CN116382368A - 低温设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种低温设备，包括：至少一个第一温度改变机构，其连接到样品台且配置为改变样品台处的温度；至少一个第二温度改变机构，其不同于至少一个第一温度改变机构，其中，至少一个第二温度改变机构连接到样品台且配置为改变样品台处的温度；以及控制器。控制器配置为：在第一温度范围内操作至少一个第一温度改变机构；在不同于第一温度范围的第二温度范围内操作至少一个第二温度改变机构；以及在第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构两者。

Description

低温设备
技术领域
本公开涉及低温设备、控制低温设备的方法和用于低温设备的控制器。更具体地，本公开涉及一种绝热去磁设备，其在扩展的温度范围(例如从室温到亚开尔文或毫开尔文范围内的超低温)内提供连续的温度控制。
背景技术
低温恒温器通常用于维持安装在低温恒温器内的样品的低温。低温可以通过使用例如低温流体浴(诸如液氦)来实现。然而，诸如液氦的冷却介质由于低温恒温器中的外部和/或内部热输入而连续地蒸发，并且因此需要定期地再填充。这需要相当多的时间和资源，由此这种低温恒温器的操作成本较高。
为了克服上述缺点，已经开发了无致冷剂的低温恒温器。无致冷剂的低温恒温器可以采用无致冷剂的闭合循环系统，诸如脉冲管制冷器。现代脉冲管制冷器可以实现低至1.2K的温度。为了达到亚开尔文(Kelvin)温度，除了无致冷剂的闭合循环系统之外，还可以使用磁冷却级。磁冷却级可以是绝热去磁制冷机(ADR)，其可以实现低至几毫开尔文的温度。ADR基于磁热效应。当介质被磁化时，其磁矩对齐并且释放磁化热。反之，如果介质被去磁，则其温度下降。
常规的ADR系统以单发模式操作。这意味着低温仅能实现短时间，而不能稳定地维持较长时间。然而，在许多应用中，认为以稳定的方式长时间维持低温例如在亚开尔文范围内是有益的。此外，在一些应用中，需要连续改变样品温度，例如从室温改变到亚开尔文范围内的超低温。然而，在如此大的范围内无缝地控制温度斜坡是具有挑战性的，尤其是由于ADR技术在某些温度极限以上的操作限制。
鉴于上述内容，克服本领域中的至少一些问题的新的低温设备、控制低温设备的方法和用于低温设备的控制器是有益的。
发明内容
鉴于上述内容，提供了低温设备、控制低温设备的方法、机器可读介质和用于低温设备的控制器。
本公开的目的是提供低温设备、控制低温设备的方法、机器可读介质和用于低温设备的控制器，其提供了对大范围(特别是从室温到亚开尔文范围内的超低温)内的温度斜坡的无缝控制。根据权利要求、说明书和附图，本公开的另外的方面、益处和特征是显而易见的。
根据本公开的独立方面，提供了一种低温设备，诸如绝热去磁设备。该低温设备包括：至少一个第一温度改变机构，其可连接或连接到样品台并且被配置为改变样品台处(或样品台)的温度；至少一个第二温度改变机构，其不同于至少一个第一温度改变机构，其中，至少一个第二温度改变机构可连接或连接到样品台并且被配置为改变样品台处(或样品台)的温度；以及控制器。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，控制器被配置为：在第一温度范围内操作至少一个第一温度改变机构；在不同于第一温度范围的第二温度范围内操作至少一个第二温度改变机构；以及在第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构两者。
至少一个第一温度改变机构在第二温度范围内不操作以改变样品台处的温度。类似地，至少一个第二温度改变机构在第一温度范围内不操作以改变样品台处的温度。在第三温度范围内，至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构被操作(特别是同时地)以改变样品台处的温度。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，控制器被配置为在第一温度范围的至少一部分期间操作或准备至少一个第二温度改变机构以用于温度改变操作。例如，至少一个第二温度改变机构可以在待机模式和/或准备模式下在第一温度范围的至少一部分(与第三温度范围相邻或毗邻)中操作。
另外或替代地，控制器可以被配置为在第二温度范围的至少一部分期间操作或准备至少一个第一温度改变机构以用于温度改变操作。例如，至少一个第一温度改变机构可以在待机模式和/或准备模式下在第二温度范围的至少一部分(与第三温度范围相邻或毗邻)中操作。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构选自包括(或由其构成)主动加热机构、被动加热机构、主动冷却机构、被动冷却机构及其组合(例如，加热和冷却机构)的组。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第一温度改变机构是加热机构。例如，至少一个第一温度改变机构可以是电阻加热器。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第二温度改变机构是加热和冷却机构。例如，至少一个第二温度改变机构可以包括或可以是被配置为用于磁冷却和磁加热的绝热去磁制冷机(ADR)。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构具有不同的功能类型。
例如，至少一个第一温度改变机构可以包括至少一个加热器，例如至少一个电阻加热器。另外或替代地，至少一个第二温度改变机构可以包括至少一个ADR级。
优选地，至少一个第二温度改变机构包括一个或多个单级ADR。
替代地，至少一个第二温度改变机构包括一个或多个多级ADR。优选地，各个多级ADR的级例如通过热控开关可串联连接。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构具有相同的功能类型。
例如，至少一个第一温度改变机构可以具有至少一个第一操作特性，并且至少一个第二温度改变机构可以具有不同于至少一个第一操作特性的至少一个第二操作特性。
优选地，至少一个第一温度改变机构包括具有至少一个第一操作特性的至少一个第一加热器，特别是至少一个第一电阻加热器，并且至少一个第二温度改变机构包括具有至少一个第二操作特性的至少一个第二加热器，特别是至少一个第二电阻加热器。
优选地，至少一个第一操作特性和至少一个第二操作特性选自包括(或由其构成)加热功率、最大加热功率、温度改变机构的操作极限、温度改变机构的尺寸、样品台的热输入特性及其组合的组。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，低温设备还包括可连接到样品台的储热器。
优选地，储热器被配置为充当散热器。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，储热器是被动冷却单元，诸如被动预冷却单元或浴槽。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，储热器由闭合循环制冷器(例如，脉冲管制冷机)和/或ADR系统和/或液氦浴槽和/或斯特林(Stirling)制冷器和/或吉福德-麦克马洪(Gifford-McMahon)(GM)制冷器和/或稀释制冷机和/或焦耳汤普森(Joule Thompson)冷却器和/或He-4流低温恒温器和/或He-3流低温恒温器提供。然而，本公开不限于此，并且可以使用提供储热器的其他技术。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，低温设备包括至少一个热开关。
优选地，至少一个热开关包括至少一个第一热开关，其被配置为断开和闭合储热器与样品台之间的热连接。在示例性实施例中，至少一个第一热开关还可以被配置为断开和闭合储热器与至少一个第一温度改变机构和/或至少一个第二温度改变机构之间的热连接。
另外或替代地，至少一个热开关包括至少一个第二热开关，其被配置为断开和闭合储热器与至少一个第一温度改变机构之间的热连接。
另外或替代地，至少一个热开关包括至少一个第三热开关，其被配置为断开和闭合储热器与至少一个第二温度改变机构之间的热连接。
另外或替代地，至少一个热开关包括至少一个第四热开关，其被配置为断开和闭合包括在至少一个第二温度改变机构中的两个或更多个装置之间的至少一个热连接，特别地其中，两个或更多个装置是ADR级。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个热开关、特别是至少一个第一热开关是可控制的以提供可变的热阻抗。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，控制器被配置为操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构以使样品台处的温度在第一温度与第二温度之间渐变。
优选地，第一温度为10K或更高(或100K或更高或200K或更高或300K或更高)，并且第二温度为4K或更低(或1K或更低)。
根据本公开的另外独立方面，提供了一种低温恒温器，其包括本公开的实施例的低温设备。
根据本公开的另外独立方面，提供了一种控制低温设备的方法。该方法包括：在第一温度范围内，仅操作连接到样品台的至少一个第一温度改变机构以改变样品台处的温度；在不同于第一温度范围的第二温度范围内，仅操作连接到样品台的至少一个第二温度改变机构以改变样品台处的温度，其中，至少一个第二温度改变机构不同于至少一个第一温度改变机构；以及在第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内，操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构两者以改变样品台处的温度。
根据本文所述的实施例，该方法可通过计算机程序、软件、计算机软件产品和相关的控制器来执行，其可具有CPU、存储器、用户界面以及与低温设备的对应部件通信的输入和输出装置。
根据本公开的独立方面，提供了一种机器可读介质(例如，存储器)。机器可读介质包括指令，其可由一个或多个处理器执行以实施本公开的控制低温设备的方法的实施例。
(例如，非暂时性)机器可读介质可以包括例如光学介质(诸如CD-ROM和数字视频盘(DVD))和半导体存储装置(诸如电可编程只读存储器(EPROM)和电可擦可编程只读存储器(EEPROM))。机器可读介质可以用于有形地保持被组织成一个或多个模块并以任何期望的计算机编程语言编写的计算机程序指令或代码。当由例如一个或多个处理器执行时，这种计算机程序代码可以实施本文所述的一个或多个方法。
根据本公开的独立方面，提供了一种控制器。该控制器包括：一个或多个处理器；和存储器，其联接到一个或多个处理器并且包括指令，指令可由一个或多个处理器执行以实施本公开的控制低温设备的方法的实施例。
根据本公开的独立方面，提供了一种低温设备，诸如绝热去磁设备。低温设备包括控制器。
实施例还涉及用于执行所公开的方法的设备，并且包括用于执行各个所述方法方面的设备部分。这些方法方面可以通过硬件部件、由适当软件编程的计算机、两者的任意组合或以任何其他方式来执行。此外，根据本公开的实施例还涉及用于操作所述设备的方法。这些方法包括用于执行设备的每个功能的方法方面。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参考实施例来获得以上简要概述的本公开的更具体描述。附图涉及本公开的实施例，并且在下面进行描述：
图1示出了绝热去磁制冷机的操作原理；
图2示出了多级绝热去磁制冷机的示意图；
图3示出了根据本公开的实施例的低温设备；
图4示出了根据本公开的另外实施例的低温设备；
图5示出了根据本公开的另外实施例的低温设备；
图6示出了根据本公开的实施例的示例性温度斜坡；
图7示出了根据本公开的另外实施例的示例性温度斜坡；
图8示出了根据本公开的另外实施例的示例性温度斜坡；以及
图9示出了具有根据本公开的实施例的低温设备的低温恒温器的示意图。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，在附图中例示了本公开的一个或多个示例。在附图的以下描述中，相同的附图标记指代相同的部件。通常，仅描述相对于各个实施例的差异。各个示例通过本公开的解释来提供，并且不意味着作为本公开的限制。进一步地，作为一个实施例的一部分例示或描述的特征可用于其它实施例或与其它实施例结合使用，以产生又一实施例。预期的是本说明书包括这种修改和变更。
低温恒温器通常用于维持安装在低温恒温器内的样品的低温和/或提供操作环境。在许多应用中，需要连续改变样品温度，例如从室温改变到亚开尔文范围内的超低温或者反之。然而，在如此大的范围内无缝地控制温度斜坡是具有挑战性的，尤其是由于ADR技术在某些温度极限以上的操作限制。
本公开的实施例通过组合基于温度范围单独或组合操作的两个或更多个不同的温度改变机构来克服上述缺点。从而，可以实现在大的温度范围内的温度斜坡的无缝控制。
例如，加热机构可以用于储热器(例如，由预冷却单元提供)的温度以上的温度，并且主动冷却机构(例如，绝热去磁制冷机)可以用于所述温度以下。为了能够在两个温度范围内无缝地控制温度斜坡，通过在过渡状态内同时使用加热机构和冷却机构两者来实现两种技术之间的平滑切换。
在以下描述中，加热器和绝热去磁制冷机用作温度改变机构。然而，本公开不限于此，并且可以组合其他类型的温度改变机构以实现本公开的效果和益处。
图1示出了绝热去磁制冷机的操作原理。
绝热去磁制冷(ADR)是一种冷却方法，其使用顺磁自旋系统的熵相关性(例如，由于电子轨道运动和电子自旋或核自旋引起的磁矩)来提供低温或超低温冷却。该方法允许产生几毫开尔文或甚至几微开尔文的低温或超低温。ADR的示例性实施方式利用单个ADR单元，其包括热开关、冷却介质和磁体。通过使冷却介质去磁产生低温或超低温。图1中更详细地示出了示例性的冷却过程。
在图1的方框1中，热开关闭合，并且冷却介质耦合到预冷却单元。在方框2中，局部磁场被增加到最大，并且释放磁化热，由此加热样品。在方框3中，发生热化，并且通过预冷却单元去除磁化热。在方框4中，热开关断开，并且仍然施加磁场。在方框5中，减小磁场，并且冷却样品。在方框6中，样品温度恒定，并且减小磁场。在方框7中，磁场为零并且冷却过程终止。在方框8中，样品升温至基础温度。
ADR可以以单发模式操作，例如使用单个ADR单元。单发模式只能短期而不是连续地实现低温。这种短期冷却可能限制ADR的使用和商业应用。相反，基于He-3的技术(诸如稀释制冷机)通常用于以连续的方式提供亚开尔文温度。
图2示出了多级绝热去磁制冷机200的示意图。
通过使用多级ADR(即具有两个或更多个相互连接的ADR单元的制冷机)，可以解决利用ADR的短时间冷却的缺点。多级ADR可以用于实现连续的磁制冷，即，通过ADR提供任意长温度的低温温度Ttarget。这种技术有时被称为CADR(连续绝热去磁制冷)。CADR特别有用，因为低温是永久产生的，而不使用液体冷却介质(即致冷剂)。特别地，不需要液氦-4或液氦-3。
多级绝热去磁制冷机200的各个单独的ADR单元可以包括顺磁冷却介质、被配置为在顺磁冷却介质的位置处提供和去除磁场的磁体装置、以及热控开关。磁体装置可以包括或者可以是电磁体，诸如电阻或超导电磁磁体，其连接有磁体电源。也可以称为“热开关”的热控开关被配置为将顺磁冷却介质与热浴槽连接和断开。热浴槽可以是主热浴槽(例如，图2中的散热器201)或另一ADR单元。
图2例示了多级ADR，其中，n个ADR单元使用热开关连接为链。通过耗散ADR单元n在ADR单元n-1中的磁化的热，可以在最后的ADR单元n处提供剩磁场并因此提供冷却功率。多个ADR单元中的第一ADR单元(图2中的“1”)可以连接到散热器201。散热器201可由无致冷剂的闭合循环系统(诸如脉冲管制冷器)提供。散热器201可以维持在基本上恒定的温度，例如在1K至4K之间的范围内。例如，散热器201可以维持在大约4K的基本上恒定的温度。
除了图2中示意性例示的简单链之外，可以提供包括例如多个ADR链的多级ADR的更复杂的配置，各个ADR链具有多个ADR单元，其中，ADR链可以并联或串联操作。
在许多应用中，需要连续改变样品温度，例如从室温改变到亚开尔文范围内的超低温或者反之。然而，在如此大的范围内无缝地控制温度斜坡是具有挑战性的，尤其是由于ADR技术在某些温度极限以上的操作限制。
图3示出了根据本公开的实施例的低温设备300，其允许样品温度在宽的温度范围内连续地变化。
该低温设备300包括：至少一个第一温度改变机构310，其可连接或连接到样品台20并且被配置为改变样品台20处(或样品台20)的温度；至少一个第二温度改变机构320，其不同于至少一个第一温度改变机构310，其中，至少一个第二温度改变机构320可连接或连接到样品台20并且被配置为改变样品台处(或样品台)的温度；可选地储热器330，其可连接或连接到样品台20并且被配置为充当散热器；以及控制器(未示出)。
如图3所示，至少一个第一温度改变机构310可热连接或连接到样品台20，以允许在至少一个第一温度改变机构310与样品台20之间传递热量Q。类似地，至少一个第二温度改变机构320可热连接或连接到样品台20，以允许在至少一个第二温度改变机构320与样品台20之间传递热量Q。最后，储热器330例如经由热开关340可热连接或连接到样品台20和/或至少一个第一温度改变机构310和/或至少一个第二温度改变机构320，以允许在储热器330与样品台20和/或至少一个第一温度改变机构310和/或至少一个第二温度改变机构320之间传递热量Q。
样品台20可被配置为支撑样品或附着有样品的样品保持器，使得样品和/或样品保持器与样品台20热接触。从而，样品和/或样品保持器具有与样品台20基本上相同的温度。
术语“样品台处(或样品台)的温度”可以指样品台(或样品和/或样品保持器)的实际温度，如例如通过一个或多个附着到样品台和/或样品和/或样品保持器的温度计(诸如电阻NTC温度计)测量的。
例如，样品台处(或样品台)的温度可以是要由低温设备300实现并稳定地维持和/或控制的目标温度。例如，目标温度可以是ADR系统的第n个绝热去磁单元的温度，该第n个绝热去磁单元可以是绝热去磁单元链的最后一级。最后一级可以连接到或者可以是样品台20。
在一些实施例中，储热器330是提供基本上恒定温度的预冷却级。特别地，储热器330可以具有比用于在低于储热器330的温度的温度范围内冷却样品台20的温度改变机构的冷却能力大得多的冷却能力。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，由储热器330提供的基本上恒定的温度可以在1K(开尔文)至100K之间的范围内，或在1K至80K之间的范围内，或在1K至10K之间的范围内，或在1K至5K之间的范围内，或在5K至10K之间的范围内，或在5K至80K之间的范围内。另外或替代地，由储热器330提供的基本上恒定的温度可以大于1K和/或小于5K。在特定的非限制性示例中，由储热器330提供的基本上恒定的温度可以是约4K和/或约为液He-4的温度。
在一些实施例中，储热器300可以由脉冲管制冷机和/或ADR系统和/或液氦浴槽提供。
通过控制器的控制可以是基于软件的，使用温度计、电源和其它外围设备作为输入和/或输出，诸如电流源。特别地，控制器可以被配置为通过至少控制至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320来使样品台20的温度渐变。例如，控制器可以被配置为将(目标)温度从第一(目标)温度改变或渐变到第二(目标)温度，或者反之。由此，控制器可以提供随时间的目标温度梯度(即，温度变化速率，例如，K/min或K/h)。
在非限制性实施例中，控制器可以实施比例积分微分(PID)控制。
控制器被配置为：在第一温度范围内操作至少一个第一温度改变机构310以改变样品台20处的温度；在不同于第一温度范围的第二温度范围内操作至少一个第二温度改变机构320以改变样品台20处的温度；并且在第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内操作至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320两者以改变样品台20处的温度。
因此，至少一个第一温度改变机构310在第二温度范围内不操作以改变样品台20处的温度。类似地，至少一个第二温度改变机构320在第一温度范围内不操作以改变样品台20处的温度。然而，在第三温度范围内，至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320被操作(特别是同时地)以改变样品台20处的温度。
应当理解，表述“操作至少一个第一温度改变机构...以改变样品台处的温度”和“操作至少一个第二温度改变机构...以改变样品台处的温度”意味着操作至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320以通过主动加热或冷却样品台20来主动改变样品台20处的温度。
然而，在一些实施例中，至少一个第一温度改变机构310可以在待机模式和/或准备模式下在第二温度范围的至少一部分(与第三温度范围相邻或毗邻)中操作，而不改变样品台20处的温度。类似地，至少一个第二温度改变机构320可以在待机模式和/或准备模式下在第一温度范围的至少一部分(与第三温度范围相邻或毗邻)中操作，而不改变样品台处的温度。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320选自包括加热机构、冷却机构及其组合(例如，加热和冷却机构，诸如磁加热和冷却机构)的组。
特别地，至少一个第一温度改变机构310和/或至少一个第二温度改变机构320可以是加热器，诸如电阻加热器。另外或替代地，至少一个第一温度改变机构310和/或至少一个第二温度改变机构320可以是绝热去磁制冷机。
绝热去磁制冷机可以包括至少一个绝热去磁单元(“ADR级”)，特别是多个绝热去磁单元，以实施ADR或CADR。在一些实施方式中，使用温度传感器(诸如低温传感器)测量各个单独ADR单元的温度。低温传感器可以是电阻NTC温度计，但不限于此。
优选地，绝热去磁制冷机是单级ADR。替代地，绝热去磁制冷机可以是多级ADR。多级ADR的级可以例如通过热开关串联连接。
在一些实施例中，至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320可以是不同的功能类型。如本公开中使用的术语“功能类型”是指温度改变机构操作以实现冷却和/或加热的物理原理。例如，至少一个第一温度改变机构310可以是加热机构，诸如电阻加热器，并且至少一个第二温度改变机构320可以是加热和冷却机构，诸如绝热去磁制冷机。
在其他实施例中，至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320可以是相同的功能类型。例如，至少一个第一温度改变机构310和至少一个第二温度改变机构320可以是(例如，电阻)加热器或ADR。
特别地，至少一个第一温度改变机构310可以具有至少一个第一操作特性，并且至少一个第二温度改变机构320可以具有不同于至少一个第一操作特性的至少一个第二操作特性。优选地，至少一个第一操作特性和至少一个第二操作特性选自包括加热功率、最大加热功率、温度改变机构的操作极限、温度改变机构的尺寸、样品台的热输入特性及其组合的组。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，低温设备300还包括至少一个热开关。热开关可以是机械热开关、机电热开关、电热热开关、液晶热开关、气隙热开关、超导热开关或其组合。
如图3所示，至少一个热开关可以包括至少一个第一热开关340，其被配置为断开和闭合储热器330与样品台20之间的热连接。在示例性实施例中，至少一个第一热开关340还可以被配置为断开和闭合储热器330与至少一个第一温度改变机构310和/或至少一个第二温度改变机构320之间的热连接。
另外或替代地，至少一个热开关可以包括至少一个第二热开关(未示出)，其被配置为断开和闭合储热器330与至少一个第一温度改变机构310之间的热连接。
另外或替代地，至少一个热开关可以包括至少一个第三热开关(未示出)，其被配置为断开和闭合储热器330与至少一个第二温度改变机构320之间的热连接。
可在低温设备300的不同位置处提供另外的和/或其它的热开关，以控制低温设备300的不同元件之间的热传递。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个热开关、特别是至少一个第一热开关340可以是可控制的以提供可变的热阻抗。从而，可以可变地控制低温设备300的不同元件之间的热传递。
鉴于上述内容，本公开的低温设备300可以将预热化温度浴槽与任意数量的加热/冷却装置组合，各个加热/冷却装置具有不同的特性。基于装置特定的约束，诸如最大场和/或电流、顺应性和/或最大温度以及由此单独的操作范围，可以执行从达到极限的技术到用于给定操作范围的适当加热/冷却技术的连续过渡。这可以在低温恒温器的整个工作范围内连续地进行。
图4示出了根据本公开的另外实施例的低温设备400。
低温设备400包括两个第一温度改变机构310和410，并且包括两个第二温度改变机构320和420。尽管在图4中示出了两个第一温度改变机构310和410以及两个第二温度改变机构320和420，但是应当理解，可以提供任何数量的第一温度改变机构和任何数量的第二温度改变机构。
两个第一温度改变机构310和410可以是相同的功能类型。例如，两个第一温度改变机构310和410可以是加热器，诸如电阻加热器。这在图4中由指示单向热流的箭头例示。
另外或替代地，两个第二温度改变机构320和420可以是相同的功能类型。例如，两个第二温度改变机构320和420可以是ADR，诸如单级或多级ADR。这在图4中由指示双向热流的箭头例示，因为ADR可以提供磁冷却以及磁加热。
在一些实施例中，第一温度改变机构和第二温度改变机构并联地热连接，如图4例示。
图5示出了根据本公开的另外实施例的低温设备500。
低温设备500包括一个第一温度改变机构310和两个第二温度改变机构520和522。尽管在图5中示出了一个第一温度改变机构310以及两个第二温度改变机构520和522，但是应当理解，可以提供任何数量的第一温度改变机构和任何数量的第二温度改变机构。
第一温度改变机构310可以是加热器，诸如电阻加热器。这在图5中由指示单向热流的箭头例示。
在一些实施例中，两个第二温度改变机构520和522可以是ADR。例如，第二温度改变机构520可以是单级或多级ADR。另外或替代地，另一第二温度改变机构522可以是单级或多级ADR。特别地，第二温度改变机构520和522两者可以是单级ADR，或者第二温度改变机构520和522两者可以是多级ADR。在另外的实施例中，第二温度改变机构520和522配置一个多级ADR(在这种情况下，第二温度改变机构520可以是控制器ADR级，并且第二温度改变机构522可以是再生器ADR级)。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，至少一个热开关可被配置为断开和闭合包括在至少一个第二温度改变机构中的两个或更多个装置之间的至少一个热连接。在图5的示例中，第二温度改变机构520和522通过热开关530串联连接。然而，如图5例示，一侧上的第一温度改变机构和另一侧上的第二温度改变机构可以并联地热连接。
另外，可以提供另外的热开关532，其被配置为断开和闭合至少一个第二温度改变机构(诸如第二温度改变机构522)与储热器330之间的至少一个热连接。
图5所示的一个或多个热开关可以是可控制的，以提供可变的热阻抗。从而，可以可变地控制低温设备500的不同元件之间的热传递。
在下文中，描述了根据本公开的实施例的用于改变样品温度的示例性过程。
本公开的低温设备被配置为将目标温度从第一目标温度改变或渐变到第二目标温度，或者反之。由此，低温设备可以提供随时间的目标温度梯度(即，温度变化速率，例如，K/min或K/h)。例如，低温设备可被配置为将目标温度控制在预定温度范围内。预定温度范围可以是5mK至0.5K，特别是5mK至1K，特别是5mK至4K，特别是5mK至10K，特别是5mK至100K，更特别是5mK(或50mK或100mK或300mK)至300K(例如室温)。
本公开的低温设备可包括三个主要部件：恒定地提供冷却功率以确保足够低的浴温的(被动)预冷却单元、可控(主动)加热单元和可控(主动)冷却单元。主动单元可用于在低温设备的整个温度范围内控制温度。为了使主动单元与预冷却(断开)连接，可以提供至少一个可开关的连接器，诸如热开关。
图6示出了根据本公开的实施例的示例性温度斜坡。x轴表示时间t，y轴表示温度T和磁场B。温度斜坡可以使用例如图5的低温设备来实现。
本公开在三个温度范围之间进行区分：
1.第一温度范围A，其中，仅操作至少一个第一温度改变机构(诸如电阻加热器)以改变目标温度Tset。
2.第二温度范围B，其中，仅操作至少一个第二温度改变机构(诸如ADR系统)以改变目标温度Tset。
3.在第一温度范围A与第二温度范围B之间的第三温度范围C，其中，操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构两者(“混合模式”)以改变目标温度Tset。
第一温度范围A、第二温度范围B和第三温度范围C不重叠，并且可以彼此相邻，其中第一温度范围A是最高温度范围。温度范围的端点可以以各种方式选择，例如，取决于储热器的温度、至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构的操作特性和/或极限等。注意，图6中的x轴表示时间t以更好地说明渐变，使得也示出了随时间变化的温度范围。
在浴温Tbath以上的第一温度范围A内，至少一个电阻加热器可以用于控制温度斜坡。特别地，为了降低目标温度，样品台可以连接到提供冷却功率的预冷却单元(处于浴温Tbath的储热器)。为了提高目标温度，可将样品台从预冷却单元断开。冷却/加热速率可以通过由至少一个电阻加热器提供的限定的热输入来控制。
在第二温度范围B内，至少一个ADR单元或级可以用于控制温度斜坡。特别地，至少一个ADR单元或级可以被配置为用于磁加热(增大磁场)和/或磁冷却(减小磁场)。
第三温度范围C通过同时操作彼此相关的两种技术(诸如电阻加热器和ADR级)来提供技术之间的过渡或握手(handshake)。
现在转到图6，示出了降低的目标温度Tset。x轴表示时间t，y轴表示温度T和磁场B。
在第一温度范围A内，连接样品台和处于浴温Tbath的储热器的热开关(例如，图3至图5中的热开关340)闭合，并且只有加热器供应加热功率P以改变目标温度Tset。热开关可以是可控制的，以提供可变的热阻抗。从而，可以降低控制温度斜坡所需的加热功率。
一旦温度达到第一阈值(或上界)温度Tub，就在第一温度范围A内准备ADR系统以用于操作。ADR系统的准备在目标温度Tset仍在第一温度范围A内时进行，使得一旦目标温度Tset达到第三温度范围C，ADR系统就准备好进行温度控制。在图6中，Bc表示多级ADR系统的控制器磁场(例如，图5中的ADR级520)，并且Br表示多级ADR系统的再生器磁场(例如，图5中的ADR级522)。
当目标温度Tset达到第二阈值(或下界)温度Tlb时，系统进入第三温度范围C。在第三温度范围C内，加热器淡出，并且ADR系统被操作，使得加热器和ADR系统一起控制温度斜坡。热开关(例如图3至图5中的热开关340)可以在某一点断开，以将样品台从储热器断开。例如，热开关可以在第三温度范围C内的起点、终点或任何地方断开。
最后，当目标温度Tset达到第三阈值(另外的边界)温度Tfb并进入第二温度范围B时，仅ADR系统操作以控制温度斜坡。
在上述示例中，第一阈值温度Tub指示ADR系统的准备开始时的温度。第一阈值温度Tub可以基于ADR系统的操作特性和/或极限(诸如其磁体线圈的超导过渡温度)来选择。例如，在第一阈值温度Tub以上，不允许向磁体线圈施加电流。
第二阈值温度Tlb指示将第一温度范围A与第三温度范围C分开的温度。第二阈值温度Tlb可基于ADR系统及/或电阻加热器的操作特性及/或极限来选择。例如，在第二阈值温度Tlb以上，可能无法安全地操作ADR系统。特别地，Tlb可以考虑到冷却介质中的磁热效应变得太弱以至于在该温度以上ADR仅实现不足的冷却/加热效果来选择。
第三阈值温度Tfb指示将第三温度范围C与第二温度范围B分开的温度。第三阈值温度Tfb可基于ADR系统的操作特性和/或极限来选择。例如，第三阈值温度Tfb可被选择为提供低于Tlb的范围以允许加热器平稳地结束。在一些实施例中，第三阈值温度Tfb可以在储热器的温度Tbath附近，特别是在储热器的温度Tbath以上。
图7示出了根据本公开的另外实施例的示例性温度斜坡。x轴表示时间t，y轴表示温度T和磁场B。温度斜坡可以使用例如图3、图4和/或图5的低温设备来实现。
图7示出了在ADR场Bc接近(操作)上限Bmax的情况下升高的目标温度Tset。
在第二温度范围B内，仅ADR系统被操作以控制温度斜坡。当ADR场Bc接近操作上限Bmax(高于该上限则不再能够进行磁加热)时，系统进入第三温度范围C，在该第三温度范围C内，ADR系统开始淡出并且加热器接管。
当目标温度Tset达到第二阈值温度Tlb并且系统进入第一温度范围A时，ADR系统被停用和/或关闭和/或待机(在磁体线圈中可能仍然存在电流)，并且加热器完全接管对温度斜坡的控制。
图8示出了根据本公开的另外实施例的示例性温度斜坡。x轴表示时间t，y轴表示温度T和磁场B。温度斜坡可以使用例如图3、图4和/或图5的低温设备来实现。
图8示出了在目标温度Tset接近第二阈值温度Tlb的情况下升高的目标温度Tset。
在第二温度范围B内，仅ADR系统被操作以控制温度斜坡。当目标温度Tset接近第二阈值温度Tlb时，系统进入第三温度范围C，在该第三温度范围C内，ADR系统开始淡出并且加热器接管。
当目标温度Tset达到第一阈值温度Tub并且系统进入第一温度范围A时，ADR系统被停用和/或关闭和/或待机(在磁体线圈中可能仍然存在电流)，并且加热器完全接管对温度斜坡的控制。
图6、图7和图8示出了第一温度范围A、第二温度范围B和第三温度范围C。这些温度范围、特别是其上界和/或下界可以是固定的或者可以是可变的。优选地，温度范围、特别是其上界和/或下界是可变的，并且可以由于各种原因(诸如系统部件的操作参数和/或状态)而改变。例如，在图7中，因为达到ADR的场极限，所以第三温度范围C开始。因此，温度范围的上界和/或下界可能偏移，特别是在低温设备的操作期间，这取决于环境。
图9示出了具有根据本文所述的实施例的低温设备1100的低温恒温器1000的示意图。低温恒温器1000可以是无致冷剂的低温恒温器。
低温恒温器1000、特别是低温设备1100包括控制器，其包括一个或多个处理器和存储器，该存储器联接到一个或多个处理器并且包括指令，指令可由一个或多个处理器执行以控制低温设备1100，使得：
(i)在第一温度范围内，仅操作连接到样品台20的至少一个第一温度改变机构以改变样品台20处的温度；
(ii)在不同于第一温度范围的第二温度范围内，仅操作连接到样品台20的至少一个第二温度改变机构以改变样品台20处的温度，其中，至少一个第二温度改变机构不同于至少一个第一温度改变机构；以及
(iii)在第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内，操作至少一个第一温度改变机构和至少一个第二温度改变机构两者以改变样品台20处的温度。
低温恒温器1000包括真空室1200和本公开的实施例的低温设备1100。
真空室1200具有被构造为包含真空的内部空间1210。真空室1200基本气密、真空密闭、热不可渗透和/或辐射不可渗透地密封内部空间1210以与外部隔离。可选地，真空室1200可使内部空间1210与外部电绝缘。
真空通常被理解为基本上没有物质的空间。贯穿本申请使用的术语“真空”特别地被理解为技术真空，即，具有比大气压力小得多的气体压力的区域。真空室1200内的真空可以是高真空或超高真空。一个或多个真空产生源(诸如涡轮泵和/或低温泵(未示出))可以连接到真空室1200以产生真空。
根据一些实施例，低温恒温器1000可被提供为测量样品在低温或超低温下的一个或多个物理特性。该一个或多个物理特性可以包括但不限于磁化、电阻率和电导率。可选地，样品的一个或多个物理特性可以在外部条件(诸如外部磁场和/或压力)下测量。样品可以使用样品转移机构30装载到真空室1200中和从真空室1200卸载。
贯穿本公开使用的术语“样品”包括但不限于科学材料、电子器件(例如，超导电子器件)、有源器件、无源器件、处理单元及其组合。
低温恒温器1000可包括具有内部空间和真空锁的进入端口1300。真空锁可以在关闭状态下基本上真空密闭地密封内部空间1210以与进入端口1300的内部空间隔离，并且可以在打开状态下允许进入内部空间1210。
例如，真空锁可以关闭，并且其上附着有样品的样品保持器可以放置在进入端口1300的内部空间中，例如在大气压力下。进入端口1300的内部空间可以被密封以与外部隔离，并且可以在内部空间中产生技术真空。然后，真空锁可以打开以连接真空室1200的内部空间1210和进入端口1300的内部空间。可以使用样品转移机构30将样品保持器插入真空室1200中。样品保持器可以机械地附接到基座1400(例如，包括或作为样品台20)，样品保持器可以从样品转移机构30释放，并且样品转移机构30可以从内部空间1210去除。真空锁可以被关闭，并且低温恒温器1000可以被操作为检查样品保持器上的样品。进入端口1300和/或样品装载机构30是可选的，但是可以使用其它装置来在低温恒温器内提供样品。
低温恒温器1000可被配置为提供真空室内的温度，该温度在5mK至300K之间的范围内，特别是在5mK至250K之间的范围内，特别是在5mK至200K之间的范围内，特别是在5mK至150K之间的范围内，特别是在5mK至100K之间的范围内，并且更特别是在5mK至约70K之间的范围内。在一些实施方式中，即使系统是低温恒温器，也可以提供高达室温的温度以对样品进行测量。
根据可与本文所述的其它实施例组合的一些实施例，低温恒温器1000包括或为绝热去磁制冷机，并且特别地为多级绝热去磁制冷机。多级绝热去磁制冷机可以被配置为在1K或以下、特别是在500mK或以下、特别是在100mK或以下并且特别是在50mK或以下操作。然而，如上所述，本公开不限于此，并且低温恒温器1000可在更高温度下操作，即，1K或更高的温度，例如，高达室温。
虽然前述内容涉及本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和另外实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种低温设备(300、400、500)，包括：
至少一个第一温度改变机构(310、410)，其连接到样品台(20)并且被配置为改变所述样品台(20)处的温度；
至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)，其不同于所述至少一个第一温度改变机构(310、410)，其中，所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)连接到所述样品台(20)并且被配置为改变所述样品台(20)处的所述温度；以及
控制器，其被配置为：
i)在第一温度范围(A)内操作所述至少一个第一温度改变机构(310、410)；
ii)在不同于所述第一温度范围(A)的第二温度范围(B)内操作所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)；以及
iii)在所述第一温度范围(A)与所述第二温度范围(B)之间的第三温度范围(C)内操作所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)两者。
2.根据权利要求1所述的低温设备(300、400、500)，其中，所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)选自由主动加热机构、被动加热机构、主动冷却机构、被动冷却机构及其组合构成的组。
3.根据权利要求2所述的低温设备(300、400、500)，其中，
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)是加热机构；并且
所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)是加热和冷却机构。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低温设备(300、400、500)，其中，
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)具有不同的功能类型；和/或
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)包括至少一个加热器，特别是电阻加热器；和/或
所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)包括至少一个绝热去磁制冷机ADR级。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的低温设备(300、400、500)，其中，
所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)包括或为一个或多个单级ADR；或
所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)包括或为一个或多个多级ADR。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的低温设备(300)，其中，
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)具有相同的功能类型；和/或
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)具有至少一个第一操作特性，并且所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)具有不同于所述至少一个第一操作特性的至少一个第二操作特性；和/或
所述至少一个第一温度改变机构(310、410)包括至少一个第一加热器，特别是至少一个第一电阻加热器，并且所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)包括至少一个第二加热器，特别是至少一个第二电阻加热器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的低温设备(300、400、500)，还包括储热器(330)，其能够连接到所述样品台(20)，并且被配置为充当散热器，特别地，其中，所述储热器(330)由以下中的至少一个来提供：
-闭合循环制冷器；
-脉冲管制冷机；
-ADR系统；
-液氦浴槽；
-斯特林制冷器；
-吉福德-麦克马洪制冷器；
-稀释制冷机；
-焦耳汤普森冷却器；
-He-4流低温恒温器；以及
-He-3流低温恒温器。
8.根据权利要求7所述的低温设备(300、400、500)，还包括至少一个热开关，其中，所述至少一个热开关包括：
-至少一个第一热开关(340)，其被配置为断开和闭合所述储热器(330)与所述样品台(20)之间的热连接；和/或
-至少一个第二热开关，其被配置为断开和闭合所述储热器(330)与所述至少一个第一温度改变机构(310、410)之间的热连接；和/或
-至少一个第三热开关(532)，其被配置为断开和闭合所述储热器(330)与所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)之间的热连接；和/或
-至少一个第四热开关(530)，其被配置为断开和闭合包括在所述至少一个第二温度改变机构中的两个或更多个装置(520、522)之间的至少一个热连接，特别地，其中，所述两个或更多个装置(520、522)是ADR级。
9.根据权利要求8所述的低温设备(300、400、500)，其中，所述至少一个热开关(340)还被配置为断开和闭合所述储热器(330)与所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)中的至少一个之间的热连接。
10.根据权利要求8或9所述的低温设备(300、400、500)，其中，所述至少一个热开关、特别是所述至少一个第一热开关(340)是可控制的以提供可变的热阻抗。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的低温设备(300、400、500)，其中，所述控制器被配置为在所述第一温度范围(A)的至少一部分内准备所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)以用于操作。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的低温设备(300、400、500)，其中，所述控制器被配置为操作所述至少一个第一温度改变机构(310、410)和所述至少一个第二温度改变机构(320、420、520、522)以使所述样品台(20)处的所述温度在第一温度与第二温度之间渐变，优选地其中，所述第一温度是100K或更高，并且所述第二温度是4K或更低。
13.一种控制低温设备、特别是根据权利要求1至12中任一项所述的低温设备的方法，包括：
在第一温度范围内，仅操作连接到样品台的至少一个第一温度改变机构以改变所述样品台处的温度；
在不同于所述第一温度范围的第二温度范围内，仅操作连接到所述样品台的至少一个第二温度改变机构以改变所述样品台处的所述温度，其中，所述至少一个第二温度改变机构不同于所述至少一个第一温度改变机构；以及
在所述第一温度范围与第二温度范围之间的第三温度范围内，操作所述至少一个第一温度改变机构和所述至少一个第二温度改变机构两者以改变所述样品台处的所述温度。
14.一种机器可读介质，其包括指令，所述指令能够由一个或多个处理器执行以实施根据权利要求13所述的方法。
15.一种低温设备的控制器，包括：
一个或多个处理器；和
存储器，其联接到所述一个或多个处理器并且包括指令，所述指令能够由所述一个或多个处理器执行以实施根据权利要求13所述的方法。
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