CN111981724A - 低温冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温冷却系统，包括：第一级(6)、第二级(7)和第三级(8)，其中所述第二级(7)布置在所述第一级(6)和所述第三级(8)之间。设置有第一稀释单元(12)，其包括第一蒸馏器(11)和第一混合室(13)，其中所述第一蒸馏器(11)热耦合到所述第一级(6)，并且所述第一混合室(13)热耦合到所述第三级(8)。还设置有第二稀释单元(32)，其包括第二蒸馏器(31)和第二混合室(33)，其中所述第二蒸馏器(31)热耦合到所述第一级(6)且所述第二混合室(33)热耦合到所述第二级(7)。

Description

低温冷却系统

技术领域

本发明涉及一种低温冷却系统，更特别地，涉及一种包括稀释单元的低温冷却系统。

背景技术

存在许多需要冷却至毫开尔文温度的应用。这种温度可以通过稀释制冷机的操作来获得。稀释制冷机典型地包括多个级，每个级构造为在稀释制冷机操作期间获得各个温度。组件可以热耦合到这些级，以解决应用的特定要求。

稀释单元将形成稀释制冷机的一部分，该稀释单元包括蒸馏器和混合室，其通过一组热交换器连接。由氦-3/氦-4混合物形成的工作流体在在操作期间围绕稀释单元循环。蒸馏器和混合室形成主动冷却源，因为它们通过工作流体的相变或混合施加冷却(即，可以从系统中去除能量)。在混合室从氦-3被稀释成氦-4时的混合焓获得冷却。由此混合室可操作为获得稀释制冷机的任何部分的最低温度。将氦-3在蒸馏器中煮沸，其由于汽化潜热而去除能量。冷却板布置在蒸馏器与混合室之间并通常在使用期间在这两个组件之间获得某一温度。冷却板形成中间散热器(通常用作各种实验服务的便捷安装点)，

该中间散热器通过流出氦-3，将其从混合室流向蒸馏器进行被动冷却，但没有主动冷却过程。这样，施加到冷却板上的任何热负荷都是寄生连带的，并且将直接影响混合室的基础温度。

图1示出了稀释单元的现有技术实例。工作流体通过热交换单元中的两个逆流路径在蒸馏器102和混合室105之间流动。热交换单元包括布置在蒸馏器102和冷却板103之间的连续热交换器101。

连续热交换器101包括螺旋布置的同轴单元，两个路径通过该同轴单元以相反的方向行进，内部路径被外部路径包围。连续热交换器通常可用于获得低至约30毫开尔文的温度。阶梯式热交换器可通过使用大表面积的烧结体克服金属和液氦在低温下的卡皮查热阻来获得更低的温度，尽管与连续热交换器相比，这些操作通常需要更多的氦-3。在冷却板103和混合室105之间堆叠布置有两个阶梯式热交换器104。每个阶梯式热交换器形成大致盘状的结构，其中两个路径由箔片隔开。所设置的阶梯式热交换器的数量可调节为适应应用情况。

典型地，在诸如量子信息处理(QIP)等低温应用中，安装各种耗散元件以确保实验布线进行充分的热化。来自电阻元件和导线的耗散热增加了稀释制冷机的负荷，这意味着为了维持系统的给定基础温度需要更多的冷却功率。蒸馏器额外耗散的副作用是稀释制冷机的氦-3循环速率增加。在给定的混合室温度，循环速率具有最优值，在该温度混合室可用的冷却功率最大化(或工作温度最小化)。因此，蒸馏器的额外耗散可能意味着无法获得稀释制冷过程的最佳流速。

随着应用规模的增加，由于额外安装元件散发的热量必然增加。可以安装更强功率的稀释单元，甚至多个稀释单元回路，以增加可用的冷却功率。然而，提高第三级的冷却功率并非易事，并且需要设置更大或更多阶梯式热交换器。阶梯式热交换器典型地占稀释制冷机的氦-3需求量的50-70％，其既稀有又昂贵。因此，期望减少系统对氦-3的需求量。安装更多具有相同设计的稀释单元会遇到类似的问题，因为这是解决在第二级(没有主动冷却过程)施加的热负荷的无效方法。以前曾提出过将在大约1开尔文工作的氦-4制冷机安装到稀释制冷机上。该方法在第一级增加了冷却功率，然而它并没有直接解决稀释制冷机在更低温度级耗散的热量问题。

因此，期望提供一种设计为直接补偿在低温施加的任何热负荷的低温冷却系统。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种低温冷却系统，包括：第一级、第二级和第三级，其中所述第二级布置在所述第一级和所述第三级之间；第一稀释单元，其包括第一蒸馏器和第一混合室，其中所述第一蒸馏器热耦合到所述第一级，并且所述第一混合室热耦合到所述第三级；以及第二稀释单元，其包括第二蒸馏器和第二混合室，其中所述第二蒸馏器热耦合到所述第一级且所述第二混合室热耦合到所述第二级。

与先前讨论的现有技术系统相反，设置有第二稀释单元，其布置成直接将冷却施加到第二级。因此，第二级不依赖于相邻级的冷却功率，以补偿施加到第二级的任何热负荷。反而第二级包括第二混合室形式的单独主动冷却源。先前，第二级不存在任何这样的冷却源限制了每一级获得低温的能力，特别是当向系统施加热负荷时更是如此。在第二级增加冷却功率可能会产生许多进一步的直接和间接影响，诸如在第三级减少冷却需求，在不显著提高系统工作温度时具有更强的承受热负荷的能力以及在一个或多个级可实现的更低的基础温度。

第二级典型地在第一级和第三级之间设置中间散热器。这减少了施加到第三级的例如来自周围环境和系统中任何较热组件的热负荷。这使得第三级能够获得比不设置中间散热器更低的温度。因此，第一混合室优选构造成在第一稀释单元和第二稀释单元的操作期间获得低于第二混合室温度的温度。这种更低的温度可能部分是由于这样的事实：第一混合室与第三级而不是第二级热耦合，降低了传导热负荷，然而由于第一稀释单元与第二稀释单元的设计不同，温度也可能上升。例如，第一混合室可具有比第二混合室更大的体积和/或具有不同构造的热交换器。第一稀释单元和第二稀释单元的每一级以及每个组件所获得的实际温度将取决于应用的具体情况，尤其取决于在使用过程中施加到各个级的热负荷。

每个稀释单元典型地包括各自的热交换单元，用于在各自的蒸馏器和混合室之间提供工作流体(通常是氦-3和氦-4的混合物)的流动。第二稀释单元的热交换单元的至少一部分可包括连续热交换器。阶梯式热交换器可用于获得更低的温度。然而，可以设想，在大多数应用中，在第一级和第二级之间不需要阶梯式热交换器。因此，为了减少操作期间所需的氦-3的量，第二稀释单元的热交换单元反而优选包括位于第一级和第二级之间的连续热交换器。相反，通常设想第一稀释单元可包括布置在第二级和第三级之间的一个或多个阶梯式热交换器。因此，第二稀释单元与第一稀释单元相比典型地会形成“更简单”的布置，并且结果可在更高的温度工作。然而，该系统可以被修改成在第二级获得较低的温度和/或设置附加的冷却级。例如，该系统可进一步包括布置在第一级与第二级之间的第四级，其中连续热交换器布置在第一级与第四级之间，且其中第二稀释单元的热交换单元进一步包括布置在第四级与第二级之间的阶梯式热交换部分。阶梯式热交换部分可包括一个或多个阶梯式热交换器。第四级可以通过流出的氦-3被动冷却。

该系统典型地布置为使得第一级、第二级和第三级形成分层布置。第四级(如果设置的话)可以进一步形成该分层布置的一部分。因此，这些级可以沿着轴线在空间上分散，典型地穿过每个所述级的主表面延伸。如先前所讨论的，每个蒸馏器和混合室热耦合到各自的级。此热耦合典型地通过将所述组件直接安装到各自的级来实现。然而，它们也可以选择性地通过例如由铜形成的高导电性构件连接。最典型的是，第一蒸馏器和第二蒸馏器被安装到第一级，第一混合室被安装到第三级，且第二混合室被安装到第二级。因此，每个所述级可包括平台，系统的其他组件可以被安装在该平台上。

低温冷却系统优选布置成这样：第一稀释单元和第二稀释单元的操作使得每个级获得各自的基础温度，其中第三级布置成获得低于第二级的基础温度，且第二级布置成获得低于第一级的基础温度。“基础温度”我们是指在系统稳态操作期间，特定组件可获得的最低温度。上述布置允许第二级获得比现有技术可能更低的温度。例如，第二级的基础温度可以是从20至100毫开尔文，更优选的是从20至50毫开尔文。第一级的基础温度典型地在0.5与2开尔文之间；第三级的基础温度典型地小于25毫开尔文，且更优选的是小于10毫开尔文。所有级的实际基础温度将取决于应用的具体情况。

该系统典型地进一步包括布置成围绕第一级、第二级和第三级的热辐射防护屏。第四级(如果设置的话)也可被热辐射防护屏包围。机械制冷机可热耦合到热辐射防护屏，使得在机械制冷机操作时，热辐射防护屏和所容纳的各级将被冷却。机械制冷机可以是斯特林制冷机(Stirling refrigerator)、吉福德-麦克马洪(GM)制冷机或脉冲管制冷机(PTR)。冷却也可通过使用液态制冷剂的储存器来实现。该系统可进一步包括附加的热辐射防护屏，所有的热辐射防护屏都可以被容纳在外部真空容器内。

通常通过使工作流体流过冷却回路来冷却稀释单元。该系统可包括冷却回路，该冷却回路构造成使工作流体在第一稀释单元和第二稀释单元周围循环。冷却回路可包括冷凝管线，其中冷凝管线的第一部分从热辐射防护屏内的第一位置延伸至第一稀释单元，且冷凝管线的第二部分从所述第一位置延伸至第二稀释单元。冷却回路可另外包括蒸馏器泵送管线，其中，蒸馏器泵送管线的第一部分从第一稀释单元延伸至热辐射防护屏内的第二位置，且蒸馏器泵送管线的第二部分从第二稀释单元延伸至热辐射防护屏内的所述第二位置。这种构造的优点在于，利用单条冷凝管线和将工作流体的储存器连接到容纳系统的外部真空容器内的导管的单条蒸馏器泵送管线，减少了延伸穿过系统的导管数量，每根导管会形成潜在的热泄漏。这样的布置相应地可减少系统不同组件之间的不希望的热交换的量。可以通过使用沿着冷却回路设置的一个或多个阀和一个或多个阻抗控制装置来分别控制第一稀释单元和第二稀释单元的冷却。在选择性的布置中，例如其中热辐射防护屏没有热耦合到机械制冷机，第一位置和第二位置中的一个或两者可简单地布置在机械制冷机的最低温度冷却级与第一级、第二级、第三级其中之一(最典型的是第一级)之间。

该系统可选择性地包括构造成使第一工作流体围绕第一稀释单元循环的第一冷却回路和构造成使第二工作流体围绕第二稀释单元循环的第二冷却回路。第二冷却回路可独立于第一冷却回路操作。应当理解，第一工作流体和第二工作流体典型地由氦-3和氦-4同位素的相同混合物形成，然而它们可以通过各自的冷却回路流体地断开。因此，可以选择围绕每个冷却回路的工作流体的流量，甚至可能选择混合物中氦-3与氦-4的比例，以提高系统的运行效率。分开的冷却回路的优点在于能够以不同的工作流体分别操作稀释单元的能力。

当系统进一步包括安装到一个或多个级的电气元件时，提供了特别的优点，电气元件的操作将热量散发到各级上。对于某些应用和使用该系统进行的实验可能需要此类电气元件。这些元件可以直接安装在各级上以及它们之间。典型地，电气元件布置为减少第三级上的热负荷。例如，可将一个或多个电气元件安装到第二级。尽管电气元件的操作可能会提供不必要的热负荷，但这可以通过提供给第二级的增加的冷却功率而得到补偿。通过第二稀释单元的操作实现的第二级的主动冷却提升了系统的冷却功率，并且减少了第三级基础温度对第二级耗散的依赖。

上述电气元件可以用于任何数量的应用中，然而可提供特别的优点，即，电气元件形成了量子信息处理(QIP)系统的一部分。QIP是先进研究的关键领域，且QIP系统中使用的电气元件典型地会在冷却系统上提供大量的热负荷。电气元件施加的多谢热负荷可约为200微瓦，且通常会引起第三级的温度升高(典型地以大约每微瓦1毫凯尔文的速率升高)。例如在现有技术中，这样的热负荷可导致第二级的温度升高约200毫开尔文，然而上述系统的操作可有利于使温度升高小得多。可以预期到，随着系统规模扩大，QIP系统的热耗散将增加，并且因此会包括更多的电气元件或热耗散更大的电气元件。

当第二混合室(或相当于第二级)的温度低于200毫开尔文且优选低于100开尔文时，第二混合室典型地操作为向第二级施加至少100微瓦，优选为至少200微瓦的冷却功率。这样的冷却功率通常可用于冷却第二级以在第二级保持约100毫开尔文的温度，尽管系统的电气元件施加了任何热负荷(诸如上述那些)。第二混合室在其预期的工作温度(典型地低于860毫开尔文)下的冷却功率优选等于或高于通过所设置的任何电气元件施加到第二级的热负荷。当第一级处于1开尔文时，第一蒸馏器和第二蒸馏器可以被操作为向第一级施加至少10毫瓦的冷却功率，而当第一混合室处于10毫开尔文时，第一混合室可以被操作为向第三级施加1-10毫瓦的冷却功率。

到目前为止，仅用所述的第一稀释单元和第二稀释单元考虑了该系统的上述优点。然而，该系统可进一步包括以下一个或每个：热耦合至第一级和第三级的其他稀释单元，和热耦合至第一级和第二级的其他稀释单元。根据应用的需要，这些可以用来增加系统的冷却功率。

可选地，该系统进一步包括安装到第三级的样品架。系统中达到的最低基础温度典型地在第三级，因此在许多应用中期望使用样品架将样品安装到第三级。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是用于稀释制冷机的稀释单元的现有技术实例；

图2是根据本发明第一实施例的低温冷却系统的示意图；

图3是根据本发明第二实施例的低温冷却系统的示意图；

图4是根据本发明第三实施例的低温冷却系统的示意图；以及

图5是根据本发明第四实施例的低温冷却系统的示意图。

具体实施方式

图2提供了低温冷却系统的内部的剖视图，其主要部分是低温恒温器1。低温恒温器在本领域中是众所周知的，并且用于为各种装置提供低温环境。低温恒温器1典型地在使用时被抽成真空，这通过去除穿过低温恒温器内的所有气体的对流和传热路径来改善热性能。

低温恒温器1包括典型地由不锈钢或铝制成的大空心圆筒，该空心圆筒包括外部真空容器5。在低温恒温器1内设置有包括多个空间分散级的分层布置9。许多用来运行低温程序(诸如实验)的装置被安装到分层布置9上。分层布置9包括第一级6、第二级7和第三级8。每个级设置有由高导电性材料(例如铜)形成的平台，且通过低热导率杆(未示出)与其余级隔开。第二级7通常被称为“冷却板”，并在第一级6与第三级8之间设置中间散热器。样品架10示为安装到第三级8，其在系统稳态操作期间形成最低温度级。可在低温恒温器1中设置端口(未示出)，以使实验“探针”能够进入低温恒温器1的内部，以提供样品递送，同时保持低温恒温器1内部真空。

本例中的低温恒温器1基本上是无致冷剂的(本领域中也称为“干型”)，因为其基本不通过与低温流体储存器接触而被冷却。相反，低温恒温器的冷却是通过使用机械制冷机实现的，其可以是斯特林制冷机，吉福德-麦克马洪(GM)制冷机或脉冲管制冷机(PTR)。然而，尽管基本不含致冷剂，但是在使用时在低温恒温器内典型地仍存在一些低温流体，也包括在液相中，这将变得更加清晰。在本实施例中，低温恒温器1的主要冷却功率由PTR 2提供。PTR通过控制从外部压缩机以高压供应的工作流体的压缩和膨胀来产生冷却。与第二PTR级4相比，第一PTR级3典型地将具有相对较高的冷却功率。在当前情况下，PTR 2将第一PTR级3冷却至约50至70开尔文，且将第二PTR级4冷却至约3至5开尔文。因此，第二PTR级4形成PTR 2的最低温度级。

在外部真空容器5的内部设置有各种热辐射防护屏，其中每个防护屏包围其余的较低基础温度组件的每一个。第一PTR级3热耦合到第一辐射防护屏19，且第二PTR级4热耦合到第二辐射防护屏20。第一辐射防护屏19围绕第二辐射防护屏20，且第二辐射屏蔽20围绕第一级、第二级和第三级6-8的每一个。另外，每个级6、7、8可连接到各自的热辐射防护屏(为了清楚起见未示出)，以便减少各级之间的任何不必要的热连通。

设置有两个稀释制冷机。第一稀释制冷机包括通过第一冷却回路37流体地耦合至第一存储容器14的第一稀释单元12。第二稀释制冷机包括通过第二冷却回路38流体地耦合至第二存储容器34的第二稀释单元32。第一存储容器14和第二存储容器34布置在低温恒温器1的外部，且分别容纳氦-3和氦-4同位素的混合物形式的工作流体。这些同位素的混合物在第一存储容器14和第二存储容器34中可以有所不同(例如，分别针对第一稀释单元12和第二稀释单元32的工作参数进行了调整，以降低对氦-3的总体需求)或相同。在选择性实施例中，第一冷却回路37和第二冷却回路38可从共同的外部存储容器获取工作流体。这可以提供增强的可用性并简化工作流体的存储。各种泵16、17、23、24也沿着第一冷却回路37和第二冷却回路38的导管布置在低温恒温器1的外部，以控制这些回路周围的工作流体的流动。图2中包括实线箭头，以指示系统正常操作期间此流动的方向。

第一稀释单元12的第一蒸馏器11和第二稀释单元32的第二蒸馏器31分别安装到第一级6，并且可操作为将第一级6冷却至0.5-2开尔文的基础温度，在此温度其组合冷却功率超过20毫瓦。第一稀释单元12的第一混合室13安装至第三级8，并且可操作为将第三级8冷却至低于10毫开尔文的基础温度，在此温度其具有约5微瓦的冷却功率。第二稀释单元32的第二混合室33安装至第二级7，且可操作为将第二级7冷却至20–100毫开尔文的基础温度(在100毫开尔文时，其具有约为200微瓦的冷却功率)。重要的是，第二混合室33在第二级7形成主动冷却源，因此第二级7不依赖于第一级6或第三级8处的冷却功率以便维持低温。此外，设置第二稀释单元32使得第二级7使用相对少量的低温流体就可获得特别低的温度。

第一冷却回路37包括第一供应管线41，该第一供应管线41提供导管以促进第一工作流体从第一存储容器14流到第一冷凝管线15。然后该流体可沿着第一冷凝管线15被输送到第一混合室13。第一冷凝管线15热耦合到分层布置9的每一级，并且进一步包括一个或多个阻抗(未示出)，用于降低随着第一工作流体流向第一混合室13时由于焦耳-汤姆森效应引起的第一工作流体的温度。第一压缩泵17沿第一冷凝管线15布置，用于以0.5-2bar的压力提供此流动。应当理解，图2仅是示意图。尽管未示出，但是实际上第一冷凝管线15的一部分从第一稀释单元12的上部分延伸穿过进入第一混合室13。第一蒸馏器泵送管线18布置成从第一混合室13输送第一工作流体，穿过第一蒸馏器11到低温恒温器1的外部位置。然后，第一工作流体可以从该位置循环回到第一冷凝管线15。第一涡轮分子泵16沿着第一蒸馏器泵送管线18布置，用于在回路的低压侧(例如小于0.1mbar)提供高真空，从而能够使第一工作流体从第一蒸馏器11流出。

第二冷却回路38以与第一冷却回路37类似的方式操作，尽管用于在第二稀释单元32周围提供第二工作流体的流动。第二供应管线42从第二存储容器34延伸到第二冷凝管线22。类似于第一冷凝管线15，第二冷凝管线22将第二工作流体输送到第二混合室33。第二冷凝管线22热耦合到分层布置9的每一级，且进一步包括一个或多个阻抗(未示出)，用于在到达第二混合室33之前降低第二工作流体的温度。第二蒸馏器泵送管线25提供第二工作流体从第二混合室33穿过第二蒸馏器31返回到低温恒温器1外部的位置的流动，因此其可以沿着第二冷凝管线22循环回去。同前面一样，第二涡轮分子泵23和第二压缩泵24分别沿着第二蒸馏器泵送管线25和第二冷凝管线22设置，用于控制第二工作流体的流动。

第一稀释单元12包括热交换单元39，第一工作流体在热交换单元39中沿着从第一混合室13到第一蒸馏器11的第一路径流动。第一冷凝管线15的一部分形成从第一稀释单元12上部沿着热交换单元39并进入第一混合室13延伸的第二路径。第一稀释单元12的热交换单元39包括位于第一级6和第二级7之间的连续热交换器26，以及位于第二级7和第三级8之间的阶梯式热交换部分27。在第一稀释单元12的连续热交换器26中，两条路径在螺旋布置的同轴单元中沿相反的方向行进。在第一稀释单元12的阶梯式热交换部分27中，多个在空间上分散的阶梯式热交换器堆叠布置。每个阶梯式热交换器形成大体为盘状的结构，其中两条路径由箔片隔开。沿着第一稀释单元12的热交换单元39从第一混合室13流到第一蒸馏器11的流出的氦-3在第二级7上形成除通过第二混合室33主动冷却外的被动冷却源。

针对第二稀释单元32设置有热交换单元40，其中工作流体以与第一稀释单元12的热交换单元39相似的方式提供相邻冷却剂路径，从第二蒸馏器31流动到第二混合室33，以及从第二混合室33流动到第二蒸馏器31。然而，第二稀释单元32的热交换单元40不包含阶梯式热交换部分。反而仅包括位于第一级6和第二级7之间的连续热交换器28，其中，两个冷却剂路径在螺旋布置的同轴单元中再次沿相反的方向行进。与阶梯式热交换器相比，上述的连续热交换器28需要少量的氦-3进行操作。与操作包括连续热交换器和阶梯式热交换器两者的第二稀释单元的成本相比，第二稀释单元32因此可以操作为以对用户降低的成本直接对第二级7施加有效的冷却。

电气元件可以被安装到第一级6、第二级7和第三级8中的一个或多个上。电气元件可包括电气器件(诸如衰减器、滤波器、循环器或其他微波组件、放大器、电阻器、晶体管、温度计、电容器、电感器)以及电导体(诸如布线，可以是高频布线)，这取决于应用。例如，这样的电气元件可形成量子信息处理系统、太赫兹检测器系统或低温光学系统的一部分(应当理解，所描述的系统旨在减轻的大热负荷是辐射性的，而不是在光学系统情况下导电的)。最典型地，布线将穿过分层布置9的每个级，用于将来自控制系统21的输入信号耦合到位于样品架10上的样品。沿着该布线将设置多个电气器件，典型地包括滤波器，诸如用于调节输入信号的低通和带通滤波器。可以沿着该布线附加地安装诸如高电子迁移率晶体管(HEMT)放大器或行波参量放大器等的放大器以放大从样本传导至控制系统21的输出信号。这些电气元件的运行将热量局部地耗散到上面安装了电气元件的上述级3、4、6、7、8中的任一个。然而，如上所述的第二级7的主动冷却增加了系统的冷却功率，且减小了第三级8的温度对第二级7的耗散的依赖性。因此，在第二级7局部的热耗散将对第三级8的温度具有较少影响。

控制系统21设置为控制系统的每个部分，包括稀释单元、泵和相关阀的操作，传感器的监视和对样品执行期望程序的其他辅助设备的操作。尽管也设想了手动控制，但使用合适的计算机系统就能实现该目的。

现在将讨论在冷却过程中系统的操作，在该过程中，系统从室温冷却到其工作基础温度。从低温恒温器1的所有部件处于热平衡的真空状态开始，PTR 2操作为对低温恒温器1的内部施加冷却。第一PTR级3和第二PTR级4的温度将以通常的方式降低。当第二PTR级4达到约10开尔文的温度时，控制系统21将初始化第一工作流体围绕第一冷却回路37的循环。然后，第一工作流体将从第一供应管线41流动到第一冷凝管线15。随着PTR 2的温度进一步降低，第一工作流体在第一稀释制冷机周围的连续循环将导致第一工作流体的温度逐渐降低。

在到达第一混合室13之前，第一工作流体随着其沿第一冷凝管线15流动时将最终冷凝。在低于约860毫开尔文的温度，工作流体分离成浓缩相和稀释相。浓缩相富含氦-3，稀释相具有少量稀释于氦-4中的氦-3。在操作期间，相边界包含在第一混合室13内。工作流体沿着第一稀释单元12的热交换单元39从第一混合室13转移到第一蒸馏器11。加热器在第一蒸馏器11处操作为从第一蒸馏器11蒸发出氦-3，然后使用涡轮分子泵16将氦-3沿蒸馏器泵送管线18泵出。然后，第一工作流体通过使用第一压缩泵17沿第一冷凝管线15循环回去。

控制系统21典型地将同时初始化来自冷却回路和各自的稀释单元两者的工作流体的循环。因此，对于第二稀释冷冻机同时进行类似的处理。工作流体的循环将导致分层布置9的温度逐渐降低，直到每个级获得其各自的基础温度为止。然后可根据应用根据需要来操作设置到系统的电气元件。有利的是，由这些元件在第二级7施加的任何耗散热负荷将由第二混合室33在该级提供的附加冷却功率来补偿。

现在将描述本发明的附加实施例。带撇号、双撇号和三撇号的附图标记用于指定每个实施例之间的相似装置特征。图3提供了根据本发明的第二实施例的低温冷却系统的内部的剖视图。低温恒温器1'的结构和操作在图2的描述中进行了详述。第二实施例与第一实施例的不同之处在于：针对第一稀释单元12'和第二稀释单元32'设置有共用的冷却回路37'。

第二冷凝管线22'从供应管线41'延伸到第二混合室33'，以提供工作流体从存储容器14'到第二稀释单元32'的流动。沿着第二冷凝管线22'设置有压缩泵24'用于控制该流动。蒸馏器泵送管线18'延伸到第二辐射防护屏20'内的在蒸馏器泵送管线18'中形成接合点的位置。蒸馏器泵送管线18'的第一部分从第一稀释单元12'延伸到接合点，且蒸馏器泵送管线18'的第二部分从第二稀释单元32'延伸到接合点。低压泵16'用于使工作流体循环。每个泵16'、17'、24'由控制系统21'操作以确保第一稀释单元12'和第二稀释单元32'的操作。应当理解，在控制系统21’的控制下，该操作可在室温下需要进一步的阀，为清楚起见未在图中示出。在一些应用中，可能特别期望提供设置操作两个稀释单元12'、32'的单个冷却回路37'，因为这减少了低温恒温器1'内的导管数量。这简化了布置，继而简化了制造工序，并为低温恒温器1'内容纳的其他组件提供了附加的空间。此外，由于在不同级之间延伸的每个导管可形成潜在的热泄漏，其可减少系统不同组件之间不必要的热交换量。

图4提供了根据本发明第三实施例的低温冷却系统的内部的剖视图，其中低温恒温器1”的结构和操作已在第二实施例的说明中进行了详细描述(图3)。第三实施例与第二实施例的不同之处在于，冷凝管线15”在低温恒温器1”内分开，导致低温恒温器1”内的导管数量进一步减少。每个导管可形成潜在的热泄漏，因此减少沿系统内的温度梯度延伸的导管的数量具有这样的优点：即，潜在热泄漏量和系统不同组件之间的不必要的热交换量会减少。

冷凝管线15”将工作流体输送至第一稀释单元12”，也输送至第二稀释单元32”。在图4中，示出了冷凝管线15”延伸到第二辐射防护屏20”内的第一位置，在该位置处在冷凝管线15”中形成第一接合点。冷凝管线15”的第一部分从第一接合点延伸到第一稀释单元12”，且冷凝管线15”的第二部分从第一接合点延伸到第二稀释单元32”。沿着冷凝管线15”的第一部分设置有第一阻抗控制装置43”，并且沿着冷凝管线15”的第二部分设置有第二阻抗控制装置44”。阻抗控制装置43”和44”用于控制阻抗。例如，可通过减少冷凝管线的截面直径来提供固定的阻抗，其中所述截面将形成阻抗控制装置的一部分。也可通过使用例如针阀来提供可调节的阻抗，其中所述阀将形成阻抗控制装置的一部分。

蒸馏器泵送管线18”在图4中示出为延伸到第二辐射防护屏20”内的第二位置，在第二位置处在蒸馏器泵送管线18”中形成第二接合点。蒸馏器泵送管线18”的第一部分从第一稀释单元12”延伸到第二接合点，且蒸馏器泵送管线18”的截面部分从第二稀释单元32”延伸到第二接合点。

在图4中，冷凝管线15”中的第一接合点和蒸馏器泵送管线18”中的第二接合点被示出为出现在第二辐射防护屏20”内的第二PTR级4”与第一级6”之间。在其他实施例(未示出)中，上述接合点中的一个或两个可在低温恒温器1”之外、在低温恒温器1”之内且在第一辐射防护屏19”之外、或者在第一辐射防护屏19”与第二辐射防护屏20”之间。

图5示出了根据第四实施例的低温冷却系统的分层布置9”'的剖视图。分层布置9”'包括附接到其上的第一稀释单元12”'和第二稀释单元32”'。为清楚起见未示出周围的低温恒温器(包括所设置的任何冷却回路)，尽管可采用先前参照图2至图4所讨论的形式。分层布置9”'进一步包括在第一级6”'与第二级7”'之间设置有附加散热器的第四级36”'。第四级36″′由高导电性材料(例如，铜)形成，并通过低导热率杆与其他级隔开。微波组件或诸如上述那些其他电气元件可以被安装到第四级36”'。

第二稀释单元32”'包括热交换单元40”'，其中工作流体通过反向流动的相邻两条路径从第二蒸馏器31”'流动到第二混合室33”'，以及从第二混合室33”'流动到第二蒸馏器31”'。在本实施例中，第二稀释单元32”'的热交换单元40”'包括位于第一级6”'与第四级36”'之间的连续热交换器28”'和位于第四级36”'与第二级7”'之间的阶梯式热交换部分37”'。与在之前的实施例中典型地可以达到的温度相比，该布置可以用于在第二级7”'获得更低的温度(尽管使用更高量的氦-3)。

另外，远离第三级8”'设置附加的冷却级36”有利地提供了可以在其上安装其他电气元件的其他主体，从而减少传导到第三级8”'的热负荷。

在另一实施例中(未示出)，可设置附加的稀释单元，例如用于将冷却直接施加到第一级和第二或第三级。在其他另外的实施例中，可以通过使用一个或多个热管和/或热开关来辅助冷却过程。例如，容纳可冷凝冷却剂的热管可布置在第一PTR级与第二PTR级之间，且气隙热开关可布置在第二PTR级与分层布置的第一级之间。然后可在该分层布置的每个相邻级之间设置附加的气隙热开关，以便在这些级之间提供可选择性地耦合的热连接。在冷却过程中，热管和热开关可以在“关闭”状态下操作，从而可以例如通过脉冲管冷却器将制冷机的下截面从环境温度进行预冷却，然后将其“打开”以便在初始化稀释单元周围的工作流体的流动之前热断开这些级。这种热断开可通过去除气隙热开关内容纳的任何导热气体以及热管中容纳的冷却剂的固化来实现。

因此，总而言之，可以理解的是，提供了一种改进的低温冷却系统，其中在第二级上通过第二稀释单元提供了主动冷却源。因此，附加的热量可以通过例如安装在第二级的电气元件而被耗散到第二级，而不会将第三级的基础温度升高到不附加第二稀释单元所不可避免的程度。因此可以在每个级实现较低的温度。

Claims (23)

1.一种低温冷却系统，包括：

第一级、第二级和第三级，其中所述第二级布置在所述第一级和所述第三级之间；

第一稀释单元，其包括第一蒸馏器和第一混合室，其中所述第一蒸馏器热耦合到所述第一级，并且所述第一混合室热耦合到所述第三级；以及

第二稀释单元，其包括第二蒸馏器和第二混合室，其中所述第二蒸馏器热耦合到所述第一级，并且所述第二混合室热耦合到所述第二级。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一混合室构造成在所述第一稀释单元和所述第二稀释单元的操作期间获得低于所述第二混合室温度的温度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二稀释单元还包括热交换单元，所述热交换单元将所述第二蒸馏器流体耦合至所述第二混合室，其中所述热交换单元的至少一部分包括连续热交换器。

4.根据权利要求3所述的系统，还包括：第四级，其布置在所述第一级与所述第二级之间，其中所述连续热交换器布置在所述第一级与所述第四级之间，且其中所述第二稀释单元的热交换单元还包括布置在所述第四级与所述第二级之间的一个或多个阶梯式热交换器。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统布置成：所述第一稀释单元和所述第二稀释单元的操作使得每个所述级获得各自的基础温度，其中所述第三级布置成获得低于所述第二级的基础温度，并且所述第二级布置成获得低于所述第一级的基础温度。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二级的基础温度为从20至100毫开尔文。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第二级的基础温度为从20至50毫开尔文。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，其中，所述第一级的基础温度为从0.5至2开尔文。

9.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，其中，所述第三级的基础温度小于25毫开尔文。

10.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，其中，所述第三级的基础温度小于10毫开尔文。

11.根据权利要求1所述的系统，还包括：热辐射防护屏，其布置成围绕所述第一级、第二级和第三级；以及机械制冷机，其热耦合到所述热辐射防护屏。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括：冷却回路，其构造成使工作流体在所述第一稀释单元和所述第二稀释单元周围循环。

13.根据12所述的系统，其中，所述冷却回路包括冷凝管线，其中所述冷凝管线的第一部分从所述热辐射防护屏内的第一位置延伸至所述第一稀释单元，且所述冷凝管线的第二部分从所述第一位置延伸至所述第二稀释单元。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述冷却回路还包括蒸馏器泵送管线，其中，所述蒸馏器泵送管线的第一部分从所述第一稀释单元延伸至所述热辐射防护屏内的第二位置，且所述蒸馏器泵送管线的第二部分从所述第二稀释单元延伸至所述第二位置。

15.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，还包括：第一冷却回路，其构造成使第一工作流体围绕所述第一稀释单元循环；以及第二冷却回路，其构造成使第二工作流体围绕所述第二稀释单元循环。

16.根据权利要求1所述的系统，还包括：电气元件，其安装到一个或多个级上，其中所述电气元件的操作局部地散发热量。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，一个或多个所述电气元件被安装到所述第二级。

18.根据权利要求16或17所述的系统，其中，所述电气元件形成量子信息处理系统的一部分。

19.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，当所述第二混合室的温度低于200毫开尔文时，所述第二混合室可操作为向所述第二级施加至少100微瓦的冷却功率。

20.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，还包括下述中的一个或每个：热耦合至所述第一级和第三级的其他稀释单元，以及热耦合至所述第一级和第二级的其他稀释单元。

21.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，还包括：样品架，其安装到所述第三级。

22.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，所述第一级、第二级和第三级形成分层布置。

23.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，所述第一蒸馏器和所述第二蒸馏器被安装到所述第一级，所述第一混合室被安装到所述第三级，且所述第二混合室被安装到所述第二级。

Images