特許 7434349 クライオスタット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-09

(45)【発行日】2024-02-20

(54)【発明の名称】クライオスタット

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20240213BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 H

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021554745

(86)(22)【出願日】2020-03-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-05-10

(86)【国際出願番号】 EP2020056053

(87)【国際公開番号】W WO2020182671

(87)【国際公開日】2020-09-17

【審査請求日】2023-01-30

(31)【優先権主張番号】102019203341.5

(32)【優先日】2019-03-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】514025672

【氏名又は名称】プレッシャー・ウェーブ・システムズ・ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＷＡＶＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100120891

【弁理士】

【氏名又は名称】林 一好

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100185269

【弁理士】

【氏名又は名称】小菅 一弘

(72)【発明者】

【氏名】ヘーヘン イェンス

【審査官】森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】独国特許発明第１０２０１６２１４７３１（ＤＥ，Ｂ３）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００９６３０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００１－２４８９２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クライオスタットであって、
異なる温度レベルを有する複数の冷却レベル（２－ｉ）であって、関連付けられた冷却装置（２６、３４）を有する複数の冷却レベル（２－ｉ）と、
前記冷却レベル（２－ｉ）の温度レベルにある複数の実験場所（４－ｉ）と、
前記実験場所（４－ｉ）を囲む、前記冷却レベル（２－ｉ）のための複数の熱シールド（３２－ｉ）と、
前記複数の冷却レベル（２－ｉ）が配置された真空チャンバ（１０）と
を含み、
前記実験場所（４－ｉ）は、上方から見て横に並んで配置されており、
前記実験場所（４－ｉ）が、それぞれ上から、及び側方からアクセスできるように横に並べて配置されていることを特徴とするクライオスタット。

【請求項2】

冷却装置（２６、３４）が、いくつかの冷却レベル（２－ｉ）に関連付けられていることを特徴とする請求項１に記載のクライオスタット。

【請求項3】

２つの最も低い温度レベルを持つ冷却レベル（２－４、２－５）の前記冷却装置が、分留器（３６）と混合器（４０）を含む^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却器（３４）であることを特徴とする請求項２に記載のクライオスタット。

【請求項4】

最も低い温度レベルを持つ冷却レベル（２－４、２－５）の前記冷却装置が、ジュール・トムソン冷凍機、１－Ｋポット、及び／又は^３Ｈｅレベルであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクライオスタット。

【請求項5】

最も低い温度レベルを持つ冷却レベル（２－４、２－５）の前記冷却装置が、ＡＤＲ冷凍機であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のクライオスタット。

【請求項6】

より高い温度レベルを持つ前記冷却レベル（２－１、２－２、２－３）の前記冷却装置が、パルス管冷却器、ＧＭ冷凍機、スターリング冷凍機、及び／又はジュール・トムソン冷凍機であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のクライオスタット。

【請求項7】

前記複数の冷却レベル（２－ｉ）のうちの少なくとも２つが、それぞれの冷却レベル（２－ｉ）の温度レベルのコールドプレート（８－ｉ）を含み、
個々のコールドプレート（８－ｉ）が、前記コールドプレート（８－ｉ）の横方向に突出した部分が上からアクセスできるように、重なり合って互いの上に横方向に突出して設計されており、かつ
実験場所（４－ｉ）が、前記コールドプレート（８－ｉ）の横方向に突出した部分の上方に形成されている
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のクライオスタット。

【請求項8】

前記コールドプレートの横方向に突出した部分に、上方にオフセットされた部分コールドプレート（３０－ｉ）が設けられており、前記部分コールドプレートが前記コールドプレートの突出した部分に機械的に支持されており、
垂直方向にオフセットされた前記部分コールドプレート（３０－ｉ）が、それぞれの温度レベルの前記コールドプレートの突出した部分に熱的結合材（４４）によって接続されており、かつ
前記実験場所（４－ｉ）が、最も低い温度レベルの前記コールドプレート（８－５）及び前記部分コールドプレート（３０－ｉ）の上方に形成されている
ことを特徴とする請求項７に記載のクライオスタット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、２Ｋ未満の範囲の温度での実験のための請求項１に記載のクライオスタットに関する。

【背景技術】

【0002】

クライオスタット、特に２Ｋ未満の範囲の温度の希釈クライオスタットは、現在、基本的に量子コンピュータ及び量子通信装置の開発のために必要とされ、構築されている。個々の温度レベル又はコールドプレートの配置、従って実験場所の配置は、従来のクライオスタットの縦方向（鉛直方向）の配置によって与えられる。

【0003】

図７ａ及び図７ｂは、吊り下げ式の竪型構造を有する従来技術による希釈クライオスタットを模式的に示す。図７に係る希釈クライオスタットは、６つの冷却レベル２－１～２－６と、４つの実験場所４－１～４－４とを含む。実験場所としては、室温の範囲は設けられていない。６つの冷却レベル２－ｉの温度レベルは、詳細には規定されていない３つの冷却装置によって提供される。

【0004】

詳細には示されていない第１の冷却装置、例えばＧＭ冷凍機の第１レベルは、第１のコールドプレート８－１と、第１のコールドプレート８－１の下方に配置された第１の実験場所４－１とを含む。第１冷却レベル２－１は、第１の実験場所４－１に約５０Ｋの温度レベルを提供する。

【0005】

詳細には示されていない第２の冷却装置、例えばＧＭ冷凍機の第２レベルは、第１の実験場所４－１の下方に配置された第２のコールドプレート８－２を含む。第２のコールドプレート８－２又は第２冷却レベル２－２は、約４Ｋの温度レベルを有する。第２の実験場所４－２は、第２冷却レベル２－２の温度レベルで第２のコールドプレート８－２の下方に配置されている。第２の実験場所４－２の下方には、約１Ｋの温度レベルを有する第３冷却レベル２－３の第３のコールドプレート８－３が配置されており、このコールドプレートは、詳細には示されていない第３の冷却装置、例えばジュール・トムソンレベルによって冷却されている。

【0006】

詳細には示されていない第４の冷却装置、例えば^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却システムにより、第４、第５及び第６の冷却レベル２－４、２－５及び２－６の温度レベルが提供される。第４のコールドプレート８－４と第５のコールドプレート８－５の間に、第４冷却レベル２－４に第３の実験場所４－３が設けられている。第３の実験場所４－３の下方、かつ第５のコールドプレート８－５の下方には、最も低い冷却レベル２－６の第６のコールドプレート８－６が設けられている。第４のコールドプレート８－４の温度レベルは５００～７００ｍＫの範囲にあり、第５のコールドプレート８－５の温度レベルは１００～２００ｍＫにあり、第６のコールドプレート８－６とその下に位置する第４の実験場所４－４の最低温度レベルは１００ｍＫ未満の範囲にある。

【0007】

全体の配置構成は、真空チャンバ１０の中に配置されている。真空チャンバ１０内では、６つの冷却レベル２－１～２－６のすべてが第１の熱シールド１２－１によって囲まれている。第１の熱シールド１２－１内では、第２～第６の冷却レベル６－２～６－６が第２の熱シールド１２－２によって囲まれている。第２の熱シールド１２－２内では、第４～第６の冷却レベル２－４～２－６が第３の熱シールド１２－３によって囲まれている。最も低い第６冷却レベル２－６は、第４の熱シールド１２－４によって遮蔽されている。

【0008】

この従来の配置構成は、個々の温度レベルがタマネギの皮のように互いの内側にあり、製造が容易であるという利点がある（図７ｂ参照）。しかしながら、個々のレベルでの実験場所としての要求が高まっているため、これらの公知のクライオスタットは比較的大きくなり、何よりも、高いあるいは長いものとなっている。その結果、熱シールドがますます長くなり、実験場所にアクセスするために熱シールドを取り外すことができるように、分割するか、装置の下に多くのスペースを確保する必要がある。さらには、実験場所は対応する温度レベルのコールドプレートの下に熱シールドの内側に設けられているため、個々のレベルの構造はすべて吊り下げられている必要がある。
国際公開第２０１０／１０６３０９Ａ２号パンフレットは、上方からしかアクセスできない実験場所を備えるクライオスタットを記載し、国際公開第２００９／０００６２９Ａ２号パンフレットは、側方からしかアクセスできない実験場所を備えるクライオスタットを記載する。

【0009】

Ｋｕｒｔ Ｕｈｌｉｇによる論文「Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｆｏｒ ａ ｌｏｗ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｙｏｇｅｎ－ｆｒｅｅ ｔａｂｌｅｔｏｐ ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ」、Ｃｒｙｏｇｅｎｃｉｓ ８７（２０１７）２９－３４からは、いわゆる卓上希釈クライオスタットが記載されており、これは分留器及び混合器の配置により低い構造容積を可能にするが、図７に係る先行技術と同じ短所、すなわち個々のコールドプレート又は実験場所が側方からしかアクセスできないという短所がある。

【0010】

独国特許第１０２０１４０１５６６５Ｂ４号明細書には、テーブルトップに一体化された単一のコールドプレートを有する光学テーブルが記載されている。

【0011】

独国特許第１０２０１６２１４７３１Ｂ３号明細書、独国特許出願公開第１０２００５０４１３８３Ａ１号明細書、さらに独国特許出願公開第１０２０１１１１５３０３Ａ１号明細書からは、サンプルヘッドのコンポーネントが、上から見たとき、下から見たとき、又は互いに上から見たときに、異なる温度レベルに配置されているＮＭＲ装置又は極低温装置が公知である。独国特許出願公開第１０２０１１１１５３０３Ａ１号明細書からは、図面から、２つのサンプルヘッドが水平方向と垂直方向に互いにオフセットして配置されていることがわかる。独国特許出願公開第１０２０１１１１５３０３Ａ１号明細書からは、これに関する書かれた説明は見つけられない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【文献】独国特許第１０２０１４０１５６６５Ｂ４号明細書

【文献】独国特許第１０２０１６２１４７３１Ｂ３号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０２００５０４１３８３Ａ１号明細書

【文献】独国特許出願公開第１０２０１１１１５３０３Ａ１号明細書

【文献】国際公開第２０１０／１０６３０９Ａ２号パンフレット

【文献】国際公開第２００９／０００６２９Ａ２号パンフレット

【非特許文献】

【0013】

【文献】Ｋｕｒｔ Ｕｈｌｉｇ、「Ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｆｏｒ ａ ｌｏｗ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｙｏｇｅｎ－ｆｒｅｅ ｔａｂｌｅｔｏｐ ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ」、Ｃｒｙｏｇｅｎｃｉｓ ８７（２０１７）２９－３４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

それゆえ、本発明の目的は、実験場所のアクセス性を向上させることができ、同時に、より小さな構造容積しか必要としないクライオスタットを示すことである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この目的は、請求項１の特徴によって解決される。

【0016】

実験場所は上下に配置されておらず、横に並んでおり、その結果、それぞれの熱シールドを取り外すと、上からも側方からも実験場所にアクセスできるのに対して、従来技術では実験場所には側方からしかアクセスできない。これにより、様々な実験、及び一般的に使用中のクライオスタットの取り扱いが簡単になる。実験場所を横に並べて配置することで、クライオスタットの構造上の高さも大幅に減少し、標準的な高さの実験室で当該クライオスタットを操作することが可能である。竪型の吊り下げ式配置構成のクライオスタットの場合には、標準的な高さの実験室で用いることはできない。実験場所を横に並べて配置することで、熱シールドの表面積がより大きくなる可能性があるが、この短所（操作に必要な様々な冷凍機の冷却力の増加）は、標準的な高さの実験室での使用が可能であることで受け入れられる。

【0017】

請求項２に記載の好ましい構成によれば、実験場所を横に並べて配置する際に、実験場所が上からも１つの側方からもアクセスできるように配慮されている。

【0018】

請求項３又は請求項４に記載の本発明の有利な構成によれば、複数の冷却レベルが１つの希釈冷凍機によって提供される。

【0019】

請求項５から請求項７に記載の本発明の有利な構成は、クライオスタットに適した冷却装置に関する。

【0020】

請求項８に記載の発明の有利な構成では、実験場所を簡単に横に並べて配置することができ、その際、実験場所はやはり異なる温度レベルにある。

【0021】

請求項９に記載の発明の有利な構成では、ほぼ同じ高さレベルにある横に並べて配置された実験場所が提供される。

【0022】

本発明のさらなる詳細、特徴及び利点は、本発明の好ましい実施形態バージョンの以下の説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1a】図１ａは、本発明の基本的な考え方を模式的に示す。

【図1b】図１ｂは、本発明の基本的な考え方を模式的に示す。

【図2a】図２ａは、本発明の第１の実施形態の幾何学的構造を示す。

【図2b】図２ｂは、本発明の第１の実施形態の幾何学的構造を示す。

【図3】図３は、本発明の第２の実施形態の幾何学的構造を示す。

【図4】図４は、図２及び図３に係る実施形態における熱シールドの配置を示す。

【図5】図５は、複数の実験場所を１つの平面内に横に並べて配置した本発明の第３の実施形態を示す。

【図6】図６は、ＧＭ冷凍機が真空チャンバ内を下から通過する本発明の第４の実施形態を示す。

【図7】図７ａ及び図７ｂは、従来技術に係るクライオスタットを示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

図１ａ及び図１ｂは、本発明の基本原理である、１つの平面内のコールドプレート８－１～８－５上に５つの実験場所４－１～４－５を横に並べて配置した状態を模式的に示す。５つの実験場所４－１～４－５は、対応する温度、室温（ＲＴ）、５０Ｋ、４Ｋ、７００ｍＫ、１００ｍＫの冷却レベル２－１～２－５にある。

【0025】

図１ａは、横に並んで配置された実験場所を側面から示しており、従って、それぞれのコールドプレート８－１～８－５の上方にある実験場所４－１～４－５の容積を擬似的に示しており、図１ｂは、図１による表現の上面図を示す。

【0026】

図２ａ及び図２ｂは、本発明の第１の実施形態を示しており、この実施形態では、本発明に係るクライオスタットは、矩形の断面形状を有し、平面内に横に並べて配置された個々の実験場所４－１～４－５は、Ｌ字型で互いに入れ子になっており、第５の実験場所４－５は立方体となっている。

【0027】

図３は、本発明の第２の実施形態を示しており、この実施形態では、基本構造が円形又は円筒形であり、個々の実験場所４－１～４－５が互いを取り囲んでいる。

【0028】

図４は、図２及び図３に示した個々の実施形態に対する４つの熱シールド３２－１～３２－４の可能な配置を示す。

【0029】

図５は、本発明の第３の実施形態を示す。クライオスタットの個々の構成要素は、真空チャンバ１０内に配置されている。真空チャンバ１０は、横方向の周縁部２２が配置されたベースプレート２０を含み、その結果、トラフ２４が形成されている。トラフ２４の左側では、パルス管冷却器２６がトラフ２４内に延びている。横方向の周縁部２２の右側は、室温の第１の部分コールドプレート３０－１を支持する。第１の部分コールドプレート３０－１上には、第１の実験場所４－１が配置されている。第１の実験場所４－１は、第１の熱シールド３２－１に囲まれており、室温である。真空チャンバ１０全体が第１の熱シールド３２－１を構成している。

【0030】

支持要素２８によってベースプレート２０から間隔を空けて設けられ、パルス管冷却装置２６と熱的に接触し、横方向の周縁部２２をも有する第２のコールドプレート８－２が設けられている。第２のコールドプレート８－２の右端領域では、支持要素２８が、上方にオフセットされ、第１の部分コールドプレート３０－１の平面内に位置する第２の部分コールドプレート３０－２を支持する。第２のコールドプレート８－２及び第２の部分コールドプレート３０－２は、約５０Ｋの第２の温度レベルにある。第２の部分コールドプレート３０－２の上又は上方には、第２の実験場所４－２が位置する。第２のコールドプレート８－２から始まり、第２の熱シールド３２－２が第２の実験場所４－２を取り囲む。

【0031】

再び支持要素２８によって離間されて、第３のコールドプレート８－３は、第２のコールドプレート８－２の上に配置され、同じくパルス管冷却装置２６に熱的に結合され、約４Ｋの温度レベルを提供する。第３のコールドプレート８－３の右側の支持要素２８は、上方にオフセットされた第３の部分コールドプレート３０－３を支持する。第３の部分コールドプレート３０－３は、第２及び第１の部分コールドプレート３０－１、３０－２の平面内に位置している。第３の部分コールドプレート３０－３の上又は上方には、約４Ｋの温度レベルを有する第３の実験場所４－３が位置している。第３のコールドプレート８－３から始まり、第３の熱シールド３２－３が第３の実験場所４－３を取り囲む。

【0032】

再び支持要素２８によって離間されて、第４のコールドプレート８－４は、第３のコールドプレート８－３の上方に配置され、その上に^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却器３４の構成要素が配置されている。第４のコールドプレート８－４の右側では、支持要素２８が、他の部分コールドプレート３０－１～３０－３の高さレベルで上方にオフセットされた第４の部分コールドプレート３０－４を支持している。

【0033】

さらなる支持要素又は支持壁２８を介して、第５のコールドプレート８－５が、第４のコールドプレート８－４の上方に、部分コールドプレート３０－ｉの高さレベルで、最低温度レベルである約３０ｍＫで配置されている。第５のコールドプレート８－５の上方又は上には、第５の実験場所４－５が配置されている。第５のコールドプレート８－５から始まり、第５の熱シールド３２－５が第５の実験場所８－５を取り囲んでいる。

【0034】

第４及び第５のコールドプレート８－４、８－５の間の^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却装置３４は、同心円状の熱交換器３８を備えた分留器３６と、混合器４０と、ポート４２とを含む。分留器は、第４のコールドプレート８－４及び第４の部分コールドプレート３０－４に熱的に結合されている。混合器４０は、第５のコールドプレート８－５に熱的に結合されている。

【0035】

個々のコールドプレート８－ｉと、部分コールドプレート３０－ｉ、及びパルス管冷却装置２６または^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却装置３４との熱的な結合は、熱伝導体４４を介して行われる。パルス管冷却器２６は、振動デカップラ４６を介して真空チャンバ１０に装着されている。

【0036】

図６は、本発明の第４の実施形態を示しており、この実施形態は、パルス管冷却器が側方から真空チャンバ１０を通過する代わりに、ＧＭ冷凍機４８が第５のコールドプレート８－５のほぼ中央で下方から真空チャンバ１０を通過している点で、図５に示す第３の実施形態とは異なる。ＧＭ冷凍機４８は、第２のコールドプレート８－２の開口部も通過するので、第３のヒートプレートとの熱的結合が可能となる。ＧＭ冷凍機４８を下から設置することで、幅は若干狭くなるが、高さは若干高くなる構造となる。

【0037】

図５及び図６の断面図からわかるように、実験場所４－ｉを横に並べて配置することで、構造の高さを大幅に低くすることができる。クライオスタットの構造高さが低いため、標準的な高さの実験室でクライオスタットを操作することが可能である。これは、竪型の吊り下げ式配置構成のクライオスタットの場合には不可能である。実験場所を横に並べると熱シールドが大きくなる可能性があるが、この短所（操作に必要な様々な冷凍機の冷却能力の増加）は、標準的な高さの実験室で使用できることで受け入れられる。

【符号の説明】

【0038】

２－ｉ 冷却レベル
４－ｉ 実験場所
８－ｉ コールドプレート
１０ 真空チャンバ
１２－ｉ 熱シールド
２０ ベースプレート
２２ ２０、８－２の横方向の周方向の境界
２４ トラフ
２６ パルス管冷却器
２８ 支持要素
３０－ｉ 部分コールドプレート
３２－ｉ 熱シールド
３４ ^３Ｈｅ／^４Ｈｅ希釈冷却器
３６ 分留器
３８ 同心円状の熱交換器
４０ 混合器
４２ ３４のポート
４４ 熱伝導体
４６ 振動デカップラ
４８ ＧＭ冷凍機

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】