(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温デバイスを固定した冷却ステージと、
外枠を固定したフランジと、
前記冷却ステージと前記フランジを結ぶシリンダと、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠より構成された断熱室と、
を有する閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置の製造方法において、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠の周辺を真空引きする工程と、
前記フランジ部に前記外枠を固着して、真空に保持された前記断熱室を形成する工程と、
前記閉サイクル型冷却装置の組み立ておよび冷媒の充填を行う工程と、
を備えたことを特徴とする低温デバイス装置の製造方法。
【請求項２】
低温デバイスを固定した冷却ステージと、
外枠を固定したフランジと、
前記冷却ステージと前記フランジを結ぶシリンダと、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠より構成された断熱室と、
を有する閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置の製造方法において、
前記外枠と前記フランジを固着して断熱室を形成する工程と、
前記外枠または前記フランジに形成した真空口から前記断熱室を真空引きする工程と、
前記真空口を密封固着する工程と、
前記閉サイクル型冷却装置の組み立ておよび冷媒の充填を行う工程と、
を備えたことを特徴とする低温デバイス装置の製造方法。
【請求項３】
前記外枠の表面にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、希土類元素など活性金属を真空中で蒸着する工程と、
真空中で連続して前記外枠を前記フランジへ固着する工程と、
を有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の低温デバイス装置の製造方法。
【請求項４】
低温デバイスを固定した冷却ステージと、
外枠を固定したフランジと、
前記冷却ステージと前記フランジを結ぶシリンダと、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠より構成された断熱室と、
を有する閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置において、
真空に保持された前記断熱室と、
前記低温デバイスの外周部を覆うとともに前記冷却ステージに接合されたシールド板と、
前記シールド板の外周部に接合された蓄冷体と、
を設けたことを特徴とする低温デバイス装置。
【請求項５】
前記蓄冷体が比熱の異なる２種類以上の原料により構成されていることを特徴とする請求項４記載の低温デバイス装置。
【請求項６】
前記外枠と前記フランジの固着部の溶接層にアモルファスのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、またはＣｕ−Ｔｉ、またはＮｉ−Ｔｉ、またはＣｕ−Ｚｒ、またはＮｉ−Ｚｒ、またはＡｇ−Ｃｕ−Ｈｆ、またはＣｕ−Ｈｆ、またはＮｉ−Ｈｆ合金を用いたことを特徴とする請求項４記載の低温デバイス装置。
【請求項７】
前記外枠の周部に金属膜を形成した樹脂フィルムを複数層積層して成る輻射層を配置したことを特徴とする請求項４記載の低温デバイス装置。
【請求項８】
低温デバイスを固定した冷却ステージと、
外枠を固定したフランジと、
前記冷却ステージと前記フランジを結ぶシリンダと、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠より構成された断熱室と、
を有する閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置において、
前記断熱室は真空に保持され、
前記外枠の一部または全部がガラスにより成り、
前記ガラスの表面に電磁波を遮断する遮断層、または所定の波長の電磁波を通すフィルター層のいずれか、あるいは両方を有することを特徴とする低温デバイス装置。
【請求項９】
前記外枠にレンズを有することを特徴とする請求項４または８のいずれかに記載の低温デバイス装置。
【請求項１０】
低温デバイスを固定した冷却ステージと、
外枠を固定したフランジと、
前記冷却ステージと前記フランジを結ぶシリンダと、
前記冷却ステージ、前記フランジ、前記シリンダ、及び前記外枠より構成された断熱室と、
を有する閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置において、
真空に保持された前記断熱室と、
前記低温デバイスと前記冷却ステージの間の接合層がＩｎ、Ｉｎ−Ｇａ合金、Ｐｂ等の低融点金属や金属粉末と有機バインダーから成る金属ペーストであることを特徴とする低温デバイス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷却装置を用いた放送用アンテナ（ＢＳ等）、ミリ波・マイクロ波・極超短波を利用した通信機器、赤外線分光分析器（ＩＲ分析）やマイクロ波分光分析器など科学機器、コンピュータ装置や記録装置など情報機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近通信機器、科学機器、情報機器等の高性能化に伴い、高性能化に重要な役割を持つデバイスを低温環境で使うことが検討されている。それは低温環境にすることにより、周知の如く極めて優れた性能を持つ超電導デバイスを使えるだけでなく半導体デバイスも低雑音化、高速化、高集積化が図れるためである。
【０００３】
低温環境にするための冷却装置は開サイクルタイプと閉サイクルタイプの２種類に大別できる。
【０００４】
開サイクルタイプにはいわゆる寒剤冷却である液体窒素や液体ヘリウムを用いる液体冷媒冷却、固体アルゴンやメタン等の昇華潜熱を利用する固体冷媒冷却と宇宙空間の様な低温シンクを利用し受動的に機能する放射冷却がある。これらは主にスーパーコンピューター、リニヤモータカー、電力エネルギー貯蔵装置の様な大型装置の冷却に用いられている。
【０００５】
閉サイクルタイプにはスターリングサイクル（ＳＴ）、ギフォード・マクマホンサイクル（ＧＭ）、ビルマイヤサイクル（ＶＭ）、ジュール・トムソンサイクル（ＪＴ）、ブレイトンサイクル（ＢＲ）、パルスチューブサイクル等がある。これらは主に蒸着機やスパッタ装置に用いる真空ポンプ（クライオポンプ）やコールドトラップ、赤外線イメージセンサー冷却、レーザーの冷却等比較的小型の産業機器・科学機器に用いられている。
【０００６】
近年は使用場所の制約が少なく、冷却温度を容易に変えられる後者の閉サイクルタイプが注目されている。通常閉サイクルタイプを用いた冷却デバイス装置の構造は図７に示す様に冷却装置の冷媒により冷却された冷却ステージ５０１に低温デバイス５０２を固定冷却すると共にその周辺を断熱のため真空キャビティー（断熱室）５１４で覆う構造になっている。真空キャビティー（断熱室）５１４を形成する構造材料は通常ステンレススチールが用いられる。また、真空キャビティー（断熱室）５１４には真空引きするための拡散ポンプ（ＤＰ）、ロータリーポンプ（ＲＰ）やクライオポンプ、ターボ分子ポンプなどが併設される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の閉サイクル冷却装置を用いた低温デバイス装置は以下の様な問題点を有していた。
【０００８】
（１）拡散ポンプ、ロータリーポンプ、クライオポンプ、ターボ分子ポンプなどが併設されているため小型化が困難であり、また、構造が複雑になると専門家のメンテナンスを必要とした。図７ではこれらのシステムを簡略した記号で示しているが、大きさは真空キャビティーの数十倍から数百倍大きい。この点は民生機器へ低温デバイス装置を普及させる上で大きな阻害因子となっていた。
【０００９】
（２）閉サイクル冷却装置本体を小型化すると冷媒の量が少なくなるため冷却能力が落ち、低温デバイス周辺の断熱効率や冷却ステージと低温デバイス間の熱伝導効率面に無駄が有ると低温デバイスを均一に冷却できずデバイスの特性劣化をまねいた。即ち小型化と冷却能力には相反する面があり小型化を図るには如何に断熱効率と熱伝導効率を高くするかがポイントと言える。
【００１０】
（３）冷却ステージへのフランジを介しての外部からの熱伝導を少なくするには周知の如く冷却ステージとフランジを結ぶシリンダの肉厚を極力薄くすると良い。しかし、薄くすると変形し易くなり冷却装置本体に後から断熱室を形成する場合、断熱室形成に於いて溶接など温度勾配、温度分布を持つ加工を行うと部品形状、材料の線膨張係数の差による応力の発生により変形が助長されていた。
【００１１】
（４）低温デバイス周辺の構造材料はステンレススチールであるため電磁波が透過せず電磁波検出用の装置には適さなかった。
【００１２】
（５）（４）の対策として一部を石英ガラス等で置き換えることが考えられる。しかし、単純に置換しただけでは、例えば衛星放送の受信に超伝導デバイスを用いた場合、次の様な問題がある。野外に設置するため検出装置には受信信号の他に受信信号よりエネルギーｈν（ここでｈはプランク定数、νは周波数）の高い太陽光も入る。超伝導体のエネルギーギャップΔより大きなエネルギーｈνを持つ太陽光の様な電磁波が連続して超伝導デバイスに入るとクーパー対を破壊し超伝導デバイスとしての動作をしなくなる。
【００１３】
（６）装置の小型化の面だけでなく、低温デバイスの環境温度をより精密にするには低温デバイスをより小型化するとよい。しかし、アンテナに応用する場合は小型化し過ぎると検波能力が低下する。小型化は目安としては最も効率の良い超伝導アンテナを用いて信号波長λの１／５０程度と言われている。
【００１４】
本発明は以上述べた問題点を解決するものであり、小型化が出来、メンテナンスが容易で民生機器への適用が可能で且つ多方面への応用が可能な小型低温デバイス装置を得んとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明よりなる小型低温デバイス装置は閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て閉サイクル型冷却装置の少なくとも低温デバイスを固定した冷却ステージ部、外枠を固定するフランジ部、冷却ステージとフランジ部を結ぶシリンダ部の周辺を真空引きした後、該フランジ部に外枠をセットし且つ固着せしめ冷却ステージ、フランジ、外枠等により構成される断熱室を真空に保持したこと、閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て閉サイクル型冷却装置の低温デバイスを固定する冷却ステージ部、外枠を固着したフランジ部、冷却ステージとフランジ部を結ぶシリンダ部と外枠により構成した断熱室をフランジ部または外枠に穿孔せる真空口より真空引きしその後該穿孔を密閉固着せしめ断熱室を真空状態に保持したこと、閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て冷却ステージ部、フランジ部、シリンダ部、外枠よりなる断熱室を真空に保持した後閉サイクル型冷却装置の既に形成されている冷却ステージ部、フランジ部等を除いた部分の組立や冷媒の充填を行ったことを特徴とする。この時の断熱室の真空度は１０ー3Ｔｏｒｒ以上、より好ましくは１０ー5Ｔｏｒｒ以上である。また、本発明の小型低温デバイス装置は閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て断熱室内の低温デバイス周部を冷却ステージと接続した良熱伝導材料と該良熱伝導材料の周部に接合した蓄冷材料で覆ったこと、その蓄冷材料が比熱の異なる２種類以上の原料により構成されていること、閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て断熱室を構成する外枠とフランジの接合にアモルファスのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ｚｒ、Ｎｉ−Ｚｒ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｈｆ、Ｃｕ−Ｈｆ、Ｎｉ−Ｈｆ合金を用いたこと、閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て断熱室を構成する外枠の周部にＡｌ等金属を成膜した樹脂フィルムを多数層積層して成る輻射層を配置したこと、閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て断熱を構成する外枠等の表面にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、希土類元素など活性金属を蒸着しその後大気に晒す事なく連続して外枠をフランジへセット且つ固着せしめたことを特徴とする。この輻射層は外枠の内側に形成する方が好ましく、外枠の両サイドに形成するとより好ましい。活性金属の蒸着は希土類元素を用いる場合下地層としてＴｉを蒸着するとより好ましい。また、本発明の小型低温デバイス装置は閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て閉サイクル型冷却装置と共に断熱室を構成する外枠の一部分あるいは全部を石英、アルミノ珪酸、硼珪酸、チタン珪酸等いわゆるガラスにより形成し、該ガラスの表面に電磁波を遮断する遮断層、所定の波長の電磁波を通すフィルター層の何れか、または両方を形成したことを特徴とする。この遮断層、フィルターの形成は外枠の内面が好ましく、更に遮断層にはＡｌが好ましい。また、本発明の小型デバイス装置は閉サイクル型冷却装置を用いた低温デバイス装置に於て閉サイクル型冷却装置と共に断熱室を構成する外枠の一部、またはその周部にレンズを形成したことを特徴とする。更に、本発明の小型低温デバイス装置は閉サイクル型冷却���置を用いた低温デバイス装置に於て低温デバイスから冷却ステージまでの熱伝導経路の接合部をＩｎ、Ｉｎ−Ｇａ合金、Ｐｂ等低融点金属や金属粉末と有機バインダーから成る金属ペーストを介して接着したことを特徴とする。この低融点金属の融点は好ましくは４００℃、より好ましくは１００℃以下である。
【００１６】
【実施例】
以下、実施例に従って本発明を詳細に説明する。
【００１７】
（実施例１）
本実施例の小型低温デバイス装置の構造を図１に示す。閉サイクル型冷却装置には最も効率の良いスターリングサイクルを用いた。スターリングサイクルの冷却ステージ１上には低温デバイス２を接合層３を介して接合しており、その冷却ステージ１の下部にはシリンダ４、フランジ５がある。更にフランジ５には溶接層６を介して表面に遮断層８を形成した外枠７を接合している。これら冷却ステージ１、シリンダ４、フランジ５、外枠７により構成される断熱室１４は減圧状態に維持されている。また、低温デバイス２はリード線９、フランジ５に固着されたコネクター１０を通し外部装置と接続している。
【００１８】
次に、本発明を図１を参照にして製造プロセスに従い説明する。先ず石英ガラスにより円筒状の外枠７を形成しその所定の内部表面に遮断層８となるアルミニウムを蒸着する。ここでガラスを選定したのは熱伝導率が低く断熱性の高い材料であるためである。しかし、ガラスは外部からの温度変動因子（熱エネルギー）となる電磁波（光）を通すためデバイスの目的に応じ所定の場所にアルミニウムを蒸着し遮断する。また、アルミニウム、銀等の金属層の形成は熱放射率（輻射率）を抑える重要な効果も持つ。放射率は遮断層８の表面粗さや酸化の有無により異なり、ガラスの様に鏡面が得られ易い材料を用い且つ蒸着物質を酸化させないように真空保持側に蒸着するとよりその効果は大きい。次に、外枠７のフランジ５との接合部にＺｎまたはＳｂを添加したＰｂ−Ｓｎ合金をプラズマ溶射により塗布し溶接層６を形成する。ここでＺｎまたはＳｂを添加すると共にプラズマ溶射を行う理由はガラスと反応させ密着性を強固にするためである。この他にも超音波印加によりガラスをメタライズ化しても密着性のよい溶接層６が得られる。同様に組立上がりの閉サイクル型冷却装置（つまりシリンダ４内にはピストン等が組み込まれている状態）のフランジ５に形成された外枠係合溝１６にも溶接層６を形成する。次に低温デバイス２を冷却ステージ１にＩｎ−Ｇａ合金（融点３５℃）より成る接着層３を介して接着する。固体と固体の接点を通じての熱伝達率κ（ＷＫ-1ｍ-2）はＪ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２７（１９５６）３１８に述べられているＲ．Ｂｅｒｍａｎの研究によると
κ＝αＰ  （αは比例定数）
で示されるように接点に加えられる圧力Ｐに対して比例関係にある。即ち熱伝導率κを向上させるには圧力Ｐを高くする必要がある。しかし、超伝導デバイスを代表とした低温デバイス２は一般的に強度がないため圧力Ｐを高くすると破壊や性能劣化を招く。実施例の様に固体間を熱伝導性のよい接着層３で固着し一体化することにより圧力Ｐを加えることなく熱伝達率κを向上させることが出来る。また、最近実用化が進み大きな市場形成が期待される高臨界温度超伝導体は温度を高くすると物質中の酸素が抜け性能低下を招き、真空中に於いてその傾向はより顕著であるため接着時の加熱は極力抑える必要がある。性能低下を抑えるには加熱温度は４００℃以下が好ましく、より好ましくは１００℃以下である。
【００１９】
Ｉｎ−Ｇａ合金は組成比によっては室温に近い融点の合金が得られるため接着するときの加熱が容易であり且つ低温デバイスの性能低下も無いため適している。  この他にもＩｎ−Ｇａ合金に比べ特性は僅かに劣るものの有効なものにＩｎ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｎ合金、銀ペースト、金ペーストが上げられる。尚、後加工に接合層３の融点以上の加熱がある場合は低温デバイス２を機械的に保持する機構も必要である。
【００２０】
次に、低温デバイス２、リード線９、コネクター１０を接続し外枠７と共に真空チャンバーに入れ真空引きする。この時の圧力は１０ー5Ｔｏｒｒ以下である。真空引き後真空チャンバー内で外枠７とフランジ５を係合、更にその係合部（溶接層６）を加熱して外枠７とフランジ５を溶着する。
【００２１】
しかして低温デバイス２の周辺を高真空に維持し断熱機能を持たせる。尚、溶接時に超音波印加を行うとより安定した溶接が可能となり歩留り、機械的強度が上がるだけでなく断熱室１４の真空度をより高く且つ長期間安定して保持することが出来る。
【００２２】
得られた小型低温デバイス装置の７７Ｋまでの到達時間と７７Ｋに設定し外部環境を−１０℃〜５０℃間で変動させた時の熱安定性を低温デバイスを冷却ステージ１に接着しない場合と比較した。その結果を表１示す。
【００２３】
【表１】
0003656260.tif 000002
【００２４】
尚、実施例と比較例に用いた閉サイクル冷却装置は同一タイプ、同一性能を持つ冷却装置であり、７７Ｋの冷却能力が１．５Ｗ、サイズが９５×１００ｍｍ、重量が５００ｇという極めて小型の閉サイクル冷却装置である。また、低温デバイス２の温度測定には低温デバイス２に熱電対を銀ペーストにより固定して行った。
【００２５】
表１から本実施例によると低温デバイス２を低温ステージ１に熱伝導率の良い金属で接着することにより所定の温度までの到達時間が大幅に短縮され更に温度安定性が向上したことが判る。これは冷却ステージ１と低温デバイス２間の熱伝導効率が上がり冷却ステージ１の温度を効率良く低温デバイスに伝えているためであり、温度制御の精密化に有効な手段である。
【００２６】
【表２】
0003656260.tif 000003
【００２７】
また、本実施例と従来の真空ポンプ使用タイプを接着の有無に分け同様な比較を行った。結果を表２に示す。真空ポンプを用い連続して真空引きを行っているものと差は殆ど無く本実施例によれば真空ポンプを使わずとも同等の性能が得られることが判る。即ち、小型化とメンテナンスの簡略化が図れる。真空保持方法の違いによる比較では接着なしに於て僅か差が見られるが前述した様に低温ステージ１と低温デバイス２を低融点金属または金属ペーストで接着し熱伝導効率を上げると差は無くなる。
【００２８】
（実施例２）
本実施例の小型低温デバイス装置の構造を図２に示す。完成品の基本構造は実施例１とほぼ同じであるが外枠１０７とフランジ１０５との溶接をより強固にするため高融点、高温液層の溶接層１０６を用いる場合や断熱効率を上げるためシリンダ１０４の肉厚を極力薄くする時に有効な手段である。
【００２９】
先ず、図２示す様に真空口１１１を有し硼珪酸ガラスよりなる外枠１０７を形成する。次に、該外枠１０７の内面にアルミニウムを蒸着し遮断層１０８を形成し、更にフランジ１０５との係合部にＡｇ20Ｃｕ60Ｔｉ20合金をプラズマ溶射し溶接層１０６を形成する。溶接層１０６の材料にはこのＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の他にＣｕ−Ｔｉ系（例えばＣｕ65Ｔｉ35）、Ｎｉ−Ｔｉ系（例えばＮｉ30Ｔｉ70）が上げられる。Ｔｉの様に活性な金属を含む合金を用いると外枠１０７との濡れ性が向上（平衡接触角減少）し、接合強度も強くなる。更にこれらの合金はアモルファスであるため柔軟性、均一性に優れているためより気密性の高い溶接が可能となる。尚、Ｔｉの代わりにＺｒやＨｆを用いた合金も同じ効果がある。次にフランジ１０５の外枠１０７との係合部にも外枠１０７と同様にＡｇ20Ｃｕ60Ｔｉ20合金をプラズマ溶射し溶接層１０６を形成する。ここでの溶接層１０６の形成は実施例１の様に完成した閉サイクル冷却装置に於て行うのではなく、図２に示す様に部品の状態（シリンダ１０４の内部にピストン等を組み込んでいない状態）で行う。次に外枠１０７とフランジ１０５を係合し、真空中または不活性ガス雰囲気中で加熱し接合する。ここ真空中に於て溶融接合するのは材料の酸化による劣化を防ぐためである。この様に対称性が良く且つ単純な構造である部品状態で溶融接合を行うと加熱による変形が少なくなる。故に溶融接合温度を高くすることが出来る。そのため溶接層１０６の材料制限が少なくなり機械的強度、密着性、柔軟性等に優れた材料を選択する自由度が増す。また、低い温度で溶接する場合は変形が少ないためよりシリンダ１０４の肉厚ｔを薄くすることが出来る。そのためフランジ１０５から冷却ステージ１０１への熱伝導を抑えることが可能となり冷却ステージ１０１の冷却効率が向上する。尚、外枠１０７とフランジ１０５の膨張係数に大きな差がある場合はＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｋｏｖａｒ、Ｉｎｖａｒ、ＳｕｐｅｒＩｎｖａｒの様な低膨張金属、低膨張合金や応力を緩和するＡｌの様な軟質金属を外枠１０７とフランジ１０５の中間に挟むと残留応力、歪を抑えることが出来る。次に低温デバイス１０２を低温ステージ１０１にＩｎ−Ｇａ合金で接着（１０３は接着層）、更に低温デバイス１０２、リード線１０９、コネクター１１０を接続する。次に、断熱室１１４内を１０ー5Ｔｏｒｒ以下に真空引きし、その後真空口１１１を密封固着し断熱室１１４を高真空に保持する。次に閉サイクル型冷却装置の組立、Ｈｅチャージを行い小型低温デバイス装置を得る。
【００３０】
得られた小型低温デバイス装置の７７Ｋまでの到達時間と７７Ｋに設定し外部環境を−１０℃〜５０℃間で変動させた時の熱安定性を測定した。結果を表３に示す。表３から判るようにシリンダ１０４部の肉厚ｔを薄くし断熱効率を上げることにより７７Ｋまでの到達時間が短縮され且つ温度安定性も向上している。
【００３１】
【表３】
0003656260.tif 000004
【００３２】
尚、本実施例と同様な条件で部品状態でなく完成された冷却装置を用いて外枠１０７の溶着を行うと冷却装置にチャージしたＨｅガスの汚染も見られた。Ｈｅガスの汚染は冷却能力の低下につながる。
【００３３】
（実施例３）
本実施例よりなる小型低温デバイス装置の構造を図３に示す。冷却ステージ２０１上には接合層２０３を介してシールド板２１３を接合、該シールド板２１３には同じく接合層２０３を介して低温デバイス２０２を接合している。更にシールド板２１３の外周部には蓄冷体２１３を接合している。これらの周部は実施例１と同様に外枠２０７、フランジ２０５等により断熱室２１４が形成されている。
【００３４】
次に、製造プロセスに従い説明する。先ず冷却ステージ２０１にシールド板２１２をＩｎ−Ｇａ合金で接着、更にシールド板２１２に低温デバイス２０２をＩｎ−Ｇａ合金で接着する。このシールド板２１２は極力低温デバイス２０２を覆う様に形成することが好ましい。シールド板２１２はＣｕ、Ａｌ、Ａｇの様な良熱伝導材料が適している。次にシールド板２１２の外周部に蓄冷体２１３を接着する。蓄冷体２１３には低温デバイス２０２の使用環境に於ける温度で比熱の高い材料が良い。ここでは希土類元素を主体とした磁性体蓄冷材である Ｇｄ0.4Ｄｙ0.6とＥｒ0.4Ｄｙ0.5とＮｄ0.2Ｅｒ0.4Ｄｙ0.5の３種類の合金粉末を混合した後焼結して作製した蓄冷体２１３を用いた。３種類の合金を用いるのは次の理由による。比熱は環境温度により異なり比熱−温度特性は所定の温度でピークを持つため、ピーク位置の異なる３種類の材料を組合せピークを合成してブロードにし、適用温度範囲を広げる為である。本実施例では特性の異なる合金を粉末状に於いて混合分散したが異なる板状合金を積層しても差し支えない。また、希土類元素を用いた合金は酸化し劣化し易いため表面にメッキ、樹脂コーティング等保護層を形成すると扱い易い。次に実施例１と同じくリード線２０９、コネクター２１０を接続した後真空状態で外枠２０７を溶接して小型低温デバイス装置を得る。
【００３５】
【表４】
0003656260.tif 000005
【００３６】
得られた小型低温デバイス装置の７７Ｋまでの到達時間と７７Ｋに設定し外部環境を−１０℃〜５０℃間で変動させた時の熱安定性を評価した。その結果を表４に示す。
【００３７】
蓄冷体２１３で低温デバイス２０２の周部を覆う事により到達時間は実施例１に比べ遅くなるが熱安定性は極めて顕著に向上していることが判る。尚、到達時間は実施例１と比較すると遅いが低温デバイスを低温ステージに低融点金属または金属ペーストで接着しない従来例よりは顕著に短縮されている。
【００３８】
また、低温デバイス２０２の周囲を蓄冷体２１２のみで覆っても温度安定性面で顕著な改善効果が見られるがシールド板２１２と蓄例体２１３を複合化し低温デバイス２０２を覆うことにより到達時間は速くなり温度安定性は更に改善される。これはシールド板２１２が冷却ステージ２０１から蓄冷体２１３へまたは蓄冷体２１３から冷却ステージ２０１への温度変動時のエネルギーのやり取りを効率良く行っているためと考えられる。
【００３９】
（実施例４）
本発明よりなる小型低温デバイス装置の構造を図４に示す。実施例３の小型低温デバイス装置の周部に輻射層３１５を配置した構造になっている。この輻射層３１５はＡｌを蒸着したポリイミドフィルムを２０〜５０層積層したものである。ここでポリイミド樹脂を用いたのはポリイミドはフランジ３０５と外枠３０７の溶接時の加熱と使用時の低温デバイスの冷却時に於て安定した機械的特性を持っているためである。この他には少し耐熱、耐寒性は劣るがポリフェニレンサルファイト、ポリアリレート、ポリメチルペンテン等が上げられる。また、輻射層３１５を形成していない外枠３０７の内面にはフィルター３１７が形成されている。
【００４０】
製造プロセスに於て実施例３と異なる点は外枠３１７の一部にフィルター３１７層を形成しする点と外枠３０７の内周部に輻射層３１５を配置するため予め外枠３０７に輻射層３１５をセットし、その後真空引きしてフランジ３０５と溶接する点にある。真空引き工程では高真空状態になっても真空引きを止めると積層フィルム中に取り残されたガスが僅かずつ放出され真空度を低下させることが多々ある。高真空状態を維持するには実施例１より長い時間真空引きする必要がある。この工程の時間を短縮するには前もって輻射層３１５を別チャンバーに於て真空中に晒し加熱を行ったりポリアリレート、ポリメチルペンテンの様にガス透過性の良い樹脂を用いると良い。
【００４１】
得られた小型低温デバイス装置の７７Ｋまでの到達時間と７７Ｋに設定し外部環境を−１０℃〜５０℃間で変動させた時の熱安定性を評価した。結果を表５に示した。
【００４２】
表から判るように輻射層３１５を形成することにより到達時間、熱安定性共に向上しているのが判る。これは輻射を抑えるＡｌを熱伝導率の低い樹脂で挟み多層にすることにより効率良く輻射を少なくしている為である。特に真空状態にある外枠３０７の内周部に輻射層３１５を配置する場合は輻射層３１５の厚さ方向の熱伝導が少なくなるためより顕著な効果となっている。当然両面に配置すると効果は更に大きくなる。
【００４３】
【表５】
0003656260.tif 000006
【００４４】
また、小型低温デバイス装置を電磁波検出用、例えば衛星放送（ＢＳ）に用いるには輻射層３１５（または他の実施例では遮断層８、１０８等）の形成場所を限定し電磁波の透過する箇所を作らなければならない。しかし、外枠３０７に石英、アルミノ珪酸、硼珪酸、チタン珪酸ガラス等を用いると前述の様な多くのメリットを有する反面、超伝導体を用いた低温デバイスでは太陽光の様な超伝導体のギャップエネルギーΔより大きなエネルギーｈν（ここでｈはプランク定数、νは周波数）を持つ電磁波が入射すると超伝導電子対（または正孔対）はこのエネルギーを吸収して破壊される。そのため検出すべき衛星放送（ＢＳ）の電波の測定が出来なかった。
【００４５】
本実施例では高エネルギーの電磁波を吸収するフィルターを形成したため超伝導体を用いた低温デバイスを衛星放送（ＢＳ）の様な電磁波検出装置に用いることが可能になった。
【００４６】
尚、前述の到達時間、温度安定性評価は恒温槽内で行い、この電磁波検出の可否を判断する評価は屋外で行った。
【００４７】
（実施例５）
本発明よりなる小型低温デバイス装置の構造を図５と図６に示す。大きな特徴は無機質のガラス材料より成る外枠４０７の電磁波が透過する所定の箇所にレンズを形成している。レンズは図５に示す用に外枠４０７と一体、即ち同一材料で形成しても良く、図６の様に外枠４０７の周部に異質の材料を固着して形成しても良い。図６の様に異質の材料を用いる場合はレンズ４１８の材料にはエポキシ、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォン、ポリスチレン、ポリメチルメタアクリレート、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ポリ４メチルペンテン等有機材料を用いると成形が容易、即ちコストが掛からず適している。また、本実施例では低温デバイス４０２には超伝導アンテナを含む電磁波検出装置を形成している。
【００４８】
得られた小型低温デバイス装置にマイクロ波を照射し超伝導アンテナが波長に対して何処まで小型化出来るか検討した。結果を表６に示す。表中のλは波長を示す。
【００４９】
表から判る様に本発明によると超伝導アンテナ、即ち低温デバイスを更に小型化することが可能になる。尚、小型化しない場合はアンテナの利得が上がり検出感度が向上する。また、本発明は外部に光学系を設けるのではなく外枠４０７にレンズを直接形成するため機構が簡単で容易に出来、且つ安定している。
【００５０】
尚、本実施例に於て外枠４０７は形成が容易であるにも関わらず有機材料で形成していない。これは有機材料はガスを透過し断熱室４１４を高真空に維持することが出来ないためである。有機材料で形成した外枠４０７の内面に強固なガス透過防止膜を形成することが可能であれば有機材料を用いても何等差し支えない。
【００５１】
【表６】
0003656260.tif 000007
【００５２】
（実施例６）
実施例１と構造は同じであるが製造プロセスが異なる。先ず外枠７のフランジ５との接合部に溶接層６を形成した後、外枠７を真空チャンバー内に入れ１０-5Ｔｏｒｒ以下の圧力に於て内面に遮断層８となるＴｉを蒸着する。この時、真空チャンバー内は活性の強いＴｉのゲッター効果により、実施例１の様に単純に真空引きする場合より早く且つ高い真空度となる。次に、外枠７を大気に晒すことなく同一チャンバー内で実施例１と同様に低温デバイス２等を組込んだ冷却装置にセット、更に溶着して小型低温デバイス装置を得る。断熱室１４内の真空度が高いため、より優れた長期安定性、長期信頼性を持つ小型低温デバイス装置となる。本実施例では１０ー7Ｔｏｒｒ台の真空度の維持が可能であった。Ｔｉの他にも同様な特性を持つＺｒ、Ｈｆ、希土類元素を用いても良い。特にＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒはガラスとの密着性が良いため遮断層に他の金属、例えば輻射防止効果を強くするためＡｌを用いる場合の下地層としても使える。希土類元素は活性が強いため高真空化には大きな効力が有るがガラスとの密着性は落ちる。密着性を上げるにはＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒと複合すると良い。
【００５３】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載される様な効果を奏する。
【００５４】
低温デバイスの周囲を排気ポンプを用いず高真空状態に維持したため小型化が図れる共にメンテナンスが容易になった。
真空状態の断熱室の形成を行った後に冷却装置の組立を行ったため溶接層の材料制限がなくなり、より強固な溶接が可能になった。また、シリンダが変形しずらいプロセスのため、シリンダの肉厚を薄く出来、冷却ステージへの外部からの熱侵入を抑えられ冷却効率が向上した。
【００５５】
低温デバイスを冷却ステージに熱伝導性の良い合金または金属ペーストで接着したためより冷却効率が向上した。
【００５６】
低温デバイスの周囲を蓄冷材で覆ったことにより熱安定性が向上した。
【００５７】
活性金属を蒸着した後に断熱室を形成したため、断熱室内を高真空で且つ長時間維持することが出来た。
【００５８】
外枠にレンズを形成したため電磁波の制御が可能になり小型化出来た。
【００５９】
これらを融合すると冷却装置を搭載した高機能な低温デバイスを民生機器へ容易に普及することが可能になるためその効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小型低温デバイス装置の一実施例を示す部分縦断面図。
【図２】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を示す縦断面図。
【図３】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を示す縦断面図。
【図４】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を示す部分縦断面図。
【図５】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を示す部分縦断面図。
【図６】本発明の小型低温デバイス装置の他の実施例を示す部分縦断面図。
【図７】従来の小型低温デバイス装置の部分縦断面図。
【符号の説明】
１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１・・・冷却ステージ
２、１０２、２０２、３０２、４０２、５０２・・・低温デバイス
３、１０３、２０３、３０３、４０３・・・接着層
４、１０４、２０４、３０４、４０４、５０４・・・シリンダ
５、１０５、２０５、３０５、４０５・・・フランジ
６、１０６、２０６、３０６、４０６・・・溶接層
７、１０７、２０７、３０７、４０７、５０７・・・外枠
８、１０８、２０８・・・遮断層
９、１０９、２０９、３０９・・・リード線
１０、１１０、２１０、３１０・・・コネクター
１１１・・・真空口
２１２、３１２・・・シールド板
１４、１１４、２１４、３１４、４１４、５１４・・・断熱室
２１３、３１３・・・蓄冷材
３１５、４１５・・・輻射層
１６・・・外枠係合溝
３１７、４１７・・・フィルター
４１８・・・レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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