低温恒温器
阅读说明：本技术 低温恒温器 (Low-temperature thermostat ) 是由 延斯·赫内 于 2020-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种低温恒温器,用于2K以下温度范围的实验,以改善实验站(4-i)空间的可进入性,同时缩小结构体积。由于实验站(4-i)彼此相邻布置而不是一个在另一个下方,只要移除相应的隔热罩(32-i),就可以从上方和侧面进入各个实验站。在现有技术中,各实验站只能从侧面进入。本发明可简化各种实验,且一般性简化了在使用中对低温恒温器的处理。将实验站相邻布置也大大降低了低温恒温器的结构高度,故可以在标准高度的实验室空间中操作低温恒温器。这种功效在具有垂直悬挂布置的低温恒温器不可能达成。虽然实验站的相邻布置会使隔热罩表面积增大,运行中各个冷却器的冷却能力需求必须提高,但可以在标准高度实验室中使用的优点,可使这个缺点变得微不足道。(The invention provides a cryostat for experiments in a temperature range below 2K, in order to improve the accessibility of the space of an experimental station (4-i) and at the same time to reduce the structural volume. Since the test stations (4-i) are arranged next to each other instead of one below the other, each can be accessed from above and from the side, as long as the respective heat shield (32-i) is removed. In the prior art, the individual laboratory stations are accessible only from the side. The present invention can simplify various experiments and generally simplifies handling of the cryostat in use. Arranging the stations adjacent also greatly reduces the structural height of the cryostat so that the cryostat can be operated in a standard height laboratory space. This effect is not possible with a cryostat having a vertical suspension arrangement. Although the adjacent arrangement of the stations increases the heat shield surface area and the cooling capacity requirements of the individual coolers must be increased during operation, the advantages that can be used in standard height laboratories can make this disadvantage negligible.)
技术领域
本申请案涉及根据权利要求1的低温恒温器，用于在低于2K的温度范围内进行实验。
背景技术
低温恒温器，特别是适用于低于2K的温度范围的隔离式低温恒温器，目前主要用于及配置于开发量子计算机和量子通信设备。传统低温恒温器各个温度水平或冷却板的布置以及各个实验站的布置，是以垂直方式布置。
图7a和7b示意性地示出了根据现有技术的具有垂直悬挂结构的隔离式低温恒温器。根据图7所示的隔离式低温恒温器包括六个冷却级2-1到2-6，并具有四个实验站4-1到4-4。常温区并不作为实验区。六个冷却级2-i的温度水平由三个冷却装置提供，冷却装置在图中并未示出。
第一冷却装置虽未示出在图中，但是可为GM冷却器的第一级，包括第一冷却板8-1，在第一冷却板8-1下方布置第一实验站4-1。第一冷却级2-1提供约50K的温度水平，用于第一实验站4-1。
第二冷却装置在图中也虽未示出，但是可为GM冷却器的第二级，并包括布置在第一实验站4-1下方的第二冷却板8-2。第二冷却板8-2或第二冷却级2-2处于大约4K的温度水平。布置在第二冷却板8-2下方的是第二实验站4-2，处于第二冷却级2-2的温度水平。第三冷却级2-3的第三冷却板8-3具有大约1K的温度水平，是由第三冷却装置提供。第三冷却装置虽未显示在图中，但可为焦耳-汤姆逊(Joule–Thomson)级冷却装置。
第四冷却装置虽未显示在图中，但可为3He/4He稀释冷冻机(3He/4He dilutionrefrigerator,<3>He/<4>He-Entmischungskühler)，提供第四、第五和第六冷却级2-4、2-5和2-6的温度水平。在第四冷却板8-4和第五冷却板8-5之间，在第四冷却级2-4下方设有第三实验站4-3。在第三实验站4-3下方以及第五冷却板8-5下方提供第六冷却板8-6，即最低温冷却级2-6。第四冷却板8-4的温度水平在500和700mK之间，第五冷却板8-5的温度水平在100和200mK之间，第六冷却板8-4与其下方的第四实验站4-4的最低温度水平，是在小于100mK的范围。
上述整个装置布置在真空容器10中。在真空容器10中，所有六个冷却级2-1至2-6都被第一隔热罩12-1包围。在第一隔热罩12-1中，第二至第六冷却级6-2至6-6都被第二隔热罩12-2包围。在第二隔热罩12-2中，第四至第六冷却级2-4至2-6被第三隔热罩12-3包围。最低温的第六冷却级2-6被第四隔热罩12-4包围。
这种传统布置的优点在于，各个温度水平都像洋葱皮一样被另一个温度水平包围在内，因此易于制造。请参见图7b。然而，这些已知的低温恒温器架构会使体积相对变大，尤其是近来对个别温度水平的实验空间的要求不断增大，而使系统变高或变长。由于应用上必须能够进入各个实验站，但隔热罩的设计却越来越长，结果必须将隔热罩切分成几部分，或在设备下方留出较大空间，才能在拆卸隔热罩后进入实验站。此外，各个温度水平中的所有结构都必须悬挂，才能在相应冷却级别的冷却板下方的隔热罩内预留实验空间。
Kurt Uhlig在Cryogencis 87(2017)29-34的文章“低振动和无冷冻剂的台式稀释冷冻机的概念(Concepts for a low-vibration and cryogen-free tablet-topdilution refrigerator)”中，描述了一种所谓的台式隔离低温恒温器。虽然可以缩小结构体积，但仍具有与根据图7的现有技术相同的缺点。亦即，个别冷却板或实验站只能从侧面进入。
专利文献DE 102014015665B4记载一种光学平台，具有集成到桌面中的单个冷却板。
专利文献DE102016214731 B3、DE 102005041383A1以及DE102011115303A1提出核磁共振装置或低温装置的设计。当从上方观察时，探针头部件是按不同的温度水平，一个布置在另一个下方。从专利文献DE102011115303A1的图中可以看出，两个探针头在水平和垂直方向上错开排列。但在DE102011115303A1的说明内容中并未对这个特征加以说明。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种低温恒温器，能够方便进入实验站内，但只需要较小的结构体积。
上述技术难题可由权利要求1的特征解决。
因为实验站不是将一个布置在另一个下方，而是彼此相邻地布置，所以只要移除相应的隔热罩之后，就可以从上方和侧面进入，解决现有技术只能从侧面进入的缺点。本发明可以简化各种实验，并且一般性简化了在使用中对低温恒温器的处理。由于将实验站以相邻方式布置，低温恒温器的高度大大降低，因此可以在标准高度的实验室房间中操作低温恒温器，这在以垂直排列悬挂布置的冷冻机是不可能实现的功效。将实验站相邻布置可能会导致隔热罩面积增大，但所导致的缺点(运行时各个冷却器所需的冷却能力必须提高)在能够在具有标准高度的实验室房间中使用的优点之下，已经是可接受的代价。
根据权利要求2的优选实施例，当实验站彼此相邻布置时，以适当方法确保各实验站可从上方和从一侧进入。
根据权利要求3或4的本发明有利实施例，多个冷却级是由共享的冷却器提供。
根据权利要求5至7的本发明有利实施例涉及适合用于低温恒温器的冷却装置。
根据权利要求8的本发明有利实施例表示实验站的简单相邻布置，能使各个实验站仍然处于不同的温度水平。
根据权利要求9的本发明有利实施例提供了位于大致相同高度水平，以相邻排列布置的实验站。
本发明的进一步细节、特征和优点可从以下对本发明的优选实施例的说明，更加清楚。
附图说明
图1a和1b示意性地示出了本发明的基本架构。
图2a和2b示出了本发明第一实施例的几何结构。
图3是本发明第二实施例的几何结构图。
图4示出了根据图2和图3的实施例中的隔热罩的布置。
图5示出了本发明的第三实施例，其中实验站在一层上相邻布置。
图6示出了本发明的第四实施例，其中GM冷却器从下方穿过真空容器。
图7a和7b示出了现有技术的低温恒温器。
参考标记列表
2-i 冷却级
4-i 实验站
8-i 冷却板
10 真空容器
12-i 隔热罩
20 底板
22 20、8-2的侧向隔板
24 槽
26 脉冲管冷却器
28 支撑元件
30-i 部分冷却板
32-i 隔热罩
34 3He/4He稀释冷冻机
36 蒸发器
38 同心热交换器
40 混合室
42 连接管
44 热导体
46 振动解耦器
48 GM冷却器
具体实施方式
图1a和1b示意性地示出了本发明的基本架构。其中，五个实验站4-1到4-5在一个平面上相邻布置在冷却板8-1到8-5上。五个实验站4-1至4-5位于冷却水平2-1至2-5上，相关温度为室温、50K、4K、700mK和100mK。
图1a示出了多个相邻布置的实验站，并示出在相应冷却板8-1到8-5上方的实验站4-1到4-5的大致体积。图1b则是显示根据图1的实施例的平面图。
图2a和2b示出了本发明的第一实施例，其中根据本发明的低温恒温器横截面具有矩形形状并且在一个平面中彼此相邻布置。各个实验站4-1至4-5嵌套在L-形状中，而第五实验站4-5形状是正方形。
图3示出了本发明的第二实施例，其中各个实验站4-1至4-5基本结构是圆形或圆柱形，并且一个包围另一个。
图4示出了适用于根据图2和3的各实施例的四个隔热罩32-1至32-4的可能布置。
图5示出了本发明的第三实施例。低温恒温器的各个部件布置在真空容器10中。真空容器10包括底板20，在底板20上布置有侧向隔板22，因而形成槽24。在槽24的左侧，有脉冲管冷却器26延伸到槽24中。右侧的侧向隔板22支撑处于室温的第一部分冷却板30-1。第一实验站4-1布置在第一部分冷却板30-1的上方。第一实验站4-1被第一隔热罩32-1包围并且处于室温。整个真空容器10就由第一隔热罩32-1限定。
第二冷却板8-2由支撑元件28支撑而设置在距基板20一定距离处。第二冷却板8-2与脉冲管冷却器26热耦接并且具有侧向隔板22。在第二冷却板8-2的右侧边缘区域中，支撑元件28支撑第二部分冷却板30-2，使其向上偏移，位于第一部分冷板30-1的平面上。第二冷却板8-2和第二部分冷却板30-2处于大约50K的第二温度水平。第二实验站4-2位于第二部分冷却板30-2上，或其上方。第二隔热罩32-2连接第二冷却板8-2，两者将第二实验站4-2封闭在内。
与前述相似，第三冷却板8-3被支撑元件28支撑，布置在第二冷却板8-2上方而与第二冷却板8-2相隔。第三冷却板8-3热耦接到脉冲管冷却器26，并且提供约4K的温度水平。第三冷却板8-3右侧的支撑元件28承载第三部分冷却板30-3，使其向上偏移。第三部分冷却板30-3位于第二部分冷却板30-1和第一部分冷却板30-2的平面上。第三实验站4-3布置在第三部分冷却板30-3上或其上方，其温度水平大约为4K。第三隔热罩32-3连接第三冷却板8-3，将第三实验站4-3包围在内。
又与前述相似，第四冷却板8-4布置在第三冷却板8-3上方，其上布置有3He/4He稀释冷冻机34。第四冷却板8-4的右侧的支撑元件28支撑第四部分冷却板30-4，使其向上偏移，位于其他部分冷却板30-1至30-3的水平面上。
第五冷却板8-5以其他的支撑元件或支撑壁28支撑，布置在第四冷却板8-4上方，并位于其他部分冷却板30-i的水平面上，提供大约30mK的最低温度水平。第五实验站4-5布置在第五冷却板8-5上或上方。第五隔热罩32-5连接第五冷却板8-5，一起包围第五实验站8-5。
位于第四和第五冷却板8-4、8-5之间的3He/4He稀释冷冻机34包括具有同心热交换器38的蒸发器36、混合室40和连接管42。蒸发器热耦接到第四冷却板8-4和第四部分冷却板30-4。混合室40热耦接到第五冷却板8-5。
各个冷却板8-i与部分冷却板30-i和脉冲管冷却器26或3He/4He稀释冷冻机34的热耦合是经由热导体44进行。脉冲管冷却器26通过振动解耦器46安装在真空容器10中。
图6显示本发明的第四实施例。第四实施例与根据图5的第三实施例不同之处在于，本实施例不使用在侧部穿过真空容器10的脉冲管冷却器，而是以GM冷却器48从下方大约是第五冷却板8-5中央的位置，穿过真空容器10。GM冷却器48还穿过第二冷却板8-2中的开口，从而可以与第三冷却板建立热耦合。从下方安装GM冷却器48会使装置变窄、变高。
从图5和图6的剖视图可以看出，将实验站4-i相邻布置可以使结构的形状高度显著降低。由于低温恒温器的高度降低，因此可以在具有标准高度的实验室中操作低温恒温器。这种功效是传统具有垂直悬挂布置的低温恒温器不可能达成的。将实验站相邻布置会导致隔热罩面积增大。但所造成的缺点(运行中各个冷却器的冷却能力必须提高)是可以接受的。因为可以在标准高度的实验室房间中使用的优点，远胜于该缺点。
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