(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却に使用する液化ヘリウムと、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換して生成した低温ヘリウムガスをＸ線結晶解析装置に設置された試料に吹き付けて冷却する方法であって、冷却に使用する液化ヘリウムを液化ヘリウム容器から熱交換器に供給し、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換器に供給し、前記熱交換器で液化ヘリウムとヘリウムガスを熱交換することにより、前記ヘリウムガスは冷却されて低温ヘリウムガスとなり試料に吹き付けて試料を冷却し、前記液化ヘリウムは吸熱し気化してヘリウムガスとなり、前記試料の吹き付けに使用するヘリウムガスとして使用することを特徴とするＸ線結晶解析用冷却方法。
【請求項２】
冷却に使用する液化ヘリウムと、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換して生成した低温ヘリウムガスをＸ線結晶解析装置に設置された試料に吹き付けて冷却する装置であって、冷却に使用する液化ヘリウムを液化ヘリウム容器から熱交換器に供給する液化ヘリウム供給手段と、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換器に供給するヘリウムガス供給手段と、供給された前記液化ヘリウムとヘリウムガスを熱交換する熱交換器と、熱交換された前記ヘリウムガスは冷却されて低温ヘリウムガスとなり試料に吹き付けて試料を冷却する試料冷却手段と、熱交換された前記液化ヘリウムは吸熱し気化してヘリウムガスとなり、前記試料の吹き付けに使用するヘリウムガスとして使用するヘリウムガス再使用手段を具備することを特徴とするＸ線結晶解析用冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線結晶解析用冷却方法および冷却装置に関し、特に冷却用の低温ガスとしてヘリウムガスを用いて、Ｘ線結晶解析装置のゴニオメーターにセットされた試料に任意の温度に制御された低温ヘリウムガスを吹付けるＸ線結晶解析用冷却方法および冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｘ線結晶構造解析は、超伝導材料などの新材料の開発、ポストゲノム構造科学等の分野において基本的な構造解析手法として知られている。そのＸ線結晶解析装置には、試料を低温で測定するために、低温冷却装置が設けられている。
【０００３】
従来型の低温冷却装置には、冷却した窒素ガスを試料に吹付ける窒素ガス吹付け方式と、真空断熱した容器中に試料を封入し、容器全体を冷凍機で冷却する試料封入方式がある。
【０００４】
試料封入方式は、数Ｋの温度までの冷却が可能であるが、構造が複雑なため試料の取り扱いが難しく、熱収縮による位置変動が大きく、また装置の一部がＸ線を散乱し測定を妨害することがあるために、一般には普及していない。
【０００５】
窒素ガス吹付け方式は構造が簡易かつ使用方法が簡便なため広く普及しているが、原理的に窒素の液化温度（８０Ｋ）以下には冷却できないために、窒素の液化温度８０Ｋ迄の範囲での測定が行なわれている。
【０００６】
従来の窒素ガス吹付け方式は、窒素ガス発生器（ＰＳＡ）により空気中の窒素ガスを分離して回収し、極低温冷凍機で冷却して液化窒素にして液化窒素容器に収容し、該液化窒素をＸ線結晶解析装置の近くに設置されてる中間容器に供給し、該中間容器に供給された液化窒素を圧力を調整しながら気化させて、低温窒素ガスを発生させ、該低温窒素ガスを試料に吹き付けて試料を冷却する方法が行なわれている。
【０００７】
Ｘ線結晶解析は測定に数日から数週間の長時間を要することがあり、その間一定温度を保ちつつ、試料を均一に冷却することが極めて重要である。
しかしながら、この従来の窒素ガス吹付け方式では、液化窒素を直接気化して低温窒素ガスを発生させて、吹付けて用いるために液化窒素の消費量が多くなり、また長時間における温度制御が十分でなく、また空気中の窒素ガスを分離して回収してから低温窒素ガスにして試料に吹き付けて冷却するまでの液化窒素量を一定にたもつための管理に手間がかかる問題があった。
【０００８】
また、現在まで行われているＸ線結晶解析用冷却装置は、液化窒素を使用したものが大部分であり、そのために窒素の液化温度８０Ｋ迄の範囲での測定が限界であった。そのために、さらに低温における試料冷却装置が望まれている。
【０００９】
また、液化ヘリウムを用いて、１５Ｋ迄の低温に冷却して試料の測定も行なわれているが、その冷却方法は上記の液化窒素を使用した冷却方法と同様である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記のＸ線結晶構造解析用の液化窒素を使用した、液化窒素ガス吹付方法による試料冷却装置における改良と、到達温度の追求と、温度制御時の安定性の確立、液化窒素の消費量の低減を目標として研究をかさねてきた。
【００１１】
そして、極低温冷凍機を使用して発生した液化窒素を冷却媒体として窒素ガスの冷却に循環して使用する循環冷却系手段と、試料に吹き付ける低温窒素ガスを供給する吹き付け系手段を分離して、両手段を組み合わせることにより、窒素ガス発生器（ＰＳＡ）により発生した窒素ガスを、液化窒素と熱交換して低温窒素ガスを生成し、また一度冷却に使用した液化窒素を再液化し液化窒素容器に戻して循環して用いることを可能にした。
【００１２】
また、本発明は、このＸ線結晶構造解析用試料冷却装置に液化窒素の代わりに液化ヘリウムを使用できることを見出したものであり、液化ヘリウムを用いることにより１５Ｋの低温での測定を可能にしたものである。
【００１３】
本発明は、液化ヘリウムを使用し、冷却温度が１５Ｋまでの範囲で、温度の安定性を保って、長時間連続で試料を冷却することができるＸ線結晶解析用冷却方法および冷却装置を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の第一の発明は、冷却に使用する液化ヘリウムと、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換して生成した低温ヘリウムガスをＸ線結晶解析装置に設置された試料に吹き付けて冷却する方法であって、冷却に使用する液化ヘリウムを液化ヘリウム容器から熱交換器に供給し、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換器に供給し、前記熱交換器で液化ヘリウムとヘリウムガスを熱交換することにより、前記ヘリウムガスは冷却されて低温ヘリウムガスとなり試料に吹き付けて試料を冷却し、前記液化ヘリウムは吸熱し気化してヘリウムガスとなり、前記試料の吹き付けに使用するヘリウムガスとして使用することを特徴とするＸ線結晶解析用冷却方法である。
【００１５】
本発明の第二の発明は、冷却に使用する液化ヘリウムと、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換して生成した低温ヘリウムガスをＸ線結晶解析装置に設置された試料に吹き付けて冷却する装置であって、冷却に使用する液化ヘリウムを液化ヘリウム容器から熱交換器に供給する液化ヘリウム供給手段と、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換器に供給するヘリウムガス供給手段と、供給された前記液化ヘリウムとヘリウムガスを熱交換する熱交換器と、熱交換された前記ヘリウムガスは冷却されて低温ヘリウムガスとなり試料に吹き付けて試料を冷却する試料冷却手段と、熱交換された前記液化ヘリウムは吸熱し気化してヘリウムガスとなり、前記試料の吹き付けに使用するヘリウムガスとして使用するヘリウムガス再使用手段を具備することを特徴とするＸ線結晶解析用冷却装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明のＸ線結晶解析用冷却装置の一例を示す概略図であり、液化ヘリウムを使用したＸ線結晶解析用冷却装置である。
【００１７】
図中、２１は液化ヘリウム容器、３は熱交換器、４はクライオスタットを示す。
同図２において、本発明のＸ線結晶解析用冷却装置は、図の左側の系統に示される、極低温冷凍機を使用して発生した液化ヘリウムを冷却媒体としてヘリウムガスの冷却に使用する冷却系手段と、図の右側の系統に示される、試料に吹き付ける低温ヘリウムガスを供給する吹き付け系手段からなり、両手段が組み合わされて構成され、冷却に使用する液化ヘリウムと、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスを熱交換器３で熱交換して生成した低温ヘリウムガスをＸ線結晶解析装置１０に設置された試料９に吹き付けて冷却する装置である。また、液化ヘリウムは、冷却に使用した後には試料の吹き付け用のヘリウムガスとして再使用することを特徴とする装置である。
【００１８】
液化ヘリウム容器２１には冷却に使用する液化ヘリウムが収容されており、該液化ヘリウム容器２１から液化ヘリウムは液化ヘリウム供給手段Ｃを通して熱交換器３に供給される。一方、試料の吹き付けに使用するヘリウムガスには、冷却に使用した後の液化ヘリウムが気化したヘリウムガスが用いられ、該ヘリウムガスはヘリウムガス供給手段Ｄを通して熱交換器３に供給される。
【００１９】
前記供給手段Ｃおよび供給手段Ｄから供給された、液化ヘリウムおよびヘリウムガスは、クライオスタット４の熱交換器３で接触する。クライオスタット４の熱交換器３に導入された冷却に使用する液化ヘリウム（約１５Ｋ）とヘリウムガス（約２０℃）は熱交換して、ヘリウムガスの熱は液化ヘリウムに取られ、冷却されて低温ヘリウムガスとなる。一方、熱交換により液化ヘリウムは吸熱し気化してヘリウムガスとなる。
【００２０】
冷却された低温ヘリウムガスは、試料冷却手段により、クライオスタット４の先端から吹き出し、試料９に吹き付けて、試料９を冷却しながら測定が行なわれる。
【００２１】
熱交換により液化ヘリウムが吸熱して生成したヘリウムガスは、ヘリウムガス再使用手段２２において、試料の吹き付け用のヘリウムガスとして再使用し、供給手段Ｄを通して熱交換器３に供給される。供給手段Ｄには、ダイアフラムポンプ１１が配置され、ヘリウムガスの排出量を制御・調整し、ヘリウムガスは一定量となる様に供給される。
【００２２】
上記の様に、本発明の液化ヘリウムを使用したＸ線結晶解析用冷却装置は、液化ヘリウムを冷却媒体として使用する冷却系手段と、試料に吹き付ける低温ヘリウムガスを供給する吹き付け系手段を組み合わせたことに特徴を有する。
【００２３】
冷却系手段と吹き付け系手段は、クライオスタット４の熱交換器３で合流し、ヘリウムガスを冷却に使用する液化ヘリウムと熱交換して低温ヘリウムガスを生成し、一方の液化ヘリウムが吸熱し気化して生成したヘリウムガスを試料の吹き付け用のヘリウムガスとして再使用することを特徴とする。
【００２４】
図１の本発明のＸ線結晶解析用冷却装置において、３１はトランスファーチユーブ、３２はマスフローコントローラーを示す。
次に、図２は、本発明における熱交換器を有するクライオスタットの拡大説明図である。
【００２５】
同図２において、熱交換器は、一次熱交換器３ａと二次熱交換器３ｂから構成される。
一次熱交換器３ａでは、導入された試料に吹き付け用のヘリウムガス（コールドガス４１）を、冷却に使用する液化ヘリウムが気化したヘリウムガス（リターンガス４２）の予冷によって熱交換し、リターンガスは常温に戻されて排出され、次の手段に供給される。
【００２６】
二次熱交換器３ｂでは、液化ヘリウムは、トランスファーチユーブ３１を通り、二次熱交換器３ｂの冷却槽３６に供給され、冷却槽３６で試料に吹き付け用のヘリウムガス（コールドガス）と熱交換され、リターンガス（ヘリウムガス）となる。コールドガスは、二次熱交換器３ｂで熱交換され、ヒータ３４を通り試料に吹き付けられる。
【００２７】
本装置は、ヒーター３４の温度制御装置で温度調整した低温窒素ガス又は低温ヘリウムガスを、デジタルＸ線結晶解析装置のゴニオメーターに装着された試料に吹付ける。
【００２８】
本発明の液化ヘリウムを使用したＸ線結晶解析用冷却装置は、吹付で試料を冷却して長時間の測定を可能とし、さらに１０Ｋ以下での吹付式試料冷却を可能とするものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明は、液化ヘリウムを使用し、冷却温度が１５Ｋまでの範囲で、温度の安定性を保って、長時間連続で試料を冷却することができるＸ線結晶解析用冷却方法および冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のＸ線結晶解析用冷却装置の一例を示す概略図である。
【図２】  本発明における熱交換器を有するクライオスタットの拡大説明図である。
【符号の説明】
３  熱交換器
４  クライオスタット
９  試料
１０  Ｘ線結晶解析装置
１１  ダイアフラムポンプ
２１  液化ヘリウム容器
２２  ヘリウムガス再使用手段
３１  トランスファーチユーブ
３２  マスフローコントローラー
３３  シースガス
３４  ヒーター
３５  シースノズル
３６  冷却槽
４１  コールドガス
４２  リターンガス
４３  液化ヘリウム
【図１】
0004023671.tif 000002
【図２】
0004023671.tif 000003