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(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】2024-07-05
(54)【発明の名称】一体型希釈冷凍機
(51)【国際特許分類】
F25B 9/12 20060101AFI20240628BHJP
F25D 3/10 20060101ALI20240628BHJP
【ＦＩ】
F25B9/12
F25D3/10 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024501142
(86)(22)【出願日】2022-07-08
(85)【翻訳文提出日】2024-02-26
(86)【国際出願番号】 US2022036531
(87)【国際公開番号】W WO2023283431
(87)【国際公開日】2023-01-12
(31)【優先権主張番号】63/219,795
(32)【優先日】2021-07-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/319,248
(32)【優先日】2022-03-11
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524009680
【氏名又は名称】メイベル クアンタム インダストリーズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＹＢＥＬＬ ＱＵＡＮＴＵＭ ＩＮＤＵＳＴＲＩＥＳ，ＩＮＣ．
(71)【出願人】
【識別番号】524009716
【氏名又は名称】オガンド ドス サントス アラン、ジョン
【氏名又は名称原語表記】ＯＧＡＮＤＯ ＤＯＳ ＳＡＮＴＯＳ ＡＬＬＡＮ，Ｊｏｈｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ティルマン－ディック、コーバン アイ．
(72)【発明者】
【氏名】トンプソン、カイル ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】オガンド ドス サントス アラン、ジョン
(72)【発明者】
【氏名】チュー、ブライアン ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】バイアーズ、ジョナサン マイケル
(72)【発明者】
【氏名】ハリス、スティーブン ウィリアム
(72)【発明者】
【氏名】ズルタク、ヨハンナ
(72)【発明者】
【氏名】プラント、タイラー ジェームズ
【テーマコード（参考）】
3L044
【Ｆターム（参考）】
3L044AA04
3L044BA07
3L044DA02
(57)【要約】
改良型の、使い勝手のよい、一体型希釈冷凍機のためのシステム及び技法を提供する。改良型希釈冷凍機は、複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱化板を含み、複数の熱化板のうちの第１熱化板は一体型熱交換器を備え、一体型熱交換器は、第１熱化板に形成されたチャネルを含み、チャネルは、希釈冷凍機の運転中に第１熱化板を通してヘリウムが流れるのを可能にするように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
希釈冷凍機であって、複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱化板
を備え、
前記複数の熱化板のうちの第１熱化板が一体型熱交換器を備え、
前記一体型熱交換器が、前記第１熱化板に形成されたチャネルを含み、
前記チャネルが、前記希釈冷凍機の運転中、ヘリウムが前記第１熱化板を通って流れるのを可能にするように構成されている、希釈冷凍機。
【請求項2】
前記一体型熱交換器が付加製造により形成されている、請求項１に記載の希釈冷凍機。
【請求項3】
前記第１熱化板が、着脱式部分をさらに備え、前記着脱式部分が前記一体型熱交換器を含む、請求項１又は２に記載の希釈冷凍機。
【請求項4】
前記第１熱化板の前記着脱式部分に着脱可能に連結された交換可能な希釈インサートをさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項5】
前記希釈インサートが、前記希釈冷凍機の凝縮ラインと、
前記複数の熱化板のうちの３つの熱化板と、
に着脱可能に連結される、請求項１～４のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項6】
前記希釈インサートが、３Ｈｅと４Ｈｅとの混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を行うように構成された分溜器を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項7】
前記複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板に熱的に連結された試験容積と、前記最も低温の熱化板よりも温度の高い第２熱化板に連結された分溜器であって、３Ｈｅと４Ｈｅとの混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を行うように構成された分溜器と、
前記第２熱化板と前記最も低温の熱化板との間に配置された連続型熱交換器と、
をさらに備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項8】
前記複数の熱化板のうちの熱化板に熱的に連結された少なくとも１つの熱交換器をさらに備え、前記少なくとも１つの熱交換器がナノ材料を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項9】
前記ナノ材料が、少なくとも１つ又はナノワイヤ、ナノフォーム、ナノペレット及び／又はナノチューブを含む、請求項８に記載の希釈冷凍機。
【請求項10】
前記ナノ材料が、銅ナノワイヤ、銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、白金ナノワイヤ、ポリマーナノワイヤ、カーボンナノワイヤ及び／又は炭素繊維ナノワイヤのうちの１つ又は複数を含むナノワイヤを含む、請求項８又は９に記載の希釈冷凍機。
【請求項11】
前記少なくとも１つの熱交換器が、希釈冷凍機の混合室内に配置された熱交換器及び／又は分離型熱交換器のうちの１つを含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項12】
前記複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、前記凝縮ラインに沿って前記最も低温の熱化板の前に配置された分溜器と、
前記凝縮ラインに沿って前記分溜器と前記最も低温の熱化板との間に配置された熱交換器と、
前記熱交換器から戻りヘリウム混合物を前記分溜器に移送し、前記分溜器の上方の位置で前記凝縮ライン内のヘリウム混合物の温度を低下させるように構成された熱交換ラインと、
をさらに備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項13】
前記凝縮ラインに沿って前記分溜器の前に配置されたジュール－トムソン膨張機をさらに備え、前記熱交換ラインが、前記ジュール－トムソン膨張機よりも前の位置で前記凝縮ライン内の前記ヘリウム混合物の温度を低下させるように構成されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項14】
前記複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、前記凝縮ラインに沿って配置された高表面積材料であって、前記希釈冷凍機のクールダウンサイクル中、前記輸送されたヘリウムを前記高表面積材料に吸着させるように構成された高表面積材料と、
をさらに備える、請求項１～１３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項15】
前記高表面積材料の第１端部が、第１ヒートスイッチにより、前記複数の熱化板のうちの温度が高い方の熱化板に切替可能に熱的に連結されており、前記高表面積材料の前記第１端部とは反対側の第２端部が、第２ヒートスイッチにより、前記複数の熱化板のうちの温度が低い方の熱化板に切替可能に熱的に連結されている、
請求項１４に記載の希釈冷凍機。
【請求項16】
前記高表面積材料に熱的に連結された少なくとも１つのヒータをさらに備え、前記ヒータが、前記高表面積材料を加熱することにより、前記吸着したヘリウムが、前記高表面積材料から放出され、前記複数の熱化板のうちの温度が高い方の熱化板と前記複数の熱化板のうちの温度が低い方の熱化板との間で移動することにより冷却されるようにするように構成されている、請求項１４又は１５に記載の希釈冷凍機。
【請求項17】
前記凝縮ラインに沿って前記温度が高い方の熱化板と前記高表面積材料との間に配置された第１弁と、前記凝縮ラインに沿って前記高表面積材料と前記温度が低い方の熱化板との間に配置された第２弁と、
をさらに備え、
前記第１弁及び前記第２弁が、前記第１弁が閉じられ、前記第２弁が開かれると、前記高表面積材料に吸着したヘリウムが、前記温度が高い方の熱化板から前記温度が低い方の熱化板へ輸送されるように構成されている、請求項１４～１６のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項18】
前記高表面積材料が、活性炭又は金属粉末のうちの一方を含む、請求項１４～１７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項19】
ヘリウム入口から前記複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板までヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、前記凝縮ラインに沿って配置された第１ヘリウムフィルタと、
前記凝縮ラインに沿って前記第１ヘリウムフィルタと並列に配置された第２ヘリウムフィルタと、
前記凝縮ラインに沿って前記第１ヘリウムフィルタと前記第２ヘリウムフィルタとの間でヘリウムの流れを切り替えるように構成された少なくとも１つの弁と、
をさらに備える、請求項１～１８のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項20】
前記第１ヘリウムフィルタ及び／又は前記第２ヘリウムフィルタがチャコールトラップを含む、請求項１～１９のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項21】
前記第１ヘリウムフィルタと前記ヘリウム入口との間に配置された第１向流熱交換器と、前記第２ヘリウムフィルタと前記ヘリウム入口の間に配置された第２向流熱交換器と、
をさらに備える、請求項１～２０のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項22】
前記複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、前記凝縮ラインに沿って配置されたジュール－トムソン膨張機と、
前記凝縮ラインに沿って前記ジュール－トムソン膨張機と並列に配置されたバイパスであって、前記輸送されたヘリウムが、閾値を超え且つ３００Ｋ未満の温度を有する場合に、前記輸送されたヘリウムが前記ジュール－トムソン膨張機をバイパスするのを可能にするように構成されたバイパスと、
をさらに備える、請求項１～２１のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項23】
前記バイパスが材料を含み、前記材料が、前記輸送されたヘリウムが閾値を超え且つ３００Ｋ未満の温度を有する場合に、前記輸送されたヘリウムが前記材料を通して拡散するのを可能にするように構成されている、請求項１～２２のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項24】
前記材料がポリマーを含む、請求項２３記載の希釈冷凍機。
【請求項25】
第１温度まで冷却されるように構成された第１熱ステージと、前記第１温度よりも低い第２温度まで冷却されるように構成された第２熱ステージと、
前記第１熱ステージ及び第２熱ステージを収容する真空チャンバと、
前記第１熱ステージを前記真空チャンバから吊り下げるように構成された第１懸架システムと、
前記第２熱ステージを前記第１熱ステージから独立して前記真空チャンバから吊り下げるように構成された第２懸架システムと、
を備える希釈冷凍機。
【請求項26】
前記第１懸架システムが、前記第１熱ステージを前記真空チャンバに堅固に連結するように構成されたロッドを備える、請求項２５に記載の希釈冷凍機。
【請求項27】
前記ロッドが炭素繊維又はステンレス鋼を含む、請求項２６に記載の希釈冷凍機。
【請求項28】
前記第２懸架システムが、前記第２熱ステージを前記真空チャンバに移動可能に連結するように構成された１つ又は複数のばねを備える、請求項２５～２７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項29】
前記１つ又は複数のばねが、異なる荷重下で一定の張力を提供するように構成されたばねを含む、請求項２８に記載の希釈冷凍機。
【請求項30】
前記１つ又は複数のばねが、第１軸に沿って前記第２熱ステージの防振を提供するように構成された第１ばねと、
前記第１軸に垂直な平面内で前記第２熱ステージの防振を提供するように構成された第２ばねと、
を含む、請求項２８又は２９に記載の希釈冷凍機。
【請求項31】
前記第１ばねが板ばねを含む、請求項３０に記載の希釈冷凍機。
【請求項32】
前記板ばねがステンレス鋼及び／又はばね鋼を含む、請求項３１記載の希釈冷凍機。
【請求項33】
前記板ばねが２枚のばね板を備え、前記板ばねの張力が、前記２枚のばね板の長さに基づいて決定される、請求項３１又は３２記載の希釈冷凍機。
【請求項34】
前記板ばねが２枚のばね板を備え、前記板ばねの張力が、前記２枚のばね板の予張力付与に基づいて決定される、請求項３１～３３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項35】
前記第２ばねが軟性ロッドを含む、請求項３０～３４のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項36】
前記第１ばねが、前記軟性ロッドにより前記第２熱ステージに連結されている、請求項３５に記載の希釈冷凍機。
【請求項37】
前記軟性ロッドがポリマーを含む、請求項３５又は３６に記載の希釈冷凍機。
【請求項38】
前記ポリマーがデルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）を含む、請求項３７に記載の希釈冷凍機。
【請求項39】
前記第１温度と前記第２温度との間の第３温度まで冷却されるように構成された第３熱ステージをさらに備え、前記第１懸架システムが、前記第３熱ステージを前記第１熱ステージから吊り下げるようにさらに構成されている、請求項２５～３８のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項40】
前記第２温度よりも低い第４温度まで冷却されるように構成された第４熱ステージと、前記第４熱ステージを前記第２熱ステージから吊り下げるように構成された第３懸架システムと、
をさらに備える、請求項２５～３９のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項41】
前記第３懸架システムが、前記第４熱ステージを前記第２熱ステージに堅固に連結するように構成されたロッドを含む、請求項４０に記載の希釈冷凍機。
【請求項42】
前記第２懸架システムが、前記第２熱ステージを前記真空チャンバに移動可能に連結するように構成された１つ又は複数のばねを含む、請求項４０又は４１に記載の希釈冷凍機。
【請求項43】
前記１つ又は複数のばねが、第１軸に沿って前記第２熱ステージの防振を提供するように構成された第１ばねと、
前記第１軸に垂直な平面内で前記第２熱ステージの防振を提供するように構成された第２ばねと、
を含む、請求項４２に記載の希釈冷凍機。
【請求項44】
前記第１懸架システムが、前記第１熱ステージを前記真空チャンバに堅固に連結するように構成されたロッドを含む、請求項４０～４３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項45】
少なくとも１つの実質的に平面の面を含む外側真空チャンバと、前記外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように構成された、前記少なくとも１つの実質的に平面における開口部と、
を備える希釈冷凍機。
【請求項46】
前記外側真空チャンバ内に収容された試料ステージをさらに備え、前記開口部が、前記外側真空チャンバを通して前記試料ステージにアクセスを提供するように構成されている、請求項４５に記載の希釈冷凍機。
【請求項47】
前記外側真空チャンバ内に収容された１つ又は複数の輻射シールドをさらに備え、前記１つ又は複数の輻射シールドの前記試料ステージに近接する部分が、前記試料ステージへのアクセスを提供するために摺動可能及び／又は取外し可能である、請求項４５又は４６に記載の希釈冷凍機。
【請求項48】
前記少なくとも１つの実質的に平面の面が、前記希釈冷凍機を支持する床の平面に垂直な平面内に配置された第１面を含む、請求項４５～４７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項49】
前記少なくとも１つの実質的に平面の面が、前記希釈冷凍機を支持する床の平面に垂直な面内に配置された第１面と、
前記床の平面に平行な面内に配置された第２面であって、前記第１面及び前記第２面が直方体として配置されている、第２面と、
を含む、請求項４５～４８のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項50】
前記開口部が密閉開口部を含む、請求項４５～４９のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項51】
前記開口部がヒンジ式ドアを含む、請求項４５～５０のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項52】
前記外側真空チャンバ内に収容された１つ又は複数の輻射シールドをさらに備え、前記１つ又は複数の輻射シールドの前記ヒンジ式ドアに近接する部分が、前記外側真空チャンバの前記内部へのアクセスを提供するように摺動可能及び／又は取外し可能である、請求項５１に記載の希釈冷凍機。
【請求項53】
前記開口部がロードロックをさらに備える、請求項４５～５２のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項54】
前記外側真空チャンバが、第１セクションと、
前記第１セクションから吊り下げられた第２セクションと、
を含む、請求項４５～５３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項55】
前記第１セクションが、一体化クランプ及び／又はカムにより前記第２セクションに連結されている、請求項５４に記載の希釈冷凍機。
【請求項56】
前記外側真空チャンバの前記第１及び／又は第２セクションが、前記外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように、前記希釈冷凍機から少なくとも部分的に取り外されるように構成されている、請求項５４又は５５に記載の希釈冷凍機。
【請求項57】
前記外側真空チャンバの前記第１セクション及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成された外部システムをさらに備える、請求項５４～５６のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項58】
前記外部システムが、前記第１及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成された空気圧及び／又は液圧装置を含む、請求項５７に記載の希釈冷凍機。
【請求項59】
前記外部システムが、前記第１及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成されたねじ機構を含む、請求項５７又は５８に記載の希釈冷凍機。
【請求項60】
前記外側真空チャンバが、サーバラック型コンテナ内に収まるように構成されている、請求項４５～５９のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項61】
前記サーバラック型コンテナが、市販のサーバラックインフラストラクチャと一体化するように構成されている、請求項６０に記載の希釈冷凍機。
【請求項62】
前記サーバラック型コンテナが１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックである、請求項６０又は６１に記載の希釈冷凍機。
【請求項63】
前記サーバラック型コンテナが、一体化水平面を含む外部ハウジングを含む、請求項６０～６２のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項64】
前記一体化水平面が、使用されていないときに収納されるように構成されている、請求項６３に記載の希釈冷凍機。
【請求項65】
２つ以上の極低温装置に熱的に連結され、前記２つ以上の極低温装置に第１冷却ステージを提供するように構成された予冷システムを備える、分散型冷凍システム。
【請求項66】
前記予冷システムに熱的に連結された前記２つ以上の極低温装置をさらに備える、請求項６５に記載の分散型冷凍システム。
【請求項67】
前記２つ以上の極低温装置が少なくとも１つの希釈冷凍機を含む、請求項６５又は６６に記載の分散型冷凍システム。
【請求項68】
前記２つ以上の極低温装置が、希釈冷凍機、低温顕微鏡システム、３Ｈｅ冷凍システム及び／又は超伝導ＣＭＯＳシステムのうちの２つ以上を含む、請求項６５～６７のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項69】
前記第１冷却ステージが５Ｋ以下の温度を有する、請求項６５～６８のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項70】
前記予冷システムが極低温冷却システムを含む、請求項６５～６９のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項71】
前記極低温冷却システムがパルス管を含む、請求項７０に記載の分散型冷凍システム。
【請求項72】
前記極低温冷却システムがブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）クライオクーラを含む、請求項７０に記載の分散型冷凍システム。
【請求項73】
前記極低温冷却システムがヘリウム液化システムを含む、請求項７０に記載の分散型冷凍システム。
【請求項74】
前記２つ以上の極低温装置が、１Ｋ以下の温度に達するように構成された第２冷却ステージを有する希釈冷凍機を含む、請求項６５～７３のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項75】
前記第２冷却ステージが、１００ｍＫ以下の温度に達するように構成されている、請求項６５～７４のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項76】
１つ又は複数のサーバラックに組み込まれるように構成されている、請求項６５～７５のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項77】
前記予冷システムが、第１サーバラックに組み込まれており、前記２つ以上の極低温装置が、前記第１サーバラックとは異なる第２サーバラックに組み込まれている、請求項７６に記載の分散型冷凍システム。
【請求項78】
前記予冷システムが、第１サーバラックに組み込まれており、前記２つ以上の極低温装置が希釈冷凍機を含み、前記希釈冷凍機が、前記第１サーバラックとは異なる第２サーバラックに組み込まれている、請求項７６に記載の分散型冷凍システム。
【請求項79】
前記２つ以上の極低温装置から前記予冷システムに熱を伝達するように構成された熱的連結構成要素をさらに備える、請求項６５～７８のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項80】
前記熱的連結構成要素が１つ又は複数の充填ラインを含む、請求項７９に記載の分散型冷凍システム。
【請求項81】
前記熱的連結構成要素が１つ又は複数のヒートパイプを含む、請求項７９に記載の分散型冷凍システム。
【請求項82】
前記１つ又は複数のヒートパイプが、１つ又は複数の自励振動型ヒートパイプを含む、請求項８１に記載の分散型冷凍システム。
【請求項83】
前記熱的連結構成要素が超流動ループを含む、請求項７９に記載の分散型冷凍システム。
【請求項84】
前記熱的連結構成要素が１つ又は複数の真空断熱パイプを含む、請求項７９～８３のいずれか一項に記載の分散型冷凍システム。
【請求項85】
複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱ステージを備える希釈冷凍機であって、前記複数の熱ステージのうちの最も低温の熱ステージが、前記複数の熱ステージのうちのより温度の高い熱ステージの上方に配置されて、前記最も低温の熱ステージが前記希釈冷凍機を支持する床から最も遠くに位置決めされるようになっている、希釈冷凍機。
【請求項86】
前記最も低温の熱ステージの上方に配置されるとともに前記最も低温の熱ステージに熱的に連結された脱混合室と、前記脱混合室よりも前記床から遠くに配置された混合室と、
前記脱混合室から前記混合室に４Ｈｅを輸送するように構成されたファウンテンポンプと、
をさらに備える、請求項８５に記載の希釈冷凍機。
【請求項87】
前記脱混合室から前記混合室に輸送される際の４Ｈｅを冷却するように構成された熱交換器をさらに備える、請求項８６に記載の希釈冷凍機。
【請求項88】
３Ｈｅ－４Ｈｅ混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を提供するように構成された分溜器をさらに備え、前記分溜器が、前記分溜器の前記床から最も遠い面以外の前記分溜器の面を通って前記分溜器に入るパイプを備える圧送ポートを備える、請求項８５～８７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項89】
前記パイプが前記分溜器の前記床に最も近い面から前記分溜器に入る、請求項８８に記載の希釈冷凍機。
【請求項90】
前記パイプがトラップに連結されており、前記トラップが、Ｐトラップと、
前記Ｐトラップから超流動４Ｈｅを除去するように構成されたスーパーリークと、
を含む、請求項８８又は８９に記載の希釈冷凍機。
【請求項91】
前記パイプが、液体４Ｈｅフィルムが前記パイプの出口内にはい上がるのを防止するように構成されたバリアを備える、請求項８８～９０のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項92】
前記バリアが、前記パイプの前記出口に１つ又は複数のナイフエッジを含む、請求項９１に記載の希釈冷凍機。
【請求項93】
前記バリアが、前記パイプの外面にリングバリアを含む、請求項９１又は９２に記載の希釈冷凍機。
【請求項94】
前記バリアが、前記パイプの内面のリングバリアを含む、請求項９１～９３のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項95】
前記バリアがヒータを含む、請求項９１～９４のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項96】
３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成された第１インピーダンスステージと、前記第１インピーダンスステージを通過する前の前記３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成された熱交換ステージと、
前記第１インピーダンスステージから受け取った前記３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物から３Ｈｅを分溜するように構成された分溜器と、
をさらに備える、請求項８５～９５のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項97】
前記熱交換ステージが、前記混合室から前記分溜器に低温の３Ｈｅを戻すことにより、前記３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成されている、請求項９６に記載の希釈冷凍機。
【請求項98】
前記複数の熱ステージを収容する外側真空チャンバと、前記希釈冷凍機の前記最も低温の熱ステージへのアクセスを提供するように構成された、前記外側真空チャンバの表面を貫通する開口部と、
をさらに備える、請求項８５～９７のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項99】
前記開口部が、前記外側真空チャンバの上面に近接して配置されている、請求項９８に記載の希釈冷凍機。
【請求項100】
前記開口部が密閉開口部を含む、請求項９８又は９９に記載の希釈冷凍機。
【請求項101】
前記開口部がヒンジ式ドアを含む、請求項９８～１００のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項102】
前記外側真空チャンバが、サーバラック型コンテナ内に収まるように構成されている、請求項９８～１０１のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【請求項103】
前記サーバラック型コンテナが、市販のサーバラックインフラストラクチャと一体化するように構成されている、請求項１０２に記載の希釈冷凍機。
【請求項104】
前記サーバラック型コンテナが１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックである、請求項１０２又は１０３に記載の希釈冷凍機。
【請求項105】
前記複数の熱ステージのうちの１つの熱ステージを約４Ｋまで冷却するように構成されたパルス管をさらに備える、請求項８５～１０４のいずれか一項に記載の希釈冷凍機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
一体型希釈冷凍機に関する。
【背景技術】
【0002】
希釈冷凍機は、約２ｍＫ～１Ｋの温度までの冷却を提供するために３Ｈｅ及び４Ｈｅの同位体の混合の熱に依拠する極低温装置である。従来の希釈冷凍機、すなわち「湿式」希釈冷凍機は、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を４Ｋ未満にさらに冷却する前に、液体窒素槽及び４Ｈｅ槽を使用して、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を予冷する。最新の希釈冷凍機、すなわち「乾式」希釈冷凍機は、極低温液体槽ではなく、クライオクーラ等の装置を使用して、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を予冷する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
一体型希釈冷凍機を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
いくつかの実施形態は、希釈冷凍機であって、複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱化板を備え、複数の熱化板のうちの第１熱化板が一体型熱交換器を備え、一体型熱交換器が、第１熱化板に形成されたチャネルを含み、チャネルが、希釈冷凍機の運転中、ヘリウムが第１熱化板を通って流れるのを可能にするように構成されている、希釈冷凍機に関する。
【0005】
いくつかの実施形態では、一体型熱交換器は、付加製造により形成されている。
いくつかの実施形態では、第１熱化板は、着脱式部分をさらに備え、着脱式部分は一体型熱交換器を含む。
いくつかの実施形態では、第１熱化板は、着脱式部分をさらに備え、着脱式部分は一体型熱交換器を含む。
【0006】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、第１熱化板の着脱式部分に着脱可能に連結された交換可能な希釈インサートをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈インサートは、希釈冷凍機の凝縮ラインと、複数の熱化板のうちの３つの熱化板とに着脱可能に連結される。
いくつかの実施形態では、希釈インサートは、希釈冷凍機の凝縮ラインと、複数の熱化板のうちの３つの熱化板とに着脱可能に連結される。
【0007】
いくつかの実施形態では、希釈インサートは、３Ｈｅと４Ｈｅとの混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を行うように構成された分溜器を備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板に熱的に連結された試験容積と、最も低温の熱化板よりも温度の高い第２熱化板に連結された分溜器であって、３Ｈｅと４Ｈｅとの混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を行うように構成された分溜器と、第２熱化板と最も低温の熱化板との間に配置された連続型熱交換器とをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板に熱的に連結された試験容積と、最も低温の熱化板よりも温度の高い第２熱化板に連結された分溜器であって、３Ｈｅと４Ｈｅとの混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を行うように構成された分溜器と、第２熱化板と最も低温の熱化板との間に配置された連続型熱交換器とをさらに備える。
【0008】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの熱化板に熱的に連結された少なくとも１つの熱交換器をさらに備え、少なくとも１つの熱交換器はナノ材料を含む。
【0009】
いくつかの実施形態では、ナノ材料は、少なくとも１つ又はナノワイヤ、ナノフォーム、ナノペレット及び／又はナノチューブを含む。
いくつかの実施形態では、ナノ材料は、銅ナノワイヤ、銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、白金ナノワイヤ、ポリマーナノワイヤ、カーボンナノワイヤ及び／又は炭素繊維ナノワイヤのうちの１つ又は複数を含むナノワイヤを含む。
いくつかの実施形態では、ナノ材料は、銅ナノワイヤ、銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、白金ナノワイヤ、ポリマーナノワイヤ、カーボンナノワイヤ及び／又は炭素繊維ナノワイヤのうちの１つ又は複数を含むナノワイヤを含む。
【0010】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの熱交換器は、分離型（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）熱交換器、及び／又は希釈冷凍機の混合室内に配置された熱交換器のうちの１つを含む。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って最も低温の熱化板の前に配置された分溜器と、凝縮ラインに沿って分溜器と最も低温の熱化板との間に配置された熱交換器と、熱交換器から戻りヘリウム混合物を分溜器に移送し、分溜器の上方の位置で凝縮ライン内のヘリウム混合物の温度を低下させるように構成された熱交換ラインとをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って最も低温の熱化板の前に配置された分溜器と、凝縮ラインに沿って分溜器と最も低温の熱化板との間に配置された熱交換器と、熱交換器から戻りヘリウム混合物を分溜器に移送し、分溜器の上方の位置で凝縮ライン内のヘリウム混合物の温度を低下させるように構成された熱交換ラインとをさらに備える。
【0011】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、凝縮ラインに沿って分溜器の前に配置されたジュール－トムソン膨張機をさらに備え、熱交換ラインは、ジュール－トムソン膨張機よりも前の位置で凝縮ライン内のヘリウム混合物の温度を低下させるように構成されている。
【0012】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って配置された高表面積材料であって、希釈冷凍機のクールダウンサイクル中、輸送されたヘリウムを高表面積材料に吸着させるように構成された高表面積材料とをさらに備える。
【0013】
いくつかの実施形態では、高表面積材料の第１端部は、第１ヒートスイッチにより、複数の熱化板のうちの温度が高い方の熱化板に切替可能に熱的に連結されており、高表面積材料の第１端部とは反対側の第２端部は、第２ヒートスイッチにより、複数の熱化板のうちの温度が低い方の熱化板に切替可能に熱的に連結されている。
【0014】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、高表面積材料に熱的に連結された少なくとも１つのヒータをさらに備え、ヒータは、高表面積材料を加熱することにより、吸着したヘリウムが、高表面積材料から放出され、複数の熱化板のうちの温度が高い方の熱化板と複数の熱化板のうちの温度が低い方の熱化板との間で移動することにより冷却されるようにするように構成されている。
【0015】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、凝縮ラインに沿って温度が高い方の熱化板と高表面積材料との間に配置された第１弁と、凝縮ラインに沿って高表面積材料と温度が低い方の熱化板との間に配置された第２弁とをさらに備え、第１弁及び第２弁は、第１弁が閉じられ、第２弁が開かれると、高表面積材料に吸着したヘリウムを、温度が高い方の熱化板から温度が低い方の熱化板へ輸送させるように構成されている。
【0016】
いくつかの実施形態では、高表面積材料は、活性炭又は金属粉末のうちの一方を含む。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、ヘリウム入口から複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板までヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って配置された第１ヘリウムフィルタと、凝縮ラインに沿って第１ヘリウムフィルタと並列に配置された第２ヘリウムフィルタと、凝縮ラインに沿って第１ヘリウムフィルタと第２ヘリウムフィルタとの間でヘリウムの流れを切り替えるように構成された少なくとも１つの弁とをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、ヘリウム入口から複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板までヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って配置された第１ヘリウムフィルタと、凝縮ラインに沿って第１ヘリウムフィルタと並列に配置された第２ヘリウムフィルタと、凝縮ラインに沿って第１ヘリウムフィルタと第２ヘリウムフィルタとの間でヘリウムの流れを切り替えるように構成された少なくとも１つの弁とをさらに備える。
【0017】
いくつかの実施形態では、第１ヘリウムフィルタ及び／又は第２ヘリウムフィルタは、チャコールトラップを含む。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、第１ヘリウムフィルタとヘリウム入口との間に配置された第１向流熱交換器と、第２ヘリウムフィルタとヘリウム入口の間に配置された第２向流熱交換器とをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、第１ヘリウムフィルタとヘリウム入口との間に配置された第１向流熱交換器と、第２ヘリウムフィルタとヘリウム入口の間に配置された第２向流熱交換器とをさらに備える。
【0018】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱化板のうちの最も低温の熱化板にヘリウムを輸送するように構成された凝縮ラインと、凝縮ラインに沿って配置されたジュール－トムソン膨張機と、凝縮ラインに沿ってジュール－トムソン膨張機と並列に配置されたバイパスであって、輸送されたヘリウムが閾値を超え且つ３００Ｋ未満の温度を有する場合に、輸送されたヘリウムがジュール－トムソン膨張機をバイパスするのを可能にするように構成されたバイパスとをさらに備える。
【0019】
いくつかの実施形態では、バイパスは材料を含み、材料は、輸送されたヘリウムが閾値を超え且つ３００Ｋ未満の温度を有する場合に、輸送されたヘリウムが材料を通して拡散するのを可能にするように構成されている。いくつかの実施形態では、材料はポリマーを含む。
【0020】
いくつかの実施形態は、第１温度まで冷却されるように構成された第１熱ステージと、第１温度よりも低い第２温度まで冷却されるように構成された第２熱ステージと、第１熱ステージ及び第２熱ステージを収容する真空チャンバと、第１熱ステージを真空チャンバから吊り下げるように構成された第１懸架システムと、第２熱ステージを第１熱ステージから独立して真空チャンバから吊り下げるように構成された第２懸架システムとを備える希釈冷凍機に関する。
【0021】
いくつかの実施形態では、第１懸架システムは、第１熱ステージを真空チャンバに堅固に連結するように構成されたロッドを備える。
いくつかの実施形態では、ロッドは炭素繊維又はステンレス鋼を含む。
いくつかの実施形態では、ロッドは炭素繊維又はステンレス鋼を含む。
【0022】
いくつかの実施形態では、第２懸架システムは、第２熱ステージを真空チャンバに移動可能に連結するように構成された１つ又は複数のばねを備える。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のばねは、異なる荷重下で一定の張力を提供するように構成されたばねを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のばねは、異なる荷重下で一定の張力を提供するように構成されたばねを含む。
【0023】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のばねは、第１軸に沿って第２熱ステージの防振を提供するように構成された第１ばねと、第１軸に垂直な平面内で第２熱ステージの防振を提供するように構成された第２ばねとを含む。
【0024】
いくつかの実施形態では、第１ばねは板ばねを含む。
いくつかの実施形態では、板ばねは、ステンレス鋼及び／又はばね鋼を含む。
いくつかの実施形態では、板ばねは２枚のばね板を備え、板ばねの張力は、２枚のばね板の長さに基づいて決定される。
いくつかの実施形態では、板ばねは、ステンレス鋼及び／又はばね鋼を含む。
いくつかの実施形態では、板ばねは２枚のばね板を備え、板ばねの張力は、２枚のばね板の長さに基づいて決定される。
【0025】
いくつかの実施形態では、板ばねは２枚のばね板を備え、板ばねの張力は、２枚のばね板の予張力付与に基づいて決定される。
いくつかの実施形態では、第２ばねは軟性ロッドを含む。
いくつかの実施形態では、第２ばねは軟性ロッドを含む。
【0026】
いくつかの実施形態では、第１ばねは、軟性ロッドにより第２熱ステージに連結されている。
いくつかの実施形態では、軟性ロッドはポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーはデルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）を含む。
いくつかの実施形態では、軟性ロッドはポリマーを含む。いくつかの実施形態では、ポリマーはデルリン（Ｄｅｌｒｉｎ）を含む。
【0027】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、第１温度と第２温度との間の第３温度まで冷却されるように構成された第３熱ステージをさらに備え、第１懸架システムは、第３熱ステージを第１熱ステージから吊り下げるようにさらに構成されている。
【0028】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、第２温度よりも低い第４温度まで冷却されるように構成された第４熱ステージと、第４熱ステージを第２熱ステージから吊り下げるように構成された第３懸架システムとをさらに備える。
【0029】
いくつかの実施形態では、第３懸架システムは、第４熱ステージを第２熱ステージに堅固に連結するように構成されたロッドを含む。
いくつかの実施形態では、第２懸架システムは、第２熱ステージを真空チャンバに移動可能に連結するように構成された１つ又は複数のばねを含む。
いくつかの実施形態では、第２懸架システムは、第２熱ステージを真空チャンバに移動可能に連結するように構成された１つ又は複数のばねを含む。
【0030】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のばねは、第１軸に沿って第２熱ステージの防振を提供するように構成された第１ばねと、第１軸に垂直な平面内で第２熱ステージの防振を提供するように構成された第２ばねとを含む。
【0031】
いくつかの実施形態では、第１懸架システムは、第１熱ステージを真空チャンバに堅固に連結するように構成されたロッドを含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの実質的に平面の面を含む外側真空チャンバと、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように構成された、少なくとも１つの実質的に平面における開口部とを備える希釈冷凍機に関する。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの実質的に平面の面を含む外側真空チャンバと、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように構成された、少なくとも１つの実質的に平面における開口部とを備える希釈冷凍機に関する。
【0032】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、外側真空チャンバ内に収容された試料ステージをさらに備え、開口部は、外側真空チャンバを通して試料ステージにアクセスを提供するように構成されている。
【0033】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、外側真空チャンバ内に収容された１つ又は複数の輻射シールドをさらに備え、１つ又は複数の輻射シールドの試料ステージに近接する部分は、試料ステージへのアクセスを提供するために摺動可能及び／又は取外し可能である。
【0034】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの実質的に平面の面は、希釈冷凍機を支持する床の平面に垂直な平面内に配置された第１面を含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの実質的に平面の面は、希釈冷凍機を支持する床の平面に垂直な面内に配置された第１面と、床の平面に平行な面内に配置された第２面であって、第１面及び第２面が直方体として配置されている、第２面とを含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの実質的に平面の面は、希釈冷凍機を支持する床の平面に垂直な面内に配置された第１面と、床の平面に平行な面内に配置された第２面であって、第１面及び第２面が直方体として配置されている、第２面とを含む。
【0035】
いくつかの実施形態では、開口部は密閉開口部を含む。
いくつかの実施形態では、開口部はヒンジ式ドアを含む。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、外側真空チャンバ内に収容された１つ又は複数の輻射シールドをさらに備え、１つ又は複数の輻射シールドのヒンジ式ドアに近接する部分は、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように摺動可能及び／又は取外し可能である。
いくつかの実施形態では、開口部はヒンジ式ドアを含む。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、外側真空チャンバ内に収容された１つ又は複数の輻射シールドをさらに備え、１つ又は複数の輻射シールドのヒンジ式ドアに近接する部分は、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように摺動可能及び／又は取外し可能である。
【0036】
いくつかの実施形態では、開口部はロードロックをさらに備える。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバは、第１セクションと、第１セクションから吊り下げられた第２セクションとを含む。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバは、第１セクションと、第１セクションから吊り下げられた第２セクションとを含む。
【0037】
いくつかの実施形態では、第１セクションは、一体化クランプ及び／又はカムにより第２セクションに連結されている。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバの第１及び／又は第２セクションは、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように、希釈冷凍機から少なくとも部分的に取り外されるように構成されている。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバの第１及び／又は第２セクションは、外側真空チャンバの内部へのアクセスを提供するように、希釈冷凍機から少なくとも部分的に取り外されるように構成されている。
【0038】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、外側真空チャンバの第１セクション及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成された外部システムをさらに備える。
【0039】
いくつかの実施形態では、外部システムは、第１及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成された空気圧及び／又は液圧装置を含む。
いくつかの実施形態では、外部システムは、第１及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成されたねじ機構を含む。
いくつかの実施形態では、外部システムは、第１及び／又は第２セクションを上昇及び／又は下降させるように構成されたねじ機構を含む。
【0040】
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバは、サーバラック型コンテナ内に収まるように構成されている。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは、市販のサーバラックインフラストラクチャと一体化するように構成されている。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは、市販のサーバラックインフラストラクチャと一体化するように構成されている。
【0041】
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックである。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは、一体化水平面を含む外部ハウジングを含む。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは、一体化水平面を含む外部ハウジングを含む。
【0042】
いくつかの実施形態では、一体化水平面は、使用されていないときに収納されるように構成されている。
いくつかの実施形態は、２つ以上の極低温装置に熱的に連結され、２つ以上の極低温装置に第１冷却ステージを提供するように構成された予冷システムを備える、分散型冷凍システムに関する。
いくつかの実施形態は、２つ以上の極低温装置に熱的に連結され、２つ以上の極低温装置に第１冷却ステージを提供するように構成された予冷システムを備える、分散型冷凍システムに関する。
【0043】
いくつかの実施形態では、分散型冷凍システムは、予冷システムに熱的に連結された２つ以上の極低温装置をさらに備える。
いくつかの実施形態では、２つ以上の極低温装置は、少なくとも１つの希釈冷凍機を含む。
いくつかの実施形態では、２つ以上の極低温装置は、少なくとも１つの希釈冷凍機を含む。
【0044】
いくつかの実施形態では、２つ以上の極低温装置は、希釈冷凍機、低温顕微鏡システム、３Ｈｅ冷凍システム及び／又は超伝導ＣＭＯＳシステムのうちの２つ以上を含む。
いくつかの実施形態では、第１冷却ステージは５Ｋ以下の温度を有する。
いくつかの実施形態では、第１冷却ステージは５Ｋ以下の温度を有する。
【0045】
いくつかの実施形態では、予冷システムは極低温冷却システムを含む。
いくつかの実施形態では、極低温冷却システムはパルス管を含む。
いくつかの実施形態では、極低温冷却システムはブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）クライオクーラを含む。
いくつかの実施形態では、極低温冷却システムはパルス管を含む。
いくつかの実施形態では、極低温冷却システムはブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）クライオクーラを含む。
【0046】
いくつかの実施形態では、極低温冷却システムはヘリウム液化システムを含む。
いくつかの実施形態では、２つ以上の極低温装置は、１Ｋ以下の温度に達するように構成された第２冷却ステージを有する希釈冷凍機を含む。
いくつかの実施形態では、２つ以上の極低温装置は、１Ｋ以下の温度に達するように構成された第２冷却ステージを有する希釈冷凍機を含む。
【0047】
いくつかの実施形態では、第２冷却ステージは、１００ｍＫ以下の温度に達するように構成されている。
いくつかの実施形態では、分散型冷凍システムは、１つ又は複数のサーバラックに組み込まれるように構成されている。
いくつかの実施形態では、分散型冷凍システムは、１つ又は複数のサーバラックに組み込まれるように構成されている。
【0048】
いくつかの実施形態では、予冷システムは、第１サーバラックに組み込まれており、２つ以上の極低温装置は、第１サーバラックとは異なる第２サーバラックに組み込まれている。
【0049】
いくつかの実施形態では、予冷システムは、第１サーバラックに組み込まれており、２つ以上の極低温装置は希釈冷凍機を含み、希釈冷凍機は、第１サーバラックとは異なる第２サーバラックに組み込まれている。
【0050】
いくつかの実施形態では、分散型冷凍システムは、２つ以上の極低温装置から予冷システムに熱を伝達するように構成された熱的連結構成要素をさらに備える。
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は１つ又は複数の充填ラインを含む。
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は１つ又は複数の充填ラインを含む。
【0051】
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は１つ又は複数のヒートパイプを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のヒートパイプは、１つ又は複数の自励振動型（ｐｕｌｓｅｄ）ヒートパイプを含む。
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のヒートパイプは、１つ又は複数の自励振動型（ｐｕｌｓｅｄ）ヒートパイプを含む。
【0052】
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は超流動ループを含む。
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は１つ又は複数の真空断熱パイプを含む。
いくつかの実施形態は、複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱ステージを備える希釈冷凍機であって、複数の熱ステージのうちの最も低温の熱ステージが、複数の熱ステージのうちのより温度の高い熱ステージの上方に配置されて、最も低温の熱ステージが希釈冷凍機を支持する床から最も遠くに位置決めされるようになっている、希釈冷凍機に関する。
いくつかの実施形態では、熱的連結構成要素は１つ又は複数の真空断熱パイプを含む。
いくつかの実施形態は、複数の温度まで冷却されるように構成された複数の熱ステージを備える希釈冷凍機であって、複数の熱ステージのうちの最も低温の熱ステージが、複数の熱ステージのうちのより温度の高い熱ステージの上方に配置されて、最も低温の熱ステージが希釈冷凍機を支持する床から最も遠くに位置決めされるようになっている、希釈冷凍機に関する。
【0053】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、最も低温の熱ステージの上方に配置されるとともに最も低温の熱ステージに熱的に連結された脱混合室と、脱混合室よりも床から遠くに配置された混合室と、脱混合室から混合室に４Ｈｅを輸送するように構成されたファウンテンポンプとをさらに備える。
【0054】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、脱混合室から混合室に輸送される際の４Ｈｅを冷却するように構成された熱交換器をさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、３Ｈｅ－４Ｈｅ混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を提供するように構成された分溜器をさらに備え、分溜器は、分溜器の床から最も遠い面以外の分溜器の面を通って分溜器に入るパイプを備える圧送ポートを備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、３Ｈｅ－４Ｈｅ混合物から３Ｈｅ蒸気を分溜することにより冷却を提供するように構成された分溜器をさらに備え、分溜器は、分溜器の床から最も遠い面以外の分溜器の面を通って分溜器に入るパイプを備える圧送ポートを備える。
【0055】
いくつかの実施形態では、パイプは、分溜器の床に最も近い面から分溜器に入る。
いくつかの実施形態では、パイプはトラップに連結されており、トラップは、Ｐトラップと、Ｐトラップから超流動４Ｈｅを除去するように構成されたスーパーリークとを含む。
いくつかの実施形態では、パイプはトラップに連結されており、トラップは、Ｐトラップと、Ｐトラップから超流動４Ｈｅを除去するように構成されたスーパーリークとを含む。
【0056】
いくつかの実施形態では、パイプは、液体４Ｈｅフィルムがパイプの出口内にはい上がるのを防止するように構成されたバリアを備える。
いくつかの実施形態では、バリアは、パイプの出口に１つ又は複数のナイフエッジを含む。
いくつかの実施形態では、バリアは、パイプの出口に１つ又は複数のナイフエッジを含む。
【0057】
いくつかの実施形態では、バリアは、パイプの外面にリングバリアを含む。
いくつかの実施形態では、バリアは、パイプの内面のリングバリアを含む。
いくつかの実施形態では、バリアはヒータを含む。
いくつかの実施形態では、バリアは、パイプの内面のリングバリアを含む。
いくつかの実施形態では、バリアはヒータを含む。
【0058】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成された第１インピーダンスステージと、第１インピーダンスステージを通過する前の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成された熱交換ステージと、第１インピーダンスステージから受け取った３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物から３Ｈｅを分溜するように構成された分溜器とをさらに備える。
【0059】
いくつかの実施形態では、熱交換ステージは、混合室から分溜器に低温の３Ｈｅを戻すことにより、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成されている。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱ステージを収容する外側真空チャンバと、希釈冷凍機の最も低温の熱ステージへのアクセスを提供するように構成された、外側真空チャンバの表面を貫通する開口部とをさらに備える。
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱ステージを収容する外側真空チャンバと、希釈冷凍機の最も低温の熱ステージへのアクセスを提供するように構成された、外側真空チャンバの表面を貫通する開口部とをさらに備える。
【0060】
いくつかの実施形態では、開口部は、外側真空チャンバの上面に近接して配置されている。
いくつかの実施形態では、開口部は密閉開口部を含む。
いくつかの実施形態では、開口部は密閉開口部を含む。
【0061】
いくつかの実施形態では、開口部はヒンジ式ドアを含む。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバは、サーバラック型コンテナ内に収まるように構成されている。
いくつかの実施形態では、外側真空チャンバは、サーバラック型コンテナ内に収まるように構成されている。
【0062】
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは、市販のサーバラックインフラストラクチャと一体化するように構成されている。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックである。
いくつかの実施形態では、サーバラック型コンテナは１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックである。
【0063】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機は、複数の熱ステージのうちの１つの熱ステージを約４Ｋまで冷却するように構成されたパルス管をさらに備える。
添付図面は縮尺通りに描かれるように意図されていない。図面において、さまざまな図に示されている同一又はほぼ同一の各構成要素は、同様の数字で表されている。明瞭にするため、すべての図面においてすべての構成要素に符号が付されているわけではない。
添付図面は縮尺通りに描かれるように意図されていない。図面において、さまざまな図に示されている同一又はほぼ同一の各構成要素は、同様の数字で表されている。明瞭にするため、すべての図面においてすべての構成要素に符号が付されているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【0064】
【図1】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、クローズドサイクル希釈冷凍機の概略図である。
【図4】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、第２音波効果を用いて３Ｈｅと４Ｈｅとを分離する装置を含む分溜器の概略図である。
【図5C】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、ヘリウム流のためのチャネルを示す例示的な一体型熱交換器の断面図である。
【図5D】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、一体型熱交換器で使用される高表面積材料の画像である。
【図6A】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図6B】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図6C】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図6D】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図6E】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図6F】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な４Ｈｅフィルム分離装置の概略図である。
【図7A】熱交換器で使用される焼結金属粒子の画像である。
【図7B】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、熱交換器で使用されるナノワイヤの画像である。
【図7C】本明細書に記載のいくつかの実施形態による、熱交換器で使用されるナノクラスタの画像である。
【図7D】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、熱交換器で使用される異なるナノペレットの画像を含む。
【図9】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、真空チャンバの一部を上昇及び下降させるように構成された例示的な外部支持ラック及び一体化リフトの側面図である。
【図10B】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、真空チャンバの工具不要の組立てを提供するように構成された、それぞれ開位置及び閉位置にある一体化ラッチの図である。
【図10C】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、真空チャンバの工具不要の組立てを提供するように構成された、それぞれ開位置及び閉位置にある一体化ラッチの図である。
【図11】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、希釈冷凍機を支持するように構成されたハウジングの外観図である。
【図12A】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、反転型希釈冷凍機の概略図である。
【図12B】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、反転型希釈冷凍機の例示的な構成要素の概略図である。
【図12C】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、反転型希釈冷凍機の例示的な構成要素の概略図である。
【図13】本明細書に記載するいくつかの実施形態による、分散型冷却システムの概略図である。
【図14】本明細書に記載する技術の態様を実装することができる、例示的なコンピューティングデバイスを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【0065】
希釈冷凍機は、約２ｍＫ～１Ｋの温度までの冷却を可能にすることができる極低温装置であり、こうした極めて低い温度を必要とする種々の用途に使用されている。例えば、希釈冷凍機は、他の用途もあるがとりわけ、量子コンピューティング（例えば、超伝導量子コンピューティング技術及び量子ビット）及び低温物性物理学研究をサポートするために使用することができる。
【0066】
上述したように、希釈冷凍機は、冷却を提供するために３Ｈｅ及び４Ｈｅの同位体の混合の熱に依拠する。約８７０ｍＫ未満に冷却されると、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は自発的な相分離を起こして、３Ｈｅに富む相（「濃厚」相）と３Ｈｅに乏しい相（「希薄」相）とを形成する。これらの２つの相は、希釈冷凍機の最も低温の部分である混合室内で平衡に維持され、相境界によって分離される。混合室では、３Ｈｅは、濃厚相から相境界を通って希薄相に移動する際に希釈され、この吸熱希釈プロセスに必要な熱が、希釈冷凍機の冷却力を提供する。
【0067】
しかしながら、従来の希釈冷凍機には、多くの欠点及び不具合な点がある可能性がある。例えば、湿式希釈冷凍機は、著しい量の液体寒剤を必要とし、その維持と供給にはコストがかかる。別の例として、乾式希釈冷凍機は、クライオクーラシステムによってもたらされる望ましくない機械的振動を受ける可能性があり、且つ／又はクライオクーラに電力を供給するために大量のエネルギーを消費する可能性がある。
【0068】
従来の希釈冷凍機はまた、通常、大きい設置面積を占め、これは、複数の希釈冷凍機を必要とする用途での使用を不可能にする場合がある。例えば、従来の乾式希釈冷凍機１台には、通常、約２７．８７平方メートル（約３００平方フィート）と約３．６６メートル（約１２フィート）～約４．２７メートル（約１４フィート）の天井高とが必要である。このスペースは、希釈冷凍機本体によって占有されるだけでなく、ポンプ、圧縮機、水冷システム及び／又はクライオクーラシステム等の補助システムをサポートするためにも必要とされる。
【0069】
本発明者らは、量子コンピューティング及び他の量子技術が容易にスケーラブルであるためには、量子技術産業において、信頼性が高く、使いやすく、メンテナンスが容易であり、コンパクトな希釈冷凍機が必要とされていることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、市販のサーバラックインフラストラクチャ（例えば、１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラック）と一体化することができる、希釈冷凍機及び分散型冷却システムを開発した。さらに、本発明者らは、希釈冷凍機のメンテナンスを容易にし、機械的ポンプを使用せずに希釈冷凍機の冷却を高速化し、希釈冷凍機の試験容積への機械的振動の伝達を低減させるように、本明細書に記載する多くの特徴を開発した。
【0070】
Ｉ．改良型クローズドサイクル希釈冷凍機
図１は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、乾式クローズドサイクル希釈冷凍機１００の概略図である。いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、室温（例えば、約３００Ｋ）の外側真空チャンバ１０６と、減少する温度間隔（例えば、約５０Ｋ、９～１０Ｋ、３Ｋ等）で保持される複数の熱ステージ１０８ａ～１０８ｆ（例えば、熱化板）とを含む。例えば、第１熱ステージ１０８ａは約５０Ｋであってもよく、第２熱ステージ１０８ｂは約９～１０Ｋであってもよく、第３熱ステージ１０８ｃは約３～４Ｋであってもよく、第４熱ステージ１０８ｄは約８００ｍＫであってもよく、第５熱ステージ１０８ｅは約１００ｍＫであってもよく、第６熱ステージ１０８ｆは約１０ｍＫであってもよい。
図１は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、乾式クローズドサイクル希釈冷凍機１００の概略図である。いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、室温（例えば、約３００Ｋ）の外側真空チャンバ１０６と、減少する温度間隔（例えば、約５０Ｋ、９～１０Ｋ、３Ｋ等）で保持される複数の熱ステージ１０８ａ～１０８ｆ（例えば、熱化板）とを含む。例えば、第１熱ステージ１０８ａは約５０Ｋであってもよく、第２熱ステージ１０８ｂは約９～１０Ｋであってもよく、第３熱ステージ１０８ｃは約３～４Ｋであってもよく、第４熱ステージ１０８ｄは約８００ｍＫであってもよく、第５熱ステージ１０８ｅは約１００ｍＫであってもよく、第６熱ステージ１０８ｆは約１０ｍＫであってもよい。
【0071】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、３Ｈｅ／４Ｈｅガス混合物を（例えば、１００ｋＰａ（１バール）又は１００ｋＰａ（１バール）に近い圧力まで加圧する）加圧するポンプシステム１０２を含むことができる。３Ｈｅ／４Ｈｅガス混合物は、１つ又は複数の入口から外側真空チャンバ１０６に入ることができ、その後、凝縮ライン１０２ａを通って内側熱ステージ１０８ａ～１０８ｆを通過することができる。３Ｈｅ／４Ｈｅ混合ガスは、その冷却機能を果たした後、戻りライン１０２ｂを通ってポンプシステムに戻ることができる。
【0072】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、凝縮ライン１０２ａに沿って熱ステージ１０８ａ～１０８ｆを通過する前に精製することができる。希釈冷凍機を流れるヘリウム中の汚染物質は、いくつかの構成要素（例えば、ジュール－トムソン膨張機、又は熱交換器の毛細管）を詰まらせ、性能の低下又はシステムの故障をもたらす可能性がある。従来、汚染物質がシステムに混入するリスクを軽減するために、ヘリウムは希釈冷凍機の希釈ユニットに入る前に、まず活性炭が充填された外部「洗浄トラップ」に通される。これらの外部トラップは、液体窒素で取り囲み、頻繁な間隔で再充填しなければならず、これには、ユーザによるメンテナンス及び相互作用が必要である。
【0073】
本発明者らは、液体窒素の再充填を必要としない受動的ヘリウムフィルタが、希釈冷凍システムのユーザエクスペリエンスを向上させ、メンテナンスの頻度を低減させることができることを認識及び理解した。したがって、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、１つ又は複数のヘリウム洗浄装置１１０を含む。いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、２つ以上のヘリウム洗浄装置１１０を含む場合、ヘリウムの流れを単一のヘリウム洗浄装置１１０に向けるように構成された切替システム１０９をさらに含むことができる。
【0074】
図２は、本明細書に記載するいくつかの実施形態によるヘリウム洗浄装置１１０の概略図を示す。ヘリウム洗浄装置１１０は、外側真空チャンバ１０６の外側に配置されている切替システム１０９によってポンプシステム１０２に連結することができる。切替システム１０９は、１つ又は複数のヘリウム適合弁を含むことができる。切替システム１０９は、ヘリウム洗浄装置１１０の各々の間でヘリウムの流れを切り替えるように構成することができる。このように、希釈冷凍機が運転中である間、一方のヘリウム洗浄装置１１０を、積極的にヘリウムを濾過するために使用することができ、一方で、他方のヘリウム洗浄装置を（例えば、加熱し、不純物を汲み出すことにより）洗浄することができ、希釈冷凍機１００の無期限の運転が可能になる。
【0075】
いくつかの実施形態では、ヘリウム洗浄装置１１０は、向流熱交換器１１０ａと、トラップ１１０ｂと、弱熱接触部１１０ｃ（例えば、ガスギャップ熱交換器、低熱伝導性アタッチメント等）とを含む。向流熱交換器１１０ａ及び弱熱接触部１１０ｃは、希釈冷凍機１００に対するヘリウム洗浄装置１１０の熱負荷を低減させることができ、ヘリウム洗浄装置１１０における極低温弁の使用をなくすことができる。トラップ１１０ｂは、例えば、希釈冷凍機１００内の非ヘリウム不純物を捕捉するように構成された高表面積材料（例えば、木炭、活性炭及び／又は金属粉末）を含むことができる。
【0076】
図１に戻ると、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、クールダウンターボチャージャ装置１１１を含むことができる。乾式希釈冷凍機は、従来、補助圧縮機を使用して温かいヘリウムの流れを可能にするが、ヘリウムは、最初に高いインピーダンスを有し、そうした動きに抵抗する。補助圧縮機からの余分な圧力もまたヘリウムを加圧し、これにより、ヘリウムは、より高い温度で等エンタルピー膨張及び冷却を開始する圧力に達する。こうした補助的な機械式圧縮機ポンプは、コストが高く、信頼性に問題が生じやすく、頻繁に漏れが発生し、経時的に性能が低下する可能性がある。本発明者らは、別法として補助的な機械式ポンプを使用することなく、クールダウン中に希釈冷凍機を通してヘリウムを脈動させることができ、それにより、より迅速でより効率的なクールダウンプロセスが可能になることを認識及び理解した。
【0077】
図３は、本明細書に記載するいくつかの実施形態によるクールダウンターボチャージャ装置１１１の概略図を示す。クールダウンターボチャージャ装置１１１は、ある体積の高表面積材料１１１ａと、ヒータ１１１ｂと、第１弁１１１ｃと、第２弁１１１ｄとを含むことができる。第１弁１１１ｃ及び第２弁１１１ｄは、例えば、真空チャンバ１０６の内部に位置するコールドバルブであってもよい。別の例として、第１弁１１１ｃ及び第２弁１１１ｄは、真空チャンバ１０６の外部に位置する室温バルブであってもよい。いくつかの実施形態では、ヒータ１１１ｂ並びに第１弁１１１ｃ及び第２弁１１１ｄは、コントローラ３３０に通信可能に連結することができる。コントローラ３３０は、例えば、本明細書の図１４に関連して記載するようなコンピュータであり得る。
【0078】
いくつかの実施形態では、クールダウンターボチャージャ装置１１１は、熱ステージに（例えば、熱化板に）熱的に連結することができる。図３の例では、高表面積材料１１１ａは、第２熱ステージ１０８ｂに熱的に連結されているが、高表面積材料１１１ａは、いくつかの実施形態では別の熱ステージ（例えば、第１熱ステージ１０８ａ）に熱的に連結することができることが認識されるべきである。
【0079】
別法として、いくつかの実施形態では、クールダウンターボチャージャ装置１１１は、複数の熱ステージに（例えば、２つ以上の熱ステージ１０８ａ～１０８ｆにわたって）熱的に連結してもよい。こうした実施形態では、高表面積材料１１１ａの逐次的な加熱及び冷却は、ヒートスイッチによって調節することができる。例えば、クールダウンターボチャージャ装置１１１は、温度が高い方の熱ステージと温度が低い方の熱ステージとの間で切替可能に熱的に連結して、クールダウンターボチャージャ装置１１１が、温度が高い方の熱ステージ又は温度が低い方の熱ステージのいずれかに熱的に連結することができるようにすることができる。クールダウンターボチャージャ装置１１１が、温度が高い方の熱ステージに熱的に連結されると、高表面積材料１１１ａは、いかなる吸着されたヘリウムも放出することができる。クールダウンターボチャージャ装置１１１が、温度が低い方の熱ステージに熱的に連結されると、ヘリウムは高表面積材料１１１ａに吸着し始める。このように、凝縮ライン１０２ａを通るヘリウムの逐次的なフラッシングを実施することができる。
【0080】
いくつかの実施形態では、高表面積材料１１１ａは、クールダウンプロセス中にヘリウムが高表面積材料１１１ａに吸着するような、多孔質且つ／又はテクスチャ加工された表面を有する材料を含むことができる。例えば、高表面積材料１１１ａは、活性炭、金属粉末（例えば、銅又は銀粉末）、及び／又はナノ構造（例えば、ナノワイヤ、ナノ粒子等）で形成された複合材料を含むことができる。
【0081】
いくつかの実施形態では、クールダウンターボチャージャ装置１１１は、ヒータ１１１ｂの動作と協働する弁１１１ｃ、１１１ｄの逐次的な開閉を使用して動作させることができる。例えば、ヘリウムを高表面積材料１１１ａに吸着させるために、第１弁１１１ｃを閉じて、ヘリウムが希釈冷凍機１００の下方のステージに流れるのを防止することができ、第２弁１１１ｄを開いて、ヘリウムが高表面積材料１１１ａに到達するようにすることができる。測定された圧力又は温度に応答して、又はコントローラ３３０によって生成されたタイミング信号に応答して、コントローラ３３０により、第１弁１１１ｃを閉じることができ、第２弁１１１ｄを開けることができる。
【0082】
いくつかの実施形態では、十分なヘリウムが高表面積材料１１１ａに吸着した後、第２弁１１１ｄを閉じることができ、第１弁１１１ｃが開けることができる。測定された温度又は圧力に応答して、及び／又はコントローラ３３０によって生成されたタイミング信号に応答して、第１弁１１１ｃ及び第２弁１１１ｄを開閉することができる。
【0083】
いくつかの実施形態では、第２弁１１１ｄが閉じられ、第１弁１１１ｃが開かれると、ヒータ１１１ｂもまた、コントローラ３３０によって生成された信号に応答して、同じか又は同様の時点で、高表面積材料１１１ａを加熱するようにすることができる。例えば、ヒータ１１１ｂは、ヒータ１１１ｂを通る電流の流れによって高表面積材料１１１ａを加熱するようにされる抵抗ヒータであり得る。ヒータ１１１ｂからの熱に応答して、高表面積材料１１１ａに吸着したヘリウムは、次いで高表面積材料１１１ａから放出される、予備軍として作用することができる。この吸着したヘリウムの放出により、凝縮ライン１０２ａの残りの部分における圧力を上昇させることができ、圧力の上昇により、希釈冷凍機１００の冷却を速めるための等エンタルピー膨張の開始を可能にすることができる。
【0084】
いくつかの実施形態では、ヘリウムが高表面積材料１１１ａから放出されると、コントローラ３３０によって、第１弁１１１ｃを閉じることができ、第２弁１１１ｄを開けることができ、ヒータ１１１ｂをオフにすることができ、これにより、新たなヘリウムが高表面積材料１１１ａに吸着することができる。コントローラ３３０は、弁１１１ｃ、１１１ｄを定期的に（例えば、一定の時間間隔で、不規則な時間間隔で、試験容積の温度によって決まる時間間隔で、試験容積の圧力によって決まる時間間隔で）開閉し、ヒータ１１１ｂを動作させてヘリウム取入経路をフラッシングするように構成することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ３３０は、高表面積材料１１１ａから凝縮ライン１０２ａを通してヘリウムを「脈動させ」て、希釈冷凍機が冷却されるように構成することができる。
【0085】
図１に戻ると、希釈冷凍機の運転中、第１熱ステージ１０８ａから混合室１２２まで凝縮ライン１０２ａに沿って移動する３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を、徐々に冷却することができる。第１熱ステージにおいて、最初に、ヘリウムを約５０Ｋまで冷却することができる。３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、クールダウンターボチャージャ装置を出た後、次にクライオクーラ１０４によって冷却することができる。クライオクーラ１０４の一部は、いくつかの実施形態では、外側真空チャンバ１０６の外側に部分的に配置することができる。パッド及び／又は他の任意の好適な防振技法を含むことができる防振ステージ１０５によって、外側真空チャンバ１０６からクライオクーラ１０４に振動が伝わらないようにすることができる。
【0086】
いくつかの実施形態では、クライオクーラ１０４は、クライオクーラ支持体１０３に結合することができる。クライオクーラ支持体１０３は、いくつかの実施形態では、例えば、圧縮機及び／又は圧縮システムであり得る。クライオクーラ支持体１０３は、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００に空冷を提供するように構成された冷却部材１０３ａを含むことができる。冷却部材１０３ａは、非限定的な例として、クライオクーラ支持体１０３及び／又はクライオクーラ１０４によって発生する廃熱を除去するように構成された、冷却フィン、ファン及び／又はヒートパイプであり得る。
【0087】
冷却部材１０３ａは、従来のクローズドサイクル希釈冷凍機とは対照的であり、従来のクローズドサイクル希釈冷凍機は、通常、一体化されたクライオクーラによって発生する廃熱を除去するために水冷に依拠する。しかしながら、クライオクーラの水冷には、希釈冷凍機と併せて、大型且つ／又は高価な水冷システムを設置する必要がある。さらに、こうした水冷システムは、通常、より安価であり電子機器に危険（例えば、冷却剤の漏れ、浸水等）をもたらさないため通常空冷に依拠する商用コンピューティング施設とは、一体化されることはない。したがって、本発明者らは、希釈冷凍機のクライオクーラから熱を除去するために空冷を使用することにより、希釈冷凍機を製造するコストを削減し、それらが商用コンピューティング施設での使用されるのを可能にすることができることを認識した。
【0088】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、希釈冷凍機を支持する床の下に配置されたプレナム（図示せず）の上方に配置することができる。プレナムは、空冷を提供するために冷却部材１０３ａに空気流を供給することができる。いくつかの実施形態では、冷却部材１０３ａは、プレナムから空気を引き込むように構成された入口及び／又はルーバを含むことができる。別法として又はさらに、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、冷却部材１０３ａ、クライオクーラ支持体１０３及び／又はクライオクーラ１０４から熱を除去し、希釈冷凍機１００に起こる振動を最小限にするように配置された、配管及び／又はヒートパイプ（図示せず）を含む施設内に配置することができる。
【0089】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、クライオクーラ１０４によって２つのステップで冷却することができる。凝縮ライン１０２ａは、凝縮ライン１０２ａ内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物とクライオクーラ１０４との間で熱交換を行うために、クライオクーラ１０４の２つの部分の周囲に巻き付けることができる。第１ステップでは、クライオクーラ１０４により、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を約１０Ｋまで冷却することができる。第２ステップでは、クライオクーラ１０４により、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を約３～４Ｋまで冷却することができる。
【0090】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、クライオクーラ１０４によって冷却された後、第３熱ステージ１０８ｃを通過することができる。第３熱ステージ１０８ｃは、いくつかの実施形態では、後の熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆに防振を提供するために、クライオクーラ１０４に熱的に連結するが機械的に切り離すことができる。非限定的な例として、いくつかの実施形態では、第３熱ステージ１０８ｃは、第３熱ステージ１０８ｃとクライオクーラ１０４との間の熱的連結を維持するように構成された銅編組、ヒートストラップ又は他の吊下げ構成要素により、クライオクーラから機械的に切り離してもよい。
【0091】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、第３熱ステージ１０８ｃを通過した後、一次インピーダンスステージ１１２に入ることができる。一次インピーダンスステージ１１２は、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の温度及び／又は圧力を低下させるように構成されたジュール－トムソン膨張機であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、一次インピーダンスステージ１１２に入る前に約３～５Ｋである場合があり、一次インピーダンスステージ１１２を出た後に約１Ｋである場合がある。
【0092】
いくつかの実施形態では、一次インピーダンスステージ１１２は、光ファイバケーブルから形成されたジュール－トムソン膨張機であり得る。従来、ジュール－トムソン膨張機は、引っ張ることにより製造される金属管として形成される場合がある。しかしながら、こうした金属製のジュール－トムソン膨張機は、不規則性の問題がある場合があり、且つ／又は、装置の冷却力を低下させる大きい直径を有する場合がある。中空コア光ファイバケーブルにより、ジュール－トムソン膨張機に必要な狭い開口部を確実に且つ再現可能に提供することができる。
【0093】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、希釈冷凍機１００のクールダウンの速度を上昇させるように構成されたバイパス装置１１３ａを含むことができる。例えば、希釈冷凍機の初期クールダウン中、希釈冷凍機内のジュール－トムソン膨張機のインピーダンスが大きいことと、温かく、密度の低い、粘性のある循環ヘリウムとにより、ヘリウム流量が低い可能性がある。このヘリウム流量の低下により、冷凍機の下方部分の冷却速度が低下する。この影響に対処するため、従来は、ジュール－トムソン膨張機の上方の凝縮ライン上のある位置にニードル弁を組み込んで、最初に温かいヘリウムガスのインピーダンスを、低下させる場合がある。しかしながら、ニードル弁は、経時的に故障する可能性がある機械部品を含む。本発明者らは、ニードル弁等の機械部品に頼ることなくヘリウム流量を改善することができることを理解及び認識した。
【0094】
いくつかの実施形態では、バイパス装置１１３ａは、一次インピーダンスステージ１１２と並列に凝縮ライン１０２ａに沿って、一次インピーダンスステージ１１２をバイパスする（例えば、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物が一次インピーダンスステージ１１２の周りを流れるのを可能にする）バイパスライン１１３ｂ上に配置することができる。バイパス装置１１３ａは、閾値温度値を超える温度でヘリウムが材料を通って拡散するのを可能にするように構成された、真空対応材料のシートを含むことができる。例えば、バイパス装置１１３ａは、約４０Ｋ～３００Ｋの範囲内、５０Ｋ～３００Ｋの範囲内、８０Ｋ～３００Ｋの範囲内、１００Ｋ～３００Ｋの範囲内、１５０Ｋからの範囲内、又はこれらの範囲内の任意の範囲内の温度で、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物がバイパス装置１１３ａを通って拡散するのを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、バイパス装置１１３ａは、真空対応ポリマー材料のシートを含むことができる。例えば、バイパス装置１１３ａは、いくつかの非限定的な例として、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）、ＰＥＥＫ及び／又はマイラー（ｍｙｌａｒ）のシートで形成してもよい。したがって、バイパス装置１１３ａは、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物が温かいときに、一次インピーダンスステージ１１２の高インピーダンスを回避するのを可能にし、それにより、ヘリウム流量及び希釈冷凍機１００の冷却速度を上昇させる。希釈冷凍機１００が十分に（例えば、閾値温度値未満まで）冷却されると、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、バイパス装置１１３ａを通って拡散しなくなり、代わりに一次インピーダンスステージ１１２を通って流れるようになる。
【0095】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、一次インピーダンスステージ１１２又はバイパス装置１１３ａを出た後、第４熱ステージ１０８ｄを通過して分溜器１１４に入る。分溜器１１４は、流入する３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物が分溜器１１４を通る凝縮ライン１０２ａを通過する際に冷却する、液体３Ｈｅ／４Ｈｅの異なる混合物を収容することができる。いくつかの実施形態では、凝縮ライン内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、分溜器１１４によって約４００～９００ｍＫまで冷却することができる。
【0096】
いくつかの実施形態では、分溜器１１４は、分溜器内の３Ｈｅ蒸発を促進するために第２音波を使用するように構成された膜を含むことができる。第２音波は、超流動ヘリウムに存在する超流動現象であり、例えば、多孔質膜が振動するか、又は加熱されたワイヤが超流動ヘリウムの浴内で循環する場合に、生成される可能性がある。２流体モデルは、混合物中の超流動ヘリウムが膜を通って移動する一方で、ヘリウム浴の非超流動成分は多孔質膜をそれほど容易に通過することができないことを規定している。超流動ヘリウムでは、これによりエンタルピー又は温度の波が引き起こされる。ヘリウム混合物においても同様に、非超流動３Ｈｅは振動膜によって優先的に押すことができるが、超流動４Ｈｅは比較的静止したままである。本発明者らは、この第２音波現象を分溜器１１４内で実装して、より低い温度で３Ｈｅの蒸発速度を上昇させ、分溜器内の液体ヘリウム混合物の上方の蒸気中の４Ｈｅの濃度を低下させることができることを認識及び理解した。
【0097】
図４は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、第２音波効果を使用して３Ｈｅと４Ｈｅとを分離する装置を含む分溜器４００の概略図である。分溜器４００は、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００の分溜器１１４として実装することができる。分溜器４００は、固定面４０２と、多孔質の可動膜４０４とを含むことができる。多孔質膜４０４をＺ方向に沿って振動させて、分溜器内に３Ｈｅの定在濃度波を引き起こして、３Ｈｅ濃度の低い領域４０６と３Ｈｅ濃度の高い領域４０８とがあるようにすることができる。定在波は、３Ｈｅ濃度の高い領域４０８が分溜器の出口に隣接して配置されるように調整することができ、それによって３Ｈｅの精製を改善することができる。
【0098】
図１に戻ると、いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、分溜器１１４を出た後、凝縮ライン１０２ａを通って二次インピーダンスステージ１１６に流れることができる。二次インピーダンスステージ１１６は、液体３Ｈｅ／４Ｈｅのみが希釈冷凍機１００のさらに下流に進むことと、（例えば、分溜器１１４内の閾値圧力を維持することにより）分溜器１１４内のガスキャビテーションが生じないこととを確実にするように構成することができる。したがって、二次インピーダンスステージ１１６は、気体３Ｈｅ／４Ｈｅの潜熱による下流の冷却負荷を低減させることができる。
【0099】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、二次インピーダンスステージ１１６を出た後、第１熱交換器１１８に流れ込むことができる。第１熱交換器１１８は、連続型熱交換器であってもよい。例えば、第１熱交換器１１８は、向流熱交換器（例えば、チューブインチューブ（ｔｕｂｅ－ｔｕｂｅ）熱交換器）、クロス向流熱交換器、及び／又は並流熱交換器であり得る。第１熱交換器１１８の出口において、凝縮ライン１０２ａ内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、約２０ｍＫの温度まで冷却することができる。
【0100】
従来のクローズドサイクル希釈冷凍機では、凝縮ライン内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、分溜器に入る前に、通常、第１インピーダンスステージを通過しなければならない。この第１インピーダンスステージは、通常、ジュール－トムソン冷凍機として知られる独立した冷凍ステージとして作用し、そこでは、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、等エンタルピー膨張によって冷却される。３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の膨張による冷却力を制御するために、凝縮ライン内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の圧力は、通常、外部圧縮機によって上昇させる。
【0101】
本発明者らは、第１インピーダンスステージに入る前に３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の温度を低下させることにより、より低い圧力差を使用しながら、同じ冷却効果（例えば、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、第１インピーダンスステージを通過した後、同じベース温度に達することができる）を達成できることを認識及び理解した。こうした構成は、希釈冷凍機の効率を向上させ、第１インピーダンスステージの前に３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を加圧する必要性を低減させるか又はなくすことができる。さらに、本発明者らは、第１インピーダンスステージの前に３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物から除去された熱を分溜器に戻すことができ、それにより、分溜器に存在する異なる３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の蒸気圧を上昇させるとともにその蒸発を可能にするための分溜器内の補助ヒータの必要性をなくすか又は低減させることができることを認識した。
【0102】
したがって、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、入ってくる凝縮ライン１０２ａから、第１熱交換器１１８から分溜器１１４に輸送されている戻りヘリウム混合物に熱を伝達するように構成された、熱交換ライン１１７を含むことができる。熱交換ライン１１７は、一次インピーダンスステージ１１２の上方の位置で凝縮ライン１０２ａを冷却することができる。次いで、熱交換ライン１１７は、一次インピーダンスステージ１１２に入る前に、凝縮ライン１０２ａ内の３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却する。その後、熱交換ライン１１７内の温度が上昇した混合物は、分溜器１１４に輸送される。
【0103】
入ってくる３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を一次インピーダンスステージ１１２に入る前に冷却することにより、一次インピーダンスステージ１１２は、蒸気状態ではなく液体状態の３Ｈｅの割合が高い３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を排出する。したがって、追加の熱交換ライン１１７を含むことにより、一次インピーダンスステージ１１２をより効率的にすることができる。さらに、この効率の向上により、補助圧力（例えば、外部圧縮機）の必要性がなくなるか又は軽減され、循環するヘリウム混合物のフローインピーダンスを低下させることができる。これは、より小型の（すなわち、より低出力の）パルス管又は他のクライオクーラを含む、より小型の希釈冷凍機の複雑性及びサイズを低減させるのに特に有用である。
【0104】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、第１熱交換器１１８を出た後、第５熱ステージ１０８ｅを通過し、連続型熱交換器１１９に入る。連続型熱交換器１１９は、向流熱交換器（例えば、チューブインチューブ熱交換器）、クロス向流熱交換器及び／又は並流熱交換器であり得る。連続型熱交換器１１９は、第５熱ステージ１０８ｅの下方に配置されている。第５熱ステージ１０８ｅは、約１００～２００ｍＫの温度に冷却されるように構成された中間コールドプレート（ＩＣＰ）であり得る。連続型熱交換器は、通常、分離型熱交換器よりも効率的であるが、約８０ｍＫの温度未満では効率が低下する。しかしながら、第５熱ステージ１０８ｅの下方に連続型熱交換器１１９を追加することにより、希釈冷凍機を冷却するプロセスの間、第５熱ステージ１０８ｅがより大きい冷却力で動作するのを可能にすることができる。
【0105】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、連続型熱交換器１１９を出た後、分離型熱交換器１２０に入る。分離型熱交換器１２０は、いくつかの実施形態では、焼結ナノ粒子で形成することができる。別法として又はさらに、いくつかの実施形態では、分離型熱交換器１２０は、本明細書において図７Ａ～図７Ｄに関連して説明するように、焼結ナノワイヤで形成することができる。分離型熱交換器１２０は、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を約１０～２０ｍＫ未満の温度までさらに冷却するように構成することができる。
【0106】
本発明者らは、さらに、ユーザが希釈冷凍機１００の部品を（例えば、メンテナンスのため、希釈冷凍機１００の特性を変更するため、及び／又は技術革新が開発されるに従い希釈冷凍機１００をアップグレードするため）容易に取り替えることができるようにすることにより、ユーザエクスペリエンスを向上させることができることを認識及び理解した。本発明者らは、それに応じて、容易に取り外して交換される取替可能な希釈インサートを開発した。図５Ａは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、図１の希釈冷凍機１００用の取外し可能な希釈インサート５４０の例示的な構成要素を示す。
【0107】
いくつかの実施形態では、取外し可能な希釈インサート５４０は、熱ステージ１０８ｄ、１０８ｅ及び１０８ｆにそれぞれ取外し可能に連結された着脱式プレート５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃを含む。図５Ａの例に示すように、着脱式プレート５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃは、機械的締結具（例えば、ボルト及び／又はねじ）を使用して取外し可能に連結することができる。いくつかの実施形態では、取外し可能な希釈インサート５４０は、取外し可能な希釈インサート５４０の交換をさらに簡略化するために、分溜器（例えば、フランジ）の上方に凝縮ライン１０２ａへの着脱式接続部５４０ｄをさらに含む。
【0108】
図５Ｂは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、図５Ａの取外し可能な希釈インサートの着脱式プレート５４０ｂの詳細な図である。着脱式プレート５４０ｂは、いくつかの実施形態では、ヘリウムが着脱式プレート５４０ｂを通って流れるのを可能にする流入口Ａ及び流出口Ｂを含む。
【0109】
いくつかの実施形態では、着脱式プレート５４０ａ、５４０ｂ及び／又は５４０ｃは、一体型熱交換器を含むことができる。いくつかの実施形態では、一体型熱交換器は、図５Ｂの着脱式プレート５４０ｂを通る断面を示す図５Ｃの例によって示すように、着脱式プレート５４０ａ及び／又は５４０ｂに形成されたチャネル５４２であり得る。チャネル５４２は、高表面積を有するように構成することができる。ヘリウムが着脱式プレート５４０ａ及び／又は５４０ｂのチャネル５４２を通って流れるのを可能にすることにより、ヘリウムの冷却速度を上昇させることができる。いくつかの実施形態では、チャネル５４２は、機械加工、溶接により、且つ／又は付加製造技法（例えば、３次元印刷技法）により、形成することができる。
【0110】
いくつかの実施形態では、一体型熱交換器は、着脱式プレート５４０ｃに形成された高表面積材料構造であってもよい。例えば、一体型熱交換器は、図５Ｄの例に示すように、格子構造であってもよい。格子構造は、非限定的な例として、約４００μｍ～約１０００μｍの範囲の周期性を有する正方格子構造であり得る。例えば、格子構造は、約６００μｍの周期性を有することができる。
【0111】
いくつかの実施形態では、格子構造は、付加製造技法（例えば、３次元印刷技法）を使用して製造することができる。格子構造は、一体型熱交換器を通過するヘリウム混合物と接触する材料の表面積を増加させ、それにより熱交換を改善するように、粗い表面テクスチャを有するように製造することができる。いくつかの実施形態では、格子構造は金属で形成することができる。非限定的な例として、格子構造は、銅、銀及び／又はアルミニウムで形成してもよい。
【0112】
いくつかの実施形態では、希釈インサート５４０は、図１の希釈冷凍機１００に関連して説明したように、１つ又は複数の熱交換器を含むことができる。図５Ｅは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、連続型熱交換器１１９及び分離型熱交換器１２０の例示的な実施態様を示す。図５Ｅに示すように、ヘリウムは、第５熱ステージ１０８ｅに結合された着脱式プレート５４０ｂから連続型熱交換器１１９に流れ込み、続いて分離型熱交換器１２０及び着脱式プレート５４０ｃに流れ込む。
【0113】
極低温冷却器の冷凍サイクルは、通常、システム全体の熱の流れを制御する方法を使用する。この制御は、システム内の構成要素間を熱的に接続するか又は接続を切る、超伝導体、ガスギャップ又は他の機構（すなわち、ヒートスイッチ）を用いて達成することができる。１つの一般的なタイプのヒートスイッチであるガスギャップは、通常、２つの高表面積の物体を含み、それらの間に、ガスで充填される小さい間隙がある。システムがある一定の温度未満になると、導電性ガスがヒートスイッチの表面積に吸着し、真空を引き起こして、表面間の熱伝達を低減させる。別の一般的なタイプのヒートスイッチは超伝導スイッチであり、そこでは、材料が、超伝導転移を通過して熱伝導率を低下させる。
【0114】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００は、希釈冷凍機１００の熱ステージ間に複合ガスギャップ及び／又は超伝導ヒートスイッチをさらに含むことができる。図５Ｅの例は、熱ステージ１０８ｅと熱ステージ１０８ｆとの間に熱的に連結された、こうした複合ガスギャップ及び超伝導ヒートスイッチ５５０を示す。複合ガスギャップ及び超伝導ヒートスイッチ５５０は、熱的に連結される熱ステージの目標温度よりも高い温度で超伝導になる超伝導材料（例えば、アルミニウム、チタン）と、熱ステージ間の断熱を促進するガスギャップヒートスイッチとの両方を含む。
【0115】
図１に戻ると、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、分離型熱交換器１２０を出た後、第６熱ステージ１０８ｆを通過し、混合室１２２に入る。混合室１２２では、３Ｈｅ原子を濃厚相から希薄相に圧送する（すなわち、４Ｈｅと混合する）ことができる。この混合により、３Ｈｅは濃厚相から希薄相への相転移を通過する際に冷却され、この吸熱相転移により、希釈冷凍機１００の最終冷却力が得られる。
【0116】
いくつかの実施形態では、混合室１２２に、試験容積１２４（例えば、試料ステージ又はプレート）を熱的に連結し、これを、試料及び／又は量子デバイスを支持するように構成することができる。試験容積１２４が混合室１２２に熱的に連結されているため、試料及び／又は量子デバイスは、混合室の温度又はその近くで保持することができる。
【0117】
いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００が運転中でないとき、真空チャンバ１０６の開口部及びドア１２５を通して、ユーザは試験容積１２４にアクセスすることができる。ドア１２５は、いくつかの実施形態では、（例えば、機械的締結具で固定された）取外し可能なパネルであってもよく、又は、（例えば、本明細書の図１０Ａの例に示すように）締付ハンドルを使用してユーザが開くことができるヒンジ式ドアであってもよい。
【0118】
図１の例に示すように、希釈冷凍機１００のいくつかの構成要素は、熱ステージに熱的に連結し、熱ステージの片側（例えば、上又は下側）に配置することができる。例えば、分溜器１１４は、第４熱ステージ１０８ｄの下面に配置されているように示す。本明細書に記載する技術の態様はこの点で限定されないため、いくつかの実施形態では、こうした構成要素は、関連する熱ステージのいずれの側に配置してもよいことが理解されるべきである。例えば、いくつかの実施形態では、分溜器１１４は、第４熱ステージ１０８ｄの上面に配置してもよい。別の例として、いくつかの実施形態では、ヘリウム洗浄装置１１０は、第１熱ステージ１０８ａの下面に配置してもよい。
【0119】
いくつかの実施形態では、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物は、希薄相に入った後、混合室１２２から出て、希釈冷凍機１００を通って戻り、戻りライン１０２ｂを通って外側真空チャンバ１０６から出るように圧送することができる。低温及び低圧では、４Ｈｅは厚く可動性のあるフィルムを形成し、このフィルムは、重力に逆らう方向への移動を含む、表面を横切る長距離移動を行うことができる。このヘリウムのはい上がりの結果、４Ｈｅが希釈冷凍システムの望ましくない（例えば、断熱領域間の間隙をまたぐ）部分に入り込む可能性がある。図６Ａ～６Ｆは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例えば混合室１２２及び／又は分溜器１１４の出口に実装することができる、例示的な４Ｈｅ分離装置の概略図である。
【0120】
図６Ａは、いくつかの実施形態における、希薄相ヘリウム混合物（例えば、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物）の浴６０２を含む冷却ステージ６００（例えば、分溜器、混合室等）を示す。バリア６０６がヘリウムのはい上がりを防止しない限り、４Ｈｅは、出口パイプ（例えば、分溜器圧送出口パイプ、混合室出口パイプ）内にはい上がり、冷却ステージ６００から出る可能性がある。図６Ａの例では、バリア６０６は、ヘリウムが低圧圧送出口を通って冷却ステージ６００から出るのを防止するように構成された、直角表面における鋭利な縁部を含む。
【0121】
図６Ｂ、図６Ｄ及び図６Ｅの例に、４Ｈｅのはい上がりを防止するように構成されたバリアの他の実施形態を示す。図６Ｂの例では、ナイフエッジ６０９を有するリング６０８が、４Ｈｅが３Ｈｅ出口から出るのを防止するように構成されている。いくつかの実施形態では、リング６０８は、はい上がる４Ｈｅが超流動相から離脱するようにし、それによりはい上がりを軽減するように構成された、加熱装置（例えば、抵抗加熱器又は他の任意の好適な加熱器）を含むことができる。
【0122】
図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅの例では、４Ｈｅが３Ｈｅ出口から出るのを防止するために、垂直ナイフエッジが使用されている。いくつかの実施形態では、図６Ｃの例において、ナイフエッジ６１０は、出口パイプの外周にある。別法として、図６Ｄの例に示すように、出口パイプの内周にナイフエッジ６１１を面取りしてもよい。さらに、図６Ｅの例に示すように、出口パイプの外周及び内周の両方にナイフエッジ６１２を面取りしてもよい。
【0123】
いくつかの実施形態では、図６Ｆの例に示すように、３Ｈｅ出口は、Ｐトラップ６２１を含むことができ、Ｐトラップ６２１は、４Ｈｅ６２２をＰトラップ６２１の下面に収集するように構成されている。３Ｈｅ出口は、通常の又は超流動４ＨｅがＰトラップ６２１から出るのを可能にするように構成された通常のリーク又はスーパーリーク６２４を含むことができ、ポンプ６２６（例えば、ファウンテンポンプ）が、４ＨｅをＰトラップ６２１から離れる方向に輸送することができる。いくつかの実施形態では、出口パイプの内面にさらなるバリア６２７が存在してもよい。例えば、バリア６２７は、リングとして構成してもよい。いくつかの実施形態では、バリア６２７は、４Ｈｅが出口から出るのをさらに防止するための加熱装置を含むことができる。
【0124】
本発明者らは、ナノ材料が、典型的な分離型熱交換器に使用される従来の焼結金属粉末（例えば、銀及び／又は銅粉末）と比較して利点を提供できることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、ナノ材料の大きい表面積、高い機械的接触強度、及びナノワイヤ間の良好なネック成長により、効率的な熱交換を提供するナノ材料熱交換器を開発した。
【0125】
典型的な分離型熱交換器は、一般的に、焼結金属粉末（例えば、銀及び／又は銅粉末）から作製される。図７Ａにこうした焼結微粒子の一例を示す。しかしながら、サブケルビン温度で効率的な熱交換を行うためには、熱交換器材料に関して多くの要素が正確でなければならない。熱交換材料は、大きい表面積を有し、液体ヘリウムと熱交換材料との間に高い機械的且つ／又は熱的接触を提供し、良好なネック成長を可能にし、液体ヘリウムが熱交換器を通って移動するための空間を熱交換材料内部に提供するべきである。
【0126】
図７Ｂは、熱交換器で使用されるナノワイヤを含むナノ材料の画像を示す。図７Ｃは、熱交換器で使用されるナノクラスタを含むナノ材料の画像を示す。図７Ｄは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、熱交換器で使用されるナノペレット形状の異なる例を含むナノ材料の画像を示す。これらのナノ材料は、希釈冷凍機１００において、分離型熱交換器１２０内及び／又は（例えば、混合室１２２中に存在する）ブロック熱交換器内で実装することができる。図７Ｂ～図７Ｄは、ナノ材料の形状の例を示すが、分離型熱交換器で使用されるナノ材料の実施形態は、そのように限定されないことが理解されるべきである。例えば、ナノ材料は、別法として、ナノフォーム、ナノチューブ、及び／又は他の任意の適切なナノ形状であってもよい。
【0127】
いくつかの実施形態では、こうしたナノ材料ベースの熱交換器は、焼結によってナノ材料を接合することにより形成することができる。例えば、ナノ材料は、化学的沈殿物として、且つ／又は電子堆積若しくは電気めっき技法によって形成することができる。ナノ材料を成長させるか又は付着させるために、（例えば、核生成部位を含む）粗面を有する基板を提供することができる。いくつかの実施形態では、熱交換器は、加熱及び／又は圧縮下で製造することができる。ナノ材料は、ナノワイヤ熱交換器を形成するために焼結プロセス中に圧縮状態で保持することができる。いくつかの実施形態では、基板は、巨視的構造（例えば、格子又は一連のポスト）でパターン化してもよい。いくつかの実施形態では、基板は管であってもよく、管の内面又は外面にナノ材料を付着させてもよい。いくつかの実施形態では、基板は、基板に付着するナノ材料よりも低い熱伝導率を有する材料で形成してもよい。
【0128】
いくつかの実施形態では、ナノ材料は、限定されないが、銅、銀、真空対応ポリマー、炭素及び／又は炭素繊維を含む、真空対応材料の選択肢のうちの１つから形成することができる。例えば、ナノ材料は、銅ナノワイヤ、銀ナノワイヤ、金ナノワイヤ、白金ナノワイヤ、ポリマーナノワイヤ、カーボンナノワイヤ及び／又は炭素繊維ナノワイヤのうちの少なくとも１つを含むナノワイヤであってもよい。
【0129】
ＩＩ．防振の改善
サブケルビン温度で行われる多くの試験は、周囲環境と希釈冷凍機の冷却システムポンプ及び部品との両方からの振動ノイズの影響を受けやすい。さらに、サブケルビン温度では、機械的振動が熱負荷を発生させ、希釈冷凍機の冷却力を低下させるか、又は希釈冷凍機の電気入力及び／又は出力に摩擦帯電ノイズを発生させる可能性がある。本発明者らは、防振を改善することにより、希釈冷凍機の冷却力及び他の性能特性（例えば、磁束の乱れ）を改善することができることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆを上部熱ステージ１０８ａ～１０８ｃから機械的に切り離すように構成された防振構成要素を開発した。
サブケルビン温度で行われる多くの試験は、周囲環境と希釈冷凍機の冷却システムポンプ及び部品との両方からの振動ノイズの影響を受けやすい。さらに、サブケルビン温度では、機械的振動が熱負荷を発生させ、希釈冷凍機の冷却力を低下させるか、又は希釈冷凍機の電気入力及び／又は出力に摩擦帯電ノイズを発生させる可能性がある。本発明者らは、防振を改善することにより、希釈冷凍機の冷却力及び他の性能特性（例えば、磁束の乱れ）を改善することができることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆを上部熱ステージ１０８ａ～１０８ｃから機械的に切り離すように構成された防振構成要素を開発した。
【0130】
図８Ａは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、防振を提供するように構成された機械的要素を含む希釈冷凍機１００の別の概略図を示す。防振要素は、第１懸架システム８３２、少なくとも１つの第２懸架システム８４０及び第３懸架システム８３４を含む。
【0131】
いくつかの実施形態では、第１懸架システム８３２は、第１熱ステージ１０８ａ、第２熱ステージ１０８ｂ及び／又は第３熱ステージ１０８ｃを外側真空チャンバ１０６の上面から吊り下げるように構成することができる。第１懸架システム８３２は、第１、第２及び／又は第３熱ステージ１０８ａ～１０８ｃを外側真空チャンバ１０６の上面に堅固に結合するように構成された１つ又は複数のロッドを含むことができる。ロッドは、高いばね定数を有する材料で形成することができる。例えば、ロッドは、炭素繊維及び／又はステンレス鋼で形成してもよい。
【0132】
いくつかの実施形態では、第２懸架システム８４０は、第４熱ステージ１０８ｄ、第５熱ステージ１０８ｅ及び／又は第６熱ステージ１０８ｆを外側真空チャンバ１０６の上面から独立して吊り下げるように構成することができる。下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆのこの独立した懸架は、上部熱ステージ１０８ａ～１０８ｃから下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆに振動が伝わらないようにし、それにより下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆの防振を改善する。
【0133】
いくつかの実施形態では、第２懸架システム８４０は、１つ又は複数のばね８４２、ロッド８４３及び／又はコネクタ８４４を含むことができる。図８Ａの例は、１つの第２懸架システム８４０のみを示すが、いくつかの実施形態では、複数の第２懸架システム８４０を使用して下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆを懸架してもよいことが認識されるべきである。例えば、いくつかの実施形態では、２つ、３つ又は４つのそうした第２懸架システム８４０があってもよい。
【0134】
いくつかの実施形態では、ばね８４２は、異なる荷重下で（例えば、ばね８４２からぶら下がる異なる減衰質量に対して）一定のばね張力を提供するように構成することができる。図８Ｂにばね８４２の一例を示す。ばね８４２は、いくつかの実施形態では、懸架板ばねであってもよく、剛性部分８４２ｃによって下部たわみ部８４２ｂから分離された上部たわみ部８４２ａを含むことができる。ばね８４２は、上部たわみ部８４２ａ及び下部たわみ部８４２ｂのたわみによってたわみ、（例えば、希釈冷凍機１００を支持する床の平面に対して垂直な）Ｚ軸に沿って下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆに防振を提供することができる。いくつかの実施形態では、ばね８４２のばね定数は、上部たわみ部８４２ａ及び／又は下部たわみ部８４２ｂに予張力を付与することによって決定することができる。別法として又はさらに、ばね８４２のばね定数は、上部たわみ部８４２ａ及び／又は下部たわみ部８４２ｂの長さを変更することによって決定してもよい（例えば、たわみ部８４２ａ、８４２ｂの長さが長いほど低いばね定数を有する）。
【0135】
いくつかの実施形態では、ばね８４２は、ロッド８４３によって第３熱ステージ１０８ｄに連結することができる。ロッド８４３は、低いばね定数を有する軟性ロッドであってもよい。例えば、ロッド８４３は、いくつかの実施形態では、ポリマー（例えば、デルリン（ＤＥＬＲＩＮ））から形成してもよい。ロッド８４３は、その軟性により、Ｘ－Ｙ平面において（例えば、希釈冷凍機１００を支持する床の平面に平行であるとともにＺ軸に垂直な平面において）、下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆに防振を提供することができる。
【0136】
いくつかの実施形態では、コネクタ８４４は、第４熱ステージ１０８ｄの懸架に安定性を提供するために、三角形の構成で配置することができる。コネクタ８４４は、高いばね定数を有するように構成された材料から作製することができる。例えば、コネクタ８４４は、ステンレス鋼及び／又は炭素繊維で形成してもよい。
【0137】
いくつかの実施形態では、第３懸架システム８３４は、第４熱ステージ１０８ｄから第５熱ステージ１０８ｅ及び第６熱ステージ１０８ｆを吊り下げるように構成することができる。このように、３つの下部熱ステージ１０８ｄ～１０８ｆは、すべて、第２懸架システム８４０を使用して真空チャンバ１０６の上面から吊り下げることができる。第３懸架システム８３４は、第５熱ステージ１０８ｅ及び／又は第６熱ステージ１０８ｆを第４熱ステージ１０８ｄに堅固に結合するように構成された１つ又は複数のロッドを含むことができる。ロッドは、高いばね定数を有する材料で形成することができる。例えば、ロッドは、いくつかの実施形態では、炭素繊維及び／又はステンレス鋼で形成してもよい。
【0138】
図８Ａの例は、第１懸架システム８３２及び第３懸架システム８３４がロッドから形成されているように示すが、いくつかの実施形態では、本開示の態様はこの点で限定されないため、第１懸架システム８３２及び／又は第３懸架システム８３４は可撓性ばねから形成してもよいことを理解されるべきである。さらに、図８Ａの例は、第２懸架システム８４０がばねから形成されているように示すが、いくつかの実施形態では、本開示の態様はこの点で限定されないため、第２懸架システム８４０はロッドから形成してもよいことが理解されるべきである。
【0139】
ＩＩＩ．一体型希釈冷凍機
従来の希釈冷凍機技術では、特注の浮き基礎、高い天井及び／又はアクセス穴等、広いスペース及び高価な支持インフラストラクチャを必要とすることが多い。これらのインフラストラクチャ要件は、低温で動作する量子技術のスケーラビリティを低下させる可能性がある。非限定的な例として、いくつかの量子コンピューティング技術の採用は、大型希釈冷凍機の使用が必要であることにより制限される可能性がある。本発明者らは、希釈冷凍機のサイズ及びインフラストラクチャ要件を低減させることにより、量子技術のスケーラビリティを可能にすることができることを認識及び理解した。本発明者らはさらに、希釈冷凍機を商用コンピューティングインフラストラクチャ（例えば、商業サーバインフラストラクチャ）と一体化させることにより、希釈冷凍機、及び希釈冷凍機に依存する関連量子技術のスケーラビリティを、さらに可能にすることができることを理解した。こうした一体型希釈冷凍機は、電気通信ネットワークにより容易に組み込むことができ、既存の電気通信熱除去アーキテクチャを使用することができ、光ファイバネットワーク及びシステムと一体化することができる。
従来の希釈冷凍機技術では、特注の浮き基礎、高い天井及び／又はアクセス穴等、広いスペース及び高価な支持インフラストラクチャを必要とすることが多い。これらのインフラストラクチャ要件は、低温で動作する量子技術のスケーラビリティを低下させる可能性がある。非限定的な例として、いくつかの量子コンピューティング技術の採用は、大型希釈冷凍機の使用が必要であることにより制限される可能性がある。本発明者らは、希釈冷凍機のサイズ及びインフラストラクチャ要件を低減させることにより、量子技術のスケーラビリティを可能にすることができることを認識及び理解した。本発明者らはさらに、希釈冷凍機を商用コンピューティングインフラストラクチャ（例えば、商業サーバインフラストラクチャ）と一体化させることにより、希釈冷凍機、及び希釈冷凍機に依存する関連量子技術のスケーラビリティを、さらに可能にすることができることを理解した。こうした一体型希釈冷凍機は、電気通信ネットワークにより容易に組み込むことができ、既存の電気通信熱除去アーキテクチャを使用することができ、光ファイバネットワーク及びシステムと一体化することができる。
【0140】
図９は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、例示的な外部支持ラック９５０の側面図である。いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００を希釈冷凍機１００の下方の床から吊り下げることにより、希釈冷凍機１００を支持することができる。図９の例に示すように、外部支持ラック９５０は、防振構成要素９５４によって真空チャンバ１０６の上面の一部に結合されて、希釈冷凍機１００を床から吊り下げるアーム９５２を含むことができる。いくつかの実施形態では、防振構成要素９５４は、エアピストン、電磁ダンパ及び／又はばねであり得る。
【0141】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００の輸送を補助するように構成されたキャスタ（図示せず）を含むことができる。キャスタは、希釈冷凍機１００が輸送されていない且つ／又は運転中であるときに、キャスタの車輪が外部支持ラック９５０を支持する床に接触しないように、格納可能であり得る。
【0142】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、床支持体９５８をさらに含む。床支持体９５８は、希釈冷凍機１００が輸送されていないときに、外部支持ラック９５０から延びるように構成することができる。床支持体９５８は、例えば、ねじを使用することにより、外部支持ラック９５０から延びることができる。床支持体９５８を使用して、外部支持ラック９５０を床から離して持ち上げ且つ／又は水平にし、且つ／又は外部支持ラック９５０のキャスタを床から持ち上げることができる。いくつかの実施形態では、床支持体９５８を使用して、平坦でない床面の場合に外部支持ラック９５０の位置決めを修正することができる。
【0143】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００の外側真空チャンバ１０６の外部にある追加の構成要素を支持することができる。例えば、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００の運転をサポートするように構成された圧縮機、ポンプ及び／又は冷却機器を収容することができる。別法として、これらの外部構成要素は、いくつかの実施形態では、希釈冷凍機１００と隣接する（例えば、希釈冷凍機１００とは異なる）サーバラック型コンテナ及び／又は支持ラック９５０に収容してもよい。
【0144】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、真空チャンバ１０６の工具不要の組立及び／又は分解、並びに試験容積へのアクセスを提供するように構成された要素を含むことができる。図９の例に示すように、真空チャンバ１０６は、３つのセクション、すなわち、第１セクション１０６ａと、第１セクション１０６ａから吊り下げられた第２セクション１０６ｂと、第２セクション１０６ｂから吊り下げられた第３セクション１０６ｃとを含む。本明細書に記載する技術は、３つのセクションに限定されるものではなく、真空チャンバは、いくつかの実施形態では、１つ、２つ、４つ、５つ又は６つのセクションを有してもよいことが理解されるべきである。
【0145】
いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６は、１つ又は複数の実質的に平面の面を有することができる。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の実質的な平面の面のうちの少なくとも１つは、希釈冷凍機を支持する床の平面に対して垂直な平面内に配置することができる。図９の例に示すように、セクション１０６ａ～１０６ｃは、各々、組み立てられたときに真空チャンバ１０６が直方体を形成するように配置されるように、少なくとも４つの実質的に平面の面を有することができる。いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６は、床の平面に平行な面内に配置され、セクション１０６ａ～１０６ｃの表面によって形成された直方体を閉じるように配置された、２つの実質的に平面の面を含むことができる。いくつかの実施形態では、後に説明するように、真空チャンバ１０６は、実質的に平面の面のうちの少なくとも１つに、ドア１０７０によってアクセス可能な開口部を有することができる。
【0146】
いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６の３つのセクション１０６ａ～１０６ｃは、希釈冷凍機１００の内部部分へのアクセスを提供するために、部分的に又は完全に取外し可能であり得る。例えば、真空チャンバ１０６の３つのセクション１０６ａ～１０６ｃは、いくつかの実施形態では、取外し可能なパネル（例えば、サイドパネル、フレームに取り付けられたパネル等）を含むことができる。３つのセクション１０６ａ～１０６ｃは、希釈冷凍機１００のユーザが、希釈冷凍機１００の上方及び下方に大きい隙間を必要とすることなく（例えば、高い天井又は希釈冷凍機１００の下に穴を必要とすることなく）、希釈冷凍機１００から真空チャンバ１０６を取り外すことができるように構成することができる。
【0147】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００の組立、分解及び／又はメンテナンス中に真空チャンバの３つのセクション１０６ａ～１０６ｃを支持するように構成された、一体化リフト９５６ａを含むことができる。一体化リフト９５６ａは、真空チャンバのセクション１０６ａ～１０６ｃを上昇及び／又は下降させるように構成することができる。例えば、一体化リフト９５６ａは、３つのセクション１０６ａ～１０６ｃの一部（例えば、フランジ）を支持するように構成されたアーム９５６ｂを上昇及び／又は下降させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、一体化リフト９５６ａは、（例えば、ねじ及び／又はケーブルを使用して）手動で操作することができる。いくつかの実施形態では、一体化リフト９５６ａは、電動機械（例えば、空気圧又は液圧装置）を使用して操作することができる。
【0148】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、１つ又は複数のカート９５７を含むことができる。カート９５７は、手動で又は一体化リフト９５６ａを使用することにより下降したときに、セクション１０６ａ～１０６ｃのうちの１つ又は複数を受けるように構成することができる。例えば、一体化リフト９５６ａを使用して、第３セクション１０６ｃをカート９５７上に下降させることができる。その後、希釈冷凍機１００のユーザに希釈冷凍機１００の内部構成要素の下の空間を提供するために、カート９５７を使用して、方向Ｃに沿って第３セクション１０６ｃを輸送することができる。
【0149】
いくつかの実施形態では、一体化リフト９５６ａは、外部支持ラック９５０に取外し可能に結合することができる。例えば、一体化リフト９５６ａは、外部支持ラック９５０から摺動可能に取外し可能であり得る（例えば、方向Ｃに沿って外側に水平に摺動する）。一体化リフト９５６ａの取外しは、（例えば、希釈冷凍機１００のメンテナンス中に）ユーザに余分なスペースを提供するために望まれる場合がある。
【0150】
いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６の３つのセクション１０６ａ～１０６ｃは、一体化クランプ及び／又はカムによって互いから吊り下げることができる。こうした一体化クランプ及び／又はカムは、ユーザが、いかなる追加の工具も使用することなく、３つのセクション１０６ａ～１０６ｃのうちの２つのセクションを合わせて緩めるか又は締め付けるのを可能にするように構成することができる。図１０Ａ～図１０Ｃは、一体化カム１０６０の一例を示し、図１０Ｂは、開位置にある一体化カム１０６０を示し、図１０Ｃは、閉位置にある一体化カム１０６０を示す。
【0151】
いくつかの実施形態では、一体化カム１０６０は、ユーザが３つのセクション１０６ａ～１０６ｃのうちの２つのセクションを合わせて締め付けるか又は離れるように緩めるのを可能にする、ハンドル１０６２を含む。ハンドル１０６２は、バー１０６６に接続するように構成されている２つのラッチ１０６４に連結されている。ハンドル１０６２及びラッチ１０６４は、カム１０６８によって真空チャンバ１０６の一セクションにヒンジ式に連結されており、カム１０６８は、締付動作及び緩め動作を行う必要な可動範囲を提供する。
【0152】
いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６の３つのセクション１０６ａ～１０６ｃ間の接続点に圧縮層を含めて、適切な真空安全シールを確保することができる。例えば、セクション１０６ａ～１０６ｃ間に、ゴムＯリング、銅又はインジウムガスケット、又は他の真空安全圧縮層を配置することができる。
【0153】
図１０Ａに戻ると、いくつかの実施形態では、真空チャンバ１０６は、希釈冷凍機１００内の内部容積へのアクセスを提供する外部開口部を含むことができる。例えば、開口部は、希釈冷凍機１００の試料ステージ若しくは試験容積、又は希釈冷凍機１００の他の任意の内部部分へのアクセスを提供することができる。いくつかの実施形態では、開口部は密閉シールによって封止することができる。いくつかの実施形態では、開口部は、図１０Ａの例に示すように、ドア１０７０によって封止してもよい。ドア１０７０は、例えば手動で係合及び係合解除することができるヒンジ及び／又はクランプを使用して、封止することができる。いくつかの実施形態では、ロードロックによって、開口部にドア１０７０を連結してもよい。
【0154】
いくつかの実施形態では、ドア１０７０は、希釈冷凍機１００の（熱ステージ１０８ａ～１０８ｆのうちの１つ又は複数に熱的に連結することができる）内側輻射シールド（図示せず）のすべてを通してアクセスを提供して、ユーザが試験容積にアクセスすることができるようにすることができる。例えば、ユーザがドア１０７０を開けると内側輻射シールドが摺動するか又は他の方法で移動してユーザに希釈冷凍機の内部部分へのアクセスを提供するように、内側輻射シールド（図示せず）の一部をドア１０７０に連結してもよい。いくつかの実施形態では、内側輻射シールドの一部は、ドア１０７０を通して取外し可能であり、且つ／又はドア１０７０を通して摺動可能であってもよい。
【0155】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、サーバラック型コンテナと一体化されるように構成することができる。例えば、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００を市販のサーバラックインフラストラクチャ（例えば、サーバラック）と一体化するように構成してもよい。いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０は、希釈冷凍機１００を１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラックと一体化するように構成してもよい。
【0156】
いくつかの実施形態では、外部支持ラック９５０及び希釈冷凍機１００は、外側ハウジング内に収容することができる。図１１に、外側ハウジング１１００の一例を示す。いくつかの実施形態では、外側ハウジング１１００は、一体化水平面１１１０を含むことができる。例えば、一体化水平面１１１０は、ユーザが希釈冷凍機とインタラクトするときにデスク又は支持面として使用することができる。一体化水平面１１１０は、使用されていないとき（図１１の例に示すように）折り畳むか又はスライドさせることにより、収納されるように構成することができる。いくつかの実施形態では、外側ハウジング１１００は、希釈冷凍機１００のメンテナンスのための関連部品及び／又は工具を収納するための１つ又は複数の収納場所（例えば、引出し、棚）をさらに含むことができる。
【0157】
いくつかの実施形態では、外側ハウジング１１００は、開口部１１２０を通して希釈冷凍機１００の試験容積へのアクセスを提供するドア１１２５をさらに含むことができる。例えば、ドア１１２５は、開いて、真空チャンバ１０６、及び真空チャンバ１０６の内部の輻射シールドを通して、試験容積へのアクセスを提供することができる。いくつかの実施形態では、真空チャンバ外装及び／又は輻射シールドをドア１１２５に連結して、ユーザが、ドア１１２５を開けたときに真空チャンバ外装１０６及び／又は輻射シールドを開けるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、輻射シールドは、別法として、ユーザが、必要に応じて試験容積へのアクセスを妨げなくなるように輻射シールドを移動させることができるように、摺動可能に且つ／又はヒンジ式に移動可能であってもよい。
【0158】
いくつかの実施形態では、ハウジング１１００は、消音を行うようにさらに構成することができる。例えば、ハウジング１１００は、受動的消音を行うための消音材を含むことができる。別法として又はさらに、ハウジング１１００は、システムの機能的構成要素によって発生する音の相殺的干渉の放出を通じて能動的消音を提供するように構成された、オーディオ機器（例えば、スピーカ）を含んでもよい。
【0159】
ＩＶ．反転型希釈冷凍機
従来、希釈冷凍機は、温度が高い方の熱ステージがシステムの上部に向かって位置決めされ、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物が希釈冷凍機の底部に進むに従って熱ステージが徐々に低温になるように向けられている。本発明者らは、最も低温のステージがシステムの最上部（例えば、床から最も遠く）に配置される反転した形状が、試験容積をユーザがよりアクセスしやすくすることにより希釈冷凍機の操作及び使用を簡素化し、従来の希釈冷凍機と比較して熱力学的品質の改善を提供することができることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、反転型乾式希釈冷凍機を開発した。
従来、希釈冷凍機は、温度が高い方の熱ステージがシステムの上部に向かって位置決めされ、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物が希釈冷凍機の底部に進むに従って熱ステージが徐々に低温になるように向けられている。本発明者らは、最も低温のステージがシステムの最上部（例えば、床から最も遠く）に配置される反転した形状が、試験容積をユーザがよりアクセスしやすくすることにより希釈冷凍機の操作及び使用を簡素化し、従来の希釈冷凍機と比較して熱力学的品質の改善を提供することができることを認識及び理解した。したがって、本発明者らは、反転型乾式希釈冷凍機を開発した。
【0160】
図１２Ａは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、反転型希釈冷凍機１２００の概略図である。反転型希釈冷凍機１２００は、希釈冷凍機１２００を通して３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を循環させるように構成されたポンプシステム１２０２を含むことができる。反転型希釈冷凍機１２００は、クライオクーラ１２０４も含むことができる。クライオクーラは、本明細書においてクライオクーラ支持体１０３に関連して記載説明したように、クライオクーラ支持体（図示せず）に連結することができる。
【0161】
いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機１２００は、外側真空チャンバ１２０６と、外側真空チャンバ１２０６の内部に配置された一連の熱ステージ１２０８ａ～１２０８ｆとを含むことができる。一連の熱ステージ１２０８ａ～１２０８ｆは、本明細書において図１に関連して説明した熱ステージ１０８ａ～１０８ｆと同じか又は同様の温度で保持することができる。
【0162】
いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機１２００は、反転型希釈冷凍機１２００の最も低温のステージへのアクセスを容易にするために、外側真空チャンバ１２０６内の且つ／又は内側輻射シールドを貫通する開口部を含むことができる。いくつかの実施形態では、開口部は、密閉シール、及び／又は反転型希釈冷凍機１２００が運転中であるときに外側真空チャンバ内の真空に耐えることができる開口機構１２２５を含むことができる。例えば、開口機構１２２５は、ヒンジ式ドア及び／又は取外し可能なパネルを含むことができる。
【0163】
いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機１２００は、希釈冷凍機の長さに沿って（例えば、真空チャンバ１２０６内から第６熱ステージ１２０８ｆ内まで）配置された、複数の構成要素を含むことができる。それらの構成要素は、最も低温の熱ステージである混合室１２２２が、より温度の高い熱ステージ（例えば、分溜器１２１４、インピーダンスステージ１２１２及び１２１６、熱交換器１２１８、１２１９、１２２０等）の上方に配置されるように配置することができる。
【0164】
いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機１２００は、混合室１２２２に連結された脱混合室１２２４を含む。いくつかの実施形態では、脱混合室１２２４は、熱交換器１２２３（例えば、並流熱交換器）によって混合室１２２２に熱的に連結してもよい。脱混合室１２２４は、３Ｈｅを脱混合室１２２４から混合室１２２２に輸送して、混合室１２２２に追加の冷却を提供するように、混合室１２２２に流体的に接続することができる。脱混合室１２２４は、さらに、分溜器１２１４と混合室１２２２との間に形成される濃度勾配を緩和するために、４Ｈｅが脱混合室１２２４に注入されるようにして３Ｈｅと４Ｈｅの並流を提供することができる。
【0165】
図１２Ｂ及び図１２Ｃは、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、反転型希釈冷凍機の例示的な内部構成要素の概略図である。図１２Ｂ及び図１２Ｃの例示的な構成要素は、図１２Ａの反転型希釈冷凍機１２００内（例えば、第３熱ステージ１２０８ｃ内）で実装することができることが理解されるべきである。
【0166】
図１２Ｂの例に示すように、いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機は、４Ｈｅを分溜器１２１４から脱混合室１２２４に輸送するように構成された４Ｈｅライン１２２６を含むことができる。いくつかの実施形態では、４Ｈｅライン１２２６は、４Ｈｅの脱混合室１２２４への輸送を補助するように構成されたポンプ１２２８を含むことができる。ポンプ１２２８は、いくつかの実施形態では、例えば、ファウンテンポンプであってもよい。別法として又はさらに、４Ｈｅライン１２２６は、脱混合室１２２４に移動する際の４Ｈｅを冷却するための追加の熱交換器を含むことができる。
【0167】
図１２Ｃの例に示すように、いくつかの実施形態では、反転型希釈冷凍機は、一次インピーダンスステージ１２１２の前に、流入する３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物を冷却するように構成された熱交換ステージ１２３０を含むことができる。図１の説明から理解されるはずであるように、こうした構成は、第１インピーダンスステージの効率を向上させ、且つ／又は流入する３Ｈｅ／４Ｈｅ混合物の加圧の必要性をなくすか又は低減させることができる。
【0168】
Ｖ．分散型冷却
希釈冷凍機は、一般に、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合ガスを５Ｋ未満に予備冷却するための一体型クライオクーラ（例えば、パルスチューブ又はギフォード－マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）型クライオクーラ等）を含む。従来、１つの希釈冷凍機は、これらのクライオクーラのうちの少なくとも１つと対になっており、希釈冷凍機は、冷却システムを共有しない。こうした小規模の希釈冷凍システムは、通常、より大規模でより高出力の極低温冷却システムと比べて比較的非効率的である（例えば、４Ｋでの冷却力１ワット当たりにより多くの電力を必要とする）低出力の極低温冷却システムに依拠している。本発明者らは、単一の高効率冷却システムを希釈冷凍機等の複数の極低温システムに熱的に連結して、この第１ステージの冷却を複数の極低温システムに分散させることができることを認識及び理解した。したがって、こうした分散型冷却により、複数の極低温システムにわたって冷却効率を向上させることができる。
希釈冷凍機は、一般に、３Ｈｅ／４Ｈｅ混合ガスを５Ｋ未満に予備冷却するための一体型クライオクーラ（例えば、パルスチューブ又はギフォード－マクマホン（Ｇｉｆｆｏｒｄ－ＭｃＭａｈｏｎ）型クライオクーラ等）を含む。従来、１つの希釈冷凍機は、これらのクライオクーラのうちの少なくとも１つと対になっており、希釈冷凍機は、冷却システムを共有しない。こうした小規模の希釈冷凍システムは、通常、より大規模でより高出力の極低温冷却システムと比べて比較的非効率的である（例えば、４Ｋでの冷却力１ワット当たりにより多くの電力を必要とする）低出力の極低温冷却システムに依拠している。本発明者らは、単一の高効率冷却システムを希釈冷凍機等の複数の極低温システムに熱的に連結して、この第１ステージの冷却を複数の極低温システムに分散させることができることを認識及び理解した。したがって、こうした分散型冷却により、複数の極低温システムにわたって冷却効率を向上させることができる。
【0169】
図１３は、本明細書に記載するいくつかの実施形態による、分散型冷却システム１３００の概略図である。分散型冷却システム１３００は、複数のハウジング１３０５を含むことができる。いくつかの実施形態では、ハウジング１３０５は、サーバラック型コンテナ（例えば、市販のサーバラックインフラストラクチャ、１９インチ（４８．２６センチメートル）サーバラック）であり得る。
【0170】
図１３の例に示すように、各ハウジング１３０５は、冷却システム１３１０又は極低温装置１３２０を含むことができる。いくつかの実施形態では、極低温装置１３２０及び／又は冷却システム１３１０は、ハウジング１３０５内でグループ化することができることが理解されるべきである。図１３は、冷却システム１３１０に連結された３つの極低温装置１３２０を示すが、いくつかの実施形態では、本開示の態様はそのように限定されないため、冷却システム１３１０に連結された２つ、４つ、１０、又は何十もの極低温装置１３２０があり得ることがさらに理解されるべきである。
【0171】
いくつかの実施形態では、冷却システム１３１０は、極低温装置１３２０の第１ステージを少なくとも５Ｋの温度まで且つ／又は約４～５Ｋの温度まで冷却するように構成された極低温冷却システムであり得る。いくつかの実施形態では、冷却システム１３１０は、パルス管であり得る。例えば、冷却システム１３１０は、パルス管、ヘリウム液化システム及び／又はブレイトン（Ｂｒａｙｔｏｎ）クライオクーラであり得る。
【0172】
いくつかの実施形態では、冷却システム１３１０は、複数の極低温装置１３２０に熱的に連結することができる。冷却は、冷却ライン１３１２によって冷却システム１３１０から極低温装置１３２０に分散させることができる。さらに、熱は、戻りライン１３１４によって極低温装置１３２０から冷却システムに戻すことができる。冷却ライン１３１２及び／又は戻りライン１３１４は、液体及び／又は気体ヘリウムを移送するように構成されたラインであり得る。例えば、冷却ライン１３１２及び／又は戻りライン１３１４は、輸送されるヘリウムの温度を維持するために真空断熱されたパイプであってもよい。いくつかの実施形態では、冷却ライン１３１２及び／又は戻りライン１３１４は、充填ライン、ヒートパイプ（例えば、従来のヒートパイプ及び／又は自励振動型ヒートパイプ）、及び／又は超流動ループであってもよい。
【0173】
いくつかの実施形態では、極低温装置１３２０は、５Ｋ以下の温度に達するように構成された任意の好適な冷凍システムを含むことができる。いくつかの実施形態では、極低温装置１３２０は、１つ又は複数の希釈冷凍機（例えば、１Ｋ未満の温度に達するように構成された、本明細書に記載する希釈冷凍機１００）を含むことができる。別法として又はさらに、極低温装置１３２０は、希釈冷凍機以外の極低温システム（例えば、走査型トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡システム等の顕微鏡システム、３Ｈｅ冷凍システム、超伝導ＣＭＯＳシステム等）を含んでもよいことが理解されるべきである。
【0174】
図１４に示す実施形態では、コンピュータ１４００は、１つ又は複数のプロセッサを有する処理装置１４０１と、例えば揮発性メモリ及び／又は不揮発性メモリを含むことができる非一時的コンピュータ可読記憶媒体１４０２とを含む。メモリ１４０２は、本明細書に記載する機能のうちの任意のものを実行するように処理装置１４０１をプログラムする、１つ又は複数の命令を格納することができる。コンピュータ１４００は、システムメモリ１４０２に加えて、記憶装置１４０５（例えば、１つ又は複数のディスクドライブ）等の他のタイプの非一時的コンピュータ可読媒体も含むことができる。記憶装置１４０５は、メモリ１４０２にロードすることができる、１つ又は複数のアプリケーションプログラム及び／又はアプリケーションプログラムによって使用されるリソース（例えば、ソフトウェアライブラリ）も格納することができる。
【0175】
コンピュータ１４００は、図１４に示すデバイス１４０６及び１４０７等、１つ又は複数の入力デバイス及び／又は出力デバイスを有することができる。これらのデバイスは、とりわけ、ユーザインタフェースを提示するために使用することができる。ユーザインタフェースを提供するために使用することができる出力デバイスの例としては、出力を視覚的に提示するためのプリンタ又は表示画面、及び出力を可聴的に提示するためのスピーカ又は他の音声発生デバイスが挙げられる。ユーザインタフェースに使用することができる入力デバイスの例としては、キーボード、並びにマウス、タッチパッド及びデジタイジングタブレット等のポインティングデバイスが挙げられる。別の例として、入力デバイス１４０７は、オーディオ信号を取り込むマイクロフォンを含むことができ、出力デバイス１４０６は、認識されたテキストを視覚的にレンダリングする表示画面、及び／又は可聴的にレンダリングするスピーカを含むことができる。
【0176】
図１４に示すように、コンピュータ１４００は、さまざまなネットワーク（例えば、ネットワーク１４２０）を介する通信を可能にするために、１つ又は複数のネットワークインタフェース（例えば、ネットワークインタフェース１４１０）も備えることもできる。ネットワークの例としては、エンタープライズネットワーク又はインターネット等、ローカルエリアネットワーク又は広域ネットワークが挙げられる。こうしたネットワークは、任意の好適な技術に基づくことができ、任意の適切なプロトコルに従って動作することができ、無線ネットワーク、有線ネットワーク、又は光ファイバネットワークを含むことができる。こうしたネットワークは、アナログネットワーク及び／又はデジタルネットワークを含むことができる。
【0177】
上述した実施形態のさまざまな態様は、単独で、組み合わせて、又は前述したものに記載した実施形態で具体的に考察しなかった種々の配置で、使用することができ、したがって、前述した説明に記載したか又は図面に図示した構成要素の詳細及び配置への適用において限定されない。例えば、１つの実施形態に記載する態様は、他の実施形態に記載する態様と任意の方法で組み合わせることができる。
【0178】
本明細書で定義及び使用するすべての定義は、辞書の定義、参照により援用される文書における定義、及び／又は定義された用語の通常の意味よりも優先されると理解されるべきである。
【0179】
本明細書及び特許請求の範囲で使用する「一、ある（ａ、ａｎ）」という不定冠詞は、反対の意味での明確な指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。
【0180】
本明細書及び特許請求の範囲において使用する「及び／又は」という句は、そのように結合された要素の「いずれか一方又は両方」、すなわち、ある場合には連言的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「及び／又は」とともに列挙する複数の要素も、同様に、すなわち、そのように結合された要素のうちの「１つ又は複数」を意味すると解釈されるべきである。「及び／又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素は、具体的に特定された要素に関連するか否かにかかわらず、任意選択的に存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａ及び／又はＢ」に対する言及は、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の非限定的な（ｏｐｅｎ－ｅｎｄｅｄ）文言と組み合わせて使用される場合、１つの実施形態では、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態では、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）等を指すことができる。
【0181】
本明細書及び特許請求の範囲において使用する場合の、１つ又は複数の要素のリストに関する「少なくとも１つ」という句は、要素のリストにおける要素のうちの任意の１つ又は複数のから選択されるが、要素のリストにおいて具体的に列挙されたありとあらゆる要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含む必要はなく、要素のリストにおける要素の任意の組合せを除外するものではない、少なくとも１つの要素を意味するように理解されるべきである。この定義は、「少なくとも１つ」という句が指す要素のリスト内で具体的に特定された要素以外の要素が、具体的に特定された要素に関連するか否かにかかわらず、任意選択的に存在し得ることも考慮する。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうちの少なくとも１つ」（又は、等価的に、「Ａ又はＢのうちの少なくとも１つ」、又は、等価的に、「Ａ及び／又はＢのうちの少なくとも１つ」）は、１つの実施形態では、Ｂが存在しない（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、任意選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ、別の実施形態では、Ａが存在しない（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、任意選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ、さらに別の実施形態では、任意選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＡ、及び任意選択的に２つ以上を含む、少なくとも１つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）等を指すことができる。
【0182】
特許請求の範囲において、請求項要素を修飾する「第１」、「第２」、「第３」等の順序を示す用語を使用することは、それ自体、１つの請求項要素の別の請求項要素に対するいかなる優先順位、優先度若しくは順序、又は方法の行為が実行される時間的順序も意味するものではなく、それらの用語は、単に、ある名称を有する１つの請求項要素を、（順序を示す用語を使用するが）同一の名称を有する別の請求項要素から識別して、それらの請求項要素を識別するための標識として使用される。
【0183】
特許請求の範囲において、同様に上記明細書において、「備える」、「含む」、「運ぶ」、「有する」、「収容する」、「含む」、「保持する」、「からなる」等のすべての移行句は、非限定的である、すなわち、含むが限定されない、を意味するように理解されるべきである。「～からなる」、「～から本質的になる」という移行句のみが、それぞれ限定的（ｃｌｏｓｅｄ）又は半限定的（ｓｅｍｉ－ｃｌｏｓｅｄ）移行句であるものとする。
【0184】
「ほぼ」、「約」及び「実質的に」という用語は、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、いくつかの実施形態では目標値の±２％以内を意味するために使用することができる。「ほぼ」、「約」及び「実質的に」という用語は、目標値を含んでもよい。
【0185】
このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様について説明したが、当業者にはさまざまな改変、変更及び改良が容易に想到されることが理解されるべきである。こうした改変、変更及び改良は、本開示の一部であるように意図され、本明細書に記載する原理の趣旨及び範囲内であるように意図されている。したがって、前述の説明及び図面は、単に例示としてのものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図13】
【図14】
【国際調査報告】