NL2001755C2 - Houder voor een tot een lage temperatuur in een vacuümruimte af te koelen preparaat en 3he-4he mengkoelmachine ingericht voor het opnemen van een dergelijke houder. - Google Patents

Description

HOUDER VOOR EEN TOT EEN LAGE TEMPERATUUR IN EEN VACUÜMRUIMTE AF TE KOELEN PREPARAAT EN 3He-*He MENGKOELMACHINE INGERICHT VOOR HET OPNEMEN VAN EEN DERGELIJKE HOUDER

De uitvinding betreft een houder voor een tot een lage temperatuur in een vacuümruimte af te koelen preparaat, omvattend een draaglichaam voor het in thermisch contact dragen van het preparaat en contactmiddelen voor het in 5 thermisch contact brengen van het draaglichaam met een op de lage temperatuur te brengen koelichaam, in het bijzonder een houder voor een tot temperaturen in het millikelvin-gebied af te koelen preparaat in een 3He-4He mengkoelmachine.

De mengkamer van een 3He-4He mengkoelmachine bevindt 10 zich in een vacuümruimte. Een in die machine te koelen preparaat wordt op bekende wijze vastgeschroefd aan de mengkamer, of thermisch verankerd aan een koude vinger. Thermisch contact tussen preparaat en mengkamer kan alleen tot stand komen door mechanische contact tussen het preparaat 15 of, indien dit zich in een huis bevindt, het preparaathuis en het metaal van de mengkamer of koude vinger. Dit contact wordt op bekende wijze tot stand bij kamertemperatuur, als de mengkoelmachine zich op atmosferische druk bevindt.

Bij zeer lage temperaturen het is moeilijk om een goed 20 warmtetransport te bewerkstelligen tussen preparaat en koude bron, vanwege de thermische weerstand die omgekeerd evenredig is met het microscopische contactoppervlak tussen preparaat en koude bron, en dus met de druk op het oppervlak tussen preparaat of preparaathuis en koude bron. Indien men 25 bijvoorbeeld een stuk metaal wil koelen, en daarbij nog enig vermogen wil dissiperen op het metaal zelf, in de orde van het koelvermogen van de mengkoelmachine (enkele microwatts), dan moet men het metaal sterk vastschroeven aan de mengkamer.

Het wordt als nadeel van het koelen met een 30 mengkoelmachine ervaren dat het wisselen van een preparaat bijzonder tijdrovend is, en duur is vanwege de kosten van vloeibaar helium. Met de komst van de cryo-free mengkoelmachines, die geen vloeibare helium gebruiken maar 2 een Pulsed Tube Cryo-cooler (PTC), is de koeltijd nog langer geworden vanwege het beperkte koelvermogen van de beschikbare PTC's. Om dit nadeel te ondervangen wordt in toenemende mate gebruik gemaakt van mengkoelmachines met een buis die de 5 mengkamer verbindt met de buitenruimte, en waar men een preparaat volgens een zogeheten clear-shot in kan brengen en kan koelen zonder dat de mengkoelmachine opgewarmd hoeft te worden. Het preparaat wordt dan vastgemaakt aan een sonde ("probe") die in een vacuümbuis wordt gemonteerd en 10 vervolgens langzaam in de clear-shot tot de mengkamer wordt geduwd. Het preparaat en preparaathuis kunnen dan in mechanisch en thermisch contact met de mengkamer worden gebracht. De enthalpie van het preparaat is vele malen groter bij kamertemperatuur dan bij millikelvins en dus moet de 15 warmte afgevoerd worden naar mate de probe naar binnen wordt geduwd, teneinde te voorkomen dat de mengkoelmachine teveel word opgewarmd. Het is van essentieel belang dat de onderdelen van de probe die het preparaat aan de warme kant van de probe verbinden, een verwaarloosbare hoeveelheid 20 warmte naar het preparaat brengen, anders kan dit niet tot voldoende lage temperatuur gekoeld worden.

Het is een doel van de uitvinding een houder te verschaffen die het mogelijk maakt een preparaat op eenvoudige en snelle wijze in te brengen in en te verwijderen 25 uit een vacuümruimte in een cryogene inrichting, bijvoorbeeld in een 3He-4He mengkoelmachine, waarbij de gewenste temperatuur van de vacuümruimte tijdens het inbrengen of verwijderen gehandhaafd kan blijven.

Bij het inbrengen van een preparaat dient de hoeveelheid 30 gegenereerde warmte die als gevolg van het inbrengen wordt gegenereerd minimaal te zijn.

Deze doelen worden bereikt, en andere voordelen worden behaald, met een houder van het in de aanhef genoemde type, waarvan overeenkomstig de uitvinding de contactmiddelen 35 schakelbaar zijn tussen een eerste toestand waarin thermisch contact tussen het draaglichaam en het koellichaam afwezig is, en een tweede toestand waarin thermisch contact tussen 3 het draaglichaam en het koellichaam aanwezig is.

Een dergelijke houder maakt het mogelijk een preparaat buiten een koelmachine in thermisch contact te bevestigen aan het draaglichaam, de houder in te brengen in de vacuümruimte, 5 waarbij de contactmiddelen in de eerste toestand zijn geschakeld, en vervolgens, als de houder in de vacuümruimte is ingebracht, een vacuüm in de vacuümruimte aan te leggen en de contactmiddelen in de tweede toestand te schakelen.

In een uitvoeringsvorm van een houder volgens de 10 uitvinding zijn schakelmiddelen verschaft voor het schakelen van de contactmiddelen tussen de eerste en de tweede toestand.

De contactmiddelen omvatten in een voordelige uitvoeringsvorm een uit een warmtegeleidend elastisch 15 deformeerbaar materiaal vervaardigd veerelement en een door dat veerelement gedragen contactlichaam.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van een houder volgens de uitvinding, waarbij het koellichaam wordt verschaft door de wanden van de vacuümruimte, omvatten de contactmiddelen 20 ten minste een paar contactlichamen die zijn voorzien van respectieve met althans een deel van een wand van de vacuümruimte samenwerkende contactvlakken, welke contactvlakken simultaan met de respectieve wanddelen in contact zijn te brengen.

25 In een dergelijke houder zijn de contactlichamen bijvoorbeeld onderling gekoppeld door respectieve koppelarmen die elk aan een uiteinde scharnierbaar om een eerste scharnieras zijn gekoppeld aan een contactlichaam en aan een ander uiteinde scharnierbaar om een tweede scharnieras zijn 30 gekoppeld aan een koppellichaam, waarbij de respectieve eerste en de tweede scharnierassen onderling evenwijdig zijn en het koppellichaam in een richting dwars op de scharnierassen verplaatsbaar is tussen een eerste positie, waarbij de contactmiddelen in de eerste toestand zijn, en een 35 tweede positie, waarbij de contactmiddelen in de tweede toestand zijn.

Een verplaatsing van het koppellichaam in de genoemde 4 richting resulteert in een scharnierende beweging van de koppelarmen, en een simultane verplaatsing van de contactlichamen in een ten opzichte van het koppellichaam binnen- of buitenwaartse radiale richting. Doordat de 5 buitenwaartse verplaatsing in radiale richting is, komt het thermische contact tussen de contactvlakken en de wand van de vacuümruimte vrijwel wrijvingsloos tot stand, zodat bij het tot stand komen van het thermische contact vrijwel geen (af te voeren) energie wordt gedissipeerd.

10 In een praktisch voordelige uitvoeringsvorm is het koppellichaam koppelbaar met een zich tot buiten de vacuümruimte uitstrekkende schakelstang

Bij voorkeur omvatten de contactmiddelen twee paar contactlichamen die onderling zijn gekoppeld door respectieve 15 koppelarmen, waarbij de koppellichamen van een eerste paar contactlichamen zich dwars ten opzichte van de koppellichamen van een tweede paar contactlichamen uitstrekken.

De voordelen van een van een dergelijk koppellichaam voorziene houder komen in het bijzonder tot uitdrukking in 20 een uitvoeringsvorm waarin deze houder koppelbaar is met een tweede houder, op zodanige wijze dat het koppellichaam van deze houder koppelbaar is met het koppellichaam van de tweede houder, en de respectieve koppellichamen van deze houder en van de tweede houder simultaan verplaatsbaar zijn tussen een 25 eerste positie, waarbij de contactmiddelen van de eerste en de tweede houder in de eerste toestand zijn, en een tweede positie, waarbij de contactmiddelen van de eerste en de tweede houder in de tweede toestand zijn.

Met dergelijke gekoppelde houders is het mogelijk een 30 preparaat in een eerste, bij voorkeur onderste houder op de gewenste, laagste temperatuur te houden, en de tweede houder, die thermisch geïsoleerd met de eerste houder is gekoppeld, op een temperatuur tussen de laagste temperatuur en kamertemperatuur te houden, waarmee aldus een warmtebuffer 35 tussen het preparaat op de laagste temperatuur en kamertemperatuur tot stand is gebracht.

Voor het koppelen van deze houder met een tweede houder 5 is deze in een uitvoeringsvorm voorzien van koppelmiddelen, welke koppelmiddelen bijvoorbeeld ten minste een staaf van een thermisch isolerend materiaal omvatten.

Opgemerkt zij dat de houder volgens de uitvinding 5 geschikt is te worden toegepast in cryo-free machines van verschillende types, maar in het bijzonder in op zich bekende met vloeibaar 4He gekoelde cryostaten, in combinatie met een 3He-4He cryo-free machine, vanwege de beperkte lengte van dit type koelmachines, die een beperkte lengte van de probe 10 impliceert.

De uitvinding betreft voorts een sonde voor het inbrengen van een hierboven beschreven houder volgens de uitvinding voor een tot een lage temperatuur in een vacuümruimte in een koelmachine af te koelen preparaat in die 15 vacuümruimte.

De uitvinding betreft voorts een koelmachine, in het bijzonder een 3He-4He mengkoelmachine, ingericht voor het opnemen van een hierboven beschreven sonde volgens de uitvinding.

20 De uitvinding zal in het volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden, onder verwijzing naar de tekeningen.

In de tekeningen tonen

Fig. 1 in perspectivisch bovenaanzicht een 25 uitvoeringsvorm van een houder volgens de uitvinding, en

Fig. 2 de in fig. 1 getoonde houder in plofbeeld, en

Fig. 3 in perspectivisch bovenaanzicht een probe met een viertal gekoppelde houders volgens de uitvinding.

In de figuren worden overeenkomstige onderdelen 30 aangeduid met dezelfde verwijzingsgetallen.

Fig. 1 toont een houder 1 voor het inbrengen van een preparaat in een cilindervormige vacuümruimte (niet getoond), met een draaglichaam 2, een viertal contactelementen 3, 4, 5; 3', 4', 5' die elk bestaan uit een veerelement 3, 3' en een 35 contactlichaam 4, 4' met een naar de wand van de vacuümruimte te richten contactvlak 5, 5'. De contactvlakken 5, 5' hebben een vorm die correspondeert met het deel van de wand van de 6 vacuümruimte waarmee deze contactvlakken 5, 5' simultaan in contact gebracht worden. De contactlichamen 4, 4' zijn onderling gekoppeld door respectieve koppelarmen 6, 6' die elk aan een uiteinde scharnierbaar om een eerste scharnieras 5 7, 7' zijn gekoppeld aan een contactlichaam 4, 4' en aan een ander uiteinde scharnierbaar om een tweede scharnieras 8, 8' zijn gekoppeld aan een centraal koppellichaam 9. De respectieve eerste 7, 7' en de tweede scharnierassen 8, 8' zijn in elke koppelarm 6, 6' evenwijdig, en het koppellichaam 10 9 is in de richting dwars op de scharnierassen 7, 8; 7', 8' (weergegeven door pijl 11) verplaatsbaar tussen een eerste positie, waarin de contactvlakken 5, 5' vrij zijn van de wand van vacuümruimte, en een tweede positie, waarin de contactvlakken tegen de wand van de vacuümruimte zijn 15 aangedrukt, en aldus in thermisch contact met het betreffende deel van die wand zijn. Hiertoe hebben de koppelarmen 6, 6' een zodanige lengte dat tegenoverliggende koppelarmen 6, 6' in onbelaste toestand van de veren 3, 3' een stompe hoek insluiten, die door het verplaatsen van het centrale 20 koppellichaam 9 kan worden vergroot, als gevolg waarvan de contactlichamen 4, 4' in buitenwaartse richting worden verplaatst. In het getoonde voorbeeld vormen de koppellichamen 4, 4' twee paren, die onderling zijn gekoppeld door de respectieve koppelarmen 6, 6', waarbij de koppelarmen 25 6 van het ene paar contactlichamen 4 zich dwars ten opzichte van de koppelarmen 6' van het andere paar contactlichamen 4' uitstrekken. In het centrale koppellichaam 9 is een boring 13 aanwezig, voorzien van een inwendige schroefdraad, waarin een schakelstang 14 (getoond in fig. 3) kan worden geschroefd.

30 Deze schakelstang 14 is vervaardigd uit een thermisch isolerend materiaal, bijvoorbeeld een met koolstofvezel versterkte epoxy staaf, en steekt met zijn van de houder 1 afgewende eind tot buiten de koelmachine, waar de schakelstaaf is voorzien van een schroefdraad en een 35 instelmoer, voor het instellen van de hoogte van de staaf ten opzichte van de koelmachine, en daarmee voor het instellen van de positie van de contactlichamen 4, 4' ten opzichte van 7 de wand van de vacuümruimte. De figuur toont voorts boringen 15, waarin bijvoorbeeld thermometers, preparaten, stookelementen en koppelstangen 18 (getoond in fig. 3) bevestigd kunnen worden, sleuven 31 voor het doorvoeren van 5 kabels, capillairen, optische vezels en dergelijke, en een centrale boring 16 voor het doorvoeren van een schakelstang 14 naar een volgende houder of voor het op die plaats bevestigen van een preparaat of koude vinger 17. Warmte van draaglichaam 2 wordt afgevoerd via de veerelementen 3, 3' 10 naar de contactlichamen 4, 4' en door de contactvlakken 5, 5' naar het respectieve thermische bad. Aan de contactlichamen 4, 4' zijn roestvast stalen steunelementen 23, 23' met zilver gesoldeerd, om te voorkomen dat de koppelarmen 6, 6' het koper zouden vervormen als gevolg van de grote krachten die 15 bij verplaatsing van het koppellichaam 9 in axiale richting 11 kunnen worden uitgeoefend

Gevonden is met de in de figuur afgebeelde houder bij een temperatuur van 4 K, 800 mK, 100 mK en 13 mK in een cryo-free mengkoelmachine een koelvermogen van respectievelijk ca. 20 500 mW, 20 mW, 100 pW en 1 μΜ kan worden gerealiseerd.

Opgemerkt zij dat het verplaatsen van een houder in een vacuümruimte stapsgewijs verloopt. Bijvoorbeeld zal tijdens een eerste stap de houder zo ver in de vacuümruimte worden ingelaten dat de contactlichamen in contact gebracht kunnen 25 worden met een deel van de wand van de ruimte dat op de temperatuur van vloeibaar stikstof (77 K) (respectievelijk, in een cryo-free mengkoelmachine, op 50 K) is gebracht, waarna de houder verder wordt ingelaten tot een niveau waarbij de contactlichamen in contact gebracht kunnen worden 30 met een deel van de wand dat op de temperatuur van vloeibaar helium (4,2 K) is gebracht (respectievelijk, in een cryo-free mengkoelmachine, op 2,6 - 4,6 K), waarna de houder tenslotte verder wordt ingelaten tot een niveau waarbij de contactlichamen in contact gebracht kunnen worden met een 35 deel van de wand dat in thermisch contact met de mengkamer van de 3He-4He mengkoelmachine is

Fig. 2 toont de in fig. 1 getoonde houder 1 in 8 plofbeeld, met delen la en lb. Het draaglichaam 2 in het onderste deel lb is vervaardigd uit zuiver koper, en is voorzien van vier stroken 3, 3', aan het bovenste eind waarvan een plaatje 21, 21' met een gat 22, 22' is bevestigd.

5 De respectieve plaatjes 21, 21' worden vastgeschroefd in corresponderende getapte gaten (niet getoond) in de respectieve contactlichamen 4, 4'. De stroken 3, 3' zijn ook integraal aan te vormen aan de contactlichamen 4, 4'. De vorm en de dikte van de stroken 3, 3' worden mede bepaald door de 10 gewenste warmtegeleiding. Bijvoorbeeld kan de dikte van de stroken 3, 3' variabel zijn. Om de vorming van slecht geleidend koperoxide te voorkomen wordt de houder 1 na het samenstellen van de beide delen la, lb verguld.

Fig. 3 toont een probe 29 met vier door middel van 15 koppelstangen 18 van een thermisch isolerend materiaal onderling gekoppelde houders 1, 10, 12, 20, waarvan de respectieve contactlichamen 4, 4' op vier in hoogte verschillende plaatsen in thermisch contact gebracht kunnen worden met delen van de wand van een vacuümruimte. Door het 20 op deze wijze koppelen van de houders 1, 10, 12, 20 is het mogelijk een preparaat in de onderste houder 1 op de gewenste, laagste temperatuur te houden, en de tweede 10, derde 12 en vierde houder 20, die onderling thermisch geïsoleerd zijn gekoppeld, op een (telkens hogere) 25 temperatuur tussen de laagste temperatuur en kamertemperatuur te houden. Op de respectieve draagplaten 2 kunnen bedradingen en eventuele thermometers thermisch worden verankerd, waarmee aldus een warmtebuffer tussen het preparaat op de laagste temperatuur en kamertemperatuur tot stand wordt gebracht, en 30 aldus het warmtelek naar het preparaat wordt geminimaliseerd. Aan de onderzijde van de draagplaat 2 van de onderste houder 1 is een koude vinger 17 voor een daaraan te bevestigen preparaat geschroefd. De figuur toont voorts een instelschroef 19 om een schroefdraad op het uiteinde 28 van 35 de schakelstang 14, waarmee deze schakelstang 14 in axiale richting 11 kan worden bewogen, een dunwandige roestvast stalen vacuümbuis 25 voor het doorvoeren van meetkabels, 9 bijvoorbeeld kabels voor thermometers en dergelijke, die zijn verbonden met aansluitpluggen 27 op een aansluitkop 29, aan de vacuümbuis gesoldeerde koperen stralingsschermen 26, De vacuümbuis 25 strekt zich uit door en is verplaatsbaar in een 5 vacuüm O-ring afdichting in een flens 24, die zich op kamertemperatuur bevindt.

Claims (12)

1. Houder (1, 10, 12, 20) voor een tot een lage temperatuur in een vacuümruimte af te koelen preparaat, omvattend een draaglichaam (2) voor het in thermisch contact dragen van het preparaat en contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5 5') voor het in thermisch contact brengen van het draaglichaam (2) met een op de lage temperatuur te brengen koelichaam, met het kenmerk, dat de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') schakelbaar zijn tussen een eerste toestand waarin thermisch contact tussen het draaglichaam (2) en het 10 koellichaam afwezig is, en een tweede toestand waarin thermisch contact tussen het draaglichaam (2) en het koellichaam aanwezig is.

2. Houder (1, 10, 12, 20) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat schakelmiddelen (6, 7, 8; 6',7', 8', 9, 14) zijn 15 verschaft voor het schakelen van de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') tussen de eerste en de tweede toestand.

3. Houder (1, 10, 12, 20) volgens een der conclusies 1- 2, met het kenmerk, dat de contactmiddelen een uit een warmtegeleidend elastisch deformeerbaar materiaal vervaardigd 20 veerelement (3) en een door dat veerelement (3) gedragen contactlichaam (4) omvatten.

4. Houder (1, 10, 12, 20) volgens een der conclusies 1- 3, waarbij het koellichaam wordt verschaft door de wanden van de vacuümruimte, met het kenmerk, dat de contactmiddelen ten 25 minste een paar contactlichamen (6, 6') omvatten die zijn voorzien van respectieve met althans een deel van een wand van de vacuümruimte samenwerkende contactvlakken (5, 5'), welke contactvlakken (5, 5') simultaan met de respectieve wanddelen in contact zijn te brengen.

5. Houder (1, 10, 12, 20) volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de contactlichamen (4) onderling zijn gekoppeld door respectieve koppelarmen (6) die elk aan een uiteinde scharnierbaar om een eerste scharnieras (7) zijn gekoppeld aan een contactlichaam (4) en aan een ander uiteinde scharnierbaar om een tweede scharnieras (8) zijn gekoppeld aan een koppellichaam (9), waarbij de respectieve eerste (7) en de tweede scharnierassen (8) onderling evenwijdig zijn en het koppellichaam (9) in een richting dwars op de 5 scharnierassen (7, 8) verplaatsbaar is tussen een eerste positie, waarbij de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') in de eerste toestand zijn, en een tweede positie, waarbij de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') in de tweede toestand zijn.

6. Houder (1, 10, 12, 20) volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het koppellichaam (9) koppelbaar is met een zich tot buiten de vacuümruimte uitstrekkende schakelstang (14).

7. Houder (1, 10, 12, 20) volgens een der conclusies 5-6, met het kenmerk, dat de contactmiddelen twee paar 15 contactlichamen (5, 5') omvatten die onderling zijn gekoppeld door respectieve koppelarmen (6, 6'), waarbij de koppelarmen (6) van een eerste paar contactlichamen (4) zich dwars ten opzichte van de koppelarmen (6') van een tweede paar contactlichamen (4') uitstrekken.

8. Houder (1) volgens een der conclusies 5-7, met het kenmerk, dat deze koppelbaar is met een tweede houder (10, 12, 20) volgens een der conclusies 5-6, op zodanige wijze dat het koppellichaam (9) van deze houder (1) koppelbaar is met het koppellichaam (9) van de tweede houder (10, 12, 20), en 25 de respectieve koppellichamen (9) van deze houder (1) en van de tweede houder (10, 12, 20) simultaan verplaatsbaar zijn tussen een eerste positie, waarbij de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') van de eerste (1) en de tweede houder (10, 12, 20) in de eerste toestand zijn, en een tweede positie, 30 waarbij de contactmiddelen (3, 4, 5; 3', 4', 5') van de eerste (1) en de tweede houder (10, 12, 20) in de tweede toestand zijn.

9. Houder (1) volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat deze voorzien is van koppelmiddelen (18) voor het koppelen 35 van deze houder (1) met een tweede houder (10, 12, 20) volgens conclusie 7.

10. Houder(1) volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de koppelmiddelen ten minste een staaf (18) van een thermisch isolerend materiaal omvatten.

11. Sonde (30) voor het inbrengen van een houder (1, 10, 12, 20) voor een tot een lage temperatuur in een vacuümruimte 5 in een koelmachine af te koelen preparaat in die vacuümruimte, gekenmerkt door een houder volgens een der conclusies 1-10

12. Koelmachine, ingericht voor het opnemen van een sonde (30) volgens conclusie 11. 10 13. 3He-4He mengkoelmachine, ingericht voor het opnemen van een sonde (30) volgens conclusie 11.