DE19954077C1

DE19954077C1 - Tieftemperaturkühlvorrichtung

Info

Publication number: DE19954077C1
Application number: DE1999154077
Authority: DE
Inventors: Jens Hoehne
Original assignee: CSP Cryogenic Spectrometers GmbH
Current assignee: Edax Inc
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2019-11-11
Also published as: WO2001035034A1; AU2355601A

Abstract

Offenbart ist eine Tieftemperaturkühlvorrichtung, die aufweist: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr 20, das einen ersten Kaltkopf 24 zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur T¶E¶ hat, und mit einem ersten Regenerator 40, der einen ersten kalten Endabschnitt 46, welcher mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, hat; und eine zweite Kühleinrichtung 30 mit einem zweiten Kühlbereich 34 zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur T¶Z1¶, die höher als die erste Temperatur T¶E¶ liegt. Am ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs kann ein zu kühlendes Objekt 82 thermisch gekoppelt sein. Erfindungsgemäß ist der zweite Kühlbereich über einen ersten Wärmeschalter 100 mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar. Durch Vorsehen dieses Wärmeschalters, der bei Errreichen der Temperatur T1 geöffnet werden kann, wird die Kühlzeit zum Abkühlen des zu kühlenden Objekts minimiert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkühlvorrich tung gemäß Anspruch 1 und 2.

Derartige Kühlvorrichtung haben aufgrund ihrer Verwen dung eines oder mehrerer Pulsröhrenkühler einen breiten Einsatzbereich und werden vorzugsweise als mobile Kühlvor richtungen verwendet, die ein Kühlen auf tiefe bzw. sehr tiefe Temperaturen an beliebigen Orten gestatten. Eine er findungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich somit beispiels weise zur Kühlung von Bauelementen aus Hochtemperatursupra leitern, wie SQUIDs, zur Kühlung von Halbleiterbauelemen ten, wie Infrarotdetektoren oder Hochgeschwindigkeits schaltkreise für eine sehr schnelle Datenverarbeitung, oder auch zur Kühlung von Sensoren, die auf einem Tieftemperatu reffekt basieren.

Stand der Technik

Im Stand der Technik, wie beispielsweise aus dem Arti kel von C. Wang et al.: "Cryogen Free Operation of a Niobi um-Tin Magnet using a Two-stage Pulse tube cooler", in den Proceedings zur Konferenz "Applied Superconductivity", 1998 in Palm Desert ist eine in einem Kryostaten untergebrachte Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Magnetsystems bekannt, die ein zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem ver wendet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ein erstes Pulsrohr 20 hat dabei an seinem unteren Ende einen ersten Kaltkopf 24, der zum einen mit einem ersten Regenerator und zum an deren mit dem zu kühlenden Magnetsystem 82 verbunden ist.

Ein zweites Pulsrohr 30 hat einen zweiten Kaltkopf 34, der mit einem Strahlungsschild 81 verbunden ist, welcher den unteren Abschnitt des ersten Pulsrohrs 20 bzw. den ersten Kaltkopf 24 und das Magnetsystem 82 umgibt, jedoch von dem ersten Pulsrohr 20 thermisch isoliert ist.

Wird das Pulsröhrenkühlersystem in Betrieb genommen, so wird Wärme bzw. Wärmeenergie an dem ersten 24 und zweiten 34 Kaltkopf aufgenommen und abgeführt. Dieser Kühlvorgang, der ungefähr bei Raumtemperatur, d. h. ungefähr 300 K, be ginnt, ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Wird das zweite Pulsrohr 30 zum Zeitpunkt t0 in Betrieb genommen, so er reicht es, da seine Kühlleistung für höhere Temperaturen optimiert ist, nach relativ kurzer Zeit t1 am zweiten Kalt kopf 34 seine Solltemperatur von ungefähr 60 K, wie es an hand von Linie 230 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu erreicht das erste Pulsrohr 20, da seine Kühlleistung für tiefere Temperaturen optimiert ist, erst zu einem um Δt späteren Zeitpunkt t2 am ersten Kaltkopf 24 eine Temperatur von un gefähr 60 K, wie es in anhand von Linie 220 gezeigt ist, um dann nach weiterem Abkühlen zum Zeitpunkt t3 eine Tempera tur von ungefähr 4 K aufzuweisen. Somit stellt sich bei dem herkömmlichen Kühlsystem als nachteilig heraus, daß der Kühlvorgang am ersten Pulsrohr, insbesondere in einer an fänglichen Kühlphase, bei der noch relativ hohe Temperatu ren vorhanden sind, sehr lange dauert.

Darstellung der Erfindung

Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei ne Kühlvorrichtung mit einem Pulsröhrenkühler zu schaffen, bei der die Zeit des Kühlvorgangs bzw. des "Kaltfahrens" der Kühlvorrichtung minimiert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Tieftemperaturkühlvor richtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung ge mäß einem ersten Aspekt umfaßt dabei: eine erste Kühlein richtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr, das einen ersten Kaltkopf zum Bereitstel len eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur T_E aufweist, und mit einem ersten Regenerator, der einen ersten kalten Endabschnitt, welcher mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; und eine zweite Kühleinrichtung mit einem zweiten Kühlbereich zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur T_Z1, die höher als die erste Temperatur T_E liegt. Erfindungsgemäß ist der zweite Kühlbereich über einen ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator thermisch koppelbar.

Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung ge mäß einem zweiten Aspekt umfaßt: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr, das einen ersten Kaltkopf zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur T_E auf weist, und mit einem ersten Regenerator, der einen ersten kalten Endabschnitt, welcher mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; eine zweite Küh leinrichtung mit einem zweiten Kühlbereich zum Bereitstel len einer zweiten Temperatur T_Z1, die höher als die erste Temperatur T_E liegt; und ein zu kühlendes Objekt, das an den ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs thermisch gekop pelt ist. Erfindungsgemäß ist der zweite Kühlbereich über einen ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, insbesondere zu Beginn eines "Kaltfahrens" bzw. eines Kühl vorgangs der Tieftemperaturkühlvorrichtung, d. h. wenn die Temperatur der Kühleinrichtungen bzw. des zu kühlenden Ob jekts noch auf einer relativ hohen Temperatur, wie bei spielsweise der Raumtemperatur liegen, den zweiten Kühlbe reich der zweiten Kühleinrichtung über einen ersten Wärme schalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Rege nerator und/oder (im Falle des zweiten Aspekts) dem zu küh lenden Objekt thermisch zu koppeln. Dies hat den Vorteil, daß zu Beginn des Kühlvorgangs die für höhere Temperaturen bessere bzw. optimierte Kühlleistung der zweiten Kühlein richtung (zusätzlich) genutzt werden kann, um auch den er sten Pulsröhrenkühler, dessen Kühlleistung mehr für tiefe bzw. tiefere Temperaturen optimiert ist, in relativ kurzer Zeit auf die Temperatur T_Z1, die der zweite Kühlbereich be reitstellt, abzukühlen. Befinden sich nach einer gewissen Zeit der zweite Kühlbereich und die entsprechenden mit die sem thermisch gekoppelten Komponenten des ersten Pulsröh renkühlers bzw. des zu kühlenden Objekts auf der Solltempe ratur T_Z1 des zweiten Kühlbereichs, so wird der erste Wär meschalter geöffnet bzw. in einen nicht wärmeleitenden Zu stand gebracht, und das erste Pulsrohr kühlt am ersten Kaltkopf auf seine erste Temperatur bzw. Solltemperatur T_E weiter runter. Somit wird also der Kühlvorgang der Tieftem peraturkühlvorrichtung bzw. des zu kühlenden Objekts be schleunigt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Kühlbereich über den ersten Wärmeschalter mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und/oder dem ersten kalten Endabschnitt des ersten Regenerators thermisch koppelbar. Die Kopplung mit dem ersten Kaltkopf bzw. dem ersten kalten Endabschnitt muß nicht direkt an diesen, sondern kann auch in deren Nähe erfolgen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Tieftemperaturkühlvorrichtung ferner eine dritte Küh leinrichtung mit einem dritten Kühlbereich zum Bereitstel len einer dritten Temperatur T_Z2, die höher als die zweite Temperatur T_Z1 liegt, aufweisen, wobei der dritte Kühlbe reich über einen zweiten Wärmeschalter mit der zweiten Küh leinrichtung, vorzugsweise an deren zweitem Kühlbereich, thermisch koppelbar ist. Diese Maßnahme erlaubt eine direk te thermische Verbindung von der dritten zur zweiten Küh leinrichtung bzw. von dort zu dem ersten Pulsröhrenkühler. Dabei ist es denkbar, daß der dritte Kühlbereich außerdem über einen dritten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ist.

Neben der gerade dargestellen Ausgestaltung kann die Tieftemperaturkühlvorrichtung auch eine dritte Kühleinrich tung mit einem dritten Kühlbereich zum Bereitstellen einer dritten Temperatur T_Z2, die höher als die zweite Temperatur T_Z1 liegt aufweisen, wobei hier der dritte Kühlbereich über einen dritten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühldenden Objekt thermisch koppelbar ist. Diese Maßnahme erlaubt eine direkte thermische Verbindung von der dritten zur ersten Kühleinrichtung bzw. dem ersten Pulsröhrenkühler.

Für den Fall der Verwendung des dritten Wärmeschalters ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der dritte Kühlbereich über den dritten Wärmeschalter mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und/oder dem ersten kalten Endabschnitt des ersten Regenerators thermisch koppelbar. Die Kopplung mit dem ersten Kaltkopf bzw. dem ersten kalten Endabschnitt muß auch hier nicht direkt an diesen, sondern kann auch in deren Nähe erfolgen.

Zusammengefaßt ausgedrückt, erlaubt die Verwendung ei ner dritten Kühleinrichtung eine weitere Staffelung der Kühleinrichtungen gemäß ihrer für bestimmte Temperaturen bzw. Temperaturbereiche optimierten Kühlleistungen. Das be deutet, daß beim Kaltfahren der Tieftemperaturkühlvorrich tung ausgehend von einer Temperatur, wie beispielsweise der Raumtemperatur, in einer ersten Kühlphase vorteilhafterwei se die dritte Kühlvorrichtung mit der ersten und zweiten Kühlvorrichtung thermisch gekoppelt werden kann, um die für höhere Temperaturen bessere bzw. optimierte Kühlleistung der dritten Kühleinrichtung zum schnellen Runterkühlen der drei Kühleinrichtungen bzw. der mit diesen verbunden Kompo nenten zu nutzen. Ist die Solltemperatur T_Z2 der dritten Kühleinrichtung erreicht, so wird der zweite bzw. dritte Wärmeschalter geöffnet, um ein weiteres Abkühlen der zwei ten und ersten Kühleinrichtung zu ermöglichen. Erfindungs gemäß ist hier bei der zweiten Kühlphase die zweite Küh leinrichtung, insbesondere der zweite Kühlbereich, über den ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsröhrenkühler bzw. dem zu kühlenden Objekt thermisch verbunden, um die bei "mittleren" Temperaturen, d. h. Temperaturen unterhalb von T_Z2 bis T_Z1, bessere bzw. optimierte Kühlleistung der zwei ten Kühleinrichtung zu nutzen. Somit wird in der zweiten Kühlphase die bessere Kühlleistung der zweite Kühleinrich tung zum schnellen Runterkühlen der zweiten und ersten Küh leinrichtungen bzw. der mit diesen verbunden Komponenten genutzt. Ist die Solltemperatur T_Z1 der zweiten Kühlein richtung erreicht, so wird der erste Wärmeschalter geöff net, um ein weiteres Abkühlen der ersten Kühleinrichtung bzw. des zu kühlenden Objekts auf die Solltemperatur T_E in einer dritten Kühlphase zu ermöglichen. Neben der Verwen dung eines dreistufigen Kühlersystems, ist es ferner denk bar ein Kühlersystem mit mehr als drei Stufen zu verwenden, wobei die thermische Kopplung über Wärmeschalter analog zu oben dargestelltem Schema erfolgen kann, um ein abgestuftes Runterkühlen der gesamten Tieftemperaturkühlvorrichtung zu erreichen. Hierbei kann dann wieder die bessere Kühllei stung höherstufiger Kühleinrichtungen bei höheren Tempera turen genutzt werden, um ein schnelles Abkühlen zu bewir ken.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zwei te Kühleinrichtung einen zweiten Pulsröhrenkühler auf, an dessen Pulsrohr ein zweiter Kaltkopf zum Bereitstellen des zweiten Kühlbereichs mit der Temperatur T_Z1 vorgesehen ist. Ist gemäß einer der obigen vorteilhaften Ausgestaltungen ein zweiter Wärmeschalter zur unterbrechbaren thermischen Kopplung des dritten Kühlbereichs mit der zweiten Kühlein richtung vorgesehen, so kann diese Kopplung an der gesamten zweiten Kühleinrichtung, d. h. dem zweiten Pulsrohr bzw. dem zweiten Regenerator, jedoch insbesondere am oder in der Nä he des zweiten Kaltkopfs bzw. am oder in der Nähe des zwei ten kalten Endabschnitts des zweiten Regenerators erfolgen. Außerdem kann die dritte Kühleinrichtung einen dritten Pulsröhrenkühler aufweisen, an dessen Pulsrohr ein dritter Kaltkopf zum Bereitstellen des dritten Kühlbereichs mit der Temperatur T_Z2 vorgesehen ist. Im weiteren Sinn kann hier, wie bei dem ersten oder zweiten Pulsröhrenkühler, nicht nur der jeweilige Kaltkopf, sondern auch der direkt mit dem Kaltkopf in Verbindung stehende kalte Endabschnitt des je weiligen Regenerators als Kühlbereich angesehen werden.

Die Verwendung von Pulsröhrenkühlern erlaubt aufgrund der fehlenden beweglichen Teile eine sehr vibrationsarme Kühlvorichtung zu schaffen, die auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren, wie SQUIDs, geeignet sind.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Kühleinrichtung und/oder dritte Kühleinrichtung eine elektrische Kühleinrichtung, wie ein Peltierelement auf, um einen zweiten bzw. dritten Kühlbereich vorzusehen. Es ist ferner denkbar, daß die zweite und/oder dritte Küh leinrichtung eine Kühleinrichtung auf der Basis von gekühl ten verflüssigten Gasen, wie beispielsweise einem Stick stoff-Kühler, oder eine mechanische Kühleinrichtung wie ei nen Helium-Kompressionkühler aufweist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste, zweite bzw. dritte Wärmeschalter als ein mecha nischer Wärmeschalter, als Gaswärmeschalter, bzw. als su praleitender Wärmeschalter ausgebildet (vgl. dazu Frank Po bell: "Matter and methods at low temperatures", 2. Auflage, Springer-Verlag 1996). Mechanische Wärmeschalter basieren dabei auf dem Prinzip, daß thermische gut leitende ein gangsseitige bzw. ausgangsseitige Kontaktmaterialien, wie Metalle (z. B. Kupfer, Messing, Gold), unter Beaufschlagung von Druck mechanisch zusammengepreßt werden. Dabei entsteht ein Kontakt zwischen den Materialien, so daß in diesem ge schlossenen Zustand des Wärmeschalters ein Wärmestrom flie ßen kann. Die Wärmeleitfähigkeit dieses mechanischen Wärme schalters kann durch ändern des Anpreßdrucks variiert wer den. Als besonders vorteilhaft bei dem mechanischen Wärme schalter stellt sich heraus, daß beim Lösen der Kontaktma terialien voneinander, d. h. wenn kein mechanischer Kontakt mehr zwischen den Kontaktmaterialien besteht, der Wärme schalter in diesem geöffneten Zustand wirklich offen ist, und keinen Wärmestrom durch ihn fließen läßt.

Der Gaswärmeschalter basiert auf dem Prinzip, daß zur thermischen Kopplung zwischen zwei oder mehr Kopplungstei len, d. h. im geschlossenen Zustand des Wärmeschalters, ein Gas (z. B. Wasserstoff, Stickstoff, etc.) vorgesehen ist. Um den Gaswärmeschalter zu öffnen, wird das Gas entweder durch Abpumpen entfernt, oder es wird ausgefroren bzw. durch Käl teeinwirkung in einen flüssigen Zustand überführt, um eine Wärmeübertragung zwischen den Kopplungsteilen zu verhin dern.

Beim supraleitenden Wärmeschalter werden zwei oder mehr zu verbindende eingangsseitige bzw. ausgangsseitige Kopp lungsteile mit einem Kopplungsmaterial, wie beispielsweise einem bestimmten Metall (z. B. Al, Pb, Zn, Sn, In), verbun den, das zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleiten Zustand "schaltbar" ist. Dieses Schalten kann dadurch erreicht werden, daß das Kopplungsmaterial im su praleitenden Zustand beispielsweise durch Anlegen eines Ma gnetfelds mit einer Stärke oberhalb der kritischen Feld stärke in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Befin det sich das Kopplungsmaterial im normalleitenden Zustand so hat es eine hohe thermische Leitfähigkeit, während es im supraleitenden Zustand eine um mehrere Zehnerpotenzen ge ringere thermische Leitfähigkeit aufweist.

Das von der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu küh lende Objekt weist beispielsweise ein Reservoir eines ver flüssigten Gases, wie beispielsweise ein Helium-Reservoir, auf. Ferner kann das zu kühlende Objekt einen auf einem su praleitenden oder normalleitenden Material basierenden Ma gnet aufweisen, der als Teil einer Entmagnetisierungsstufe (als eine spezielle für sehr tiefe Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts geeignete Tieftemperaturkühlein richtung) dienen kann. Das zu kühlende Objekt kann ferner einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Fel dern aufweisen. Derartige Sensoren können Sensoren mit ei ner Betriebstemperatur im Bereich von etwa 30 bis 100 K, wie beispielsweise Silizium-Detektoren (Si(Li)-Dektoren), Germanium-Detektoren (HPGe-Dektoren) oder auf Hochtempera tursupraleitern basierende SQUIDs ("Superconducting Quantum Interference Device", supraleitende Quanten-Interferenz- Vorrichtungen) sein. Das zu kühlende Objekt kann ferner auch Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, aufweisen, wobei diese Sensoren aufgrund ihrer Betriebstem peratur kleiner als 20 K, meist sogar kleiner als 4 K, von einer Tieftemperaturkühleinrichtung (z. B. einer adiabati schen Entmagnetisierungsstufe oder einer ³He/⁴He- Entmischungskühlstufe), die mit dem ersten Kaltkopf des er sten Pulsrohrs verbunden ist, auf die entsprechende Be triebstemperatur gekühlt werden.

Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryode tektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tie fen Temperaturen auftritt, messen. Diese Temperaturen wer den von einer Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detek toreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftem peratureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekop pelt ist. Diese Effekte können sein:

a) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalo rimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supralei ter, usw.).
b) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in ei nem Absorbermaterial) durch die Energiedeposition. Je tie fer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingun gen sind vorhanden.
c) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen von Co operpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt. Je tiefer die Übergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr Quasiteilchen er zeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt wer den.
d) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisierung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem be stehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energie deposition.

Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglich keiten, 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 Phasen übergangsthermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Küh leinrichtung 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 Gitterschwingun gen und Quasiteilchen.
b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen (SIS: Supralei ter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendi gerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten be stehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normal leitenden Film (NIS: Normalleiter-Isolator-Supraleiter), wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch iso lierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quantenmechanisches Tunneln von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlaubt. Wird die NIS-Diode oder SIS-Diode unterhalb der Sprungtem peratur 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 Bar riere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie de poniert wird. Die Deposition der Energie kann durch Tempe raturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Qua siteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.
c) Thermistor, wie NTD-Thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", d. h. mittels Neutronen hochdotierter Halbleiter). Diese Thermometer können zum Messen von Tempe raturschwankungen 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 Wär mesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikelvinbe reich haben, umfassen eine schwache Konzentration von para magnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derarti ge Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Er den, wie beispielsweise von Erbium (Er³⁺), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektroma gnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebilde ten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magne tische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.

Das zu kühlende Objekt kann ferner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, de ren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energieberei chen unterschiedlich gut ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer zweistufigen Pulsröhrenkühlervorrichtung im Stand der Technik;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeit lichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf des zweiten Kaltkopfs der in Fig. 1 gezeigten Pulsröhrenkühlervorrich tung;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 5 jeweils Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf eines ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf eines zweiten Kaltkopfs einer Pulsröhrenkühlervorrichtung bzw. Tieftemperaturkühlvorrichtung, wobei Fig. 5a den Kühlver lauf bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung und Fig. 5b den Kühlverlauf bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß den Fig. 3 oder 4 zeigt;

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Pulsröh renkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Pulsröh renkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröh renkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Pulsröh renkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkre teren Darstellung als in Fig. 9; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung eines zweistu figen Pulsröhrenkühlersystems mit den wichtigstem Komponen ten.

Bevorzugte Ausführungsformen

Im folgenden wird eine Kühlvorrichtung gemäß der vor liegenden Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Es sei dabei zunächst auf Fig. 3 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Tieftmeperaturkühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung ist hier, sowie in den folgenden Ausführungsformen, vorteilhaf terweise zur Verbesserung der Kühlleistung in einem Kühlbe hälter bzw. einem Kryostaten angeordnet, wobei die in den Figuren dargestellten Temperaturniveaus (300 K, 77 K) Berei che repräsentieren, die vorteilhafterweise von Wärme- bzw. Strahlungsschilden zur Wärmeisolierung umgeben sind.

In der ersten bevorzugten Ausführungsform steht ein Warmkopf 22 (am oberen Ende eines Pulsrohrs 20 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf 32 (am oberen Ende eines Pulsrohrs 30 be findlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zwei ten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K- Temperaturniveau, beispielsweise einer Kryostatenabdeckung, die mit der Umgebung in Kontakt steht. In dieser Darstel lung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 der Pulsrohre 20 und 30 miteinander verbunden, so daß der obere Regenera tor 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300 K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwen det wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Das erste und zweite Pulsrohr 20 und 30, sowie die Regeneratoren bzw. Regenera torabschnitte 40 und 50 sind im wesentlichen parallel und in Richtung der Erdschwerkraft angeordnet. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4 K (T_E) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77 K (T_Z) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77 K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 be inhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild 81 zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden. Es sei hierzu bemerkt, daß die Leitungen 42, 52 Gasleitungen sind, die zum Übertragen des oszillierenden Gases von den jeweiligen Regeneratoren 40, 50 zu den Puls rohren 20, 30 vorgesehen sind.

Des weiteren ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über einen Wärmeschalter 100, der hier vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) ther misch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 100 an die jeweiligen Komponenten 34 und 24 erfolgt über Leitungen 101, 101', die vorzugsweise draht- oder rohrförmige Leitun gen aus einem thermisch gut leitenden (z. B. Kupfer, Gold) Material ausgebildet sind. Neben bzw. anstelle der thermi schen Ankopplung der Leitung 101' an den ersten Kaltkopf 24, ist es auch denkbar, direkt am zu kühlenden Objekt 82 anzukoppeln.

Es sei bemerkt, daß die angegebenen Temperaturniveaus in dieser, sowie in den weiteren Ausführungsformen zur Ver anschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand oder der Betriebsart bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.

Zweite Ausführungsform

Es sei nun auf Fig. 4 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsge mäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zeigt.

Der Aufbau der Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform entspricht im wesentlichen der der ersten Ausführungsform, weshalb an dieser Stelle auf deren detaillierte Beschreibung verwiesen wird. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform erfolgt die Kopplung des zweiten Kaltkopfs 34 über den Wärmeschalter 100 bzw. die Leitungen 101, 101' an den ersten Pulsröhrenkühler 20, 40 durch thermi sche Kopplung an den kalten Endabschnitt 46 des Regenera tors 40. Ob an den kalten Endabschnitt 46 (zweite Ausfüh rungsform) oder den Kaltkopf 24 (erste Ausführungsform) ge koppelt wird, hängt davon ab, was platztechnisch bzw. me chanisch günstiger beim Ausbilden der Tieftmperaturkühlvor richtung ist.

Kühlvorgang

Es sei nun auf die Fig. 5 verwiesen, die jeweils Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf eines ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf eines zweiten Kaltkopfs einer Pulsröhrenkühlervorrichtung bzw. Tieftemperaturkühlvorrich tung darstellen. Genauer gesagt, zeigt Fig. 5a den Kühl verlauf bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung und Fig. 5b den Kühlverlauf bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrich tung gemäß den Fig. 3 oder 4 zeigt.

Zum besseren Vergleich der vorteilhaften Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung, ins besondere gemäß den Fig. 3 oder 4, mit den Nachteilen im Stand der Technik, insbesondere gemäß Fig. 1, sei zunächst noch einmal kurz auf Fig. 5a eingegangen. Wird bei einem zweistufigen Pulsröhrenkühlersystem das zweite Pulsrohr 30 zum Zeitpunkt t0 in Betrieb genommen, so erreicht es, da seine Kühlleistung für höhere Temperaturen optimiert ist, nach relativ kurzer Zeit t1 am zweiten Kaltkopf 34 sein Solltemperatur von ungefähr 77 K, wie es in anhand von Li nie 230 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu erreicht das von dem zweiten Pulsrohr 30 im wesentlichen isolierte erste Puls rohr 20, da seine Kühlleistung für tiefere Temperaturen op timiert ist, erst zu einem um Δt₁ späteren Zeitpunkt t2 am ersten Kaltkopf 24 eine Temperatur von ungefähr 77 K, wie es in anhand von Linie 220 gezeigt ist, um dann zum Zeit punkt t3 eine Temperatur von ungefähr 4 K aufzuweisen.

Anders verhält es sich bei einer Tieftemperaturkühlvor richtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere ge mäß den Fig. 3 oder 4. Vor Beginn des eigentlichen Kühl vorgangs, der ungefähr bei Raumtemperatur, d. h. ungefähr 300 K, beginnt, wird der Wärmeschalter 100 geschlossen, um eine thermische Kopplung zwischen dem zweiten Kaltkopf 34 und dem ersten Kaltkopf 24 bzw. dem ersten kalten Endab schnitt 46 des ersten Regenerators 40 zu schaffen. Wird nun der Kühlvorgang gestartet und die Tieftemperaturkühlvor richtung, insbesondere das zu kühlende Objekt 82 am ersten Kaltkopf 24, kaltgefahren bzw. abgekühlt, so geschieht das jetzt durch die kombinierte Kühlleistung des ersten 20 und zweiten 30 Pulsrohrs bzw. deren Kaltköpfe 24, 34. Diese Tat sache verdeutlicht auch die dicke durchgezogene Linie 220', 230' (untere Linie) in Fig. 5b. Das bedeutet, in der ersten Kühlphase beim Abkühlen von ungefähr 300 K zum Zeit punkt t0 bis auf die Solltemperatur des zweiten Kaltkopfs von ungefähr 77 K (T_Z1) zum Zeitpunkt t1 verlaufen die Tem peraturkurven 220' des ersten Kaltkopfs 24 und 230' des zweiten Kaltkopfs quasi identisch. Es sei bemerkt, daß der Zeitpunkt t1 in Fig. 5b von den Linien 220', 230' etwas später erreicht werden kann als der Zeitpunkt t1 in Fig. 5a von der Linie 230, da durch die thermische Kopplung des ersten Kaltkopfs 24 bzw. des zu kühlenden Objekts 82 an den zweiten Kaltkopf 34 eine größere Kühllast am zweiten Kalt kopf anliegt, wodurch die Zeit zum Abkühlen auf ungefähr 77 K (T_E1) verlängert werden kann. Ist der Zeitpunkt t1 er reicht, so wird der Wärmeschalter 100 geöffnet, und der er ste Kaltkopf 24 allein kühlt das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur von 4 K (T_E) ab, was gemäß der Kurve 220' zum Zeitpunkt t4 geschieht. Im Vergleich zu der her kömmlichen Kühlkurve 220 eines ersten Kaltkopfs 24 ist an hand von Fig. 5b zu erkennen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung der erste Kaltkopf 24 (Kurve 220') schon um ein Zeitintervall Δt₁ früher die Zwischentemperatur von 77 K (t_Z1), und um ein Zeitintervall Δt₂ entsprechend früher die Solltemperatur von 4 K erreicht.

In praktischen Experimenten hat sich gezeigt, daß gemäß der vorliegenden Erfindung die Kühlzeit zum Abkühlen eines zu kühlenden Objekts 82 von 300 K auf 4 K im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühleinrichtung um bis auf die Hälfte reduziert werden kann.

Dritte Ausführungsform

Es sei nun auf Fig. 6 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zeigt.

In der dritten bevorzugten Ausführungsform steht ein Warmkopf 22 (am oberen Ende eines ersten Pulsrohrs 20 be findlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf 32 (am oberen Ende eines zweiten Pulsrohrs 30 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines zweiten Pulsrohrs 30, ein Warmkopf 112 (am oberen En de eines dritten Pulsrohrs 110 befindlich und nicht expli zit gekennzeichnet) eines dritten Pulsrohrs 110, sowie ein warmer Endabschnitt 124 eines dritten Regenerators 120 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau, bei spielsweise einer Kryostatenabdeckung, die mit der Umgebung in Kontakt steht. In dieser Darstellung sind die drei Rege neratoren 40, 50 und 120 miteinander verbunden, so daß die oberen Regeneratoren 50, 120 als warmer Regeneratorabschnitt 50, 120 bzw. zur Kopplung an das 300 K-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet werden, und der obere Regene rator 120 als warmer Regeneratorabschnitt 120 bzw. zur Kopplung an das 300 K-Temperaturniveau vom Regenerator 50 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit drei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Das erste, zweite und dritte Pulsrohr 20, 30 und 110, sowie die Regene ratoren bzw. Regeneratorabschnitte 40, 50 und 120 sind im wesentlichen parallel und in Richtung der Erdschwerkraft angeordnet. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein erster Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4 K (T_E) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 30 K (T_Z1) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Insbesondere wird die Temperatur von 30 K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich be reitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Am unteren Ende des dritten Pulsrohrs 110 ist ein Kaltkopf 114 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von et wa 77 K (T_Z2) zum Vorkühlen des ersten bzw. zweiten Puls rohrs 20 bzw. 30 bereitgestellt wird. Auch hier kann die Temperatur von 77 K einem die Kaltköpfe 24, 34 des ersten, zweiten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbe reich bereitgestellt werden, der im Fall der Verwendung ei nes Kryostaten von einem Wärmeschild (nicht dargestellt) zur thermischen Isolierung umgeben ist.

Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Rege nerators 40, ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden, und ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 über eine Leitung 122 mit einem kalten Endabschnitt 126 des dritten Regenerators 120 ver bunden. Es sei wiederum bemerkt, daß die Leitungen 42, 52, 122 Gasleitungen sind, die zum Übertragen des oszil lierenden Gases von den jeweiligen Regeneratoren 40, 50, 120 zu den Pulsrohren 20, 30, 110 vorgesehen sind.

Der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 ist über einen Wärmeschalter 100, der wiederum vorzugsweise als ein mecha nischer Wärmeschalter ausgeführt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) thermisch gekop pelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 100 an die jeweili gen Komponenten 34 und 24 erfolgt über Leitungen 101, 101', 109. Des weiteren ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 ist über einen Wärmeschalter 104, der wieder um vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausge führt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 104 an die jeweiligen Komponenten 114 und 24 erfolgt über Leitungen 105, 105', 109, wobei die an den Kalt kopf 24 ankoppelnde Leitung 109 zur Vereinfachung des Auf baus auch mit der Leitung 101' verbunden ist. Neben bzw. anstelle der thermischen Ankopplung an dem ersten Kaltkopf 24, ist es auch denkbar, direkt am zu kühlenden Objekt 82 anzukoppeln. Außerdem ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 über einen Wärmeschalter 102, der wiederum vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, durch die Ankopplung über die Leitung 52 mit dem Kalt kopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 bzw. dem kalten Endab schnitt 56 des zweiten Regenerators 50 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 102 an die jeweiligen Komponenten 114 und 52 erfolgt über Lei tungen 103, 103'. Es sei bemerkt, daß die Leitung 103' auch direkt mit dem Kaltkopf 24 bzw. dem kalten Endabschnitt 56 verbunden werden kann. Die Leitungen 101, 101', 103, 103', 105, 105' sind vorzugsweise als draht- oder rohrförmige Leitungen aus einem thermisch gut leitenden (z. B. Kupfer, Gold) Material ausgebildet.

Ein Kühlvorgang einer Tieftemperaturkühlvorrichtung ge mäß der dritten Ausführungsform stellt sich dabei wie folgt dar. Vor Beginn des eigentlichen Kühlvorgangs, der ungefähr bei Raumtemperatur, d. h. ungefähr 300 K, beginnt, werden die Wärmeschalter 100, 102 und vorteilhafterweise auch der Wärmeschalter 104 geschlossen, um eine thermische Kopplung zwischen dem zweiten 34 und ersten 24 Kaltkopf, dem dritten 114 und zweiten 34 Kaltkopf bzw. dem kalten Endabschnitt 46, und zur besseren bzw. schnelleren thermischen Verbin dung auch eine thermische Kopplung direkt zwischen dem dritten 114 und ersten 24 Kaltkopf zu schaffen. Wird nun der Kühlvorgang gestartet und die Tieftemperaturkühlvor richtung, insbesondere das zu kühlende Objekt 82 am ersten Kaltkopf 24, kaltgefahren bzw. abgekühlt, so geschieht das jetzt durch die kombinierte Kühlleistung des ersten 20, zweiten 30, und dritten Pulsrohrs bzw. deren Kaltköpfe 24, 34, 114. Das bedeutet, in der ersten Kühlphase beim Ab kühlen von ungefähr 300 K bis auf die Solltemperatur des dritten Kaltkopfs von ungefähr 77 K (T_Z2) verlaufen die Temperaturkurven des ersten Kaltkopfs 24, des zweiten Kalt kopfs 34 und des dritten Kaltkopfs 114 quasi identisch. Ist die Solltemperatur T_Z2 des dritten Kaltkopfs 114 erreicht, so werden die Wärmeschalter 102, 104 geöffnet, und der erste und zweite Kaltkopf 24, 34 fahren (in einer zweiten Kühlpha se) fort, das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur des zweiten Kaltkopfs 34 von ungefähr 30 K (T_Z1) abzuküh len. Ist schließlich die Solltemperatur T_Z1 des zweiten Kaltkopfs 34 erreicht, so wird der Wärmeschalter 100 geöff net, und allein der erste Kaltkopf 24 fährt (in einer drit ten Kühlphase) fort, das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur des ersten Kaltkopfs 24 von ungefähr 4 K (T_Z1) abzukühlen. Auf diese Weise wird durch die unterstüt zende Leistung der für niedrigere Temperaturen optimierten Pulsrohre in den jeweiligen Kühlphasen und durch entspre chende Abkopplung dieser eine bestmögliche Kühlleistung be reitgestellt, wodurch die Kühlzeit der erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zum kühlen des Objekts 82 mi nimiert wird.

Pulsröhrenkühler

Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wir kungsweise eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben. Dabei zeigt Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenküh lers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden wiederum gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der pe riodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") ei nes Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärme tauschern an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr 20. Das Pulsrohr 20 ist mit dem Druckozillator 10 über einen Rege nerator 40 verbunden. Der Regenerator 40 dient als Wärme zwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 10 einströ mende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 20 abkühlt und an schließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist er vorteilhafterweise mit ei nem Material hoher Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig ge ringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen ober halb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigern Edel stahl- oder Bronzesieben als Regeneratorfüllung. Für tiefe re Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapa zität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materiali en, z. B. Er-Ni-Legierungen, ein. Zur Erzeugung der Druckos zillation wird, wie es in Fig. 13 gezeigt ist, ein Kom pressor 10 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rota tionsventil 15 verwendet, das periodisch die Hoch- und Nie derdruckseite des Kompressors mit dem Kühler verbindet. Al ternativ dazu kann die Druckoszillation direkt über die Kolbenbewegung eines ventillosen Kompressors erzeugt wer den.

In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers ist das Pulsrohr am warmen Ende 22 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab: In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 40 vorgekühlte Gas in das Puls rohr 20 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Puls rohr 20 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 22 bzw. Warmkopf 22 hin verschoben, wo ein Teil der Kom pressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 20. Das Gas, welches das Pulsrohr 20 verläßt, ist kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kal ten Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24 und dem zu kühlenden Objekt bzw. einer weiteren Kühleinrichtung, aufnehmen. Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport vom kalten 24 zum warmen 22 Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung er forderlich ist ("Oberflächenwärmepumpen"). Da der Wärmekon takt jedoch nur in einer dünnen Gasschicht an der Rohrwan dung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.

Fig. 8 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 20 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Effek tivität durch den Anschluß eines Ballastvolumens 70 über einen Strömungswiderstand (Nadelventil) 26 am warmen Wärme tauscher 22. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den war men Wärmetauscher 22, das dort dann Kompressionswärme abge ben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 20 Arbeit beim Verschieben von Gas in das Ballastvolumen 70, wodurch ein wesentlich höherer Kühleffekt erreicht wird.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Puls röhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers sich weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckände rung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch ei nen zweiten Einlaß am warmen Ende geleitet wird. Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 40 passiert, werden die Verluste im Regenerator 40 verringert. Außerdem stellt sich bei einem zweitem Einlaß (mit einem Ventil 28) eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flußva riation ein.

Fig. 10 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Fig. 9. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium-Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient.

Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Kühler und das Rotationsventil über eine flexible Kunststofflei tung 12 miteinander verbunden werden.

Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten. Zur Erzeugung von Druckoszillationen ist ein Kompressor 10 an ein Rotationsventil 15 gekoppelt. Eine Leitung 12 verbindet das Rotationsventil 15 mit dem Puls röhrenkühlersystem. Dieses weist einen Regenerator 40 der ersten Stufe und einen Regenerator 50 der zweiten Stufe auf, wobei zwischen diesen ein Flußausrichter ("flow straightener") 45 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, eine andere Regeneratoranordnung zu wählen, bei der beispiels weise zwei getrennte Regeneratoren verwendet werden. Ferner weist das Pulsröhrenkühlersystem ein erstes Pulsrohr 20 mit einem warmen Wärmetauscher 22 und einem kalten Wärmetau scher bzw. Kaltkopf 24 und ein zweites Pulsrohr 30 mit ei nem warmen Wärmetauscher 32 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 34 auf. Die jeweiligen warmen Wärmetauscher 22 und 32 sind über Drosselventile, beispielsweise in der Form von Nadelventilen 26 und 36, mit einem gemeinsamen Ballastbehälter bzw. Ballastvolumen 70 verbunden. Es ist ferner denkbar, daß anstelle des gemeinsamen Ballastvolu mens zwei getrennte Ballastvolumina verwendet werden. Au ßerdem sind an den jeweiligen warmen Wärmetauschern 22 und 32 Ventile 38 und 28 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 24 des zweiten Pulsrohrs 30 kühlt dabei einen von einem Wärme- bzw. Strahlungsschild 92 umgebenen Bereich bis auf ungefähr maximal 50 K vor, während am Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 eine Temperatur von ungefähr 2, 2 bis 4,2 K bereitgestellt wird (vgl. dazu C. Wang et al.: "A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryoge nics 1997, Volume 37, Nr. 3).

Bezugszeichenliste

10

Kompressor

12

Leitung vom Kompressor weg

15

Rotationsventil

20

Pulsrohr, erstes Pulsrohr

22

warmer Wärmetauscher von

20

24

kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von

20

26

Strömungswiderstand, Nadelventil zu

70

28

Ventil des zweiten Einlasses

30

zweites Pulsrohr

32

warmer Wärmetauscher von

30

34

kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von

30

36

Strömungswiderstand, Nadelventil zu

70

38

Ventil des zweiten Einlasses

40

Regenerator, Regenerator der ersten Stufe

42

Leitung von

46

zu

24

44

warmer Endabschnitt von

40

46

kalter Endabschnitt von

40

50

Regenerator der zweiten Stufe

52

Leitung von

56

zu

34

54

warmer Endabschnitt von

50

55

Flußausrichter zwischen

40

und

50

56

kalter Endabschnitt von

50

70

Ballastvolumen

81

Wärmeschild,

60

,

77

K-Schild

82

Magnet, zu kühlendes Objekt

92

Wärmeschild

100

erster Wärmeschalter

101

,

101

' Leitung von bzw. zu

100

102

zweiter Wärmeschalter

103

,

103

' Leitung von bzw. zu

102

104

dritter Wärmeschalter

105

,

105

' Leitung von bzw. zu

104

109

Sammelleitung von

101

' und

105

'

110

drittes Pulsrohr

112

warmer Wärmetauscher von

110

114

kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von

110

120

Regenerator der dritten Stufe

122

Leitung von

126

zu

114

124

warmer Endabschnitt von

120

126

kalter Endabschnitt von

120

220

Kühlkurve von

24

bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung

220

' Kühlkurve von

24

bei einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung

230

Kühlkurve von

34

bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung

230

' Kühlkurve von

34

bei einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung

Claims

1. Tieftemperaturkühlvorrichtung die aufweist:
eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Puls röhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen er sten Kaltkopf (24) zum Bereitstellen eines ersten Kühlbe reichs mit einer ersten Temperatur (T_E) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen ersten kalten Endab schnitt (46), welcher mit dem ersten Kaltkopf (24) des er sten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist; und
eine zweite Kühleinrichtung (30, 50) mit einem zweiten Kühlbereich (34) zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur (T_Z1), die höher als die erste Temperatur (T_E) liegt, da durch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlbereich (34) über einen ersten Wär meschalter (100) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) thermisch koppelbar ist.

2. Tieftemperaturkühlvorrichtung die aufweist:
eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Puls röhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen er sten Kaltkopf (24) zum Bereitstellen eines ersten Kühlbe reichs mit einer ersten Temperatur (T_E) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen ersten kalten Endab schnitt (46), welcher mit dem ersten Kaltkopf (24) des er sten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist;
eine zweite Kühleinrichtung (30, 50) mit einem zweiten Kühlbereich (34) zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur (T_Z1), die höher als die erste Temperatur (T_E) liegt; und
ein zu kühlendes Objekt (82), das an den ersten Kalt kopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Kühlbereich (34) über einen ersten Wär meschalter (100) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu kühlenden Objekt (82) thermisch koppelbar ist.

3. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlbereich (34) über den ersten Wärmeschalter (100) mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) und/oder dem ersten kalten Endabschnitt (46) des ersten Regenerators (40) thermisch koppelbar ist.

4. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dritte Kühleinrichtung (110) mit einem dritten Kühlbereich (114) zum Bereitstellen einer dritten Temperatur (T_Z2), die höher als die zweite Temperatur (T_Z1) liegt, wobei der dritte Kühlbereich (114) über einen zweiten Wärmeschalter (102) mit der zweiten Küh leinrichtung (30), vorzugsweise an deren zweitem Kühlbe reich (34), thermisch koppelbar ist.

5. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kühlbereich (114) über einen dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu küh lenden Objekt (82) thermisch koppelbar ist.

6. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dritte Kühleinrichtung (110) mit einem dritten Kühlbereich (114) zum Bereitstellen einer dritten Temperatur (T_Z2), die höher als die zweite Temperatur (T_Z1) liegt, wobei der dritte Kühlbereich (114) über einen dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Puls rohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu kühlenden Objekt (82) thermisch koppelbar ist.

7. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kühlbereich (114) über den dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) und/oder dem ersten kalten Endabschnitt (46) des ersten Regenerators (40) ther misch koppelbar ist.

8. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlein richtung und/oder dritte Kühleinrichtung einen zweiten bzw. dritten Pulsröhrenkühler aufweisen, an dessen Pulsrohr ein zweiter (34) bzw. dritter Kaltkopf (114) zum Bereitstellen des zweiten (34) bzw. dritten (114) Kühlbereichs vorgesehen ist.

9. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühlein richtung und/oder dritte Kühleinrichtung eine elektrische Kühleinrichtung, wie ein Peltierelement, oder eine Kühlein richtung auf der Basis von gekühlten verflüssigten Gasen, wie beispielsweise einem Stickstoff-Kühler, oder eine me chanische Kühleinrichtung, wie einen Helium-Kompression kühler, aufweisen, um einen zweiten bzw. dritten Kühlbe reich vorzusehen.

10. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein mechanischer Wärmeschalter ist.

11. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein Gaswärmeschalter ist, dessen Gas zum thermischen Kop peln insbesondere Stickstoff aufweist.

12. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein supraleitender Wärmeschalter ist.

13. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Ob jekt einen Magnet aufweist.

14. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Ob jekt einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweist.

15. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Hochtemperatursu pralteiter-SQUID oder ein Tieftemperatursupralteiter-SQUID ist.

16. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 14, da durch gekennzeichnet, daß der Sensor ein auf einem Tieftem peratureffekt basierender Sensor ist.

17. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 16, da durch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Phasenübergang sthermometer, eine supraleitende Tunneldiode, einen Thermi stor oder ein magnetisches Bolometer aufweist.

18. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der auf einem Tief temperatureffekt basierende Sensor von einer Tieftempera turkühleinrichtung, wie beispielsweise einer Entmagnitisie rungsstufe oder einer ³He/⁴He-Entmischungskühlstufe, vorge kühlt wird.

19. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Ob jekt eine Vielzahl von Sensoren aufweist.

20. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Ob jekt ein Reservoir eines verflüssigten Gases, wie bei spielsweise ein Helium-Reservoir, aufweist.