JP2024505388A - 共通の真空空間内で区分された複数の極低温システム - Google Patents

Abstract

共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易に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、複数の熱ステージ及び熱スイッチを備え得る。複数の熱ステージは、４－ケルビン（Ｋ）ステージ及び冷却板ステージの間に介在し得る。複数の熱ステージは、スチルステージ、及び、支柱を介してスチルステージに機械的に直接的に結合され得る中間熱ステージを有し得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合され得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にし得る。

Description

本開示は、極低温環境に関し、より具体的には、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする技法に関する。

以下、本発明の１つ又は複数の実施形態の基本的な理解を提供するための概要を示す。この概要は、主要又は重要な要素を識別すること、又は、特定の実施形態の範囲又は特許請求の範囲を定義することを意図するものではない。その唯一の目的は、後に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示すことである。本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態において、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にするシステム、デバイス、及び／又は方法が説明される。

一実施形態によれば、クライオスタットは、複数の熱ステージ及び熱スイッチを備え得る。複数の熱ステージは、４－ケルビン（Ｋ）ステージ及び冷却板ステージの間に介在し得る。複数の熱ステージは、スチルステージ（Ｓｔｉｌｌ ｓｔａｇｅ）、及び、支柱を介してスチルステージに機械的に直接的に結合され得る中間熱ステージを有し得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合され得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にし得る。

別の実施形態によれば、クライオスタットは、スチルステージ及び熱スイッチを備え得る。スチルステージは、支柱を介して中間熱ステージに機械的に直接的に結合され得る。スチルステージ及び中間熱ステージは、４－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の中に含まれ得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合され得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にし得る。

別の実施形態によれば、クライオスタットは、封じ込められた熱容積及び熱スイッチを備え得る。封じ込められた熱容積は、熱シールドに結合された中間熱ステージにより形成され得る。中間熱ステージは、支柱を介してスチルステージに機械的に直接的に結合され得る。スチルステージ及び中間熱ステージは、４－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の中に含まれ得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合され得る。熱スイッチは、中間熱ステージ及び隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にし得る。

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、例示的で非限定的なクライオスタットを示す。

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

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする切り替え可能な熱経路を有する、例示的で非限定的なクライオスタットを示す。

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする切り替え可能な熱経路を有する、別の例示的で非限定的なクライオスタットを示す。

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする複数の切り替え可能な熱経路を有する、例示的で非限定的なクライオスタットを示す。

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、結合状態にある切り替え可能な熱経路を容易にする、例示的で非限定的な熱スイッチを示す。

分離状態にある図６の例示的で非限定的な熱スイッチを示す。

本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、切り替え可能な熱経路を容易にする、別の例示的で非限定的な熱スイッチを示す。

以下の詳細な説明は単なる例示であり、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。更に、前述の技術分野又は発明の概要の章、又は、発明を実施するための形態の章に提示されるいかなる明示的又は黙示的情報によっても拘束される意図はない。

１つ又は複数の実施形態が、ここで、図面を参照して説明されるが、図面において、同様の参照符号は、全体を通して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、多くの特定の詳細が、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される。しかしながら、様々な場合において、１つ又は複数の実施形態が、これらの特定の詳細なくして実施され得ることは明白である。

図１は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、例示的で非限定的なクライオスタット１００を示す。図１において示される通り、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により形成された外側真空チャンバ１１０を備える。動作中、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の内部１６０の間の圧力差を維持し得る。クライオスタット１００は、内部１６０内に配設され、それぞれが天板１３０に機械的に結合されている複数の熱ステージ（又はステージ）１７０を更に備える。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を有する。複数のステージ１７０のうちの各ステージは、異なる温度に関連付けられ得る。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（５０－Ｋ）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（４－Ｋ）ステージであり得、ステージ１７５は、７００ミリケルビン（ｍＫ）の温度に関連付けられ得、ステージ１７７は、１００ｍＫの温度に関連付けられ得、ステージ１７９は、１０ｍＫの温度に関連付けられ得る。複数のステージ１７０のうちの各ステージは、複数の支柱（例えば、支柱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隔離されている。一実施形態において、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、またステージ１７９は混合チャンバステージであり得る。

図２は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、例示的で非限定的なクライオスタット２００の回路概略図を示す。クライオスタット（例えば、図１のクライオスタット１００）は、クライオスタット内に位置する試料設置面上に配置された試料又はデバイスを絶対零度に近い温度で維持し、そのような試料又はデバイスを極低温条件下で評価することを容易にし得る。クライオスタットは通常、外側真空チャンバの常温板（例えば、天板１３０）に機械的に結合された５つの熱ステージを用いて、そのような低温を提供する。クライオスタットの５つの熱ステージは、後続の各熱ステージが、先行する熱ステージで存在するよりも漸進的により低い温度を有する熱プロファイルを有し得る。極低温条件下で試料又はデバイスを評価することは、通常、クライオスタットの外部の常温状態に置かれた１つ又は複数のデバイスを用いて、そのような試料又はデバイスと相互作用することを伴う。そのために、クライオスタットは、クライオスタット内に配置された試料及びクライオスタットの外部のデバイスの間の電気信号の伝搬を容易にする入／出力（Ｉ／Ｏ）線を備え得る。

例として、超伝導量子ビットは、クライオスタット２００の試料設置面２６０上に配置され得る。試料設置面２６０上に配置された超伝導量子ビットを、クライオスタット２００の外部の１つ又は複数のデバイスに結合するのは、４本のＩ／Ｏ線、すなわち、駆動線２７１；磁束線２７３；ポンプ線２７５；及び出力（又は読み出し）線２７７である。当業者であれば、これらの４本のＩ／Ｏ線が、クライオスタット２００にかけられた熱負荷に多くの方法で寄与し得ることを理解するであろう。４本のＩ／Ｏ線が熱負荷に寄与し得る１つの方法は、各Ｉ／Ｏ線が、熱経路を提供し得、それに沿って、より高温の熱ステージからより低温の熱ステージに熱が伝導され得ることである。例えば、図２において、駆動線２７１は、クライオスタット２００の５０－Ｋ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る。クライオスタット２００を通るそのルーティングパスに沿って、駆動線２７１は、熱経路を提供し得、それを通じて、５０－Ｋステージ２１０から４－Ｋステージ２２０へなど、より高温の熱ステージからより低温の熱ステージへと熱が伝導され得る。

４本のＩ／Ｏ線が熱負荷に寄与し得る別の方法は、所与の各Ｉ／Ｏ線に沿って、又は介在する電気コンポーネントを介して、伝搬する信号の散逸に起因して生成される熱（例えば、ジュール加熱）に関連する。例えば、試料設置面２６０上に配置された超伝導量子ビットに関連付けられたＳＱＵＩＤループに向かい、磁束線２７３に沿って伝搬するマイクロ波磁束信号は、熱結合２７４を介してクライオスタット２００のスチルステージ２３０上に熱を導入し得る。別の例として、進行波パラメトリック増幅器（ＴＷＰＡ）２８１の動作のために磁束線２７３に沿って伝搬するマイクロ波ポンプ信号は、磁束線２７３及び冷却ステージ２４０に結合された減衰器２８３を介して、冷却ステージ２４０上に熱を導入し得る。

４本のＩ／Ｏ線が熱負荷に寄与し得る別の方法は、より高温の熱ステージがより低温の熱ステージに呈する放射負荷に関わる。例えば、出力線２７７を介して試料設置面２６０上に配置された超伝導量子ビットの測定を容易にするために、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）増幅器２８５にバイアスを与える直流（ＤＣ）信号は、４－Ｋステージ２２０上に熱を導入し得る。４－Ｋステージ２２０上に導入されたそのような熱は、より低温の熱ステージ（例えば、スチルステージ２３０）を、４－Ｋ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呈する放射負荷に曝露し得る。

上述の通り、クライオスタットは、クライオスタット内に位置する試料設置面上に配置された試料又はデバイスを絶対零度に近い温度で維持し、そのような試料又はデバイスを極低温条件下で評価することを容易にし得る。そのような極低温条件を提供するために通常用いられるクライオスタットの５つの熱ステージは、後続の各熱ステージが、先行する熱ステージで存在するよりも漸進的により低い温度を有する熱プロファイルを有し得る。その熱プロファイルは、５つの熱ステージを封じ込めるクライオスタットの外側真空チャンバにより画定される共通の真空空間内に存在し得る。

幾つかの事例において、絶対零度に近い温度は、極低温条件下で試料又はデバイスを評価するにあたり有利であり得る。例えば、絶対零度に近い温度は、超伝導回路におけるインコヒーレントノイズ、閉じ込められた超流体ヘリウム－３におけるエキゾチックな相転移、及び、高相関のシステムにおける局在性及び無秩序のトポロジー効果を評価するにあたり有利であり得る。他の事例において、より高い温度は、極低温条件下で試料又はデバイスを評価するのに十分であり得る。例えば、約４Ｋの温度は、極低温条件下でＨＥＭＴデバイス又は幾つかのニオブ（Ｎｂ）共振器を評価するのに十分であり得る。別の例として、約１Ｋの温度は、極低温条件下で幾つかのジョセフソン接合（ＪＪ）デバイス（例えば、ＪＪ電界効果トランジスタ）又は幾つかのＮＢ共振器を評価するのに十分であり得る。別の例として、約３００ｍＫの温度は、量子ビットデバイス、マイクロ波コンポーネント、又は幾つかのＪＪデバイスを評価するのに十分であり得る。従って、クライオスタットの共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムは、異なる評価条件に対応すべくクライオスタットの熱プロファイルを柔軟に変更することにより、効率の改善を容易にし得る。本明細書に記載の実施形態は、クライオスタットに追加的な冷却能力を提供する中間熱ステージ及び隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする。

図３は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする切り替え可能な熱経路を有する、例示的で非限定的なクライオスタット３００を示す。図３により示される通り、クライオスタット３００は、外側真空チャンバ（図示せず）の常温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０－Ｋステージ３０５を備える。外側真空チャンバは、クライオスタット３００の様々な熱ステージを共通の圧力で封じ込める共通の真空空間（例えば、内部１６０）を画定し得る。

クライオスタット３００は、４－Ｋステージ３１０及び冷却板ステージ３２５の間に介在する複数の熱ステージを更に備える。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ３２０及び中間熱ステージ３１５を有する。中間熱ステージ３１５は、支柱３１１を介して４－Ｋステージ３１０に、及び支柱３１６を介してスチルステージ３２０に、機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ３１５は、支柱３０６を介して５０－Ｋステージ３０５に、支柱３２１を介して冷却板ステージ３２５に、及び支柱３２６を介して混合チャンバステージ３３０に、機械的に間接的に結合されている。

図３はまた、クライオスタット３００が、中間熱ステージ３１５に結合された熱シールド３４２により形成され得る、封じ込められた熱容積３４０を更に備えることを示す。封じ込められた熱容積３４０は、封じ込められた熱容積３４０の外部に存在するクライオスタット３００の容積３４５から熱的に隔離され得る。図３において、熱シールド３４２は、中間熱ステージ３１５及び熱プレート３４４の間に介在し、封じ込められた熱容積３４０を形成するものとして示されている。しかしながら、他の実施形態において、熱シールド３４２及び熱プレート３４４は、単一の要素を中間熱ステージ３１５に結合することで、封じ込められた熱容積３４０を形成し得るよう、単一の要素として実装され得る。

中間熱ステージ３１５は、４－Ｋステージ３１０及び冷却板ステージ３２５の間の電気信号の伝搬を容易にする配線構造３７０に介在する、フィードスルー要素３１７を有し得る。配線構造３７０は、クライオスタット３００内に配置された試料及びクライオスタット３００の外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏ線を含み得る。例えば、配線構造３７０は、図２の駆動線２７１、磁束線２７３、ポンプ線２７５、及び／又は出力（又は読み出し）線２７７などのＩ／Ｏ線を含み得る。一実施形態において、中間熱ステージ３１５は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はこれらの組み合わせを有し得る。

中間熱ステージ３１５は、中間熱ステージ３１５に結合された密封ポット３５０を介して、クライオスタット３００のために追加的な冷却能力を提供し得る。そのために、密封ポット３５０は、ヘリウム媒体、すなわちヘリウム－４の気化冷却を容易にする。コンデンサ線３５２は、４－Ｋステージ３１０を介して、ポンプ３６０の出口ポート３６２を密封ポット３５０に結合し得る。一実施形態において、ポンプ３６０は、密封ポット３５０を通じ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。一実施形態において、ポンプ３６０は、クライオスタット３００の外部に位置し得る。一実施形態において、ポンプ３６０は、クライオスタット３００内に位置し得る。この実施形態において、ポンプ３６０は、吸着ポンプ（ｓｏｒｂ ｐｕｍｐ）として実装され得る。コンデンサ線３５２は、ヘリウム媒体のための密封ポット３５０への戻り経路を提供し得る。ポンピング線３５４は、４－Ｋステージ３１０を介して、ポンプ３６０の入口ポート３６４を密封ポット３５０に結合し得る。４－Ｋステージ３１０は、フィードスルー要素３１２などのフィードスルー要素を介して、コンデンサ線３５２及び／又はポンピング線３５４のための通路を提供し得る。

図３により示される通り、クライオスタット３００は、中間熱ステージ３１５及び隣接する熱ステージに結合された熱スイッチ３８０を更に備える。図３の例において、その隣接する熱ステージは、４－Ｋステージ３１０である。熱スイッチ３８０を実装するにあたり好適である例示的で非限定的な熱スイッチは、図６～図７に関して以下でより詳細に論述される。熱スイッチ３８０は、中間熱ステージ３１５及び４－Ｋステージ３１０の間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタット３００の熱プロファイルを変更することを容易にし得る。そのために、熱スイッチ３８０の伝達媒体は、熱スイッチ３８０が結合状態にある場合に、中間熱ステージ３１５を４－Ｋステージ３１０に熱的に結合（又は短絡）させる熱経路を提供し得る。熱スイッチ３８０が結合状態から分離状態へと遷移する場合、熱スイッチ３８０の伝達媒体により提供された熱経路は除去され、それにより、中間熱ステージ３１５を４－Ｋステージ３１０から熱的に分離させ得る。

一実施形態において、伝達媒体は、ヘリウム媒体を含み得る。一実施形態において、伝達媒体は、超伝導材料（例えば、アルミニウム）を含み得る。この実施形態において、熱スイッチ３８０は、伝達媒体を非超伝導状態から超伝導状態へと遷移させることにより、分離状態へと遷移され得る。一実施形態において、伝達媒体は、伝達媒体の温度を、超伝導材料の臨界温度未満に低下させることにより、非超伝導状態から超伝導状態へと遷移され得る。一実施形態において、超伝導材料は、磁場内に配置され得る。一実施形態において、伝達媒体は、磁場の強度を超伝導材料の臨界磁場よりも上に高めることにより、超伝導状態から非超伝導状態へと遷移され得る。

動作中において、ヘリウム－４は、出口ポート３６２から密封ポット３５０に向かって、気体状態で流れ得る。フィードスルー要素３１２は、コンデンサ線３５２を４－Ｋステージ３１０に熱的に固定し得る。ヘリウム－４がフィードスルー要素３１２を流れ出ると、ヘリウム－４は、気体状態から液体状態へと遷移し得る。液体状態にあるヘリウム－４は、密封ポット３５０内に集積し得る。熱スイッチ３８０が分離状態にある場合、ポンプ３６０の入口ポート３６４は、密封ポット３５０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を低下させるように動作され得る。気体状態にあるヘリウム－４は、気化により密封ポット３５０内に集積された液化ヘリウム－４の上方に形成され、ポンピング線３５４を介してポンプ３６０の入口ポート３６４に流れ得る。ポンピング線３５４を通じて流れる気体状態のヘリウム－４により熱が運ばれることで、密封ポット３５０内に残存する液化ヘリウム－４の温度を低下させ得る。密封ポット３５０内における液化ヘリウム－４のそのような気化冷却は、中間熱ステージ３１５の温度を低下させ得、それにより、中間熱ステージ３１５は、約１Ｋの温度で動作し得る。

中間熱ステージ３１５を約１Ｋの温度で動作させることは、クライオスタット３００を、共通の真空空間内で異なる温度で動作する複数の極低温システム（例えば、封じ込められた熱容積３４０及び容積３４５）に区分することを容易にし得る。例えば、クライオスタット３００は、中間熱ステージ３１５及びスチルステージ３２０の間に介在する熱スイッチ；スチルステージ３２０及び冷却板ステージ３２５の間に介在する熱スイッチ；及び冷却板ステージ３２５及び混合チャンバステージ３３０の間に介在する熱スイッチなどの追加的な熱スイッチ（図示せず）を更に備え得る。この例において、それぞれの介在する熱スイッチは結合状態へと遷移され得、それにより、スチルステージ３２０、冷却板ステージ３２５、及び混合チャンバステージ３３０はそれぞれ、中間熱ステージ３１５と均熱化され、約１Ｋの温度で動作し得る。

熱スイッチ３８０が結合状態にある場合、ポンプ３６０の入口ポート３６４は、密封ポット３５０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を、共通の真空空間の共通の圧力に維持するように動作され得る。密封ポット３５０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を共通の圧力に維持することは、密封ポット３５０内の液化ヘリウム－４の気化冷却を阻害し得る。そのような気化冷却が行われない場合、中間熱ステージ３１５は、熱スイッチ３８０により提供された熱経路を介して４－Ｋステージ３１０と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ３１５は、約４Ｋの温度で動作し得る。一実施形態において、密封ポット３５０は、真空密封又は極低温密封され得る。一実施形態において、密封ポット３５０は、熱履歴の最適化を容易にする焼結材料を含み得る。焼結材料は、銀、金、銅、及びプラチナなどを含み得る。

図４は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする切り替え可能な熱経路を有する、別の例示的で非限定的なクライオスタット４００を示す。図４により示される通り、クライオスタット４００は、外側真空チャンバ（図示せず）の常温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０－Ｋステージ４０５を備える。外側真空チャンバは、クライオスタット４００の様々な熱ステージを共通の圧力で封じ込める共通の真空空間（例えば、内部１６０）を画定し得る。

クライオスタット４００は、４－Ｋステージ４１０及び冷却板ステージ４２５の間に介在する複数の熱ステージを更に備える。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ４１５及び中間熱ステージ４２０を有する。中間熱ステージ４２０は、支柱４１６を介してスチルステージ４１５に、及び支柱４２１を介して冷却板ステージ４２５に、機械的に直接的に結合されている。中間熱ステージ４２０は、支柱４０６を介して５０－Ｋステージ４０５に、支柱４１１を介して４－Ｋステージ４１０に、及び支柱４２６を介して混合チャンバステージ４３０に、機械的に間接的に結合されている。

図４はまた、クライオスタット４００が、中間熱ステージ４２０に結合された熱シールド４４２により形成され得る、封じ込められた熱容積４４０を更に備えることを示す。封じ込められた熱容積４４０は、封じ込められた熱容積４４０の外部に存在するクライオスタット４００の容積４４５から熱的に隔離され得る。図４において、熱シールド４４２は、中間熱ステージ４２０及び熱プレート４４４の間に介在し、封じ込められた熱容積４４０を形成するものとして示されている。しかしながら、他の実施形態において、熱シールド４４２及び熱プレート４４４は、単一の要素を中間熱ステージ４２０に結合することで、封じ込められた熱容積４４０を形成し得るよう、単一の要素として実装され得る。

中間熱ステージ４２０は、４－Ｋステージ４１０及び冷却板ステージ４２５の間の電気信号の伝搬を容易にする配線構造４７０に介在する、フィードスルー要素４２２を有し得る。スチルステージ４１５はまた、配線構造４７０に介在するフィードスルー要素４１８を含み得る。配線構造４７０は、クライオスタット４００内に配置された試料及びクライオスタット４００の外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏ線を含み得る。例えば、配線構造４７０は、図２の駆動線２７１、磁束線２７３、ポンプ線２７５、及び／又は出力（又は読み出し）線２７７などのＩ／Ｏ線を含み得る。一実施形態において、中間熱ステージ４２０は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はこれらの組み合わせを有し得る。

中間熱ステージ４２０は、中間熱ステージ４２０に結合された密封ポット４５０を介して、クライオスタット４００のために追加的な冷却能力を提供し得る。そのために、密封ポット４５０は、ヘリウム媒体、すなわちヘリウム－３の気化冷却を容易にする。コンデンサ線４５２は、４－Ｋステージ４１０を介して、ポンプ４６０の出口ポート４６２を密封ポット４５０に結合し得る。一実施形態において、ポンプ４６０は、密封ポット４５０を通じ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。一実施形態において、ポンプ４６０は、クライオスタット４００の外部に位置し得る。一実施形態において、ポンプ４６０は、クライオスタット４００内に位置し得る。この実施形態において、ポンプ４６０は、吸着ポンプとして実装され得る。コンデンサ線４５２は、ヘリウム媒体のための密封ポット４５０への戻り経路を提供し得る。ポンピング線４５４は、４－Ｋステージ４１０を介して、ポンプ４６０の入口ポート４６４を密封ポット４５０に結合し得る。４－Ｋステージ４１０は、フィードスルー要素４１２などのフィードスルー要素を介して、コンデンサ線４５２及び／又はポンピング線４５４のための通路を提供し得る。スチルステージ４１５は、フィードスルー要素４２２などのフィードスルー要素を介して、コンデンサ線４５２及び／又はポンピング線４５４のための通路を提供し得る。

図４により示される通り、クライオスタット４００は、中間熱ステージ４２０及び隣接する熱ステージに結合された熱スイッチ４８０を更に備える。図４の例において、その隣接する熱ステージは、スチルステージ４１５である。熱スイッチ４８０を実装するにあたり好適である例示的で非限定的な熱スイッチは、図６～図７に関して以下でより詳細に論述される。熱スイッチ４８０は、中間熱ステージ４２０及びスチルステージ４１５の間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタット４００の熱プロファイルを変更することを容易にし得る。そのために、熱スイッチ４８０の伝達媒体は、熱スイッチ４８０が結合状態にある場合に、中間熱ステージ４２０をスチルステージ４１５に熱的に結合（又は短絡）させる熱経路を提供し得る。熱スイッチ４８０が結合状態から分離状態へと遷移する場合、熱スイッチ４８０の伝達媒体により提供された熱経路は除去され、それにより、中間熱ステージ４２０をスチルステージ４１５から熱的に分離させ得る。

一実施形態において、伝達媒体は、ヘリウム媒体を含み得る。一実施形態において、伝達媒体は、超伝導材料（例えば、アルミニウム）を含み得る。この実施形態において、熱スイッチ４８０は、伝達媒体を非超伝導状態から超伝導状態へと遷移させることにより、分離状態へと遷移され得る。一実施形態において、伝達媒体は、伝達媒体の温度を、超伝導材料の臨界温度未満に低下させることにより、非超伝導状態から超伝導状態へと遷移され得る。一実施形態において、超伝導材料は、磁場内に配置され得る。一実施形態において、伝達媒体は、磁場の強度を超伝導材料の臨界磁場よりも上に高めることにより、超伝導状態から非超伝導状態へと遷移され得る。

動作中において、ヘリウム－３は、出口ポート４６２から密封ポット４５０に向かって、気体状態で流れ得る。フィードスルー要素４１２及び／又は４１７は、コンデンサ線４５２を、４－Ｋステージ４１０及び／又はスチルステージ４１５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４１２及び／又は４１７を流れ出ると、ヘリウム－３は、気体状態から液体状態へと遷移し得る。液体状態にあるヘリウム－３は、密封ポット４５０内に集積し得る。熱スイッチ４８０が分離状態にある場合、ポンプ４６０の入口ポート４６４は、密封ポット４５０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を低下させるように動作され得る。気体状態にあるヘリウム－３は、気化により密封ポット４５０内に集積された液化ヘリウム－３の上方に形成され、ポンピング線４５４を介してポンプ４６０の入口ポート４６４に流れ得る。ポンピング線４５４を通じて流れる気体状態のヘリウム－３により熱が運ばれることで、密封ポット４５０内に残存する液化ヘリウム－３の温度を低下させ得る。密封ポット４７０内における液化ヘリウム－３のそのような気化冷却は、中間熱ステージ４２０の温度を低下させ得、それにより、中間熱ステージ４２０は、約３００ｍＫの温度で動作し得る。

中間熱ステージ４２０を約３００ｍＫの温度で動作させることは、クライオスタット４００を、共通の真空空間内で異なる温度で動作する複数の極低温システム（例えば、封じ込められた熱容積４４０及び容積４４５）に区分することを容易にし得る。例えば、クライオスタット４００は、中間熱ステージ４２０及び冷却板ステージ４２５の間に介在する熱スイッチ；及び冷却板ステージ４２５及び混合チャンバステージ４３０の間に介在する熱スイッチなどの追加的な熱スイッチ（図示せず）を更に備え得る。この例において、それぞれの介在する熱スイッチは結合状態へと遷移され得、それにより、冷却板ステージ４２５及び混合チャンバステージ４３０はそれぞれ、中間熱ステージ４２０と均熱化され、約３００ｍＫの温度で動作し得る。

熱スイッチ４８０が結合状態にある場合、ポンプ４６０の入口ポート４６４は、密封ポット４５０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を、共通の真空空間の共通の圧力に維持するように動作され得る。密封ポット４５０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を共通の圧力に維持することは、密封ポット４５０内の液化ヘリウム－３の気化冷却を阻害し得る。そのような気化冷却が行われない場合、中間熱ステージ４２０は、熱スイッチ４８０により提供された熱経路を介してスチルステージ４１５と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ４２０は、約７００ｍＫの温度で動作し得る。一実施形態において、密封ポット４５０は、真空密封又は極低温密封され得る。一実施形態において、密封ポット４５０は、熱履歴の最適化を容易にする焼結材料を含み得る。焼結材料は、銀、金、銅、及びプラチナなどを含み得る。

図５は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、共通の真空空間内で区分された複数の極低温システムを容易にする複数の切り替え可能な熱経路を有する、例示的で非限定的なクライオスタット５００を示す。図５により示される通り、クライオスタット５００は、外側真空チャンバ（図示せず）の常温板（例えば、図１の天板１３０）に結合され得る５０－Ｋステージ５０５を備える。外側真空チャンバは、クライオスタット５００の様々な熱ステージを共通の圧力で封じ込める共通の真空空間（例えば、内部１６０）を画定し得る。クライオスタット５００は、４－Ｋ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更に備える。それらの複数の熱ステージは、スチルステージ５２０及び複数の中間熱ステージ（例えば、中間熱ステージ５１５及び中間熱ステージ５２５）を有する。

図５はまた、クライオスタット５００が、封じ込められた熱容積５４０、及び、封じ込められた熱容積５４０内に入れ子にされた封じ込められた熱容積５５０を更に備えることを示す。封じ込められた熱容積５４０は、封じ込められた熱容積５５０及び封じ込められた熱容積５４０の外部に存在するクライオスタット５００の容積５４５から熱的に隔離され得る。封じ込められた熱容積５４０は、中間熱ステージ５１５に結合された熱シールド５４２により形成され得る。図５において、熱シールド５４２は、中間熱ステージ５１５及び熱プレート５４４の間に介在し、封じ込められた熱容積５４０を形成するものとして示されている。しかしながら、他の実施形態において、熱シールド５４２及び熱プレート５４４は、単一の要素を中間熱ステージ５１５に結合することで、封じ込められた熱容積５４０を形成し得るよう、単一の要素として実装され得る。封じ込められた熱容積５５０は、中間熱ステージ５２５に結合された熱シールド５５２により形成され得る。図５において、熱シールド５５２は、中間熱ステージ５２５及び熱プレート５５４の間に介在し、封じ込められた熱容積５５０を形成するものとして示されている。しかしながら、他の実施形態において、熱シールド５５２及び熱プレート５５４は、単一の要素を中間熱ステージ５２５に結合することで、封じ込められた熱容積５５０を形成し得るよう、単一の要素として実装され得る。

中間熱ステージ５１５は、支柱５１１を介して４－Ｋステージ５１０に、及び支柱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、支柱５０６を介して５０－Ｋステージ５０５に、支柱５２１を介して中間熱ステージ５２５に、支柱５２６を介して冷却板ステージ５３０に、及び支柱５３１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、支柱５２１を介してスチルステージ５２０に、及び支柱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、支柱５０６を介して５０－Ｋステージ５０５に、支柱５１１を介して４－Ｋステージ５１０に、支柱５１６を介して中間熱ステージ５１５に、及び支柱５３１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、支柱５１６及び５２１をそれぞれ介して、スチルステージ５２０の両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は、４－Ｋステージ５１０及び冷却板ステージ５３０の間の電気信号の伝搬を容易にする配線構造５８０に介在する、フィードスルー要素５１８及び５２７をそれぞれ有し得る。スチルステージ５２０はまた、配線構造５８０に介在するフィードスルー要素５２３を含み得る。配線構造５８０は、クライオスタット５００内に配置された試料及びクライオスタット５００の外部の１つ又は複数のデバイスを結合するＩ／Ｏ線を含み得る。例えば、配線構造５８０は、図２の駆動線２７１、磁束線２７３、ポンプ線２７５、及び／又は出力（又は読み出し）線２７７などのＩ／Ｏ線を含み得る。一実施形態において、中間熱ステージ５１５及び／又は５２５は、銅、金、銀、真鍮、プラチナ、又はこれらの組み合わせを有し得る。

中間熱ステージ５１５は、中間熱ステージ５１５に結合された密封ポット５６０を介して、クライオスタット５００のために追加的な冷却能力を提供し得る。そのために、密封ポット５６０は、ヘリウム媒体、すなわちヘリウム－４の気化冷却を容易にする。コンデンサ線５６２は、４－Ｋステージ５１０を介して、ポンプ５６５の出口ポート５６７を密封ポット５６０に結合し得る。コンデンサ線５６２は、そのヘリウム媒体のための密封ポット５６０への戻り経路を提供し得る。ポンピング線５６４は、４－Ｋステージ５１０を介して、ポンプ５６５の入口ポート５６９を密封ポット５６０に結合し得る。４－Ｋステージ５１０は、フィードスルー要素５１２などのフィードスルー要素を介して、コンデンサ線５６２及び／又はポンピング線５６４のための通路を提供し得る。

中間熱ステージ５２５は、中間熱ステージ５２５に結合された密封ポット５７０を介して、クライオスタット５００のために追加的な冷却能力を提供し得る。そのために、密封ポット５７０は、ヘリウム媒体、すなわちヘリウム－３の気化冷却を容易にする。コンデンサ線５７２は、４－Ｋステージ５１０を介して、ポンプ５７５の出口ポート５７７を密封ポット５７０に結合し得る。一実施形態において、ポンプ５６５及び／又は５７５は、密封ポット５６０及び／又は５７０をそれぞれ通じ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。一実施形態において、ポンプ５６５及び／又は５７５は、クライオスタット５００の外部に位置し得る。一実施形態において、ポンプ５６５及び／又は５７５は、クライオスタット５００内に位置し得る。この実施形態において、ポンプ５６５及び／又は５７５は、吸着ポンプとして実装され得る。コンデンサ線５７２は、そのヘリウム媒体のための密封ポット５７０への戻り経路を提供し得る。ポンピング線５７４は、４－Ｋステージ５１０を介して、ポンプ５７５の入口ポート５７９を密封ポット５７０に結合し得る。４－Ｋ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、コンデンサ線５７２及び／又はポンピング線５７４のための通路を提供し得る。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、コンデンサ線５７２及び／又はポンピング線５７４のための通路を提供し得る。スチルステージ５２０は、フィードスルー要素５２２などのフィードスルー要素を介して、コンデンサ線５７２及び／又はポンピング線５７４のための通路を提供し得る。

図５により示される通り、クライオスタット５００は、クライオスタット５００の様々な熱ステージに結合された複数の熱スイッチを更に備える。複数の熱スイッチは、４－Ｋステージ５１０及び中間熱ステージ５１５に結合された熱スイッチ５９１；中間熱ステージ５１５及びスチルステージ５２０に結合された熱スイッチ５９３；及びスチルステージ５２０及び中間熱ステージ５２５に結合された熱スイッチ５９５を有する。熱スイッチ５９１、５９３、及び／又は５９５を実装するにあたり好適である例示的で非限定的な熱スイッチは、図６～図７に関して以下でより詳細に論述される。熱スイッチ５９１、５９３、及び／又は５９５はそれぞれ、クライオスタット５００の様々な熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、クライオスタット５００の熱プロファイルを変更することを容易にし得る。

そのために、各熱スイッチは、その熱スイッチが結合状態にある場合に、それぞれの熱ステージを熱的に結合（又は短絡）させる熱経路を提供し得る伝達媒体を有し得る。例えば、熱スイッチ５９１は、熱スイッチ５９１が結合状態にある場合に、中間熱ステージ５１５を４－Ｋステージ５１０に熱的に結合する熱経路を提供し得る伝達媒体を有し得る。所与の熱スイッチが結合状態から分離状態へと遷移する場合、その熱スイッチの伝達媒体により提供された熱経路は除去され、それにより、それぞれの熱ステージを熱的に分離させ得る。上記の例に続き、熱スイッチ５９１の伝達媒体により提供された熱経路は、熱スイッチ５９１が分離状態へと遷移する場合に除去され、それにより、中間熱ステージ５１５を４－Ｋステージ５１０から熱的に分離させ得る。

一実施形態において、伝達媒体は、ヘリウム媒体を含み得る。一実施形態において、伝達媒体は、超伝導材料（例えば、アルミニウム）を含み得る。この実施形態において、熱スイッチ８３０は、伝達媒体を非超伝導状態から超伝導状態へと遷移させることにより、分離状態へと遷移され得る。一実施形態において、伝達媒体は、伝達媒体の温度を、超伝導材料の臨界温度未満に低下させることにより、非超伝導状態から超伝導状態へと遷移され得る。一実施形態において、超伝導材料は、磁場内に配置され得る。一実施形態において、伝達媒体は、磁場の強度を超伝導材料の臨界磁場よりも上に高めることにより、超伝導状態から非超伝導状態へと遷移され得る。

動作中において、ヘリウム－４は、出口ポート５６７から密封ポット５６０に向かって、気体状態で流れ得る。フィードスルー要素５１２は、コンデンサ線５６２を４－Ｋ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５１２を流れ出ると、ヘリウム－４は、気体状態から液体状態へと遷移し得る。液体状態にあるヘリウム－４は、密封ポット５６０内に集積し得る。熱スイッチ５９１が分離状態にある場合、ポンプ５６５の入口ポート５６７は、密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を低下させるように動作され得る。気体状態にあるヘリウム－４は、気化により密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方に形成され、ポンピング線５６４を介してポンプ５６０の入口ポート５６９に流れ得る。ポンピング線５６４を通じて流れる気体状態のヘリウム－４により熱が運ばれることで、密封ポット５６０内に残存する液化ヘリウム－４の温度を低下させ得る。密封ポット５４０内における液化ヘリウム－４のそのような気化冷却は、中間熱ステージ５１５の温度を低下させ得、それにより、中間熱ステージ５１５は、約１Ｋの温度で動作し得る。

中間熱ステージ５１５を約１Ｋの温度で動作させることは、クライオスタット５００を、共通の真空空間内で異なる温度で動作する複数の極低温システム（例えば、封じ込められた熱容積５４０及び容積５４５）に区分することを容易にし得る。例えば、クライオスタット５００は、中間熱ステージ５２５及び冷却板ステージ５３０の間に介在する熱スイッチ；及び冷却板ステージ５３０及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する熱スイッチなどの追加的な熱スイッチ（図示せず）を更に備え得る。この例において、中間熱ステージ５１５及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する各熱スイッチ（すなわち、中間熱ステージ５２５、冷却板ステージ５３０、及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する追加的な熱スイッチに加えて熱スイッチ５９３及び５９５）は、結合状態へと遷移され得る。それらの介在する熱スイッチを結合状態へと遷移させることにより、混合チャンバステージ５３５、及び、中間熱ステージ５１５及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する各熱ステージは、中間熱ステージ５１５と均熱化され、約１Ｋの温度で動作し得る。

熱スイッチ５９１が結合状態にある場合、ポンプ５６５の入口ポート５６７は、密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を、共通の真空空間の共通の圧力に維持するように動作され得る。密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を共通の圧力に維持することは、密封ポット５６０内の液化ヘリウム－４の気化冷却を阻害し得る。そのような気化冷却が行われない場合、中間熱ステージ５１５は、熱スイッチ５９１により提供された熱経路を介して４－Ｋステージ５１０と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ５１５は、約４Ｋの温度で動作し得る。

動作中において、ヘリウム－４は、出口ポート５６７から密封ポット５６０に向かって、気体状態で流れ得る。フィードスルー要素５１２は、コンデンサ線５６２を、４－Ｋ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５１２を流れ出ると、ヘリウム－４は、気体状態から液体状態へと遷移し得る。液体状態にあるヘリウム－４は、密封ポット５６０内に集積し得る。熱スイッチ５９１が分離状態にある場合、ポンプ５６５の入口ポート５６７は、密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を低下させるように動作され得る。気体状態にあるヘリウム－４は、気化により密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方に形成され、ポンピング線５６４を介してポンプ５６０の入口ポート５６９に流れ得る。ポンピング線５６４を通じて流れる気体状態のヘリウム－４により熱が運ばれることで、密封ポット５６０内に残存する液化ヘリウム－４の温度を低下させ得る。密封ポット５４０内における液化ヘリウム－４のそのような気化冷却は、中間熱ステージ５１５の温度を低下させ得、それにより、中間熱ステージ５１５は、約１Ｋの温度で動作し得る。

中間熱ステージ５１５を約１Ｋの温度で動作させることは、クライオスタット５００を、共通の真空空間内で異なる温度で動作する複数の極低温システム（例えば、封じ込められた熱容積５４０及び容積５４５）に区分することを容易にし得る。例えば、クライオスタット５００は、中間熱ステージ５２５及び冷却板ステージ５３０の間に介在する熱スイッチ；及び冷却板ステージ５３０及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する熱スイッチなどの追加的な熱スイッチ（図示せず）を更に備え得る。この例において、中間熱ステージ５１５及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する各熱スイッチ（すなわち、中間熱ステージ５２５、冷却板ステージ５３０、及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する追加的な熱スイッチに加えて熱スイッチ５９３及び５９５）は、結合状態へと遷移され得る。それらの介在する熱スイッチを結合状態へと遷移させることにより、混合チャンバステージ５３５、及び、中間熱ステージ５１５及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する各熱ステージは、中間熱ステージ５１５と均熱化され、約１Ｋの温度で動作し得る。

熱スイッチ５９１が結合状態にある場合、ポンプ５６５の入口ポート５６７は、密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を、共通の真空空間の共通の圧力に維持するように動作され得る。密封ポット５６０内に集積された液化ヘリウム－４の上方の圧力を共通の圧力に維持することは、密封ポット５６０内の液化ヘリウム－４の気化冷却を阻害し得る。そのような気化冷却が行われない場合、中間熱ステージ５１５は、熱スイッチ５９１により提供された熱経路を介して４－Ｋステージ５１０と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ５１５は、約４Ｋの温度で動作し得る。

動作中において、ヘリウム－３は、出口ポート５７７から密封ポット５７０に向かって、気体状態で流れ得る。フィードスルー要素５１３、５１７及び／又は５２２は、コンデンサ線５７２を、４－Ｋ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５１３、５１７、及び／又は５２２を流れ出ると、ヘリウム－３は、気体状態から液体状態へと遷移し得る。液体状態にあるヘリウム－３は、密封ポット５７０内に集積し得る。熱スイッチ５９１、５９３及び５９５がそれぞれ分離状態にある場合、ポンプ５７５の入口ポート５７９は、密封ポット５７０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を低下させるように動作され得る。気体状態にあるヘリウム－３は、気化により密封ポット５７０内に集積された液化ヘリウム－３の上方に形成され、ポンピング線５７４を介してポンプ５７５の入口ポート５７９に流れ得る。ポンピング線５７４を通じて流れる気体状態のヘリウム－３により熱が運ばれることで、密封ポット５７０内に残存する液化ヘリウム－３の温度を低下させ得る。密封ポット５７０内における液化ヘリウム－３のそのような気化冷却は、中間熱ステージ５２５の温度を低下させ得、それにより、中間熱ステージ５２５は、約３００ｍＫの温度で動作し得る。

中間熱ステージ５２５を約３００ｍＫの温度で動作させることは、クライオスタット５００を、共通の真空空間内で異なる温度で動作する複数の極低温システム（例えば、封じ込められた熱容積５５０及び容積５４５）に区分することをも容易にし得る。例えば、クライオスタット５００は、中間熱ステージ５２５及び冷却板ステージ５３０の間に介在する熱スイッチ；及び冷却板ステージ５３０及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する熱スイッチなどの追加的な熱スイッチ（図示せず）を更に備え得る。この例において、中間熱ステージ５２５及び混合チャンバステージ５３５の間に介在する各熱スイッチは、結合状態へと遷移され得る。それらの介在する熱スイッチを結合状態へと遷移させることにより、冷却板ステージ５３０及び混合チャンバステージ５３５は、中間熱ステージ５２５と均熱化され、約３００ｍＫの温度で動作し得る。

熱スイッチ５９１、５９３、及び５９５がそれぞれ結合状態にある場合、ポンプ５７５の入口ポート５７９は、密封ポット５７０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を、共通の真空空間の共通の圧力に維持するように動作され得る。密封ポット５７０内に集積された液化ヘリウム－３の上方の圧力を共通の圧力に維持することは、密封ポット５７０内の液化ヘリウム－３の気化冷却を阻害し得る。そのような気化冷却が行われない場合、中間熱ステージ５２５は、クライオスタット５００の１つ又は複数のより高温の熱ステージと均熱化され得る。例えば、中間熱ステージ５２５は、熱スイッチ５９１、５９３、及び５９５により提供された熱経路を介して４－Ｋステージ５１０と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ５１５は、約４Ｋの温度で動作し得る。別の例として、中間熱ステージ５２５は、熱スイッチ５９３及び５９５により提供された熱経路を介して中間熱ステージ５１５と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ５２５は、約１Ｋの温度で動作し得る。別の例として、中間熱ステージ５２５は、熱スイッチ５９５により提供された熱経路を介してスチルステージ５２０と均熱化され得、それにより、中間熱ステージ５２５は、約７００ｍＫの温度で動作し得る。一実施形態において、密封ポット５６０及び／又は５７０は、真空密封又は極低温密封され得る。一実施形態において、密封ポット５６０及び／又は５７０は、熱履歴の最適化を容易にする焼結材料を含み得る。焼結材料は、銀、金、銅、及びプラチナなどを含み得る。

図６～図７は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、切り替え可能な熱経路を容易にする、例示的で非限定的な熱スイッチ６００を示す。図６～図７により示される通り、熱スイッチ６００は、取り付け機構６２０を用いて、内部容積６３０を画定するように頂部６１２を底部６１４に結合することにより形成されるハウジング６１０を有する。図６～図７において、取り付け機構６２０は、ボルトとして示されている。しかしながら、他の実施形態において、取り付け機構６２０を実装するために、異なる取り付け機構が使用され得る。例えば、取り付け機構６２０は、頂部６１２を底部６１４に結合する溶接接合として実装され得る。熱スイッチ６００は、内部容積６３０内に配設されたピストン６４０、及び、ピストン６４０を囲む１つ又は複数の永久磁石６５０を更に有する。一対の超伝導線材６６０を用いて底部６１４を囲むことにより、ヘルムホルツコイルシステムが形成され得る。ヘルムホルツコイルシステムは、ピストン６４０を囲む１つ又は複数の永久磁石６５０と相互作用して、熱スイッチ６００の磁気作動を容易にし得る。

動作中において、ヘリウム媒体は、熱スイッチ６００が図６により示される結合状態にある場合、ポンプの出口ポート（図示せず）に結合された毛細管６７２を介して内部容積６３０に収容され得る。結合状態にある間、内部容積６３０内のヘリウム媒体は、熱スイッチ６００に結合された隣接する熱ステージを熱的に結合し得る。熱スイッチ６００は、ヘルムホルツコイルシステムを形成する一対の超伝導線材６６０に電気信号を印加することにより、図６により示される結合状態から、図７により示される分離状態へと遷移し得る。図７により示される通り、ヘルムホルツコイルシステムを形成している一対の超伝導線材６６０に電気信号を印加することは、ルビービード６９０をポリマーシート６８０に接触させ得る。ルビービード６９０をポリマーシート６８０に接触させることは、内部容積６３０へのヘリウム媒体の更なる進入を防止し得る。一実施形態において、ポリマーシート６８０は、ポリアミドイミドを含む。ヘリウム媒体の内部容積６３０への更なる進入が防止されるため、ポンプの入口ポート（図示せず）は、毛細管６７４を介して、内部容積６３０から残留ヘリウム媒体を除去し、熱スイッチ６００に結合された隣接する熱ステージを熱的に分離させ得る。一実施形態において、ヘリウム媒体は、ヘリウム－４であり得る。この実施形態において、熱スイッチ６００は、磁気作動型超流体漏れ防止弁であり得る。一実施形態において、ヘリウム媒体は、ヘリウム－３であり得る。この実施形態において、熱スイッチ６００は、磁気作動型流体漏れ防止弁であり得る。

図８は、本明細書に記載の１つ又は複数の実施形態に係る、切り替え可能な熱経路を容易にする、別の例示的で非限定的な熱スイッチ８００を示す。熱スイッチ８００は、密封容器８１０により画定された内部容積８２０内に配設された金属製物体８３０を有する。一実施形態において、金属製物体８３０は、真鍮を含み得る。一実施形態において、密封容器８１０は、ステンレス鋼を含み得る。図８により示される通り、１つ又は複数の炭ペレット８４０及び加熱要素８５０は、金属製物体８３０に結合され得る。一実施形態において、１つ又は複数の炭ペレット８４０及び／又は加熱要素８５０は、エポキシを用いて金属製物体８３０に結合され得る。

密封容器８１０の内部容積８２０は、ヘリウム媒体を含み得る。一実施形態において、ヘリウム媒体は、密封容器８１０の内部容積８２０内に、常温で導入され得る。一実施形態において、ヘリウム媒体は、密封容器８１０の壁内に配設された弁（図示せず）を介して、密封容器８１０の内部容積８２０内に導入され得る。一実施形態において、ヘリウム媒体は、密封容器８１０の内部容積８２０内に、約１０ミリバール（約１キロパスカル）の圧力で導入され得る。密封容器８１０の内部容積８２０内の温度が１０Ｋを下回ると、炭ペレット８４０は、ヘリウム媒体を吸収することにより、内部容積８２０からヘリウム媒体を除去し得る。ヘリウム媒体がヘリウム－４である一実施形態において、炭ペレット８４０は、内部容積８２０内の温度が４．２Ｋを下回る場合、内部容積８２０からヘリウム媒体を効率的に除去し得る。ヘリウム媒体がヘリウム－３である一実施形態において、炭ペレット８４０は、内部容積８２０内の温度が３．１Ｋを下回る場合、内部容積８２０からヘリウム媒体を効率的に除去し得る。炭ペレット８４０による吸収を通じて内部容積８２０からヘリウム媒体を除去することは、熱スイッチ８００を分離状態へと遷移させる。分離状態において、熱スイッチ８００に結合された隣接する熱ステージは、熱的に分離される。電気信号は、導電要素８５２及び８５４を介して、加熱要素８５０に印加され得る。加熱要素８５０により生成された熱は、金属製物体８３０を介して炭ペレット８４０に加えられ得る。炭ペレット８４０に熱を加えることは、炭ペレット８４０が吸収したヘリウム媒体を内部容積８２０に放出し、それにより、熱スイッチ８００を分離状態から結合状態へと遷移させ得る。結合状態において、熱スイッチ８００に結合された隣接する熱ステージは、熱的に結合される。

本発明の実施形態は、任意の可能な技術的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。上記で説明された事柄は、システム、方法、及び装置の単なる例を含む。当然、本開示を説明する目的で、コンポーネント又はコンピュータ実装方法の想定されるあらゆる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、本開示の多くの更なる組み合わせ及び入れ替えが可能であることを認識し得る。更に、「含む」、「有する」、「備える」等の用語が詳細な説明、特許請求の範囲、添付書類、及び図面において使用される限り、そのような用語は、「備える」という用語が請求項において移行句として利用される場合に解釈されるのと同様の態様で包括的であることが意図される。

加えて、「又は」という用語は、排他的な「又は」ではなく、包括的な「又は」を意味することが意図されている。すなわち、別様に指定されない限り、又は、文脈から明らかでない限り、「ＸがＡ又はＢを採用する」は、自然で包括的な入れ替えのいずれかを意味することが意図されている。すなわち、ＸはＡを採用する；ＸはＢを採用する；又は、ＸはＡ及びＢの両方を採用する場合、「ＸはＡ又はＢを採用する」が前述の事例のいずれのもとでも充足される。更に、本明細書及び添付の図面において使用される冠詞「ａ」及び「ａｎ」は一般に、単数形を対象としていることが別様に指定されない限り、又は文脈からそれが明らかではない限り、「１つ又は複数」を意味すると解釈されるべきである。本明細書において使用される場合、用語「例」及び／又は「例示的」は、例、事例、又は例示として機能することを意味するために用いられる。疑義を回避するために、本明細書において開示される主題は、そのような例に限定されるものではない。加えて、「例」及び／又は「例示的」として本明細書に記載の任意の態様又は設計は、他の態様又は設計より好ましい、又は有利であると必ずしも解釈されるべきものではなく、それは、当業者において既知の同等の例示的な構造及び技法を除外することも意図されていない。

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、包括的である、又は、開示された実施形態に限定されることは意図されていない。説明された実施形態の範囲及び趣旨から逸脱することなく、多くの修正及び変形が、当業者には明らかであろう。本明細書において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際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、又は、本明細書において開示された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ものである。

特定の例示的な実施形態が説明されたが、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、本明細書における開示の範囲を限定する意図はない。従って、前述の説明は、いかなる特定の特徴、特性、段階、モジュール、又はブロックも、必要である、又は不可欠であることを示唆する意図はない。実際に、本明細書に記載の新規の方法及びシステムは、様々な他の形態において具現化されてよく；更に、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、置換及び変更は、本明細書における開示の趣旨から逸脱することなく行われてよい。添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物は、本明細書における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たものである。

Claims (22)

1. クライオスタットであって、
   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、前記複数の熱ステージは、スチルステージ、及び、支柱を介して前記スチルステージに機械的に直接的に結合されている中間熱ステージを有する；及び
   前記中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合された熱スイッチ、前記熱スイッチは、前記中間熱ステージ及び前記隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、前記クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にする
   を備える、クライオスタット。
2. 前記複数の熱ステージは、共通の真空空間を画定する外側真空チャンバ内に封じ込められている、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は、約３００ミリケルビン（ｍＫ）又は約１ケルビン（Ｋ）の温度で動作する、請求項１又は２に記載のクライオスタット。
4. 前記熱スイッチは、磁気作動型超流体漏れ防止弁である、請求項１から３のうちいずれか一項に記載のクライオスタット。
5. 前記隣接する熱ステージは、前記スチルステージ又は前記４－Ｋステージである、請求項１から４のうちいずれか一項に記載のクライオスタット。
6. 前記４－Ｋステージに結合され、前記４－Ｋステージ及び前記中間熱ステージの間に追加的な切り替え可能な熱経路を提供することにより、前記クライオスタットの前記熱プロファイルを変更することを容易にする、追加的な熱スイッチ、前記熱スイッチ及び前記追加的な熱スイッチは、前記中間熱ステージの両側に結合されている
   を更に備える、請求項１から５のうちいずれか一項に記載のクライオスタット。
7. 前記熱スイッチは、磁場内に配置された超伝導材料を有する、請求項１から６のうちいずれか一項に記載のクライオスタット。
8. 前記熱スイッチは、ヘリウム媒体を収容する毛細管を有する、請求項１から７のうちいずれか一項に記載のクライオスタット。
9. 前記ヘリウム媒体は、ヘリウム－３又はヘリウム－４である、請求項８に記載のクライオスタット。
10. 前記ヘリウム媒体は、前記中間熱ステージを前記隣接する熱ステージに熱的に短絡させる、請求項８から９のいずれか一項に記載のクライオスタット。
11. 前記中間熱ステージは、ポンプ、及び、ヘリウム－３の気化を容易にする、追加的な中間熱ステージの密封ポットを結合するポンピング線への通路を提供する、請求項１から１０のうち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、
    支柱を介して中間熱ステージに機械的に直接的に結合されたスチルステージ、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（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の中に含まれる；及び
    前記中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合された熱スイッチ、前記熱スイッチは、前記中間熱ステージ及び前記隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、前記クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にする
    を備える、クライオスタット。
13. 前記中間熱ステージに結合され、封じ込められた熱容積を形成する熱シールドを更に備える、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は、前記封じ込められた熱容積内に配置されている、請求項１３に記載のクライオスタット。
15. 前記スチルステージは、前記封じ込められた熱容積の外部に配置されている、請求項１３に記載のクライオスタット。
16. 前記冷却板ステージは、前記封じ込められた熱容積内に配置されている、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のクライオスタット。
17. 前記封じ込められた熱容積内に入れ子にされた、追加的な封じ込められた熱容積、前記追加的な封じ込められた熱容積は、追加的な熱シールドに結合された追加的な中間熱ステージにより形成され、前記追加的な中間熱ステージは、前記複数の熱ステージの中に含まれる
    を更に備える、請求項１３から１６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、
    熱シールドに結合された中間熱ステージにより形成された、封じ込められた熱容積、前記中間熱ステージは、支柱を介してスチルステージに機械的に直接的に結合されており、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（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の中に含まれる；及び
    前記中間熱ステージ及び隣接する熱ステージに結合された熱スイッチ、前記熱スイッチは、前記中間熱ステージ及び前記隣接する熱ステージの間に切り替え可能な熱経路を提供することにより、前記クライオスタットの熱プロファイルを変更することを容易にする
    を備える、クライオスタット。
19. 前記封じ込められた熱容積は、追加的な熱シールドに結合された追加的な中間熱ステージにより形成された、追加的な封じ込められた熱容積内に入れ子にされており、前記追加的な中間熱ステージは、前記複数の熱ステージの中に含まれる、請求項１８に記載のクライオスタット。
20. 前記追加的な封じ込められた熱容積は、前記クライオスタットの外側真空チャンバにより画定された共通の真空空間内に封じ込められている、請求項１９に記載のクライオスタット。
21. 前記隣接する熱ステージは、前記スチルステージ又は前記４－Ｋステージである、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. 前記クライオスタットの混合チャンバステージは、前記封じ込められた熱容積内に配置されている、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。

Images