▶ 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 リミテッドの特許一覧
(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】2023-04-18
(54)【発明の名称】極低温冷却システム及びそのためのインサート
(51)【国際特許分類】
F25B 9/00 20060101AFI20230411BHJP
【ＦＩ】
F25B9/00 H
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022550731
(86)(22)【出願日】2021-02-16
(85)【翻訳文提出日】2022-08-23
(86)【国際出願番号】 GB2021050376
(87)【国際公開番号】W WO2021170976
(87)【国際公開日】2021-09-02
(31)【優先権主張番号】2002787.6
(32)【優先日】2020-02-27
(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
(72)【発明者】
【氏名】マシューズ アンソニー
(72)【発明者】
【氏名】プール ティモシー
(72)【発明者】
【氏名】ウィルキンソン クリス
(57)【要約】
一次インサート１１８と脱着可能な二次インサート１２８を備える極低温冷却システムが提供される。一次インサート１１８は、各々が一次接触面を有する複数の一次プレート１１１、１１２と、複数の一次プレート１１１、１１２を連結するように配置された１つ以上の一次連結部材１１７とを備えている。脱着可能な二次インサート１２８は、各々が二次接触面を有する複数の二次プレート１２１、１２２と、二次インサート１２８が自立するように複数の二次プレート１２１、１２２を連結するように配置された１つ又は複数の二次連結部材１２７とを備える。１つ以上の調整部材は、二次インサート１２８が一次インサート１１８に取り付けられると、調整部材がそれぞれの一次プレート１１１、１１２及び二次プレート１２１、１２２の一次及び二次接触面を熱伝導性接触状態にするように構成される。
【選択図】図９（ａ）
【選択図】図９（ａ）
【特許請求の範囲】
【請求項1】
極低温冷却システムであって、各々が一次接触面を有する複数の一次プレート、及び前記複数の一次プレートを連結するように配置された１つ以上の一次連結部材を備える一次インサートと、
脱着可能な二次インサートであって、各々が二次接触面を有する複数の二次プレート、及び前記二次インサートが自立するように前記複数の二次プレートを連結するように配置された１つ以上の二次連結部材を備える、前記二次インサートと、
１つ以上の調整部材と、を備え、
前記１つ以上の調整部材は、前記二次インサートが前記一次インサートに装着されたときに、前記調整部材が前記一次プレート及び前記二次プレートのそれぞれの前記一次接触面及び前記二次接触面を熱伝導性接触させるように構成されている、極低温冷却システム。
【請求項2】
前記１つ以上の調整部材は、前記一次インサート及び前記二次インサートの一方又は両方の一部を形成している、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記熱伝導性接触が、それぞれの前記一次接触面及び前記二次接触面の共形の平面領域間の面接触により提供される、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項4】
前記１つ以上の調整部材は、前記脱着可能な二次インサートの複数の前記二次プレートの各々と前記一次インサートの対応する一次プレートとの間のずれを調整するように構成されている、請求項１～３のいずれかに記載のシステム。
【請求項5】
前記ずれが２ミリメートル未満、好ましくは１ミリメートル未満である、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
前記二次インサートが非装着状態にあるとき、前記二次プレートは互いに対して二次構成で空間的に配置され、前記一次インサートの前記一次プレートは互いに対して一次構成で空間的に配置され、前記ずれは、それぞれ一次構成及び二次構成での、前記二次プレートの平面と、対応する一次プレートの平面との間のずれである、請求項４又は５に記載のシステム。
【請求項7】
前記脱着可能な二次インサートが装着状態にあるとき、前記一次構成及び前記二次構成がそれぞれ維持される、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記調整部材の作動は、前記一次インサートの隣接する一次プレート間の間隔又は前記二次インサートの隣接する二次プレート間の間隔を変更しない、請求項１～７のいずれかに記載のシステム。
【請求項9】
前記１つ以上の調整部材が、一次プレート又は二次プレートそれぞれの一部を形成する１つ以上の変形可能な部材を備える、請求項１～８のいずれかに記載のシステム。
【請求項10】
前記１つ以上の調整部材は、前記熱伝導性接触をもたらすように、前記一次構成又は前記二次構成の一方又は両方を調整可能にする、請求項６に記載のシステム。
【請求項11】
前記１つ以上の調整部材は、隣接する一次プレート又は隣接する二次プレート間の間隔を変更するように構成されている、請求項１～６及び１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項12】
前記１つ以上の調整部材は、１つ以上の一次連結部材又は二次連結部材の少なくとも一部を形成する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記１つ以上の調整部材は、前記１つ以上の一次連結部材に対する前記１つ以上の一次プレートの移動を可能にするように構成されている、請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項14】
１つ以上の一次シムをさらに備え、各一次シムは、前記一次プレートを１つ以上の一次連結部材に熱的に結合し、前記１つ以上の一次連結部材に対する前記一次プレートの移動を可能にするように構成されている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記１つ以上の調整部材は、前記１つ以上の二次連結部材に対する１つ以上の二次プレートの移動を可能にするように構成されている、請求項１１～１４のいずれかに記載のシステム。
【請求項16】
１つ以上の二次シムをさらに備え、各二次シムは、前記二次プレートを１つ以上の二次連結部材に熱的に結合し、前記１つ以上の二次連結部材に対する前記二次プレートの移動を可能にするように構成されている、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記１つ以上の調整部材を用いて隣接する一次プレート又は隣接する二次プレート間の間隔を変更するように、前記一次連結部材又は前記二次連結部材は回転可能である、請求項１１～１６のいずれかに記載のシステム。
【請求項18】
前記１つ以上の調整部材は、前記一次連結部材又は前記二次連結部材のそれぞれの可撓性部分を形成する、請求項１１又は１２に記載のシステム。
【請求項19】
前記複数の二次プレートのうちの１つ以上が、実験装置を収容するように構成されている、請求項１～１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項20】
前記一次インサートが、希釈冷凍機、ヘリウム３冷凍機、又は１ケルビンポットを備えている、請求項１～１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項21】
前記複数の二次プレートの２つ以上が一体型の自立型アセンブリとして前記脱着可能な二次インサートから取り外せるように、前記１つ以上の二次連結部材は取り外し可能である、請求項１～２０のいずれかに記載のシステム。
【請求項22】
請求項１～２１のいずれかに記載の極低温冷却システムで使用するための脱着可能な二次インサート。
【請求項23】
請求項１～２１のいずれかに記載のシステムの作動方法であって、前記脱着可能な二次インサートが、第１二次プレートと、第２二次プレートと、第３二次プレートと、前記第１二次プレートを前記第２二次プレートに連結する第１二次連結部材と、前記第２二次プレートを前記第３二次プレートに連結する第２二次連結部材と、を備え、前記一次インサートが３つの一次プレートを備え、各一次プレートが前記二次インサートのそれぞれの二次プレートに対応し、前記方法は、
前記二次プレートが前記１つ以上の調整部材を用いて対応する前記一次プレートに伝導的に熱的に結合されるように、前記二次インサートを前記一次インサートに装着するステップと、
前記二次インサートを前記一次インサートから部分的に取り外すステップと、を備え、
前記二次インサートを部分的に取り外す前記ステップは、
前記第１二次連結部材を前記二次インサートから取り外すステップと、
前記第１二次プレートを前記一次インサートの対応するプレートから取り外すことなく、前記第２二次プレート、前記第３二次プレート、及び前記第２二次連結部材を、一体型の自立型アセンブリとして前記一次インサートから取り外すステップと、を備える方法。
【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、特に自立型脱着可能インサートを備えた極低温冷却システムに関する。
【背景技術】
【0002】
極低温冷却システムは、１００ケルビン未満の低温で実験を行うために通常使用されている。システムは、一般的に実験装置を特定の配置で設置することにより、特定の実験用にカスタマイズされる。実験装置の設置は、システムにアクセスするためクレーン又は高所プラットフォームの使用が通常必要であり、困難で時間が掛かる。さらに、実験装置の設置後、その機能が十分であることを確認するための試験が通常必要であり、これにはかなりの時間が掛かる。設置やトラブルシューティングに時間が掛かると、実験データの収集にはより少ない時間しか掛けられなくなる。
【0003】
極低温冷却システムは、通常、室温とミリケルビン温度の間の中間温度に保持された複数のプラットフォームを含むことにより、使用時にミリケルビン温度まで到達することができる。このようにして、システムの最終プラットフォームがミリケルビン温度への連続的な冷却を提供可能なように、冷却をステージ化することができる。設置された実験装置やシステムの他のコンポーネントは、室温から最終プラットフォームまでの経路を提供することができる。これらの部品による意図しない加熱を防ぐため、各プラットフォームは追加の熱を除去するためのサーマルシンクを提供する。
【0004】
実験サービスをシステム外のモジュールに組み込んで、事前組み立て状態に設置することが可能である。この方法は、実験サービスの直接的な設置よりも一般的に速い。しかし、ミリケルビン温度が得られるように、モジュールが十分に熱平衡化されることが重要である。先行技術では、熱平衡化は、クランプ及び／又は複雑で大規模な調整工程を使用して達成される。
【0005】
わずかなオフセットがシステム内の劣悪な熱平衡化を生じることがある。
【0006】
低温物理学実験はますます複雑化しており、実験を行うために必要な実験サービスも結果的に増加している。例えば、量子情報処理（ＱＩＰ）実験では、大量の量子ビットを持つデバイスに対応するため高周波（ＲＦ）配線を使用する。量子ビットの数が増えれば、必要なＲＦ配線の量も対応して増加する。極低温冷却システムは、増大する実験サービス量に対応することが期待されている。増加する需要に対応する一つの方法は、コアシステムのためのモジュールの改良を提供することである。しかしながら、製造公差が累積すると、極低温冷却システム内に不整合な接合部や不十分な熱平衡化のプラットフォームが生じ、かくして性能を向上させるために大規模な微調整が必要になる。
【0007】
極低温冷却システムにおいて、実験サービスをより簡便に導入する方法が望まれている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】「Pressed copper and gold-plated copper contacts at low temperature - A review of thermal contact resistance」, R.C.Dhuley, Cryogenics 101 (2019)111-124
【発明の概要】
【0009】
本発明の第１の態様は、使用時に：各々が一次接触面を有する複数の一次プレート、及び複数の一次プレートを連結するように配置された１つ以上の一次連結部材を備える一次インサートと、脱着可能な二次インサートであって、各々が二次接触面を有する複数の二次プレート、及び二次インサートが自立するように複数の二次プレートを連結するように配置された１つ以上の二次連結部材を備える、二次インサートと、１つ以上の調整部材と、を備え、１つ以上の調整部材は、使用時に、二次インサートが一次インサートに装着されたときに、調整部材が一次プレート及び二次プレートのそれぞれの一次接触面及び二次接触面を熱伝導性接触させるように構成されていることを特徴とする極低温冷却システムを提供する。
【0010】
有利なことに、このシステムは、それぞれの一次及び二次プレートの一次及び二次接触面を互いに熱伝導性接触にさせる調整部材を備えている。これは、極低温冷却システムの２つの部分が効果的に熱的に連通するように、２つの部分の間のずれを克服するための多数の微調整の必要性を取り除く。非装着時には、二次インサートは、自立体として一次インサートに対して移動させることもでき、これにより、取り付け及び取り外し作業がさらに簡素化される。例えば、二次インサートの各プレートは、単一のステップで一次インサートの対応するプレートに対して整列させることができる。
【0011】
１つ以上の調整部材は、一次インサートの一部を形成してもよい。この場合、調整部材は、複数の一次プレートの一部を形成してもよいし、１つ以上の一次連結部材の一部を形成してもよいし、プレート及び連結部材の両方の一部を形成してもよい。同様に、１つ以上の調整部材は、二次インサートの一部を形成してもよい。この場合、調整部材は、複数の二次プレートの一部を形成してもよいし、１つ以上の二次連結部材の一部を形成してもよいし、プレートと連結部材の両方の一部を形成してもよい。また、調整部材は、一次インサート及び二次インサートの一部を形成することも可能である。代替的に、調整部材は、一次インサートと二次インサートの対応するプレートを結合するように構成された締結部材の形態をとることもできる。調整部材の位置の選択は、特定の実装に依存することができる。例えば、二次インサートが硬質の実験装置を収容するように設計されている場合、調整部材の位置と種類はそれに応じて選択される。
【0012】
一次プレート及び二次プレートは、典型的には、概して平面的に延び、使用時にプレートの互いに隣接する周辺面に沿って連結され、これらは、段差部を有していてもよい。好ましくは、一次プレートと対応する二次プレートとの間の熱伝導性接触は、それぞれの一次及び二次接触面の共形の平面領域間の面接触により提供される。一次プレートと二次プレートのそれぞれは、フランジを含んでいてもよい。一次プレートが対応する二次プレートに接触すると、一次プレートのフランジの下面が二次プレートのフランジの上面に一致し、連続構造を形成する。一般に、一次プレートと二次プレートは高伝導性材料から形成されるため、プレートが広い面積で密接に連結された接合部は、接合部全体にわたって良好な熱的接続を提供する。
【0013】
調整部材は、典型的には、脱着可能な二次インサートの複数の二次プレートの各々と一次インサートの対応する一次プレートとの間のずれを調整することによって、一次プレート及び二次プレートのそれぞれの一次及び二次接触面を熱伝導性接触させる。製造公差の結果として、一次プレートと二次プレートとの間に位置ずれが生じることがある。プレート間のずれは、調整されないままだと、プレート間の熱コンダクタンスを低下させる。
【0014】
極低温冷却システムは、一次インサートと二次インサートの両方を含んでいるが、二次インサート（又は、代替的に、一次インサート）は、脱着可能であり、したがって、システムから取り外し可能である。二次インサートが非装着状態にあるとき、二次プレートは、典型的には、互いに対して二次構成で空間的に位置決めされている。二次インサートは、その非装着状態において自立しており、二次インサート内の隣接するプレート間の間隔は、二次連結部材により決定されてもよい。同様に、二次インサートが非装着状態にあるとき、一次プレートは、典型的には、互いに対して一次構成で空間的に位置決めされている。一次インサート内の隣接するプレート間の間隔は、一次連結部材により決定されてもよい。
【0015】
装着工程中に、二次インサートを一次インサートに取り付けることができる。二次インサートのプレートは、好ましくは、一次インサートの対応するプレートと接触させられるように構成される。しかし、上記プレート間に位置ずれがあってもよい。ずれは、それぞれの一次及び二次構成における二次プレートの平面と、対応する一次プレートの平面との間のオフセットであってよい。プレートの各対は、異なるずれを有してもよく、ずれは、正又は負であり得る。その結果、各調整部材は、異なるレベルの調整を提供し、典型的には、ずれを調整するために、少なくとも２ミリメートル、好ましくは少なくとも４ミリメートルの可動域を提供することが可能である。
【0016】
二次インサートは、極低温冷却システムから取り外し可能である。二次インサートは、完全に取り外すことができ、すなわち、二次インサートの全てのプレートを一次インサートから分離し、取り外すことができる。オプションとして、二次インサートは部分的にのみ取り外すことができる。二次インサートが部分的に取り外される場合、二次インサートのプレートの一部は一次インサートに取り付けられたままであり、一方、二次インサートの残りのプレートは一次インサートから取り外される。好ましくは、複数の二次プレートのうちの２つ以上が、一体の自立体又はアセンブリとして、脱着可能な二次インサートから取り外され得るように、１つ以上の二次連結部材が取り外し可能である。
【0017】
二次インサートは、二次連結部材を用いて連結された第１二次プレート、第２二次プレート、及び第３二次プレートを備え、第２二次プレートは、第１二次プレートと第３二次プレートとの間に配置される。第２二次プレートと第３二次プレートとを連結する二次連結部材を取り外すと、第２二次プレートと第１二次プレートは、一体構造として取り外すことができる。部分的に取り外された二次インサート（第１及び第２二次プレート）は、完全な非装着の二次インサートの自立特性と同様に、好ましくは自立する。
【0018】
二次インサートの脱着可能な性質は、有利には、二次インサートを極低温冷却システムから離して修正することを可能にする。しかし、二次インサート全体を取り外す必要がない場合には、二次インサートの一部を一次インサートに取り付けたままにしておくことが有益な場合がある。例えば、低温実験は通常真空中で行われるため、一次インサートと二次インサートの間の接合部の１つは、大気圧と低圧の間の障壁の一部を形成することがある。したがって、ガス漏れの可能性を減らすために、Ｏリングや他の真空シールを使用するなど、追加のシーリングが必要な場合がある。上記の障壁を形成するプレートをそのまま残しておくことは、シールの再形成を繰り返すことを避けることができ、有益である。
【0019】
二次インサートが極低温冷却システムから取り外し可能であることの利点は、二次インサートに取り付けられた実験装置を、極低温冷却システムから離して組み立て、修正、試験することができる能力である。さらに、修正は、二次インサートの２枚又は任意の枚数のプレートに対してのみ行うことができる。必要なプレートだけを取り外し、二次インサートを部分的に取り外す方が簡単で、したがって好ましい。
【0020】
典型的には、実験サービス又は実験装置は、極低温冷却システム内に配置され、低温で実験を行うために使用される。好ましくは、複数の二次プレートの１つ以上が、実験器具を収容するように構成される。これは、二次インサートに装着される実験装置が複雑で組み立てに時間がかかる場合に特に有利である。したがって、実験サービスは、一次インサートに取り付けられる前に、極低温冷却システムから離れた場所で組み立てられ、試験されることが可能である。
【0021】
極低温冷却システムは、低温実験手順に使用することができ、冷却は多くの冷凍装置を使用して達成することができる。このようなシステムは、ミリケルビン温度を達成することが特に望まれる。この目的のために、希釈ユニットが、好ましくは極低温冷却システムの一部を形成し、例えば、一次インサートは、希釈冷凍機又はその構成要素を備えることができる。希釈冷凍機は、一次インサートの１枚以上のプレートに熱的に結合することができる。代替的に、一次インサートは、ヘリウム３冷凍機又は１ケルビンポットを備えることができる。このような方法で、一次インサートの１枚以上のプレートは、ミリケルビン温度を達成することができる。一次インサートと二次インサートの間の熱伝導性接触は、二次インサートが作動中に同様の低温に達することを保証する。
【0022】
一次プレート又は二次プレートのうちの１つ以上は、剛体部分と、１つ以上の変形可能な部分とを備えることができる。好ましくは、変形可能な部分は、ずれを調整するために剛体部分に対して変形可能である。したがって、１つ以上の調整部材は、１つ以上の変形可能な部分を備えることができる。脱着可能な二次インサートの一次インサートへの取り付けの間、１つ以上の変形可能な部分は、熱伝導性接触を引き起こすように局所的に変形することができる。プレートの変形可能な部分は、例えばフランジの形態で、プレートの縁部に設けることができる。このモードの調整の１つの利点は、それぞれのインサート内で一次構成及び／又は二次構成を維持する能力である。例えば、調整部材の操作は、一次インサートの隣接する一次プレート間又は二次インサートの隣接する二次プレート間の間隔を変化させない。このことは、実際には、一次インサート又は二次インサートはそれぞれ固定された状態を維持し、したがって、２つ以上のプレートに取り付けられる剛体の実験装置を収容することができるということを意味する。同様に、一次及び二次インサートそれぞれの対応するプレート間の間隔も固定された状態に維持することができる。変形は、実験装置が損傷しないように、しかしそれにもかかわらず熱伝導性接触が達成されるように、プレートの予め定められた領域で局所的に起こるように構成することができる。変形可能な部分は、一次プレートの一部を形成してもよい。代替的に、変形可能な部分は、二次プレートの一部を形成してもよい。変形可能な部分は、オプションとして、一次プレートと二次プレートの両方の一部を形成してもよい。
【0023】
二次インサートが非装着状態にあるとき、一次及び二次インサートは、上述したようなそれぞれの一次構成及び二次構成を有していてもよい。調整が局所的な変形によって達成される場合、脱着可能な二次インサートが装着状態にあるときでさえ、一次構成及び二次構成を維持することが可能である。１つ以上の調整部材は、代替的に、熱伝導性接触を引き起こすように、一次構成又は二次構成の一方又は両方を調整可能にすることができる。例えば、１つ以上の調整部材は、隣接する一次プレート又は隣接する二次プレート間の間隔を変更するように構成される。これは、１つ以上の一次連結部材又は二次連結部材の各々を、プレート間のずれを調整するように変形するように構成することによって達成することができる。
【0024】
１つ以上の調整部材は、１つ以上の一次連結部材又は二次連結部材の少なくとも一部を形成してもよい。例えば、１つ以上の調整部材は、一次又は二次連結部材のそれぞれの可撓性部分を形成してもよい。二次インサートの一次インサートへの取り付けの間、二次連結部材を圧縮又は引張荷重下に置くことによって、ずれを調整することができる。荷重に応答して、二次連結部材が変形し、これにより二次プレートを対応する一次プレートと整列させることによって、熱伝導性接触を引き起こすことができる。同様に、可撓性の一次連結部材の変形により、ずれを調整することができる。
【0025】
代替的に、１つ以上の調整部材は、１つ以上の前記一次連結部材に対する１つ以上の一次プレートの移動を許容するように構成されてもよく、又は、１つ以上の調整部材は、１つ以上の前記二次連結部材に対する１つ以上の二次プレートの移動を許容するように構成されてもよい。例えば、１つ以上の調整部材を用いて、隣接する一次プレート又は隣接する二次プレートの間の間隔を変更するように、一次又は二次連結部材が回転可能であってもよい。この調整は、一般に、一次又は二次連結部材の端部がねじ又はタップ部を備える場合に達成される。この場合、調整部材は、連結部材の前記ねじ又はタップ部と、ねじ又はタップ部と係合して一次又は二次インサートの隣接するプレート間の間隔を調整するように構成された受け部材との組み合わせを備えることができる。
【0026】
好ましくは、一次及び二次連結部材は、それぞれの一次及び二次プレートで熱平衡化される。一般に、一次及び／又は二次連結部材に沿って室温からシステムの低温ステージに伝えられる熱負荷がある。プレートでの熱平衡化は、有利にはこの熱負荷を遮断し、それによって、システムの作動中に一次又は二次インサートの遠位ステージがより低い温度を得ることを可能にする熱シンクを形成する。一次連結部材の効果的な熱平衡化は、１つ以上の一次シムの使用によって達成され得、各一次シムは、一次プレートを１つ以上の一次連結部材に熱的に結合し、１つ以上の一次連結部材に対する一次プレートの移動を可能にするよう構成されている。同様に、二次連結部材の効果的な熱平衡化は、１つ以上の二次シムの使用によって達成され得、各二次シムは、二次プレートを１つ以上の二次連結部材に熱的に結合し、１つ以上の二次連結部材に対する二次プレートの移動を可能にするよう構成されている。
【0027】
次に、本発明のさらなる態様を説明する。ある態様に関連して説明した特徴は、残りの特徴に関しても同様に適用可能であり、各態様は同様の利点を共有する。
【0028】
本発明の第２の態様は、第１の態様に係る極低温冷却システムで使用するための脱着可能な二次インサートを提供する。
【0029】
本発明の第３の態様は、第１の態様によるシステムを作動させる方法を提供し、二次インサートが、第１二次プレートと、第２二次プレートと、第３二次プレートと、第１二次プレートを第２二次プレートに連結する第１二次連結部材と、第２二次プレートを第３二次プレートに連結する第２二次連結部材とを備え、一次インサートが３つの一次プレートを備え、各一次プレートが二次インサートのそれぞれの二次プレートに対応し、該方法は、二次プレートが１つ以上の調整部材を用いて対応する一次プレートに熱的に結合されるように、二次インサートを一次インサートに装着すること；及び二次インサートを一次インサートから部分的に取り外すこと、を備え、二次インサートを部分的に取り外すことは、第１二次連結部材を二次インサートから取り外すことと、第１二次プレートを一次インサートの対応するプレートから取り外すことなく、第２二次プレート、第３二次プレート、及び第２二次連結部材を、一体型の自立型アセンブリとして一次インサートから取り外すこととを備えている。
【0030】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの概略図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却装置の斜視図である。
【図3】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの分解側面図である。
【図4】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの第１の分解斜視図である。
【図5】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの第２の分解斜視図である。
【図6】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの実験サービスを取り付けた状態を示す分解斜視図である。
【図7】本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムからの二次プレートの模式図である。
【図8(a)】熱接続する前の本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す模式図である。
【図8(b)】熱接続した後の本発明の第１実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す模式図である。
【図9(a)】本発明の第２実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す第１の模式図である。
【図9(b)】本発明の第２実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す第２の模式図である。
【図10(a)】熱接続する前の本発明の第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す模式図である。
【図10(b)】熱接続した後の本発明の第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部を示す模式図である。
【図11】本発明の第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部の第１の断面図である。
【図12】本発明の第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部の斜視図である。
【図13】本発明の第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部の第２の断面図である。
【図14】本発明の実施形態に係る極低温冷却システムで使用するための３つの例示的な二次インサートの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
図１は、第１実施形態による極低温冷却システムの内部を示す断面図である。このシステムは、複数のサーマルステージ１～５と、外側ステージ６とを備える。サーマルステージ１～５及び外側ステージ６は、一次及び二次ロッド１７、２７によって接続され、従って、ステージがロッドに平行に延びる中心軸に沿って整列し、空間的に分散された階層型アセンブリを形成している。一次ロッド１７は、明瞭のために図１には示されていない。一次及び二次ロッド１７、２７は、ステンレス鋼のような低熱伝導性材料から形成される。使用時には、サーマルステージ１～５は、クライオスタット３６内に収容され、クライオスタット３６内の任意のガスを介した対流熱経路及び伝導熱経路を除去して熱性能を改善するために、典型的には排気される。クライオスタット３６は外側ステージ６に取り付けられ、外側ステージ６の外面７は室温及び圧力にさらされ、低伝導性材料から形成されている。
【0033】
極低温冷却システムは、冷却装置を備えている。冷却装置は、極低温冷却システムを室温から作動ベース温度まで冷却する。第１実施形態における極低温冷却システムは、極低温流体のリザーバとの接触によって主に冷却されないという点で、実質的に寒剤無し（当該技術分野において「ドライ」とも称される）である。しかしながら、実質的に冷媒なしであるにもかかわらず、明らかになるように、いくつかの極低温流体は、液相を含み、使用時にクライオスタット内に典型的に存在する。この実施形態では、冷却は、機械式冷凍機及び希釈ユニットの使用によって達成される。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（ＧＭ）冷凍機であってもよい。
【0034】
本実施形態では、機械式冷凍機はＰＴＲ４０であり、第１サーマルステージ１及び第２サーマルステージ２に熱的に結合されている。各サーマルステージ１～５は、銅などの高伝導性材料から形成されており、異なる作動ベース温度を有する。第１サーマルステージ１は、第１ＰＴＲステージ４１と熱的に結合され、約５０～７０ケルビンの作動ベース温度を達成する。第２サーマルステージ２は、第２のＰＴＲステージ４２に熱的に結合され、約３～５ケルビンの作動ベース温度を達成する。この実施形態では、第２のＰＴＲステージ４２は、ＰＴＲ４０の最低温度ステージを形成する。
【0035】
第３サーマルステージ３、第４サーマルステージ４、第５サーマルステージ５は、希釈ユニット８に熱的に結合されている。第３、第４及び第５サーマルステージ３、４、５の冷却は、希釈ユニット８の作動によって達成され、その際、冷却回路６０の周りに作動流体が循環される。作動流体は、典型的には、ヘリウム－３とヘリウム－４との混合物である。作動流体は、コンプレッサポンプ６３及びターボ分子ポンプ６４を用いて、凝縮ライン６１及びスチルポンプライン６２を備える冷却回路６０を回って圧送される。なお、作動流体は、貯蔵容器６５に貯蔵し、供給ライン６６を用いて冷却回路６０に供給することができる。第３サーマルステージ３は、希釈ユニット８の一部を構成するスチル１０に熱的に結合されている。第３サーマルステージ３の作動ベース温度は、典型的には０．５～２ケルビンである。第５サーマルステージ５は、希釈ユニット８の混合チャンバ９に熱的に結合されている。第５サーマルステージ５の作動ベース温度は、典型的には３～３０ミリケルビンである。第４サーマルステージ４は、第３及び第５サーマルステージ３，５の間の中間ステージを形成し、約５０～２００ミリケルビンの作動ベース温度を有する。
【0036】
使用時には、多数の熱放射シールド５６～５８がサーマルステージ１～５に取り付けられ、各シールドは残りの下部ベース温度コンポーネントのそれぞれを囲む。第１熱放射シールド５６、第２熱放射シールド５７及び第３熱放射シールド５８は、それぞれ第１サーマルステージ１、第２サーマルステージ２、及び第３サーマルステージ３に取り付けられる。これは、サーマルステージ１～５の間の任意の不要な熱通信を低減し、各ステージに異なる作動ベース温度を達成させることを可能にする。
【0037】
図１の極低温冷却システムは、制御システム５０を使用して制御することができる。制御システム５０は、典型的には適切なコンピュータシステムであるが、システムの制御を手動で行うことも可能である。システムの各部の作動は、ＰＴＲ４０、希釈ユニット８、ポンプ６３、６４及び関連バルブの作動、温度及び圧力センサの監視、ならびに所望の手順を実行するための他の補助機器の作動などを含み、制御システム５０を使用して制御することが可能である。
【0038】
説明したような極低温冷却システムは、一般に１００ケルビン未満の低温で実験を行うために使用することができる。図１には示されていないが、実験サービスは、クライオスタット３６内に取り付けることができる。クライオスタット３６内の実験サービス及びそれらの特定の装置の選択は、カスタマイズ可能である。実験サービスのそのような一例について、図６を参照して説明する。典型的には、実験サービスの特定の装置は、設置され、試験され、一定期間固定されたままにされる。異なるタイプの実験を行うためにシステム内の装置を修正することは、実験を実行する前に多数の調整とトラブルシューティングの手順を必要とし、典型的には非常に時間がかかる。本発明の実施形態は、一次インサート１８及び二次インサート２８を提供し、二次インサート２８は一次インサート１８から脱着可能である。従って、実験サービスは、一次インサート１８に、又は、取り外し及び再取り付けが容易な二次インサート２８に、又は、一次及び二次インサート１８、２８の双方に取り付けることができる。一次インサート１８は複数の一次プレートからなり、二次インサート２８は複数の二次プレート２１～２６からなり、各一次プレートは、さらに説明するように、システムのそれぞれのサーマルステージ１～５を形成するために、対応する二次プレートに取り付けるように構成される。
【0039】
実験サービスを二次インサート２８に取り付ける利点は、二次インサート２８を極低温冷却システムから取り外すことができる能力から生じる。組み立てと予備試験は、実験が行われる極低温冷却システムの外側の「ベンチで」行うことができる。このように、異なる実験を実行するための実験サービスの修正又は更新を、比較的迅速かつ容易に実行することができる。希釈冷凍機などの極低温冷却システムを使った低温実験には、実行するのに通常、数日、数週間、数カ月を要する。システム内の実験サービスの変更は、通常、室温で変更を行う必要があるため、実験休止時間（実験ダウンタイム）、すなわち極低温冷却システムが作動可能なベース温度でない時間をもたらす。ベンチ上（システム自体から離れた場所）で、取り外された二次インサート２８上の実験サービスを操作する能力は、実験休止時間を減少させる。例えば、所定の極低温冷却システムと共に使用するために、複数の二次インサートを提供することができる。大気圧条件下で第１の二次インサート上の実験サービスを調整する一方で、第２の二次インサート上で実験を行うためにシステム内に極低温環境が維持される。
【0040】
本発明の実施形態は、一次インサート１８と二次インサート２８を熱伝導性接触させる調整部材も提供する。良好な熱的接触は、低温測定を行う際に重要である。例えば冷却源の作動によって発生するような熱流束の存在下では、一次インサート１８と二次インサート２８との間に温度勾配が自然に生じることになる。これらの構成要素間の温度差は、熱流束に比例し、熱コンダクタンスに反比例する。任意の実用的な実験では、システムに適用され得る熱流束に限界がある（ＰＴＲステージ４１、４２又は希釈冷凍機８のいずれかから利用できる冷却パワーが有限であるため）。接合部の熱コンダクタンスは、その温度や接触圧を含む多数の要因によって変化する。調整部材は、典型的には、一次及び二次インサート１８、２８の対応するステージ間の温度差を、例えば、より高い温度のステージの絶対温度の２％以内、好ましくは１％以内に制限するように構成される。これは、これらのステージ間の熱コンダクタンスを十分に高くすることによって達成される。例えば、第２サーマルステージ２が第２のＰＴＲステージ４２によって４ケルビンに冷却される場合（１ワットの冷却電力で）、第２サーマルステージ２のための調整部材は、第２サーマルステージ２の対応する一次及び二次プレート間の温度差が４０ミリケルビンを超えないようにすることができる。したがって、第２サーマルステージ２の一次プレートと二次プレートとの間の熱コンダクタンスは、４ケルビンにおいて約２５Ｗ／Ｋである。同様に、第５サーマルステージ５が混合チャンバ９によって１００ミリケルビンに冷却される場合（４００マイクロワットの冷却電力で）、第５サーマルステージ５の調整部材は、第５サーマルステージ５の対応する一次及び二次プレート間の温度差が１ミリケルビンを超えないことを保証することができる。したがって、第５サーマルステージ５の一次プレートと二次プレートとの間の熱コンダクタンスは、０．１ケルビンにおいて約０．４Ｗ／Ｋである。
【0041】
第２サーマルステージ２と第５サーマルステージ５で予想される熱コンダクタンスに差があることは、Cryogenics 101 (2019) 111-124に発行されたR.C.Dhuleyによる「Pressed copper and gold-plated copper contacts at low temperature - A review of thermal contact resistance」でさらに論じられたように、接合部（ジョイント）の温度依存性によるものである。所与の接合部の熱コンダクタンスは、温度とともに低下する。しかし、それぞれの一次及び二次インサート１８、２８の各一次及び二次プレート間に適用できる実用的な熱流束も温度とともに減少するので、一次及び二次プレート間のすべての取り付け装置は、各サーマルステージ１～５で許容可能な性能を提供するために同じ方法で設計及び取り付け可能である。
【0042】
様々な調整部材が想定され、異なる調整方法を容易にする実施形態が説明される。
【0043】
図２は、図１の一次及び二次インサート１８、２８をさらに詳細に示している。図示のように、各サーマルステージ１～５は、内側一次プレート１１～１５、内側二次プレート２１～２５、及び縁部片３１～３５を備える。外側ステージ６は、外側一次プレート１６と、外側二次プレート２６とを備える。内側及び外側二次プレート２１～２５，２６の各々は、対応する内側及び外側一次プレート１１～１５，１６に、二次プレートの周縁部に沿って接続されている。縁部片３１～３５のそれぞれは、対応する内側一次プレート１１～１５と、対応する内側二次プレート２１～２５とに、それぞれの内側一次及び二次プレートの周辺部に沿って接続されている。内側及び外側一次プレート１１～１５，１６は一次ロッド１７によって連結され、内側及び外側二次プレート２１～２５，２６は二次ロッド２７によって連結されている。一次及び二次ロッド１７，２７は、プレート間をプレートに対して垂直な方向に延びている。本実施形態では、縁部片３１～３５は接続されていないが、代替実施形態では、縁部片３１～３５は、縁部片の間に延びる縁部ロッドによって接続することができる。
【0044】
内側及び外側一次プレート１１～１５，１６と一次ロッド１７は、一次インサート１８の一部を形成している。内側及び外側二次プレート２１～２５、２６及び二次ロッド２７は、二次インサート２８の一部を形成している。二次インサート２８は、極低温冷却システム、特に、一次インサート１８から脱着可能である。二次インサート２８が非装着状態にあるとき、それは自立型アセンブリを形成し、元の構成を維持するために追加の支持構造を必要とせず、一体型ボディとして一次インサート１８から取り外すことが可能である。
【0045】
二次インサート２８と一次インサート１８の設計は、二次インサート２８が装着状態にあるとき、任意の二次インサート２８と一次インサート１８の間に良好な熱接触が達成されるようになっている。一次又は二次プレートの一方に加えられた冷却が二次又は一次プレートの他方に効果的に加えられるように、一次インサート１８及び二次インサート２８の対応するプレート間の効果的な熱平衡化を確保することが重要である。
【0046】
二次インサート２８が装着状態にあるときに、任意の二次インサート２８と一次インサート１８との間の良好な熱接触を達成することは、些細なことではない。一次インサート１８又は二次インサート２８の製造中、それぞれのインサート１８、２８内の内側及び外側一次プレート１１～１５、１６と内側及び外側二次プレート２１～２５、２６の相対的位置関係は、たとえ同じ仕様で作られたとしても、ある製造公差内で異なることがある。小さな相違は、二次インサート２８が装着位置に持ち込まれたときに、ミスアライメント、すなわち二次プレートの平面と対応する一次プレートの平面との間のオフセットをもたらし得る。そのようなずれは、たとえ小さくても、不良な熱的接触につながり得る。これは、第３、第４及び第５サーマルステージ３、４、５の作動ベース温度などの低温において特に重要である。
【0047】
一次インサート１８と二次インサート２８の対応するプレート間の良好な熱接触を達成するために、極低温冷却システムは、二次インサート２８が装着状態にあるときに内側一次プレート１１～１５と内側二次プレート２１～２５を熱伝導性接触させ、それによってずれを収容する調整部材（その例は、以下にさらに詳細に説明する）をも備えることができる。調整部材は、一次インサート１８の一部、二次インサート２８の一部、又はその両方の一部を形成することができる。
【0048】
図２において、極低温冷却システムの構成部品は、装着状態で示されている。図３は、システムの構成部品をより明確に示すために、一次インサート１８から二次インサート２８及び縁部片３１～３５を取り外した状態の第１実施形態による低温冷却システムの分解図を提供する。図３は、縁部片３１～３５と、二次ロッド２７によって連結された複数の内側二次プレート２１～２５と外側二次プレート２６とを含む二次インサート２８と、一次ロッド１７によって連結された複数の内側一次プレート１１～１５と外側一次プレート１６とを含む一次インサート１８とを示す。
【0049】
本実施形態では、冷却装置は、一次インサート１８に取り付けられている。冷却装置は、ＰＴＲ４０を含み、第１サーマルステージ１の第１内側一次プレート１１に熱的に結合された第１ＰＴＲステージ４１と、第２サーマルステージ２の第２内側一次プレート１２に熱的に結合された第２ＰＴＲステージ４２とを備える。冷却装置は、希釈ユニット８をさらに備え、希釈ユニット８のスチル１０は、第３サーマルステージ３の一次プレート１３に熱的に結合され、希釈ユニット８の混合チャンバ９は、第５サーマルステージ５の一次プレート１５に熱的に結合されている。代替の実施形態では、冷却装置は、二次インサートに取り付けられる。例えば、希釈ユニットは、代替的に、第３、第４及び第５サーマルステージ３、４、５の内側二次プレート２３、２４、２５に取り付けることができる。
【0050】
一次インサート１８の内側及び外側プレート１１～１５，１６は、一次構成において、内側及び外側一次プレート１１～１５，１６に垂直な方向に延びる軸３９に沿って整列されている。同様に、二次インサート２８の内側及び外側プレート２１～２５、２６は、二次構成において、二次インサート２８の内側及び外側プレート２１～２５、２６に対して垂直な中心軸に沿って整列し、空間的に分散配置されている。それぞれの一次及び二次構成において、二次プレートの平面と対応する一次プレートの平面との間に、ずれと呼ばれるオフセットが存在してもよい。内側二次プレート２１～２５の各々は、二次インサート２８が一次インサート１８に装着されると、その対応する内側一次プレート１１～１５と熱伝導性接触するように構成されており、したがって、任意のずれ（ミスアライメント）に対応する。このような熱伝導性接触は、調整部材によってもたらされる。外側二次プレート２６は、任意の適切なシール機構が可能であるが、例えばＯリングの使用により、外側一次プレート１６と真空シールを形成する。
【0051】
次に、二次インサート２８の極低温冷却システムへの取り付けについて、図３を参照して説明する。まず、二次インサート２８は、一次インサート１８と二次元的に位置合わせされ、内側及び外側二次プレート２１～２５，２６の各々が、対応する内側及び外側一次プレート１１～１５，１６のやや下に配置される。第２に、二次インサート２８は、第３次元で整列され、第３次元は、一次インサート１８の主軸３９に平行である。一次インサート１８との第３の次元における位置合わせは、一次及び二次プレートの各対の間に熱伝導性接触を形成するように、内側及び外側二次プレート２１～２５、２６の各々が対応する内側及び外側一次プレート１１～１５、１６に向かうように二次インサート２８を上げることにより達成される。外側ステージ６の外側二次プレート２６は、外側一次プレート１６とシールを形成する。そして、内側二次プレート２１～２５を所定の位置に固定することができる。この実施形態では、それらは、ここでは、ねじの形態の締結部材を用いて固定される。調整部材（図示せず）は、内側一次プレート１１～１５と内側二次プレート２１～２５を、装着状態において熱伝導性接触とする。最後に、縁部片３１～３５は、ねじを用いて、所定の位置に固定される。
【0052】
各縁部片３１～３５は、より低いベース温度の構成部品を余分な放射から遮蔽するように形成されている。図３から分かるように、各縁部片３１～３５の形状は、各サーマルステージ１～５を完成させるため、各内側二次プレート２１～２５及び各内側一次プレート１１～１５の形状に適合するように設計されている。代替の実施形態では、縁部片３１～３５は、二次インサート２８を配置することなく内側一次プレート１１～１５に取り付け可能である。別の実施形態では、縁部片は必要ではない。その代わりに、各内側二次プレート２１～２５は、各サーマルステージ１～５を完成させ、隣接するステージ間の放射を遮断する熱シールドとして機能するように形成することができる。
【0053】
極低温冷却システムの二次インサート２８は、一次インサート１８から脱着可能である。図４は、第１実施形態による極低温冷却システムを示し、二次インサート２８が取り外された位置にあり、縁部片３１～３５が対応する内側一次プレート１１～１５に取り付けられている。
【0054】
二次インサート２８が非装着位置にある間、二次インサート２８、特に二次インサート２８に取り付けられた実験サービスに修正を加えることができる。これは、ユーザにとって、非装着位置で達成するので実際上容易である。二次インサート２８の修正は、例えば、二次インサート２８に取り付けられた実験的サービスの更新又は試験を含むことができる。所望であれば、その後、更新された二次インサート２８を一次インサート１８に装着することができる。さらに、１つの二次インサート２８を作動中、すなわち装着状態で実験的に使用とし、１つ以上の二次インサート２８をベンチ上、すなわち非装着状態とするために、複数の二次インサート２８を有することが有利である。非装着状態である間、二次インサート２８上の実験サービスは、より容易に修正又は更新することができる。脱着された二次インサート２８上の実験サービスは、室温で試験することができ、又は二次インサート２８は、低温で実験サービスを試験するためにドナークライオスタットに装着することができる。上記の試験、組み立て、修正及び更新は、極低温冷却システムで行われている実験と並行して行うことができる。
【0055】
上述したように、二次インサート２８は、階層化されたアセンブリを形成している。アセンブリ内の内側及び外側二次プレート２１～２５、２６の空間分布は、図４に示すように、５つのプレート間空間５１～５５を画定する。外側二次プレート２６と第１内側二次プレート２１との間の第１プレート間空間５１、第１内側二次プレート２１と第２内側二次プレート２２との間の第２プレート間空間５２、第２内側二次プレート２２と第３内側二次プレート２３との間の第３プレート間空間５３、第３内側二次プレート２３と第４内側二次プレート２４との間の第４プレート間空間５４、第４内側二次プレート２４と第５内側二次プレート２５の間の第５プレート間空間５５である。
【0056】
図４において、４つの二次ロッド２７のグループが、それぞれのプレート間空間５１～５５を横切って延在し、隣接する二次プレート２１～２６の各対を接続する。二次ロッド２７の各グループの配置は、それぞれのプレート間空間５１～５５から各ロッドを独立して調整又は除去できるように、隣接するグループに対してオフセットされている。プレート間空間５１～５５のうちの１つにおける二次ロッド２７のすべてを取り外すと、二次インサート２８を２つの部分に分割することができる。それゆえ、二次インサート２８の２つ以上のプレートは、一体構造として残りのプレートから取り外すことができる。図５は、二次インサート２８が部分的に取り外された第１実施形態による極低温冷却システムを示す。
【0057】
図５では、第４プレート間空間５４の２次ロッド２７が除去されている。第４プレート間空間５４は、第３内側二次プレート２３と第４内側二次プレート２４との間にあり、したがって、上記二次ロッド２７の除去により、残りの内側及び外側二次プレート２１～２３，２６を取り付けたまま、第４内側二次プレート２４及び第５内側二次プレート２５を低温冷却システムから脱着することができる。第４及び第５内側二次プレート２４、２５は、接続する二次ロッド２７によって一緒に保持されたままであり、したがって、このアセンブリは、極低温冷却システムから取り外された後も自立している。代替の実施形態では、内側及び外側二次プレート２１～２５、２６のうちの任意の枚数を取り外すことができる。
【0058】
実験状況によっては、二次インサート２８の二次プレート２１～２６のサブセットのみを試験又は修正することが必要な場合もある。従って、二次インサート２８の部分的な取り外しは、実験サービスのより柔軟な準備及び試験を可能にするため有利である。さらに、二次インサート２８の全体とは対照的に、二次インサート２８の一部の再取付けは、ユーザにとって実行するのに複雑さが低い。極低温冷却システムは、内側二次プレート２１～２５が取り外された状態で作動させることができる。しかしながら、第１～第４サーマルステージ１～４のいずれかの内側二次プレート２１～２４が取り外される場合、サーマルステージ間の放射伝達を低減するために、これらは一般にブランクと交換される。
【0059】
実験サービスは、極低温冷却システムに搭載することができる。図６は、二次インサート２８に実験サービスを取り付けた状態の第１実施形態による極低温冷却システムを示している。実験サービスの例としては、ＲＦ配線であることができる配線、超高真空コンポーネント、電気デバイス（減衰器、フィルタ、サーキュレータ又は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）、又は選択した実験に必要な他の実験サービスを含むことができる。図６に示す実験サービスは、同軸線である。
【0060】
上述したように、二次インサートは、極低温冷却システムから全体的又は部分的に取り外され、別の極低温冷却システムに挿入されてもよい。二次インサート２８が装着位置に持ち込まれるときに、各内側二次プレート２１～２５と対応する内側一次プレート１１～１５との間にずれが生じ得ると、これが不良な熱接触をもたらし得る。良好な熱的接触を確保するために、極低温冷却システムは、調整部材を備えている。ここで、可能な調整部材について、図７～図１２を参照して説明する。
【0061】
図７は、第１実施形態に係る内側二次プレートの模式的な正面図である。以下、第１内側二次プレート２１に関して説明するが、この記載は二次インサート２８の内側二次プレート２１～２５の任意の１つ以上に適用可能である。第１内側二次プレート２１は、剛体の中央部分４３を有する。剛体の中央部分４３の各辺に沿って、第１二次プレート２１の平面内に配置されたフランジ４４が設けられている。本実施形態では、各フランジ４４には、フランジ４４の長さに沿って均等に分布する二次孔５９が設けられている。これら孔は、タップ付きでもタップ無しでもよい。第１内側二次プレート２１が、ねじ又は任意の適切な取り付け機構を用いて第１内側一次プレート１１に取り付けられるように、対応する一次プレート上に一致する一連の孔が配置される（図８（ａ）及び図８（ｂ）参照）。
【0062】
フランジ４４は、リンク部分又は連結部分４５によって剛体の中央部分４３から分離されている。リンク部分４５は、フランジ４４の長さに沿って延びる第１内側二次プレート２１の比較的薄いストリップであり、フランジ４４がその回りに移動可能な枢軸を形成している。第１内側二次プレート２１は、さらに二次ロッド２７を位置決めするための４つの受孔４６を収容するが、もちろん、受孔４６の数は、使用する二次ロッド２７の数によって異なってもよい。
【0063】
第１実施形態では、フランジ４４は、第１内側一次プレート１１と第１内側二次プレート２１とを熱伝導性接触にさせるように荷重が加えられたときに変形するように構成されている。局所的な変形により、超高真空ポートなどの剛体の実験装置を二次インサート２８に取り付けることができる。そのような剛体の装置は、一旦取り付けられると、内側又は外側二次プレート２１～２５、２６の２つ以上の間の間隔を効果的に決定することができる。この実施形態では、剛体の装置は、第１内側二次プレート２１の剛体の中央部分４３に取り付けられ、フランジ４４は、かくして調整部材を形成する変形可能な部分を提供する。フランジ４４の局所的な変形は、第１内側一次プレート１１と第１内側二次プレート２１との間のあらゆるミスアライメントを調整する。内側二次プレートの剛体の中央部分４３を含むことは、有利には、二次インサート２８と一次インサート１８との間の効果的な熱平衡化を確保しながら、剛体の実験装置を任意の必要な調整によって影響を受けない状態に維持することができる。
【0064】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、装着工程中の第１実施形態に係る極低温冷却システムの一部を模式的に示す側面図である。図８（ａ）は、非装着状態の二次インサート２８の一部を示し、図８（ｂ）は、調整部材を使用して装着状態である二次インサート２８の一部を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、第１内側二次プレート２１、第２内側二次プレート２２、第１内側一次プレート１１、及び第２内側一次プレート１２の一部を示している。しかし、本説明は、二次インサート２８の任意の隣接する内側プレートと、一次インサート１８の対応するプレートに適用される。
【0065】
第１内側二次プレート２１は、剛体の中央部分４３と、フランジ４４と、リンク部分４５とを備える。第２二次プレート２２は、剛体の中央部分４３’と、フランジ４４’と、リンク部分４５’とを備える。第２内側二次プレート２２と第１内側二次プレート２１との間の類似の装置特徴を指定するために、プライム符号付き（’）の参照数字が使用されている。第１及び第２内側二次プレート２１、２２は、いずれも図７によって示される形状をとる。第１内側一次プレート１１は、一次ロッド１７によって第２内側一次プレート１２に接続されている。典型的には、複数の一次ロッド１７が一次インサート１８の隣接するプレートを接続するために使用されるが、ここでは明確にするために１つだけが示されている。
【0066】
図８（ａ）は、二次インサート２８が非装着状態にあるときの二次インサート２８の一部と一次インサート１８の対応する部分とを模式的に示す。非装着状態において、第１内側二次プレート２１と第２内側二次プレート２２との間の分離はｄ2である。第１内側一次プレート１１と第２内側一次プレート１２との間の分離はｄ1であり、ｄ1＞ｄ2である。異なる実施例において、ずれは逆方向であってもよく、すなわちｄ1＜ｄ2である。図８（ａ）における相対的な横方向位置関係は例示的であり、縦方向のずれ又はミスアライメントを明確に示すためのものである。このずれは、第１内側二次プレート２１と第１内側一次プレート１１との間である。第１及び第２内側一次プレート１１，１２は、一次孔６９，６９’が貫通して延びる周囲に沿った段差部を備える。第１及び第２内側二次プレート２１，２２の二次孔５９，５９’は、第１及び第２内側一次プレート１１，１２の一次孔６９，６９’とそれぞれ整列するよう構成されている。
【0067】
代替の実施形態では、フランジは、二次インサート２８の代わりに、一次インサート１８のプレート上に配置されてもよい。これは、極低温冷却システムのための複数の交換可能な二次インサート２８がある場合（そのうちのいくつかは調整部材を含んでいない可能性がある）に特に有利である。別の代替的な実施形態では、フランジ４４は、一次インサート１８及び二次インサート２８のプレート上に配置されてもよい。これは、有利には、変形が両側で起こり得るので、より大きな可能なずれを許容し得る。
【0068】
図８（ｂ）は、二次インサート２８が装着状態にあるときの図８（ａ）の二次インサート２８の部分と一次インサート１８の対応する部分とを模式的に示す。図８（ｂ）において、二次孔５９、５９’は、一次孔６９、６９’と整列している。フランジ４４とリンク部分４５は、変形位置にあり、第１内側一次プレート１１と第１内側二次プレート２１を熱伝導性接触状態にするように変形されている。したがって、フランジ４４は、第１内側一次プレート１１の段差部に沿って第１内側一次プレート１１と面接触している。第１内側一次プレート１１の段差部分の平面領域は、第１内側二次プレート２１のフランジ４４と形状的に一致又は共形である。
【0069】
この実施形態では、フランジ４４、４４’の変形は、第１内側二次プレート２１及び第２内側二次プレート２２の剛体の中央部分４３、４３’が互いに対して固定された位置に留まりつつ、ｄ1とｄ2との間のずれに適応又は調整することが可能である。第１内側一次プレート１１と第２内側一次プレート１２も、取り付け工程の前後で、互いに対して固定された位置に留まる。
【0070】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第２実施形態に係る極低温冷却システムの一部を模式的に示す側面図であり、調整部材を使用した装着状態の二次インサート１２８の一部を示している。この極低温冷却システムは、第１実施形態で説明したものと同様の形態をとるが、設けられた調整部材が異なる。図９（ａ）及び図９（ｂ）のそれぞれは、二次ロッド１２７によって第２内側二次プレート１２２に接続された第１内側二次プレート１２１と、一次ロッド１１７によって第２内側一次プレート１１２に接続された第１内側一次プレート１１１とを示している。典型的には、さらなる一次ロッド１１７及びさらなる二次ロッド１２７が用いられるが、図９（ａ）及び図９（ｂ）には、明確にするために、１つのみが示されている。二次インサート１２８が装着位置に示されている状態で、二次孔１５９、１５９’は一次孔１６９、１６９’と整列している。
【0071】
第２実施形態では、二次ロッド１２７は、隣接する内側二次プレート１２１、１２２の間の間隔を調整するように圧縮又は引張荷重が加えられると変形するように構成されている。この動きは、一次及び二次インサート１１８、１２８の対応するプレート間の任意のずれを調整する。この実施形態では、一次ロッド１１７は剛体であり、したがって、一次インサート１１８の隣接するプレート間の間隔は固定されている。二次ロッド１２７は、ステンレス鋼から形成され、説明したように変形が可能なように湾曲している。二次ロッド１２７の変形は、内側二次プレート１２１～１２５の各々を、対応する内側一次プレート１１１～１１５と熱伝導性接触状態にする。
【0072】
図９（ａ）において、非装着状態における第１内側二次プレート１２１と第２内側二次プレート１２２との間の距離ｄ2は、第１内側一次プレート１１１と第２内側一次プレート１１２との間の距離ｄ1よりも小さく、すなわちｄ2＜ｄ1である。二次インサート１２８が非装着状態にあるとき、二次ロッド１２７は、図９（ａ）において破線を用いて示した第１位置１４７にある。二次ロッド１２７は、引張荷重に応答して、図９（ａ）に実線で示す第２位置１４８まで伸長するように構成されており、この位置では、第１及び第２内側二次プレート１２１，１２２がさらに離間され、接触面に沿ってそれぞれ第１及び第２内側一次プレート１１１，１１２との間で良好な熱接触が可能となる。
【0073】
図９（ｂ）において、非装着状態における第１内側二次プレート１２１と第２内側二次プレート１２２との間の距離ｄ2は、第１内側一次プレート１１１と第２内側一次プレート１１２との間の距離ｄ1よりも大きく、すなわちｄ2＞ｄ1である。二次インサート１２８が非装着状態にあるとき、二次ロッド１２７は、図９（ｂ）において破線を用いて示した第１位置１４７にある。二次ロッド１２７は、圧縮荷重に応答して、図９（ｂ）に実線で示す第３位置１４９まで圧縮するように構成されており、この位置では、第１及び第２内側二次プレート１２１，１２２は、第１及び第２内側一次プレート１１１，１１２とそれぞれ良好な熱接触状態にされる。
【0074】
図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して上述したような第２実施形態では、二次ロッド１２７は、極低温冷却システムの一次インサート１１８及び二次インサート１２８の対応する内側プレートの間のずれを調整することができる。二次ロッド１２７は、二次インサート１２８の各プレートを一次インサート１１８の各プレートと整列させるために、隣接する二次プレート間の距離を調整するように構成されている。代替の実施形態では、一次ロッドは、二次ロッド１２７に関連して上述したように、圧縮又は引張荷重が加えられると変形するように構成されてもよく、二次ロッドは、このように内側及び外側二次プレートの位置を互いに対して固定するように剛体であることができる。これにより、非装着状態において二次インサートをよりしっかり固定されたものとすることができる。
【0075】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部を模式的に示す側面図である。第２実施形態（図９（ａ）及び図９（ｂ））と同様に、また第１実施形態（図８（ａ）及び図８（ｂ））とは異なり、第３実施形態は、インサートの隣接するプレート間の間隔を調整するように構成された調整部材を備えている。図１０（ａ）は、非装着状態の二次インサート２２８の一部を示し、一方、図１０（ｂ）は、調整部材が使用されている装着状態の二次インサート２２８の一部を示している。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第１内側二次プレート２２１、第２内側二次プレート２２２、第１内側一次プレート２１１、及び第２内側一次プレート２１２を図示している。
【0076】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、第１内側二次プレート２２１は、二次ロッド２２７によって第２内側二次プレート２２２と接続されている。上側の二次ロッド２２７’は、第１内側二次プレート２２１を外側二次プレート（図示せず）に接続する。下側の二次ロッド２２７”は、第２内側二次プレート２２２を第３内側二次プレート（図示せず）に接続する。二次ロッド２２７、２２７’、２２７”の各々は、各ロッド２２７、２２７’、２２７”の近位端に設けられ、グラブねじ２３０、２３０’を受けるように適合された肩部２２９、２２９”を備えている。第１内側一次プレート２１１は、一次ロッド２１７によって第２内側一次プレート２１２に接続されている。上側の一次ロッド２１７’は、第１内側一次プレート２１１を外側一次プレート２１６（図示せず）に接続する。下側の一次ロッド２１７”は、第２内側一次プレート２１２を第３内側一次プレート２１３（図示せず）に接続する。
【0077】
図１０（ａ）は、二次インサート２２８が非装着状態にあるときの二次インサート２２８の一部と一次インサート２１８の対応する部分とを模式的に示す図である。二次孔２５９、２５９’は、二次インサート２２８が装着状態にあるときに一次孔２６９、２６９’と整合するように構成され、それらの間に締結部材が延在する。一次孔２６９、２６９’及び／又は二次孔２５９、２５９’は、ねじ切りされてもよいし、例えば締結部材が裏ナットと組み合わせて用いられる場合には、クリアランス孔又はばか孔を形成してもよい。図１０（ａ）において、非装着状態における第１内側二次プレート２２１と第２内側二次プレート２２２との間の間隔ｄ2は、第１内側一次プレート２１１と第２内側一次プレート２１２との間の間隔ｄ1より大きく、すなわちｄ2＞ｄ1である。図１０（ａ）の相対的な横方向の位置関係は例示であり、縦方向の位置関係を明確に示すためのものである。このずれは、第２内側二次プレート２２２と第２内側一次プレート２１２との間のものである。
【0078】
非装着状態において、第１内側二次プレート２２１及び第２内側二次プレート２２２は、それぞれ二次ロッド２２７及び下側の二次ロッド２２７”の肩部２２９、２２９”上に配置される。第１グラブねじ２３０が、二次ロッド２２７と上側の二次ロッド２２７’との間に配置される。二次ロッド２２７の上側部分及び上側の二次ロッド２２７’の下側部分は、第１グラブねじ２３０と係合するようにタップ加工又は内側ねじ切り加工されている。第２グラブねじ２３０’が、二次ロッド２２７と下側の二次ロッド２２７”との間に配置される。下側の二次ロッド２２７’の上側部分と二次ロッド２２７の下側部分は、第２グラブねじ２３０’を収容するように、タップ加工されている。この実施形態において調整部材を形成するのは、二次ロッドのタップ加工部分と、それが係合する対応するグラブねじとの組合せである。代替の実施形態では、一次ロッドが、二次ロッドについて説明したような調整機構を備えてもよいし、一次ロッドと二次ロッドの両方が、そのような調整機構を備えてもよい。
【0079】
図１０（ｂ）は、二次インサート２２８が装着状態にあるときの、図１０（ａ）に示した二次インサート２２８の部分と一次インサート２１８の対応部分とを模式的に示す図である。二次孔２５９、２５９’と一次孔２６９、２６９’は整列されており、対応する板は高い熱コンダクタンスで熱的に連結されている。第１内側二次プレート２２１と第２内側二次プレート２２２との間の間隔は、第１内側一次プレート２１１と第２内側一次プレート２１２との間の間隔と一致するように調整されている。この実施形態では、ずれは、第２内側二次プレート２２２を肩部２２９”から離間させることによって調整されている。いくつかの実施形態では、これは、二次ロッド２２７の回転によって達成され得る。本実施形態では、一次孔２６９’を通って対応する二次孔２５９’の中に延びる締結部材を調整する行為が、第２内側二次プレート２２２を肩部２２９”から持ち上げる。したがって、第１及び第２実施形態とは異なり、第３実施形態の調整部材は、二次ロッド２２７に対して、二次ロッド２２７の方向に沿った第２内側二次プレート２２２の移動を容易にすることを理解されたい。したがって、熱平衡化シム２３８が、二次ロッド２２７と第２内側二次プレート２２２との間に配置される。熱平衡化シム２３８は、二次ロッド２２７と第２内側二次プレート２２２との間の機械的支持及び熱的接続を提供し、図１３を参照して更に詳細に説明する。
【0080】
図１１は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示した第３実施形態に係る二次インサートプレートの一部を示す断面図である。以下では、第２内側二次プレート２２２について説明するが、この説明はいずれの内側二次プレートにも適用することができる。図１１は、第２内側二次プレート２２２と、二次ロッド２２７と、下側の二次ロッド２２７”とを示している。二次ロッド２２７と第２内側二次プレート２２２との間には、第１ねじ付きインサート２１９が配置されている。第１ねじ付きインサート２１９は、近位端で中空の二次ロッド２２７の中に延び、遠位端で第２内側二次プレート２２２の中に延びている。第２ねじ付きインサート２２０は、下側の二次ロッド２２７”と第２内側二次プレート２２２との間に配置されている。第２ねじ付きインサート２２０は、その近位端に肩部２２９”部分を有し、これは第２内側二次プレート２２２の中に延びている。その遠位端では、第２ねじ付きインサート２２２は、中空の下側の二次ロッド２２７”の中に延びている。
【0081】
この実施形態では、第１ねじ付きインサート２１９及び第２ねじ付きインサート２２０は、第２グラブねじ２３０’を収容するようにねじ切り又はタップ加工されている。代替の実施形態では、グラブねじは、二次ロッド２２７と下側の二次ロッド２２７”との間の距離を調整するのに適した止めねじ又は任意のねじとすることができる。第１ねじ付きインサート２１９及び第２ねじ付きインサート２２０は、真鍮又は銅のような、関連するサーマルステージの作動ベース温度において高い熱コンダクタンスを有する材料から形成されている。再び、熱平衡化シム２３８は、二次ロッド２２７と第２内側二次プレート２２２との間に配置される。これは、第３実施形態による脱着された二次インサート２２８の一部の斜視図を提供する図１２でも見ることができる。図１２において、実験サービスは、二次インサート２２８に取り付けられる。特に、示されている実験サービスは、第２内側二次プレート２２２及び第１内側二次プレート２２１に接続された同軸ワイヤである。
【0082】
図１３は、第３実施形態に係る極低温冷却システムの一部を模式的に示す断面図であり、二次インサート２２８が装着状態にあるときの熱平衡化シム２３８の変形を示している。内側二次プレートは、ずれを調整するように二次インサート２２８内で二次ロッドの方向に移動可能である。図１３において、第１内側二次プレート２２１は、２つの二次ロッド２２７と２つの上側の二次ロッド２２７’と一緒に示されている。対応する一次プレートは、明確にするために示されていない。
【0083】
熱平衡化シム２３８は、二次ロッド２２７、２２７’を第１内側二次プレート２２１に接続し、第１内側二次プレート２２１が二次ロッド２２７、２２７’に沿って移動するとき、装置に機械的安定性を提供する。この実施形態では、熱平衡化シム２３８は、真鍮又は銅のような、関連するサーマルステージの作動ベース温度において高い熱コンダクタンスを有する材料から形成され、さらに二次ロッド２２７、２２７’の効果的な熱平衡化を提供する。熱平衡化シム２３８は、二次ロッド２２７’の端部を内側二次プレート２２１に熱的に結合するように構成される。有利には、各サーマルステージ２０１～２０５における二次ロッド２２７及び一次ロッド２１７の熱平衡化は、極低温冷却システムを室温から作動ベース温度まで冷却するのに必要な時間を短縮する。それはまた、二次ロッド２２７に沿って二次インサートの暖かい端部と冷たい端部との間の任意の不要な熱伝達を減少させる。これは、特にこれら構成要素間の相対的な移動が可能である場合、二次ロッド２２７と二次プレートとの間の熱コンダクタンスを増加させることによって達成される。
【0084】
グラブねじ２３０は、熱平衡化シム２３８が配置される周囲に半径方向の突出部を有する。熱平衡化シム２３８の外側の穴はスロット付きであり、矢印で示すように、二次ロッド２２７、２２７’に対して垂直なシムの移動を許容する。位置決めされると、熱平衡化シム２３８は、クランプ力によって第１及び第２ねじ付きインサート２１９、２２０の間の所定位置に保持される。また、熱平衡化シムは、シムねじ２６７を用いて第１内側二次プレート２２１にしっかりと固定される。熱平衡化シム２３８は、第１内側二次プレート２２１と二次ロッド２２７、２２７’との物理的接触を維持するように可撓性を有し、第１内側二次プレート２２１が二次ロッド２２７、２２７’に対して移動するときに二次ロッド２２７、２２７’の効果的な熱平衡化を保証する。この熱平衡化シム２３８の変形は、図１３で見ることができる。
【0085】
図１４は、先の実施形態による一次インサートと共に使用するための例示的な二次インサート２８’、２８”、２８’’’を図示している。各ケースにおいて、プレート間に軸方向に整列された多数のポートが示されている。しかしながら、示されるように、二次インサートは、様々な形態をとることができる。二次インサートの１つがポートの異なる配置を有する２つ以上の二次インサートを有することが有利であり得る。この場合、第１配置で構成された二次インサートを第２配置で構成された別の二次インサートに交換することによって、同じ極低温冷却システムを複数の種類の実験に使用することができる。
【0086】
さらなる実施形態では、先に説明した調整部材の任意の組み合わせを、単独又は組み合わせて使用することができる。
【0087】
したがって、理解されるように、装着状態で効果的な熱平衡化を達成しながら、二次インサートをシステムから取り外すことができる極低温冷却システムが提供される。二次インサートの取り外しは、遠隔組み立て、試験、セットアップを可能にする。さらに、このシステムは、更新された二次インサートの形態でモジュールのアップグレードを提供する能力のため、さらなる柔軟性を備えている。低温実験に重要な効果的な熱平衡化は、説明したように専用の調整部材を使用して達成される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8(a)】
【図8(b)】
【図9(a)】
【図9(b)】
【図10(a)】
【図10(b)】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【国際調査報告】