JP2024503207A - 極低温環境用の１ケルビン及び３００ミリケルビンの熱ステージ - Google Patents

Abstract

極低温環境の内部での効率的な熱プロファイルの管理を促進する技法が提供される。一例において、クライオスタットは、４ケルビン（Ｋ）ステージ及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージを備え得る。複数の熱ステージは、クライオスタットのための追加の冷却能力を提供するスチルステージ及び中間熱ステージを含み得る。中間熱ステージは、サポートロッドを介してスチルステージに機械的に直接的に結合し得る。

Description

本開示は、極低温環境、より詳細には、極低温環境内部での効率的な熱プロファイルの管理を促進する技法に関する。

クライオスタットは、クライオスタットの内部に位置するサンプル設置面に位置付けられるサンプル又はデバイスを、絶対零度に近い温度で維持し、極低温条件でこのようなサンプル又はデバイスを評価することを促進し得る。クライオスタットは、概して、５つの熱ステージを囲む外側真空チャンバの室温板に機械的に結合されている５つの熱ステージを利用する、このような低い温度を提供する。クライオスタットの５つの熱ステージは、各々の後続的な熱ステージが、先行する熱ステージに存在するよりも、漸進的により低くなる温度を有する熱プロファイルを備える。

漸進的により低くなる温度を有することに加えて、各々の後続的な熱ステージは、概して、先行する熱ステージで利用可能であるよりも、利用可能な漸進的なより低い冷却力を有する。例えば、５０ケルビン（５０Ｋ）ステージが５０Ｋの温度で利用可能な冷却力３０ワット（Ｗ）を有し得るが、４ケルビン（４Ｋ）ステージは、４Ｋの温度で１．５Ｗの利用可能な冷却力を有し得、概してクライオスタット内部の最低温度に関連付けられる混合チャンバステージは、２０ミリケルビン（ｍＫ）の温度で利用可能な冷却力である２０マイクロワット（μＷ）を有し得る。したがって、利用可能な冷却力の効率的な管理は、クライオスタットの熱プロファイル内部のより低い温度領域において、一層重要になり得る。

以下では、発明の１つ又は複数の実施形態の基本的理解を提供するために概要を提示する。本概要は、主要な要素又は重要な要素を識別すること、又は特定の実施形態の任意の範囲又は特許請求の範囲の任意の範囲を示すことを意図するものではない。その唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の前置きとして、概念を簡略化された形式で提示することである。本明細書にて説明されている１つ又は複数の実施形態で、極低温環境内部での効率的な熱プロファイルの管理を促進するシステム、デバイス、及び／又は方法が、説明される。

実施形態に係ると、クライオスタットは、４ケルビン（Ｋ）ステージ及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージを備え得る。複数の熱ステージは、クライオスタットの追加の冷却能力を提供するスチルステージ及び中間熱ステージを含み得る。中間熱ステージは、サポートロッドを介してスチルステージに機械的に直接的に結合し得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが極低温環境の内部で効率的な熱プロファイルの管理を促進し得るということである。

実施形態において、中間熱ステージは、約１ケルビン（Ｋ）の温度で動作し得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが、スチルステージ、冷却板ステージ、及び／又は混合チャンバステージの冷却力を、４Ｋ黒体放射の代わりに１Ｋ黒体放射にこれらのステージをさらすことで増大するよう促進し得るものである。

別の実施形態に係ると、クライオスタットはサポートロッドを介して中間熱ステージに機械的に直接的に結合されているスチルステージを備え得る。中間熱ステージは、クライオスタットのための追加の冷却能力を提供することができる。スチルステージ及び中間熱ステージは、４Ｋステージ及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージの間に含まれ得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが極低温環境の内部で効率的な熱プロファイルの管理を促進し得るということである。

実施形態において、中間熱ステージは、約３００ミリケルビン（ｍＫ）の温度で動作し得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが、冷却板ステージ、及び／又は混合チャンバステージの冷却力を、７００ｍＫ黒体放射の代わりに３００ｍＫ黒体放射にこれらのステージをさらすことで増大するよう促進し得るものである。

別の実施形態に係ると、クライオスタットは、ヘリウム媒体の蒸発冷却を促進する密封ポットを備え得る。密封ポットは、クライオスタットのための追加の冷却能力を提供する中間熱ステージに結合し得る。中間熱ステージは、サポートロッドを介してスチルステージに機械的に直接的に結合し得る。スチルステージ及び中間熱ステージは、４Ｋステージ及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージの間に含まれ得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが極低温環境の内部で効率的な熱プロファイルの管理を促進し得るということである。

実施形態において、密封ポットは焼結材料を備え得る。このようなクライオスタットの一態様は、クライオスタットが熱履歴の最適化を促進し得るということである。

本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、非限定的なクライオスタットの例を示す。

本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、非限定的なクライオスタットの例示の回路概略図を示す。

本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、追加の冷却能力を提供する中間熱ステージのある非限定的なクライオスタットの例を示す。

本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、追加の冷却能力を提供する中間熱ステージのある非限定的なクライオスタットの別の例を示す。

本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、各々が追加の冷却能力を提供する複合中間熱ステージのある非限定的なクライオスタットの例を示す。

以下の詳細な説明は単に例示であり、実施形態、及び／又は実施形態の用途又は使用を限定することを意図するものではない。さらに、前述の「背景技術」又は「発明の概要」節、又は「発明を実施するための形態」の節に提示されている任意の明示的又は黙示的な情報に拘束されることを意図するものではない。

ここで、図面を参照して１つ又は複数の実施形態を説明する。全体を通して、同様の参照番号は、同様の要素を指すために使用される。以下の説明では、説明の目的で、多くの特定の詳細を、１つ又は複数の実施形態のより完全な理解を提供すべく記載する。しかしながら、様々な場合において、これら特定の詳細なしで、１つ又は複数の実施形態を実施し得ることは明白である。

図１は、本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、非限定的なクライオスタット１００の例を示す。図１に示すように、クライオスタット１００は、天板１３０及び底板１４０の間に介在する側壁１２０により形成される外側真空チャンバ１１０を備える。動作中に、外側真空チャンバ１１０は外側真空チャンバ１１０の周囲環境１５０及び外側真空チャンバ１１０の内側１６０の間の圧力差を維持し得る。クライオスタット１００はさらに、内側１６０に配置され、各々が機械的に天板１３０に結合されている複数の熱ステージ（又はステージ）１７０を備える。複数のステージ１７０は、ステージ１７１、ステージ１７３、ステージ１７５、ステージ１７７、及びステージ１７９を含む。複数のステージ１７０の中の各ステージは、異なる温度に関連付けることができる。例えば、ステージ１７１は５０ケルビン（Ｋ）の温度に関連付けられる５０ケルビン（５０Ｋ）ステージであり得、ステージ１７３は４Ｋの温度に関連付けられる４ケルビン（４Ｋ）ステージであり得、ステージ１７５は７００ミリケルビン（ｍＫ）の温度に関連付けることができ、ステージ１７７は１００ｍＫの温度に関連付けることができ、ステージ１７９は１０ｍＫの温度に関連付けることができる。複数のステージ１７０の間の各ステージは、複数のサポートロッド（例えば、サポートロッド１７２及び１７４）により、複数のステージ１７０の他のステージから空間的に分離される。実施形態において、ステージ１７５はスチルステージであり得、ステージ１７７は冷却板ステージであり得、ステージ１７９は混合チャンバステージであり得る。

図２は、本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、非限定的なクライオスタット２００の例示の回路概略図を示す。上述されたように、クライオスタットは、クライオスタットの内部に位置するサンプル設置面に位置付けられるサンプル又はデバイスを絶対零度に近い温度で維持し、極低温条件でこのようなサンプル又はデバイスを評価することを促進し得る。サンプル又はデバイスを極低温条件で評価することは、概して、クライオスタットに対して外部にある、室温の状態に置かれた１つ又は複数のデバイスを使用してこのようなサンプル又はデバイスと相互作用することに関与する。その目的に対して、クライオスタットは、クライオスタット内部に位置付けられるサンプル、及びクライオスタットに対して外部のデバイスの間の電気信号の伝播を促進する入出力（Ｉ／Ｏ）ラインを含み得る。

例として、超伝導量子ビットはクライオスタット２００のサンプル設置面２６０に位置付けることができる。サンプル設置面２６０に位置付けられる超伝導量子ビットをクライオスタット２００に対して外部の１つ又は複数のデバイスに結合するものは、４本のＩ／Ｏライン、すなわち駆動ライン２７１；フラックスライン（ｆｌｕｘ ｌｉｎｅ）２７３；ポンプライン２７５；及び出力（又は読み出し）ライン２７７である。当業者は、これらの４本のＩ／Ｏラインが複数の手段でクライオスタット２００にかけられる熱負荷に寄与し得ることを認識するであろう。４本のＩ／Ｏラインが熱負荷に寄与し得る１つの手段は、各Ｉ／Ｏラインが熱経路をもたらし得、それに沿って熱がより高温の熱ステージからより低温の熱ステージに伝導され得るものである。例えば、図２で、駆動ライン２７１はクライオスタット２００の５０Ｋステージ２１０から混合チャンバステージ２５０へとルーティングされている。クライオスタット２００を経るそのルーティング経路に沿って、駆動ライン２７１は、熱経路をもたらし得、それに沿って熱がより高温の熱ステージからより低温の熱ステージに、例えば５０Ｋステージ２１０から４Ｋステージ２２０に伝導され得る。

４本のＩ／Ｏラインが熱負荷に寄与し得る別の手段は、所与のＩ／Ｏラインに沿うか介在する電気構成要素を介して伝播する信号の散逸に起因して発生する熱（例えばジュール熱）に関する。例えば、サンプル設置面２６０に位置付けられる超伝導量子ビットに関連付けられるＳＱＵＩＤループに向かい、フラックスライン２７３に沿って伝播するマイクロ波フラックス信号は、熱結合部２７４を経てクライオスタット２００のスチルステージ２３０に熱を導入し得る。別の例として、進行波パラメトリック増幅器（ＴＷＰＡ）２８３の動作用にフラックスライン２７３に沿って伝播するマイクロ波ポンプ信号は、フラックスライン２７３及び冷却ステージ２４０に結合されている減衰器２８５を介して冷却ステージ２４０に熱を導入し得る。

４本のＩ／Ｏラインが熱負荷に寄与し得る別の手段は、より高温の熱ステージがより低温の熱ステージに表す放射負荷に関与する。例えば、出力ライン２７７を介してサンプル設置面２６０に位置付けられる超伝導量子ビットの測定を促進するため高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）増幅器２８５にバイアスをかける直流（ＤＣ）信号が、４Ｋステージ２２０に熱を導入し得る。４Ｋステージ２２０に導入されるこのような熱は、より低温の熱ステージ（例えば、スチルステージ２３０）を、４Ｋステージ２２０が４Ｋ黒体放射としてより低温の熱ステージに示す放射負荷にさらし得る。

上述されたように、クライオスタットの各々の後続的な熱ステージは、概して先行する熱ステージで利用可能であるよりも、利用可能な漸進的により低い冷却力を有する。したがって、利用可能な冷却力の効率的な管理は、クライオスタットの熱プロファイル内部のより低い温度領域において、一層重要になり得る。本明細書において説明されている実施形態は、追加の冷却能力を提供できる中間熱ステージを実装することで、極低温環境内部の効率的な熱プロファイルの管理を促進している。例えば、様々な実施形態に係ると、中間熱ステージにより設けられる追加の冷却能力は、より高温の熱ステージからより低温の熱ステージにＩ／Ｏラインを介して伝導され得る熱を低減することで、熱プロファイルの管理の効率を改善し得る。別の例として、様々な実施形態に係ると、中間熱ステージは、より低温の熱ステージを、より低いレベルの黒体放射を有する放射負荷にさらすことで、熱プロファイルの管理の効率を改善し得る。

図３は、本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、追加の冷却能力を提供する中間熱ステージのある非限定的なクライオスタット３００の例を示す。図３に示されているように、クライオスタット３００は、外側真空チャンバの室温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０Ｋステージ３１０を備える。図３はまた、クライオスタット３００が４Ｋステージ３２０及び冷却板ステージ３４０の間に介在する複数の熱ステージをさらに備えることを示す。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ３４０及び中間熱ステージ３３０を含む。中間熱ステージ３３０は、サポートロッド３３２を介して４Ｋステージ３２０に、サポートロッド３２２を介してスチルステージ３４０に、機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ３３０は、サポートロッド３１２を介して５０Ｋステージ３１０に、サポートロッド３４２を介して冷却板ステージ３５０に、サポートロッド３５２を介して混合チャンバステージ３６０に機械的に間接的に結合されている。中間熱ステージ３３０の表面３３１が様々な形状で実装され得る。例えば、表面３３１は、円、四分円、三角形、四辺形などとして実装され得る。別の例として、表面３３１が不定形の形状として実装され得る。

中間熱ステージ３３０は、４Ｋステージ３２０及び冷却板ステージ３５０の間の電気信号の伝播を促進する配線構造３９０において介在するフィードスルー要素３３４を備え得る。配線構造３９０は、クライオスタット３００の内部に位置付けられるサンプル、及びクライオスタット３００に対して外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏラインを備え得る。例えば、配線構造３９０は、図２の駆動ライン２７１、フラックスライン２７３、ポンプライン２７５、及び／又は出力（又は読み出し）ライン２７７などのＩ／Ｏラインを備え得る。実施形態において、中間熱ステージ３３０は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はその組み合わせを備え得る。

中間熱ステージ３３０は、中間熱ステージ３３０に結合されている密封ポット３７０を介してクライオスタット３００のための追加の冷却能力を提供することができる。その目的に対して、密封ポット３７０は、ヘリウム媒体－ヘリウム４の蒸発冷却を促進する。凝縮器ライン（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｌｉｎｅ）３７２は、４Ｋステージ３２０を介して密封ポット３７０にポンプ３８０の出口ポート３８２を結合し得る。実施形態において、ポンプ３８０は密封ポット３７０を介してヘリウム媒体を循環させるための真空ポンプであり得る。実施形態において、ポンプ３８０は、クライオスタット３００に対して外部に位置する。実施形態において、ポンプ３８０は、クライオスタット３００の内部に位置する。この実施形態では、ポンプ３８０は吸着ポンプとして実装され得る。凝縮器ライン３７２は、密封ポット３７０に至るヘリウム媒体用の戻り経路を提供することができる。ポンピングライン３７４は、４Ｋステージ３２０を介して密封ポット３７０にポンプ３８０の入口ポート３８４を結合し得る。４Ｋステージ３２０は、フィードスルー要素３２３などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン３７２及び／又はポンピングライン３７４のための経路を提供することができる。

動作では、ヘリウム４は、気体状態で密封ポット３７０に向かって出口ポート３８２から流れ得る。フィードスルー要素３２３は凝縮器ライン３７２を４Ｋステージ３２０に熱的に固定し得る。ヘリウム４がフィードスルー要素３２３を通って流れると、ヘリウム４は気体状態から液体状態に遷移し得る。液体状態のヘリウム４は密封ポット３７０に収集され得る。ポンプ３８０の入口ポート３８４は密封ポット３７０に収集された液化ヘリウム４上方の圧力を低減し得る。気体状態のヘリウム４は、蒸発を経て密封ポット３７０に収集される液化ヘリウム４の上方で形成され、ポンピングライン３７４を介してポンプ３８０の入口ポート３８４に流れることができる。ポンピングライン３７４を流れる気体状態のヘリウム４により運ばれる熱は、密封ポット３７０に維持する液化ヘリウム４の温度を低減し得る。密封ポット３７０の液化ヘリウム４のこのような蒸発冷却は、中間熱ステージ３３０の温度を低減し得、中間熱ステージ３３０が約１Ｋの温度で動作し得るようにする。実施形態において、密封ポット３７０は、真空シール又は極低温シールされ得る。実施形態において、密封ポット３７０は、熱履歴の最適化を促進する焼結材料を備え得る。焼結材料は、銀、金、銅、プラチナなどを備え得る。

図４は、本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、追加の冷却能力を提供する中間熱ステージのある非限定的なクライオスタット４００の別の例を示す。図４に示されているように、クライオスタット４００は、外側真空チャンバの室温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０Ｋステージ４１０を備える。図４はまた、クライオスタット４００が４Ｋステージ４２０及び冷却板ステージ４５０の間に介在する複数の熱ステージをさらに備えることを示す。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ４３０及び中間熱ステージ４４０を含む。中間熱ステージ４４０は、サポートロッド４３２を介してスチルステージ４３０に、サポートロッド４４２を介して冷却板ステージ４５０に、機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ４４０は、サポートロッド４１２を介して５０Ｋステージ４１０に、サポートロッド４２２を介して４Ｋステージ４２０に、サポートロッド４５２を介して混合チャンバステージ４６０に機械的に間接的に結合されている。中間熱ステージ４４０の表面４４１は、様々な形状で実装され得る。例えば、表面４４１は、円、四分円、三角形、四辺形などとして実装され得る。別の例として、表面４４１は不定形な形状として実装され得る。

中間熱ステージ４４０は、４Ｋステージ４２０及び冷却板ステージ４５０の間の電気信号の伝播を促進する配線構造４９０において介在するフィードスルー要素４４４を備え得る。スチルステージ４３０はまた、配線構造４９０において介在するフィードスルー要素４３４を備え得る。配線構造４９０は、クライオスタット４００の内部に位置付けられるサンプル、及びクライオスタット４００に対して外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏラインを備え得る。例えば、配線構造４９０は、図２の駆動ライン２７１、フラックスライン２７３、ポンプライン２７５、及び／又は出力（又は読み出し）ライン２７７などのＩ／Ｏラインを備え得る。実施形態において、中間熱ステージ４４０は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はその組み合わせを備え得る。

中間熱ステージ４４０は、中間熱ステージ４４０に結合されている密封ポット４７０を介してクライオスタット４００のための追加の冷却能力を提供することができる。その目的に対して、密封ポット４７０は、ヘリウム媒体－ヘリウム３の蒸発冷却を促進する。凝縮器ライン４７２は、４Ｋステージ４２０を介して密封ポット４７０にポンプ４８０の出口ポート４８２を結合し得る。実施形態において、ポンプ４８０は、クライオスタット４００に対して外部に位置する。実施形態において、ポンプ４８０は、密封ポット４７０を介してヘリウム媒体を循環させるための真空ポンプであり得る。実施形態において、ポンプ４８０は、クライオスタット４００の内部に位置する。この実施形態において、ポンプ４８０は吸着ポンプとして実装され得る。凝縮器ライン４７２は、密封ポット４７０に至るヘリウム媒体用の戻り経路を提供することができる。ポンピングライン４７４は、４Ｋステージ４２０を介して密封ポット４７０にポンプ４８０の入口ポート４８４を結合し得る。４Ｋステージ４２０は、フィードスルー要素４２３などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン４７２及び／又はポンピングライン４７４のための経路を提供することができる。スチルステージ４３０は、フィードスルー要素４３３などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン４７２及び／又はポンピングライン４７４のための経路を提供することができる。

動作では、ヘリウム３は、気体状態で密封ポット４７０に向かって出口ポート４８２から流れ得る。フィードスルー要素４２３及び／又は４３３は凝縮器ライン４７２を４Ｋステージ４２０及び／又はスチルステージ４３０にそれぞれ熱的に固定し得る。ヘリウム３がフィードスルー要素４２３及び／又は４３３を通って流れると、ヘリウム３は気体状態から液体状態に遷移し得る。液体状態のヘリウム３は密封ポット４７０で収集され得る。ポンプ４８０の入口ポート４８４は密封ポット４７０で収集された液化ヘリウム３上方の圧力を低減し得る。気体状態のヘリウム３は、蒸発を経て密封ポット４７０に収集される液化ヘリウム３の上方で形成され、ポンピングライン４７４を介してポンプ４８０の入口ポート４８４に流れることができる。ポンピングライン４７４を流れる気体状態のヘリウム３により運ばれる熱は、密封ポット４７０に維持する液化ヘリウム３の温度を低減し得る。密封ポット４７０の液化ヘリウム３のこのような蒸発冷却は、中間熱ステージ４４０の温度を低減し得、中間熱ステージ４４０が約３００ｍＫの温度で動作し得るようにする。実施形態において、密封ポット４７０は、シール又は極低温シールされた真空であり得る。実施形態において、密封ポット４７０は、熱履歴の最適化を促進する焼結材料を備え得る。焼結材料は、銀、金、銅、プラチナなどを備え得る。

図５は、本明細書に記載される１つ又は複数の実施形態に係る、各々が追加の冷却能力を提供する複合中間熱ステージのある非限定的なクライオスタットの例を示す。図５に示されているように、クライオスタット５００は、外側真空チャンバの室温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０Ｋステージ５０５を備える。図５はまた、クライオスタット５００が４Ｋステージ５１０及び冷却板ステージ５３０の間に介在する複数の熱ステージをさらに備えることを示す。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ５２０及び複合中間熱ステージ（例えば、中間熱ステージ５１５及び中間熱ステージ５２５）を含む。

中間熱ステージ５１５は、サポートロッド５１２を介して４Ｋステージ５１０に、サポートロッド５１６を介してスチルステージ５２０に機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ５１５は、サポートロッド５０６を介して５０Ｋステージ５０５に、サポートロッド５２２を介して中間熱ステージ５２５に、サポートロッド５２６を介して冷却板ステージ５３０に、サポートロッド５３２を介して混合チャンバステージ５３５に、機械的に間接的に結合されている。中間熱ステージ５２５は、サポートロッド５２２を介してスチルステージ５２０に、サポートロッド５２６を介して冷却板ステージ５３０に機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ５２５は、サポートロッド５０６を介して５０Ｋステージ５０５に、サポートロッド５１２を介して４Ｋステージ５１０に、サポートロッド５１６を介して中間熱ステージ５１５に、サポートロッド５３２を介して混合チャンバステージ５３５に、機械的に間接的に結合されている。中間熱ステージ５１５及び５２５は、サポートロッド５１６及び５２２を介して、それぞれスチルステージ５２０の対向する側に機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ５１５及び５２５の表面５１９及び／又は５２９は、それぞれ様々な形状で実装され得る。例えば、表面５１９及び／又は５２９は、円、四分円、三角形、四辺形などとして実装され得る。別の例として、表面５１９及び／又は５２９は不定形な形状として実装され得る。

中間熱ステージ５１５及び５２５は、４Ｋステージ５１０及び冷却板ステージ５３０の間の電気信号の伝播を促進する配線構造５８０において介在するフィードスルー要素５１８及び５２８をそれぞれ備え得る。スチルステージ５２０はまた、配線構造５８０において介在するフィードスルー要素５２４を備え得る。配線構造５８０は、クライオスタット５００の内部に位置付けられるサンプル、及びクライオスタット５００に対して外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏラインを備え得る。例えば、配線構造５８０は、図２の駆動ライン２７１、フラックスライン２７３、ポンプライン２７５、及び／又は出力（又は読み出し）ライン２７７などのＩ／Ｏラインを備え得る。実施形態において、中間熱ステージ５１５及び／又は５２５は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はその組み合わせを備え得る。

中間熱ステージ５１５は、中間熱ステージ５１５に結合されている密封ポット５４０を介してクライオスタット５００のための追加の冷却能力を提供することができる。その目的に対して、密封ポット５４０は、ヘリウム媒体－ヘリウム４の蒸発冷却を促進する。凝縮器ライン５４２は、４Ｋステージ５１０を介して密封ポット５４０にポンプ５５０の出口ポート５５２を結合し得る。凝縮器ライン５４２は、密封ポット５４０に至るそのヘリウム媒体用の戻り経路を提供することができる。ポンピングライン５４４は、４Ｋステージ５１０を介して密封ポット５４０にポンプ５４０の入口ポート５５４を結合し得る。４Ｋステージ５１０は、フィードスルー要素５１３などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン５４２及び／又はポンピングライン５４４のための経路を提供することができる。

動作では、ヘリウム４は、気体状態で密封ポット５４０に向かって出口ポート５５２から流れ得る。フィードスルー要素５１３は、凝縮器ライン５４２を４Ｋステージ５１０に熱的に固定し得る。ヘリウム４がフィードスルー要素５１３を通って流れると、ヘリウム４は気体状態から液体状態に遷移し得る。液体状態のヘリウム４は、密封ポット５４０で収集し得る。ポンプ５５０の入口ポート５５４は、密封ポット５４０で収集された液化ヘリウム４上方の圧力を低減し得る。気体状態のヘリウム４は、蒸発を経て密封ポット５４０に収集される液化ヘリウム４の上方で形成され、ポンピングライン５５４を介してポンプ５５０の入口ポート５５４に流れることができる。ポンピングライン５５４を流れる気体状態のヘリウム４により運ばれる熱は、密封ポット５４０に維持する液化ヘリウム４の温度を低減し得る。密封ポット５４０の液化ヘリウム４のこのような蒸発冷却は、中間熱ステージ５１５の温度を低減し得、中間熱ステージ５１５が約１Ｋの温度で動作し得るようにする。

中間熱ステージ５２５は、中間熱ステージ５２５に結合されている密封ポット５６０を介してクライオスタット５００のための追加の冷却能力を提供することができる。その目的に対して、密封ポット５６０は、ヘリウム媒体－ヘリウム３の蒸発冷却を促進する。凝縮器ライン５６２は、４Ｋステージ５１０を介して密封ポット５６０にポンプ５７０の出口ポート５７２を結合し得る。実施形態において、ポンプ５５０及び／又は５７０は、それぞれ密封ポット５４０及び／又は５６０を介して対応するヘリウム媒体を循環させるための真空ポンプであり得る。実施形態において、ポンプ５７０及び／又は５５０は、クライオスタット５００に対して外部に位置し得る。実施形態において、ポンプ５７０及び／又は５５０は、クライオスタット５００に対して内部に位置し得る。この実施形態において、ポンプ５７０及び／又は５５０は吸着ポンプとして実装され得る。凝縮器ライン５６２は、密封ポット５６０に至るそのヘリウム媒体用の戻り経路を提供することができる。ポンピングライン５６４は、４Ｋステージ５１０を介して密封ポット５６０にポンプ５７０の入口ポート５７４を結合し得る。４Ｋステージ５１０は、フィードスルー要素５１４などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン５６２及び／又はポンピングライン５６４のための経路を提供することができる。中間熱ステージ５１５は、フィードスルー要素５１７などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン５６２及び／又はポンピングライン５６４のための経路を提供することができる。スチルステージ５２０は、フィードスルー要素５２３などのフィードスルー要素を介して凝縮器ライン５６２及び／又はポンピングライン５６４のための経路を提供することができる。

動作では、ヘリウム３は、気体状態で密封ポット５６０に向かって出口ポート５７２から流れ得る。フィードスルー要素５１４、５１７、及び／又は５２３は、それぞれ凝縮器ライン５６２を、４Ｋステージ５１０、中間熱ステージ５１５、及び／又はスチルステージ５２０に熱的に固定し得る。ヘリウム３がフィードスルー要素５１５、５１７、及び／又は５２３を通って流れると、ヘリウム３は気体状態から液体状態に遷移し得る。液体状態のヘリウム３は、密封ポット５６０で収集し得る。ポンプ５７０の入口ポート５７４は、密封ポット５６０で収集された液化ヘリウム３上方の圧力を低減し得る。気体状態のヘリウム３は、蒸発を経て密封ポット５６０に収集される液化ヘリウム３の上方で形成され、ポンピングライン５６４を介してポンプ５７０の入口ポート５７４に流れることができる。ポンピングライン５６４を流れる気体状態のヘリウム３により運ばれる熱は、密封ポット５６０に維持する液化ヘリウム３の温度を低減し得る。密封ポット５６０の液化ヘリウム３のこのような蒸発冷却は、中間熱ステージ５２５の温度を低減し得、中間熱ステージ５２５が約３００ｍＫの温度で動作し得るようにする。実施形態において、密封ポット５４０及び／又は５６０は、シール又は極低温シールされた真空であり得る。実施形態において、密封ポット５４０及び／又は５６０は、熱履歴の最適化を促進する焼結材料を備え得る。焼結材料は、銀、金、銅、プラチナなどを備え得る。

本発明の実施形態は、あらゆる可能な技術詳細レベルの統合におけるシステム、方法、及び／又は装置であり得る。上部で説明したものは、システム、方法、及び装置の単なる例を含んでいる。もちろん、本開示を説明する目的で、構成要素又はコンピュータ実装方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者ならば、本開示のさらに多くの組み合わせ及び順列が可能であることを認識できる。さらに、詳細な説明、特許請求の範囲、付録及び図面において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「有する（ｈａｓ）」、「所有する（ｐｏｓｓｅｓｓｅ）」などの用語が使用される範囲で、そのような用語は、特許請求の範囲の過渡的な単語として利用される場合に「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と解釈されるので、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語と同様の方法で包括的であることを意図している。

さらに、「又は」という用語は、排他的な「又は」ではなく、包括的な「又は」を意味することを意図している。すなわち、特に明記しない限り、又は文脈から明らかでない限り、「ＸはＡ又はＢを利用する」は、自然な包括的順列のいずれかを意味することを意図している。すなわち、ＸがＡを利用する場合、ＸがＢを利用する場合、又は、ＸがＡ及びＢの両方を利用する場合、前述のいずれの場合でも、「ＸはＡ又はＢを利用する」が満たされる。さらに、主題の明細書及び添付の図面で使用される冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、特に明記しない限り、又は文脈から単数形を指すことが明らかでない限り、一般に「１つ又は複数」を意味すると解釈されるべきである。本明細書で使用される場合、「例」及び／又は「例示的」という用語は、例、実例、又は例示として機能することを意味するために使用される。誤解を避けるために記すと、本明細書に開示される主題は、そのような例によって限定されない。さらに、本明細書で「例」及び／又は「例示的」として説明される任意の態様又は設計は、必ずしも他の態様又は設計よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではなく、当業者に知られている同等の例示的な構造及び技術を排除することを意味するものでもない。

様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であること、又は開示された実施形態に限定することを意図するものではない。記載されている実施形態の範囲及び趣旨から逸脱することのない多くの修正及び変形が、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される専門用語は、実施形態の原理、市場で見られる技術の実用的な適用、又は、それに対する技術的改善を最適に説明するように、又は、本明細書で開示される実施形態を他の当業者が理解することを可能にするように選択された。

特定の例示的な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、例としてのみ提示されたものであり、本明細書の開示の範囲を限定することを意図するものではない。そのため、前述の記載のいずれも、任意の特定の特徴、特性、ステップ、モジュール、又はブロックが必要又は不可欠であることを暗示することを意図していない。実際、本明細書に記載の新規な方法及びシステムは、他の様々な形式で具体化することができる；さらに、本明細書に記載の方法及びシステムの形態における様々な省略、置換及び変更が、本明細書の本開示の趣旨から逸脱しないのであれば、行われてもよい。添付の特許請求の範囲及びその均等物は、本明細書の特定の開示の範囲及び趣旨に含まれるような形態又は修正を包含することを意図している。

Claims (23)

1. クライオスタットであって、
   ４ケルビンステージ（４Ｋステージ）及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージであって、前記クライオスタットのための追加の冷却能力を提供するスチルステージ及び中間熱ステージを有し、前記中間熱ステージはサポートロッドを介して前記スチルステージに直接的に機械的に結合されている、複数の熱ステージ
   を備える、クライオスタット。
2. 前記中間熱ステージが約１ケルビンの温度で動作する、請求項１に記載のクライオスタット。
3. 前記中間熱ステージが、約３００ミリケルビン（ｍＫ）の温度で動作する、請求項１に記載のクライオスタット。
4. ヘリウム媒体の蒸発冷却を促進する前記中間熱ステージに結合されている密封ポット
   をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のクライオスタット。
5. 前記密封ポットが真空シール又は極低温シールされている、請求項４に記載のクライオスタット。
6. 前記ヘリウム媒体がヘリウム４又はヘリウム３である、請求項４又は５に記載のクライオスタット。
7. ポンプの出口ポートが、前記密封ポットに至る前記ヘリウム媒体用の戻り経路を提供するよう前記密封ポットに結合されている、請求項４から６のいずれか一項に記載のクライオスタット。
8. 前記密封ポットが、熱履歴の最適化を促進する焼結材料を備える、請求項４から７のいずれか一項に記載のクライオスタット。
9. 前記中間熱ステージが、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はその組み合わせを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のクライオスタット。
10. 前記中間熱ステージが、前記４Ｋステージ及び前記冷却板ステージの間の電気信号の伝播を促進する配線構造において介在するフィードスルー要素を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載のクライオスタット。
11. 前記４Ｋステージを介して前記クライオスタット及び前記中間熱ステージに対して外部に位置するポンプを結合するポンピングライン
    をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のクライオスタット。
12. クライオスタットであって、
    サポートロッドを介して中間熱ステージに直接機械的に結合されているスチルステージ、ここで前記中間熱ステージが前記クライオスタットのための追加の冷却能力を提供し、前記スチルステージ及び前記中間熱ステージが、４ケルビンステージ（４Ｋステージ）及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージの間に含まれる、
    を備える、クライオスタット。
13. 前記スチルステージが、前記中間熱ステージを介して、前記４Ｋステージ及び前記冷却板ステージの間の電気信号の伝播を促進する配線構造において介在するフィードスルー要素を備える、請求項１２に記載のクライオスタット。
14. 前記スチルステージが、前記４Ｋステージを介して前記クライオスタット及び前記中間熱ステージに対して外部に位置するポンプを結合するポンピングライン用の経路を設ける、請求項１２又は１３に記載のクライオスタット。
15. 前記複数の熱ステージが、前記クライオスタットのための追加の冷却能力を提供する追加の中間熱ステージをさらに含み、前記中間熱ステージ及び前記追加の中間熱ステージがそれぞれのサポートロッドを介して、前記スチルステージの対向する側に直接的に結合されている、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のクライオスタット。
16. 前記中間熱ステージが、約１ケルビンの温度で動作する、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のクライオスタット。
17. 前記中間熱ステージが、約３００ミリケルビン（ｍＫ）の温度で動作する、請求項１２から１５のいずれか一項に記載のクライオスタット。
18. クライオスタットであって、
    ヘリウム媒体の蒸発冷却を促進する密封ポット、ここで前記密封ポットが前記クライオスタットのための追加の冷却能力を提供する中間熱ステージに結合され、前記中間熱ステージは、サポートロッドを介してスチルステージに直接機械的に結合され、前記スチルステージ及び前記中間熱ステージは、４ケルビンステージ（４Ｋステージ）及び冷却板ステージの間に介在する複数の熱ステージの間に含まれる、
    を備える、クライオスタット。
19. 前記ヘリウム媒体がヘリウム４又はヘリウム３である、請求項１８に記載のクライオスタット。
20. 前記密封ポットが、熱履歴の最適化を促進する焼結材料を備える、請求項１８又は１９に記載のクライオスタット。
21. 前記クライオスタットのための追加の冷却能力を提供する追加の中間熱ステージに結合される追加の密封ポット、ここで前記複数の熱ステージが、前記追加の中間熱ステージをさらに有し、前記中間熱ステージ及び前記追加の中間熱ステージが、それぞれのサポートロッドを介して、前記スチルステージの対向する側に機械的に直接的に結合されている、
    をさらに備える、請求項１８から２０のいずれか一項に記載のクライオスタット。
22. 前記密封ポットが、ポンピングラインを介して前記クライオスタットに対して外部に位置するポンプに結合され、前記４Ｋステージが前記ポンピングライン用の経路を提供する、請求項１８から２１のいずれか一項に記載のクライオスタット。
23. 前記密封ポットが、凝縮器ライン（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｌｉｎｅ）を介して前記クライオスタットに対して外部に位置するポンプに結合され、前記４Ｋステージが前記凝縮器ライン用の経路を提供する、請求項１８から２２のいずれか一項に記載のクライオスタット。

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