(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温に冷却される装置のための振動隔離熱システムにおいて、
（ａ）冷却手段に接続することにより、選択した低温に保持でき、縦軸および第１と第２の軸端部を有し、前記第１の軸端部に近い部分を前記冷却手段に接続するようにした低温ヘッドと、
（ｂ）前記低温ヘッドから間隔をおいて配置され、前記冷却される装置に直接にまたは間接に接続するためのインタフェース表面を有する隔離マスと、
（ｃ）前記低温ヘッドに接続する第１の末端と、前記隔離マスに接続する第２の末端とを有する少なくとも１個の柔軟性で熱伝導性のストラップと、
（ｄ）少なくとも前記隔離マスと前記冷却される装置とを囲む真空容器と、
を有し、該少なくとも１個のストラップにより前記隔離マスが前記低温ヘッドから吊り下げられていて、前記隔離マスのほぼ全体の温度は、無負荷状態で前記低温ヘッドの温度とほぼ等しいことを特徴とする振動隔離熱システム。
【請求項２】
低温に冷却される装置のための振動隔離熱システムにおいて、
（ａ）冷却手段に接続することにより、選択した低温に保持でき、縦軸および第１と第２の軸端部を有し、前記第１の軸端部に近い部分を前記冷却手段に接続するようにした低温ヘッドと、
（ｂ）前記低温ヘッドから間隔をおいて配置され、前記冷却される装置に直接にまたは間接に接続するためのインタフェース表面を有する隔離マスと、
（ｃ）前記低温ヘッドに接続する第１の末端と、前記隔離マスに接続する第２の末端とを有する少なくとも１個の柔軟性で熱伝導性のストラップと、
（ｄ）少なくとも前記隔離マスと前記冷却される装置とを囲む真空容器と、
を有し、前記隔離マスは、前記低温ヘッドを部分的に囲み、該少なくとも１個のストラップにより前記低温ヘッドから吊り下げられ、前記低温ヘッドの少なくとも前記第１の軸端部は、露出しており、前記冷却手段へ接続可能となっており、前記隔離マスのほぼ全体の温度は、無負荷状態で前記低温ヘッドの温度とほぼ等しいことを特徴とする振動隔離熱システム。
【請求項３】
前記低温ヘッドは少なくとも１個の横表面を有し、前記少なくとも１個のストラップは、前記少なくとも１個のストラップの前記少なくとも１個の第１の末端を前記低温ヘッドの前記少なくとも１個の横表面に接続することを特徴とする請求項２に記載の振動熱隔離システム。
【請求項４】
低温に冷却される装置のための振動隔離熱システムにおいて、
（ａ）冷却手段に接続することにより、選択した低温に保持でき、縦軸および第１と第２の軸端部を有し、前記第１の軸端部に近い部分を前記冷却手段に接続するようにした低温ヘッドと、
（ｂ）前記低温ヘッドから間隔をおいて配置され、前記冷却される装置に直接にまたは間接に接続するためのインタフェース表面を有する隔離マスと、
（ｃ）前記低温ヘッドに接続する第１の末端と、前記隔離マスに接続する第２の末端とを有する少なくとも１個の柔軟性で熱伝導性のストラップと、
（ｄ）前記隔離マスから前記低温ヘッドの前記縦軸に対し横方向に伸びた高熱絶縁性の横支持体と、
（ｅ）少なくとも前記隔離マスと前記冷却される装置とを囲む真空容器と、
を有し、該少なくとも１個のストラップにより前記隔離マスが前記低温ヘッドから吊り下げられていて、前記隔離マスのほぼ全体の温度は、無負荷状態で前記低温ヘッドの温度とほぼ等しいことを特徴とする振動隔離熱システム。
【請求項５】
低温に冷却される装置のための振動隔離熱システムにおいて、
（ａ）冷却手段に接続することにより、選択した低温に保持でき、縦軸および第１と第２の軸端部を有し、前記第１の軸端部に近い部分を前記冷却手段に接続するようにした低温ヘッドと、
（ｂ）前記低温ヘッドから間隔をおいて配置され、前記冷却される装置に直接にまたは間接に接続するためのインタフェース表面を有する隔離マスと、
（ｃ）前記低温ヘッドに接続する第１の末端と、前記隔離マスに接続する第２の末端とを有する少なくとも１個の柔軟性で熱伝導性のストラップと、
（ｄ）少なくとも前記隔離マスと前記冷却される装置とを囲む真空容器と、
を有し、該少なくとも１個のストラップにより前記隔離マスが前記低温ヘッドから吊り下げられ、前記隔離マスと前記少なくとも１個のストラップの組合わせの基本共振振動数が６０Ｈｚ未満であり、前記隔離マスのほぼ全体の温度は、無負荷状態で前記低温ヘッドの温度とほぼ等しいことを特徴とする振動隔離熱システム。
【請求項６】
前記隔離マスと前記少なくとも１個のストラップの組合わせの基本共振振動数が６０Ｈｚ未満であることを特徴とする請求項２に記載の振動隔離熱システム。
【請求項７】
前記少なくとも１個のストラップが編組状の金属からできていることを特徴とする請求項１に記載の振動隔離熱システム。
【請求項８】
前記編組状の金属が銅であることを特徴とする請求項７に記載の振動隔離熱システム。
【請求項９】
前記ストラップの数は少なくとも２個であって、該ストラップは、前記低温ヘッドと前記隔離マスの間の接続において、相互に大体対向して配置され、前記熱システムは前記軸のいずれの配向でも動作できることを特徴とする請求項２に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１０】
前記隔離マスが、前記少なくとも１つのストラップにより、前記縦軸を基準として縦軸方向の運動に対するより半径方向の運動に対し、より剛性があるように吊り下げられることを特徴とする請求項１に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１１】
前記隔離マス上の前記インタフェース表面が、大体前記縦軸沿いにあることを特徴とする請求項１に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１個のストラップが、少なくとも１個の前記低温ヘッドの横表面に付随するよう形状が形成された少なくとも１個の各プレートにより、前記低温ヘッドに保持され、前記ストラップが有効な伝熱のため前記プレートと前記低温ヘッド面の間に挟まれていることを特徴とする請求項２に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１３】
前記隔離マスが、大体円筒状であることを特徴とする請求項９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１４】
前記大体円筒状の隔離マスが、前記低温ヘッドの前記第２の軸端部の近くで閉じられていることを特徴とする請求項１３に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１５】
前記ストラップの数量が１〜Ｎのいずれかの数であって、前記熱システムの性能特性が前記ストラップ数と構成の選択により調整可能であることを特徴とする請求項２に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１６】
前記低温ヘッドが、前記ストラップの前記第１の末端において前記低温ヘッドに前記数のストラップの接続のためのＮ個の横側面を有することを特徴とする請求項１５に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１７】
前記冷却される装置が編組状の熱伝導性ストラップにより前記隔離マスに間接的に接続され、前記冷却される装置が該装置と容器の間に伸びる支持手段により該容器内に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１８】
前記低温ヘッドと前記隔離マスが大体同軸に設けられることを特徴とする請求項１３に記載の振動隔離熱システム。
【請求項１９】
低温に冷却される装置のための振動隔離熱システムにおいて、
（ａ）冷却手段に接続することにより、選択した低温に保持でき、縦軸および第１と第２の軸端部を有し、前記第１の軸端部に近い部分を前記冷却手段に接続するようにした低温ヘッドと、
（ｂ）前記低温ヘッドから間隔をおいて配置され、前記冷却される装置に直接にまたは間接に接続するためのインタフェース表面を有する隔離マスと、
（ｃ）前記低温ヘッドに接続する第１の末端と、前記隔離マスに接続する第２の末端とを有する少なくとも１個の柔軟性で熱伝導性のストラップと、
（ｄ）少なくとも前記隔離マスと前記冷却される装置とを囲む真空容器と、
を有し、該少なくとも１個のストラップにより前記隔離マスは前記低温ヘッドから吊り下げられていて、前記低温ヘッドは前記隔離マスを部分的に囲み、前記低温ヘッドの少なくとも前記第１の軸端部は、露出しており、前記冷却手段へ接続可能となっており、前記隔離マスのほぼ全体の温度は、無負荷状態で前記低温ヘッドの温度とほぼ等しいことを特徴とする振動隔離熱システム。
【請求項２０】
前記低温ヘッドは少なくとも１個の横表面を有し、前記少なくとも１個のストラップは、前記少なくとも１個のストラップの前記少なくとも１個の第１の末端を前記低温ヘッドの前記少なくとも１個の横表面に接続することを特徴とする請求項１９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項２１】
前記隔離マスと前記少なくとも１個のストラップの組合わせの基本共振振動数が６０Ｈｚ未満であることを特徴とする請求項１９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項２２】
前記ストラップの数は少なくとも２個であって、該ストラップは、前記低温ヘッドと前記隔離マスの間の接続において、相互に大体対向して配置され、前記熱システムは前記軸のいずれの配向でも動作できることを特徴とする請求項１９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項２３】
前記ストラップの数量が１〜Ｎのいずれかの数であって、前記熱システムの性能特性が前記ストラップ数と構成の選択により調整可能であることを特徴とする請求項１９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項２４】
前記低温ヘッドと前記隔離マスが大体同軸に設けられることを特徴とする請求項１９に記載の振動隔離熱システム。
【請求項２５】
前記少なくとも１個の熱伝導性のストラップが、前記低温ヘッドから隔離マスのほぼ全体への熱伝導を提供することを特徴とする請求項１に記載の振動隔離熱システム。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、真空容器中の低温（cryogenic temperature）にある、例えば、検出器のような装置の冷却に一般的に関し、特に、低温の容器（canister）中の振動に敏感な装置の冷却と防護に関する。
種々の電子検出器は、例えば、ｘ線、ガンマ線、赤外線のような電磁波をサンプリング、または磁場の変化をモニタし、例えば、これにはSQUIDSと呼ばれる超伝導量子インタフェイス装置が挙げられる。これらの検出器の感度は、一般的に１５０Ｋ未満の低温に該検出器を冷却すると大きく向上することが多い。さらには、検出器と該検出器の至近距離にある他の装置の絶対的位置は、僅かな運動に起因する検出器の信号ノイズエラーを最小にするために、固定したままであることが必要である。そこで、検出器を冷却する装置は、該検出器を役に立たなくしてしまうような高いレベルの振動を与えてはならない。
従来法では、低温ヘッド、熱吸収体は、検出器の実際の冷却を行うためには減圧容器中に配置される。このような冷却は、低温ヘッドと検出器との間に、良好な伝熱体でもある柔軟性ストラップを接続させることにより実現されることが多い。検出器からの熱は、該ストラップの熱伝導性が高いため、低温ヘッドに容易に流れ、同時にその低温ヘッドに生成した振動は、検出器と低温ヘッドの間の、例えば、編組状の銅のようなストラップコネクタの柔軟性によって検出器から部分的に隔離される。
低温ヘッドに所望する低温は、該低温ヘッドまたは該低温ヘッドに密接に接続するシステムで、例えば、液体窒素のような低温冷媒の沸騰により得ることができる。この液体窒素は熱を吸収して、気体に変じ、この気体は排出される。７７Ｋのオーダの温度が得られる。ところが、この液体窒素自身の沸騰作用で振動を生じ、隔離システムが必要な場合が多い。
このような低温でメンテナンスを必要とする装置の低温冷却には、この気体（vapor）圧縮型の冷却装置が用いられることが多い。このようなシステムでは、冷却しようとする装置、例えば、検出器を、直接または間接に接続する低温ヘッドにかなりの振動を招く傾向がある。したがってこれらの密閉サイクルは、振動の敏感さが大切な実際の運用にはならなかった。
歴史的に見て、編組状（braided）の銅の接続ストラップが、振動が重要な因子となるような冷却装置から有効な伝熱に用いられて来た。さらにこのストラップは、低温ヘッドと検出器の間に柔軟性のある結合を与え、これが該検出器に与える振動レベルを低減する。冷却装置の質量が、慣性力を無視できる程小さい場合、検出器の場合にはこれに該当することが多いのであるが、この検出器における振動レベルは、相互接続するストラップの剛性の、検出器の支持体の剛性に対する比率だけ低減され、低温ヘッドの振動により与えられる近似値を有する。
ここで実際の式は、
δ2＝Ｒ1δ1／（Ｒ1＋Ｒ2）
ただし式中、δ1＝低温端部の運動、δ2＝検出器の運動、Ｒ1＝ストラップの剛性、およびＲ2＝支持体の剛性。ここで、良好な隔離を表すＲ2》Ｒ1の場合、
0003901217.tif 000002
で与えられる。
例えば、検出器における振動を、低温ヘッドの振動レベルに対し、１／２５に減少するためには、検出器支持体は、接続ストラップより約２５倍の剛性でなければならない。このような構成では、剛性の検出器支持体の構造体と、高柔軟性の接続ストラップが必要となり、前者では該構造による余分な（parasitic）熱損失が許容できないものになり、後者では伝熱効率が低下してしまう。
低温で最も良く動作する振動に敏感な多くの検出器では、振動レベルが３軸において全体で０．００２ｇｒｍｓ（ここでｇは重力を表す）未満であることが必要であることが試験で示された。液体窒素の沸騰のみが唯一重要な振動源であるようなシステムでは、すなわち、気体圧縮サイクルの無いシステムでは、その振動レベルは全体で０．００２ｇｒｍｓぎりぎりであることが見出だされた。そこでこの検出器における振動を低減するためには、編組状の銅のストラップを用いて、冷却システムの低温ヘッドと、容器で支えられている検出器の間を接続した。この低温ヘッドは沸騰する液体窒素と接触した。
この構成で、該検出器における振動レベルを所望の０．００２ｇ未満レベルに低減することが可能であった。しかし、冷媒の沸騰システムでは、使い果した冷媒供給置換、気化冷媒の排気などの問題がある。そこで、低温冷却システムでは、密閉サイクルの気体圧縮冷却ユニットが、その温度や熱負荷の要求条件を満足させるように利用可能であれば、それに頼るのが一般的に望ましい。
先に述べた試験に用いたような検出器に対する温度や負荷の要求条件を熱力学的に満足させるような密閉サイクル冷却システムは、液体窒素の沸騰により生ずる振動レベルより１０〜２５倍も大きい振動レベルを低温ヘッドに生じた。このような気体圧縮装置を置換え得るためには、検出器支持体は液体窒素沸騰システムを用いる際に必要な構造体より２５倍の剛性に変更することが必要となる。
このような検出器支持構造を、通常のセンサまたは検出器に利用するのは実用的ではない。さらにここで、相互接続する編組状のストラップの剛性を低減することも熱の問題が生じることから許容できるものではない。ここで本評価に用いた低温用密閉サイクル冷却システムは、ここに引例とする米国特許第５，３３７，５７２号、１９９４年８月１５日発行、本出願と同一譲受人、に述べた種類のものである。
低温で動作し、振動に非常に敏感な装置を冷却するため、密閉サイクル気体圧縮冷却ユニットを用いることができる改良した振動隔離熱システムが求められている。
発明の概要
そこで、本発明の目的は、振動力からの自由度に応じた性能特性を有する低温冷却装置のための改良した振動隔離熱システムを提供することである。
本発明のさらなる目的は、冷却用の密閉サイクル気体圧縮ユニットを用いる低温冷却装置のための改良した振動隔離熱システムを提供することである。
さらに本発明の他の目的は、いずれの配向でも有効に動作できる低温冷却装置のための改良した振動隔離熱システムを提供することにある。
なお、さらに本発明の他の目的は、冷却装置のための取付けに影響を及ぶすことなく他の冷却装置を置換えることができる低温冷却装置のための改良した振動隔離熱システムを提供することにある。
本発明の低温冷却装置のための振動隔離熱システムにおいては、気体圧縮サイクル冷却ユニットの一部であるか、またはそれに接続した低温ヘッドは、隔離マスにより少なくとも部分的に囲まれている。隔離マスの開放部により低温ヘッドに該冷却ユニットの高伝導性結合のために近づき可能である。編組状の銅のストラップは低温ヘッドから隔離マスを吊し浮かせている。そこでこの隔離マスは、また例えば、銅のような高伝熱材料であるが、無負荷状態下で、低温ヘッドと実質的に同じ温度に冷える。
冷却しようとする装置からその隔離マスに熱が入力されると、隔離マスとその低温ヘッドの間に温度勾配が存在する。この温度差は、移動される熱量、および該伝導性ストラップによる隔離マスと低温ヘッドの間の熱伝達路の抵抗に比例する。隔離マスとストラップは、冷却ユニットに起因する低温ヘッドにおける第１調波振動数未満である基本振動数を有するような大きさに作られる。またこのストラップは、隔離マスの装置取り付けインタフェースと低温ヘッドの間の温度差が伝熱ワット当たり２．５Ｋ未満になるような寸法に作られる。振動隔離がさらに重要な場合、さらには動作温度が重要でない場合、最大５０Ｋ／ｗまで許容可能である。
冷却しようとする装置、例えば検出器、つまり装置の質量がその隔離マスに比し重要でない場合、この検出器は、直接その隔離マスに取り付けることができる。この検出器は、隔離マスの一部とするか、またはその隔離マス内に収納することができる。さらなる振動隔離が求められる場合、冷却しようとする装置は、高伝導性材料の別の編組状のストラップにより、隔離マスから隔離することができる。
少くとも２個の大体対向する編組状のストラップを用いて隔離マスの空洞内に、低温ヘッドを配置することにより、低温ヘッド／隔離マスの組合わせのいずれの配向も、低温ヘッドと隔離質量が直接的な物理接触をしない限り、性能に害を与えることなく利用することができる。
さらに本発明についての他の実施の形態を挙げると、低温ヘッドは隔離マスを一部囲むように構成される。そしてこの隔離マスと低温ヘッドの間の対向する伝導性ストラップが、その相対的位置を保持し、前記のような振動隔離と熱伝導を提供する。
そこで本発明は、以下に例示し説明するような構成で、構造、要素の組合わせおよび部品の配置の特徴を有し、さらには請求項により本発明の請求範囲を示す。
【図面の簡単な説明】
本発明のさらなる十分な理解のため、次の添付図面と照合した以下の説明を参照されたい。
図１ａは容器中の装置を冷却し振動隔離する従来技術のシステムを示す略図である。
図１ｂは図１ａに示すシステムの等価振動図である。
図２ａは容器中の装置を低温に冷却し機械的に隔離するための、本発明のシステムを示す略図である。
図２ｂは図２ａに示すシステムの等価振動図である。
図３ａは本発明の振動隔離熱システムの代替的実施の形態を示す図２ａと同様の略図である。
図３ｂは図３ａに示す実施の形態に対する図２ｂと同様の振動図である。
図４は本発明の振動隔離熱シスデムの他の代替的実施の形態を示す略図である。
図５は本発明の振動隔離熱システムのさらに他の代替的実施の形態を示す略図である。
図６ａは本発明の低温ヘッドと振動隔離マスを示す一部破断斜視図である。
図６ｂは図６ａのストラップの組立体を示す斜視図である。
好適な実施の形態の説明
図１ａ、１ｂを参照し説明する。従来技術の振動隔離熱システム１０には、装置、例えば、検出器１２があり、この検出器１２は真空容器１４内に封入されており、この真空容器１４は一般的には室温に置かれている。支持要素１６は、この検出器１２を容器１４の壁から離して保持している。低温ヘッド１８は、この容器１４内に吊り下げられ、構造要素２０により支えられ、図１ａで破線だけで示された冷却（refrigeration）手段により冷却される。
この冷凍手段２２は、検出器１２に対し所望の温度より低い温度を与えることができれば、いずれの種類のものでも使用可能である。しかし、前述のように、この冷却手段２２は、可能な限り、低温ヘッド１８に低い振動エネルギーを与えることが望ましい。一般的に、低温ヘッド１８は冷却手段２２の最冷部分である。
この冷却手段２２が密封サイクル気体圧縮サイクルを含む場合、高圧冷媒はオリフィスまたは毛管を通り流れる際に膨脹してその圧力を減じ、それにより既知のジュールトンプスン効果（Joule-Thompson effect）によりこの冷媒の温度を低下させる。この冷たい冷媒が低温ヘッド１８を冷却し、そこから熱を吸収する。ここで今加熱された冷媒は、圧縮装置（図示せず）に戻り、ここで加圧され、次にこの冷媒の熱は外気に排出され、そしてこの冷媒は循環される。
他方、冷却手段２２が開放サイクルで動作する場合、冷媒は大気圧で、または制御された絞り圧で沸騰し、冷媒が沸騰するチャンバ（図示せず）は、検出器が冷却されるように、その低温ヘッド１８に接続されるか、またはその一部となっている。
柔軟性で高熱伝導性のストラップ２４は、検出器１２により生成または吸収される熱が、ストラップ２４から低温ヘッド１８を通り、冷却手段２２の冷媒の中に流れるように、検出器１２と低温ヘッド１８の間を接続する。
しかし柔軟性ストラップ２４による低温ヘッド１８の検出器１２への結合によって、この低温ヘッド１８から検出器１２への振動エネルギーの伝達が可能となる。前述のように、検出器は非常に低い振動レベルでさえ許容できず、有効に動作できないものが多い。そこで、適当なストラップ２４を選択する際に選択の衝突が生じてしまう。
明白なことであるが、ストラップを使用しない場合、この振動の伝達は最小である。しかし不都合なことに、このような構成では、熱伝導は非常に大きく低下する。なぜなら、輻射や構造要素１６だけで容器内の伝熱が行われるからである。輻射のための伝熱係数は、柔軟性ストラップのような伝導路を用いる際の伝熱係数よりはるかに小さい。また構造要素１６は検出器１２に伝熱可能である。さらに、検出器１２と低温ヘッド１８の間のより大きい温度差が、非伝導性伝熱機構を用いる場合必要である。明白に、ストラップを完全に無くすことは振動問題に対する解決策としては実際的ではない。
検出器１２と低温ヘッド１８の間の温度差の低下は、平行ストラップや、より厚いストラップや、より短いストラップなどの使用により実現可能である。しかし、このようなストラップの変更は、低温ヘッド１８から検出器１２に与えられる振動エネルギーを増加する傾向がありえる。
図１ｂは図１ａに固有の振動構造を示す等価振動図である。柔軟性ストラップ２４の剛性すなわちスプリング抵抗は抵抗Ｒ1で表され、また検出器に対する支持要素１６の結合抵抗は抵抗要素Ｒ2で表される。この２個の抵抗は、それらの間のノード２６に位置する検出器１２と直列にある。
検出器１２の質量がその慣性力が無視できるほど小さい場合、これが通常の場合であるが、検出器１２における振動レベルは、相互接続ストラップ２４の剛性Ｒ1の検出器支持体要素１６の剛性Ｒ2に対する比率だけ低減される低温ヘッドの振動によりほぼ与えられる。
例えば、検出器１２における振動を低温ヘッド１８の振動に対しその１／２５に低減するためには、検出器支持体１６は、その剛性が接続ストラップ２４よりほぼ２５倍大きくなければならない。この構成では、高剛性の検出器支持体構造１６および非常に高柔軟性の接続ストラップが必要となり、前者では無駄に余分に生ずる熱損失が許容できなくなり、後者では高い伝熱温度差が許容できなくなる。
この従来法は、柔軟性接続ストラップ２４の剛性および検出器支持体構造１６の剛性に依存するものである。このようなシステムは冷却手段２２が開放サイクル冷媒沸騰システム（圧縮装置なし）であるような実際の利用の場合には有効であることが分かっているが、この考えは、冷却しようとする装置が振動レベルに特に敏感な場合、既知の種類の密閉サイクル気体圧縮システムの利用の場合には、適当ではない。
図２ａは、本発明の振動隔離熱システム３０の実施の形態を示し、同様の要素には図１ａおよび図１ｂの実施の形態におけるのと同じ参照番号を用いる。このシステム３０においては、低温に冷却される装置１２のための機械的隔離を提供するが、隔離マス３２が検出器１２と低温ヘッド１８の間に振動可能に配置される。この検出器１２は真空容器１４のベースに構造要素１６により支えられている。
高柔軟性かつ優れた熱伝導性の複数のストラップ３４、例えば、編組状の銅ストラップは、隔離マス３２と低温ヘッド１８の間を接続する。隔離マス３２は低温ヘッド１８からストラップ３４により吊り下げられており、この実施の形態では、他に支えを有しない。ストラップ３４は高柔軟性であるが、隔離マス３２と低温ヘッド１８の間においてそれらの対向する取り付け位置により、縦軸３６の真の垂直位置に対する配向にかかわらず、隔離マス３２が縦軸３６回りの中心位置から動かぬようになっている。このように、この隔離マス３２は低温ヘッド１８に拘束されているが、半径方向よりも軸方向のほうの相対運動に対しやや自由度を有する。構造要素２０が低温ヘッド１８を容器１４内の所定の位置に保持している。
以上のように、柔軟性で高熱伝導性のストラップ２４は、検出器１２と隔離マス３２のインタフェースの間を接続する。この接続座位３８は、隔離マス３２の縦方向の端部上に、すなわち、この半径方向に配向したストラップ３４の取り付け位置から遠い端部上に大体位置している。
図２ｂの等価回路図に示したように本発明のシステムでは、隔離マス３２があり、さらに第３の直列の抵抗Ｒ3があって、これは隔離マス３２と低温ヘッド１８の間に延びるストラップ３４の剛性を表す。抵抗Ｒ1およびＲ2は前記の通りである。本発明のシステム３０では、以上によりこの隔離マス３２および検出器１２と直列の位置に３個の抵抗を提供する。
図２ａと図２ｂに示す本システム３０において、隔離マス３２の運動は、低温ヘッド１８の運動からストラップ３４により大きく減少する。そして隔離マス３２と検出器１２の間の振動が、従来のように柔軟性接続ストラップ２４の剛性と、検出器支持体構造１６の剛性との関係によって、さらに減少する。
検出器１２と支持体要素１６とストラップ２４は図１ａと図１ｂに示す実施の形態と同じである。そこで、隔離マス３２を用いるシステム３０を用いて、図１ａに示す低温ヘッド１８／ストラップ２４のシステム１０を、この検出器１２またはその取り付け具１６をなんら変えることなく、置換えることができる。隔離マス３２の大きさを適当な大きさにし、本発明のシステム３０（図２ａ）は、また密閉気体圧縮サイクルを用いて、沸騰冷媒による開放サイクルで動作する図１ａのシステムより大きい振動エネルギーを検出器１２に与えない。これら２種のシステム間の重要な相違は、ストラップ２４を取付けた（３８）場合の隔離マス３２における振動レベルが、柔軟性ストラップ２４が低温ヘッド１８に直接接続（図１ａ）された場合より、大きく低減されることである。
本システム３０は、抵抗運動で隔離マス３２の慣性を利用し、高度の振動低減を達成するものであり、この意味では古典的隔離器と考えることができる。隔離マス３２と編組状の銅３４の組合わせの固有振動数が駆動力の振動数、この場合は低温ヘッドの振動数であるが、この振動数の０．７０７倍未満である場合、隔離マス３２は低温ヘッド１８より小さく振動する。そこで、例えば、ある低温ヘッドの振動が６０Ｈｚにおける第１調波を示し、ただし１２０Ｈｚと１８０Ｈｚにおける高調波からの大きい寄与分も有し、また４０００Ｈｚに至る実質的な振動含有分も含む場合、本発明の隔離システム３０では、前記隔離マス／ストラップの組合わせの基本振動数が４２Ｈｚ（０．７０７×６０Ｈｚ）未満であると、ある程度の減衰が得られる。
２０Ｈｚ未満の計算基本振動数を有する解析設計の隔離システムでは、１０〜２５分の１の振動低減が見込まれた。スターリング（Sterling）型の既知の冷却装置は、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚのオーダの第１調波を生成する。スターリング型冷凍ユニット２２を使用の場合の計算設計の隔離器システム３０は、１０〜２５分の１の振動低減を生成する際に有効であることが見出だされた。
このような隔離システムを計算し、設計する際に、検出器１２と低温ヘッド１８の間の許容できる温度勾配は、重要な設計パラメータであった。特定の限定を設定できないが、この隔離マス３２の検出器インタフェース３８と低温ヘッド１８の間の温度上昇は、伝熱ワット当たり２．５Ｋで、これは特定の利用には望ましいものと考えられた。図２ａのシステムにおける限定熱流路は、ストラップ２４であって、検出器からのすべての熱が、このストラップを通り流れるように意図される。
図３ａに、本発明の他の実施の形態の低温冷却装置のための振動隔離熱システム４０を示す。ここでの機能要素は、柔軟性で熱伝導性のストラップ２４が無く、検出器１２が直接隔離マス３２に取付けられている点以外は、図２ａの実施の形態と同じである。さらにこの構成では、検出器１２と真空容器１４の間の構造要素１６のような構造もまた無い。図２ａにおける実施の形態では、振動伝達の主要な低減は、隔離マス３２によって与えられるために、柔軟性ストラップ２４や構造要素１６の廃止は隔離マス３２の所用寸法に大きい影響を及ぼすものではない。そこで図３ａの実施の形態のほうが図２ａの実施の形態より好ましい利用の場合が多い。このシステム４０の等価図を（図３ｂに）示す。
ここで理解すべきことは、検出器は隔離マス３２に一体化することができ、さらに検出器１２すなわち冷却される装置は、隔離マス内のキャビティ（cavity）または囲まれた空間に取付けることができる。
このインタフェース隔離マスは高熱伝導性でなければならないが、酸素を含有しない高伝導性の銅が有効である。スペースに限定がある場合、鉛（Ｐｂ）のマスを隔離マス３２に付ける（図示せず）ことも可能である、というのは鉛は銅より密度が高く、この装置の単位体積当りの質量を大きくする。質量が増加すると、隔離マス／ストラップのシステムの固有振動数は低くなり、振動が大幅に低減する。
図４では、さらに本発明の異なる実施の形態を例示するが、ここでは低温ヘッド１８が隔離マス３２を部分的に囲む。対向するストラップ３４が隔離マス３２を低温ヘッド１８の側表面４４から吊す。図３ｂの等価図はまた図４にも適用できる。この検出器１２は、隔離マス３２の表面３８に取付けられているが、検出器１２は、また図２ａ，ｂのように、ストラップ２４と支持体要素１６により隔離マス３２から離すことも可能である。
図４においては、熱絶縁材料の指状突起体（フィンガ）４０が、容器１４の内壁上に設けられた受け口（レセプタクル）４２に伸びている。そこで検出器１２の望ましくない半径方向の動き（excursions）が存在する場合に、それを機械的に制限する。実施の形態のすべての場合に、例えば、ナイロンやポリアラミドの繊維のような絶縁材料の対向する糸（図示せず）を、隔離マスと容器の間に伸張配置し、半径方向の運動を制限することも可能である。
図５は、本発明の振動隔離熱システム５０の異なる実施の形態を示す。この隔離マス３２は、隔離マス３２が低温ヘッド１８の下に垂直に吊り下げられているように、ストラップ５２により低温ヘッド１８に接続する。図５には示していないが、検出器１２は、隔離マス３２の底面５４に直接取付けられるか、または図２ａに示したように、ストラップ２４と支持体要素１６により隔離マス３２に接続するかのいずれかである。このシステム５０は、図２ａおよび図３ａの実施の形態例より構造がより単純でコストも安い。しかし、逆にした位置では動作することはできない。というのは、隔離マス３２は低温ステーション１８と接触し、直接振動を低減すること無く伝えるからである。
絶縁支持体５６は半径方向のぶれ（deflection）の問題を防止し、隔離マス３２が真空容器１４の暖壁に接触しないようにする。この支持体５６を無くすることも可能である。しかしその際、このシステムは図示のような低温ヘッドが下を向いている場合のみ動作が可能である。他の配向では隔離マスは半径方向に余りにも大きくぶれ、真空容器１４に接触してしまう。
支持体５６およびフィンガ４０を用いる場合であるが、これらは、ガラスエポキシＧ１０のような良好な熱絶縁材料から作られる。いずれの種類の固定の半径方向支持体でも、これにより隔離マス３２が半径方向にぶれて真空容器１４と接触しないようにでき、同時に軸方向（図５に示すように縦方向）にはフレキシブルであれば、有用である。この容器１４を支持用に用いる場合危険である、というのはこの容器１４は隔離マス３２より高レベルで振動可能で、その結果、隔離マス３２における振動レベルが増加してしまうからである。このような振動の増加は、隔離マス３２に直接またはストラップ２４を介して接続された検出器１２に伝わってしまう。
図６ａ、６ｂは、図２ａと図３ａの構成に対応する低温ヘッド／ストラップ／隔離マスの組立体の構成例を示す。低温ヘッド１８は、一般的に、例えば、銅のような高伝導性材料の長方形の固体ブロックで、これは縦軸３６に沿って配向される。この隔離マス３２は、大体円筒形のスリーブで、その一端５８を閉じ他端６０で開いている。この隔離マス３２の円筒軸はまた縦軸３６に対応する。低温ヘッド１８と隔離マス３２の間には直接の接触は無く、また隔離マスは、例えば、銅のような高伝導性材料から作られている。
この低温ヘッド１８は、隔離マス３２の空洞内の位置に、４個のストラップ３４により保持されており、このストラップ３４は平形で、高柔軟性で、高熱伝導性の、編組状の銅から作られている。各ストラップ３４は、２個の編組状のバンド６２からできていて（図６ｂ）、各ストラップはループに形成されており、このループはその縦軸３６に大体平行に配向している。各ストラップ３４は、各プレート６６により長方形の低温ヘッド１８の各平面６４に保持され、このプレート６６は低温ヘッド１８にボルト６８により取付けられていて、このボルト６８はプレート６６におけるスロット７０を通り、低温ヘッド１８のねじ孔（図では見られない）にはめ合せられ結合している。
ストラップ３４は完全ループを形成するようそのプレート６６の下も通る。このストラップは、さらに良好な熱結合を与えるようにプレート６６にはんだ付けしてもよい。プレート６６に結合しないループの外側部分は、その低温ヘッド１８が隔離マス３２内に対称的に吊り下げられていると言うことができるように、もっと正確に言えば、この隔離マス３２が低温ヘッド１８から吊り下げられるように、隔離マス３２に設けられた開口部７２を通る。このストラップ３４が高柔軟性の編組状の構造であるため、コーナーなどに合うよう曲がり、このストラップの長方形の形状を得ることができる（図６ｂに最も良く図示されている）。
以上の構成のように、この支持システムは、その半径方向ではかなりの剛性を有し、その軸方向（３６）では柔軟性を有する。隔離マス３２の重心は上下の銅ストラップにより境界として囲まれた容積範囲内にある。この構造であるため、組立体を図示のような側で動かす際に、隔離マス３２が暖い真空容器１４の方に横にぶれたり、または低温ヘッド１８に接触したりせぬよう、隔離マス３２の安定な支えが得られる。動作はこの軸３６の配向とは関係が無い。
この隔離マス３２の一部は、所定の寸法の制約内でさらに大きい重量を要する場合には、鉛から作ることも可能である。
隔離マス３２と低温ヘッド１８とストラップ３４は、隔離システムが２０Ｈｚ未満の基本振動数を有するよう構成した。この銅ストラップ３４は、適当な伝熱面積を与えると同時に、２０Ｈｚ未満の固有振動数を保持するのに十分な柔軟性であるような大きさに設定した。この低温ヘッド１８と検出器インタフェース７６の間の温度上昇は伝熱ワットあたり２．５Ｋ未満であることが実験的に検証された。振動力を１０分の１〜２５分の１の範囲に低減することが、２０Ｈｚ未満に固有共振するシステムにより実現された。
使用に際し、低温ヘッド１８を容器１４内の所定の位置に保持するため、構造要素２０は、例えば、低温ヘッド１８にその表面７４で結合する。この結合（図示せず）はまたそのプレート６６を低温ヘッド１８に保持した同じボルト６８を用いて行うことができる。
また冷却ユニット２２の低温末端部を低温ヘッド１８の表面７４に接続して、検出器１２からのすべての熱エネルギーがその表面７４を通ってこのシステムを出るようにする。または、低温ヘッド１８は冷却ユニット２２の一体化した一部とすることも可能である。
この隔離マス３２の閉端部５８の外側表面７６は、検出器１２（図示せず）を直接に、またはそのねじ孔７８にかみ合うねじ込み取付け具（図示せず）を用いて取付けできるインタフェースを提供する。または、この検出器は、図２ａに示したような中間ストラップ２４により、そのインタフェース表面７６に接続することも可能である。
図６ａに示した低温ヘッド１８は長方形ブロックであるが、異なる形状のものも使用することが可能であることを理解すべきである。例えば、その縦軸３６に横に裁断した低温ヘッドの断面は、円形、５角形、６角形、細長長方形、３角形、などなど、とすることができる。冷却ユニット２２の低温部を挿入するような開口部を、低温ヘッドの中にまたはこの低温ヘッドを通り、有することも可能である。この隔離マス３２は一般的に断面が円形である必要はなく、また長方形、５辺形などなどとすることができる。低温ヘッド１８はその末端部６０から開口部の外へ伸びることもでき、この隔離マスの外壁に切抜き部を設けて、低温ヘッドに近づけるようにすることも可能である。
ストラップ数は４である必要はない。特定の運用では、大体対向する一対のストラップ３４で、隔離マス３２を吊下げるためには十分な状態である。このような状態で、振動力はその３軸方向で異なる。また平行な組のストラップ（図示せず）を用いることも可能である。角度が１２０度に配向した３個のストラップを用いることも可能であり、さらに単一ストラップを用いることも可能であり、これは例えば、図６ａ，ｂのように、その縦軸３６を水平に配向しようとする場合に用いることができる。
また、例えば低温ヘッド１８の断面が８角形である場合、８個のストラップを用いることも可能である。基本的に、ストラップの面積や数量は、前述のように、その全体の組立の熱特性と振動特性の両者に関し、設計の計算においてファクタとして取上げる必要がある。実際に用いるストラップの大きさや数量を選択し、熱的におよび／または振動的に装置を“調整”することが可能である。例えば、物理的に８個のストラップを収納できる低温ヘッド／ストラップ／隔離マスの集合体は、１〜８個のストラップのいずれについても、その設置に適するように、動作させることが可能である。各ストラップを加えたり除いたりすると、その共振振動数、振動伝達および熱移動が増分的に変る。
図６ａ、ｂに例示した構成を用いて、開放式サイクル窒素沸騰システムを密閉式サイクル気体圧縮ユニットで置換え、冷却される装置の振動を所望の限定範囲内に保持することが可能であった。約０．０２〜１０ｋｇの範囲の重量を有する隔離マスを用いて、約２〜２００分の１の範囲の振動低減を実現できることが見出だされた。振動力の伝達低減は、３Ｈｚより大きい駆動振動数を有する全ての外乱に対し実現された。またこのストラップ３４により、低温ヘッド１８からストラップ２４または検出器１２が接続する隔離マス３２のインタフェースにかけての熱伝導率（ｗａｔｔ／Ｋ）は０．０２〜２の範囲にすることができた。以上のように、所要の低温と負荷用の、現在市販の多くの冷却ユニット、本発明の提供する隔離システムから恩恵を受けることができる。
先に示した説明から明らかな前述の諸目的は、有効に達成されることが認められ、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、前記構成に種々の変更が可能であり、前記説明または関係する図面に示される内容の全てが例示説明されるためのもので、限定するためのものではない。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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