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

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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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