(57)【要約】【課題】良好な冷凍能力と振動の抑制を両立した蓄冷式冷凍機のシリンダおよび蓄冷式冷凍機を提供する。【解決手段】パルス管冷凍機１０は、第１段蓄冷管３１、第２段蓄冷管４１、第１段パルス管３６、および第２段パルス管４６のそれぞれのシリンダ３２，３７，４２，４７が、その肉厚が、高温端側が低温端側よりも厚く形成されている。より具体的には、シリンダ３２，３７，４２，４７は低温端から高温端に向かって肉厚が連続的に増して形成されている。これにより、高温端側からの侵入熱を抑制して良好な冷凍能力を維持すると共に、低温端の肉厚が低温端から高温端まで一定であるシリンダよりもシリンダの剛性が増し、シリンダ内の圧力変動によるシリンダの伸縮による低温端にある第１冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０の振動を抑制できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄冷式冷凍機のコールドヘッドに用いられるシリンダであって、
当該シリンダはその内部が中空状あるいは蓄冷材を有してなり、その肉厚は高温端側が低温端側よりも厚いことを特徴とするシリンダ。
【請求項２】
前記低温端の到達温度が１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることを特徴とする請求項１記載のシリンダ。
【請求項３】
当該シリンダは、前記低温端から高温端に向かって段階的に肉厚が増加してなることを特徴とする請求項１または２記載のシリンダ。
【請求項４】
当該シリンダは、前記低温端から高温端に向かって連続的に肉厚が増加してなることを特徴とする請求項１または２記載のシリンダ。
【請求項５】
当該シリンダは単段式であり、その低温端の到達温度が１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることを特徴とする請求項１記載のシリンダ。
【請求項６】
当該シリンダは複数のシリンダからなる多段式であり、
該複数のシリンダうち、いずれか１つのシリンダが、その肉厚は高温端側が低温端側よりも厚く、かつその低温端の到達温度が１０Ｋ以上であることを特徴とする請求項１記載のシリンダ。
【請求項７】
作動ガス圧縮器と、作動ガスが吸排気されるコールドヘッドとを備える蓄冷式冷凍機であって、
当該蓄冷式冷凍機は、蓄冷材を有する蓄冷管と、蓄冷管の低温端側が熱的に接続された中空状のパルス管と、該蓄冷管あるいはパルス管の低温端に接触する冷却ステージを有するパルス管冷凍機であり、
前記蓄冷管とパルス管の少なくともいずれかが請求項１〜６のいずれか一項記載のシリンダを有することを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項８】
作動ガス圧縮器と、作動ガスが吸排気されるコールドヘッドと、を備える蓄冷式冷凍機であって、
当該蓄冷式冷凍機は、シリンダと、該シリンダ内にディスプレーサと、該ディスプレーサ内に充填された蓄冷材と、該シリンダの低温端に接触する冷却ステージを有するギフォード・マクマホン式冷凍機であり、
前記シリンダは、請求項１〜６のいずれか一項記載のシリンダであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項９】
作動ガス圧縮器と、作動ガスが吸排気されるコールドヘッドと、を備える蓄冷式冷凍機であって、
当該蓄冷式冷凍機は、シリンダと、該シリンダ内にディスプレーサと、該ディスプレーサ内に蓄冷材を有するディスプレーサと、該シリンダの低温端に接触する冷却ステージを有するスターリング冷凍機であり、
前記シリンダは、請求項１〜６のいずれか一項記載のシリンダであることを特徴とする蓄冷式冷凍機。
【請求項１０】
気体分子を凝縮するクライオパネルと、
請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の蓄冷式冷凍機と、を備え、
前記蓄冷式冷凍機の冷却ステージにクライオパネルが熱的および機械的に接続されてなるクライオポンプ。
【請求項１１】
気体を液体に凝縮する再凝縮器と、
請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の蓄冷式冷凍機と、を備え、
前記蓄冷式冷凍機の冷却ステージに再凝縮器が熱的および機械的に接続されてなる再凝縮装置。
【請求項１２】
超電導電磁石と、
請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の蓄冷式冷凍機と、を備え、
前記蓄冷式冷凍機の冷却ステージに超電導磁石が熱的および機械的に接続されてなる超電導磁石装置。
【請求項１３】
半導体検出器と、
請求項７〜９のうち、いずれか一項記載の蓄冷式冷凍機と、を備え、
前記蓄冷式冷凍機の冷却ステージに半導体検出器が熱的および機械的に接続されてなる半導体検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄冷式冷凍機、および蓄冷式冷凍機に用いられる蓄冷管やパルス管等のシリンダ、並びに蓄冷式冷凍機を用いたクライオポンプ、再凝縮装置、超電導磁石装置、および半導体検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄冷式冷凍機は、４Ｋ程度の極低温から１００Ｋ程度の低温を形成し、超電導磁石の冷却やクライオポンプ等に用いられている。蓄冷式冷凍機は、外部から仕事を与えて作動流体を圧縮し圧縮熱を除去してエントロピーを下げる圧縮部と、圧縮された作動流体から仕事を吸収させることにより作動流体を膨張させ、系外から熱を加えることによりエントロピーが増大する膨張部と、蓄冷器を用いて、圧縮部と膨張部とを温度的に分離すると同時に膨張部で増大したエントロピーを圧縮部に流出させる熱交換部からなる。蓄冷式冷凍機には、パルス管冷凍機、ギフォード・マクマホン式（ＧＭ）冷凍機、スターリング冷凍機等が挙げられる。
【０００３】
パルス管冷凍機は、ガス圧縮機により圧縮された作動流体である作動ガスが蓄冷器およびパルス管に流入する動作と、ガス圧縮機により作動流体が回収され蓄冷器およびパルス管から流出する動作を繰り返すことで、蓄冷器およびパルス管の低温端に寒冷を形成する。これらの低温端を冷凍対象物に熱的に接触させることで、被冷凍対象物から熱を奪う。蓄冷器は、シリンダ中に蓄冷材を内部に有するシリンダからなり、パルス管は中空のシリンダからなる。それぞれのシリンダは一端が高温端、他端が低温端であり、高温端からの熱伝導を抑制するために、薄肉のステンレス鋼で形成されている。高温端からの侵入熱が多いほど冷凍能力が低下し、低温端の温度が上昇するため、１ｍｍ以下の薄肉化が進められている。
【０００４】
他方、シリンダの薄肉化がすすむと、作動ガスの圧縮・膨張の繰り返しによりシリンダが軸方向に伸縮し低温端が振動してしまう。この振動が冷凍対象物に伝わると、高精度の位置決めが必要な半導体製造装置では歩留まりの低下等を招いてしまう。
【０００５】
このため、図１に示すようにパルス管５０１，５０２や蓄冷器５０３，５０４が薄肉の金属材で形成され、それらのシリンダの一部に肉厚部５０１ａ〜５０４ａを形成し補強領域を設けたパルス管冷凍機５００が提案されている（特許文献１参照。）。さらに、シリンダの低温端側の肉厚を高温端側の肉厚よりも増して振動を抑制することが提案されている（特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００４−９３０６２号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１では、肉厚部５０１ａ〜５０４ａにより振動は抑制される方向に働くが十分ではなく、さらに肉厚部５０１ａ〜５０４ａを多数配置して振動を抑制しようとすると冷凍能力の低下を招くおそれがある。また、上記特許文献２では、振動抑制効果は期待されるが、冷凍能力の低下を招くおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、良好な冷凍能力と振動の抑制を両立した蓄冷式冷凍機のシリンダ、蓄冷式冷凍機、および蓄冷式冷凍機を備えるクライオポンプ、再凝縮装置、超電導磁石装置、および半導体検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一観点によれば、蓄冷式冷凍機のコールドヘッドに用いられるシリンダであって、当該シリンダはその内部が中空状あるいは蓄冷材を有してなり、その肉厚は高温端側が低温端側よりも厚いことを特徴とするシリンダが提供される。
【０００９】
本発明によれば、シリンダの高温端からの侵入熱を抑制しつつシリンダの剛性が増すので、シリンダの低温端の振動を抑制でき、シリンダの低温端に接続される冷却ステージやシリンダへの振動による悪影響を抑制できる。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、作動ガス圧縮器と、作動ガスが吸排気されるコールドヘッドとを備える蓄冷式冷凍機であって、当該蓄冷式冷凍機は、蓄冷材を有する蓄冷管と、蓄冷管の低温端側が熱的に接続された中空状のパルス管と、該蓄冷管あるいはパルス管の低温端に接触する冷却ステージを有するパルス管冷凍機であり、前記蓄冷管とパルス管の少なくともいずれかが上記のシリンダを有することを特徴とする蓄冷式冷凍機が提供され、さらに、上記のシリンダを有するギフォード・マクマホン式冷凍機およびスターリング冷凍機の蓄冷式冷凍機も提供される。
【００１１】
本発明によれば、優良な冷凍能力とシリンダの振動が抑制されているので、冷却ステージに接続される被冷却部を安定性良く冷却でき、さらに振動による機械的な疲労や信号劣化を生じさせるような被冷却部への悪影響を抑制できる。
【００１２】
本発明のその他の観点によれば、クライオパネル、再凝縮器、超電導電磁石、および半導体検出器のいずれかの被冷却部と上記のいずれかの蓄冷式冷凍機を備え、前記蓄冷式冷凍機の冷却ステージに被冷却部が熱的および機械的に接続されてなるクライオポンプ、再凝縮装置、超電導磁石装置、および半導体検出装置が提供される。
【００１３】
本発明によれば、被冷却部は、優良な冷凍能力を有しかつ振動が抑制された冷却ステージに熱的および機械的に接続されているので、被冷却部を安定性良く冷却でき、さらに振動による機械的な疲労や信号劣化を生じさせるような被冷却部への悪影響を抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、良好な冷凍能力と振動の抑制を両立した蓄冷式冷凍機およびそのシリンダ、並びにその蓄冷式冷凍機を備えるクライオポンプ、再凝縮装置、超電導磁石装置、および半導体検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下図面を参照しつつ実施の形態を説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の概略断面図である。
【００１７】
図２を参照するに、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機１０は、概略、ガス圧縮機１１と、ガス圧縮機１１によりヘリウムガスが吸排気され、被冷却物（不図示）を冷却可能な２段式のコールドヘッド２０から構成される。コールドヘッド２０は、フランジ２１に固定された第１段蓄冷管３１、第１段パルス管３６、第１段冷却ステージ３０、第２段蓄冷管４１、第２段パルス管４６、および第２段冷却ステージ４０を有する。
【００１８】
第１段蓄冷管３１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材３３からなる。第１段パルス管３６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ３７からなる。これらのシリンダ３２，３７の高温端３２ａ，３７ａはフランジに接触・固定され、低温端３２ｂ，３７ｂは第１冷却ステージ３０に接触・固定されている。第１冷却ステージ３０には、その内部にガス流通路３８が形成されており、第１段パルス管３６の低温端３７ｂと第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂとが熱交換器１８ｂおよびガス流路３８を介して接続されている。第１冷却ステージ３０は、図示しない被冷却物に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却物に取り出される。
【００１９】
また、第２段蓄冷管４１は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４２と、その内部に充填された銅やステンレス鋼製金網等の蓄冷材４３からなる。第２段パルス管４６は、例えばステンレス鋼の中空状のシリンダ４７からなる。第２段蓄冷管４１のシリンダ４２の高温端４２ａは第１冷却ステージ３０に接触・固定され、低温端４２ｂは第２段冷却ステージ４０に接触・固定されている。第２段パルス管４６のシリンダ４７の高温端４７ａはフランジ２１に接触・固定され、低温端４７ｂは第２段冷却ステージ４０に接触・固定されている。第２段冷却ステージ４０には、その内部にガス流通路４８が形成されており、第２段パルス管４６の４７ｂと第２段蓄冷管４１の低温端とが熱交換器４７ｂおよびガス流路４８を介して接続されている。第２段冷却ステージ４０は、図示しない被冷却物に熱的および機械的に接続され、寒冷が被冷却物に取り出される。
【００２０】
また、パルス管冷凍機１０は、ガス圧縮機１１から高圧のへリウムガスが吸気バルブ１２およびガス流路１４を介して第１段蓄冷管３１に供給され、また、第１段蓄冷管３１から低圧のヘリウムガスがガス流路１４および排気バルブ１３を介してガス圧縮機１１に排気される。また、第１段パルス管３６の高温端３７ａおよび第２パルス管４６の高温端４７ａのそれぞれに熱交換器１８ａ，１９ａおよびオリフィス１７を介して第１段バッファ１５Ａ、第２段バッファ１５Ｂが接続されている。
【００２１】
次に、パルス管冷凍機１０の動作を説明する。まず、吸気バルブ１２が開状態、排気バルブ１３が閉状態になると、高圧のヘリウムガスは、ガス圧縮機１１から第１段蓄冷管３１に流入し、蓄冷材３３により冷却されて温度を下げながら第１段蓄冷管３１の低温端３２ｂからガス流通路を通って熱交換器１８ｂでさらに冷却され、第１段パルス管３６の内部に流入する。第１段パルス管３６の内部に既に存在していた低圧のヘリウムガスは、流入した高圧のヘリウムガスにより圧縮されるため、圧力がバッファ１５Ａ内よりも高くなり、オリフィス１７およびガス流路１６を通って第１段バッファ１５Ａへ流入する。
【００２２】
また、第１段蓄冷管３１で冷却された高圧のヘリウムガスの一部は、第２段蓄冷管４１に流入し、蓄冷材４３によりさらに冷却されて温度を下げながら第２段蓄冷管４１の低温端４２ｂからガス流通路４８を通って熱交換器１９ｂでさらに冷却され、第２段パルス管４６の内部に流入し、さらにオリフィス１７およびガス流路１６を通って第２段バッファ１５Ｂへ流入する。
【００２３】
そして、吸気バルブ１２を閉じ、次いで排気バルブ１３を開くと、第１段パルス管３６および第２段パルス管４６のヘリウムガスは、蓄冷材３３，４３を冷却しながら通過し、第１段蓄冷管３１の高温端３２ａから排気バルブ１３を通ってガス圧縮機１１に戻る。第１段パルス管３６と第１段バッファ１５Ａとの間、および第２段パルス管４６と第２段バッファ１５Ｂとの間は、オリフィス１７を介して接続されているため、圧力変動の位相とヘリウムガスの体積変化の位相とが一定の位相差をもって変化する。この位相差によって第１段パルス管３６の低温端３７ｂおよび第２段パルス管４６の低温端４７ｂにおいてヘリウムガスの膨張による寒冷が発生する。パルス管冷凍機１０は、上記の動作が反復されることで冷凍機として機能する。
【００２４】
パルス管冷凍機１０は、第１段蓄冷管３１、第２段蓄冷管４１、第１段パルス管３６、および第２段パルス管４６のそれぞれのシリンダ３２，３７，４２，４７が、その肉厚が、高温端３２ａ，３７ａ，４２ａ，４７ａ側が低温端３２ｂ，３７ｂ，４２ｂ，４７ｂ側よりも厚く形成されている。より具体的には、シリンダ３２，３７，４２，４７は低温端３２ｂ，３７ｂ，４２ｂ，４７ｂから高温端３２ａ，３７ａ，４２ａ，４７ａに向かって肉厚が連続的に増して形成されている。これにより、高温端３２ａ，３７ａ，４２ａ，４７ａ側からの侵入熱を抑制して良好な冷凍能力を維持すると共に、低温端２ｂ，３７ｂ，４２ｂ，４７ｂの肉厚が低温端から高温端まで一定であるシリンダよりもシリンダの剛性が増し、シリンダ内の圧力変動によるシリンダの伸縮による低温端にある第１冷却ステージ３０および第２段冷却ステージ４０の振動を抑制できる。
【００２５】
なお、第１段および第２段の区別なく説明するが、パルス管冷凍機１０は、パルス管３６，４６の低温端と蓄冷管３１，４１の低温端との間が接続管（不図示）によって接続されていてもよい。この場合、冷却ステージ３０，４０がパルス管３６，４６の低温端および蓄冷管の低温端の一方に設けられている場合は、冷却ステージ３０，４０が設けられていない側のシリンダの形状は低温端から高温端に亘って肉厚が一定の形状を有していてもよい。この場合は、肉厚が一定の形状のシリンダに振動が生じても冷却ステージ３０，４０にほとんど伝わらないため、冷却ステージ３０，４０に接続された非冷却物に悪影響を与えることはなく、さらに肉厚を薄く設定することで冷凍能力を増加できる。
【００２６】
図３は、本発明のシリンダの作用を説明するための図であり、（Ａ）はステンレス鋼材の熱伝導率と温度との関係図、（Ｂ）は（Ａ）の２０Ｋの温度付近の拡大図、（Ｃ）はシリンダを模式的に示す断面図である。
【００２７】
図３（Ａ）および（Ｂ）を参照するに、熱伝導率は３００Ｋから１０Ｋ付近まで次第に減少し、１０K付近では略０である。特に３００K〜２０Ｋではそれよりも低い温度よりも熱伝導率温度に対する傾きが大きくなっている。熱抵抗は熱伝導率に反比例するので、熱抵抗は３００Ｋから１０Ｋ付近まで次第に増加する。また、熱抵抗は肉厚ｔの平方に反比例する。本実施の形態のシリンダは、図３（Ｃ）に示すように、シリンダの低温端ＬＥから高温端ＨＥに向かって、肉厚をｔLからｔHに連続的に増していく形状を有する。逆方向からみると、シリンダは高温端ＨＥから低温端ＬＥに向かって肉厚がｔHからｔLに連続的に減少する形状を有するので、温度勾配による熱伝導率による寄与と、肉厚による寄与により熱抵抗は急激に増加する。したがって、このようなシリンダの形状にすることで、熱抵抗の増加により、低温端ＬＥ側に達する侵入熱の熱量を抑制する。この侵入熱の熱量は、後ほど実施例で説明するが、肉厚が低温端から高温端に亘って一定のシリンダの侵入熱量よりも大幅に低減できる。
【００２８】
一方、低温端ＬＥ側の振動による変位量（振幅）は、シリンダの金属材の弾性率と肉厚の平方に反比例する。図示を省略しているが、例えば、ステンレス鋼材の弾性率（軸方向の弾性率）はこの温度では略一定であり、肉厚はｔLからｔHに連続的に増している。したがって、肉厚増加の効果により肉厚がｔLで一定の場合よりも振動による変位量を低減できる。よって、シリンダは侵入熱量を抑制しかつ振動を抑制できる。
【００２９】
また、図３（Ｂ）に示すように熱伝導率が１０K以上で増加していることから、パルス冷凍機の蓄冷管およびパルス管のシリンダの到達温度は１０Kと同等かそれよりも高い温度であることが、侵入熱抑制の効果が有効的である点で好ましい。この点は、次に説明する第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機、および第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機においても同様であり、さらに、シリンダを有する蓄冷式冷凍機においても同様である。
【００３０】
図４は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機を構成するパルス管のシリンダの変形例を示す概略断面図である。
【００３１】
図４（Ａ）は、先の図２に示した第１段パルス管の概略断面を示している。なお、第２段パルス管の断面形状も第１段パルス管と同様であるので、説明の便宜のため図示を省略する。
【００３２】
図４（Ａ）を参照するに、第１段パルス管のシリンダ３７は低温端３７ｂから高温端３７ａに向かって肉厚が連続的に増す形状を有する。このような形状とすることで、上述したように、シリンダ３７は侵入熱量を抑制しかつ振動を抑制できる。なお、この場合、第１パルス管の低温端３７ｂの到達温度は、上述したように侵入熱抑制の効果が有効的である点で、１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることが好ましい。シリンダ３７の肉厚は低温端３７ｂ側が例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定され、高温端３７ａ側を例えば１．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲に設定される。
【００３３】
また、図４（Ｂ）および（Ｃ）は、パルス管のシリンダの変形例を示している。図４（Ｂ）および（Ｃ）を参照するに、パルス管のシリンダ３７−１，３７−２は、図４（Ａ）に示すシリンダの代わりに、低温端３７ｂから高温端３７ａに向かって肉厚が段階的に増す形状を有する。図４（Ｂ）では、シリンダ３７−１は、低温端３７ｂ側から高温端３７ａ側に向かってシリンダ部３７−１Ａ，３７−１Ｂの肉厚が２段階に厚くなるように形成され、シリンダの肉厚は低温端３７ｂ側のシリンダ部３７−１Ｂが例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定され、高温端３７ａ側のシリンダ部３７−１Ａが例えば１．０ｍｍから３．０ｍｍの範囲に設定される。また、図４（Ｃ）では、シリンダ３７−２は、低温端３７ｂ側から高温端３７ａ側に向かってシリンダ部３７−２Ａ〜Ｃの肉厚が３段階に次第に厚くなるように形成され、シリンダ３７−２の肉厚は低温端３７ｂ側のシリンダ部３７−２Ｃが例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定され、中央のシリンダ部３７−２Ｂが例えば１．０ｍｍから２．０ｍｍの範囲に設定され、高温端３７ａ側のシリンダ部３７−２Ａが例えば２．０ｍｍから３．０ｍｍの範囲に設定される。シリンダ３７−１〜２は、図４（Ａ）のシリンダ３７と同様の効果を有し、さらに、製造が容易になるという効果も有する。また、実施例において説明するが、肉厚の段数は２よりも多いほど侵入熱が低減でき好ましい。また、侵入熱の低減と、加工性および製造コストとのバランスを考慮すると、肉厚の段数は２段〜５段に設定することが好ましい。なお、肉厚の段数は６段以上でもよい。
【００３４】
図５は、第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機を構成する蓄冷管のシリンダの変形例を示す概略断面図である。
【００３５】
図５（Ａ）は、先の図２に示した第１段蓄冷管および第２蓄冷管のシリンダの概略断面を示している。なお、第１および第２冷却ステージ等の図示を省略している（図５（Ｂ）および（Ｃ）も同様である。）。図５（Ａ）を参照するに、第１段蓄冷管および第２蓄冷管のシリンダ３２，４２はそれぞれ低温端３２ｂ，４２ｂから高温端３２ａ，４２ａに向かって連続的に肉厚が増す形状を有する。この場合、低温端３２ｂ，４２ｂの到達温度は、上述したように侵入熱抑制の効果が有効的である点で、１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることが好ましい。ただし、第１段蓄冷管の低温端３２ｂの到達温度は、第２蓄冷管の低温端４２ｂの到達温度よりも高く設定される。
【００３６】
図５（Ｂ）は変形例としての第１段蓄冷管および第２蓄冷管の概略断面を示している。図５（Ｂ）を参照するに、第１段蓄冷管のシリンダ３２−１は低温端３２ｂから高温端３２ａに向かって肉厚が増す形状を有し、第２蓄冷管のシリンダ４２−１は低温端３２ｂから高温端３２ａに亘って肉厚が一定の形状を有する。この場合、第１蓄冷管の低温端３２ｂの到達温度は、上述したように侵入熱抑制の効果が有効的である点で、１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることが好ましい。なお、第２段蓄冷管の低温端４２ｂの到達温度は、第１蓄冷管の低温端３２ｂの到達温度よりも低く設定される。
【００３７】
図５（Ｃ）は他の変形例としての第１段蓄冷管および第２蓄冷管の概略断面を示している。図５（Ｃ）を参照するに、第１蓄冷管のシリンダ３２−２は低温端３２ｂから高温端３２ａに亘って肉厚が一定の形状を有し、第２段蓄冷管のシリンダ４２−２は低温端４２ｂから高温端４２ａに向かって連続的に肉厚が増す形状を有する。この場合、第２蓄冷管の低温端４２ｂの到達温度は、上述したように侵入熱抑制の効果が有効的である点で、１０Ｋと同等かそれよりも高い温度に設定されることが好ましい。第１段蓄冷管の低温端３２ｂの到達温度は、第２蓄冷管の低温端４２ｂの到達温度よりも高く設定される。
【００３８】
なお、第１段蓄冷管および第２蓄冷管のシリンダは、低温端から高温端に向かって連続的に肉厚が増す形状を有する代わりに、先の図４（Ｂ）あるいは（Ｃ）に示すシリンダ３７−１〜２のように低温端から高温端に向かって段階的に肉厚が増す形状を有してもよい。これにより製造容易性が高まるという利点がある。
【００３９】
次に本実施の形態の実施例および本発明によらない比較例を説明する。
【００４０】
図６は、シリンダの断面図であり、（Ａ）は実施例１、（Ｂ）は実施例２、（Ｃ）は比較例１〜３である。図７は、実施例および比較例のシリンダの寸法および特性を示す図である。
【００４１】
図６および図７を参照するに、実施例１のシリンダ（図６（Ａ））は、低温端ＬＥ側から高温端ＨＥ側に向かってシリンダ部の肉厚が２段階に厚くなるように形成され、実施例２のシリンダ（図６（Ｂ））は、３段階に次第に厚くなるように形成されている。一方、比較例１〜３のシリンダ（図６（Ｃ））は、肉厚が低温端ＬＥ側から高温端ＨＥ側に亘って一定に形成されている。実施例１、２、および比較例のシリンダの各寸法は図６および７に示す通りであり、各シリンダの高温端ＨＥは３００Ｋ、低温端ＬＥは１０Ｋに設定されている。ここで、実施例１および２のシリンダの長手方向に亘る平均的な肉厚を１．５ｍｍに設定した。比較例１〜３のシリンダの肉厚をそれぞれ１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍに設定した。実施例１では肉厚が変化する位置での温度を１００Ｋ、実施例２では肉厚が変化する位置での温度は高温端ＨＥ側から２５０Ｋ、６０Ｋである。これらの温度は、シリンダをパルス管および蓄冷管（ステンレス鋼製）に適用した場合であり、実験的に得られた温度である。また、侵入熱および振動振幅は計算により得られたものである。また、侵入熱は低温端ＬＥに達する熱量（Ｗ）であり、振動振幅は高温端ＨＥを固定したときの低温端ＬＥの振動の振幅（peak to peak）を示している。
【００４２】
図７を参照するに、実施例１および実施例２は、肉厚が１．５ｍｍの比較例２に対して、振動振幅は略同等であるのに対して、侵入熱が、実施例１が５５％以上も少なく、実施例２が６０％以上も低減されていることが分かる。
【００４３】
さらに、実施例１および実施例２は、比較例１に対して、侵入熱は略同等かそれよりも小さく、振動振幅が大幅に低減されていることが分かる。
【００４４】
さらに、実施例１および実施例２は、比較例３に対して、振動振幅が大きくなっているが侵入熱が大幅に低減されていることが分かる。
【００４５】
また、実施例１と実施例２とを比較すると、シリンダの肉厚の段数は、２段よりも３段の方が侵入熱が低減されており、段数は多いほど冷凍能力が向上することが分かる。
【００４６】
また、本願発明者等の検討によれば、実際に単段のパルス管冷凍機を実施例２のシリンダと比較例のシリンダをそれぞれ用いて到達温度を測定したところ、無負荷の状態で、比較例では到達温度が３６Ｋであったのに対して、実施例２では到達温度が３２Ｋとなり、実施例２の方が比較例よりも冷凍能力が向上することを確認できた。
【００４７】
なお、本実施の形態ではオリフィス型のパルス管冷凍機を例に説明したが、他の方式、例えばムービングプラグ型や、チャッキ弁型や、ダブルインレット型のパルス管冷凍機にも本実施の形態に係るシリンダを適用できる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の概略断面図である。
【００４９】
図８を参照するに、第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機６０は、ガス圧縮機６１と、ガス圧縮機６１からヘリウムガスが吸排気され、冷凍機として機能する２段式のコールドヘッド６６からなる。コールドヘッド６６は、フランジ６８に同軸状に連結して構成された第１段冷却部７０と、第２段冷却部８０からなる。
【００５０】
第１段冷却部７０は、中空状の第１段シリンダ７１と、第１段シリンダ７１内に軸方向に往復運動可能に設けられた第１段ディスプレーサ７２と、第１段ディスプレーサ７２内に充填された第１段蓄冷器７８と、低温端７１ｂ側の内部に第１段ディスプレーサ７２の往復運動により容積が変化する第１段膨張室７３と、低温端７１ｂ付近に設けられた第１段冷却ステージ７５からなる。また、第１段シリンダ７１の内壁と第１段ディスプレーサ７２の外壁との間には第１段シ一ル７６が設けられている。第１段ディスプレーサ７２の高温端７１ａには、第１段蓄冷器７８に対してヘリウムガスを流出入させるために複数の第１段高温側流通路７２−１が設けられ、また、第１段ディスプレーサ７２の低温端７１ｂには、第１段蓄冷器７８及び第１段膨張室７３にヘリウムガスを流出入させるために複数の第１段低温側流通路７２−２が設けられている。
【００５１】
第２段冷却部８０は、第１冷却部７０と略同様の構成を有し、中空状の第２段シリンダ８１と、第２段シリンダ８１内に軸方向に往復運動可能に設けられた第２段ディスプレーサ８２と、第２段ディスプレーサ８２内に充填された第２段蓄冷器８８と、低温端８１ｂの内部に第２段ディスプレーサ８２の往復運動により容積が変化する第２段膨張室８３と、低温端８１ｂ付近に設けられた第２段冷却ステージ４０からなる。また、第２段シリンダ８１の内壁と第２段ディスプレーサ８２の外壁との間には第２段シ一ル８６が設けられている。第２段ディスプレーサ８２の高温端８１ａには、第１段蓄冷器７８に対してヘリウムガスを流出入させるための第２段高温側流通路７２−３が設けられ、また、第２段ディスプレーサ８２の低温端８１ｂには、第２段膨張室８３にヘリウムガスを流出入させるために複数の第２段低温側流通路８２−２が設けられている。
【００５２】
また、ＧＭ冷凍機は、ガス圧縮機６１から高圧のへリウムガスが第１段冷却部７０に供給され、また、第１段冷却部７０から低圧のヘリウムガスがガス圧縮機６１に排気される。駆動モータ６５は第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２を往復運動させると共に、吸気バルブ６２および排気バルブ６３の開閉はこれに連動して行われ、ヘリウムガスの吸排気のタイミングが制御される。
【００５３】
ＧＭ冷凍機６０は第１段シリンダ７１の高温端７１ａは室温、低温端７１ｂは例えば１０Ｋに設定され、第２段シリンダ８１の高温端８１ａは例えば１０Ｋ、低温端８１ｂは例えば４Ｋに設定される。
【００５４】
第１段シリンダ７１は、高温端７１ａの肉厚が低温端７１ｂの肉厚よりも厚く、より具体的には、低温端７１ｂから高温端７１ａにいくにしたがって連続的に肉厚が増してなる。これにより、第１段冷却ステージ７５の振動が抑制されると共に高温端７１ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。第１段シリンダ７１の形状は図８に示す形状に限定されず、先の図４（Ｂ）および（Ｃ）に示した、低温端３７ｂから高温端３７ａに向かって段階的に肉厚が増してなるシリンダでもよく、さらに、その段数は４以上でもよい。
【００５５】
なお、第２段シリンダ８１は高温端８１ａが１０Ｋに設定されているので、熱伝導率が極めて低くいため、振動を回避するために十分な肉厚に設定し、低温端８１ｂから高温端８１ａに亘って一定の肉厚でよい。
【００５６】
次に、ＧＭ冷凍機６０の動作を説明する。まず、吸気バルブ６２は閉状態、排気バルブ６３は開状態にあり、第１段シリンダ７１および第２段シリンダ８１内はヘリウムガスを排気した状態で、第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２はそれぞれ、第１段シリンダ７１および第２段シリンダ８１内の下死点にあるとする。
【００５７】
次いで、吸気バルブ６２が開状態、排気バルブ６３が開状態になると、ガス圧縮機６１から高圧のヘリウムガスが第１冷却部７０に流入する。高圧のヘリウムガスは、第１段高温側流通路７２−１から第１段蓄冷器７８に流入し、第１段蓄冷器７８の蓄冷材によって所定の温度まで冷却される。冷却されたヘリウムガスは、第１段低温側流通路７２−２から第１段膨張室７３に流入する。
【００５８】
第１段膨張室７３へ流入した高圧のへリウムガスの一部は、第２段高温側流通路７２−３から第２段蓄冷器８８に流入する。そして、流入したヘリウムガスは、第２段蓄冷器８８の蓄冷材によって、さらに低い所定の温度まで冷却され、第２段低温側流通路８２−２から第２段膨張室８３に流入する。これらの結果、第１段膨張室７３および第２段膨張室８３内は高圧状態となる。その後、第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２は上死点側へと移動すると伴に、高圧のへリウムガスは第１段膨張室７３および第２段膨張室８３に供給される。
【００５９】
そして、第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２が上死点に達すると、吸気バルブ６２を閉じ、次いで排気バルブ６３を開くと、へリウムガスは、高圧の状態から低圧の状態となり体積が膨張し、第１段膨張室７３および第２段膨張室８３に寒冷が発生する。この際、第１段膨張室７３および第２段膨張室８３内のへリウムガスは、上記の最初の状態より低温、低圧となり、第１段冷却ステージ７５および第２段冷却ステージ８５がそれぞれ冷却される。第１段冷却ステージ７５、第２段冷却ステージ８５は、それぞれ熱接続された冷却対象物（不図示）から熱を吸収し、冷却する。
【００６０】
次いで、第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２を下死点に移動させる。これに伴い、へリウムガスは上記の逆の順路を通り、第１段蓄冷器７８および第２段蓄冷器８８をそれぞれ冷却しつつ、排気バルブからガス圧縮機６１に戻る。そして、第１段ディスプレーサ７２、第２段ディスプレーサ８２が下死点に達しする。以上の動作を１サイクルとし上記動作を繰り返す。
【００６１】
このように、第１段シリンダ７１および第２段シリンダ８１は、第１段ディスプレーサ７２および第２段ディスプレーサ８２の往復運動によりその内部の圧力が脈動するが、上述したように、第１段シリンダ７１の肉厚が低温端７１ｂから高温端７１ａに向かって連続的に肉厚が増してなるので剛性が高まり、圧力の変動（例えば脈動）による第１段シリンダ７１の振動を抑制可能である。
【００６２】
なお、第２段シリンダ８１の高温端８１ａを１０Ｋよりも高く設定するときは、第２段シリンダ８１も第１段シリンダ７１と同様の形状に設定する。これにより、良好な冷凍能力と振動抑制を両立できる。
【００６３】
本実施の形態に係るＧＭ冷凍機６０は、冷却ステージの振動が抑制されると共に高温端７１ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。
【００６４】
（第３の実施の形態）
図９は、本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。
【００６５】
図９を参照するに、第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機は、ガス圧縮機１１０と、ガス圧縮機１１０から作動ガスがキャピラリーチューブ１０１を介して吸排気され、冷凍機として機能するコールドヘッド１２０からなる。
【００６６】
ガス圧縮機１１０は、ヨーク１１１、保圧容器１１２、および圧縮ピストン１１３を有する。ヨーク１１１は、圧縮ピストン１１３のシリンダとなる円筒状の溝１１８と、圧縮ピストン１１３に固定された可動コイル１１５が挿入される環状の溝１１９と、溝１１９の外側内壁に埋め込まれた環状の永久磁石１１６とを有する。可動コイル１１５には図示を省略するが外部電源が接続される。
【００６７】
保圧容器１１２は、ヨーク１１１に固定され、その内部に圧縮ピストン１１３を収容し、ヘリウムガスが充填される保圧空間を形成している。ピストン制御スプリング１１４は、圧縮ピストン１１３と保圧容器１１２とを連結するように設けられ、圧縮ピストン１１３が保圧容器１１２の内壁への接触を回避している。
【００６８】
コールドヘッド１２０は、ハウジング部１２１と、ハウジング部１２１に連結されたシリンダ１２２と、シリンダ１２２の内部に蓄冷材が充填されたディスプレーサ１２３が設けられ、シリンダ１２２の低温端１２２ｂに膨張室１２５とそれに接触固定された冷却ステージ１２８を有する。また、コールドヘッド１２０には、ディスプレーサ１２３を中立点に保つためのディスプレーサ制御スプリング１２４を有する。
【００６９】
シリンダ１２２は、高温端１２２ａの肉厚が低温端１２２ｂの肉厚よりも厚く、低温端１２２ｂから高温端１２２ａに向かって連続的に肉厚が増してなる。これにより、冷却ステージ１２８の振動が抑制されると共に高温端１２２ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。シリンダの形状は図９に示す形状に限定されず、先の図４（Ｂ）および（Ｃ）に示した、低温端３７ｂから高温端３７ａに向かって段階的に肉厚が増してなるシリンダでもよく、さらに、その段数は４以上でもよい。なお、シリンダは２段以上の多段としてもよく、そのときの形状は、先の図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す２段のシリンダのいずれでもよく、さらに図４（Ｂ）および（Ｃ）のシリンダを組み合わせてもよい。
【００７０】
次にスターリング冷凍機の動作を説明する。スターリング冷凍機は、外部電源から交番電流を可動コイルに供給することによって、圧縮ピストンが紙面の横方向に往復運動することによって、溝１１９の空間と膨張室１２５の空間とこれらを接続するガスが流通する空間からなる空間で、ヘリウムガスが等温圧縮、等容移送、等温膨張、等容移送の４行程からなるサイクルが繰り返されることで膨張室に寒冷が発生する。
【００７１】
本実施の形態に係るスターリング冷凍機は、冷却ステージ１２８の振動が抑制されると共に高温端１２２ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。
【００７２】
（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態に係るクライオポンプの概略断面図である。
【００７３】
図１０を参照するに、第４の実施の形態に係るクライオポンプは、概略、排気対象の真空槽に吸気口を介して接続されたクライオポンプ本体部１５１を有する。
【００７４】
クライオポンプ本体部１５１は、真空容器１５２と、その内部に、シールド部１５４、２段式の冷凍機１６０、バッフル１５５、およびクライオパネル１５６１等が配置された構成を有する。なお、図示を省略しているが、真空容器１５２には、シールド部１５４や、バッフル１５５、クライオパネル１５６の温度を測定するための温度計、真空容器１５２の内圧が過度に上昇したときにガスを真空容器１５２外に逃がすための安全弁等が設けられる。
【００７５】
冷凍機１６０は、第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様の構成を有する。冷凍機１６０は、第１段冷却部１７０、第２段冷却部１８０、および圧縮された作動流体を生成する圧縮器１６１から構成される。第１段冷却部１７０および第２段冷却部１８０には、圧縮器１６１からガス流路１６２を介して供給される作動流体を断熱膨張させて冷却する膨張器や蓄冷器（いずれも不図示）がそれぞれ設けられている。第１段冷却部１７０にはその先端に８０Ｋ以下に冷却可能な第１段冷却ステージ１７５が設けられている。第２段冷却部１８０にはその先端に２０Ｋ以下、例えば１０Ｋ以上で２０Ｋ以下に冷却可能な第２段冷却ステージ１８５が設けられている。
【００７６】
シールド部１５４は、フランジ１５４ｂの内周縁が第１冷却ステージ１７５に固定される。これにより、フランジ１５４ｂは、第１冷却ステージ１７５に熱接触し、フランジ１５４ｂおよび円筒状部１５４ａが冷却され、第１冷却ステージ１７５と同等の温度に保持される。
【００７７】
バッフル１５５は、シールド部１５４の吸気口側に配置される。バッフル１５５は、上端および下端が開口され、内部が中空の台錐形状部材からなり、内径を異ならせた複数の台錐形状部材が組み合わされて構成される。また、バッフル１５５は、図示されない梁材等によりシールド部１５４と熱接触するように組み合わされる。シールド部１５４は第１冷却ステージ１７５と熱接触しているので、バッフル１５５には第１冷却ステージ１７５の寒冷が伝えられ、例えば８０Ｋ程度まで冷却される。バッフル１５５は、クライオポンプ本体部１５１の内部へ流れるガスの方向を調整すると共にガスを冷却する。バッフル１５５は主にガスに含まれる水蒸気を凝縮し、クライオパネル１５６への熱輻射を低減する働きをする。
【００７８】
クライオパネル１５６は、その頂上部が第２冷却ステージ１８５上に固定され、その頂上部自体、および頂上部から下方に延びる円筒状部に、笠状に形成された金属板が複数、互いに離隔して配設された構成からなる。クライオパネル１５６は、頂上部が第２冷却ステージ２５と熱接触しているので、第２冷却ステージ１８５と略同等の温度に保たれる。
【００７９】
クライオパネル１５６の裏面には、吸着パネルが形成されている。吸着パネルは、熱伝導性の良好なエポキシ樹脂によって活性炭等の吸着剤を固着してなり、クライオパネル１５６で凝縮しきれないような水素、ネオン、ヘリウム等を吸着する働きを有する。なお、吸着パネルが形成される箇所はクライオパネル１５６の裏面に限定されない。
【００８０】
第１段冷却部１７０および第２冷却部１８０のシリンダ１７１，１８１は、それぞれ高温端１７１ａ，１８１ａの肉厚がそれぞれ低温端１７１ｂ，１８１ｂの肉厚よりも厚く、より具体的には、低温端１７１ｂ，１８１ｂから高温端１７１ａ，１８１ａにいくにしたがって連続的に肉厚が増してなる。これにより、第１段冷却ステージ１７５および第２段冷却ステージ１８５の振動が抑制されると共に高温端１７１ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。そのため、クライオパネル１５６はその振動が抑制されると共に、十分に冷却されるため、排気能力が向上する。なお、シリンダ１７１，１８１の形状は、図４（Ｂ）および（Ｃ）や図５（Ａ）および（Ｂ）に示したものでもよい。
【００８１】
なお、冷凍機１６０は、ＧＭ冷凍機の代わりに第１の実施の形態の係るパルス管冷凍機や、第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機を２段式としたものを用いてもよい。
【００８２】
（第５の実施の形態）
図１１は、本発明の第５の実施の形態に係る再凝縮装置の概略断面図である。
【００８３】
図１１を参照するに、第５の実施の形態に係る再凝縮装置２００は、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）装置２０１の真空容器２０２内に設けられた液体窒素容器２０３内の液体窒素が気化した窒素ガスを最凝縮する。液体窒素容器２０３は、超電導磁石を冷却するための液体ヘリウムが充填された液体ヘリウム容器の熱シールドとして機能する。
【００８４】
再凝縮装置２００は、液体窒素温度に冷却可能な冷凍機２１０と、冷凍機２１０の冷却ステージ２１５を真空に保持する真空容器２１１と、冷却ステージ２１５に配置され、窒素ガスを液体窒素に凝縮する再凝縮器２１６と、再凝縮器２１６の内部と液体窒素容器２０３の内部とを連通する断熱移送管２０４を有する。なお、冷凍機の作動ガスとしてのヘリウムガスを圧縮するガス圧縮機の図示を省略している。
【００８５】
冷凍機２１０は、１段式のＧＭ冷凍機であり、図８の第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機を１段式にした冷凍機である。冷凍機２１０は、第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様の構成を有し、その動作も同様であるので詳しい説明を省略するが、フランジ２１２に固定されたシリンダ２１３と、シリンダ２１３内にディスプレーサ２１４が設けられ、駆動モータ２０５によりディスプレーサ２１４が往復運動され、低温端２１３ｂに寒冷が発生する。この寒冷により冷却ステージ２１５を介して再凝縮器２１６が液体窒素温度よりも低い温度に冷却される。これにより液体窒素容器２０３内で気化した窒素ガスが再凝縮器２１６により冷却され液体窒素に凝縮され、断熱移送管２０４を通り、液体窒素容器２０３内に戻る。
【００８６】
冷凍機２１０は、シリンダ２１３が、高温端２１３ａの肉厚が低温端２１３ｂの肉厚よりも厚く、より具体的には、低温端２１３ｂから高温端２１３ａに向かって連続的に肉厚が増してなる。これにより、冷却ステージ２１５の振動が抑制されると共に高温端２１３ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。そのため、冷却ステージ２１５に接続された断熱移送管２０４を介して接続された被冷却物としてのＭＲＩ装置２０１への振動による悪影響を抑制できる。これと同時に良好な冷凍能力により液体窒素の大気への放出よる冷却コストの増加やＭＲＩ装置２０１が配置された室内の環境への悪影響を抑制できる。
【００８７】
なお、冷凍機２１０は、ＧＭ冷凍機の代わりに第１の実施の形態の係るパルス管冷凍機を１段式としてものや、第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機を用いてもよい。
【００８８】
さらに、冷凍機２１０を２段あるいは３段以上として、第２あるいは第３段以上の冷却ステージの到達温度を４Ｋに設定し液体ヘリウムを再凝縮可能な構成としてもよい。
【００８９】
また、再凝縮装置はＭＲＩ装置２０１の他に、超伝導磁束量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）や超電導磁石（ＳＣＭ）装置やエネルギー分散型（ＥＤＸ）分析装置に備えられている液体窒素容器や液体ヘリウム容器の再凝縮装置としても適用可能である。
【００９０】
（第６の実施の形態）
図１２は、本発明の第６の実施の形態に係る超電導磁石装置の概略断面図である。
【００９１】
図１２を参照するに、第６の実施の形態に係る超電導磁石装置２５０は、真空容器２５１と、真空容器２５１内に天板２５２にコールドヘッドが垂下された冷凍機２７０と、強磁場空間２６１に磁場を印加する超電導磁石２６０を有する。
【００９２】
冷凍機２７０は、２段式のＧＭ冷凍機であり、図８の第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機と同様の構成を有する。なお、第１段および第２段シリンダ内の詳細の構造は図示を省略している。
【００９３】
冷凍機２７０の第１段冷却ステージ２８５は、超電導磁石２６０の超電導コイル２５５に電流を供給する酸化物超電導電流リード２５８と熱シールド板２５３によって熱的および機械的に接続されている。冷凍機２７０の第２段冷却ステージ２９５は、超電導コイル２５５のコイル冷却ステージ２５４に熱的および機械的に接続されている。コイル冷却ステージ２５４は超伝導コイル２５５に接触し、第２段冷却ステージ２９５からの寒冷により超電導コイルを超電導臨界温度以下に冷却する。
【００９４】
冷凍機２７０の第１段冷却部２８０および第２冷却部２９０のシリンダ２８１，２９１は、高温端２８１ａ，２９１ａの肉厚が低温端２８１ｂ，２９１ｂの肉厚よりも厚く、より具体的には、低温端２８１ｂ，２９１ｂから高温端２８１ａ，２９１ａにいくにしたがって連続的に肉厚が増してなる。これにより、第１段冷却ステージ２８５および第２段冷却ステージ２９５の振動が抑制されると共に高温端２８１ａ側からの侵入熱を抑制し、良好な冷凍能力を有する。そのため、超電導磁石２６０の振動が抑制され、超電導コイル２５５から発生する磁場の変動を抑制でき、安定した所望の磁場を対象物に印加できる。さらに良好な冷凍能力により、超電導コイル２５５や酸化物超電導電流リード２５８の超電導状態を安定して維持できる。なお、シリンダ２８１，２９１の形状は、図４（Ｂ）および（Ｃ）や図５（Ａ）および（Ｂ）に示したものでもよい。
【００９５】
なお、冷凍機２７０は、ＧＭ冷凍機の代わりに第１の実施の形態の係るパルス管冷凍機や、第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機を２段式としたものを用いてもよい。
【００９６】
（第７の実施の形態）
図１３は、本発明の第７の実施の形態に係る半導体検出装置の概略断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００９７】
図１３を参照するに、第７の実施の形態に係る半導体検出装置は、冷凍機１００と、冷凍機の冷却ステージ１２８に接触固定された半導体検出器３０１と、半導体検出器３０１からの信号を処理する信号処理部３０２を有する。
【００９８】
冷凍機１００は、先の図９の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機と同様の構成を有する。そのため冷凍機１００の詳しい説明を省略する。
【００９９】
半導体検出器３０１は、例えば半導体放射線検出素子（例えばＳｉ検出素子、Ｇｅ検出素子）や半導体赤外線検出素子（例えば、ＩｎＧａＡｓ  ＰＩＮフォトダイオード）を備える。これらの検出素子を冷凍機１００によって生じた寒冷により冷却することでノイズを低減して信号対雑音比（ＳＮ比）を向上する。信号処理部３０２は、公知の信号処理回路を使用でき半導体検出器３０１の種類に応じて適宜選択される。
【０１００】
冷凍機１００は、冷却ステージ１２８の振動が抑制されると共に良好な冷凍能力を有する。そのため、振動によって半導体検出器３０１に生じる雑音、例えば半導体放射線検出素子の場合のマイクロフォニック雑音の発生を抑制できる。さらに良好な冷凍能力を有するため、良好なＳＮ比が得られ、室温から冷却する場合も冷却時間を短縮可能である。
【０１０１】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【０１０２】
例えば、第１〜第３の実施の形態では、本発明の実施の形態に係るシリンダをパルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、およびスターリング冷凍機に適用した例を挙げたが、他の蓄冷式の冷凍機に適用してもよい。
【０１０３】
また、本発明の第４〜第７の実施の形態では、第１〜第３の実施の形態のパルス管冷凍機、ＧＭ冷凍機、およびスターリング冷凍機を応用機器に適用した例を挙げたが、それ以外の応用機器に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】従来のパルス管冷凍機の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機の概略断面図である。
【図３】本発明のシリンダの作用を説明するための図である。
【図４】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機を構成するパルス管のシリンダの変形例を示す概略断面図である。
【図５】第１の実施の形態に係るパルス管冷凍機を構成する蓄冷管のシリンダの変形例を示す概略断面図である。
【図６】実施例および比較例のシリンダの断面図である。
【図７】実施例および比較例の特性を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係るＧＭ冷凍機の概略断面図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係るスターリング冷凍機の概略断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係るクライオポンプの概略断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施の形態に係る再凝縮装置の概略断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係る超電導磁石装置の概略断面図である。
【図１３】本発明の第７の実施の形態に係る半導体検出装置の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１０    パルス管冷凍機
１１，６１，１１０，１６１    ガス圧縮機
１５Ａ    第１段バッファ
１５Ｂ    第２段バッファ
１７    オリフィス
１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ    熱交換器
２０，６６，１２０    コールドヘッド
３０，７５    第１段冷却ステージ
３１    第１段蓄冷管
３２，３２−１，３２−２，３７，４２，４２−１，４２−２，４７，７１，８１，１２２，１７１，１８１，２１３    シリンダ
３２ａ，３７ａ，４２ａ，４７ａ，７１ａ，８１ａ，１２２ａ，１７１ａ，１８１ａ，２１３ａ，ＨＥ    高温端
３２ｂ，３７ｂ，４２ｂ，４７ｂ，７１ｂ，８１ｂ，１２２ｂ，１７１ｂ，１８１ｂ，２１３ｂ，ＬＥ    低温端
３３，４３    蓄冷材
３６    第１段パルス管
４０，８５    第２段冷却ステージ
４１    第２段蓄冷管
４６    第２段パルス管
６０    ＧＭ冷凍機
７０    第１段冷却部
７１    第１段シリンダ
７２    第１段ディスプレーサ
７８    第１段蓄冷器
８０    第２段冷却部
８１    第２段シリンダ
８２    第２段ディスプレーサ
８８    第２段蓄冷器
１００    スターリング冷凍機
１２３，２１４    ディスプレーサ
１２８    冷却ステージ
１５０    クライオポンプ
１６０，２１０，２７０    冷凍機
２００    再凝縮装置
２０１    磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）装置
２０３    液体窒素容器
２５０    超電導磁石装置
２６０    超電導磁石
３００    半導体検出装置
３０１    半導体検出器
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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