(57)【要約】      （修正有）【課題】容器に収容した検出素子を、安価なスターリング冷凍機を用いて冷却する。【解決手段】半導体Ｘ線検出素子１を収容する容器４に、コールドヘッド５の基端に放熱フィン６が設けられているスターリング冷凍機７を、基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が連続的に又は段階的に大きくなる形状で且つ少なくとも定格出力で動作中の温度が室温以上になるコールドヘッド５の領域に基端８ａが取り付けられ且つ容器４に先端８ｃが取り付けられる取付フランジ８を用いて取り付ける。【効果】容器に収容した検出素子を安価なスターリング冷凍機を用いて冷却することが出来る。取付フランジが結露しない。放熱フィンへの冷却空気の流路になると共にボルトをボルト孔に入れ且つ工具で締め付けるためのスペースを放熱フィンと取付フランジの間に確保できる。容器および取付フランジを放熱フィン６よりも大きくする必要がなく、サイズの大型化やコスト上昇を回避できる。【選択図】図１
2012255734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子（１）と、前記検出素子（１）を収容する容器（４）と、コールドヘッド（５）の基端に放熱フィン（６）が設けられているスターリング冷凍機（７）と、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が連続的に又は段階的に大きくなる形状で且つ少なくとも定格出力で動作中の温度が環境条件における露点以上になるコールドヘッド（５）の領域に基端（８ａ）が取り付けられ且つ容器（４）に先端（８ｃ）が取り付けられた取付フランジ（８）とを具備したことを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【請求項２】
請求項１に記載のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記検出素子（１）が、半導体Ｘ線検出素子であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記スターリング冷凍機（７）が満たさなくてはならない動作・環境温度と湿度において、前記コールドヘッド（５）の結露しない領域に前記取付フランジ（８）の基端（８ａ）が取り付けられていることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記取付フランジ（８）の形状が、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が連続的に大きくなるテーパ形状と基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が一定の円筒形状とを組み合わせた形状であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記取付フランジ（８）の形状が、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が段階的に大きくなる多段円筒形状であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【請求項６】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記容器（４）が、真空容器または乾性気体を充填した容器であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スターリング冷凍機冷却式検出器に関し、さらに詳しくは、放射線や赤外線などの検出素子を密閉容器に収容し且つスターリング冷凍機を用いて冷却する方式のスターリング冷凍機冷却式検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体放射線検出素子を収容した真空容器にスターリングサイクル冷却機構を取り付けるための取付フランジが、スターリングサイクル冷却機構のコールドヘッドとは独立して設けられ、コールドヘッドは断熱されている電気冷却式半導体放射線検出器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
他方、コールドヘッドの基端（排熱側端）に放熱フィンが設けられており且つ取付フランジ自体が存在しないスターリング冷凍機が知られている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−７７５７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１７４３２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ツインバード工業株式会社、モデルＳＣ−ＴＤ０８、８０Ｗ型スターリングクーラー、取扱説明書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載の電気冷却式半導体放射線検出器では、スターリング式パルス管冷凍機によってコールドヘッドの基端温度は液体窒素温度以下になる。そしてコールドヘッド先端付近に搭載される半導体放射線検出素子の温度は液体窒素温度程度になる。通常、このような用途に使用する冷凍機については、その冷却温度から、冷却部分の真空断熱は必然であり、この文献の場合においても、断熱されていることが明記されている。したがって、結露の心配が無い。
【０００７】
他方、放射線や赤外線などの検出素子を冷却するのに上記特許文献２や非特許文献１に記載のような既製の安価なスターリング冷凍機を用いる場合、冷凍機の冷却部分は真空断熱されている構造ではない。しかし検出素子の動作温度は−１００℃程度にする必要から、冷凍機の冷却部分および検出素子付近の部分は真空断熱しなくてはならない。したがって、検出素子を含むこの部分を収容する真空容器にスターリング冷凍機のコールドヘッドを取り付けるための取付フランジを付設する必要がある。
ところで、このようなスターリング冷凍機では、通常の室内に置くと、放熱フィンが設けられているコールドヘッドの基端の温度は例えば２０℃〜３０℃になる。コールドヘッドの先端の温度は例えば−１００℃以下であり、コールドヘッドの基端から先端へと温度勾配が生じている。従って、結露を防ぐためには、温度が環境条件における露点以上となるコールドヘッドの基端近くに取付フランジを付設しなくてはならない。
ところが、コールドヘッドの基端近くに取付フランジを付設すると、放熱フィンへの冷却空気の流れが取付フランジに妨げられる問題点がある。また、容器に取付フランジを取り付けるためのボルトをボルト孔に入れ且つ工具で締め付けるためのスペースがなくなる問題点がある。なお、容器および取付フランジを放熱フィンよりも大きくすればスペースの問題点はなくなるが、全体のサイズが大きくなり、コストも上昇してしまう。また、放熱フィンへの冷却空気の流れが取付フランジに妨げられる問題点も残る。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解消し、容器に収容した検出素子を、安価なスターリング冷凍機を用いて冷却できるようにしたスターリング冷凍機冷却式検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の観点では、本発明は、検出素子（１）と、前記検出素子（１）を収容する容器（４）と、コールドヘッド（５）の基端に放熱フィン（６）が設けられているスターリング冷凍機（７）と、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が連続的に又は段階的に大きくなる形状で且つ少なくとも定格出力で動作中の温度が環境条件における露点以上になるコールドヘッド（５）の領域に基端（８ａ）が取り付けられ且つ容器（４）に先端（８ｃ）が取り付けられた取付フランジ（８）とを具備したことを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００、２００）を提供する。
上記第１の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）では、取付フランジ（８）によって、検出素子（１）を収容する容器（４）にスターリング冷凍機（７）を取り付けることが出来る。また、少なくとも定格出力で動作中の温度が環境条件における露点以上になるコールドヘッド（５）の領域に基端（８ａ）が取り付けられているから、少なくとも定格出力で動作中は取付フランジ（８）が環境条件における露点以下になることはなく、結露を防止できる。また、取付フランジ（８）が基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が連続的に又は段階的に大きくなる形状であるから、放熱フィン（６）と取付フランジ（８）の間にスペース（１１）を確保でき、放熱フィン（６）への冷却空気の流れが取付フランジ（８）に妨げられない。また、容器（４）に取付フランジ（８）を取り付けるためのボルト（１０）をボルト孔に入れ且つ工具で締め付けることが出来る。
【００１０】
第２の観点では、本発明は、前記第１の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記検出素子（１）が、半導体Ｘ線検出素子であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）を提供する。
上記第２の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）では、従来のＸ線検出器に使用されている価格の高いパルス管型冷凍機に代えて、既製の安価なスターリング型冷凍機を使用したＸ線検出器を提供することが出来る。
【００１１】
第３の観点では、本発明は、前記第１または前記第２の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記スターリング冷凍機（７）が最高出力で動作中の温度が環境条件において、前記コールドヘッド（５）の結露しない領域に前記取付フランジ（８）の基端（８ａ）が取り付けられていることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）を提供する。
上記第３の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）では、スターリング冷凍機（７）を定格出力で動作させたときは言うまでもなく、最高出力で動作させたときでも、取付フランジ（８）が露点以下になることはなく、結露を防止できる。
【００１２】
第４の観点では、本発明は、前記第１から前記第３のいずれかの観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記取付フランジ（８）の形状が、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が連続的に大きくなるテーパ形状と基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が一定の円筒形状とを組み合わせた形状であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）を提供する。
上記第４の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）では、円筒形状の部分の長さを延ばすことにより、取付フランジ（８）の先端（８ｃ）の外径を増大させずに取付フランジ（８）の長さを延ばすことが出来る。
【００１３】
第５の観点では、本発明は、前記第１から前記第３のいずれかの観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記取付フランジ（８）の形状が、基端（８ａ）側から先端（８ｃ）側へと外径が段階的に大きくなる多段円筒形状であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）を提供する。
上記第５の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）では、一つの段または複数の段における円筒形状の長さを延ばすことにより、取付フランジ（８）の先端（８ｃ）の外径を増大させずに取付フランジ（８）の長さを延ばすことが出来る。
【００１４】
第６の観点では、本発明は、前記第１から前記第６のいずれかの観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）において、前記容器（４）が、真空容器または乾性気体を充填した容器であることを特徴するスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）を提供する。
上記第６の観点によるスターリング冷凍機冷却式検出器（１００）では、容器（４）を真空容器とした場合、真空断熱により冷却効率を向上できると共に検出素子（１）の結露を防止できる。また、乾性気体（例えば乾燥窒素，乾燥不活性気体，乾燥空気）を充填した容器とした場合、容器内における検出素子（１）の結露を防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のスターリング冷凍機冷却式検出器（１００，２００）によれば、容器（４）に収容した検出素子（１）を安価なスターリング冷凍機（７）を用いて冷却できる。また、容器（４）にスターリング冷凍機（７）を取り付けるための取付フランジ（８）が結露しない。さらに、スターリング冷凍機（７）のコールドヘッド（５）の基端に設けられた放熱フィン（６）への冷却空気の流路になると共に容器（４）に取付フランジ（８）を取り付けるためのボルト（１０）をボルト孔に入れ且つ工具で締め付けるためのスペース（１１）を放熱フィン（６）と取付フランジ（８）の間に確保することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１に係るスターリング冷凍機冷却式検出器を示す一部破断構成説明図である。
【図２】実施例１に係る取付フランジの正面図および断面図である。
【図３】実施例１に係るスターリング冷凍機の側面図である。
【図４】実施例１に係るスターリング冷凍機のコールドヘッドにおける温度勾配を示すためにスターリング冷凍機を  大気中で稼動させたときの温度勾配を示すグラフである。
【図５】実施例２に係る取付フランジの正面図および断面図である。
【図６】実施例３に係るスターリング冷凍機冷却式検出器を示す一部破断構成説明図である。
【図７】実施例３に係る取付フランジの正面図および断面図である。
【図８】実施例４に係るスターリング冷凍機の側面図である。
【図９】比較例１に係るスターリング冷凍機冷却式検出器を示す一部破断構成説明図である。
【図１０】比較例２に係るスターリング冷凍機冷却式検出器を示す一部破断構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に示す実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
【００１８】
−実施例１−
図１は、実施例１に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００を示す構成説明図である。
このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００は、Ｘ線を検出する半導体Ｘ線検出素子１と、半導体Ｘ線検出素子１の出力信号を増幅するＦＥＴ２と、半導体Ｘ線検出素子１およびＦＥＴ２を内蔵する筒状体であるコールドフィンガー３と、コールドフィンガー３を内部に収容すると共に検出対象のＸ線が透過する窓４ａを有する容器４と、コールドヘッド５の基端に放熱フィン６が設けられたスターリング冷凍機７と、胴部８ｂの形状が基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が連続的に大きくなるテーパ形状であり且つ基端８ａがコールドヘッド５に取り付けられ且つ先端８ｃが容器４に取り付けられた取付フランジ８と、コールドヘッド５の先端部分に取り付けられた吸熱リング１２とコールドフィンガー３を支持する支持部品１３とを熱的に結合する編組線１４とを具備している。
【００１９】
容器４は、半導体Ｘ線検出素子１を真空断熱して効率よく冷却するため、真空容器である。
取付フランジ８の基端８ａは、コールドヘッド５に、ロウ付けあるいは溶接などの金属シールで気密に接合されている。Ｏリングを用いてシールしてもよい。
取付フランジ８の先端８ｃは、容器４との間にＩＣＦリング９を挟んで気密に容器４にボルト１０で取り付けられている。
【００２０】
放熱フィン６と取付フランジ８の間には、スペース１１が形成されている。
このスペース１１は、放熱フィン６への冷却空気の流路になると共に、ボルト１０をボルト孔に入れ且つ工具で締め付けるためのスペースになる。
【００２１】
図２の（ａ）は取付フランジ８の正面図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
取付フランジ８の先端８ｃは、鍔状になっており、ＩＣＦ用溝８ｄを有している。
取付フランジ８の内面形状は、角度は異なるものの外面と同様にテーパ形状になっている。
なお、外径、肉厚、ボルト孔の大きさや数や位置、シール部の形状などは、実際の仕様に応じて適宜決定される。また、取付フランジ８の内面形状は、外面と同様の形状である必要はなく、ＩＣＦリング９がコールドヘッド５に触れなければ任意の形状でよい。
【００２２】
図３は、スターリング冷凍機７の側面図である。
コールドヘッド５の先端位置を５ａとし、放熱フィン６の前端位置を５ｂとし、取付フランジ８の基端８ａを取り付ける位置であってコールドヘッド５の最も先端側の位置を５ｃとする。
【００２３】
図４に示す温度勾配特性から判るように、大気中でスターリング冷凍機７を最高出力で動作させたとき、コールドヘッド５の先端位置５ａでは例えば−１００℃以下になっており、放熱フィン６の前端位置５ｂでは例えば２０℃になっている。
位置５ｄは、図４のデータ取得をした動作・環境条件における露点のフランジ位置となる。また位置５ｅは、コールドヘッド５の表面温度が室温ＲＴに等しくなる位置である。
取付フランジ８の基端８ａが取り付けられる位置５ｃは、結露しない位置となることから、この位置５ｄと位置５ｂの間の領域Aに存在する。実際には、このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００の動作・環境条件により位置５ｄが移動するので、位置５ｃは、このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００の全ての動作・環境条件において最も５ｄの位置がコールドヘッド５の高温側に位置したときの場所よりも更に高温側に位置することとなる。
【００２４】
図４において、室温ＲＴを１８℃、湿度を５０％とすれば、５ｅは、コールドヘッド５の先端位置５ａから４７．５ｍｍの位置になる。また、５ｄは４０．２ｍｍの位置となる。一方、放熱フィン６の前端位置５ｂは、コールドヘッド５の先端位置５ａから５０ｍｍの位置である。従って、ＲＴ１８℃、湿度５０％において、コールドヘッド５の先端位置５ａから４０．２ｍｍ〜５０ｍｍの幅９．８ｍｍの領域Ａに取付フランジ８の基端８ａが取り付けられた場合結露はおこらない。
【００２５】
実施例１に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００によれば次の効果が得られる。
（１）容器４に収容した検出素子１を安価なスターリング冷凍機７を用いて冷却することが出来る。
（２）取付フランジ８が結露しない。
（３）放熱フィン６への冷却空気の流路になると共にボルト１０をボルト孔に入れ且つ工具で締め付けるためのスペース１１を、放熱フィン６と取付フランジ８の間に確保することが出来る。
（４）容器４および取付フランジ８を放熱フィン６よりも大きくする必要がなく、サイズの大型化やコスト上昇を回避できる。
【００２６】
−実施例２−
図５の（ａ）は実施例２に係る取付フランジ８の正面図であり、図５の（ｂ）は図５の（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
取付フランジ８の先端８ｃは、鍔状になっており、Ｏリング用溝８ｆを有している。
なお、外径、肉厚、ボルト孔の大きさや数や位置、シール部の形状などは、実際の仕様に応じて適宜決定される。また、取付フランジ８の内面形状は、外面と同様の形状である必要はなく、ＩＣＦリング９がコールドヘッド５に触れなければ任意の形状でよい。
【００２７】
図５に示す取付フランジ８を、図１に示するスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００において、図２に示す取付フランジ８の代わりに用いてもよい。この場合、ＩＣＦリング９の代わりにＯリングを用いてシールする。
【００２８】
−実施例３−
図６は、実施例３に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器２００を示す構成説明図である。
このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器２００は、容器４の長さ及び取付フランジ８の胴部８ｂの形状が実施例１のスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００とは異なるが、それら以外は同じ構成である。
【００２９】
取付フランジ８の胴部８ｂの形状は、基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が連続的に大きくなるテーパ形状の中央に、基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が一定の円筒形状を挿入したような形状である。
【００３０】
図７の（ａ）は取付フランジ８の正面図であり、図７の（ｂ）は図７の（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
取付フランジ８の胴部８ｂの形状は、基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が連続的に大きくなるテーパ形状８ｇの中間に、基端８ａ側から先端８ｃ側へと外径が一定の円筒形状８ｈを挿入したような形状である。
なお、外径、肉厚、ボルト孔の大きさや数や位置、シール部の形状などは、実際の仕様に応じて適宜決定される。また、取付フランジ８の内面形状は、外面と同様の形状である必要はなく、ＩＣＦリング９がコールドヘッド５に触れなければ任意の形状でよい。
【００３１】
実施例３に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器２００によれば、実施例１の効果に加えて、次の効果が得られる。
（４）円筒形状８ｈの部分の長さを延ばすことにより、取付フランジ８の先端８ｃの外径を増大させずに取付フランジ８の長さを延ばすことが出来る。
【００３２】
−実施例４−
図８の（ａ）は実施例４に係る取付フランジ８の正面図であり、図８の（ｂ）は図８の（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
取付フランジ８の胴部８ｂは、多段筒状になっている。
なお、外径、肉厚、ボルト孔の大きさや数や位置、シール部の形状、段数などは、実際の仕様に応じて適宜決定される。また、取付フランジ８の内面形状は、外面と同様の形状である必要はなく、ＩＣＦリング９がコールドヘッド５に触れなければ任意の形状でよい。
【００３３】
図８に示す取付フランジ８を、図６に示するスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器２００において、図７に示す取付フランジ８の代わりに用いてもよい。
【００３４】
−実施例５−
図２や図７に示すＩＣＦ用溝８ｄや図５に示すＯリング用溝８ｆを容器４側に設けて、取付フランジ８の先端８ｃは平らにしてもよい。
【００３５】
−実施例６−
容器４を真空容器とせず、乾燥気体（例えば乾燥窒素，乾燥不活性気体，乾燥空気）を満たした密閉容器としてもよい。乾燥気体により、半導体Ｘ線検出素子１の結露を防止できる。
【００３６】
−実施例７−
半導体Ｘ線検出素子１の代わりに、Ｘ線に限定されない放射線を検出できる放射線検出素子や赤外線検出素子などを用いてもよい。
【００３７】
−比較例１−
図９は、比較例１に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器５００を示す構成説明図である。
このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器５００は、取付フランジ５８が異なる以外は、実施例３のスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器２００と同じ構成である。
【００３８】
取付フランジ５８は、平板形状であり、その基端５８ａがコールドヘッド５の先端と基端の中央位置に取り付けられている。
【００３９】
この比較例１では、スペース１１を確保できるが、取付フランジ５８が室温よりもかなり低温になるため、結露を生じる問題点がある。
【００４０】
−比較例２−
図１０は、比較例２に係るスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器６００を示す構成説明図である。
このスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器６００は、容器５４および取付フランジ６８が異なる以外は、実施例１のスターリング冷凍機冷却式Ｘ線検出器１００と同じ構成である。
【００４１】
容器５４は、取付フランジ６８を取り付ける部分の当る端部の径が、放熱フィン６の径よりも大きくなっている。
【００４２】
取付フランジ６８は、放熱フィン６の径よりも大きな径の平板形状であり、その基端６８ａがコールドヘッド５の基端近傍に取り付けられている。
【００４３】
この比較例２では、全体のサイズが大きくなり、コストも上昇してしまう。また、スペース１１を確保できず、放熱フィン６への冷却空気の流れが取付フランジ６８に妨げられる問題点がある。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のスターリング冷凍機冷却式検出器は、光学的な情報を電気的な信号に変換するような検出素子を容器に収容した分析装置あるいは製造ラインに設置されるインラインセンサ装置に利用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１                        半導体Ｘ線検出素子
２                        ＦＥＴ
３                        コールドフィンガー
４                        容器
５                        コールドヘッド
６                        放熱フィン
７                        スターリング冷凍機
８                        取付フランジ
９                        ＩＣＦリング
１０                      ボルト
１１                      スペース
１２                      吸熱リング
１３                      支持部品
１００，２００            スターリング冷凍機冷却式検出器
【図１】
2012255734.tif 000003
【図２】
2012255734.tif 000004
【図３】
2012255734.tif 000005
【図４】
2012255734.tif 000006
【図５】
2012255734.tif 000007
【図６】
2012255734.tif 000008
【図７】
2012255734.tif 000009
【図８】
2012255734.tif 000010
【図９】
2012255734.tif 000011
【図１０】
2012255734.tif 000012