable of moving in the xyz direction and a rotating stage capable of rotating operation via an intermediate rod 36 and a GM refrigerator head 12. It is connected so that the sample can be moved in any direction in the vacuum chamber 26 (see FIG. 1) without breaking the vacuum. This makes it possible to adjust the sample position required for structural analysis.

図3及び図4は、中間ロッド36の先端部に設置され、試料部40に配置される試料保持機構を構成するサンプルステージ52の周りの詳細な正面からの斜視図及び背面からの斜視図をそれぞれ示す。また図5は、モリブデン製サンプルホルダー50及びその周辺の詳細を示す分解斜視図である。そして、図6A及び6Bは、サンプルホルダー50及びその搬送に用いるサンプルトランスファー62(2種類)を示す斜視図である。薄板形状の試料56は、このサンプルホルダー50のリヤプレート58とサンプルホルダー50の間に挟むことで固定されてもよく、リヤプレート58の開口部に溶接されてもよい。このとき、スリ割りボルト59により、リヤプレート58とサンプルホルダー50とを締結することができる。このサンプルホルダー50は、サンプルステージ52に固定される。その際、ホルダーネジ60(図3参照)を利用し、サンプルホルダー50とサンプルステージ52を密着させる。即ち、ホルダーネジ60を回転することで、サンプルホルダー50とサンプルステージ52の間に押し付け力を付与し良好な熱伝導及び/又は熱伝達を得る。ホルダーネジ60の回転には、図6A又は6Bのサンプルトランスファー62を用いる。このサンプルトランスファー62は、サンプルトランスファー治具64を備え、サンプルホルダー50をサンプルステージ52に設置する際又は取り外す際にも用いる。すなわち、サンプルホルダー50はサンプルステージ52から、その長手方向に抜き差しが可能な構造となっており、マグネットフィードスルー等(例えば、サンプルトランスファー装置48及び操作部46による機構)と組み合わせることで、サンプルホルダー50の下端側の突起部51を掴むことにより超高真空中での試料交換が可能である。サンプルホルダー50をサンプルステージ52から外す際には、前述のホルダーネジ60をサンプルトランスファー62を用いて緩める。こうすることで、サンプルホルダー50を容易に取り外すことが出来る。サンプルステージ52は面内回転用ギア66に同期して回転するように設置されており、この面内回転用ギア66を回転させることで、試料を極低温に保ちつつ、面内方向に回転することが出来る。このとき、開口部122(図20参照)の枠との干渉を避けるため、図6Bのように切除下面65を備えるようにしてもよい。 3 and 4 show a detailed frontal perspective view and a back perspective view of the sample stage 52 around the sample stage 52, which is installed at the tip of the intermediate rod 36 and constitutes the sample holding mechanism arranged in the sample portion 40. Each is shown. Further, FIG. 5 is an exploded perspective view showing details of the molybdenum sample holder 50 and its surroundings. 6A and 6B are perspective views showing the sample holder 50 and the sample transfer 62 (two types) used for transporting the sample holder 50. The thin plate-shaped sample 56 may be fixed by being sandwiched between the rear plate 58 of the sample holder 50 and the sample holder 50, or may be welded to the opening of the rear plate 58. At this time, the rear plate 58 and the sample holder 50 can be fastened by the split bolt 59. The sample holder 50 is fixed to the sample stage 52. At that time, the holder screw 60 (see FIG. 3) is used to bring the sample holder 50 and the sample stage 52 into close contact with each other. That is, by rotating the holder screw 60, a pressing force is applied between the sample holder 50 and the sample stage 52, and good heat conduction and / or heat transfer is obtained. The sample transfer 62 of FIG. 6A or 6B is used to rotate the holder screw 60. The sample transfer 62 includes a sample transfer jig 64, and is also used when the sample holder 50 is installed or removed from the sample stage 52. That is, the sample holder 50 has a structure that can be inserted and removed from the sample stage 52 in the longitudinal direction thereof, and can be combined with a magnet feedthrough or the like (for example, a mechanism by the sample transfer device 48 and the operation unit 46) to hold the sample holder. The sample can be exchanged in an ultra-high vacuum by grasping the protrusion 51 on the lower end side of the 50. When removing the sample holder 50 from the sample stage 52, the holder screw 60 described above is loosened by using the sample transfer 62. By doing so, the sample holder 50 can be easily removed. The sample stage 52 is installed so as to rotate in synchronization with the in-plane rotation gear 66, and by rotating the in-plane rotation gear 66, the sample rotates in the in-plane direction while keeping the sample at an extremely low temperature. Can be done. At this time, in order to avoid interference with the frame of the opening 122 (see FIG. 20), the cut lower surface 65 may be provided as shown in FIG. 6B.

サンプルステージ52と中間ロッド36は、ボート部材76のトップ面77が中間ロッド36の下端面に密着してなされる電気的及び熱的な接続を介して、接続され得るが、ここでは、サファイアプレート86を介在させることにより電気的には絶縁されている。従って、サンプルステージ52に1kV程度の高電圧を高電圧印加用端子70に印加することが可能である。またサンプルホルダー50の背後には、熱電子放出用のタングステン(W)フィラメント72を設置してあるので、サンプルステージ52に正の高電圧を印加しながらタングステンフィラメント用配線74からWフィラメント72に通電することで、試料を1000K以上に加熱することが出来る。サファイアプレート86は、極低温での熱伝導が良好である一方で、高温では熱を伝え難い性質がある。従って、最低到達温度付近では、試料温度はセカンドステージ34の温度とほぼ同じであるが、加熱中は試料56の温度を選択的に上げることが出来る。試料56の中間ロッド36を介しての冷却は、中間ロッド36に密着されるトップ面77を備えるボート部材76のデッキ78に一端を密着される銅編み線80の熱伝導を利用して行われる。この銅編み線80の他端部は、サファイアプレート86に密着される。この銅編み線80は、サンプルステージ52がサファイアプレート86と共に時計回り及び反時計回りの90度を面内回転することができるように、フレキシブルであり、かつ、十分な長さを備える。図3の基本状態においては、後述するラディエーションカバー内の空間に撓んだ状態にある。サファイアプレート86の温度は、この他端部と同じ回転位置に配置される温度センサ82により測定される。 The sample stage 52 and the intermediate rod 36 may be connected via an electrical and thermal connection in which the top surface 77 of the boat member 76 is in close contact with the lower end surface of the intermediate rod 36, where here is a sapphire plate. It is electrically isolated by interposing 86. Therefore, it is possible to apply a high voltage of about 1 kV to the high voltage application terminal 70 on the sample stage 52. Further, since the tungsten (W) filament 72 for thermionic emission is installed behind the sample holder 50, the tungsten filament wiring 74 to the W filament 72 is energized while applying a positive high voltage to the sample stage 52. By doing so, the sample can be heated to 1000 K or more. The sapphire plate 86 has good heat conduction at extremely low temperatures, but has a property that it is difficult to transfer heat at high temperatures. Therefore, in the vicinity of the minimum reached temperature, the sample temperature is substantially the same as the temperature of the second stage 34, but the temperature of the sample 56 can be selectively increased during heating. Cooling of the sample 56 via the intermediate rod 36 is performed by utilizing the heat conduction of the copper braided wire 80 whose one end is in close contact with the deck 78 of the boat member 76 having the top surface 77 which is in close contact with the intermediate rod 36. .. The other end of the copper braided wire 80 is in close contact with the sapphire plate 86. The copper braid 80 is flexible and long enough to allow the sample stage 52 to rotate in-plane 90 degrees clockwise and counterclockwise with the sapphire plate 86. In the basic state of FIG. 3, it is in a state of being bent in the space inside the radiation cover, which will be described later. The temperature of the sapphire plate 86 is measured by a temperature sensor 82 arranged at the same rotational position as the other end.

図7、図8、及び図9は、試料部40に配置される、サンプルステージ52等の試料保持機構を装着したボート部材76の概略を示す概略斜視図、概略正面図、及び概略A−A断面図である。これらの図で示されるサンプルステージ52は、図3において示される基本状態から、90度反時計回りに回転した状態にあり、サンプルステージ52からサンプルホルダー50がほぼ抜き出された状態になっている。サンプルステージ52は、上部カバー84及びサファイアプレート86を備え、挿入されたサンプルホルダー50の両側の傾斜部50aにマッチする傾斜部84aを介して、下側の下部基材68に、ホルダーネジ60により、電気的絶縁のための碍子を介して押し付けられる。下部基材68及びサファイアプレート86の中央には円形の開口部が設けられ、その開口部に沿って外側(該開口部を規定する下部基材68の縁部)にローラベアリングのようなベアリング88によって、かかる押し付け力が支持される。尚、ホルダーネジ60の下部基材68側の端部は、ボート部材76に固定されるが、ナット90で締結されている。下部基材68は、中空円筒軸92のプレート側の端部の凸部との係合により、該中空円筒軸92と共に回転する。該中空円筒軸92は、面内回転用ギア66の内周面に固定され、面内回転用ギア66と同期して回転する。面内回転用ギア66は、最終シャフト94の先端にある傘歯車96と係合し、最終シャフト94が、カップリング93(図3参照)を経由して、面内回転用回転導入器100からの回転により回転すると、最終的に面内回転用ギア66が回転し、サンプルステージ52が面内において回転する。 7, 8 and 9 are a schematic perspective view, a schematic front view, and a schematic AA showing an outline of a boat member 76 equipped with a sample holding mechanism such as a sample stage 52 arranged in the sample unit 40. It is a cross-sectional view. The sample stage 52 shown in these figures is in a state of being rotated 90 degrees counterclockwise from the basic state shown in FIG. 3, and the sample holder 50 is substantially pulled out from the sample stage 52. .. The sample stage 52 includes an upper cover 84 and a sapphire plate 86, and a holder screw 60 is attached to a lower lower base material 68 via an inclined portion 84a matching the inclined portions 50a on both sides of the inserted sample holder 50. , Pressed through an insulator for electrical insulation. A circular opening is provided in the center of the lower base material 68 and the sapphire plate 86, and a bearing 88 such as a roller bearing is provided on the outside (the edge of the lower base material 68 defining the opening) along the opening. Supports the pressing force. The end of the holder screw 60 on the lower base material 68 side is fixed to the boat member 76, but is fastened with a nut 90. The lower base material 68 rotates together with the hollow cylindrical shaft 92 by engaging with the convex portion of the end portion of the hollow cylindrical shaft 92 on the plate side. The hollow cylindrical shaft 92 is fixed to the inner peripheral surface of the in-plane rotation gear 66 and rotates in synchronization with the in-plane rotation gear 66. The in-plane rotation gear 66 engages with the bevel gear 96 at the tip of the final shaft 94, and the final shaft 94 is transmitted from the in-plane rotation rotation introducer 100 via the coupling 93 (see FIG. 3). When rotated by the rotation of, the in-plane rotation gear 66 finally rotates, and the sample stage 52 rotates in the in-plane.

図10は、別の実施例におけるボート部材76の概略を示す略式断面図である。サンプルステージ52は、同様に90度反時計回りに回転した状態にあり、サンプルステージ52からサンプルホルダー50が抜き出された状態になっている。サンプルステージ52は、上部カバー84及びサファイアプレート86を備え、この図では抜き出されているが挿入されるサンプルホルダー50の両側の傾斜部50aにマッチする傾斜部84aを介して、図中下側の下部基材68に、ホルダーネジ60により碍子61を介して、押し付けられる。下部基材68及びサファイアプレート86の中央には円形の開口部が設けられ、中空円筒軸92の内径を規定する。該中空円筒軸92は、ボールベアリングのようなベアリング88によって、回転自在に支持される。ホルダーネジ60の下部基材68側の端部は、下部基材68の下面に固定されるが、ナット90で締結されている。サファイアプレート86は、中空円筒軸92と共に回転する。中空円筒軸92は、他端側に面内回転用ギア66を備える。面内回転用ギア66は、最終シャフト94の先端にある傘歯車96と係合し、最終シャフト94が、複数のユニバーサルジョイント98(図18参照)を経由して、面内回転用回転導入器100からの回転により回転すると、最終的に面内回転用ギア66が回転し、サンプルステージ52が面内において回転する。 FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the boat member 76 in another embodiment. Similarly, the sample stage 52 is in a state of being rotated 90 degrees counterclockwise, and the sample holder 50 is in a state of being pulled out from the sample stage 52. The sample stage 52 includes an upper cover 84 and a sapphire plate 86, and is inserted in the lower side of the drawing via an inclined portion 84a matching the inclined portions 50a on both sides of the sample holder 50 to be inserted. It is pressed against the lower base material 68 of the above by the holder screw 60 via the insulator 61. A circular opening is provided in the center of the lower base material 68 and the sapphire plate 86 to define the inner diameter of the hollow cylindrical shaft 92. The hollow cylindrical shaft 92 is rotatably supported by a bearing 88, such as a ball bearing. The end of the holder screw 60 on the lower base material 68 side is fixed to the lower surface of the lower base material 68, but is fastened with a nut 90. The sapphire plate 86 rotates with the hollow cylindrical shaft 92. The hollow cylindrical shaft 92 is provided with an in-plane rotation gear 66 on the other end side. The in-plane rotation gear 66 engages with the bevel gear 96 at the tip of the final shaft 94, and the final shaft 94 passes through a plurality of universal joints 98 (see FIG. 18) to introduce an in-plane rotation rotation introducer. When rotated by rotation from 100, the in-plane rotation gear 66 finally rotates, and the sample stage 52 rotates in-plane.

図11は、更に別の実施例におけるボート部材76の概略を示す略式断面図であり、タングステンフィラメント72等を図10から省略したものである。サンプルステージ52は、同様に90度反時計回りに回転した状態にあり、サンプルステージ52にサンプルホルダー50が固定された状態になっている。サンプルステージ52は、上部カバー84及びサファイアプレート86を備え、挿入されたサンプルホルダー50は、その両側の傾斜部50aにマッチする傾斜部84aを介して、サファイアプレート86に押し付けられる。サファイアプレート86は、それに密着して支えるバックアップ基材85を含む下側の下部基材68に、ホルダーネジ60により碍子61を介して、押し付けられる。真空中で、サンプルホルダー50を挿入又は脱装する際には、このホルダーネジ60は緩められ、サンプルホルダー50の上端側(突起部51のある下端部とは反対側の端部)で若干肉薄で幅狭となるように先細り形態となっていることと相まって、(開口部に試料56を付けた若しくは付けていない状態の)サンプルホルダー50を挿入し易くなっている。そして、挿入の度合いが高くなると、緩めたホルダーネジ60のために図中上方に移動可能な上部カバー84を押し上げる。次に、サンプルトランスファー装置48を用いて、このホルダーネジ60を締めることにより、サンプルホルダー50の下側のサファイアプレート86への押し付け力を増大させ密着性を向上させる。これにより、サンプルホルダー50及び試料56の温度をより早く低下させ、より低い温度まで到達させることができる。図12は、図11のボート部材76の概略縦断面図を90度回転させた概略横断面である。サファイアプレート86は、その表面81aにサンプルホルダー50及び銅編み線端子81をそれぞれホルダーネジ60及び締結ネジ81bにより押し付けられた状態で互いに離して備える。サファイアは、電気絶縁性であるが、熱伝導性が高いため、サンプルホルダー50と銅編み線端子81との間では、電気は流れないが、熱は十分流れることになる。一方、銅は良導電性であり良熱伝導性であるので、銅編み線をかしめる等することにより各細線の間の熱伝達性を向上させた銅編み線端子81から銅編み線80を介して、ボート部76及びそのトップ面77が密着する中間ロッド36へと、電気及び熱が十分に流れることが期待される。図13は、銅編み線80の横断面80aを示す。また、銅及びサファイアの熱伝導率の温度依存性を特に極低温領域においてグラフにしたものを図14に示す。この図から分かるように、サファイアは、10Kから100Kの間で非常に高い熱伝導率を示し、銅も、同じような範囲で非常に高い熱伝導率を示す。このため、温度センサ82は、十分低い温度を示すことができる。一般に、回転等の相対的な移動をする少なくとも2つの部材の間の熱伝達は、相対的な移動を容易にさせるために、ベアリング等を介在させるので、接触面積が小さく、熱伝達率が小さくなる。そのため、熱伝導管又は熱伝導体で両者をつないで、別ルートの熱伝導経路を実現させることが好ましい。しかしながら、剛性の高い金属管や金属ロッドでは、両者の相対的な移動が困難である。そのため、フレキシブルな熱伝導管又は熱伝導体で両者をつないで、熱伝導の別ルートを確保する。このようなフレキシブルな熱伝導管又は熱伝導体としては、例えば、銅等の金属細線を撚ったものが挙げられ、その一例は、上述する銅編み線80である。図13に示すように各細線80bはほぼ同じ太さを備え、互いに接触可能に撚られているが、細線同士が接着又は溶着されている訳ではないので、編み線として、フレキシブルであり、屈曲や湾曲等が自在に行われる。例えば、各細線の径は、約1mm以下が好ましい。より柔軟性を望むのであれば、約0.5mm以下が好ましい。更に、柔軟なものを望めば、約0.1mm以下が好ましい。より、柔軟なものを望めば、約0.04mm以下が好ましい。あまり細すぎると、取り扱いが不便となるので、約0.0001mm以上が好ましい。約0.01mm以上が好ましい。熱伝導率が高い無酸素銅製が好ましい。従って、相対移動による両者の最大離間距離を担保可能な十分な撓みを持たせれば、サンプルステージ52の移動を妨げることなく、十分な熱伝導を担保できる。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing an outline of the boat member 76 in still another embodiment, in which the tungsten filament 72 and the like are omitted from FIG. Similarly, the sample stage 52 is in a state of being rotated 90 degrees counterclockwise, and a state in which the sample holder 50 is fixed to the sample stage 52. The sample stage 52 includes an upper cover 84 and a sapphire plate 86, and the inserted sample holder 50 is pressed against the sapphire plate 86 via the inclined portions 84a matching the inclined portions 50a on both sides thereof. The sapphire plate 86 is pressed against the lower lower base material 68 including the backup base material 85 that closely supports the sapphire plate 86 by the holder screw 60 via the insulator 61. When inserting or removing the sample holder 50 in a vacuum, the holder screw 60 is loosened and slightly thin on the upper end side of the sample holder 50 (the end opposite to the lower end where the protrusion 51 is located). Coupled with the tapered shape so as to be narrow in width, it is easy to insert the sample holder 50 (with or without the sample 56 attached to the opening). Then, when the degree of insertion becomes high, the upper cover 84 that can be moved upward in the drawing is pushed up due to the loosened holder screw 60. Next, by tightening the holder screw 60 using the sample transfer device 48, the pressing force against the sapphire plate 86 on the lower side of the sample holder 50 is increased and the adhesion is improved. As a result, the temperatures of the sample holder 50 and the sample 56 can be lowered more quickly to reach a lower temperature. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view obtained by rotating the schematic vertical cross-sectional view of the boat member 76 of FIG. 11 by 90 degrees. The sapphire plate 86 is provided with a sample holder 50 and a copper braided wire terminal 81 separated from each other in a state of being pressed against the surface 81a by the holder screw 60 and the fastening screw 81b, respectively. Although sapphire is electrically insulating, it has high thermal conductivity, so that electricity does not flow between the sample holder 50 and the copper braided wire terminal 81, but heat flows sufficiently. On the other hand, since copper has good conductivity and good thermal conductivity, the copper braided wire 80 is connected from the copper braided wire terminal 81 to which the heat transferability between the fine wires is improved by crimping the copper braided wire or the like. It is expected that sufficient electricity and heat will flow through the intermediate rod 36 to which the boat portion 76 and its top surface 77 are in close contact. FIG. 13 shows a cross section 80a of the copper braided wire 80. Further, FIG. 14 shows a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity of copper and sapphire, especially in the extremely low temperature region. As can be seen from this figure, sapphire exhibits a very high thermal conductivity between 10K and 100K, and copper also exhibits a very high thermal conductivity in a similar range. Therefore, the temperature sensor 82 can indicate a sufficiently low temperature. In general, heat transfer between at least two members that perform relative movement such as rotation involves a bearing or the like in order to facilitate relative movement, so that the contact area is small and the heat transfer coefficient is small. Become. Therefore, it is preferable to connect the two with a heat conduction tube or a heat conductor to realize a heat conduction path of another route. However, with a highly rigid metal tube or metal rod, it is difficult for them to move relative to each other. Therefore, connect both with a flexible heat conduction tube or heat conductor to secure another route of heat conduction. Examples of such a flexible heat conductive tube or heat conductor include those obtained by twisting a fine metal wire such as copper, and one example thereof is the copper braided wire 80 described above. As shown in FIG. 13, each thin wire 80b has almost the same thickness and is twisted so as to be in contact with each other. And bending are performed freely. For example, the diameter of each thin wire is preferably about 1 mm or less. If more flexibility is desired, it is preferably about 0.5 mm or less. Further, if a flexible one is desired, it is preferably about 0.1 mm or less. If a more flexible one is desired, it is preferably about 0.04 mm or less. If it is too thin, it will be inconvenient to handle, so it is preferably about 0.0001 mm or more. It is preferably about 0.01 mm or more. It is preferably made of oxygen-free copper having high thermal conductivity. Therefore, if sufficient deflection is provided to ensure the maximum distance between the two due to relative movement, sufficient heat conduction can be ensured without hindering the movement of the sample stage 52.

図15A、15B、及び15C、並びに、16A及び16Bは、図1の概略図に示されるように、装置移動機構20の上から取り付けるGM冷凍機ヘッド12及びそれに接続される中間ロッド等36を内包するラディエーションチューブ38等を示す正面図、側面図、及び上面図であり、並びに、上から見た斜視図及びその試料部近傍を拡大した部分斜視図である。図17及び18は、GM冷凍機ヘッド12の一部及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブ38の外側等に沿う駆動伝達経路の一部を示す斜視図及びイメージ斜視図である。図19A及び19Bは、GM冷凍機ヘッド12及びそれに接続される中間ロッド36等を内包するラディエーションチューブ38等を示す一部接断面を備える正面図及び斜視図である。1つの実施例において、面内回転用の回転導入器100、ラディエーションシールドカバー用回転導入器108、温度センサ及び低温コントロールヒータ用電流導入端子110、試料高電圧印加用端子112を備える。GM冷凍機ヘッド12において、ヘリウムガスを供給/排出するチューブ並びにコンプレッサーは省略されている。GM冷凍機ヘッド12の下に配置される装置移動機構20は、ステッピングモータ107を含む面内回転用回転導入器100、ラディエーションシールドカバー用回転導入器108、温度センサ及び低温コントロールヒータ用電流導入端子110、及び試料高電圧印加用端子112を備える。上述のように、ステッピングモータ107の回転を、面内回転用回転導入器100により、真空槽26内の最終シャフト94に伝え、傘歯車96、面内回転用ギア66、及びサンプルステージ52を回転させることができる。温度センサ及び低温コントロールヒータ用電流導入端子110は、それぞれ独立に、上述した温度センサ82を含み真空槽26内に配置される温度センサ及び低温コントロールヒータ114(図3参照)に接続される。また、試料高電圧印加用端子112は、上述するサンプルステージ52に正の高電圧を印加するために使用され、また、タングステンフィラメント72に通電すべく、タングステンフィラメント用配線74に電流を流すために使用される。中間ロッド36を覆うラディエーションチューブ38は、ファーストステージ32から下方に延びているが、面内回転用回転導入器100からの駆動シャフト104は、ラディエーションチューブ38の外側を這った後、途中から内側に入り込む。また、ステッピングモータ107を含むラディエーションシールドカバー用回転導入器108からの駆動シャフト116は、ラディエーションチューブ38の外面に沿うように延びている。そして、試料部40の位置にラディエーションシールドカバー118が配置されている。ラディエーションシールドカバー118は、その上のラディエーションチューブ38から接続部120を経由して接続される少し径を拡大したチューブ形状のものである。その背面側は、内包する試料保持機構を包含できるように、横断面が長四角となる半円筒半四角柱形状をしている。ラディエーションシールドカバー118の下端側の半分以降では、正面側において円筒が縦に半割されたように、フロント部分が切り取られ、正面視で長四角の開口部122がほぼ垂直に形成される。該開口部122の縁を規定する枠を形成するとともに、その枠は、上下にやや幅広のシャッター受け面となる上枠136及び下枠138を面を合わせてほぼ垂直に備える。前記開口部122内には、図3及び4に示すサンプルステージ52が顔を出している。図18は、また別の実施例において、駆動シャフト104及びカップリング93を経由して最終シャフト94までの駆動伝達経路を示すイメージ斜視図である。ラディエーションチューブ38の外側に沿って軸受102により回転自在に固定された駆動シャフト104を示している。この回転は、手動によっても与えることができるが、ステッピングモータ107で与える方が、定量性に勝るので好ましい。 15A, 15B, and 15C, and 16A and 16B include a GM refrigerator head 12 attached from above the device moving mechanism 20 and an intermediate rod and the like 36 connected to the GM refrigerator head 12, as shown in the schematic diagram of FIG. It is a front view, a side view, and a top view which show the radiation tube 38 and the like, and is also the perspective view seen from above and the partial perspective view which enlarged the vicinity of the sample part. 17 and 18 are a perspective view and an image perspective view showing a part of the drive transmission path along the outside of the radiation tube 38 including a part of the GM refrigerator head 12 and an intermediate rod connected to the part, and the like. .. 19A and 19B are a front view and a perspective view showing a partial contact section showing a radiation tube 38 and the like including a GM refrigerator head 12 and an intermediate rod 36 and the like connected to the GM refrigerator head 12. In one embodiment, a rotation introducer 100 for in-plane rotation, a rotation introducer 108 for a radiation shield cover, a current introduction terminal 110 for a temperature sensor and a low temperature control heater, and a sample high voltage application terminal 112 are provided. In the GM refrigerator head 12, the tube for supplying / discharging helium gas and the compressor are omitted. The device moving mechanism 20 arranged under the GM refrigerator head 12 includes an in-plane rotation introducer 100 including a stepping motor 107, a rotation shield cover rotation introducer 108, a temperature sensor, and a current introduction for a low temperature control heater. The terminal 110 and the sample high voltage application terminal 112 are provided. As described above, the rotation of the stepping motor 107 is transmitted to the final shaft 94 in the vacuum chamber 26 by the in-plane rotation introduction device 100, and the bevel gear 96, the in-plane rotation gear 66, and the sample stage 52 are rotated. Can be made to. The temperature sensor and the current introduction terminal 110 for the low temperature control heater are independently connected to the temperature sensor and the low temperature control heater 114 (see FIG. 3) arranged in the vacuum chamber 26 including the temperature sensor 82 described above. Further, the sample high voltage application terminal 112 is used to apply a positive high voltage to the sample stage 52 described above, and to pass a current through the tungsten filament wiring 74 in order to energize the tungsten filament 72. used. The radius tube 38 covering the intermediate rod 36 extends downward from the first stage 32, but the drive shaft 104 from the in-plane rotation introducer 100 crawls on the outside of the radius tube 38 and then from the middle. Get inside. Further, the drive shaft 116 from the rotation shield cover rotation introducer 108 including the stepping motor 107 extends along the outer surface of the radius tube 38. The radiation shield cover 118 is arranged at the position of the sample unit 40. The radiation shield cover 118 has a tube shape with a slightly enlarged diameter connected from the radiation tube 38 on the radiation tube 38 via the connection portion 120. The back side thereof has a semi-cylindrical semi-square prism shape having a long square cross section so as to include a sample holding mechanism contained therein. After the lower half of the radiation shield cover 118, the front portion is cut off so that the cylinder is vertically split in half on the front side, and the long square opening 122 is formed substantially vertically in the front view. A frame defining the edge of the opening 122 is formed, and the frame is provided with an upper frame 136 and a lower frame 138, which are vertically wide shutter receiving surfaces, so as to face each other substantially vertically. Inside the opening 122, the sample stage 52 shown in FIGS. 3 and 4 is exposed. FIG. 18 is an image perspective view showing a drive transmission path to the final shaft 94 via the drive shaft 104 and the coupling 93 in another embodiment. A drive shaft 104 rotatably fixed by a bearing 102 along the outside of the radiation tube 38 is shown. This rotation can be given manually, but it is preferable to give it by the stepping motor 107 because it is superior in quantitativeness.

図19A及び19Bは、別の実施例における、装置移動機構の上から取り付ける試料冷却装置のGM冷凍機ヘッド及びそれに接続される中間ロッド等を内包するラディエーションチューブを示す部分断面斜視図及び部分断面側面図である。上述するように、銅編み線80がラディエーションカバー内の空間に撓んだ状態にあることがわかる。これにより、サンプルステージ52がサファイアプレート86と共に時計回り及び反時計回りの90度を面内回転しても、銅編み線80が対応可能となっている。また、図18に示すようにラディエーションチューブ38の外側に沿っている駆動シャフト104は、途中からユニバーサルジョイント98を経由してラディエーションチューブ38内に入り、回転駆動力を伝える駆動シャフト104は、図3及び4に示すカップリング93に接続されて、最終シャフト94に回転駆動力を伝える。 19A and 19B are a partial cross-sectional perspective view and a partial cross-sectional view showing a radiation tube including a GM refrigerator head of a sample cooling device attached from above the device moving mechanism and an intermediate rod connected to the GM refrigerator head in another embodiment. It is a side view. As described above, it can be seen that the copper braided wire 80 is in a bent state in the space inside the radiation cover. As a result, even if the sample stage 52 rotates in-plane by 90 degrees clockwise and counterclockwise together with the sapphire plate 86, the copper braided wire 80 can handle it. Further, as shown in FIG. 18, the drive shaft 104 along the outside of the radius tube 38 enters the radius tube 38 via the universal joint 98 from the middle, and the drive shaft 104 that transmits the rotational driving force is Connected to the coupling 93 shown in FIGS. 3 and 4, the rotational driving force is transmitted to the final shaft 94.

図20及び21は、ラディエーションシールドカバー118の(イ)開状態及び(ロ)閉状態をそれぞれ示す正面からの写真である。図20において、ラディエーションシールドカバー118の向かって左側の側部に、上述する駆動シャフト116及び回転軸受124が固定され、ヒンジ126により回動可能に固定されたラディエーションシールドカバー部シャッター(以下、「シャッター」)128を開閉できるように該駆動シャフト116は係合する。シャッター128は、ヒンジ側屈曲部130、その高さ中央において横(水平)に延びるスリット134を規定する上板140及び下板142を含むフロント部133、及び留め金側屈曲部132を備える。ヒンジ側屈曲部130及び留め金側屈曲部132は、少し離れてサンプルステージ52を覆うように、ヒンジ部から少し前面側に延びてからほぼ90度に屈曲し、フロント部133のフロント面を形成する。前記開口部122の枠の上枠136及び下枠138のフロント側に、前記上板140及び下板142の背面側が接触し、前記上板140及び下板142の冷却が促進される。開口部122からサンプルホルダー50が横向きにスライドして取り出されるためには、サンプルホルダー50が押し付けられるサファイアプレート86の表面が開口部122の右横枠144よりもフロント側に突出することが好ましい。尚、サンプルステージ52をサファイアプレート86に締め付けるホルダーネジ60等は、前記スリット134から突出するため、シャッター128とは干渉しない。駆動シャフト116は、回転軸受124が固定されたヒンジ126を直接的に駆動するが、必要であるならば、減衰機構を設けて、より高いトルクを生じるようにしてもよい。このようにして、このシャッター128を開けることで、真空を破らずに試料の交換が可能である。 20 and 21 are photographs from the front showing the (a) open state and (b) closed state of the radiation shield cover 118, respectively. In FIG. 20, the drive shaft 116 and the rotary bearing 124 described above are fixed to the left side of the radius shield cover 118, and the shutter of the radius shield cover is rotatably fixed by the hinge 126 (hereinafter referred to as “shutter”). The drive shaft 116 engages so that the "shutter") 128 can be opened and closed. The shutter 128 includes a hinge-side bent portion 130, a front portion 133 including an upper plate 140 and a lower plate 142 that define a slit 134 extending laterally (horizontally) at the center of the height thereof, and a clasp-side bent portion 132. The hinge-side bent portion 130 and the clasp-side bent portion 132 extend slightly to the front side from the hinge portion and then bend at approximately 90 degrees so as to cover the sample stage 52 at a slight distance to form the front surface of the front portion 133. do. The back side of the upper plate 140 and the lower plate 142 comes into contact with the front side of the upper frame 136 and the lower frame 138 of the frame of the opening 122, and cooling of the upper plate 140 and the lower plate 142 is promoted. In order for the sample holder 50 to slide sideways and be taken out from the opening 122, it is preferable that the surface of the sapphire plate 86 on which the sample holder 50 is pressed protrudes toward the front side of the right horizontal frame 144 of the opening 122. Since the holder screw 60 or the like that fastens the sample stage 52 to the sapphire plate 86 protrudes from the slit 134, it does not interfere with the shutter 128. The drive shaft 116 directly drives the hinge 126 to which the rotary bearing 124 is fixed, but if necessary, a damping mechanism may be provided to generate higher torque. By opening the shutter 128 in this way, the sample can be exchanged without breaking the vacuum.

上述では、ラディエーションシールドカバー用回転導入器108を用いて、シャッター128の開閉を行ったが、サンプルホルダー50の着脱には、真空槽26の長手方向に対して、ほぼ垂直な方向の駆動が必要となる。この駆動を実現するためには、サンプルステージ52若しくはボート部材76或いはラディエーションチューブ38の長手方向に対して垂直な方向(或いは、サンプルステージ52若しくはボート部材76或いはラディエーションチューブ38は垂直方向に延びるといえるので、それに直角な方向である水平な方向)に相対的な移動を実現する。このような場合は、図1に示すような真空槽26の側面に取り付けたサンプルトランスファー機構44を備えることができる。真空槽26は、フランジ22を介して、中間ロッド36やサンプルステージ52に対して固定されているので、これを基準に、サンプルステージ52に対する相対位置を特定・固定することができる。更に、水平方向に十分な移動距離を取ることができるので、図1並びに図6A及び6Bに示すようにサンプルトランスファー装置48又はサンプルトランスファー62を用いて、サンプルホルダー50の抜き差しができる。シャッター128を開けることで、長四角の開口部122からサンプルステージ52を露出させ、ホルダーネジ60を緩めて、サンプルホルダー50を抜き出し、更にそれから試料56が固定されたリヤプレート58を抜き出すこともできる。 In the above, the shutter 128 is opened and closed by using the rotation introducer 108 for the radiation shield cover, but the sample holder 50 is driven in a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the vacuum chamber 26 for attaching and detaching the sample holder 50. You will need it. In order to realize this drive, the sample stage 52 or the boat member 76 or the radius tube 38 extends in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the sample stage 52 or the boat member 76 or the radius tube 38 (or the sample stage 52 or the boat member 76 or the radius tube 38 extends in the vertical direction. Therefore, the relative movement is realized in the horizontal direction, which is the direction perpendicular to it. In such a case, a sample transfer mechanism 44 attached to the side surface of the vacuum chamber 26 as shown in FIG. 1 can be provided. Since the vacuum chamber 26 is fixed to the intermediate rod 36 and the sample stage 52 via the flange 22, the relative position with respect to the sample stage 52 can be specified and fixed with reference to this. Further, since a sufficient moving distance can be taken in the horizontal direction, the sample holder 50 can be inserted and removed using the sample transfer device 48 or the sample transfer 62 as shown in FIGS. 1 and 6A and 6B. By opening the shutter 128, the sample stage 52 can be exposed from the long square opening 122, the holder screw 60 can be loosened, the sample holder 50 can be pulled out, and then the rear plate 58 to which the sample 56 is fixed can be pulled out. ..

また、シャッター128が閉じた状態であっても、スリット134から試料56が露出しているので、必要に応じて、電子ビームや電磁波等を、試料56表面に照射することができる。或いは、試料56表面に照射した光の反射光若しくは散乱光を検出することも可能である。 Further, even when the shutter 128 is closed, the sample 56 is exposed from the slit 134, so that the surface of the sample 56 can be irradiated with an electron beam, an electromagnetic wave, or the like, if necessary. Alternatively, it is also possible to detect the reflected light or the scattered light of the light irradiated on the surface of the sample 56.

[実験例]
図1に示す試料冷却装置10により、以下のような確認実験を行った。室温状態にある試料冷却装置10のGM冷凍機のスイッチを入れ、試料を付けることなく予備試験として、冷却を開始した。その結果として、図22に、冷却開始からの経過時間と、中間ロッド36及びサンプルステージ52の温度との関係を示す。このグラフにおいては、シリコンダイオード温度センサーで測定された中間ロッド36及びサンプルステージ52のそれぞれの各温度と、冷却開始からの経過時間が示されている。冷却開始後、4時間以内に、中間ロッド36及びサンプルステージ52のそれぞれの温度が一定の値を示すようになり、互いにそれぞれの最低温度に到達したといえる。このときのセカンドステージ34の最低到達温度は、10.0Kであった。
[Experimental example]
The following confirmation experiment was performed by the sample cooling device 10 shown in FIG. The GM refrigerator of the sample cooling device 10 at room temperature was switched on, and cooling was started as a preliminary test without attaching a sample. As a result, FIG. 22 shows the relationship between the elapsed time from the start of cooling and the temperatures of the intermediate rod 36 and the sample stage 52. In this graph, each temperature of the intermediate rod 36 and the sample stage 52 measured by the silicon diode temperature sensor and the elapsed time from the start of cooling are shown. Within 4 hours after the start of cooling, the temperatures of the intermediate rod 36 and the sample stage 52 began to show constant values, and it can be said that they reached their respective minimum temperatures. The minimum temperature reached for the second stage 34 at this time was 10.0 K.

上述のように、無負荷状態で、一旦最低到達温度を示した後、面内回転用回転導入器100のステッピングモータ107を駆動し、サンプルステージ52を面内で0度から時計回りに90度回転させた。このときの回転速度は、約8.6度/分であった。このときの試料の面内回転角度(基本状態を0度とする)に対する、中間ロッド36及びサンプルステージ52のそれぞれの温度をプロットしたグラフを図23に示す。この図から分かるように、中間ロッド36の温度は所々でピーク様を示しつつ徐々に上がっているように見えるが、7.5Kを超えることがなかった。一方、サンプルステージ52の温度は、同様に、所々でピーク様を示しつつ徐々に上がっているように見えるが、15K以下に保たれたことが分かる。 As described above, after the minimum temperature reached is once shown in the no-load state, the stepping motor 107 of the in-plane rotation introducer 100 is driven, and the sample stage 52 is in-plane from 0 degrees to 90 degrees clockwise. Rotated. The rotation speed at this time was about 8.6 degrees / minute. FIG. 23 shows a graph plotting the temperatures of the intermediate rod 36 and the sample stage 52 with respect to the in-plane rotation angle of the sample (the basic state is 0 degree) at this time. As can be seen from this figure, the temperature of the intermediate rod 36 seemed to gradually increase while showing a peak-like appearance in some places, but did not exceed 7.5 K. On the other hand, the temperature of the sample stage 52 also seems to gradually increase while showing peaks in some places, but it can be seen that the temperature was kept below 15 K.

次に、サンプルホルダー50に試料として多結晶タンタルを取り付け、上述のように、一旦は最低到達温度に到達させた後、電子衝撃加熱を開始した。この電子衝撃加熱は、試料へ650〜1000Vの電圧を印加し、タングステンフィラメントに5〜9Aの電流を通電することで行った。これにより、0〜40mAのエミッション電流を得た。図24は、この電子衝撃加熱中の、試料、セカンドステージ、サンプルステージ、中間ロッド、編み導線付近の温度を調べた結果であるが、この試料加熱試験における多結晶タンタル及び中間ロッドのそれぞれの温度の経時変化を示したグラフである。加熱中の、タングステンフィラメントの通電電流と試料への印加電圧を調整することで、試料の温度を1375K以下の範囲で連続的に可変であることが示される。一方、加熱中も中間ロッドは200K以下に保たれた。このため、冷凍機ヘッドへの熱ダメージは無いことが分かる。ちなみに、加速電圧1000V、エミッション電流が37.3mAでは、1375Kの試料温度が得られた。 Next, polycrystalline tantalum was attached to the sample holder 50 as a sample, and as described above, once the minimum temperature was reached, electron impact heating was started. This electronic shock heating was performed by applying a voltage of 650 to 1000 V to the sample and energizing the tungsten filament with a current of 5 to 9 A. As a result, an emission current of 0 to 40 mA was obtained. FIG. 24 shows the results of examining the temperatures near the sample, the second stage, the sample stage, the intermediate rod, and the braided wire during the electron impact heating. The temperatures of the polycrystalline tantalum and the intermediate rod in this sample heating test are shown. It is a graph which showed the time-dependent change of. By adjusting the energization current of the tungsten filament and the voltage applied to the sample during heating, it is shown that the temperature of the sample is continuously variable in the range of 1375 K or less. On the other hand, the intermediate rod was kept below 200K even during heating. Therefore, it can be seen that there is no heat damage to the refrigerator head. Incidentally, when the acceleration voltage was 1000 V and the emission current was 37.3 mA, a sample temperature of 1375 K was obtained.

次に、上述のように無負荷状態で一旦最低到達温度を示した後、面内回転用回転導入器のステッピングモータを駆動し、サンプルステージを面内で時計回り又は反時計回りに10度、45度、90度試料を回転した後、逆方向に同じ角度だけ回転した際の、最初の角度からのずれを調べた。駆動した角度は、ステッピングモーターに付属するロータリーエンコーダーを用いて測定し、実際のサンプルステージの角度は、レーザーオートコリメーターを用いて計測した。その面内方向の回転精度についての評価結果を表1にまとめる。すべての実験において、角度のずれは0.5度に収まったことが分かる。 Next, after once showing the minimum reached temperature in the no-load state as described above, the stepping motor of the in-plane rotation introducer is driven, and the sample stage is set in the in-plane clockwise or counterclockwise by 10 degrees. After rotating the sample at 45 degrees and 90 degrees, the deviation from the initial angle was investigated when the sample was rotated in the opposite direction by the same angle. The driven angle was measured using a rotary encoder attached to the stepping motor, and the actual sample stage angle was measured using a laser autocollimator. Table 1 summarizes the evaluation results of the rotation accuracy in the in-plane direction. It can be seen that the angle deviation was within 0.5 degrees in all experiments.

Figure 0006975415
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以上述べてきたように、本願の発明の試料冷却装置では、外部から試料への熱流入を最小にするように、閉サイクルヘリウム冷凍機のコールドエンドに取り付けられた試料保持機構を設計・製作することで、液体ヘリウムを用いることなく、試料を15K以下に冷却し、なおかつ試料を面内方向に高精度で回転することが可能になった。これに加え、本装置は、固体表面の実験研究に応用する際にしばしば求められる下記仕様を満たす。
(1)200℃程度のベーキングに耐え、超高真空(10−8 Pa以下)が得られること。
(2)真空を破らずに試料交換が可能なこと。
(3)表面観測のために様々なビームの入射・出射が可能なこと。
(4)ビームの試料電流が測定できるように試料は電気的に絶縁されていること。
(5)試料表面清浄化のために、電子衝撃加熱により1000K以上の加熱が可能なこと。
(6)試料表面の最低到達温度が15K以下であること。
(6)試料を面内方向に±90度の範囲で、精度0.5度以下の精度で回転可能なこと。
As described above, in the sample cooling device of the present invention, a sample holding mechanism attached to the cold end of the closed cycle helium refrigerator is designed and manufactured so as to minimize the heat inflow from the outside to the sample. This made it possible to cool the sample to 15 K or less without using liquid helium, and to rotate the sample in the in-plane direction with high accuracy. In addition to this, the device meets the following specifications often required when applied to experimental studies of solid surfaces.
(1) Withstand baking at about 200 ° C and obtain an ultra-high vacuum (10-8 Pa or less).
(2) The sample can be exchanged without breaking the vacuum.
(3) Various beams can be incident and emitted for surface observation.
(4) The sample shall be electrically insulated so that the sample current of the beam can be measured.
(5) To clean the surface of the sample, it is possible to heat 1000K or more by electronic shock heating.
(6) The minimum temperature reached on the sample surface is 15K or less.
(6) The sample can be rotated in the in-plane direction within a range of ± 90 degrees with an accuracy of 0.5 degrees or less.

尚、これまでの実施例では冷凍機としてGM冷凍機を用いたが、他の種類の冷凍機のコールドエンドに本技術の熱シールドや伝熱棒(中間ロッド)等を取り付けることにより、同様の試料冷却移動装置を構築することができることは理解されるべきである。 Although the GM refrigerator was used as the refrigerator in the examples so far, the same can be achieved by attaching the heat shield, heat transfer rod (intermediate rod), etc. of this technology to the cold end of other types of refrigerators. It should be understood that a sample cooling transfer device can be constructed.

10 試料冷却装置
12 GM冷凍機のヘッド
14 ヘリウムガスを供給するチューブ
16 ヘリウムガスを排出するチューブ
18 ヘリウムガスコンプレッサー
20 装置移動機構
20a XYZステージ
20b 回転ステージ
22 23 フランジ
24 ベーキング用ヒータ
26 真空槽
28 バルブ
30 49 真空ポンプ
32 ファーストステージ
34 セカンドステージ(コールドエンド)
36 中間ロッド
38 ラディエーションチューブ
40 試料部
42 ゲートバルブ
44 サンプルトランスファー機構
46 操作部
48 サンプルトランスファー装置
50 サンプルホルダー
52 サンプルステージ
56 試料
58 リヤプレート
59 スリ割りボルト
60 ホルダーネジ
61 碍子
62 サンプルトランスファー
64 サンプルトランスファー治具
66 面内回転用ギア
68 下部基材
70 高電圧印加用端子
72 タングステン(W)フィラメント
74 タングステンフィラメント用配線
76 ボート部材
77 トップ面
78 デッキ
80 銅編み線
81 銅編み線端子
82 温度センサ
84 上部カバー
85 バックアップ基材
86 サファイアプレート
88 ベアリング
90 ナット
92 中空円筒軸
93 カップリング
94 最終シャフト
96 傘歯車
98 ユニバーサルジョイント
100 面内回転用回転導入器
102 軸受
104 駆動シャフト
107 ステッピングモータ
108 ラディエーションシールドカバー用回転導入器
110 温度センサ及び低温コントロールヒータ用電流導入端子
112 試料高電圧印加用端子
114 低温コントロールヒータ
116 駆動シャフト
118 ラディエーションシールドカバー
120 接続部
122 長四角の開口部
124 回転軸受
126 ヒンジ
128 ラディエーションシールドカバー部シャッター
130 ヒンジ側屈曲部
132 留め金側屈曲部
133 フロント部
134 スリット
136 上枠
138 下枠
140 上板
142 下板
144 右横枠

10 Sample cooling device 12 GM refrigerator head 14 Tube for supplying helium gas 16 Tube for discharging helium gas 18 Helium gas compressor 20 Device moving mechanism 20a XYZ stage 20b Rotating stage 22 23 Flange 24 Baking heater 26 Vacuum tank 28 Valve 30 49 Vacuum pump 32 First stage 34 Second stage (cold end)
36 Intermediate rod 38 Radiation tube 40 Sample part 42 Gate valve 44 Sample transfer mechanism 46 Operation part 48 Sample transfer device 50 Sample holder 52 Sample stage 56 Sample 58 Rear plate 59 Slicing bolt 60 Holder screw 61 碍 62 Sample transfer 64 Sample transfer Gear 66 In-plane rotation gear 68 Lower base material 70 High voltage application terminal 72 Tungsten (W) filament 74 Tungsten filament wiring 76 Boat member 77 Top surface 78 Deck 80 Copper braided wire 81 Copper braided wire terminal 82 Temperature sensor 84 Top Cover 85 Backup Base Material 86 Sapphire Plate 88 Bearing 90 Nut 92 Hollow Cylindrical Shaft 93 Coupling 94 Final Shaft 96 Head Gear 98 Universal Joint 100 In-plane Rotation Introducer 102 Bearing 104 Drive Shaft 107 Stepping Motor 108 Radiation Shield Cover Rotation introducer 110 Temperature sensor and current introduction terminal for low temperature control heater 112 Sample high voltage application terminal 114 Low temperature control heater 116 Drive shaft 118 Radiation shield cover 120 Connection part 122 Long square opening 124 Rotating bearing 126 Hinge 128 Radi Bearing cover part Shutter 130 Hing side bending part 132 Clasp side bending part 133 Front part 134 Slit 136 Upper frame 138 Lower frame 140 Upper plate 142 Lower plate 144 Right horizontal frame

Claims (20)

閉サイクルヘリウム冷凍機と、
該閉サイクルヘリウム冷凍機のコールドエンドに取り付けられる伝熱手段と、
該伝熱手段へ外部からのラディエーションを遮断すべきシールド手段と、
該伝熱手段に熱的に接触し、試料を特定の面内に回転可能に保持する試料保持手段と、
前記伝熱手段、シールド手段、及び試料保持手段を真空中に維持可能な真空槽と、
を備える試料冷却装置において、
前記試料保持手段は、
前記特定の面内において回転可能な回転部材と、
該回転部材を回転可能に受ける受け手段と、
該回転部材に保持される前記試料を少なくとも前記真空槽又はシールド手段又は伝熱手段から電気的に絶縁可能である、高熱伝導性電気的絶縁部材と、及び
前記回転部材に電気絶縁的に係合して、前記特定の面内の回転運動を伝えるものであって、当該試料保持手段の外部からの回転駆動力を受けて回転させられる受動回転手段と、
を含み、
更に、前記回転部材は前記電気的絶縁部材の表面に密着するところ、前記伝熱手段に熱的に接続され、前記電気的絶縁部材の前記表面にその端部が密着して、前記回転部材から該電気的絶縁部材を介して前記伝熱手段へと熱の移動を可能にし、試料交換可能に時計回り及び反時計回りに前記回転部材を90度まで面内回転できるように、フレキシブルであり、十分な長さを備える伝熱継手と、及び
前記受動回転手段に係合して駆動させる外部駆動手段と、
を含む試料冷却装置。
With a closed cycle helium refrigerator,
A heat transfer means attached to the cold end of the closed cycle helium refrigerator,
A shielding means that should block external radiation to the heat transfer means,
A sample holding means that thermally contacts the heat transfer means and rotatably holds the sample in a specific plane.
A vacuum chamber capable of maintaining the heat transfer means, the shielding means, and the sample holding means in a vacuum,
In a sample cooling device equipped with
The sample holding means is
A rotating member that can rotate in the specific plane, and
A receiving means that rotatably receives the rotating member,
A highly thermally conductive electrically insulating member capable of electrically insulating the sample held by the rotating member from at least the vacuum chamber or the shielding means or the heat transfer means, and
A passive rotating means that electrically engages with the rotating member to transmit a rotational motion in the specific plane and is rotated by receiving a rotational driving force from the outside of the sample holding means.
Including
Further, where the rotating member is in close contact with the surface of the electrically insulating member, it is thermally connected to the heat transfer means, and its end is brought into close contact with the surface of the electrically insulating member from the rotating member. It is flexible so that heat can be transferred to the heat transfer means via the electrically insulating member, and the rotating member can be rotated in-plane up to 90 degrees clockwise and counterclockwise so that the sample can be exchanged. A heat transfer joint with sufficient length, and
An external driving means that engages with and drives the passive rotating means,
Sample cooling device including.
前記閉サイクルヘリウム冷凍機は、GM冷凍機を含むことを特徴とする請求項1に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 1, wherein the closed-cycle helium refrigerator includes a GM refrigerator. 前記伝熱手段は、伝熱棒を含み、前記シールド手段は、ラディエーションチューブを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 1 or 2, wherein the heat transfer means includes a heat transfer rod, and the shield means includes a radiation tube. 前記回転部材は、サンプルステージを含み、前記受け手段は、ベアリングを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 3, wherein the rotating member includes a sample stage, and the receiving means includes a bearing. 前記高熱伝導性電気的絶縁部材は、サファイアプレートを含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 4, wherein the high thermal conductive electrical insulating member includes a sapphire plate. 前記試料保持手段は、熱電子放出用のフィラメントを含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein the sample holding means includes a filament for thermionic emission. 前記受動回転手段は、前記回転部材との共通する軸に、電気的絶縁材料を介して結合するものであって、前記外部駆動手段の係合凸部若しくは凹部に係合して、駆動力を伝達できる伝達部材であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の試料冷却装置。 The passive rotating means is coupled to a shaft common to the rotating member via an electrically insulating material, and engages with an engaging convex portion or a concave portion of the external driving means to exert a driving force. The sample cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein the sample cooling device is a transmission member capable of transmitting. 前記フレキシブルな伝熱継手は、銅編み線を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 6, wherein the flexible heat transfer joint includes a copper braided wire. 更に、装置移動機構を備え、前記試料保持手段を前記真空槽内において適切な位置に移動させることができ、
前記真空槽には、必要に応じてベーキング用のヒータが備えられることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の試料冷却装置。
Further, a device moving mechanism is provided, and the sample holding means can be moved to an appropriate position in the vacuum chamber.
The sample cooling device according to any one of claims 1 to 8, wherein the vacuum chamber is provided with a heater for baking as needed.
前記試料保持手段は、前記伝熱手段の先端に備えられ、
前記シールド手段は、前記試料保持手段を覆うラディエーションシールドカバー、を含むことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の試料冷却装置。
The sample holding means is provided at the tip of the heat transfer means.
The sample cooling device according to any one of claims 1 to 9, wherein the shielding means includes a radiation shield cover that covers the sample holding means.
前記回転部材は、サンプルホルダー及びホルダーネジを含み、前記ホルダーネジを回転させることによりサンプルホルダー及びサンプルステージを密着させることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 10, wherein the rotating member includes a sample holder and a holder screw, and the sample holder and the sample stage are brought into close contact with each other by rotating the holder screw. 前記ラディエーションシールドカバーは、少なくとも試料の一部を露出させる開口を備えるシャッターを含むことを特徴とする請求項10に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 10 , wherein the radiation shield cover includes a shutter having an opening for exposing at least a part of the sample. 前記シャッターは、ヒンジにより前記ラディエーションシールドカバーに回動可能に取り付けられ、
前記真空槽の外側からの駆動力が前記ラディエーションチューブの外側に沿うように延びる開閉用駆動シャフトにより、前記シャッターが開閉すべく、前記ヒンジにおいて回動させられることを特徴とする請求項12に記載の試料冷却装置。
The shutter is rotatably attached to the radiation shield cover by a hinge.
13. The sample cooling device described.
前記GM冷凍機は、そのヘッド部から延びる円筒形状のファーストステージ、及び、そのファーストステージの端部から延びる円筒形状のセカンドステージを含み、
前記ファーストステージは、前記セカンドステージより大きい口径を備え、
前記セカンドステージの外側の前記ファーストステージの端部に、前記シールド手段が取り付けられ、
前記セカンドステージの先端から延びる前記伝熱手段がロッド形状であり、
前記シールド手段は、前記伝熱手段を外部からのラディエーションを遮蔽すべく、前記伝熱手段を覆うことを特徴とする請求項2に記載の試料冷却装置。
The GM refrigerator includes a cylindrical first stage extending from the head portion and a cylindrical second stage extending from the end portion of the first stage.
The first stage has a larger diameter than the second stage and
The shielding means is attached to the end of the first stage outside the second stage.
The heat transfer means extending from the tip of the second stage has a rod shape.
The sample cooling device according to claim 2, wherein the shielding means covers the heat transfer means in order to shield the heat transfer means from external radiation.
前記真空槽に前記試料保持手段に高さを合わせてゲートバルブを介して接続されるサンプルトランスファー機構を含み、
前記回転部材を回転させることにより、前記サンプルトランスファー機構は、真空を破ることなく試料交換ができることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の試料冷却装置。
The vacuum chamber comprises a sample transfer mechanism that is height-matched to the sample holding means and is connected via a gate valve.
The sample cooling device according to any one of claims 1 to 14, wherein the sample transfer mechanism can exchange samples without breaking the vacuum by rotating the rotating member.
前記サンプルトランスファー機構は、サンプルトランスファー治具を含むことを特徴とする請求項15に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 15, wherein the sample transfer mechanism includes a sample transfer jig. 前記外部駆動手段は、駆動シャフトを含み、
該駆動シャフトは、前記シールド手段の外側に沿って延び、前記シールド手段の外側に固定される少なくとも1つの軸受を通ることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の試料冷却装置。
The external drive means includes a drive shaft.
The sample cooling device according to any one of claims 1 to 16, wherein the drive shaft extends along the outside of the shield means and passes through at least one bearing fixed to the outside of the shield means.
前記駆動シャフトは、少なくとも1つのユニバーサルジョイントにより接続されることを特徴とする請求項17に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 17, wherein the drive shaft is connected by at least one universal joint. 前記駆動シャフトは、前記真空槽の外側の駆動装置により駆動されることを特徴とする請求項18に記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to claim 18, wherein the drive shaft is driven by a drive device outside the vacuum chamber. 更に、真空ポンプを備える請求項1から19のいずれかに記載の試料冷却装置。 The sample cooling device according to any one of claims 1 to 19, further comprising a vacuum pump.
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