DE102004054750A1 - Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot - Google Patents

Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot Download PDF

Info

Publication number
DE102004054750A1
DE102004054750A1 DE200410054750 DE102004054750A DE102004054750A1 DE 102004054750 A1 DE102004054750 A1 DE 102004054750A1 DE 200410054750 DE200410054750 DE 200410054750 DE 102004054750 A DE102004054750 A DE 102004054750A DE 102004054750 A1 DE102004054750 A1 DE 102004054750A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
pulse tube
cooling
detector device
temperature
cooling device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE200410054750
Other languages
German (de)
Inventor
Jens HÖHNE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vericold Technologies GmbH
Original Assignee
Vericold Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vericold Technologies GmbH filed Critical Vericold Technologies GmbH
Priority to DE200410054750 priority Critical patent/DE102004054750A1/en
Publication of DE102004054750A1 publication Critical patent/DE102004054750A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/02Dosimeters
    • G01T1/12Calorimetric dosimeters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1406Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1424Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
    • F25B2309/14241Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006Thermal coupling structure or interface

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

A cryogenic detector device (CDD) has a first cooling device (CD) (10) that cools a second CD (20) in advance. A detector device (DD) (30) is thermally coupled to the second CD so as to detect particles, radiation or fields. The first and second CDs and the DD fit in a vacuum pot (40) sealed by an interface device (50), through which the required feed and drain lines are fed for the CDD.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kryodetektorvorrichtung gemäß Anspruch 1.The The invention relates to a cryodetector device according to claim 1.

Derartige Detektorvorrichtungen mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor, der in einer ersten Kühlstufe mittels eines Pulsröhrenkühlers gekühlt wird, hat einen großen Einsatzbereich in analytischen Anwendungen, bei der Teilchen, Strahlung oder Felder mit hoher Energieauflösung und/oder hoher Zeitauflösung an beliebigen Orten untersucht werden sollen.such Detector devices with a low temperature effect based Sensor in a first cooling stage is cooled by means of a pulse tube cooler, has a big one Application in analytical applications, particle, radiation or fields with high energy resolution and / or high time resolution to be examined at any location.

Zum Kühlen von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren (Kryosensoren oder Kryodetektoren), werden im Stand der Technik Kryostaten verwendet, die eine erste Kühleinrichtung und eine zweite Kühleinrichtung, die von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, aufweisen, wobei der Sensor an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Zur Erzeugung einer Temperatur von ungefähr 4K besteht die erste Kühleinrichtung dabei meist aus einem gekoppelten Stickstoff/Helium-Kühler. Dieser ist verfahrens- und vorrichtungstechnisch sehr aufwendig und braucht viel Platz. Des weiteren ist das benötigte flüssige Kühlmittel (Stickstoff, Helium) zum einen teuer und zum anderen nicht überall verfügbar. Aus diesem Grund ist es der Einsatz von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, für industrielle Zwecke relativ unrentabel und deshalb ungeeignet.To the Cool of sensors based on a low-temperature effect (cryosensors or cryodetectors), cryostats are used in the prior art, a first cooling device and a second cooling device, that of the first cooling device pre-cooled is, wherein the sensor to the second cooling device thermally coupled. To generate a temperature of about 4K the first cooling device mostly from a coupled nitrogen / helium cooler. This is process and device technology very expensive and needs lots of space. Furthermore, the required liquid coolant (nitrogen, helium) on the one hand expensive and on the other hand not everywhere available. That's why It's the use of sensors that have a low temperature effect based, for Industrial purposes relatively unprofitable and therefore unsuitable.

Aus Info-Phys-Tech Nr.6, 1996, aus VDI Technologiezentrum, Physikalische Technologien, ist eine Kältemaschine in Form eines Pulsröhrenkühlers bekannt, wobei der Pulsröhrenkühler der aufweist: ein Pulsrohr, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist, einen Regenerator, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitsgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird.Out Info-Phys-Tech No. 6, 1996, from VDI Technology Center, Physical Technologies, is a chiller in the form of a pulse tube cooler, the pulse tube cooler of comprising: a pulse tube having at its one end a cold heat exchanger, on the heat from the outside is provided, is provided, and at the other end a warm heat exchanger, after the heat Outside is provided, a regenerator, as a heat buffer serves, and a pressure oscillator, which serves to periodic pressure changes with the pulse tube at the end at which the cold heat exchanger is provided over respective lines over the Regenerator is connected to the pressure oscillator, so that a periodic Displacement of a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator allows becomes.

Aus der EP 1 014 056 A2 ist eine Kryodetektorvorrichtung mit mehreren Kühleinrichtungen bekannt, wobei eine der Kühleinrichtungen ein mehrstufiger Pulsröhrenkühler ist. Diese bekannte Kryodetektorvorrichtung umfaßt eine erste Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer ersten Kühltemperatur, die ein zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem aufweist. Bei dem zweistufigen Pulsröhrenkühlersystem kühlt ein erster Pulsröhrenkühler einen zweiten Pulsröhrenkühler vor. Weiter ist eine zweite Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer zweiten Kühltemperatur, welche tiefer als die erste Kühltemperatur liegt, vorgesehen. Hierbei wird die zweite Kühleinrichtung von der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt. Ferner weist diese Kryodetektorvorrichtung eine Detektoreinrichtung zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor auf, wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Dadurch wird eine Kryodetektorvorrichtung mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten Kühlsystem geschaffen, wobei Sensoren betrieben werden können, die eine gute Energieauflösung haben und aufgrund des minimalen vorrichtungstechnischen Aufwands des Kühlsystems an quasi beliebigen Orten einsetzbar sind. Bei dem Betrieb dieser bekannten Kryodetektorvorrichtung hat sich herausgestellt, dass die parasitären Lasten aufgrund des sogenannten DC-Flows, d. h. einem zusätzlichen Fluß von Gas im Kühler, vergleichsweise groß sind.From the EP 1 014 056 A2 For example, a cryodetector device having a plurality of cooling devices is known, wherein one of the cooling devices is a multi-stage pulse tube cooler. This known cryodetector apparatus comprises a first cooling means for providing a first cooling temperature comprising a two-stage pulse tube cooling system. In the two-stage pulse tube refrigerator system, a first pulse tube refrigerator cools a second pulse tube refrigerator. Furthermore, a second cooling device is provided for providing a second cooling temperature which is lower than the first cooling temperature. In this case, the second cooling device is pre-cooled by the first cooling device. Furthermore, this cryodetector device has a detector device for detecting particles, radiation or fields with a sensor based on a low-temperature effect, wherein the detector device is thermally coupled to the second cooling device. Thereby, a cryodetector device is provided with a comparatively simple cooling system, wherein sensors can be operated, which have a good energy resolution and can be used at quasi arbitrary locations due to the minimum device-technical effort of the cooling system. In the operation of this known Kryodetektorvorrichtung has been found that the parasitic loads due to the so-called DC flow, ie, an additional flow of gas in the radiator, are relatively large.

Ausgehend von der EP 1 014 056 A2 ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung diese parasitären Lasten möglichst gering zu halten.Starting from the EP 1 014 056 A2 It is therefore an object of the present invention to keep these parasitic loads as low as possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Kryodetektorvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a cryodetector device according to the features of claim 1.

Die Kryodetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Kühlsystem mit einer ersten Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer mittleren Kühltemperatur Tm und einer zweiten Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer unteren Kühltemperatur Tu. Hierbei wird die zweite Kühleinrichtung durch die erste Kühleinrichtung vorgekühlt. Die erste Kühleinrichtung umfaßt einen ersten Pulsröhrenkühler, der von Umgebungstemperatur auf eine obere Kühltemperatur To kühlt, und einen zweiten Pulsröhrenkühler, der von Umgebungstemperatur auf die mittlere Kühltemperatur Tm kühlt. Die kalte Seite des ersten Pulsröhrenkühlers ist mit einem ersten Kälteschild und die kalte Seite des zweiten Pulsröhrenkühlers ist mit einem zweiten Kälteschild verbunden. Ferner weist die Kryodetektorvorrichtung eine Detektoreinrichtung zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor auf, wobei die Detektoreinrichtung an die zweite Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist.The cryodetector device according to the present invention comprises a cooling system having a first cooling device for providing a mean cooling temperature T m and a second cooling device for providing a lower cooling temperature T u . In this case, the second cooling device is pre-cooled by the first cooling device. The first cooling means comprises a first pulse tube refrigerator which cools from ambient temperature to an upper cooling temperature T o , and a second pulse tube refrigerator which cools from ambient temperature to the mean cooling temperature T m . The cold side of the first pulse tube refrigerator is connected to a first cold shield and the cold side of the second pulse tube refrigerator is connected to a second cold shield. Furthermore, the cryodetector device has a detector device for detecting particles, radiation or fields with a sensor based on a low-temperature effect, wherein the detector device is thermally coupled to the second cooling device.

Durch diesen Aufbau wird wie bei dem Stand der Technik nach der EP 1 014 056 A2 eine Kryodetektorvorrichtung geschaffen, die eine gute Energieauflösung hat und aufgrund des minimalen vorrichtungstechnischen Aufwands an quasi beliebigen Orten einsetzbar ist bzw. mobil ist. Des weiteren ist der Betrieb bzw. Unterhalt der ersten Kühlstufe kostengünstig, da der Pulsröhrenkühler nur eine Zufuhr von elektrischem Strom benötigt. Die Folge davon ist, daß auch Personal eingespart werden kann, da keine Person zum Überwachen bzw. Nachfüllen von Kühlmittel bereitgestellt werden muß.By this structure, as in the prior art according to the EP 1 014 056 A2 a cryodetector device is provided which has a good energy resolution and due to the minimal vorrich technical effort can be used at virtually any location or is mobile. Furthermore, the operation or maintenance of the first cooling stage is cost-effective, since the pulse tube cooler only requires a supply of electrical current. The consequence of this is that also personnel can be saved since no person must be provided for monitoring or replenishment of coolant.

Sowohl der erste Pulsröhrenkühler als auch der zweite Pulsröhrenkühler kühlen von Umgebungstemperatur auf ihre jeweilige Kühltemperatur To bzw. Tm, d. h. der zweite Puzlsröhrenkühler wird im Gegensatz zum Stand der Technik nach EP 1 014 056 A2 nicht unmittelbar durch den ersten Pulsröhrenkühler vorgekühlt. Durch diese Parallelschaltung der Pulsröhrenkühler der ersten Kühleinrichtung lassen sich die parasitären Lasten aufgrund des vorhandenen DC-Flows verringern. Die Verringerung der Kälteleistung aufgrund der Parallelschaltung anstatt der Serienschaltung der Pulsröhrenkühler hat sich als vernachlässigbar herausgestellt bzw. wird durch die verringerten parasitären Lasten kompensiert.Both the first pulse tube refrigerator and the second pulse tube refrigerator cool from ambient temperature to their respective cooling temperature T o or T m , ie the second Puzlsröhrenkühler is in contrast to the prior art after EP 1 014 056 A2 not directly pre-cooled by the first pulse tube refrigerator. This parallel connection of the pulse tube coolers of the first cooling device makes it possible to reduce the parasitic loads due to the existing DC flow. The reduction of the cooling capacity due to the parallel connection instead of the series connection of the pulse tube coolers has been found to be negligible or is compensated by the reduced parasitic loads.

Ein weiterer Vorteil ist die Einsparung von elektrischer Leistung, da zu erwarten ist, dass der Pulsrohrkühler gemäß der vorliegenden Erfindung mit weniger Eingangsleistung betrieben werden kann.One Another advantage is the saving of electrical power since it is to be expected that the pulse tube refrigerator according to the present invention with less input power can be operated.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Kühleinrichtung einen dritten oder weitere Pulsröhrenkühler auf. Diese lassen sich ebenfalls in Parallelschaltung entsprechend dem ersten und zweiten Pulsröhrenkühler und/oder in Reihenschaltung zu dem ersten oder zweiten Pulsröhrenkühler anordnen.According to one advantageous embodiment, the first cooling device has a third or other pulse tube coolers. These can also be connected in parallel according to the first and second pulse tube coolers and / or arrange in series with the first or second pulse tube refrigerator.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder der Pulsröhrenkühler ein Pulsrohr auf, an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher, an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher, an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist. Des weiteren hat der Pulsröhrenkühler einen Regenerator, der als Wärmezwischenspeicher dient, und einen Druckoszillator, der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen. Hierbei ist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator mit dem Druckoszillator verbunden, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr und dem Druckoszillator ermöglicht wird. Im Gegensatz zu anderen mechanischen Kühlern hat der Pulsröhrenkühler die vorteilhafte Eigenschaft, daß er sehr vibrationsarm ist.According to one advantageous embodiment, each of the pulse tube cooler Pulse tube on, at one end of a cold heat exchanger, at the heat of Outside is provided, is provided, and at the other end a warm heat exchanger, on the heat outward is provided is provided. Furthermore, the pulse tube cooler has a Regenerator acting as a heat buffer serves, and a pressure oscillator, which serves to periodic pressure changes to create. Here, the pulse tube is at the end where the cold heat exchangers is provided, via respective Lines over the regenerator connected to the pressure oscillator, so that a periodic shift a working gas between the pulse tube and the pressure oscillator allows becomes. Unlike other mechanical coolers, the pulse tube cooler has the advantageous property that he very is low in vibration.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Pulsrohr an dem Ende, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, ferner einen Strömungswiderstand und einen Behälter zur Aufnahme eines Ballastvolumens auf.According to one further advantageous embodiment, the pulse tube at the end, where the warm heat exchanger is provided, further, a flow resistance and a container for receiving a ballast volume.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder der Pulsröhrenkühler ferner eine Sekundärleitung auf, die sich von dem Ende des jeweiligen Pulsrohrs, an dem der warme Wärmetauscher vorgesehen ist, zu der Leitung zwischen dem Druckoszillator und dem Regenerator hin erstreckt und in diese mündet, wobei die Sekundärleitung einen variablen bzw. variabel einstellbaren Strömungswiderstand aufweist.According to one Further advantageous embodiment, each of the pulse tube cooler further a secondary line extending from the end of the respective pulse tube at which the warm heat exchangers is provided to the line between the pressure oscillator and extends to the regenerator and opens into it, the secondary line having a variable or variably adjustable flow resistance.

Die zweite Kühleinrichtung ist vorteilhafterweise an oder in der Nähe des kalten Wärmetauschers eines Pulsröhrenkühlers angeordnet.The second cooling device is advantageously at or near the cold heat exchanger a pulse tube cooler arranged.

Die Detektoreinrichtung kann ferner einen Absorber aufweisen, der an den Sensor thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen und Strahlung wechselwirken. Der Absorber kann dabei aus einem Dielektrikum oder einem Halbleiter oder einem Metall oder einem Halbmetall oder einer Halbmetallegierung oder einem Supraleiter oder aus einer Kombination der einzelnen Materialien bestehen.The Detector device may further comprise an absorber, the on the sensor is thermally coupled and in the incident particles and radiation interact. The absorber can be made of a dielectric or a semiconductor or a metal or a semi-metal or a semi-metal alloy or a superconductor or a combination consist of individual materials.

Als die zweite Kühleinrichtung wird vorteilhafterweise eine Entmagnetisierungsstufe verwendet. Es kann des weiteren ein 3He/4He-Entmischungskühler oder ein 3He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie ein Helium-Kompressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode eingesetzt werden.As the second cooling means, a demagnetization stage is advantageously used. Furthermore, a 3 He / 4 He demixing cooler or a 3 He cooler or a mechanical cooling device such as a helium compressor cooler or an electric cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode can be used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ist das Kühlsystem Teil eines Kryostaten, in dem die Detektoreinrichtung untergebracht ist, wobei der Kryostat ferner eine Eintrittsöffnung zum Durchlassen der zu untersuchenden Teilchen und Strahlung vom Äußeren des Kryostaten in das Innere des Kryostaten zu der Detektoreinrichtung aufweist. Außerdem kann der Kryostat eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlinse oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussierende Röhrenbündel oder elektrische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen aufweisen.According to one further advantageous embodiment of the detector device according to the invention the cooling system Part of a cryostat in which housed the detector device is, wherein the cryostat further comprises an inlet opening for passing the to be examined particles and radiation from the exterior of the cryostat in the Interior of the cryostat to the detector device has. In addition, can the cryostat has a focusing device such as an X-ray lens or a Wolter arrangement or a Fresnel lens or focusing Tube bundle or electric focusing devices / defocusing devices or magnetic focusing devices / defocusing devices exhibit.

Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryodetektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen (Betriebstemperaturbereich kleiner als 20 K, vorzugsweise jedoch kleiner als < 4 K) auftritt, messen. Diese Temperaturen werden von eine Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist.The cryogenic-based sensors used in the detector device, or cryodetectors or cryogenic detectors, are sensors which store energy deposited by radiation or particle absorption by means of an effect which is only or especially at low temperatures (operating temperature range less than 20 K, preferably but less than <4 K), measure up. These temperatures are provided by a heat sink, which is thermally coupled to the detector device, which has a respective sensor based on a cryogenic effect.

Diese Effekte können sein:

  • i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw.). Diese Temperaturerhöhung ist umso höher je tiefer die Ausgangstemperatur ist, da die Wärmekapazitäten bei den tiefen Temperaturen abnehmen. Je größer die Temperaturerhöhung ist, desto genauer kann aus ihr die deponierte Energie abgeleitet werden.
  • ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Damit diese Gitterschwingungen möglichst stark "hervortreten", d.h., eine genaue Bestimmung der Energie (und eventuell des Ortes der Energiedeposition im Absorber) möglich ist, sollten im Ausgangszustand möglichst wenige Gitterschwingungen vorhanden sein. Je tiefer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden.
  • iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt. Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr der Quasiteilchen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden.
  • iv) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energiedeposition.
These effects can be:
  • i) Temperature increase after energy deposition (calorimeter) in an absorber (dielectric, metal, superconductor, etc.). This temperature increase is the higher the lower the initial temperature is, since the heat capacities decrease at the low temperatures. The greater the temperature increase, the more accurately the deposited energy can be derived from it.
  • ii) Generation of phonons (lattice vibrations in an absorber material) by energy deposition. So that these lattice vibrations "emerge" as much as possible, ie, an accurate determination of the energy (and possibly the location of the energy deposition in the absorber) is possible, as few lattice vibrations should be present in the initial state. The lower the starting temperature, the less lattice vibrations are present.
  • iii) Production of quasiparticles (disruption of Cooper pairs) in a superconductor. Superconductivity is a low temperature effect. The lower the transition temperature to superconductivity, the more of these quasiparticles are produced by the energy deposition. The more quasiparticles are produced, the more accurate the energy can be determined.
  • iv) Change in the spin orientation or magnetization in a cooled to low temperatures spin system consisting of paramagnetic ions due to an energy deposition.

Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage:

  • a) Supraleitende Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter: Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Thermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und normalleitenden Phase ändert das Thermometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h., auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen.
  • b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen (SIS: Supraleiter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normalleitenden Film (NIS: Normalleiter-Isolator-Supraleiter), wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlauben. Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung kleiner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quasiteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.
  • c) Thermistor, wie NTD-Thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", d.h., mit Neutronen hochdotierter Halbleiter). Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit genügender Genauigkeit gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird.
  • d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beipsielsweise von Erbium (Er3+), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.
In order to measure the temperature increase, the lattice vibrations, the quasiparticles (in general the excitations) or the change in the magnetization, there are various possibilities, with the general rule that the excitations are generated in an absorber and detected in a sensor. Sensor and absorber can be identical. Suitable sensors are:
  • a) Superconducting phase transition thermometers, such as a sensor in a microcalorimeter: These consist essentially of an absorber, a thermometer (superconducting layer, such as tungsten, iridium, aluminum or tantalum) and a cooling device or a coupling to a heat sink. In the temperature transition range between its superconducting and normal-conducting phase, the thermometer changes its electrical resistance very strongly as a function of the temperature, that is, even after absorption of lattice vibrations and quasiparticles.
  • b) Superconducting tunnel diodes: They consist of two overlapping thin superconducting films (SIS: superconductor-insulator superconductor, where the films do not necessarily have to consist of the same superconductor on both sides) or a superconducting and a normal-conducting film (NIS: normal conductor insulator Superconductor), the respective films being separated by a thin electrically insulating barrier. The barrier is so thin that it allows quantum mechanical tunneling of electrons or quasiparticles from one electrode to another. If the NIS diode or SIS diode is operated below the transition temperature of the respective superconductors, and the applied voltage is less than the voltage corresponding to the superconducting energy gap (NIS) or less than twice this voltage (SIS), the voltage across the barrier increases flowing electricity when energy is deposited in the tunnel diode. The deposition of energy can be done by increasing the temperature, absorbing lattice vibrations or quasiparticles or directly by absorbing radiation or particles.
  • c) Thermistor, such as NTD thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", ie with neutrons highly doped semiconductors). These thermometers can be used to measure temperature variations since, as with all semiconductors, the resistance increases with decreasing temperature. In order to avoid that at very low temperatures, the resistances grow so high that they can no longer be measured with sufficient accuracy, the semiconductors used are highly doped, whereby their resistance is lowered.
  • d) Magnetic bolometers. These sensors, which have a weak thermal coupling to a cold bath or a heat sink with a temperature preferably in the millikelvin range, comprise a weak concentration of paramagnetic ions in a magnetic field. As such ions, ions of rare earths such as erbium (Er 3+ ) are advantageously used. When a small amount of energy, such as electromagnetic radiation, is deposited in such a sensor, the temperature rise causes a change in the magnetization of the paramagnets formed by the paramagnetic ions, measured, for example, using a coil connected to an input of a SQUID can. Advantageously, an absorber is thermally coupled to the magnetic bolometer.

Die Verwendung derartiger kryogener Sensoren bietet mehrere Vorteile. Zum einen ist eine gute Energieauflösung zu nennen, die bei 6 keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 5 eV und bei 1,5 keV Röntgenstrahlung im Bereich von etwa 3 eV liegt. Neben der guten Energieauflösung der kryogenen Sensoren ist auch deren Detektionseffizienz auch bei niedrigen Energien (kleiner als 2 keV) vorteilhaft. Es kann quasi jedes auf den Sensor einfallende Photon erfaßt und nachgewiesen werden. Außerdem kann ein vorbestimmter Energiebereich von zu analysierenden Teilchen oder Strahlung simultan erfaßt werden und es lassen sich die von den Teilchen bzw. Strahlung im Detektor erzeugten Pulse schnell auslesen, wodurch auch zeitabhängige Phänomene mit kurzer Zeitkonstante beobachtet werden können.The use of such cryogenic sensors offers several advantages. On the one hand, a good energy resolution should be mentioned, which is 6 eV X-radiation in the range of about 5 eV and at 1.5 keV X-radiation in the range of about 3 eV. ne ben the good energy resolution of the cryogenic sensors and their detection efficiency even at low energies (less than 2 keV) is advantageous. It can be detected and detected virtually any incident on the sensor photon. In addition, a predetermined energy range of particles or radiation to be analyzed can be detected simultaneously and the pulses generated by the particles or radiation in the detector can be read out quickly, as a result of which time-dependent phenomena with a short time constant can also be observed.

Zur Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit bzw. zum Einstellen einer optimalen Betriebstemperatur des Detektoreinrichtung bzw. des Sensors, ist vorteilhafterweise eine Heizeinrichtung vorgesehen, die an die Detektoreinrichtung thermisch gekoppelt ist. Liegt die Temperatur bzw. der Temperaturbereich des Kühlsystems bzw. der zweiten Kühleinrichtung unterhalb der für den jeweiligen kryogenen Sensor optimalen Temperatur, bzw. schwankt die bereitgestellte Kühltemperatur, so läßt sich durch Regelung der durch die Heizeinrichtung dem Sensor zugeführten Energie eine optimale Betriebstemperatur einstellen. Ferner bietet die Einstellung einer Temperatur oberhalb der von der Kühleinrichtung bereitgestellten Temperatur die Möglichkeit der "aktiven Kühlung". Dabei versteht man die Wegnahme der Heizleistung bei einer in der Sensoreinrichtung stattfindenden Energiedeposition eines einfallenden Teilchens bzw. einfallender Strahlung. Durch die schnelle Rückstellung der Sensoreinrichtung auf die vorbestimmte optimale Betriebstemperatur läßt sich auf diese Weise eine Signalbeschleunigung und somit eine Verbesserung der Auslesegeschwindigkeit erzielen.to Improvement of the readout speed or for setting a optimal operating temperature of the detector device or the sensor, Advantageously, a heating device is provided, which is connected to the Detector device is thermally coupled. Is the temperature or the temperature range of the cooling system or the second cooling device below the for the respective cryogenic sensor optimum temperature, or fluctuates the provided cooling temperature, that's how it works by controlling the energy supplied by the heater to the sensor set an optimal operating temperature. Furthermore, the setting offers a temperature above that provided by the cooling device Temperature the possibility the "active cooling". It understands one the removal of the heating power at one in the sensor device taking place energy deposition of an incident particle or incident radiation. Due to the quick reset of the sensor device to the predetermined optimum operating temperature can be in this way a signal acceleration and thus an improvement to achieve the readout speed.

Zum Erfassen von Magnetfeldern bzw. dessen Änderungen können auch SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-Interferenz-Vorrichtungen) als Sensoren verwendet werden.To the Detecting magnetic fields or their changes can also SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device ", superconducting quantum interference devices) are used as sensors become.

Die Detektoreinrichtung kann ferner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.The Detector device may further comprise a plurality of sensors. This is advantageous, for example, if two different types Sensors are used, their energy resolution in each case different Energy ranges is different good.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of preferred embodiments with reference to the drawing.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic representation of an embodiment of the invention;

2 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung; 2 a schematic representation of a pulse tube refrigerator according to a first embodiment;

3 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung; 3 a schematic representation of a pulse tube refrigerator according to a second embodiment;

4 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung; 4 a schematic representation of a pulse tube refrigerator according to a third embodiment;

5 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in 4; 5 a schematic representation of a pulse tube refrigerator according to the third embodiment in a more concrete representation than in 4 ;

6 eine schematische Querschnittsansicht einer realen Geometrie eines Pulsröhrenkühlers; 6 a schematic cross-sectional view of a real geometry of a pulse tube refrigerator;

7 eine schematische Darstellung einen zweistufigen Pulsröhrenkühler für eine Krydetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit den wichtigstem Komponenten; 7 a schematic representation of a two-stage pulse tube refrigerator for a Krydetektorvorrichtung according to the present invention with the most important components;

8 eine detailierter Darstellung von 1; 8th a detailed presentation of 1 ;

9 eine schematische Darstellung einer realen Geometrie eines als Detektoreinrichtung verwendbaren Mikrokalorimeters; und 9 a schematic representation of a real geometry of a usable as a detector microcalorimeter; and

10 eine Darstellung des Standes der Technik gemäß der EP 1 014 056 A2 . 10 a representation of the prior art according to the EP 1 014 056 A2 ,

Gesamtsystemoverall system

Es sei dabei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Darstellung der findungsgemäßen Kryodetektorvorrichtung zeigt. Die Kryodetektorvorrichtung umfaßt eine erste Kühleinrichtung 10, die eine zweite Kühleinrichtung 20 vorkühlt. Eine Detektoreinrichtung 30 zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern ist an die zweite Kühleinrichtung 20 thermisch gekoppelt. Die Kühleinrichtungen 10 und 20 sowie die Detektoreinrichtung 30 sind in einem Vakuumtopf 40 angeordnet, der durch eine Schnittstelleneinrichtung 50 verschlossen wird, über die die notwendigen Zu- und Ableitungen des Kryodetektors geführt werden. Die erste Kühleinrichtung 10 umfaßt einen ersten Pulsröhrenkühler 102, der ein erstes Pulsrohr 104, einen ersten Regenerator 106 und einen ersten Kaltkopf 108 aufweist. Die erste Kühleinrichtung 10 umfaßt weiter einen zweiten Pulsrohrkühler 112, der ein zweites Pulsrohr 114, einen zweiten Regenerator 116 und einen zweiten Kaltkopf 118 aufweist. Der erste Kaltkopf 108 ist thermisch an ein erstes Kälteschild 110 und der zweite Kaltkopf 118 ist thermisch an ein zweites Kälteschild 120 gekoppelt. Der Vakuumtopf 40 als äußerste Hülle, das erste Kälteschild 110 als mittlere Hülle und das zweite Kälteschild 120 als innerste Hülle bilden einen Kältefinger 60 der in drei hintereinanderliegenden Eintrittsfenstern 70 endet, wobei hinter dem innersten Fenster die Detektoreinrichtung 30 angeordnet ist.First, be on it 1 which shows a schematic representation of the inventive cryodetector device. The cryodetector device comprises a first cooling device 10 that a second cooling device 20 pre-cooling. A detector device 30 for detecting particles, radiation or fields is to the second cooling device 20 thermally coupled. The cooling equipment 10 and 20 as well as the detector device 30 are in a vacuum pot 40 arranged by an interface device 50 is closed, over which the necessary supply and discharge lines of the cryodetector are performed. The first cooling device 10 includes a first pulse tube refrigerator 102 who has a first pulse tube 104 , a first regenerator 106 and a first coldhead 108 having. The first cooling device 10 further comprises a second pulse tube refrigerator 112 that has a second pulse tube 114 , a second regenerator 116 and a second coldhead 118 having. The first coldhead 108 is thermally connected to a first cold shield 110 and the second coldhead 118 is thermally connected to a second cold shield 120 coupled. The vacuum pot 40 as the outer shell, the first cold shield 110 as the middle shell and the second cold shield 120 as innermost shell form a cold finger 60 the in three consecutive entrance windows 70 ends, wherein behind the innermost window, the detector device 30 is arranged.

Der erste Pulsrohrkühler 102 kühlt von Umgebungstemperatur auf eine obere Temperatur To. Damit liegt der erste Kaltkopf 108 und der thermisch damit verbundene erste Kälteschild 110 auf der Temperatur To. Der zweite Pulsrohrkühler 112 kühlt von Umgebungstemperatur auf eine mittlere Temperatur TM. Damit liegt der zweite Kaltkopf 118 und der thermisch damit verbundene zweite Kälteschild 120 auf der Temperatur TM.The first pulse tube cooler 102 cools from ambient temperature to an upper temperature T o . This is the first cold head 108 and the thermally associated first cold shield 110 at the temperature T o . The second pulse tube cooler 112 Cools from ambient temperature to an average temperature T M. This is the second cold head 118 and the thermally associated second cold shield 120 on the temperature T M.

10 zeigt einer 1 entsprechenden Darstellung eine Kryodetektorvorrichtung gemäß der EP 1 014 056 A2 . Für einander entsprechende Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der wesentliche Unterschied zwischen der Kryodetektorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und der in 10 dargestellten Kryodetektorvorrichtung nach dem Stand der Technik besteht in besteht in der Anordnung der beiden Pulsröhrenkühler 102 und 112, genauer in der Anordnung der beiden Regeneratoren 106 und 116. Bei dem Stand der Technik nach 10 sind der erste und zweite Rengenerator 1106, 116 in Serie geschaltet, während sie bei der vorliegenden Erfindung parallel geschaltet sind. 10 shows one 1 corresponding representation of a cryodetector according to the EP 1 014 056 A2 , For parts corresponding to each other, the same reference numerals are used. The essential difference between the cryodetector device according to the present invention and the in 10 The prior art cryodetector device shown consists in the arrangement of the two pulse tube coolers 102 and 112 , more precisely in the arrangement of the two regenerators 106 and 116 , According to the prior art 10 are the first and second Rengenerator 1106 . 116 connected in series while being connected in parallel in the present invention.

PulsröhrenkühlerPulse tube cooler

Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise eines Pulsröhrenkühlers beschrieben. Dabei zeigt 2 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.The following describes the structure and operation of a pulse tube refrigerator. It shows 2 a schematic representation of a pulse tube refrigerator according to a first embodiment. Here, as in the following figures, like parts are designated by the same reference numerals.

Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der periodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärmetauschern an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr 104, 114. Das Pulsrohr 104, 114 ist mit einem Druckozillator 80 über den Regenerator 16, 116 verbunden. Der Regenerator 106, 116 dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 80 einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 104, 114 abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist der Regenerator 106, 116 vorteilhafterweise mit einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen oberhalb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigem Edelstahl- oder Bronzesieben als Regeneratorfüllung. Für tiefere Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapazität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materialien, z.B. Er-Ni-Legierungen, ein.The cooling effect of the pulse tube refrigerator is based on the periodic pressure change and displacement ("pulsing") of a working gas in a thin-walled cylinder with heat exchangers at both ends, the so-called pulse tube 104 . 114 , The pulse tube 104 . 114 is with a pressure oscillator 80 over the regenerator 16 . 116 connected. The regenerator 106 . 116 serves as a heat buffer, that of the pressure oscillator 80 inflowing gas before entering the pulse tube 104 . 114 cools and then the outflowing gas is warmed to room temperature. For this purpose is the regenerator 106 . 116 advantageously filled with a material of high heat capacity, which has a good heat exchange with the flowing gas at the same time low flow resistance. At temperatures above 30 K, stacks of fine-meshed stainless steel or bronze sieves are used as regenerator filling. For lower temperatures, for reasons of high heat capacity, lead shot and, more recently, magnetic materials, eg, Er-Ni alloys, are used.

Zur Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in 5 gezeigt ist, ein Kompressor 802 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rotationsventil 804 verwendet, das periodisch die Hoch- und Niederdruckseite des Kompressors 802 mit dem Pulsrohrkühler 102, 112 verbindet. Alternativ dazu kann die Druckoszillation direkt über die Kolbenbewegung eines ventillosen Kompressors erzeugt werden.To generate the pressure oscillation, as in 5 shown is a compressor 802 in combination with a downstream rotary valve 804 used, which periodically the high and low pressure side of the compressor 802 with the pulse tube cooler 102 . 112 combines. Alternatively, the pressure oscillation can be generated directly via the piston movement of a valveless compressor.

In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers 102, 112 ist das Pulsrohr 104, 114 am warmen Ende 130 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab: In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 106, 116 vorgekühlte Gas in das Pulsrohr 104, 114 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr 104, 114 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 130 hin verschoben, wo ein Teil der Kompressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 104, 114. Das Gas, welches das Pulsrohr 104, 114 in Richtung Regenerator 106, 116 verläßt, ist kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme über den kalten Wärmetauscher bzw. den Kaltkopf 108, 118 von dem zu kühlenden Objekt aufnehmen. Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport von dem kalten – 108, 118 – zum warmen – 130 – Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung erforderlich ist ("Oberflächenwärmepumpen"). Da der Wärmekontakt jedoch nur in einer dünnen Gasschicht an der Rohrwandung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.In the first embodiment of the pulse tube refrigerator 102 . 112 is the pulse tube 104 . 114 at the warm end 130 closed. The cooling process is qualitatively as follows: In the compression phase, this flows in the regenerator 106 . 116 precooled gas in the pulse tube 104 . 114 one. Due to the increase in pressure, the gas in the pulse tube 104 . 114 heated and at the same time to the warm heat exchanger 130 shifted where a portion of the heat of compression is dissipated to the environment. The subsequent expansion causes a cooling of the gas in the pulse tube 104 . 114 , The gas, which is the pulse tube 104 . 114 in the direction of the regenerator 106 . 116 leaves, is colder than at the entrance and can therefore heat over the cold heat exchanger or the cold head 108 . 118 from the object to be cooled. A closer analysis of the process in this embodiment shows that for the heat transfer from the cold 108 . 118 - to the warm - 130 - End heat exchange between gas and pipe wall is required ("surface heat pump"). Since the thermal contact, however, takes place only in a thin gas layer on the pipe wall, this cooling process is not yet optimized.

3 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 102, 112 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Effektivität durch den Anschluß eines Ballastvolumens 132 über einen Strömungswiderstand (Nadelventil) 134 am warmen Wärmetauscher 130. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den warmen Wärmetauscher 130, das dort dann Kompressionswärme abgeben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 102, 112 Arbeit beim Verschieben von Gas in das Ballastvolumen 132, wodurch ein wesentlich höherer Kühleffekt erreicht wird. 3 now shows a schematic representation of a pulse tube refrigerator 102 . 112 according to a second embodiment. This results in a significant increase in the effectiveness of the connection of a ballast volume 132 via a flow resistance (needle valve) 134 on the warm heat exchanger 130 , On the one hand, more gas flows through the warm heat exchanger 130 which can then give off compression heat there. On the other hand, the gas in the pulse tube 102 . 112 Work on moving gas into the ballast volume 132 , whereby a much higher cooling effect is achieved.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 102, 112 gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckänderung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch einen zweiten Einlaß über ein Einlaßventil 136 am warmen Ende 130 geleitet wird. Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 106, 116 passiert, werden die Verluste im Regenerator 106, 116 verringert. Außerdem stellt sich bei zweitem Einlaß 136 eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flußvariation ein. 4 shows a schematic representation of a pulse tube refrigerator 102 . 112 according to a third embodiment, in which the effectiveness of the cooler can be further increased by the proportion of the gas flow, the pressure change in the warm part of the pulse tube 20 is necessary, by a second one leave over an inlet valve 136 at the warm end 130 is directed. Because this gas flow is no longer the regenerator 106 . 116 happens, the losses are in the regenerator 106 . 116 reduced. It also turns out at second intake 136 a more favorable for the cooling time sequence of pressure and flow variation.

5 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in 4. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium-Kompressor 802 ein motorgetriebenes Rotationsventil 804, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient. 5 shows a schematic overall construction of a pulse tube refrigerator according to the third embodiment in a more concrete representation than in 4 , It feeds in this system, a commercial helium compressor 802 a motorized rotary valve 804 , which serves to control the helium gas flow.

Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsventil über eine flexible Kunststoffleitung 138 miteinander verbunden.For mechanical decoupling and to reduce electromagnetic interference, the actual cooler and the rotary valve can be connected via a flexible plastic pipe 138 connected with each other.

Ein reale Geometrie eines Pulsröhrenkühlers ist in einer schematischen Querschnittsansicht in 6 gezeigt. Um eine möglichst schlanke Bauform zu erreichen, sind Pulsrohr 104, 114 und Regenerator 106, 116 koaxial angeordnet. Der warme Wärmetauscher 130 wird nur durch die Umgebungsluft gekühlt. Der Kaltkopf 108, 118 mit konisch geformter Innenfläche zur Führung des Gasflusses dient als (kalter) Wärmetauscher 108, 118 zwischen Objektträger für zu kühlenden Objekte 140 und dem Arbeitsgas. Ein die Anordnung umfassendes Vakuumisoliergefäß 142 mit dem integriertem Ballastvolumen 132 ist im unteren Teil, der die zu kühlenden Objekte 140 umschließt, aus Plexiglas gefertigt, wodurch eine Verringerung des elektronischen Rauschens erreicht wird. Am oberen Ende des Pulsröhrenkühlers 102, 112 sind Gaseinlasse 144 für den warmen Wärmetauscher 130 bzw. das Pulsrohr 104, 114 vorgesehen.A real geometry of a pulse tube refrigerator is shown in a schematic cross-sectional view in FIG 6 shown. To achieve the leanest possible design, are pulse tube 104 . 114 and regenerator 106 . 116 arranged coaxially. The warm heat exchanger 130 is only cooled by the ambient air. The cold head 108 . 118 with conically shaped inner surface for guiding the gas flow serves as a (cold) heat exchanger 108 . 118 between slides for objects to be cooled 140 and the working gas. An assembly comprising the vacuum insulation vessel 142 with the integrated ballast volume 132 is in the lower part, which are the objects to be cooled 140 encloses made of Plexiglas, whereby a reduction of the electronic noise is achieved. At the upper end of the pulse tube cooler 102 . 112 are gas inlets 144 for the warm heat exchanger 130 or the pulse tube 104 . 114 intended.

7 zeigt eine genauere Darstellung der ersten Kühleinrichtung 10 mit den beiden Pulsrohrkühlern 102 und 112, wie sie in in der beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung nach 1 verwendet wird. Zusätzlich zu den bereits in 1 gezeigten Komponenten sind in 7 noch der Kompressor 802 mit Rotationsventil 804, das Balastvolumen 132-1, 132-2, der Strömungswiderstand (Nadelventil) 134-1, 134-2 und das Einlaßventil 136-1, 136-2 des ersten bzw. zweiten Pulsröhrenkülers 102, 112 dargestellt. Die Ventile 134a, 134b, 136a, 146b, die Sekundärleitung 135 und die beiden Balastvolumina 132a, 132b bilden dabei die Schnittstelleneinrichtung 50. Im Gegensatz zu dem in 5 dargestellten Pulsröhrenküler ist bei den beiden Pulsröhrenkühlern 102 und 112 in 7 das Balstvolumen 132-1, 132-2 an dem warmen Ende 130 des jeweiligen Pulsrohres 104, 114 und die flexible Zuleitung 138 von dem Druckoszillator 80 ist mit den beiden Regeneratoren 106, 116 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Gaskreisläufe in den beiden Pulsröhrenkühlern 102, 112 voneinander getrennt sind. Damit ist auch der DC-Flow im ersten Pulsröhrenkühler 102 durch das erste Einlaßventil 134a, den ersten Regenerator 106, den ersten Kaltkopf 108 und das erste Pulsrohr 104 unabhängig von dem DC-Flow im zweiten Pulsröhrenkühler 112 durch das zweite Einlaßventil 134b, den zweiten Regenerator 116, den zweiten Kaltkopf 118 und das zweite Pulsrohr 114. Der DC-Flow in beiden Pulsröhrenkühlern 102, 112 kann daher unabhängig voneinander optimiert werden. 7 shows a more detailed representation of the first cooling device 10 with the two pulse tube coolers 102 and 112 as shown in the exemplary embodiment of the invention 1 is used. In addition to those already in 1 shown components are in 7 still the compressor 802 with rotary valve 804 , the balast volume 132-1 . 132-2 , the flow resistance (needle valve) 134-1 . 134-2 and the inlet valve 136-1 . 136-2 of the first and second pulse tube scanners 102 . 112 shown. The valves 134a . 134b . 136a . 146b , the secondary line 135 and the two balast volumes 132a . 132b form the interface device 50 , Unlike the in 5 Pulsröhrenküler shown is the two pulse tube cooler 102 and 112 in 7 the balustrade volume 132-1 . 132-2 at the warm end 130 the respective pulse tube 104 . 114 and the flexible supply line 138 from the pressure oscillator 80 is with the two regenerators 106 . 116 connected. This has the advantage that the gas circuits in the two pulse tube coolers 102 . 112 are separated from each other. This also includes the DC flow in the first pulse tube cooler 102 through the first inlet valve 134a , the first regenerator 106 , the first coldhead 108 and the first pulse tube 104 independent of the DC flow in the second pulse tube cooler 112 through the second inlet valve 134b , the second regenerator 116 , the second coldhead 118 and the second pulse tube 114 , The DC flow in both pulse tube coolers 102 . 112 can therefore be optimized independently of each other.

Es ist ferner denkbar, daß anstelle der zwei getrennten Ballastvolumina ein gemeinsames Ballastvolumen verwendet wird. Der erste Kaltkopf 108 des ersten Pulsrohrs 104 kühlt erste Kältechild 110 bis auf ungefähr maximal 50 K ab. Der zweite Kaltkopf 118 des zweiten Pulsrohrs 114 stellt eine Temperatur von ungefähr 2,2 bis 4,2 K bereit.It is also conceivable that a common ballast volume is used instead of the two separate ballast volumes. The first coldhead 108 of the first pulse tube 104 cools first cold shield 110 down to about 50 K max. The second coldhead 118 of the second pulse tube 114 provides a temperature of about 2.2 to 4.2K.

Zweite KühleinrichtungSecond cooling device

8 entspricht 1 und zeigt zusätzlich Einzelheiten der zweiten Kühleinrichtung 20. Die zweite Kühleinrichtung 20 ist als adiabatische Entmagnetisierungsstufe ausgelegt und stellt eine Kühltemperatur TT von ungefähr 30 bis 300 mK bereit. An dieses Temperaturniveau ist die Detektoreinrichtung 30 thermisch gekoppelt. 8th corresponds to 1 and additionally shows details of the second cooling device 20 , The second cooling device 20 is designed as an adiabatic demagnetization stage and provides a cooling temperature T T of about 30 to 300 mK. At this temperature level, the detector device 30 thermally coupled.

Die zweite Kühleinrichtung umfaßt einen Magneten 150 auf, der das Salz in einer Salzpille 152 magnetisiert. Zur thermischen Entkopplung ist die Salzpille 152 über Kevlarfäden 154 aufgehängt, wobei die Fäden 154 durch eine Spannvorrichtung 156, beispielsweise in Form von Federn oder Materialien, die sich bei Temperaturabnahme zusammenziehen, gespannt werden. Mittels eines Wärmeschalters 158 kann während des Betriebs der Entmagnetisierungsstufe 20 die Salzpille 152 mit dem Magneten 150 bzw. der Spannvorrichtung 156 thermisch gekoppelt werden. Die Entmagnetisierungsstufe ist dabei von einem Magnetschild 160 umgeben. Der Magnetschild 160 dient zur Abschirmung des Magneten 150 gegenüber der Umgebung. Im Betriebsmodus der Detektoreinrichtung 30 wird der Magnet 150 bzw. dessen Feld langsam heruntergefahren, so daß die Temperatur in der Salzpille 150 konstant auf oder unterhalb der Betriebstemperatur der Detektoreinrichtung 30 gehalten wird. Das dabei noch vorhandene Magnetfeld muß kompensiert und abgeschirmt werden. Dazu kann die Spule des Magneten 150 bereits Kompensationsspulen aufweisen. Der Magnetschild 160 kann aus einem Supraleiter (z.B. Niob, Ta) oder aus einem Material mit hoher Magnetisierung (z.B. Kryoperm oder Vacrylux oder einer Kombination von beidem) bestehen. Am unteren Ende weist der um die Entmagnetisierungsstufe angeordnete Magnetschild 160 ein kleines Loch auf, durch das sich der Kältefinger 60 erstreckt, der die Detektoreinrichtung 30 hält.The second cooling device comprises a magnet 150 put on the salt in a salt pill 152 magnetized. For thermal decoupling is the salt pill 152 about kevlar threads 154 hung, with the threads 154 through a tensioning device 156 For example, in the form of springs or materials that contract when the temperature decreases, are stretched. By means of a heat switch 158 can during the demagnetization stage 20 the salt pill 152 with the magnet 150 or the clamping device 156 thermally coupled. The demagnetization stage is of a magnetic shield 160 surround. The magnetic shield 160 serves to shield the magnet 150 opposite the environment. In the operating mode of the detector device 30 becomes the magnet 150 or its field slowly shut down, so that the temperature in the salt pill 150 constant at or below the operating temperature of the detector device 30 is held. The remaining magnetic field must be compensated and shielded. This can be done by the coil of the magnet 150 already have compensation coils. The magnetic shield 160 may consist of a superconductor (eg niobium, Ta) or of a material with high magnetization (eg Kryoperm or Vacrylux or a combination of both). At the bottom of the arranged around the demagnetization magnetic shield 160 a small hole through which the cold finger 60 which extends the detector device 30 holds.

Des weiteren sind die Entmagnetisierungsstufe und die Detektoreinrichtung 30 unmittelbar von dem zweiten Kälteschidl 110 umgeben, innerhalb dessen eine Temperatur TU von ungefähr 4 K eingestellt ist. Diese Temperatur TU wird von zweiten Kaltkopf 118 des zweiten Pulsrohrkühlers 102 eingestellt. Der zweite Kaltkopf 118 ist hierzu thermisch und mechanisch an den Magneten 150 gekoppelt.Furthermore, the demagnetization stage and the detector device are 30 directly from the second chill plate 110 within which a temperature T U of approximately 4 K is set. This temperature T U is from the second cold head 118 the second pulse tube cooler 102 set. The second coldhead 118 This is thermal and mechanical to the magnet 150 coupled.

Der zweite Kälteschild 110 ist von dem ersten Kälteschild 108 umgeben, innerhalb dessen die mittlere Temperatur TM von ungefähr 67 K eingestellt ist. Diese mittlere Temperatur TM wird von dem ersten Pulsrohrkühler 102 eingestellt, das die erste Stufe des als erste Kühleinrichtung 10 eingesetzten Pulsröhrenkühlersystems darstellt. Dabei der erste Kaltkopf 108 mit dem ersten Kälteschild bzw. dem 67K-Schild 110 verbunden.The second cold shield 110 is from the first cold shield 108 within which the average temperature T M of approximately 67 K is set. This mean temperature T M is from the first pulse tube refrigerator 102 set the first stage of the first cooling device 10 represents used pulse tube refrigerator system. The first cold head 108 with the first cold shield or 67K shield 110 connected.

Die Kühlsysteme der erfindungsgemäßen Kryodetektorvorrichtung, die Pulsröhrenkühler aufweisen, sind aufgrund der fehlenden beweglichen Teile sehr vibrationsarm und deshalb auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren wie SQUIDs geeignet.The cooling systems the cryodetector device according to the invention, having pulse tube coolers, are very low vibration due to the lack of moving parts and therefore especially good for the cooling from sensitive sensors like SQUIDs.

Detektoreinrichtungdetector device

Als Detektoreinrichtung in einer erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung kann beispielsweise ein Mikrokalorimeter eingesetzt werden, dessen Sensor ein Phasenübergangsthermometer ist. Allgemein umfaßt dabei ein Mikrokalorimeter eine Sensoreinrichtung bestehend aus einem Thermometer, das ein supraleitendes Material mit einem eine endliche Breite aufweisenden Übergangstemperaturbereich von der normalleitenden in die supraleitende Phase aufweist, wobei die Sprungtemperatur in der Mitte des Übergangstemperaturbereichs liegt und der elektrische Widerstand des supraleitenden Materials innerhalb des Übergangstemperaturbereichs mit wachsender Temperatur ansteigt. Ferner weist das Mikrokalorimeter einen Absorber auf, der an das Thermometer thermisch gekoppelt ist und in dem einfallende Teilchen oder Strahlung wechselwirkt. Eine Kühleinrichtung ist zum Bereitstellen einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Thermometers vorgesehen, wobei durch eine Heizeinrichtung der Temperaturarbeitspunkt des Thermometers innerhalb des Übergangstemperaturbereichs einstellbar ist. Zum Registrieren einer Widerstandsänderung aufgrund von einfallenden Teilchen oder Strahlung ist eine Ausleseelektronik, die elektrisch bzw. magnetisch mit dem Thermometer verbunden ist und den durch das Thermometer fließenden Strom erfaßt vorgesehen. Zur Minimierung der aufzubringenden Kühlleistung sind die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung vorteilhafterweise getrennt voneinander an die Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt. Zur Verbesserung der Signalbeschleunigung kann die Kühleinrichtung oder die Heizeinrichtung oder beide gleichzeitig flächig mit der Sensoreinrichtung thermisch gekoppelt sein. Flächige thermische Kopplung heißt hierbei, daß die Kopplung über eine ausgedehnte Kontaktfläche und nicht nur quasi-punktförmig wie bei Bonddrähten erfolgt.When Detector device in a detector device according to the invention can For example, a microcalorimeter are used whose sensor a phase transition thermometer is. Generally included while a microcalorimeter consists of a sensor device a thermometer that has a superconducting material with a finite width transition temperature range from the normal conducting to the superconducting phase, wherein the transition temperature in the middle of the transition temperature range is and the electrical resistance of the superconducting material within the transition temperature range increases with increasing temperature. Furthermore, the microcalorimeter points an absorber thermally coupled to the thermometer and in which incident particles or radiation interact. A cooling device is to provide an operating temperature below the transition temperature provided by the thermometer, wherein by a heating device of Temperature operating point of the thermometer within the transition temperature range is adjustable. To register a resistance change due to of incident particles or radiation is readout electronics, which is electrically or magnetically connected to the thermometer and detected by the current flowing through the thermometer. To minimize the cooling power to be applied, the cooling device and the heater advantageously separated from each other the sensor device thermally coupled. To improve the Signal acceleration can be the cooling device or the heater or both at the same time with be thermally coupled to the sensor device. Flat thermal Coupling means here, that the Coupling over an extended contact area and not just quasi-point-shaped as with bonding wires he follows.

Die 9 zeigen nun eine schematische Darstellung einer realen Geometrie der Komponenten eines Mikrokalorimeters, das bei der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung als Detektoreinrichtung verwendet werden kann.The 9 now show a schematic representation of a real geometry of the components of a microcalorimeter, which can be used in the detector device according to the invention as a detector device.

Dabei zeigt 9a eine Draufsicht auf die Mikrokaloriemeteranordnung, 9b eine Schnittansicht entlang der in 9a dargestellten Linie b-b und 8c eine Schnittansicht entlang der in 9a dargestellten Linie c-c. Von oben nach unten betrachtet wird ein Thermometer (supraleitender Film) 201 über Kontaktierflächen aus Aluminium, sogenannte Aluminium-Bondpads 235, 236 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 245, 246 mittels einer Ausleseelektronik, beispielsweise einer herkömmlichen Vorverstärkerelektronik, jedoch vorzugsweise mittels eines SQUID-Systems ausgelesen. Als Heizelemente sind Goldheizer 222, 223 über einen elektrisch leitenden Absorber 202 verbunden. Sie werden über Aluminium-Bondpads 237, 238 elektrisch kontaktiert und über supraleitende Drähte 247, 248 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Die Goldheizer sind über ihre thermische Leitfähigkeit an das Thermometer 201 und den Absorber gekoppelt. Ein Substrat 230 bietet dabei eine Kopplung zur zweiten Kühleinrichtung 20.It shows 9a a top view of the Mikrokaloriemeteranordnung, 9b a sectional view along the in 9a shown line bb and 8c a sectional view along the in 9a represented line cc. From top to bottom is considered a thermometer (superconducting film) 201 via contact surfaces made of aluminum, so-called aluminum bonding pads 235 . 236 electrically contacted and via superconducting wires 245 . 246 by means of read-out electronics, for example a conventional preamplifier electronics, but preferably read by means of a SQUID system. As heating elements are gold heaters 222 . 223 via an electrically conductive absorber 202 connected. They are using aluminum bond pads 237 . 238 electrically contacted and via superconducting wires 247 . 248 connected to a voltage source (not shown). The gold heaters are about their thermal conductivity to the thermometer 201 and the absorber coupled. A substrate 230 offers a coupling to the second cooling device 20 ,

1010
erste Kühleinrichtungfirst cooling device
2020
zweite Kühleinrichtungsecond cooling device
3030
Detektoreinrichtungdetector device
4040
Vakuumtopfvacuum pot
5050
SchnittstelleneinrichtungInterface device
6060
Kältefingercold finger
7070
Eintrittsfensterentrance window
102102
erster Pulsrohrkühlerfirst Pulse tube cooler
104104
erstes Pulsrohrfirst pulse tube
106106
erster Regeneratorfirst regenerator
108108
erster Kaltkopffirst cold head
110110
erstes Kälteschildfirst cold shield
112112
zweiter Pulsrohrkühlersecond Pulse tube cooler
114114
zweites Pulsrohrsecond pulse tube
116116
zweiter Regeneratorsecond regenerator
118118
zweiter Kaltkopfsecond cold head
120120
zweiter Kälteschildsecond cold shield
8080
Druckoszillatorpressure oscillator
802802
Kompressorcompressor
804804
Drehventilrotary valve
130130
warmes Ende von 104, 114 warm end of 104 . 114
132132
BalastvolumenBalastvolumen
134134
Strömungswiderstand, NadelventilFlow resistance, needle valve
136136
zweiter Einlaß, Ventilsecond Inlet, Valve
138138
flexible Gasleitungflexible gas pipe
140140
zu kühlende Objekteto cooling objects
142142
VakuumisoliergefäßVakuumisoliergefäß
144144
Gaseinlassegas inlets
150150
Magnetmagnet
152152
Salzpillesalt pill
154154
KevlarfädenKevlar fibers
156156
Spannvorrichtungjig
158158
Wärmeschalterthermal switch
160160
Magnetschildmagnetic shield
201201
Thermometer (supraleitender Film)thermometer (superconducting film)
202202
Absorberabsorber
222,223222.223
Goldheizergold heater
230230
Substratsubstratum
235, 236235 236
Aluminiumbondpads am ThermometerAluminiumbondpads on the thermometer
237, 238237, 238
Aluminiumbondpads am GoldheizerAluminiumbondpads at the gold heater
245, 246245, 246
supraleitende Auslesedrähte am Thermometersuperconducting elite wires on the thermometer
247, 248247, 248
supraleitende Drähte an dem Goldheizersuperconducting wires at the gold heater
TO T o
obere Kühltemperaturupper cooling temperature
TM T M
mittlere Kühltemperaturmiddle cooling temperature
TU T U
untere Kühltemperaturlower cooling temperature

Claims (11)

Detektorvorrichtung, die aufweist: ein Kühlsystem mit: einer ersten Kühleinrichtung (10) mit einem zweistufigen Pulsröhrenkühlersystem (102, 112), das einen ersten Pulsröhrenkühler (102) zum Bereitstellen einer oberen Kühltemperatur (To) und zum Kühlen eines ersten Kälteschildes (110) und einen zweiten Pulsröhrenkühler (112) zum Bereitstellen einer mittleren Kühltemperatur (Tm) und zum Kühlen eines zweiten Kälteschildes (120) umfaßt, einer zweiten Kühleinrichtung (20) zum Bereitstellen einer unteren Kühltemperatur (Tu), welche tiefer als die mittlere Kühltemperatur (Tm) liegt, wobei die zweite Kühleinrichtung (20) von dem zweiten Pulsröhrenkühler (112) vorgekühlt wird; und einer Detektoreinrichtung (30) zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern mit einem auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor (201), wobei die Detektoreinrichtung (30) an die zweite Kühleinrichtung (20) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pulsröhrenkühler (102) von Umgebungstemperatur auf die obere Kühltemperatur (To) kühlt und dass der zweite Pulsröhrenkühler (112) von Umgebungstemperatur auf das mittlere Temperaturniveau (Tm) kühlt.A detector apparatus comprising: a cooling system comprising: a first cooling device ( 10 ) with a two-stage pulse tube refrigerator system ( 102 . 112 ), which has a first pulse tube cooler ( 102 ) for providing an upper cooling temperature (T o ) and for cooling a first cold shield ( 110 ) and a second pulse tube refrigerator ( 112 ) for providing a mean cooling temperature (T m ) and for cooling a second cold shield ( 120 ), a second cooling device ( 20 ) For providing a lower annealing temperature (T u) which is lower than the mean cooling temperature (T m), wherein the second cooling device ( 20 ) from the second pulse tube refrigerator ( 112 ) is pre-cooled; and a detector device ( 30 ) for detecting particles, radiation or fields with a sensor based on a low temperature effect ( 201 ), wherein the detector device ( 30 ) to the second cooling device ( 20 ) is thermally coupled, characterized in that the first pulse tube refrigerator ( 102 ) From ambient temperature to the upper cooling temperature (T o) is cooled and that the second pulse tube refrigerator ( 112 ) from ambient temperature to the mean temperature level (T m ). Detektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kühleinrichtung einen dritten oder weitere Pulsröhrenkühler aufweist.Detector device according to claim 1, characterized in that that the first cooling device having a third or more pulse tube cooler. Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pulsröhrenkühler (102, 112) aufweist: ein Pulsrohr (104, 114), an dessen einem Ende ein kalter Wärmetauscher (108, 118), an dem Wärme von außen aufgenommen wird, vorgesehen ist, und an dessen anderem Ende ein warmer Wärmetauscher (130), an dem Wärme nach außen abgegeben wird, vorgesehen ist; einen Regenerator (106, 116), der als Wärmezwischenspeicher dient; und einen Druckoszillator (80), der dazu dient, periodische Druckänderungen zu erzeugen, wobei das Pulsrohr (104, 114) an dem Ende, an dem der kalte Wärmetauscher (108, 118) vorgesehen ist, über jeweilige Leitungen über den Regenerator (106, 116) mit dem Druckoszillator (80) verbunden ist, so daß eine periodische Verschiebung eines Arbeitgases zwischen dem Pulsrohr (104, 114) und dem Druckoszillator (80) ermöglicht wird.Detector device according to one of the preceding claims, characterized in that each of the pulse tube coolers ( 102 . 112 ): a pulse tube ( 104 . 114 ), at one end of which a cold heat exchanger ( 108 . 118 ), on which heat is absorbed from the outside, is provided, and at the other end of a warm heat exchanger ( 130 ), at which heat is discharged to the outside, is provided; a regenerator ( 106 . 116 ), which serves as a heat buffer; and a pressure oscillator ( 80 ), which serves to generate periodic pressure changes, wherein the pulse tube ( 104 . 114 ) at the end at which the cold heat exchanger ( 108 . 118 ) is provided via respective lines via the regenerator ( 106 . 116 ) with the pressure oscillator ( 80 ), so that a periodic displacement of a working gas between the pulse tube ( 104 . 114 ) and the pressure oscillator ( 80 ). Detektorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsrohr (104, 114) an dem Ende, an dem der warme Wärmetauscher (130) vorgesehen ist, ferner einen Strömungswiderstand (134) und einen Behälter (70) zur Aufnahme eines Ballastvolumens aufweist.Detector device according to claim 3, characterized in that the pulse tube ( 104 . 114 ) at the end where the warm heat exchanger ( 130 ) is provided, further a flow resistance ( 134 ) and a container ( 70 ) for receiving a ballast volume. Detektorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Pulsröhrenkühler (102, 112) ferner eine Sekundärleitung (135) aufweist, die sich von dem Ende des jeweiligen Pulsrohrs (102, 112), an dem der warme Wärmetauscher (130) vorgesehen ist, zu der Leitung (138) zwischen dem Druckoszillator (80) und dem Regenerator (106, 116) hin erstreckt und in diese mündet, wobei die Sekundärleitung (135) einen variablen Strömungswiderstand (136) aufweist.Detector device according to claim 4, characterized in that each of the pulse tube coolers ( 102 . 112 ) a secondary line ( 135 ) extending from the end of the respective pulse tube ( 102 . 112 ), on which the warm heat exchanger ( 130 ), to the line ( 138 ) between the pressure oscillator ( 80 ) and the regenerator ( 106 . 116 ) and opens into it, the secondary line ( 135 ) a variable flow resistance ( 136 ) having. Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (20) an oder in der Nähe des kalten Wärmetauschers (108, 118) eines jeweiligen Pulsrohrs (104, 114) angeordnet ist.Detector device according to one of the preceding claims 3 to 5, characterized in that the second cooling device ( 20 ) at or near the cold heat exchanger ( 108 . 118 ) of a respective pulse tube ( 104 . 114 ) is arranged. Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (20) eine Entmagnetisierungsstufe (150) oder einen 3He/4He-Entmischungskühler oder einen 3He-Kühler oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium-Kompressorkühler oder eine elektrische Kühleinrichtung wie ein Peltierelement oder eine supraleitende Tunneldiode wie eine NIS-Diode aufweist.Detector device according to one of the preceding claims, characterized in that the second cooling device ( 20 ) a demagnetization stage ( 150 ) or a 3 He / 4 He demixing cooler or a 3 He cooler or a mechanical cooling device such as a helium compressor radiator or an electric cooling device such as a Peltier element or a superconducting tunnel diode such as an NIS diode. Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung (20) eine Entmagnetisierungsstufe (150) hat, welche aufweist: eine Salzpille (154), die von einem Magneten (152) umgeben ist; und einen Wärmeschalter (160) zum thermischen Koppeln oder Abkoppeln der Salzpille (154) zu/von dem Magneten (152) während des Betriebs der Entmagnetisierungsstufe (150).Detector device according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the second cooling device ( 20 ) a demagnetization stage ( 150 ), which comprises: a salt pill ( 154 ), by a magnet ( 152 ) is surrounded; and a heat switch ( 160 ) for thermally coupling or decoupling the salt pill ( 154 ) to / from the magnet ( 152 ) during operation of the demagnetization stage ( 150 ). Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das die zweite Kühleinrichtung (20) mehrere Entmagnetisierungsstufen (150) umfaßt.Detector device according to one of the preceding claims 7 to 8, characterized in that the second cooling device ( 20 ) several demagnetization stages ( 150 ). Detektorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem (10, 20) Teil eines Kryostaten (90) ist, in dem die Detektoreinrichtung (30) untergebracht ist, wobei der Kryostat (90) ferner Eintrittsfenster (70) zum Durchlassen der zu untersuchenden Teilchen und Strahlung vom Äußeren des Kryostaten (80) in das Innere des Kryostaten (90) zu der Detektoreinrichtung (30) aufweist.Detector device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling system ( 10 . 20 ) Part of a cryostat ( 90 ), in which the detector device ( 30 ), wherein the cryostat ( 90 ) further entrance window ( 70 ) for passing the particles to be examined and radiation from the exterior of the cryostat ( 80 ) into the interior of the cryostat ( 90 ) to the detector device ( 30 ) having. Detektorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat (90) eine Fokussierungseinrichtung wie eine Röntgenlinse oder eine Wolter-Anordnung oder eine Fresnellinse oder fokussierende Röhrenbündel oder elektrische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen oder magnetische Fokussierungseinrichtungen/Defokussierungseinrichtungen aufweist.Detector device according to claim 10, characterized in that the cryostat ( 90 ) has a focusing device such as an X-ray lens or a Wolter arrangement or a Fresnel lens or focusing tube bundles or electrical focusing / defocusing or magnetic focusing / defocusing.
DE200410054750 2004-11-12 2004-11-12 Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot Ceased DE102004054750A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410054750 DE102004054750A1 (en) 2004-11-12 2004-11-12 Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410054750 DE102004054750A1 (en) 2004-11-12 2004-11-12 Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004054750A1 true DE102004054750A1 (en) 2006-05-24

Family

ID=36313583

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410054750 Ceased DE102004054750A1 (en) 2004-11-12 2004-11-12 Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004054750A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006030288B3 (en) * 2006-06-30 2007-12-27 Vericold Technologies Gmbh Cryo-detector device with temperature stabilization device
DE202007016275U1 (en) * 2007-11-20 2009-05-20 Consarctic Entwicklungs Und Handels Gmbh heat exchangers
CN115200247A (en) * 2022-07-11 2022-10-18 中国科学院上海技术物理研究所 Low-temperature structure of throttling refrigeration coupling adiabatic demagnetization refrigerator and implementation method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1014056A2 (en) * 1998-12-23 2000-06-28 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Sensing device
EP1072851A1 (en) * 1999-07-29 2001-01-31 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Refrigeration device
DE19954077C1 (en) * 1999-11-10 2001-03-22 Csp Cryogenic Spectrometers Gm Low temperature cooling device for superconductivity or semiconductor elements or sensors, has two pulse tube coolers providing different temperatures and regenerator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1014056A2 (en) * 1998-12-23 2000-06-28 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Sensing device
EP1072851A1 (en) * 1999-07-29 2001-01-31 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Refrigeration device
DE19954077C1 (en) * 1999-11-10 2001-03-22 Csp Cryogenic Spectrometers Gm Low temperature cooling device for superconductivity or semiconductor elements or sensors, has two pulse tube coolers providing different temperatures and regenerator

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006030288B3 (en) * 2006-06-30 2007-12-27 Vericold Technologies Gmbh Cryo-detector device with temperature stabilization device
WO2008000817A1 (en) * 2006-06-30 2008-01-03 Vericold Technologies Gmbh Cryogenic detector device comprising temperature stabilization device
DE202007016275U1 (en) * 2007-11-20 2009-05-20 Consarctic Entwicklungs Und Handels Gmbh heat exchangers
CN115200247A (en) * 2022-07-11 2022-10-18 中国科学院上海技术物理研究所 Low-temperature structure of throttling refrigeration coupling adiabatic demagnetization refrigerator and implementation method
CN115200247B (en) * 2022-07-11 2024-05-07 中国科学院上海技术物理研究所 Low-temperature structure of throttling refrigeration coupling heat insulation demagnetizing refrigerator and implementation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1014056A2 (en) Sensing device
DE10221639B4 (en) Establishment of superconductivity technology with a superconducting magnet and a cooling unit
DE102005028414B4 (en) Device for generating a pulsed magnetic field
DE4013111C2 (en) RF receiver coil arrangement for NMR spectrometers
DE69838866T2 (en) Improvements in or related to cryostat systems
EP1894217B1 (en) Electrical system comprising a cooling element, and method for the operation of said system
DE19648253C2 (en) Pulse tube cooler and use of the same
DE102008062612B4 (en) X-ray analyzer
EP1617157A2 (en) Cryostatic device with cryocooler and gas slit heat exchanger
EP2068103A2 (en) Measuring module for quick measuring of electrical, electronic and mechanical components at cryogenic temperatures and measuring device with such a measuring module
DE19704485C2 (en) Power supply device for a cooled electrical device
DE102009046321A1 (en) Cooling device for the cryogenic cooling of an NMR detection system with the aid of a container filled with cryogenic fluid
DE102016115826A1 (en) X-ray analysis device
DE19954077C1 (en) Low temperature cooling device for superconductivity or semiconductor elements or sensors, has two pulse tube coolers providing different temperatures and regenerator
DE102004054750A1 (en) Detector device for very low temperatures has a sensor cooled by a pulsed multi-tubular cooler and cooling devices in a vacuum pot
EP3244137A1 (en) Magnet system free of cryogenic material with magnetocaloric heat sink
EP3467852A1 (en) Magnet assembly with cryostat and magnet coil system, with cold storage at the power connections
EP1063482A1 (en) Refrigeration device
WO2001001048A1 (en) Cooling device
EP1618360B1 (en) Cryogenic detector device
DE102004023073B3 (en) Magnetic system with shielded regenerator housing and method for operating such a magnet system
EP1072851A1 (en) Refrigeration device
DE19909048A1 (en) Particle or radiation detector, useful for x-ray fluorescence analysis, has a low temperature effect sensor separated from a cooled substrate by a weak thermal coupling insulation layer
WO1999054696A1 (en) Microcalorimeter
Bäuerle et al. The new grenoble 100 μK refrigerator

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection