DE102019203341A1

DE102019203341A1 - Kryostat

Info

Publication number: DE102019203341A1
Application number: DE102019203341.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Höhne
Original assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Current assignee: Pressure Wave Systems GmbH
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17
Also published as: CN113631878B; EP3938721A1; CN113631878A; JP7434349B2; US20210402407A1; JP2022524818A; WO2020182671A1

Abstract

Es wird ein Kryostat für Experimente bei Temperaturen im Bereich von kleiner 2 K angegeben, der eine verbesserte Zugänglichkeit der Experimentierplätze (4-i) ermöglicht und gleichzeitig ein geringeres Bauvolumen aufweist. Dadurch, dass die Experimentierplätze (4-i) nicht untereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind, sind diese nach Abnahme der jeweiligen Wärmeschilde (32-i) von oben und von der Seite zugänglich während sie beim Stand der Technik nur von der Seite zugänglich sind. Dies vereinfacht verschiedene Experimente und im Allgemeinen die Handhabung des Kryostaten im Einsatz. Durch die Nebeinanderanordung der Experimentierplätze verringert sich auch die Bauhöhe des Kryostaten erheblich und es ist möglich den Kryostaten in Laborräumen mit Standardhöhe zu betreiben, was bei Kryostaten mit vertikal hängender Anordnung nicht möglich ist. Zwar kann die Nebeinanderanordung der Experimentierplätze zu großflächigeren Wärmeschildern führen, jedoch wird dieser Nachteil (zum Betrieb erhöhte Kühlleistung der verschiedenen Kühler notwendig) durch die Möglichkeit des Einsatzes in Laborräumen mit Standardhöhe in Kauf genommen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Kryostaten nach Anspruch 1 für Experimente bei Temperaturen im Bereich von kleiner 2 K.
Kryostaten und insbesondere Entmischungskryostaten für Temperaturen im Bereich von kleiner 2 K werden zurzeit im Wesentlichen für die Entwicklung von Quantencomputern und Quantenkommunikationsgeräten benötigt und gebaut. Dabei ist die Anordnung der einzelnen Temperaturniveaus bzw. Kälteplatten und damit auch die Anordnung Experimentierplätze durch die vertikale Anordnung herkömmlicher Kryostate gegeben.
7a und 7b zeigen schematisch einen Entmischungskryostaten nach dem Stand der Technik mit hängendem, vertikalem Aufbau. Der Entmischungskryostat nach 7 umfasst sechs Kühlstufen 2-1 bis 2-6 mit vier Experimentierplätzen 4-1 bis 4-4. Der Bereich der Raumtemperatur ist nicht als Experimentierplatz ausgestattet. Die Temperaturniveaus der sechs Kühlstufen 2-i werden durch drei nicht näher spezifizierte Kühleinrichtungen bereitgestellt.
Eine nicht näher dargestellte erste Kühleinrichtung, z. B. eine erste Stufe eines GM-Kühlers, umfasst eine erste Kälteplatte 8-1 mit dem unter der ersten Kälteplatte 8-1 angeordneten erstem Experimentierplatz 4-1. Die erste Kühlstufe 2-1 stellt ein Temperaturniveau von ca. 50 K für den ersten Experimentierplatz 4-1 bereit.
Eine nicht näher dargestellte zweite Kühleinrichtung, z. B. eine zweite Stufe des GM-Kühlers, umfasst eine unter dem ersten Experimentierplatz 4-1 angeordnet zweite Kälteplatte 8-2. Die zweite Kälteplatte 8-2 bzw. die zweiten Kühlstufe 2-2 befindet sich auf einen Temperaturniveau von ca. 4 K. Unter der zweiten Kälteplatte 8-2 ist der zweiter Experimentierplatz 4-2 auf dem Temperaturniveau der zweiten Kühlstufe 2-2 angeordnet. Unter dem zweiten Experimentierplatz 4-2 ist eine dritte Kälteplatte 8-3 einer dritten Kühlstufe 2-3 mit einem Temperaturniveau von ca. 1 K angeordnet, die von einer nicht näher dargestellten dritten Kühleinrichtung, z. B. einer Joule-Thomson-Stufe, gekühlt wird. Eine nicht näher dargestellte vierte Kühleinrichtung, z. B. ein ³He/⁴He-Entmischungskühler, stellt die Temperaturniveaus der vierten, fünften und sechsten Kühlstufe 2-4, 2-5 und 2-6 bereit. Zwischen der vierten Kälteplatte 8-4 und der fünften Kälteplatte 8-5 ist der dritte Experimentierplatz 4-3 auf der vierten Kühlstufe 2-4 vorgesehen. Unter dem dritten Experimentierplatz 4-3 und unter der fünften Kälteplatte 8-5 ist eine sechste Kälteplatte 8-6, der tiefsten Kühlstufe 2-6 vorgesehen. Das Temperaturniveau der vierten Kälteplatte 8-4 liegt im Bereich zwischen 500 und 700 mK, das Temperaturniveau der fünften Kälteplatte 8-5 liegt zwischen 100 und 200 mK und das tiefste Temperaturniveau der sechsten Kälteplatte 8-6 und dem darunter angeordneten vierten Experimentierplatz 4-4 liegt im Bereich <100 mK.
Die gesamte Anordnung ist in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet. In dem Vakuumbehälter 10 werden alle sechs Kühlstufen 2-1 bis 2-6 von einem ersten Wärmeschild 12-1 umhüllt. Innerhalb des ersten Wärmeschilds 12-1 werden die zweite bis sechste Kühlstufe 6-2 bis 6-6 von einem zweiten Wärmeschild 12-2 umhüllt. Innerhalb des zweiten Wärmeschilds 12-2 werden die vierte bis sechste Kühlstufe 2-4 bis 2-6 von einem dritten Wärmeschild 12-3 umhüllt. Die tiefste sechste Kühlstufe 2-6 wird von einem vierten Wärmeschild 12-4 abgeschirmt.
Diese herkömmliche Anordnung hat den Vorteil, dass die einzelnen Temperaturniveaus wie Zwiebelschalen ineinander liegen und einfach herzustellen sind - siehe 7b. Allerdings werden diese bekannten Kryostaten durch die steigenden Anforderungen in Bezug auf Experimentierplatz auf den einzelnen Stufen relativ groß und vor allem hoch bzw. lang. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeschilde immer länger werden und man muss diese entweder teilen und man muss unterhalb des Apparates sehr viel Platz vorsehen, um diese Wärmeschilde abnehmen zu können, um an die Experimentierplätze zu kommen. Weiterhin müssen alle Aufbauten auf den einzelnen Stufen hängend vorgenommen werden, da innerhalb der Wärmeschilder unter der Kälteplatte des entsprechenden Temperaturniveaus Experimentierplätze vorgesehen sind.
Aus dem Artikel von Kurt Uhlig „Concepts for a low-vibration and cryogen-free tabletop dilution refrigerator" in Cryogencis 87 (2017) 29-34 ist ein sogenannter Tabletop-Entmischungskryostat beschrieben, der durch die Anordnung von Still und Mischkammer ein geringeres Bauvolumen ermöglicht, jedoch den gleichen Nachteil wie der Stand der Technik nach 7 aufweist, nämlich dass die einzelnen Kälteplatten bzw. Experimentierplätze nur seitlich zugänglich sind.
Aus der DE 102014015665B4 ist ein optischer Tisch bekannt, der eine einzelne in die Tischplatte integrierte Kälteplatte aufweist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kryostaten anzubieten, der eine verbesserte Zugänglichkeit der Experimentierplätze ermöglich und gleichzeitig ein geringeres Bauvolumen benötigt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Dadurch, dass die Experimentierplätze nicht untereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind, sind diese nach Abnahme der jeweiligen Wärmeschilde von oben und von der Seite zugänglich, während sie beim Stand der Technik nur von der Seite zugänglich sind. Dies vereinfacht verschiedene Experimente und im Allgemeinen die Handhabung des Kryostaten im Einsatz. Durch die Nebeinanderanordung der Experimentierplätze verringert sich auch die Bauhöhe des Kryostaten erheblich und es ist möglich den Kryostaten in Laborräumen mit Standardhöhe zu betreiben, was bei Kryostaten mit vertikal hängender Anordnung nicht möglich ist. Zwar kann die Nebeinanderanordung der Experimentierplätze zu großflächigeren Wärmeschildern führen, jedoch wird dieser Nachteil (zum Betrieb erhöhte Kühlleistung der verschiedenen Kühler notwendig) durch die Möglichkeit des Einsatzes in Laborräumen mit Standardhöhe in Kauf genommen.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 oder 3 werden durch einen Mischungskühler mehrere Kühlstufen bedient.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 4 bis 6 betreffen geeignete Kühleinrichtungen für den Kryostaten.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 stellt eine einfache Nebeneinanderordnung der Experimentierplätze dar wobei diese sich noch auf unterschiedlichem Temperaturniveau befinden.
Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 werden nebeneinander angeordnete Experimentierplätze bereitgestellt, die sich in etwa auf demselben Höhenniveau befinden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
Figurenliste

1a und 1b zeigen schematisch den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung;
2a und 2b zeigen die geometrische Struktur einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt die geometrische Struktur einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 zeigt die Anordnung der Wärmeschilder bei den Ausführungsformen nach 2 und 3;
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit den nebeneinander angeordneten Experimentierplätzen in einer Ebene;
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung bei der ein GM-Kühler den Vakuumbehälter von unten durchsetzt, und
7a und 7b zeigen einen Kryostaten nach dem Stand der Technik.

Die 1a und 1b zeigen schematisch das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, die Nebeneinanderanordnung von fünf Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 auf den Kälteplatten 8-1 bis 8-5 in einer Ebene. Die fünf Experimentierplatze 4-1 bis 4-5, die sich auf dem Kühlstufen 2-1 bis 2-5 mit dem zugehörigen Temperaturen, Raumtemperatur 50 K, 4 K, 700 mK und 100 mK befinden.
1a zeigt die nebeneinander angeordneten Experimentierplätze von der Seite und damit quasi das Volumen der Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 über der jeweiligen Kälteplatte 8-1 bis 8-5 und 1b zeigt eine Aufsicht auf die Darstellung nach 1.
2a und 2b zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der erfindungsgemäße Kryostat eine rechteckige Querschnittsform aufweist und die einzelnen nebeneinander in einer Ebene angeordneten Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 L-förmig ineinander geschachtelt sind; mit dem fünften Experimentierplatz 4-5 als Kubus.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Grundstruktur kreisförmig bzw. zylindrisch ist und die einzelnen Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 einander umgeben.
4 stellt eine mögliche Anordnung vier Wärmeschilden 32-1 bis 32-4 zu den einzelnen Ausführungsformen nach 2 und 3 dar.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Die einzelnen Komponenten des Kryostats sind in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet. Der Vakuumbehälter 10 umfasst eine Grundplatte 20 auf der eine seitliche Umrandung 22 angeordnet ist, wodurch sich eine Wanne 24 ergibt. Auf der linken Seite der Wanne 24 erstreckt sich ein Pulsrohrkühler 26 in die Wanne 24 hinein. Die rechte Seite der seitlichen Umrandung 22 stützt eine erste Teilkälteplatte 30-1 auf Raumtemperatur. Auf der ersten Teilkälteplatte 30-1 ist ein erster Experimentierplatz 4-1 angeordnet. Der erste Experimentierplatz 4-1 wird durch einen ersten Wärmeschild 32-1 umhüllt und befindet sich auf Raumtemperatur. Der gesamte Vakuumbehälter 10 stellt den ersten Wärmeschild 32-1 dar.
Durch Stützelemente 28 beabstandet von der Grundplatte 20 ist eine zweite Kälteplatte 8-2 vorgesehen, die im thermischen Kontakt zu dem Pulsrohrkühler 26 steht und ebenfalls eine seitliche Umrandung 22 aufweist. Im rechten Randbereich der zweiten Kälteplatte 8-2 stützt ein Stützelement 28 eine nach oben versetzte zweite Teilkälteplatte 30-2 die sich in der Ebene der ersten Teilkälteplatte 30-1 befindet. Die zweite Kälteplatte 8-2 und die zweite Teilkälteplatte 30-2 befinden sich auf einem zweiten Temperaturniveau von ca. 50 K. Auf bzw. über der zweiten Teilkälteplatte 30-2 befindet sich ein zweiter Experimentierplatz 4-2. Ausgehend von der zweiten Kälteplatte 8-2 umschließt ein zweiter Wärmeschild 32-2 den zweiten Experimentierplatz 4-2.
Wiederum durch Stützelemente 28 beabstandet ist auf der zweiten Kälteplatte 8-2 eine dritte Kälteplatte 8-3 angeordnet, die wiederum thermisch mit dem Pulsrohrkühler 26 gekoppelt ist und ein Temperaturniveau von ca. 4 K bereitstellt. Ein Stützelement 28 an der rechten Seite der dritten Kälteplatte 8-3 trägt eine dritte nach oben versetzte Teilkälteplatte 30-3. Die dritte Teilkälteplatte 30-3 befindet sich in der Ebene der zweiten und ersten Teilkälteplatten 30-1 und 30-2. Auf bzw. über der dritten Teilkälteplatte 30-3 ist ein dritter Experimentierplatz 4-3 mit einem Temperaturniveau von ca. 4 K angeordnet. Ausgehend von der dritten Kälteplatte 8-3 umschließt ein dritter Wärmeschild 32-3 den dritten Experimentierplatz 4-3.
Wiederum beabstandet durch Stützelemente 28 ist über der dritten Kälteplatte 8-3 ist eine vierte Kälteplatte 8-4 angeordnet, auf der die Komponenten eines ³He/⁴He-Entmischungskühlers 34 angeordnet sind. Auf der rechten Seite der der vierten Kälteplatte 8-4 stützt ein Stützelement 28 eine nach oben versetzte vierte Teilkälteplatte 30-4 auf dem Höhenniveau der anderen Teilkälteplatten 30-1 bis 30-3.
Durch weitere Stützelemente bzw. Stützwände 28 ist über der vierten Kälteplatte 8-4 eine fünfte Kälteplatte 8-5 auf dem Höhenniveau der Teilkälteplatten 30-i auf dem tiefsten Temperaturniveau von ca. 30 mK angeordnet. Über bzw. auf der fünften Kälteplatte 8-5 ist ein fünfter Experimentierplatz 4-5 angeordnet. Ausgehend von der fünften Kälteplatte 8-5 umschließt ein fünfter Wärmeschild 32-5 den fünften Experimentierplatz 8-5.
Der ³He/⁴He-Entmischungskühler 34 zwischen der vierten und fünften Kälteplatte 8-4, 8-5 umfasst eine Still 36 mit konzentrischem Wärmetauscher 38, eine Mischkammer 40 und Anschlüsse 42. Die Still ist thermisch mit der vierten Kälteplatte 8-4 und der vierten Teilkälteplatte 30-4 gekoppelt. Die Mischkammer 40 ist thermisch mit der fünften Kälteplatte 8-5 gekoppelt.
The thermische Kopplung der einzelnen Kälteplatten 8-i mit den Teilkälteplatten 30-i und dem Pulsrohrkühler 26 bzw. dem ³He/⁴He-Entmischungskühler 34 erfolgt über Wärmeleiter 44. Der Pulsrohrkühler 26 ist über eine Vibrationsentkopplung 46 in dem Vakuumbehälter 10 montiert.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nach 5 dadurch unterscheidet, dass anstelle eines Pulsrohrkühlers, der den Vakuumbehälter 10 seitlich von durchsetzt, ein GM-Kühler 48 von unten in etwa mittig zur fünften Kälteplatte 8-5 den Vakuumbehälter 10 durchsetzt. Der GM-Kühler 48 durchsetzt auch eine Öffnung in der zweiten Kälteplatte 8-2, so dass die thermische Kopplung mit der dritten Wärmeplatte erfolgen kann. Durch den Einbau des GM-Kühlers 48 von unten ergibt sich eine etwas schmalere, dafür aber etwas höhere Bauform.
Wie aus den Schnittdarstellungen in 5 und 6 zu ersehen ist, ermöglicht die Nebeneinanderanordnung der Experimentierplätze 4-i eine wesentlich niedrige Bauform. Durch die geringe Bauhöhe des Kryostaten ist es möglich den Kryostaten in Laborräumen mit Standardhöhe zu betreiben, was bei Kryostaten mit vertikal hängender Anordnung nicht möglich ist. Zwar kann die Nebeinanderanordung der Experimentierplätze zu großflächigeren Wärmeschildern führen, jedoch wird dieser Nachteil (zum Betrieb erhöhte Kühlleistung der verschiedenen Kühler notwendig) durch die Möglichkeit des Einsatzes in Laborräumen mit Standardhöhe in Kauf genommen.
Bezugszeichenliste

2-i: Kühlstufen
4-i: Experimentierplätze
8-i: Kälteplatten
10: Vakuumbehälter
12-i: Wärmeschilder
20: Grundplatte
22: seitliche Umrandung von 20, 8-2
24: Wanne
26: Pulsrohrkühler
28: Stützelmente
30-i: Teilkälteplatte
32-i: Wärmeschild
34: ³He/⁴He-Entmischungskühlers
36: Still
38: konzentrischer Wärmetauscher
40: Mischkammer
42: Anschlüsse von 34
44: Wärmeleiter
46: Vibrationsentkopplung
48: GM-Kühler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014015665 B4 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel von Kurt Uhlig „Concepts for a low-vibration and cryogen-free tabletop dilution refrigerator“ in Cryogencis 87 (2017) 29-34 [0008]

Claims

Kryostat, mit einer Mehrzahl von Kühlstufen (2-i) mit unterschiedlichen Temperaturniveaus, der Kühleinrichtungen (26, 34) zugeordnet sind, einer Mehrzahl von Experimentierplätzen (4-i) auf den Temperaturniveaus der Kühlstufen (2-i), einer Mehrzahl von Wärmeschilden (32-i) für die Kühlstufen (2-i), die Experimentierplätze (4-i) umschließen, und einem Vakuumbehälter (10) in dem die Mehrzahl von Kühlstufen (2-i) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Experimentierplätze (4-i) von oben betrachtet nebeneinander angeordnet sind.
Kryostat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung (26, 34) mehreren Kühlstufen (2-i) zugeordnet ist.
Kryostat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung für die Kühlstufen (2-4, 2-5) mit den beiden tiefsten Temperaturniveaus ein ³He/⁴He-Entmischungskühler (34) ist, der eine Still (36) und eine Mischkammer (40) umfasst.
Kryostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung für die Kühlstufe (2-4, 2-5) mit dem tiefsten Temperaturniveau ein Joule-Thomson-Kühler, ein 1-K-Topf und/oder eine ³He-Stufe ist.
Kryostat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung für die Kühlstufe (2-4, 2-5) mit dem tiefsten Temperaturniveau ein ADR-Kühler ist.
Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtungen für die Kühlstufen (2-1, 2-2, 2-3) mit höheren Temperaturniveaus Pulsrohrkühler, GM-Kühler, Stirling-Kühler und/oder Joule-Thomson-Kühler sind.
Kryostat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Kühlstufen (2-i) eine Kälteplatte (8-i) auf dem Temperaturniveau der jeweiligen Kühlstufe (2-i) umfassen, dass die einzelnen Kälteplatten (8-i) untereinander und seitlich überstehend ausgebildet sind, so dass der seitlich überstehende Teil der Kälteplatten (8-i) von oben zugänglich ist, und dass über den seitlich überstehenden Teilen der Kälteplatten (8-i) Experimentierplätze (4-i) ausgebildet sind.
Kryostat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den seitlich überstehenden Teilen der Kälteplatten nach oben versetzte Teilkälteplatten (30-i) vorgesehen sind, die mechanisch auf den überstehenden Teilen der Kälteplatten abgestützt sind, dass die horizontal versetzten Teilkälteplatten (30-i) durch thermische Kopplungen (44) mit den überstehenden Teilen der Kälteplatten auf der jeweiligen Temperaturstufe verbunden sind, und dass die Experimentierplätze (4-i) über der Kälteplatte (8-5) auf der tiefsten Temperaturstufe und den Teilkälteplatten (30-i) ausgebildet sind.