特表 2023-515171 ガスギャップ式ヒートスイッチ構成

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-04-12

(54)【発明の名称】ガスギャップ式ヒートスイッチ構成

(51)【国際特許分類】

   F25B 9/00 20060101AFI20230405BHJP

【ＦＩ】

F25B9/00 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022551412

(86)(22)【出願日】2021-02-16

(85)【翻訳文提出日】2022-08-25

(86)【国際出願番号】 GB2021050375

(87)【国際公開番号】W WO2021170975

(87)【国際公開日】2021-09-02

(31)【優先権主張番号】2002653.0

(32)【優先日】2020-02-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】507329985

【氏名又は名称】オックスフォード インストルメンツ ナノテクノロジー ツールス リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100224672

【弁理士】

【氏名又は名称】深田 孝徳

(72)【発明者】

【氏名】マシューズ アンソニー

(57)【要約】

【課題】極低温冷凍機に熱的に結合された冷却プレート、ヒートスイッチ組立体、及び目標組立体を備える極低温冷却システムを提供する。
【解決手段】目標組立体５は、極低温冷凍機９よりも低い基準温度を取得するように構成された目標冷凍機１２を備える。ヒートスイッチ組立体１８は、１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチを備え、ヒートスイッチ組立体１８は、冷却プレート２に熱的に結合された第１の端部と、目標組立体５に熱的に結合された第２の端部とを有する。ヒートスイッチ組立体１８全体にわたって吸着ポンプ２２の温度に従って熱伝導率を制御する吸着ポンプ２２が提供される。吸着ポンプ２２は、冷却プレート２からヒートスイッチ組立体１８に延びる熱リンク部によって極低温冷凍機に熱的に結合される。吸着ポンプ２２は、ヒートスイッチ組立体１８と冷却プレート２との間の熱リンク部に沿った位置に配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

極低温冷却システムであって、
極低温冷凍機に熱的に結合された冷却プレートと、
前記極低温冷凍機よりも低い基準温度を取得するように構成された目標冷凍機を含む目標組立体と、
１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチを含むヒートスイッチ組立体であって、前記冷却プレートに熱的に結合された第１の端部と、前記目標組立体に熱的に結合された第２の端部とを有する、ヒートスイッチ組立体と、
吸着ポンプであって、前記吸着ポンプの温度に従って前記ヒートスイッチ組立体全体にわたって熱伝導率を制御するように構成された吸着ポンプと、
を備え、
前記吸着ポンプが、前記冷却プレートから前記ヒートスイッチ組立体に延びる熱リンク部によって前記極低温冷凍機に熱的に結合され、
前記吸着ポンプが、前記ヒートスイッチ組立体と前記冷却プレートとの間の前記熱リンク部に沿った位置に配置される、
極低温冷却システム。

【請求項2】

前記吸着ポンプは、公称遷移温度を超える前記吸着ポンプの温度に応答して前記ヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチを閉成するように構成され、前記吸着ポンプは、前記極低温冷凍機の動作中に前記吸着ポンプの温度を、前記公称遷移温度を下回って冷却するように、前記冷却プレートに熱的に結合される、請求項１に記載の極低温冷却システム。

【請求項3】

前記吸着ポンプは、前記目標組立体の温度から独立して前記吸着ポンプの温度を、前記公称遷移温度を下回って維持するように、前記冷却プレートに熱的に結合される、請求項２に記載の極低温冷却システム。

【請求項4】

前記公称遷移温度は、４～３０ケルビン、好ましくは１５～２５ケルビンである、請求項２又は３の何れかに記載の極低温冷却システム。

【請求項5】

前記目標組立体は、目標加熱器及び前記目標冷凍機に熱的に結合された目標プレートを含み、前記吸着ポンプは、前記目標加熱器の動作中に前記吸着ポンプの温度を、前記公称遷移温度を下回って維持するように、前記冷却プレートに熱的に結合される、請求項２～４の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項6】

前記目標加熱器の動作は、前記目標プレートの温度を、前記公称遷移温度を超えて上昇させる、請求項５に記載の極低温冷却システム。

【請求項7】

前記目標組立体は、目標加熱器及び前記目標冷凍機に熱的に結合された目標プレートを含む、請求項１～４の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項8】

前記吸着ポンプは、前記ヒートスイッチ組立体の前記各ガスギャップ式ヒートスイッチを開閉するように構成される、請求項１～７の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項9】

局所的な加熱を前記吸着ポンプに加えるように構成された吸着加熱器を更に備える、請求項１～８の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項10】

前記熱リンク部は、第１の接続部材と第２の接続部材とを含み、前記第１の接続部材は、前記ヒートスイッチ組立体と前記吸着ポンプとの間に延び、前記第２の接続部材は、前記吸着ポンプと前記冷却プレートとの間に延びる、請求項１～９の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項11】

前記第１の接続部材は、前記吸着ポンプと前記ヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチとの間にガスを伝達する導管を含む、請求項１０に記載の極低温冷却システム。

【請求項12】

前記第２の接続部材は、４ケルビンで１ケルビン当たり１～５０ミリワット、好ましくは１ケルビン当たり５から１０ミリワットの熱伝導率を有する、請求項１０又は１１に記載の極低温冷却システム。

【請求項13】

前記冷却プレートと前記目標組立体との間に配置された１又は２以上のステージを更に備え、前記各ステージは、前記ヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチに熱的に結合される、請求項１～１２の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項14】

前記極低温冷凍機は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、及びギフォードマクマホン冷凍機を含む群から選択された機械式冷凍機である、請求項１～１３の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項15】

前記目標冷凍機は、ヘリウム３冷凍機、希釈冷凍機の蒸留器又は混合チャンバ、又は１ケルビンポットの何れかを含む、請求項１～１４の何れか一項に記載の極低温冷却システム。

【請求項16】

請求項１～１５の何れかに記載の極低温冷却システムを動作する方法であって、
前記吸着ポンプが、公称遷移温度を超える前記吸着ポンプの温度に応答して前記極低温冷凍機を前記目標組立体と熱的に結合するように構成され、
前記方法が、
（ａ）前記目標組立体の温度を、前記公称遷移温度を下回る第１の温度から前記公称遷移温度を超える第２の温度に上昇させるステップを含み、
前記吸着ポンプは、前記ステップ（ａ）中に前記吸着ポンプの温度を、前記公称遷移温度を下回って維持するように、前記熱リンク部を使用して前記極低温冷凍機に熱的に結合される、方法。

【請求項17】

前記極低温冷却システムは更に、前記吸着ポンプに熱的に結合された吸着加熱器を備え、
前記方法は更に、前記ステップ（ａ）の後に、
（ｂ）前記公称遷移温度を超えて前記吸着ポンプの温度を上昇させるように前記吸着加熱器を動作させることによって、前記極低温冷凍機を前記目標組立体に熱的に結合するステップを実行することを含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記目標組立体が更に、目標加熱器を備え、前記ステップ（ａ）は、前記目標加熱器を動作することによって実行される、請求項１６又は１７に記載の方法。

【請求項19】

前記第１の温度は、５ケルビンを下回る、請求項１６～１８の何れか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記第２の温度は、２０ケルビンを上回る、請求項１６～１９の何れか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、極低温冷却システム及びこのシステムの動作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

極低温システムは、一般に、システムの定常状態運転中に異なる温度に保持される真空チャンバ内に封入された複数のステージを備える。室温から低温までの冷却を容易にするために、冷却プロセス中にステージを熱的に連結し、定常運転中にはステージを熱的に隔離できることが望ましい。これを達成するために、ヒートスイッチを使用することができる。例えば、ガスギャップ式ヒートスイッチは、熱負荷をスイッチの一端から他端に移送又は隔離するように制御することができる。

【0003】

ガスギャップ式ヒートスイッチは、ガスを導入することができるチャンバ内で互いから分離される２つの導体を備える。スイッチが閉成されたとき、チャンバ内のガスは、熱伝導によって導体間の熱伝達を容易にする。スイッチは、この熱伝達経路がもはや利用可能でないようにガスをチャンバから排気することによって開放される。導体を含むチャンバの熱伝導率は、システム動作温度での導体の熱伝導率と比較して低い。従って、ガスギャップ式ヒートスイッチは、２つの導体間の熱伝導率がチャンバの熱伝導率を上回ったときに「閉成される」とみなすことができる。「開放」状態において、熱伝導率は、チャンバの外形形状、材料、及び温度によって決定され、「閉成」状態の熱伝導率よりも桁違いに小さい。スイッチの開閉は、吸着ポンプを使用して制御することができる。ポンプの温度が閾値遷移温度を下回ると、吸着ポンプは、ガス分子をスイッチから吸着し、従って、スイッチが開放される。逆に、ポンプの温度がこの遷移温度を上回ると、ポンプは、これらのガス分子をチャンバに再導入するようにガス分子を脱着して、スイッチを閉成する。

【0004】

室温から極低温までシステムの冷却プロセス中、ガスギャップ式ヒートスイッチは、典型的には、各ステージ間の熱伝達を可能にするように閉成されたままとなる。しかしながら、吸着ポンプが、遷移温度を下回って冷却すると、スイッチは、スイッチの両端に接続されるステージを実質的に熱隔離するように開放される。これにより、各ステージは、その後システムの継続運転によって異なる温度を得ることを可能にすることができる。

【0005】

理解されるように、吸着ポンプは、専用のポンプ送給ライン及び関連機器を必要とせずにガスギャップ式ヒートスイッチの自動制御を容易にする。従って、吸着ポンプは、システムの複雑性を低減し、その性能を向上させることができる。しかしながら、このような吸着ポンプを組み込んだ従来技術のシステムはまた、一般に、潜在的な動作モードの観点から限界がある。例えば、ガスを吸着ポンプから脱着させることなく、システムの個々のステージの温度を吸着ポンプの閾値温度を超えて上昇させることは可能ではない可能性がある。これにより、スイッチを閉成状態に遷移させる可能性があり、これはシステム性能に影響を与え、各ステージで達成できる潜在的温度を制限する。本発明は、この問題を解決する関連において設定される。

【発明の概要】

【0006】

本発明の第１の態様は、極低温冷凍機に熱的に結合された冷却プレートと、極低温冷凍機よりも低い基準温度を取得するように構成された目標冷凍機を含む目標組立体と、１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチを含むヒートスイッチ組立体であって、冷却プレートに熱的に結合された第１の端部と、目標組立体に熱的に結合された第２の端部とを有する、ヒートスイッチ組立体と、吸着ポンプであって、吸着ポンプの温度に従ってヒートスイッチ組立体全体にわたって熱伝導率を制御するように構成された吸着ポンプと、を備え、吸着ポンプが、冷却プレートからヒートスイッチ組立体に延びる熱リンク部によって極低温冷凍機に熱的に結合され、吸着ポンプが、ヒートスイッチ組立体と冷却プレートとの間の熱リンク部に沿った位置に配置される、極低温冷却システムを提供する。

【0007】

熱リンク部は、有利には、冷却プレートとヒートスイッチ組立体から独立した吸着ポンプとの間の熱接続部をもたらす。これにより、吸着ポンプの温度、及び従って、ヒートスイッチ組立体の熱伝導率のより優れた制御が可能となる。例えば、極低温冷凍機を使用して、吸着ポンプの温度を、吸着ポンプが接続される１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチの温度を下回って維持することができる。従って、吸着ポンプを偶発的に加温することなく、目標組立体の温度を上昇させることが可能であり、そうでない場合は、ヒートスイッチ組立体は開放状態から閉成状態に遷移する可能性がある。従って、極低温システムの新しい動作モードが可能である。例えば、目標組立体の温度は、冷却プレートの温度を超えて上昇することができる。更に、ヒートスイッチ組立体は、目標組立体の加熱中に開放状態で維持することができるので、目標組立体のこの加熱は、冷却プレートの温度に影響を与えない。

【0008】

理解されるように、吸着ポンプは、典型的には、公称遷移温度を超える吸着ポンプの温度に応答して、ヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチを閉成するように構成される。公称遷移温度は、用途（例えば、ガスギャップ式ヒートスイッチ内の作動流体及び吸着材料の選択）によって左右される可能性があるが、典型的には、４～３０ケルビン、及び好ましくは１５～２５ケルビンである。上記で検討したように、ガスギャップ式ヒートスイッチの開放状態は、ヒートスイッチ組立体の第１及び第２の端部間の熱伝導率を実質的に低減するように、ガスがガスギャップ式ヒートスイッチ組立体から実質的に又は完全に除去された状態に相当する。逆に、閉成状態は、ガスがガスギャップ式ヒートスイッチ内に収容されて第１及び第２の端部間ではるかに高い熱伝導率を容易にする状態に相当する。熱リンク部は、好ましくは、吸着ポンプを極低温冷凍機動作中に吸着ポンプの公称遷移温度を下回って維持できるように配置される。特に、吸着ポンプは、好ましくは、吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を下回って維持するように、冷却プレートに熱的に結合される。

【0009】

目標組立体は、典型的には、電気制御抵抗加熱器など目標加熱器備える。目標加熱器は、例えば、目標冷凍機が希釈冷凍機の蒸留器又は混合チャンバを備える場合など、任意選択的に目標冷凍機の一部を形成することができる。目標組立体は、目標加熱器及び目標冷凍機に熱的結合された目標プレートを備えることができる。吸着ポンプは、好ましくは、目標加熱器の動作中に吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を下回って維持するように、冷却プレートに熱的に結合される。目標加熱器の上記の動作は、目標組立体の温度を吸着ポンプの公称遷移温度を超えて上昇させることができる。

【0010】

上記で説明したように、ガスがガスギャップ式ヒートスイッチから除去されたときでも、目標加熱器の動作は、熱をヒートスイッチ組立体に沿って及び吸着ポンプに伝達させることができる。吸着ポンプは、典型的には、（毛細管とも呼ばれる）導管によってヒートスイッチ組立体に接続され、吸着ポンプとヒートスイッチ組立体との流体連通をもたらす。導管は、好ましくは、低伝導率材料で形成されるが、ヒートスイッチ組立体と吸着ポンプとの間の熱接続部を必然的に提供する。冷却プレートと吸着ポンプとの間に延びる熱リンク部の一部がない場合、導管に沿った目標加熱器からの入熱は、特にヒートスイッチ組立体自体の一端が吸着ポンプの公称遷移温度を超えて加温されたときに、ガスをポンプから脱着させる可能性がある。これは、閉成状態へのヒートスイッチ組立体の不必要な遷移を引き起こす可能性がある。しかしながら、熱リンク部は、有利には、目標組立体から吸着ポンプに導入された何れかの熱が、極低温冷凍機の動作によって奪われるのを確実にする。これにより、目標組立体の高温動作が容易になる。

【0011】

典型的には、極低温冷凍機は、極低温システムの使用中に連続的に動作されることになる。それでも、吸着ポンプを使用して、ヒートスイッチ組立体を開放状態から閉成状態に遷移できることが望ましい。検討したように、これには、一般に、吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を超えて上昇させる必要がある。従って、システムは更に、局所的な加熱を吸着ポンプに加えるように構成された吸着加熱器を備えることが好ましい。例えば、吸着加熱器は、吸着ポンプに設けられて、吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を超えて上昇させるように、動作できる電気作動の抵抗加熱器を備えることができる。従って、吸着加熱器は、典型的には電気制御システムを使用して作動させ、必要時に極低温冷凍機を目標組立体と熱的に結合することができるようにする。

【0012】

熱リンク部は、典型的には、第１の接続部材と第２の接続部材とを備え、第１の接続部材は、ヒートスイッチ組立体と吸着ポンプとの間に延び、第２の接続部材は、吸着ポンプと冷却プレートとの間に延びる。第１の接続部材は、典型的には、ガスを吸着ポンプとヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチとの間に伝達する導管を備える。第１の接続部材は、好ましくは、低伝導率材料で形成され、一般に第２の接続部材の熱伝導を下回る熱伝導率を有する。それでもなお、目標組立体の高温動作により、ヒートスイッチ組立体及び第１の接続部材に沿った熱伝導によって熱が吸着ポンプに伝達することができる。第２の接続部材は、有利には、極低温冷凍機の動作によってこの熱を吸着ポンプから除去することができる熱伝導路をもたらす。従って、第１の接続部材とは異なり、第２の接続部材によって形成された熱接続部は、吸着ポンプからのガスの偶発的な脱着を防止するという意味で「望ましい」。

【0013】

第２の接続部材に沿ったあるレベルの熱伝達が望ましいが、第２の接続部材の熱伝導率は、好ましくは、吸着ポンプの温度を個々に制御できるほどの低いことが好ましい。例えば、吸着加熱器の動作によって吸着ポンプの温度を冷却プレートの温度を上回って上昇させることが望ましいとすることができる。従って、第２の接続部材は、好ましくは脆弱な熱リンク部を形成する。第２の接続部材は、１ケルビン当たり１～５０ミリワット、好ましくは１ケルビン当たり５～１０ミリワットの熱伝導率を有することが特に望ましい。従って、吸着ポンプは、吸着加熱器の動作によってヒートスイッチ組立体を閉成することが望ましいこのような時間まで、公称遷移温度を下回って維持することができる。

【0014】

ヒートスイッチ組立体は、複数のガスギャップ式ヒートスイッチを備えることができる。例えば、１又は２以上のステージは、冷却プレートと目標組立体との間に配置することができ、各ステージは、ヒートスイッチ組立体の１又は２以上のガスギャップ式ヒートスイッチに熱的に結合される。上記の各ステージは、極低温冷却システムの動作中にそれぞれの基準温度を取得するように配置することができる。更に、吸着ポンプは、ヒートスイッチ組立体の上記の各ガスギャップ式ヒートスイッチを開閉するように構成することができる。代替的に、ヒートスイッチ組立体の各ガスギャップ式ヒートスイッチは、それぞれの吸着ポンプを使用して制御することができ、上記の各吸着ポンプは、熱リンク部によって冷却プレートに熱的に接続することができる。システムはまた、ヒートスイッチ組立体に流体結合されたガスリザーバを更に備えることができる。このガスリザーバは、極低温までのシステムの冷却の前に所定の量のガスをヒートスイッチ組立体の各ガスギャップ式ヒートスイッチに導入するように制御することができる。

【0015】

システムは、冷却プレートを冷却する液体冷凍剤に依存する「湿潤」システムと考えることができる。例えば、極低温冷凍機は、液体窒素又はヘリウムのデュワーを備えることができる。しかしながら、極低温冷凍機は、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機、及びギフォードマクマホン冷凍機を含む群から選択された機械式冷凍機であることが特に望ましく、これらは、液体冷凍剤を必要としないという利点がある。目標冷凍機は、典型的には、極低温冷凍機の冷却能よりも低い冷却能を有する。目標冷凍機は、ヘリウム３冷凍機、希釈冷凍機の蒸留器又は混合チャンバ、又は１ケルビンポットの何れかを備えることができる。

【0016】

本発明の第２の態様は、第１の態様による極低温冷却システムを動作する方法を提供し、吸着ポンプが、公称遷移温度を超える吸着ポンプの温度に応答して極低温冷凍機を目標組立体と熱的に結合するように構成され、上記方法は、（ａ）目標組立体の温度を、公称遷移温度を下回る第１の温度から公称遷移温度を超える第２の温度に上昇させるステップを含み、吸着ポンプは、ステップ（ａ）にわたって吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を下回って維持するように、熱リンク部を使用して極低温冷凍機に熱的に結合される。

【0017】

第２の態様は、第１の態様に関連して検討したように類似した利点を共有する。第１の態様に関連して検討した特徴の何れも第２の態様に関して等しく適用可能であり、その逆もまた同様である。

【0018】

上述したように、極低温冷却システムは、好ましくは、吸着ポンプに熱的に結合された吸着加熱器を更に備える。この場合、本方法は更に、好ましくは、（ｂ）吸着ポンプの温度を、公称遷移温度を超えて上昇させるように、吸着加熱器を動作させることによって、極低温冷凍機を目標組立体に熱的に結合するステップを含む。ステップ（ｂ）は、理解されるように、ステップ（ａ）の後に実行されることになる。次いで、極低温冷凍機及びその後の目標冷凍機の動作により、システムのステージがそれぞれの基準温度に戻ることになる。

【0019】

一般に、目標組立体が目標加熱器を更に備えることが望ましく、この場合、ステップ（ａ）は、目標加熱器を動作させることによって実行することができる。ステップ（ａ）の実行後、本方法は更に、好ましくは、目標加熱器によって生成された熱を低減又は排除するステップを含む。

【0020】

第１及び第２の温度は、用途に応じて選択することができるが、一般に、第１の温度は、典型的には、５ケルビンを下回り、第２の温度は、典型的には２０ケルビンを上回る。第２の温度は、好ましくは少なくとも３０ケルビンであり、少なくとも１００ケルビンとすることができる。

【0021】

ここで、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】本発明の第１の実施形態による、動作中の極低温冷却システムの構成要素の第１の例示的な温度プロファイルを示すグラフである。

【図4】本発明の第１の実施形態による、動作中の極低温冷却システムの構成要素の第２の例示的な温度プロファイルを示すグラフである。

【図5】３．５時間～５．５時間の間の図４の温度プロファイルの領域を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

ここで、極低温冷却システムの第１の実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、無冷媒冷却システムの内部の断面図を示す。本システムは、複数の熱ステージ１～５と外側ステージ６とを備え、これらが段階的組立体を形成し、ステージが中心軸に沿って整列し空間的に分散されている。熱ステージ１～５は、外側ステージ６に取り付けられたクライオスタット７内に収容される。クライオスタット７は、典型的には、使用中時に排気される。外側ステージ６の外面８は、室温及び大気圧で周囲環境に晒され、一般に、アルミニウムで形成される。

【0024】

極低温冷却システムは、システムを室温から動作基準温度まで冷却する冷却装置を備える。各熱ステージ１～５は、銅などの高伝導材料で形成され、異なる動作基準温度を有する。この実施形態において、冷却は、機械式冷凍機及び希釈ユニットを使用して達成される。機械式冷凍機は、パルスチューブ冷凍機（ＰＴＲ）、スターリング冷凍機、又はギフォードマクマホン冷凍機とすることができる。この実施形態において、機械式冷凍機は、ＰＴＲ９である。ＰＴＲ９は、第１の熱ステージ１に熱的に結合される第１のＰＴＲステージ１０と、第２の熱ステージ２の形態で冷却プレートに熱結合される第２のＰＴＲステージ１１とを備える。２ステージＰＴＲ９（図示するような）の代わりに、機械式冷凍機は、代替的に、１つのみ又は２つよりも多い冷却ステージを有することができる。この実施形態において、第２のＰＴＲステージ１１は、ＰＴＲ９の最低温度ステージを形成する。吸着ポンプ２２は、典型的に、図１の場合と同様に、ＰＴＲの最低温度ステージに熱的に接続される。

【0025】

第３の熱ステージ３、第４の熱ステージ４、及び第５の熱ステージ５は、希釈ユニット１２に熱的に結合される。第３の熱ステージ３は、希釈ユニット１２の一部を形成する蒸留器１３に熱的に結合される。第５の熱ステージ５は、希釈ユニット１２の混合チャンバ１４に熱的に結合される。第３、第４、及び第５の熱ステージ３、４、５の冷却は、希釈ユニットの動作を介して達成され、希釈ユニットにおいて、作動流体は、温度を低減するために冷却回路２４の周りで循環される。作動流体は、典型的には、ヘリウム３及びヘリウム４の混合物である。作動流体は、圧縮機ポンプ２７及びターボ分子ポンプ２８を使用して、凝縮ライン２５及び蒸留ポンプ送給ライン２６を備える冷却回路２４の周りにポンプ送給される。作動流体は、第１の貯蔵容器２９内に貯蔵されて、供給ライン３０を使用して冷却回路２４に供給することができる。

【0026】

使用時には、５つの熱ステージ１～５の各々は、異なる動作基準温度を達成するように構成される。熱輻射シールドが熱ステージ１～５に装着することができ、各シールドは、熱ステージ１～５間の不必要な熱的連通を低減するために残りのより低い基準温度構成要素の各々を封入する。これにより、ステージは、異なる動作基準温度を達成することができ、動作基準温度は、システムの定常状態動作中の所与の構成要素が取得可能な最低温度を表す。この実施形態において、第１の熱ステージ１は、約５０～７０ケルビンの動作基準温度に達するように構成され、第１の熱輻射シールド１５に取り付けられる。第２の熱ステージ２の動作基準温度は、約３～５ケルビンである。第２の熱輻射シールド１６は、第２の熱ステージ２に取り付けられる。第３の熱ステージ３の動作基準温度は、典型的には０．５～２ケルビンである。第３の熱輻射シールド１７は、第３の熱ステージ３に取り付けられる。第５の熱ステージ５の動作基準温度は、典型的には３～３０ケルビンである。第４の熱ステージ４は、第３と第５の熱ステージ３、５との間の中間部ステージを形成し、約５０～２００ミリケルビンの動作基準温度を有する。

【0027】

これらのような極低温冷却システムは、低温での測定を実行するのに使用することができる。典型的には、サンプル３５が、システムの最も低温の熱ステージ、この場合は第５の熱ステージ５に取り付けられる。希釈ユニット１２は、第５の熱ステージ５でミリケルビン温度を取得するのに使用される。正常動作の一部として、抵抗加熱器が、蒸留器及び混合チャンバの一部を形成することは理解されるであろう。この実施形態において、混合チャンバ１４のための抵抗加熱器は、目標加熱器３６を提供し、目標加熱器３６は、第５の熱ステージ５に熱的に結合され、サンプル３５を加熱するために使用することができる。これは、有利には、温度に関する試料３５の制御された測定を容易にする。目標加熱器３６は、抵抗加熱器とすることができ、説明するように、第５の熱ステージ５の温度を動作基部温度から約３０ケルビンの温度まで上昇させるのに使用することができる。代替の実施形態において、第５の熱ステージの温度は、第５の熱ステージに熱的に結合され且つ混合チャンバとは別個とすることができる追加の目標加熱器を使用して、１００ケルビンを上回って上昇させることができる。第５の熱ステージ５の温度は、極低温冷却システムの高温動作モードにおいて制御可能に上昇させることができ、説明するように、その後、冷却されて動作基準温度に戻すことができる。

【0028】

第５の熱ステージ５、混合チャンバ１４、サンプル３５、及び目標加熱器３６は、目標組立体４２を形成する。従って、第５の熱ステージ５は、本明細書では「目標プレート」とも呼ばれる。混合チャンバ１４は、目標組立体４２を第２のＰＴＲステージ１１よりも低温に冷却するように構成された「目標冷凍機」を形成する。ヒートスイッチ組立体１８は、第２の熱ステージ２と目標組立体４２との間の選択的に結合可能な熱接続部を提供する。ヒートスイッチ組立体１８は、３つのガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１で形成される。第１のガスギャップ式ヒートスイッチ１９は、第２の熱ステージ２に接続された上端部と、第３の熱ステージ３に接続された下端部とを有する。第２のガスギャップ式ヒートスイッチ２０は、第３の熱ステージ３に接続された上端部と、第４の熱ステージ４に接続された下端部とを有する。第３のガスギャップ式ヒートスイッチ２１は、第４の熱ステージ４に接続された上端部と、第５の熱ステージ５に接続された下端部とを有する。

【0029】

各ガスギャップ式ヒートスイッチは、伝導ガスを導入することができる低伝導チャンバ内で互いから分離される２つの導体を備える。チャンバは、ステンレス鋼で形成された環状シェルであり、使用される伝導ガスはヘリウムである。ガスがチャンバから除去されると、スイッチは開放され、これらの熱ステージは、熱的に隔離される。実際には、ガスギャップ式ヒートスイッチは、１０ケルビンの温度で約０．０１Ｗｃｍ^-1Ｋ^-1である開放状態のチャンバと同じ熱伝導率を有する。伝導ガスがガスギャップ式ヒートスイッチ内にあるときには、スイッチは閉成され、スイッチが各端部で接続されるそれぞれの熱ステージは、熱的に結合される。閉成されたスイッチの熱伝導率は、開放されたスイッチの熱伝導率よりも少なくとも２桁高い。

【0030】

開放と閉成間のスイッチの動作は、典型的には、吸着ポンプを使用して達成され、温度に依存する。吸着ポンプは、吸着性材料（典型的には活性炭又は分子篩）を備える。吸着ポンプ２２の温度が閾値遷移温度（この場合、約２０ケルビン）を下回ると、吸着ポンプ２２は、スイッチからガス分子を吸着し、その結果、スイッチは開放される。逆に、吸着ポンプ２２の温度がこの遷移温度を上回ると、吸着ポンプ２２は、これらのガス分子をチャンバに再導入するようにこれらのガス分子を脱着してスイッチを閉成する。この実施形態において、吸着ポンプ２２は、モニタリングの目的で温度センサー（図示せず）が取り付けられる。

【0031】

吸着ポンプ２２は、第１の接続部材４５として本明細書で呼ばれる導管によって、各ガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１に流体結合される。第１の接続部材４５は、ガスの流れを容易にするだけでなく、ヒートスイッチ１９～２１と吸着ポンプ２２との間で熱伝導経路を必然的に提供する。吸着ポンプ２２の別の部分は、第２の接続部材４６によって第２の熱ステージ２に熱的に結合され、第２の接続部材４６は、これらの構成要素間の機械的リンク機構部を提供する。第２の接続部材は、例えば、吸着ポンプ４６のために銅製支持体を形成することができる。別の実施形態において、吸着ポンプは、ステンレス鋼など、超低熱伝導率材料を使用して第２の熱ステージに取り付けることができる。この場合、吸着ポンプと第２の熱ステージとの間の熱接続部は、吸着ポンプから第２の熱ステージに延びる１又は２以上の銅線など、比較的高い伝導率を有する第２の接続部材によって補足されることになる。

【0032】

第１及び第２の接続部材４５、４６が一緒になって、ヒートスイッチ組立体１８と吸着ポンプ２２が位置決めされる第２の熱ステージ２との間の熱リンク部を形成する。以下で説明されるように、第２の接続部材４６によってもたらされた熱伝導路は第２のＰＴＲステージ１１の高い冷却能を吸着ポンプ２２に熱的に結合し、第１の接続部材４５を介して導入された不必要な熱を吸着ポンプ２２から除去できるようにするので、特に有利である。この構成を用いて、目標組立体４２の温度は、ヒートスイッチ組立体１８を閉成することなく、吸着ポンプ２２の遷移温度を超えて上昇させることができる。

【0033】

吸着加熱器３１の形態の局所化された熱源は、吸着ポンプ２２に熱的に結合され、その動作により、ガスが吸着ポンプ２２から脱着する。ガスの脱着によって、ガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１が閉成され、第２から第５の熱ステージ２～５が熱的に結合される。この実施形態において、吸着加熱器３１は、抵抗加熱器である。

【0034】

吸着ポンプ２２と第２の熱ステージ２との間の第２の接続部材４６は、弱い熱結合部を提供する。第２の接続部材４６の熱伝導率は、吸着加熱器３１による吸着ポンプ２２の効果的な加熱を確保するほどの低さとする必要がある。加えて、第２の接続部材４６の熱伝導率は、ＰＴＲ９による吸着ポンプ２２の冷却が妥当な時間フレーム内で達成されることを確保するほどの高さである必要がある。例えば、吸着ポンプを３０ケルビンから５ケルビンまで冷却するには、２時間未満、好ましくは３０分未満の時間を要することになる。

【0035】

第２の貯蔵容器３２は、ガス供給ライン３３を介して熱伝導ガスをガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１の各々に供給するように構成される。この供給は、ガスポンプ３４の作動によって制御され、又は第２の貯蔵容器３２によって与えられる圧力を受けて制御される。伝導ガスの選択は、ガスギャップ式ヒートスイッチの遷移温度に影響を及ぼす。この例では、ヘリウム４ガスが使用され、遷移温度は典型的には、４～３０ケルビン、好ましくは１０～２０ケルビンである。他の実施形態では、ヘリウム３、水素又はネオンガスを用いることができる。

【0036】

図１の極低温冷却システムは、制御システム３７を使用して制御することができる。制御システム３７は、所望の手順を実行するために、ＰＴＲ９、希釈ユニット１２、加熱器３１、３６、ポンプ２７、２８、３４、及び関連のバルブの動作、センサーのモニタリング、並びに他の補助装置の動作を含む、システムの種々の部品の各々を制御する。適切なこれを達成するために、コンピュータシステムが使用されるが、手動制御も企図される。

【0037】

図２は、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。ダッシュ記号付きの参照番号は、類似の装置の特徴部を示すのに使用される。本システムは、第１の実施形態の熱ステージと同様に配置された複数の熱ステージ１′～４′を備える。ヒートスイッチ組立体１８′は、第２、第３、及び第４の熱ステージ２′～４′に接続された２つのガスギャップ式ヒートスイッチ１９′、２０′で形成される。この実施形態において、第４の熱ステージ４′は、ヒートスイッチ組立体１８′を使用して第２の熱ステージ２′に熱的に接続することができる目標組立体４２′の「目標プレート」とみなすことができる。目標加熱器３６′は、第４の熱ステージ４′に取り付けられる。

【0038】

この実施形態において、ヒートスイッチ組立体１８′は、ヘリウム４ガスが予め充填されている。ヒートスイッチ組立体１８′及び吸着ポンプ２２′を接続するチャンバは、閉システムであり、従って、漏洩がなく、ガス充填ラインは不要である。他の実施形態において、複数の吸着ポンプを設けることができ、これらのうちの１又は２以上は、接続部材を用いて第２の熱ステージ２′に熱的に結合することができる。

【0039】

第３及び第４の熱ステージ３′、４′の冷却は、第１のヘリウムリザーバ４０′及び第２のヘリウムリザーバ４１′を備えるヘリウム冷凍機を用いて達成される。第１のヘリウムリザーバ４０′は、第３の熱ステージ３′に熱的に結合され、典型的には約１．３ケルビンの動作基準温度で液体ヘリウム４を収容するように構成される。これはまた、一般に「１ケルビンポット」と呼ばれる。第２のヘリウムリザーバ４１′は、第４の熱ステージ４′に熱的に結合される。第２のヘリウムリザーバ４１′は、この実施形態において「目標冷凍機」の一部を形成し、典型的には約０．３ケルビンの動作基準温度で液体ヘリウム３を収容するように構成される。第１及び第２のヘリウムリザーバ４０′、４１′は、ヘリウムがポンプ送給される第１及び第２の冷却回路３８′、３９′それぞれに結合される。流体は、外部リザーバ２９′、２９′′に貯蔵して外部リザーバから供給することができる。

【0040】

図１及び図２の実施形態は、冷媒なし極低温冷凍機９、９′の使用を描いているが、代替の実施形態は、その代わりに、吸着ポンプが熱的に連結される熱ステージに冷却を加える液体冷凍剤のリザーバを組み込む「湿潤」システムに関することができる。

【0041】

図３は、本発明の第１の実施形態による極低温冷却システムに対して実行された第１の高温実験中の経時的な温度変化を示すグラフである。このグラフは、高温実験中の第５の熱ステージ５、第２の熱ステージ２、及び第２のＰＴＲステージ１１の温度変化を示す。高温実験中の極低温冷却システムの動作について、図１のシステムの構成要素を参照して以下で説明する。

【0042】

図３で分かるように、０と６０００秒の経過時間の間、システムは、定常状態運転にあり、各構成要素は動作基準温度にある。この時間の間、ガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１は開放されており、第２の熱ステージ２は、第５の熱ステージ５から熱的に隔離される。第２のＰＴＲステージ１１は、第２の熱ステージ２に熱的に結合され、これは、０～２００００秒の測定期間を通して第２のＰＴＲステージ１１と第２の熱ステージ２の間の温度プロファイルの類似性によって分かる。第５の熱ステージ５は、混合チャンバ１４に熱的に結合され、作動流体は、第５の熱ステージ５に冷却を提供するために希釈ユニット１２の冷却回路２４の周りで循環している。第５の熱ステージ５の温度が０～６０００秒の経過時間間で約１．５ケルビンであると示されているが、これは、実際の温度は、当該温度センサーについて確実に記録できる最低温度を下回ることに起因するだけである。実際に、第５の熱ステージ５の温度は、約３から３０ミリケルビンであるその動作基準温度である。

【0043】

極低温冷却システムは、約６０００秒の経過時間で定常状態運転から高温動作に切り替えられる。詳細には、制御システム３７は、第５の熱ステージ５の温度を１５ケルビンに上昇させるように目標加熱器３６を動作させるのに使用される。定常状態基準温度運転中に冷却回路２４の周りで循環される作動流体は、高温動作中に収集されて、第１の貯蔵容器２９内に貯蔵される。目標加熱器３６の動作は、第５の熱ステージ５の温度を急激に上昇させるが、第２の熱ステージ５及び第２のＰＴＲステージ１１の温度は、この加熱によって実質的に変動しないことに留意されたい。これは、吸着ポンプ２２が、第２の接続部材４６によって吸着ポンプ２２に熱的に結合される第２のＰＴＲステージ１１の冷却能によって遷移温度を下回って保たれるからである。遷移温度を下回って吸着ポンプ２２を保持することによって、ガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１は、開放状態に維持される。

【0044】

約７５００秒の経過時間にて、第５の熱ステージ５の温度は、約１５００秒間１５ケルビンに維持される。極低温冷却システムの任意選択的な高温動作の利点は、広範囲の温度にわたって、例えばサンプル３５の測定を行うことができる点である。第１の実施形態の極低温冷却システムは、オペレータが目標組立体４２の温度を制御可能な方法でミリケルビン温度から数十ケルビンにまで上昇させしながら、一方で、極低温の冷凍機の動作を維持することができる。従来システムは、典型的には、この範囲に対応せず、従って、この極低温冷却システムは、低温で測定を行う更なる柔軟性を提供する。ある範囲の温度にわたって実行される好適な実験としては、輸送測定及び圧力セル実験を含む。典型的には、温度制御と共に、これらの実験は、変化する電磁場の関数として実行することができる。再現可能な実験を実行することができるためには、システムは、サンプル温度を制御可能に調整するように構成する必要がある。これには、温度を、図３によって例証されるように、サンプル３５の測定を行うことができる時間期間で選ばれた値に維持することが必要とすることができる。

【0045】

約８８００秒の経過時間では、第５の熱ステージ５の温度は、２６ケルビンに上昇され、１１１００～１２５００秒の間ほぼ一定に保持される。温度制御は、目標加熱器３６の動作を介して達成される。この時間の間、ヒートスイッチ組立体１８は開放状態であるにもかかわらず、一部の熱は、ガスギャップ式ヒートスイッチ１９～２１及び第１の接続部材４５のチャンバに沿って吸着ポンプ２２に必然的に導かれることになる。第２の接続部材４６がない場合、この熱は、（約２０ケルビンである）吸着ポンプ２２の遷移温度以上にまで吸着ポンプの温度を上昇させることができる。結果的に、ガス分子は、吸着ポンプ２２から脱着し、ヒートスイッチ組立体１８は、閉成状態に遷移し始めることになる。第２の接続部材４６は、有利には、この「不必要な」熱を吸着ポンプ２２から除去することができる熱伝導路を好もたらす。これは、第２のＰＴＲステージ１１によって供給される高い冷却能を有して、吸着ポンプ２２を熱的に接続することによって達成される。これは、ガスが脱着するのを防止し、ヒートスイッチ組立体１８を所望通りに長く開放状態に維持する。

【0046】

極低温冷却システムを動作基準温度に戻すために、吸着加熱器３１は、ヒートスイッチ１９～２１が閉成し、第２の熱ステージ２を第３、第４、及び第５の熱ステージ３、４、５に熱的に結合するように、約１２５００秒の経過時間で動作される。目標加熱器３６もまた、非作動にされる。目標加熱器の非作動化は、典型的には、吸着加熱器の動作と同時に効果的に実行される。１２５００秒～１４５００秒の時間期間の間の第２のＰＴＲステージ１１及び第２の熱ステージ２の温度上昇は、目標組立体によって初期熱負荷がこれらの構成要素上に載置された結果である。

【0047】

ヒートスイッチ組立体を閉成することによって、１２５００秒～１４５００秒の時間期間の間で観測されたように、第５の熱ステージ５の温度の急激な低下が引き起こされる。目標加熱器の動作は、目標組立体への入熱を除去して、この冷却時間を短縮するように約１２５００秒で終了される。この実施形態において、吸着加熱器３１は、目標組立体の温度が、第２のＰＴＲステージ５の温度に低下するまで、ヒートスイッチ組立体１８を閉成状態に維持するように動作される。これは、約１４５００秒で行われる。この時点では、吸着ポンプ２２は、第２の熱ステージ２を第５の熱ステージ５から熱的に隔離するように、遷移温度を下回って冷却することが許容される。

【0048】

第２の接続部材４６は、吸着ポンプ２２と第２の熱ステージとの間の重要な熱接続部を提供するが、第２の接続部材４６はそれ自体が、材料及び外形形状の選択によって比較的低い熱伝導率を有するように形成される。例えば、銅などの高伝導材料が使用される場合、小さな面積：長さ比が選択されて熱伝導率を低下させ、ステンレス鋼又は真鍮などの低伝導性材料が使用される場合には、より大きな面積：長さ比が選択されることになる。第２の接続部材４６は、約４ケルビンの温度で８ｍＷ/Ｋの熱伝導を有することができる。これによって、吸着ポンプ２２の温度は、吸着加熱器３１の動作中に発生するように、第２の熱ステージ２の温度から独立して変化できることが確保される。第２のＰＴＲステージ１１は、低い熱伝導率を有するにもかかわらず、吸着加熱器３１からの加温の影響がない場合には、遷移温度を下回って吸着ポンプ２２を冷却する。第２のＰＴＲステージ１１での冷却能は、典型的には４ケルビンの温度にて１ワットを超える。吸着加熱器３１の動作は、典型的には第２の熱ステージ２の温度を、０．２ケルビンを超えて上昇させないものである。しかしながら、ヒートスイッチ組立体１８が閉成状態に遷移したときには、第５の熱ステージ５からの熱負荷が、図３で観察されるように、第２の熱ステージ２の温度を更に上昇させる場合がある。

【0049】

吸着ポンプ２２の温度は、第２から第５の熱ステージ２～５が約５ケルビンまで冷却するまで、公称遷移温度を超えて維持される。制御システム３７は、ステージの温度をモニターして、吸着加熱器３１の動作を自動的に非作動にし、このステージで作動流体を冷却回路２４に再導入するのに使用される。その後、作動流体は、希釈ユニット１２を通って循環され、第３、第４、及び第５の熱ステージ３、４、５をそれぞれの動作基準温度に冷却し続ける。吸着加熱器３１の非作動の後、吸着ポンプ２２は、約０．５時間で３３ケルビンから５ケルビンまで冷却する。

【0050】

図４は、本発明の第１の実施形態による極低温冷却システムに実行された第２の高温実験中の経時的な温度の変化を示すグラフである。システムの動作は、実質的に図３に関連して説明した通りである。しかしながら、図４は、この使用中の第５の熱ステージ５、吸着ポンプ２２、第２の熱ステージ２、第３の熱ステージ３、及び第４の熱ステージ４の温度に関する更なる詳細を提供する。

【0051】

図４の実施例において、第５の熱ステージ５の温度は、測定が各温度間隔で目標組立体から得ることができるように、０から３時間の間で段階的に上昇される。温度ステップのサイズ及びタイミングは、システムのユーザーによって決定することができる。１つの実施形態において、値は、予めプログラムすることができ、高温実験は、制御システム３７を使用して自動的に実行することができる。目標加熱器３６の動作は、第５の熱ステージ５の設定温度制御を達成するために、第５の熱ステージ５上の温度センサーから取得されたフィードバックデータに基づいて制御される。第２のＰＴＲステージ１１は、第２の熱ステージ２に熱的に結合され、この方法を通して連続冷却を提供する。

【0052】

実験が開始した直後、第５の熱ステージの温度は、５ケルビンに上昇し、約０．８時間維持される。第５の熱ステージ５の温度は、その後、１０ケルビンに再度上昇され、０．８～１．４時間の間維持される。その後、約０．２時間の期間にわたって、第５の熱ステージ５の温度は２０ケルビンに上昇され、１．６～２．２時間の間保持される。次いで、約０．６時間の期間にわたって、第５の熱ステージ５の温度は、３０ケルビンに上昇され、更に０．８時間この温度に保持される。この場合も同様に、目標組立体の温度を吸着ポンプの遷移温度を超えて上昇させたにもかかわらず、吸着ポンプ２２は、第２の接続部材４６を介した第２のＰＴＲステージ１１の冷却の影響に起因して、遷移温度を下回って保持される。これによって、ヒートスイッチ組立体１８は、開放状態に保持され、従って、目標加熱器３６の動作は、第２の熱ステージ２の温度に影響を及ぼさない。第３及び第４の熱ステージ３、４の温度は、対応する温度センサーがこの時間の間に非作動であってことに起因して、０から３．５時間の経過時間では図４には示されていない。しかしながら、第３及び第４の熱ステージ３、４が、０．５～２．５ケルビンの範囲で維持されていたであろうと予想される。

【0053】

極低温冷却システムの高温動作の後に冷却プロセスを開始するために、制御システム３７を用いて、吸着加熱器３１を動作することによって吸着ポンプ２２の温度を約３３ケルビンに上昇させる。これは、約３．５時間の経過時間にて起こり、このとき、また、第３及び第４の熱ステージ３、４の温度センサーも作動される。目標加熱器３６の動作は、本質的に同時に又は直後に終了し、第５の熱ステージ５が冷却するのを可能にする。別の実施形態において、目標加熱器３６は、吸着ポンプ２２の温度が上昇する前に電源オフにされる。

【0054】

吸着加熱器３１及び目標組立体と残りの熱ステージとの間の結果として得られた熱接続部の動作によって、約３．６時間の経過時間で、第２、第３、及び第４の熱ステージ２～４の各々の温度が最大で約４．５ケルビン、１４ケルビン、及び１８ケルビンにそれぞれ急激に上昇する。その後、ヒートスイッチ組立体１８が閉成状態では、これらの熱ステージの各々の温度は、第２のＰＴＲステージ１１の冷却の影響を受けて低下する。

【0055】

第３、第４、及び第５の熱ステージ３、４、５の各々の温度が、約５ケルビンに達すると、吸着加熱器３１が遮断される。吸着ポンプ２２は、その後、第２のＰＴＲステージ１１によって遷移温度を下回って冷却され、ヒートスイッチ組立体１８を開放状態に遷移する。

【0056】

４．４時間で視認できる第５の熱ステージ５の温度上昇は、目標冷凍機回路が開始されて、ヘリウム混合物の初期凝縮が希釈冷凍機に戻される結果である。混合物が凝縮されると、目標冷凍機の温度は、第２のＰＴＲステージ１１の温度を下回って冷却される。これにより、希釈ユニット１２に熱的に結合される第３、第４、及び第５の熱ステージ３、４、５の温度は、それぞれの動作基準温度に達するまで低下する。

【0057】

図５は、図４に示す実験の３．５時間と５．５時間の経過時間の間の温度プロファイルを示すグラフである。図４とは異なり、図５のｙ軸は、数桁にわたる場合に異なる熱ステージの温度をより明確に示すように、対数的体温スケールで示されている。図５は、それぞれの動作基準温度に戻ったときのシステムの各構成要素の温度の低下を示す。

【0058】

最後に、従って、吸着ポンプが極低温冷凍機に熱的に結合される改善された極低温冷却システムが供給されることが理解されるであろう。ガスギャップ式ヒートスイッチの動作は、吸着ポンプの温度に左右されるので、ガスギャップ式ヒートスイッチは、ヒートスイッチ組立体から吸着ポンプに伝達することができる熱から独立して制御可能に開閉することができる。結果として、ヒートスイッチ組立体の一端に接続された目標組立体は、システムの残りのステージの温度を上昇させることなく、高温で動作することができる。

【符号の説明】

【0059】

１～５ 熱ステージ
６ 外側ステージ
７ クライオスタット
８ 外面
９ ＰＴＲ
１０ 第１のＰＴＲステージ
１１ 第２のＰＴＲステージ
１２ 希釈ユニット
２２ 吸着ポンプ
１３ 蒸留器
１４ 混合チャンバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】