JP6966597B2 - 極低温冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、極低温冷却システムに関し、具体的には、希釈ユニットを含む極低温冷却システムに関する。

ミリケルビン温度までの冷却を必要とする用途は数多く存在する。このような温度は、希釈冷凍機の動作によって取得することができる。通常、希釈冷凍機は複数のステージを含み、各ステージは、希釈冷凍機の動作中にそれぞれの温度を取得するように構成される。これらのステージには、用途の詳細に対応するようにコンポーネントを熱的に結合することができる。

希釈ユニットは、希釈冷凍機の一部を形成し、分溜器及び混合チャンバを含み、一連の熱交換器によって接続される。動作中には、ヘリウム−３／ヘリウム−４混合物で形成された作動液が希釈ユニットの周囲を循環する。分溜器及び混合チャンバは、作動液の相変化又は混合の結果として冷却を加える（すなわち、システムからエネルギーを除去できる）という点で、能動的冷却源を形成する。混合チャンバでは、ヘリウム−３がヘリウム−４に希釈される際の混合エンタルピーから冷却が得られる。これにより、混合チャンバは、希釈冷凍機のあらゆる部分の最低温度を取得するように動作することができる。分溜器では、ヘリウム−３が沸騰し、蒸発潜熱によってエネルギーを除去する。分溜器と混合チャンバとの間には、一般に使用中にこれらの２つのコンポーネント間の温度を取得する冷却板が配置される。冷却板は、混合チャンバから分溜器に流れる流出ヘリウム−３によって受動的に冷却される（しばしば様々な実験設備の便利な取り付け点として使用される）中間ヒートシンクを形成するが、能動的冷却プロセスは有していない。従って、冷却板に加わるあらゆる熱負荷は寄生的なものであり、混合チャンバの基準温度に直接影響を与える。

図１に、先行技術の希釈ユニットの例を示す。作動液は、熱交換ユニットの２つの逆流路（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｆｌｏｗ ｐａｔｈｓ）を通じて分溜器１０２と混合チャンバ１０５との間を流れる。熱交換ユニットは、分溜器１０２と冷却板１０３との間に配置された連続熱交換器１０１を含む。連続熱交換器１０１は、螺旋状に構成された同軸ユニットを含み、２つの経路は、ここを通じて内側経路が外側経路によって取り囲まれた状態で逆方向に進む。一般に、連続熱交換器は、約３０ミリケルビンにまで至る温度を取得するために使用することができる。ステップ熱交換器を使用して、大表面積シンター（ｌａｒｇｅ−ｓｕｒｆａｃｅ−ａｒｅａ ｓｉｎｔｅｒｓ）を使用して金属と低温の液体ヘリウムとの間のカピッツァ抵抗に打ち勝つことによってさらに低い温度を取得することもできるが、これらは一般に連続熱交換器よりも多くのヘリウム−３を動作のために必要とする。冷却板１０３と混合チャンバ１０５との間には、２つのステップ熱交換器１０４が積み重なって配置される。各ステップ熱交換器は、２つの経路をホイルによって分離する実質的に円盤状の構造を形成する。設けられるステップ熱交換器の数は、用途に適合するように調整することができる。

通常、量子情報処理（ＱＩＰ）などの低温用途では、実験配線の十分な熱化を保証するために様々な放散要素（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）が取り付けられる。抵抗要素及び導電配線からの放熱は希釈冷凍機に負荷を加え、すなわちシステムの所与の基準温度を維持するにはさらなる冷却力が必要である。分溜器におけるさらなる放散の副次的作用は、希釈冷凍機のヘリウム−３の循環率の増加である。この循環率は、混合チャンバにおいて利用できる冷却力が最大になる（又は動作温度が最小になる）、所与の混合チャンバ温度の最適値を有する。従って、分溜器におけるさらなる放散は、希釈冷凍プロセスの最適流量を達成できないことを意味することができる。

用途の規模が増すと、取り付けられた追加要素によって必然的に放熱量が増加する。利用可能な冷却力を高めるには、より強力な希釈ユニット、又は複数の希釈ユニット回路を取り付けることができる。しかしながら、第３ステージにおける冷却力を高めることが重要であり、このためにはさらに大型の又はさらに多くのステップ熱交換を設ける必要がある。通常、ステップ熱交換器は、希少で高価な希釈冷凍機のヘリウム−３要件の５０〜７０％を占める。従って、システムのヘリウム−３要件を低減することが望ましい。同じ設計の希釈ユニットをさらに多く取り付けることは、（能動的冷却プロセスが存在しない）第２ステージにおいて加わる熱負荷に対応する非効率的な方法であるという点で同様の問題を招く。過去には、希釈冷凍機上に約１ケルビンで動作するヘリウム−４冷凍機を取り付けることが提案されている。この方法は、第１ステージの冷却力は高めるが、希釈冷凍機のさらに低温のステージにおける放熱に直接対処するものではない。

従って、低温で加わるあらゆる熱負荷を直接補償するように設計された極低温冷却システムを提供することが望ましい。

本発明の態様によれば、第１ステージと、第３ステージと、第１ステージと第３ステージとの間に配置された第２ステージと、第１ステージに熱的に結合された第１の分溜器、及び第３ステージに熱的に結合された第１の混合チャンバを含む第１の希釈ユニットと、第１ステージに熱的に結合された第２の分溜器、及び第２ステージに熱的に結合された第２の混合チャンバを含む第２の希釈ユニットと、を備えた極低温冷却システムが提供される。

上述した先行技術のシステムとは異なり、第２ステージに直接冷却を加えるように構成された第２の希釈ユニットが設けられる。従って、第２ステージは、第２ステージに加わるあらゆる熱負荷を補償するために近隣ステージの冷却力に依存しない。むしろ、第２ステージは、第２の混合チャンバの形のそれぞれの能動的冷却源を含む。これまでは、第２ステージにこのような冷却源が存在しないことにより、特にシステムに熱負荷が加わった時に各ステージが低温を取得する能力が制限されていた。第２ステージの冷却力を高めることで、第３ステージにおける冷却要件の低下、システムの動作温度を実質的に上昇させることなく熱負荷に耐える能力の上昇、及び１又は２以上のステージにおける達成可能な基準温度の低下などの、複数のさらなる直接的及び間接的効果を得ることができる。

通常、第２ステージは、第１ステージと第３ステージとの間の中間ヒートシンクを提供する。これにより、例えば周囲環境及びシステムのあらゆる高温コンポーネントから第３ステージに加わる熱負荷が低減される。この結果、第３ステージは、達成可能であったはずの温度よりも低い温度を取得することができる。従って、第１の混合チャンバは、第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの動作中に第２の混合チャンバの温度未満の温度を取得するように構成されることが好ましい。この低温は、一部には第１の混合チャンバが第２ステージではなく第３ステージに熱的に結合されることによって熱負荷の伝導が抑えられるという事実から生じ得るが、第１の希釈ユニットが第２の希釈ユニットとは異なる設計を有することによっても生じ得る。例えば、第１の混合チャンバは、第２の混合チャンバよりも大きな体積を有し、及び／又は異なる構成の熱交換器を有することができる。第１及び第２の希釈ユニットの各ステージ及び各コンポーネントが取得する実際の温度は、用途の詳細、具体的には使用中にステージに加わる熱負荷に依存する。

通常、各希釈ユニットは、それぞれの分溜器と混合チャンバとの間に作動液（一般にヘリウム−３とヘリウム−４の混合物）の流れをもたらすそれぞれの熱交換ユニットを含む。第２の希釈ユニットの熱交換ユニットの少なくとも一部は、連続熱交換器を含むことができる。ステップ熱交換器を使用して、より低い温度を取得することもできる。しかしながら、ほとんどの用途では、第１ステージと第２ステージとの間にステップ熱交換器が必要でないと予想される。従って、第２の希釈ユニットの熱交換ユニットは、動作中に必要とされるヘリウム−３の量を減少させるために、代わりに第１ステージと第２ステージとの間に位置する連続熱交換器を含むことが好ましい。その一方で、一般に第１の希釈ユニットは、第２ステージと第３ステージとの間に配置された１又は２以上のステップ熱交換器を含むことができると予想される。従って、通常、第２の希釈ユニットは、第１の希釈ユニットに比べて単純な構成を形成し、結果的にさらに高い温度で動作することができる。しかしながら、このシステムは、第２ステージにおいてさらに低い温度を取得するように、及び／又はさらなる冷却ステージをもたらすように修正することもできる。例えば、システムが、第１ステージと第２ステージとの間に配置された第４ステージをさらに含み、第１ステージと第４ステージとの間に連続熱交換器を配置し、第２の希釈ユニットの熱交換ユニットが、第４ステージと第２ステージとの間に配置されたステップ熱交換部分をさらに含むこともできる。ステップ熱交換部分は、１又は２以上のステップ熱交換器を含むことができる。第４ステージは、流出ヘリウム−３によって受動的に冷却することができる。

通常、システムは、第１、第２及び第３ステージが階段状構成を形成するように構成される。第４ステージは（設けられる場合）、この階段状構成の一部をさらに形成することができる。従って、これらのステージは、典型的には各ステージの主要面を貫通する軸に沿って空間的に分散することができる。上述したように、各分溜器及び混合チャンバは、それぞれのステージに熱的に結合される。通常、この熱的結合は、上記コンポーネントをそれぞれのステージに直接取り付けることによって行われる。一方で、これらのコンポーネントは、例えば銅製の高伝導部材によって接続することもできる。最も典型的には、第１及び第２の分溜器が第１ステージに取り付けられ、第１の混合チャンバが第３ステージに取り付けられ、第２の混合チャンバが第２ステージに取り付けられる。従って、上記各ステージは、システムの他のコンポーネントを取り付けることができるプラットホームを含むことができる。

この極低温冷却システムは、第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの動作によって各ステージがそれぞれの基準温度を取得し、第３ステージが第２ステージよりも低い基準温度を取得し、第２ステージが第１ステージよりも低い基準温度を取得するように構成されることが好ましい。「基準温度」とは、システムの定常状態動作中に特定のコンポーネントが取得できる最低温度のことを意味する。上記構成では、第２ステージが、先行技術において達成可能な温度よりも低い温度を取得することができる。例えば、第２ステージの基準温度は、２０〜１００ミリケルビンとすることができ、さらに好ましくは２０〜５０ミリケルビンとすることができる。第１ステージの基準温度は、典型的には０．５〜２ケルビンであり、第３ステージの基準温度は、典型的には２５ミリケルビン未満であり、好ましくは１０ミリケルビン未満である。全ステージの実際の基準温度は、用途の詳細に依存する。

通常、システムは、第１、第２及び第３ステージを取り囲むように配置された放熱シールドをさらに含む。第４ステージを設ける場合には、これも放熱シールドによって取り囲むことができる。放熱シールドには、機械式冷凍機を熱的に結合して、機械式冷凍機の動作時に放熱シールド及び含まれるステージが冷却されるようにすることができる。機械式冷凍機は、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、又はパルス管冷凍機（ＰＴＲ）とすることができる。液体寒剤のリザーバを使用して冷却を行うこともできる。システムは、さらなる放熱シールドを含むこともでき、これらは全て外側真空容器に含めることができる。

一般に、希釈ユニットは、冷却回路に作動液を流すことによって冷却される。システムは、第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの周囲で作動液を循環させるように構成された冷却回路を含むことができる。冷却回路は、凝縮ライン（ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｌｉｎｅ）を含むことができ、凝縮ラインの第１の部分が、放熱シールドの内側の第１の位置から第１の希釈ユニットに延び、凝縮ラインの第２の部分が、上記第１の位置から第２の希釈ユニットに延びる。冷却回路は、分溜器ポンプライン（ｓｔｉｌｌ ｐｕｍｐｉｎｇ ｌｉｎｅ）をさらに含むことができ、分溜器ポンプラインの第１の部分が、第１の希釈ユニットから放熱シールドの内側の第２の位置に延び、分溜器ポンプラインの第２の部分が、第２の希釈ユニットから放熱シールドの内側の上記第２の位置に延びる。システムを収容する外側真空容器内の導管に単一の凝縮ライン及び単一の分溜器ポンプラインが作動液のリザーバを接続するこのような構成の利点は、それぞれが潜在的熱漏洩を形成する恐れがある、システム内に延びる導管の数が減少する点である。これに対応して、このような構成は、システムの異なるコンポーネント間の望ましくない熱交換の量を低減することができる。第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの冷却は、冷却回路沿いに設けられた１又は２以上の弁及び１又は２以上のインピーダンス制御装置の使用を通じて独立して制御することができる。例えば、放熱シールドが機械式冷凍機に熱的に結合されていない別の構成では、機械式冷凍機の低温冷却ステージと第１、第２及び第３ステージのうちの１つ（最も典型的には第１ステージ）との間に第１及び第２の位置の一方又は両方を単純に配置することができる。

或いは、システムは、第１の希釈ユニットの周囲で第１の作動液を循環させるように構成された第１の冷却回路と、第２の希釈ユニットの周囲で第２の作動液を循環させるように構成された第２の冷却回路とを含むこともできる。第２の冷却回路は、第１の冷却回路とは無関係に動作することができる。なお、第１及び第２の作動液は、通常はヘリウム−３同位体とヘリウム−４同位体との同じ混合物で形成されるが、それぞれの冷却回路によって流体的に分離することもできると理解されたい。従って、各冷却回路の周囲の作動液の流れ、及び潜在的に混合物中のヘリウム−３とヘリウム−４の比率は、システムの動作効率を高めるように選択することができる。独立した冷却回路の利点は、希釈ユニットを異なる作動液で単独で動作させる能力にある。

システムが、１又は２以上のステージに取り付けられた電気的要素をさらに含む場合には、電気的要素の動作によってステージ上に熱が放散されるという特定の利点がもたらされる。このような電気的要素は、システムを使用して行われるいくつかの用途及び実験に必要となり得る。これらの要素は、ステージ上及びステージ間に直接取り付けることができる。通常、これらの電気的要素は、第３ステージに対する熱負荷を低減するように構成される。例えば、電気的要素のうちの１つ又は２つ以上は、第２ステージに取り付けることができる。電気的要素の動作は、望ましくない熱負荷をもたらすこともあるが、この熱負荷は、第２ステージに提供される高い冷却力によって補償される。第２の希釈ユニットの動作を通じて行われる第２ステージの能動的冷却は、システムの冷却力を高めるとともに、第３ステージの基準温度が第２ステージでの放散に依存するのを抑える。

上述した電気的要素はあらゆる数の用途で使用することができるが、電気的要素が量子情報処理（ＱＩＰ）システムの一部を形成するという特定の利点がもたらされる。ＱＩＰは先端研究の重要分野であり、通常、ＱＩＰシステムで使用される電気的要素は、極低温システムに実質的な熱負荷をもたらす。電気的要素によって加わる典型的な熱負荷は、約２００マイクロワットとすることができ、一般に第３ステージの温度を（典型的には１マイクロワット当たり約１ミリケルビンの割合で）上昇させる。例えば、先行技術では、このような熱負荷が第２ステージにおいて約２００ケルビンの温度上昇を引き起こすこともあるが、上記システムの動作によって温度上昇がはるかに低くなるという利点を得ることができる。システムが拡大し、従ってさらに多くの電気的要素、又はさらに多くの熱を放散する電気的要素が含まれると、ＱＩＰシステムの放熱も高まると予想される。

通常、第２の混合チャンバは、第２の混合チャンバ（又は同等に第２ステージ）が２００ミリケルビン以下の、好ましくは１００ミリケルビン以下の温度である時に、第２ステージに少なくとも１００マイクロワットの、好ましくは少なくとも２００マイクロワットの冷却力をもたらす。一般に、このような冷却力を使用して第２ステージを冷却することにより、（上述したような）システムの電気的要素によって加わるあらゆる熱負荷にもかかわらず、第２ステージにおける約１００ミリケルビンの温度を維持することができる。（典型的には８６０ミリケルビン未満の）目標動作温度における第２の混合チャンバの冷却力は、設けられたあらゆる電気的要素によって第２ステージに加わる熱負荷以上であることが好ましい。第１及び第２の分溜器は、第１ステージが１ケルビンである時に、第１ステージに少なくとも１０ミリワットの冷却力を加えるように動作できるのに対し、第１の混合チャンバは、第１の混合チャンバが１０ミリケルビンである時に、第３ステージに１〜１０マイクロワットの冷却力を加えるように動作することができる。

これまでは、説明したような第１及び第２の希釈ユニットを用いたシステムの利点について考察した。しかしながら、システムは、第１ステージ及び第３ステージに熱的に結合されたさらなる希釈ユニット、並びに第１ステージ及び第２ステージに熱的に結合されたさらなる希釈ユニットのうちの一方又はそれぞれをさらに含むことができる。用途の要件次第では、これらを使用してシステムの冷却力を高めることもできる。

任意に、システムは、第３ステージに取り付けられた試料ホルダをさらに含むことができる。通常、システムの最低基準温度は第３ステージにおいて達成され、従って多くの用途では、試料ホルダを使用して第３ステージに試料を取り付けることが望ましい。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

希釈冷凍機において使用される先行技術の希釈ユニット例を示す図である。 本発明の第１の実施形態による極低温冷却システムの概略図である。 本発明の第２の実施形態による極低温冷却システムの概略図である。 本発明の第３の実施形態による極低温冷却システムの概略図である。 本発明の第４の実施形態による極低温冷却システムの概略図である。

図２は、クライオスタット（低温保持装置）１を主要部分とする極低温冷却システムの内部断面図である。クライオスタットは当業で周知であり、様々な装置に低温環境をもたらすために使用される。通常、クライオスタット１は、クライオスタット内のあらゆるガスを通じて対流及び伝導性熱経路を除去することによって熱的性能を高めるために、使用時に真空排気される。

クライオスタット１は、典型的にはステンレス鋼又はアルミニウムから形成される、外側真空容器５を含む大型中空シリンダを含む。クライオスタット１内には、複数の空間的に分散したステージを含む階段状構成９が設けられる。階段状構成９には、実験などの低温手順を実行する様々な装置が取り付けられる。階段状構成９は、第１ステージ６、第２ステージ７及び第３ステージ８を含む。各ステージは、高伝導材料（例えば、銅）から形成されたプラットホームを提供し、低熱伝導ロッド（図示せず）によって残りのステージから間隔を空ける。第２ステージ７は、一般に「冷却板」と呼ばれ、第１ステージ６と第３ステージ８との間の中間ヒートシンクを提供する。図では、システムの定常状態動作中に最低温度ステージを形成する第３ステージ８に試料ホルダ１０が取り付けられている。クライオスタット１には、クライオスタット１の内部に真空を維持しながら試料放出を行うための実験用「プローブ」をクライオスタット１の内部に挿入できるようにするポート（図示せず）を設けることができる。

この例のクライオスタット１は、主に極低温流体のリザーバとの接触によって冷却されるものではないという点で、実質的に無寒剤である（当業では「ドライ」とも呼ばれる）。代わりに、クライオスタットの冷却は、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機又はパルス管冷凍機（ＰＴＲ）とすることができる機械式冷凍機の使用によって行われる。しかしながら、後で判明するように、クライオスタットは実質的に無寒剤であるにもかかわらず、通常は液相状態を含む使用時にクライオスタット内に何らかの極低温流体が存在する。この実施形態では、クライオスタット１の主要冷却力がＰＴＲ２によって提供される。ＰＴＲは、外部圧縮機から高圧で供給される作動液の圧縮及び膨張を制御することによって冷却を生じる。通常、第１のＰＴＲステージ３は、第２のＰＴＲステージ４と比べて相対的に高い冷却力を有する。この例では、ＰＴＲ２が、第１のＰＴＲステージ３を約５０〜７０ケルビンに、そして第２のＰＴＲステージ４を約３〜５ケルビンに冷却する。従って、第２のＰＴＲステージ４は、ＰＴＲ２の最低温度ステージを形成する。

外側真空容器５の内部には様々な放熱シールドが設けられ、各シールドは、残りのさらに低い基準温度の各コンポーネントを封入する。第１のＰＴＲステージ３は、第１の放熱シールド１９に熱的に結合され、第２のＰＴＲステージ４は、第２の放熱シールド２０に熱的に結合される。第１の放熱シールド１９は、第２の放熱シールド２０を取り囲み、第２の放熱シールドは、第１、第２及び第３ステージ６〜８の各々を取り囲む。また、各ステージ６、７、８は、ステージ間のあらゆる望ましくない熱連通を低減するために、それぞれの放熱シールド（明確にするために図示せず）に接続することができる。

２つの希釈冷凍機が設けられる。第１の希釈冷凍機は、第１の冷却回路３７によって第１の貯蔵容器１４に流体的に結合された第１の希釈ユニット１２を含む。第２の希釈冷凍機は、第２の冷却回路３８によって第２の貯蔵容器３４に流体的に結合された第２の希釈ユニット３２を含む。第１及び第２の貯蔵容器１４、３４は、クライオスタット１の外部に配置され、それぞれがヘリウム−３同位体とヘリウム−４同位体との混合物の形態の作動液を含む。これらの同位体の混合物は、（例えば、ヘリウム−３の全体的要件を低下させるように第１及び第２の希釈ユニット１２、３２の動作パラメータに合わせてそれぞれ調整された）第１及び第２の貯蔵容器１４、３４において異なるものであることも、又は同じものであることもできる。別の実施形態では、第１及び第２の冷却回路３７、３８が、共通の外部貯蔵容器から作動液を引き出すこともできる。これにより、作動液の利便性を高めて貯蔵を単純化することができる。クライオスタット１の外部には、第１及び第２の冷却回路３７、３８の導管に沿って、これらの回路の周囲の作動液の流れを制御するための様々なポンプ１６、１７、２３、２４も配置される。図２には、システムの通常運転中におけるこの流れの方向を示す実線矢印が含まれる。

第１ステージ６には、第１の希釈ユニット１２の第１の分溜器１１と、第２の希釈ユニット３２の第２の分溜器３１とがそれぞれ取り付けられ、これらの分溜器は、第１ステージ６を０．５〜２ケルビンの基準温度に冷却し、この温度で２０ミリワットを超える複合冷却力を有するようになる。第３ステージ８には、第１の希釈ユニット１２の第１の混合チャンバ１３が取り付けられ、この混合チャンバは、第３ステージ８を１０ミリケルビン以下の基準温度に冷却し、この温度で約５マイクロワットの冷却力を有するようになる。第２ステージ７には、第２の希釈ユニット３２の第２の混合チャンバ３３が取り付けられ、この混合チャンバは、第２ステージ７を２０〜１００ミリケルビンの基準温度に冷却する（１００ミリケルビンで約２００マイクロワットの冷却力を有するようになる）。重要なこととして、第２の混合チャンバ３３は、第２ステージ７の能動的冷却源を形成し、従って第２ステージ７は、低温を維持するために第１ステージ６又は第３ステージ８の冷却力に依存しない。さらに、第２の希釈ユニット３２を設けることで、第２ステージが比較的少量の極低温流体を使用してとりわけ低い温度を取得するようになる。

第１の冷却回路３７は、第１の貯蔵容器１４から第１の凝縮ライン１５への第１の作動液の流れを容易にする導管を提供する第１の供給ライン４１を含む。その後、この流体は、第１の凝縮ライン１５に沿って第１の混合チャンバ１３に搬送することができる。第１の凝縮ライン１５は、階段状構成９の各ステージに熱的に結合され、第１の作動液が第１の混合チャンバ１３に向かって流れる際にジュールトムソン効果によって第１の作動液の温度を低下させる１又は２以上のインピーダンス（図示せず）をさらに含む。第１の凝縮ライン１５沿いには、この流れを０．５〜２バールの圧力でもたらす第１の圧縮機ポンプ１７が配置される。図２は概略図にすぎないと理解されたい。図示してはいないが、実際には第１の希釈ユニット１２の上部から第１の混合チャンバ１３内に第１の凝縮ライン１５の一部が延びる。第１の混合チャンバ１３から第１の分溜器１１を通じてクライオスタット１の外部位置に第１の作動液を搬送する第１の分溜器ポンプライン１８が配置される。その後、第１の作動液は、この位置から第１の凝縮ライン１５内に逆循環することができる。第１の分溜器ポンプライン１８沿いには、回路の低圧側に（例えば、０．１ｍｂａｒ未満の）高真空を提供し、従って第１の分溜器１１から離れた第１の作動液の流れを可能にする第１のターボ分子ポンプ１６が配置される。

第２の冷却回路３８は、第２の希釈ユニット３２の周囲に第２の作動液の流れをもたらすが、第１の冷却回路３７と同様に動作する。第２の貯蔵容器３４からは、第２の供給ライン４２が第２の凝縮ライン２２に延びる。第２の凝縮ライン２２は、第１の凝縮ライン１５と同様に第２の混合チャンバ３３に第２の作動液を搬送する。第２の凝縮ライン２２は、階段状構成９の各ステージに熱的に結合されて、第２の混合チャンバ３３への到達前に第２の作動液の温度を低下させる１又は２以上のインピーダンス（図示せず）をさらに含む。第２の作動液は、第２の分溜器ポンプライン２５によって第２の混合チャンバ３３から第２の分溜器３１を通じてクライオスタット１の外部位置に戻るように流れ、その後に第２の凝縮ライン２２に沿って逆循環することができる。上述したように、第２の分溜器ポンプライン２５及び第２の凝縮ライン２２沿いには、第２の作動液の流れを制御する第２のターボ分子ポンプ２３及び第２の圧縮機ポンプ２４がそれぞれ設けられる。

第１の希釈ユニット１２は熱交換ユニット３９を含み、ここでは第１の作動液が第１の混合チャンバ１３から第１の経路に沿って第１の分溜器１１に流れる。第１の凝縮ライン１５の一部は、第１の希釈ユニット１２の上部から熱交換ユニット３９に沿って第１の混合チャンバ１３内に延びる第２の経路を形成する。第１の希釈ユニット１２の熱交換ユニット３９は、第１ステージ６と第２ステージ７との間に位置する連続熱交換器２６と、第２ステージ７と第３ステージ８との間に位置するステップ熱交換部分２７とを含む。第１の希釈ユニット１２の連続熱交換器では、螺旋状に構成された同軸ユニット内を２つの経路が逆方向に進む。第１の希釈ユニット１２のステップ熱交換部分２７では、複数の空間的に分散したステップ熱交換器が積み重なって配置される。各ステップ熱交換器は、２つの経路をホイルによって分離する実質的に円盤状の構造を形成する。第１の混合チャンバ１３から第１の希釈ユニット１２の熱交換ユニット３９に沿って第１の分溜器１１に流れる流出ヘリウム−３は、第２の混合チャンバ３３による能動的冷却に加えて第２ステージ７に受動的冷却源を形成する。

第２の希釈ユニット３２には熱交換ユニット４０が設けられ、ここでは作動液が第２の分溜器３１から第２の混合チャンバ３３に、そして第１の希釈ユニット１２の熱交換ユニット３９と同様に隣接する冷却材経路を通じて第２の混合チャンバ３３から第２の分溜器３１に流れる。しかしながら、第２の希釈ユニット３２の熱交換ユニット４０は、ステップ熱交換部分を含まない。代わりに、熱交換ユニット４０は、第１ステージ６と第２ステージ７との間に位置する連続熱交換器２８のみを含み、ここでは螺旋状に構成された同軸ユニット内で２つの冷却経路がやはり逆方向に進む。説明したような連続熱交換器２８は、ステップ熱交換器と比べて動作のために必要なヘリウム−３が少量で済む。従って、第２の希釈ユニット３２は、連続熱交換器とステップ熱交換器との両方を含む第２の希釈ユニットを動作させるコストと比べて、ユーザにとって低いコストで第２ステージ７に直接効果的な冷却を加えるように動作することができる。

第１ステージ６、第２ステージ７及び第３ステージ８のうちの１つ又は２つ以上には、電気的要素を取り付けることができる。これらの電気的要素は、用途に応じて、（減衰器、フィルタ、循環器又はその他のマイクロ波コンポーネント、増幅器、抵抗器、トランジスタ、温度計、コンデンサ、インダクタなどの）電気装置と、（高周波配線とすることができる配線などの）導電体とを含むことができる。このような電気的要素は、例えば量子情報処理システム、テラヘルツ検出器システム又は低温光学系の一部を形成することができる（光学系の場合には、説明するシステムが緩和するように設計された高い熱負荷が導電性ではなく放射性であると理解されるであろう）。最も典型的には、試料ホルダ１０に配置された試料に制御システム２１からの入力信号を結合する配線が、階段状構成９の各ステージを通過する。この配線に沿って、典型的には入力信号を調整するための低域通過及び帯域通過フィルタなどのフィルタを含む複数の電気装置が設けられる。この配線に沿って、高電子移動度トランジスタ （ＨＥＭＴ）増幅器又は進行波パラメトリック増幅器などの増幅器をさらに取り付けて、試料から制御システム２１に伝わる出力信号を増幅することもできる。これらの電気的要素の動作は、電気的要素が取り付けられた上記ステージ３、４、６、７、８のいずれかに局所的に熱を放散させる。一方で、上述したような第２ステージ７の能動的冷却は、システムの冷却力を高めて第３ステージ８の温度が第２ステージ７の放散に依存するのを抑える。従って、第２ステージ７における局所的な放熱が第３ステージ８の温度に与える影響が少なくなる。

制御システム２１は、希釈ユニット、ポンプ及び関連する弁の動作、センサ及びその他の補助装置の動作のモニタリングを含むシステムの各部品の制御を行って試料に対して所望の手順を実行するために設けられる。これを行うために好適なコンピュータシステムが使用されるが、手動制御も想定される。

次に、システムを室温からその動作基準温度に冷却する冷却プロセス中のシステムの動作について説明する。ＰＴＲ２は、クライオスタット１の全てのコンポーネントが熱的に平衡した真空排気状態から開始して、クライオスタット１の内部に冷却を加えるように動作する。第１のＰＴＲステージ３及び第２のＰＴＲステージ４の温度は、通常の方法で低下する。第２のＰＴＲステージ４が約１０ケルビンの温度に達すると、制御システム２１は、第１の冷却回路３７の周囲の第１の作動液の循環を初期化する。すると、第１の作動液は、第１の供給ライン４１から第１の凝縮ライン１５に流れる。第１の作動液が第１の希釈冷凍機の周囲を連続的に循環することにより、ＰＴＲ２の温度がさらに低下するにつれて第１の作動液の温度が徐々に低下するようになる。

第１の作動液は、第１の凝縮ライン１５に沿って流れるにつれ、第１の混合チャンバ１３に到着する前に最終的に凝縮する。作動液は、約８６０ミリケルビン未満の温度で濃縮相と希薄相とに分離する。濃縮相は、ヘリウム−３に富み、希薄相は、ヘリウム−４に希釈されたほんのわずかなヘリウム−３を有する。動作中、この相境界が第１の混合チャンバ１３に含まれる。作動液は、第１の希釈ユニット１２の熱交換ユニット３９に沿って第１の混合チャンバ１３から第１の分溜器１１に移動する。第１の分溜器１１では、加熱器を動作させて第１の分溜器１１からヘリウム−３を蒸発させ、その後にターボ分子ポンプ１６を使用して分溜器ポンプライン１８に沿って圧送する。その後、第１の圧縮機ポンプ１７を使用して、第１の作動液を第１の凝縮ライン１５に沿って逆循環させる。

通常、制御システム２１は、冷却回路及びそれぞれの希釈ユニットの両方からの作動液の循環を同時に初期化する。従って、第２の希釈冷凍機については、同様のプロセスが同時に適用される。作動液が循環すると、階段状構成の温度は、各ステージがそれぞれの基準温度を取得するまで徐々に低下する。その後、用途次第では、システムに設けられた電気的要素を必要に応じて動作させることができる。これらの第２ステージ７の要素によって加わるあらゆる放熱負荷は、第２の混合チャンバ３３によってこのステージにもたらされるさらなる冷却力によって補償されることが有利である。

次に、本発明のさらなる実施形態について説明する。各実施形態間の同様の装置特徴については、ダッシュ記号、二重ダッシュ記号及び三重ダッシュ記号付きの参照数字を使用して指定する。図３は、本発明の第２の実施形態による極低温冷却システムの内部の断面図である。クライオスタット１’の構造及び動作は、図２の説明において詳述した通りである。第２の実施形態は、第１の希釈ユニット１２’及び第２の希釈ユニット３２’に共通冷却回路３７’が設けられている点が第１の実施形態と異なる。

供給ライン４１’から第２の混合チャンバ３３’へは、貯蔵容器１４’からの第２の希釈ユニット３２’に作動液の流れを提供する第２の凝縮ライン２２’が延びる。第２の凝縮ライン２２’沿いには、この流れを制御する圧縮機ポンプ２４’が設けられる。第２の放熱シールド２０’内のある位置まで分溜器ポンプライン１８’が延び、ここで分溜器ポンプライン１８’に接合部が形成される。分溜器ポンプライン１８’の第１の部分が第１の希釈ユニット１２’から接合部に延び、分溜器ポンプライン１８’の第２の部分が第２の希釈ユニット３２’から接合部に延びる。作動液を循環させるために低圧ポンプ１６’を使用する。制御システム２１’は、各ポンプ１６’、１７’、２４’を動作させて第１及び第２の希釈ユニット１２’、３２’の動作を保証する。この動作は、制御システム２１’の制御による室温では、明確にするために図示していないさらなる弁を必要とすることもあると理解されたい。用途によっては、クライオスタット１’内の導管数が減少するという理由で、両希釈ユニット１２’、３２’を動作させる単一の冷却回路３７’を設けることが特に望ましいと考えられる。これによって構成が単純化されるとともに製造工程も単純化され、クライオスタット１’内に他のコンポーネントのためのさらなる空間を含めることが可能になる。さらに、異なるステージ間に延びる各導管は潜在的熱漏洩を形成する恐れがあるので、これによってシステムの異なるコンポーネント間の望ましくない熱交換の量も減少する。

図４は、本発明の第３の実施形態による極低温冷却システムの内部の断面図であり、この図におけるクライオスタット１’’の構造及び動作は、第２の実施形態（図３）の説明において詳述した通りである。第３の実施形態は、クライオスタット１’’内で凝縮ライン１５’’が分離することによってクライオスタット１’’内の導管数がさらに減少している点が第２の実施形態と異なる。各導管は、潜在的熱漏洩を形成する恐れがあり、従ってシステム内で温度勾配に沿って延びる導管の数を減少させると、潜在的熱漏洩の回数、及びシステムの異なるコンポーネント間の望ましくない熱交換の量が減少するという利点が得られる。

凝縮ライン１５’’は、第１の希釈ユニット１２’’及び第２の希釈ユニット３２’’に作動液を送る。図４には、第２の放熱シールド２０’’内の第１の位置まで凝縮ライン１５’’が延び、ここで凝縮ライン１５’’に第１の接合部が形成されることを示す。凝縮ライン１５’’の第１の部分が第１の接合部から第１の希釈ユニット１２’’に延び、凝縮ライン１５’’の第２の部分が第１の接合部から第２の希釈ユニット３２’’に延びる。凝縮ライン１５’’の第１の部分沿いには第１のインピーダンス制御装置４３’’が設けられ、凝縮ライン１５’’の第２の部分沿いには第２のインピーダンス制御装置４４’’が設けられる。インピーダンスを制御するためにインピーダンス制御装置４３’’及び４４’’を使用する。例えば、インピーダンス制御装置の一部を形成する凝縮ライン１５の断面の直径を縮小することによって、固定インピーダンスを提供することができる。例えば、インピーダンス制御装置の一部を形成するニードル弁を使用することによって、調整可能なインピーダンスを提供することもできる。

図４には、第２の放熱シールド２０’’内の第２の位置まで分溜器ポンプライン１８’’が延び、ここで分溜器ポンプライン１８’’に第２の接合部が形成されることを示す。分溜器ポンプライン１８’’の第１の部分が第１の希釈ユニット１２’’から第２の接合部に延び、分溜器ポンプライン１８’’の第２の部分が第２の希釈ユニット３２’’から第２の接合部に延びる。

図４には、第２のＰＴＲステージ４’’と第１ステージ６’’との間の第２の放熱シールド２０’’内に生じる凝縮ライン１５’’の第１の接合部及び分溜器ポンプライン１８’’の第２の接合部を示す。さらなる実施形態（図示せず）では、接合部の一方又は両方が、クライオスタット１’’の外部、クライオスタット１’’の内部であって第１の放熱シールド１９’’の外部、又は第１の放熱シールド１９’’と第２の放熱シールド２０’’との間に存在することができる。

図５は、第４の実施形態による極低温冷却システムの階段状構成９’’’の断面図である。階段状構成９’’’には、第１及び第２の希釈ユニット１２’’’、３２’’’が取り付けられる。（設けられたあらゆる冷却回路を含む）周囲のクライオスタットは、明確にするために示していないが、図２〜図４を参照して上述した形態をとることができる。階段状構成９’’’は、第１ステージ６’’’と第２ステージ７’’’との間に位置するさらなるヒートシンクを提供する第４ステージ３６’’’をさらに含む。第４ステージ３６’’’は、高伝導材料（例えば、銅）から形成され、低熱伝導ロッドによって他のステージから間隔を空ける。第４ステージ３６’’’には、上述したようなマイクロ波コンポーネント又はその他の電気的要素を取り付けることができる。

第２の希釈ユニット３２’’’は熱交換ユニット４０’’’を含み、ここでは作動液が第２の分溜器３１’’’から第２の混合チャンバ３３’’’に、そして第２の混合チャンバ３３’’’から隣接する逆流構成の経路を通じて第２の分溜器３１’’’に流れる。この実施形態における第２の希釈ユニット３２’’’の熱交換ユニット４０’’’は、第１ステージ６’’’と第４ステージ３６’’’との間に位置する連続熱交換器２８’’’と、第４ステージ３６’’’と第２ステージ７’’’との間に位置するステップ熱交換器部分３７’’’とを含む。この配置を使用すると、第２ステージ７’’’において、典型的には（多くの量のヘリウム−３を使用するにもかかわらず）前の実施形態において達成できた温度よりも低い温度を取得することができる。また、さらなる冷却ステージ３６’’’を設けることにより、第３ステージ３’’’から離れてさらなる電気的要素を取り付けることができるさらなる本体がもたらされ、これによって第３ステージ８’’’に伝わる熱負荷が低減するという利点が得られる。

別の実施形態（図示せず）では、例えば第１ステージ及び第２又は第３ステージに直接冷却を加えるためのさらなる希釈ユニットを設けることができる。さらなる実施形態では、１又は２以上のヒートパイプ及び／又は熱スイッチの使用によって冷却プロセスを支援することができる。例えば、第１及び第２のＰＴＲステージ間に凝集性冷却剤を含むヒートパイプを配置することができ、階段状構成の第２のＰＴＲステージと第１ステージとの間にガスギャップ熱スイッチを配置することができる。そして、階段状構成の各近隣ステージ間にさらなるガスギャップ熱スイッチを設けて、これらのステージ間に選択的に結合可能な熱リンクを提供することもできる。冷却プロセス中には、例えばパルス管冷却器によって冷凍機の下部を予め周囲温度から冷却できるようにヒートパイプ及び熱スイッチを「閉鎖」状態で動作させることができ、その後に希釈ユニットの周囲の作動液の流れを初期化する前に「開放」してこれらのステージを熱的に分離することができる。このような熱分離は、ガスギャップ熱スイッチ内に含まれるあらゆる熱伝導性ガスを除去し、ヒートパイプ内に含まれる冷却剤を固化させることによって行うことができる。

結論として、第２の希釈ユニットによって第２ステージに能動的冷却源が設けられた、改善された極低温冷却システムが提供されると理解されるであろう。従って、第２の希釈ユニットを追加しなければ避けられない程度まで第３ステージの基準温度を上昇させることなく、例えば第２ステージに取り付けられた電気的要素によって第２ステージ上にさらなる熱を放散させることができる。従って、各ステージにおいてさらなる低温を達成することができる。

１ クライオスタット
２ ＰＴＲ
３ 第１のＰＴＲステージ
４ 第２のＰＴＲステージ
５ 外側真空容器
６ 第１ステージ
７ 第２ステージ
８ 第３ステージ
９ 階段状構成
１０ 試料ホルダ
１１ 第１の分溜器
１２ 第１の希釈ユニット
１３ 第１の混合チャンバ
１４ 第１の貯蔵容器
１５ 第１の凝縮ライン
１６ 第１のターボ分子ポンプ
１７ 第１の圧縮機ポンプ
１８ 第１の分溜器ポンプライン
１９ 第１の放熱シールド
２０ 第２の放熱シールド
２１ 制御システム
２２ 第２の凝縮ライン
２３ 第２のターボ分子ポンプ
２４ 第２の圧縮機ポンプ
２５ 第２の分溜器ポンプライン
２６ 連続熱交換器
２７ ステップ熱交換部分
２８ 連続熱交換器
３１ 第２の分溜器
３２ 第２の希釈ユニット
３３ 第２の混合チャンバ
３４ 第２の貯蔵容器
３７ 第１の冷却回路
３８ 第２の冷却回路
３９ 熱交換ユニット
４０ 熱交換ユニット
４１ 第１の供給ライン
４２ 第２の供給ライン

Claims (22)

1. 極低温冷却システムであって、
   第１ステージと、第３ステージと、前記第１ステージと前記第３ステージとの間に配置された第２ステージと、
   前記第１ステージに熱的に結合された第１の分溜器と、前記第３ステージに熱的に結合された第１の混合チャンバとを含む第１の希釈ユニットと、
   前記第１ステージに熱的に結合された第２の分溜器と、前記第２ステージに熱的に結合された第２の混合チャンバとを含む第２の希釈ユニットと、
   を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記第１の混合チャンバは、前記第１の希釈ユニット及び前記第２の希釈ユニットの動作中に、前記第２の混合チャンバの温度未満の温度を取得するように構成される、
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記第２の希釈ユニットは、前記第２の分溜器を前記第２の混合チャンバに流体的に結合する熱交換ユニットをさらに含み、この熱交換ユニットの少なくとも一部は、連続熱交換器を含む、
   請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記第１ステージと前記第２ステージとの間に配置された第４ステージをさらに備え、前記連続熱交換器は、前記第１ステージと前記第４ステージとの間に配置され、前記第２の希釈ユニットの前記熱交換ユニットは、前記第４ステージと前記第２ステージとの間に配置された１又は２以上のステップ熱交換器をさらに含む、
   請求項３に記載のシステム。
5. 前記システムは、前記各ステージが前記第１の希釈ユニット及び前記第２の希釈ユニットの動作によってそれぞれの基準温度を取得して、前記第３ステージが前記第２ステージの温度よりも低い基準温度を取得し、前記第２ステージが前記第１ステージの温度よりも低い基準温度を取得するように構成される、
   請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記第２ステージの前記基準温度は、２０〜１００ミリケルビンである、
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記第２ステージの前記基準温度は、２０〜５０ミリケルビンである、
   請求項５に記載のシステム。
8. 前記第１ステージの前記基準温度は、０．５〜２ケルビンである、
   請求項５から７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記第３ステージの前記基準温度は、２５ミリケルビン未満である、
   請求項５から８のいずれかに記載のシステム。
10. 前記第３ステージの前記基準温度は、１０ミリケルビン未満である、
    請求項５から８のいずれかに記載のシステム。
11. 前記第１、第２及び第３ステージを取り囲むように構成された放熱シールドと、この放熱シールドに熱的に結合された機械式冷凍機とをさらに備える、
    請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
12. 前記第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの周囲で作動液を循環させるように構成された冷却回路をさらに備える、
    請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
13. 前記第１の希釈ユニット及び第２の希釈ユニットの周囲で作動液を循環させるように構成された冷却回路をさらに備え、
    前記冷却回路は、凝縮ラインを含み、この凝縮ラインの第１の部分が、前記放熱シールド内の第１の位置から前記第１の希釈ユニットに延び、前記凝縮ラインの第２の部分が、前記第１の位置から前記第２の希釈ユニットに延びる、
    請求項１１に記載のシステム。
14. 前記冷却回路は、分溜器ポンプラインをさらに含み、この分溜器ポンプラインの第１の部分が、前記第１の希釈ユニットから前記放熱シールド内の第２の位置に延び、前記分溜器ポンプラインの第２の部分が、前記第２の希釈ユニットから前記第２の位置に延びる、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第１の希釈ユニットの周囲で第１の作動液を循環させるように構成された第１の冷却回路と、前記第２の希釈ユニットの周囲で第２の作動液を循環させるように構成された第２の冷却回路とをさらに備える、
    請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
16. １又は２以上のステージに取り付けられた電気的要素をさらに備え、この電気的要素の動作は局所的に熱を放散させる、
    請求項１から１５のいずれかに記載のシステム。
17. 前記電気的要素のうちの１つ又は２つ以上は、第２ステージに取り付けられる、
    請求項１６に記載のシステム。
18. 前記電気的要素は、量子情報処理システムの一部を形成する、
    請求項１６又は１７に記載のシステム。
19. 前記第２の混合チャンバは、この第２の混合チャンバが２００ミリケルビン未満の温度の時に、前記第２ステージに少なくとも１００マイクロワットの冷却力を加える、
    請求項１から１８のいずれかに記載のシステム。
20. 前記第１ステージ及び前記第３ステージに熱的に結合されたさらなる希釈ユニット、並びに前記第１ステージ及び前記第２ステージに熱的に結合されたさらなる希釈ユニットのうちの一方又はそれぞれをさらに備える、
    請求項１から１９のいずれかに記載のシステム。
21. 前記第３ステージに取り付けられた試料ホルダをさらに備える、
    請求項１から２０のいずれかに記載のシステム。
22. 前記第１の分溜器及び前記第２の分溜器は、前記第１ステージに取り付けられ、前記第１の混合チャンバは、前記第３ステージに取り付けられ、前記第２の混合チャンバは、前記第２ステージに取り付けられる、
    請求項１から２１のいずれかに記載のシステム。

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