气隙热开关构造的制作方法

1.本发明涉及一种低温冷却系统和操作该系统的方法。

背景技术：

2.低温系统大体包括封闭在真空室内的多个级，在系统的稳态操作期间，该多个级保持在不同温度下。为了便于从室温到低温的冷却，可以期望的是，能够在冷却过程期间对各级进行热连接，并且能够在稳态操作期间对各级进行热隔离。可以使用热开关来实现这一点。例如，可以控制气隙热开关以将热负荷从开关的一端传递至另一端或将热负荷在开关的一端和另一端间隔离。
3.气隙热开关包括两个导体，该两个导体在可以引入气体的腔室内彼此分离。当开关关闭时，腔室内的气体有助于导体之间通过传导实现的热传递。通过从腔室排出气体来打开开关，使得该热传递路径不再可用。与在系统操作温度下的导体相比，包含导体的腔室的热导率较低。因此，当两个导体之间的热导率超过腔室的热导率时，气隙热开关可以视为“关闭”。在“打开”状态下，通过腔室的几何形状、材料和温度来确定热导率，并且“打开”状态下的热导率低于“关闭”状态下的热导率几个数量级。可以使用吸附泵来控制开关的打开和关闭。当泵的温度降低至低于阈值转变温度时，吸附泵从开关吸附气体分子，从而打开开关。相反，当泵的温度升高至高于该转变温度时，泵解吸这些气体分子，以便将这些气体分子重新引入腔室中并且关闭开关。
4.在将系统从室温冷却至低温的处理期间，气隙热开关通常保持关闭以允许每一级之间的热传递。然而，一旦吸附泵已冷却至低于转变温度，开关将打开，以便对与开关的相反两端连接的级进行基本热隔离。这能够随后通过系统的连续操作使每一级获得不同温度。
5.应将理解的是，吸附泵有助于气隙热开关的自动控制而不需要专用泵送管线和相关设备。因此，吸附泵可以降低系统的复杂性并且改善系统的性能。然而，结合有这种吸附泵的现有技术系统通常在该系统的可能操作模式方面还受到限制。例如，在不使气体从吸附泵中解吸的情况下，无法将系统的单个级的温度升高至高于吸附泵的阈值温度。这可能导致开关转变为关闭状态，从而影响系统性能并且限制在每一级处可以实现的可能温度。在解决这一问题的背景下，提出本发明。

技术实现要素：

6.本发明的第一方面提供了低温冷却系统，包括：冷却板，其与低温制冷器热联接；目标组件，其中，该目标组件包括目标制冷器，该目标制冷器构造成获得低于低温制冷器的基础温度；热开关组件，其包括一个或多个气隙热开关，该热开关组件具有与冷却板热联接的第一端和与目标组件热联接的第二端；以及吸附泵，其构造成根据吸附泵的温度来控制热开关组件的热导率，其中，吸附泵通过从冷却板延伸至热开关组件的热链路(thermal link)而与低温制冷器热联接，其中，吸附泵布置在沿着热开关组件和冷却板之间的热链路
的位置处。
7.热链路有利提供了冷却板和吸附泵之间的热连接，该热连接不依赖于热开关组件。这能够更好控制吸附泵的温度，从而更好控制热开关组件的热导率。例如，低温制冷器可以用于将吸附泵的温度维持成低于与吸附泵连接的一个或多个气隙热开关的温度。因此，能够升高目标组件的温度而不会无意加热吸附泵，否则会使热开关组件从打开状态转变为关闭状态。因此，低温系统的新操作模式是可能的。例如，目标组件的温度可以升高至高于冷却板的温度。此外，因为在目标组件的加热期间，热开关组件可以维持在打开状态，所以目标组件的该加热不影响冷却板的温度。
8.应将理解的是，吸附泵通常构造成响应于吸附泵的温度超过标称转变温度而关闭热开关组件的一个或多个气隙热开关。标称转变温度可以取决于应用，例如在气隙热开关和吸附材料中的工作流体的选择，然而，该标称转变温度通常在4开尔文至30开尔文之间，并且优选在15开尔文至25开尔文之间。如前所述，气隙热开关的打开状态与气体已经基本或完全从气隙热开关移除的状态相对应，从而基本减小热开关组件的第一端和第二端之间的热导率。相反，关闭状态与气体包含在气隙热开关内的状态相对应，并且有助于第一端与第二端之间的更高热导率。热链路优选布置成使得在低温制冷器的操作期间吸附泵可以维持成低于吸附泵的标称转变温度。特别地，吸附泵优选与冷却板热联接，从而将吸附泵的温度维持成低于标称转变温度而不依赖于目标组件温度。
9.目标组件通常包括诸如电控电阻加热器等目标加热器。目标加热器可选地形成目标制冷器的一部分，例如在目标制冷器包括稀释制冷器的蒸馏器或混合室的情况下。目标组件可以包括与目标加热器和目标制冷器热联接的目标板。吸附泵优选与冷却板热联接，从而在目标加热器的操作期间将吸附泵的温度维持成低于吸附泵的标称转变温度。目标加热器的所述操作可以将目标组件的温度升高至高于吸附泵的标称转变温度。
10.如前所述，即使当气体从气隙热开关中移除时，目标加热器的操作也会使热量沿热开关组件传导并且传导至吸附泵。吸附泵通常通过导管(也称为毛细管)连接至热开关组件，从而在吸附泵和热开关组件之间提供流体连通。导管优选由低传导率材料形成，但不可避免地在热开关组件和吸附泵之间提供热连接。在热链路没有在冷却板和吸附泵之间延伸的部分的情况下，特别是当热开关组件本身的一端被加热至高于吸附泵的标称转变温度时，从目标加热器沿导管输入的热量可能导致气体从泵中解吸。这可能导致热开关组件不需要地转变为关闭状态。然而，热链路有利确保了通过低温制冷器的操作将从目标组件引入至吸附泵的任何热量传导出去。这有助于目标组件的高温操作。
11.通常，在低温系统的使用期间，低温致冷器将连续操作。尽管如此，仍期望能够使用吸附泵将热开关组件从打开状态转变至关闭状态。如上所述，这通常需要将吸附泵的温度升高至高于吸附泵的标称转变温度。因此，优选的是，系统还包括吸附加热器，该吸附加热器构造成向吸附泵施加局部加热。例如，吸附加热器可以包括设置在吸附泵处的电操作电阻加热器，并且该电操作电阻加热器可以操作成将吸附泵的温度升高至高于标称转变温度。因此，可以启用吸附加热器，通常使用电控制系统，以便当需要时将低温制冷器与目标组件热联接。
12.热链路通常包括第一连接构件和第二连接构件，其中，第一连接构件在热开关组件和吸附泵之间延伸，并且其中，第二连接构件在吸附泵和冷却板之间延伸。第一连接构件
通常包括在吸附泵和热开关组件的一个或多个气隙热开关之间输送气体的导管。第一连接构件优选由低传导率材料形成，并且该第一连接构件通常具有的热导率低于第二连接构件的热导率。尽管如此，目标组件的高温操作可以导致通过沿热开关组件和第一连接构件的传导将热量传递至吸附泵。第二连接构件有利提供了热导路径，通过低温制冷器的操作可以沿该热导路径从吸附泵移除此热量。与第一连接构件不同，从第二连接构件防止气体从吸附泵意外解吸的意义上说，由第二连接构件形成的热连接是“期望的”。
13.尽管期望沿第二连接构件进行一定程度的热传递，但是第二连接构件的热导率优选足够低，使得可以单独控制吸附泵的温度。例如，可以期望通过吸附加热器的操作将吸附泵的温度升高至高于冷却板的温度。因此，第二连接构件优选形成弱热链路。特别期望的是，第二连接构件具有的热导率在1毫瓦每开尔文至50毫瓦每开尔文之间，并且优选在5毫瓦每开尔文至10毫瓦每开尔文之间。因此，吸附泵可以维持成低于吸附泵的标称转变温度，直到期望通过吸附加热器的操作来关闭热开关组件的时间。
14.热开关组件可以包括多个气隙热开关。例如，一个或多个级可以布置在冷却板和目标组件之间，其中，每个级与热开关组件的一个或多个气隙热开关热联接。每个所述级可以布置成在低温冷却系统的操作期间获得相应的基础温度。此外，吸附泵可以构造成打开和关闭热开关组件的每个所述气隙热开关。可替代地，可以使用相应的吸附泵来控制热开关组件的每个气隙热开关，并且可以通过热链路使每个所述吸附泵与冷却板热连接。系统还可以包括与热开关组件流体联接的气体贮存器。可以控制该气体贮存器以在系统冷却至低温温度前将预定量的气体引入热开关组件的每个气隙热开关中。
15.可以设想的是，该系统是“湿”系统，该“湿”系统依赖于对冷却板进行冷却的液体冷冻剂。例如，低温制冷器可以包括液氮或液氦的杜瓦瓶。然而，特别期望的是，低温制冷器是选自包括以下团组的组的机械制冷器，该团组包括：脉冲管制冷器、斯特林(stirling)制冷器和吉福德-麦克马洪(gifford-mcmahon)制冷器，这些制冷器具有不需要液体冷冻剂的优点。目标制冷器通常具有低于低温制冷器的冷却功率。目标制冷器可以包括氦-3制冷器、稀释制冷器的蒸馏器或混合室、以及1开尔文罐(1kelvin pot)中的任何一种。
16.本发明的第二方面提供了操作根据第一方面的低温冷却系统的方法，其中，吸附泵构造成响应于吸附泵的温度超过标称转变温度而将低温制冷器与目标组件热联接，该方法包括以下步骤：(a)将目标组件的温度从低于标称转变温度的第一温度升高至高于标称转变温度的第二温度；其中，使用热链路将吸附泵与低温制冷器热联接，以便在整个步骤(a)中将吸附泵的温度维持成低于标称转变温度。
17.第二方面具有与第一方面所述的类似优点。关于第一方面所述的任何特征同样适用于第二方面，反之亦然。
18.如前所述，低温冷却系统优选还包括与吸附泵热附接的吸附加热器。在这种情况下，该方法还优选包括以下步骤：(b)操作吸附加热器，以便将吸附泵的温度升高至高于标称转变温度，从而将低温制冷器与目标组件热联接。如将理解的，步骤(b)将在步骤(a)之后执行。低温制冷器和随后的目标制冷器的操作将导致系统的级返回至各级相应的基础温度。
19.通常期望目标组件还包括目标加热器，在这种情况下，可以通过操作目标加热器来执行步骤(a)。在执行步骤(a)后，该方法优选还包括减少或消除由目标加热器产生的热
量的步骤。
20.可以根据应用来选择第一温度和第二温度，然而，通常地，第一温度通常低于5开尔文，并且第二温度通常高于20开尔文。第二温度优选为至少30开尔文，并且可以为至少100开尔文。
附图说明
21.现在将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：
22.图1是根据本发明的第一实施例的低温冷却系统的示意图；
23.图2是根据本发明的第二实施例的低温冷却系统的示意图；
24.图3是示出了根据本发明的第一实施例的低温冷却系统的部件在操作期间的第一示例性温度分布的曲线图；
25.图4是示出了根据本发明的第一实施例的低温冷却系统的部件在操作期间的第二示例性温度分布的曲线图；并且
26.图5是示出了图4的在3.5小时和5.5小时之间的温度分布区域的曲线图。
具体实施方式
27.现在将参照图1对低温冷却系统的第一实施例进行描述。图1描述了无冷冻剂冷却系统内部的截面图。该系统包括形成分层组件的多个热级1至5和外级6，在该分层组件中该多个热级沿中心轴线对准并且在空间上分散。热级1至5包含在安装至外级6的低温恒温器7内。低温恒温器7在使用时通常被抽空。外级6的外表面8暴露于处于室温和大气压的周围环境，并且通常由铝形成。
28.低温冷却系统包括将系统从室温冷却至操作基础温度(operational base temperature)的冷却装置。每个热级1至5由诸如铜等高传导率材料形成，并且具有不同的操作基础温度。在本实施例中，通过使用机械制冷器和稀释单元来实现冷却。机械制冷器可以是脉冲管制冷器(ptr)、斯特林制冷器或吉福德-麦克马洪制冷器。在本实施例中，机械制冷器是ptr 9。ptr 9包括与第一热级1热联接的第一ptr级10和与第二热级2形式的冷却板热联接的第二ptr级11。作为两级ptr 9(如图所示)的替代，机械制冷器可以可选地具有仅一个冷却级或两个以上的冷却级。在本实施例中，第二ptr级11形成ptr 9的最低温度级。如图1中的情况那样，吸附泵22通常与ptr的最低温度级热连接。
29.第三热级3、第四热级4和第五热级5与稀释单元12热联接。第三热级3与形成稀释单元12一部分的蒸馏器13热联接。第五热级5与稀释单元12的混合室14热联接。通过稀释单元的操作来实现第三热级3、第四热级4和第五热级5的冷却，其中操作流体绕冷却回路24循环以降低温度。操作流体通常是氦-3和氦-4的混合物。使用压缩机泵27和涡轮分子泵28将操作流体泵送环绕包括冷凝管线25和蒸馏泵送管线26的冷却回路24。操作流体可以存储在第一存储容器29中，并且使用供应管线30将操作流体供应至冷却回路24。
30.在使用中，五个热级1至5中的每一个构造成达到不同的操作基础温度。热辐射屏蔽件可以附接至热级1至5，其中每个屏蔽件包围其余较低基础温度部件中的对应一个，以减少热级1至5之间的任何不必要热连通。这允许热级达到不同的操作基础温度，以表示在系统的稳态操作期间给定部件可获得的最低温度。在本实施例中，第一热级1构造成达到约
50开尔文至70开尔文的操作基础温度，并且安装至第一热辐射屏蔽件15。第二热级2的操作基础温度为约3开尔文至5开尔文。第二热辐射屏蔽件16安装至第二热级2。第三热级3的操作基础温度通常为0.5开尔文至2开尔文。第三热辐射屏蔽件17安装至第三热级3。第五热级5的操作基础温度通常为3毫开尔文至30毫开尔文。第四热级4形成第三热级3和第五热级5之间的中间级，并且具有约50毫开尔文至200毫开尔文的操作基础温度。
31.诸如这些的低温冷却系统可以用于在低温下执行测量。通常，样品35安装至系统的最冷热级，在此种情况下是安装至第五热级5。稀释单元12用于在第五热级5获得毫开尔文温度。作为正常操作的一部分，应将理解的是，电阻加热器形成蒸馏器和混合室的一部分。在本实施例中，混合室14的电阻加热器提供了目标加热器36，该目标加热器36与第五热级5热联接并且可以用于加热样品35。这有利地有助于样品35关于温度的受控测量。如后所述，目标加热器36可以是电阻加热器并且可以用于将第五热级5的温度从操作基础温度升高至约30开尔文。在替代实施例中，可以通过使用与第五热级热联接并且可以与混合室分离的额外目标加热器将第五热级的温度升高至超过100开尔文。如后所述，在低温冷却系统的高温操作模式中，第五热级5的温度可以可控升高，然后可以冷却回第五热级5的操作基础温度。
32.第五热级5、混合室14、样品35和目标加热器36形成目标组件42。因此，第五热级5在本文还称为“目标板”。混合室14形成“目标制冷器”，该“目标制冷器”构造成将目标组件42冷却至低于第二ptr级11的温度。热开关组件18提供第二热级2和目标组件42之间的选择性可联接热连接。热开关组件18由三个气隙热开关19至21形成。第一气隙热开关19具有与第二热级2连接的上端和与第三热级3连接的下端。第二气隙热开关20具有与第三热级3连接的上端和与第四热级4连接的下端。第三气隙热开关21具有与第四热级4连接的上端和与第五热级5连接的下端。
33.每个气隙热开关包括两个导体，该两个导体在可以引入传导气体的低传导率腔室内彼此分离。该腔室是由不锈钢形成的环形壳体，并且使用的传导气体是氦。当气体从腔室中移除时，开关打开，并且这些热级被热隔离。在实际中，气隙热开关具有与打开状态下的腔室相等的热导率，该热导率在10开尔文下约为0.01wcm-1
k-1
。当气隙热开关内存在传导气体时，开关关闭，并且气隙热开关与在气隙热开关的每端处连接的相应热级热联接。关闭的开关的热导率高于打开的开关的热导率至少两个数量级。
34.开关在打开和关闭之间的操作通常使用吸附泵来实现并且依赖于温度。吸附泵包括吸附材料(通常为活性炭或分子筛)。当吸附泵22的温度降低至低于阈值转变温度(在此种情况下为约20开尔文)时，吸附泵22从开关吸附气体分子，从而打开开关。相反，当吸附泵22的温度升高至高于该转变温度时，吸附泵22解吸这些气体分子，从而将气体分子重新引入腔室中并且关闭开关。在本实施例中，吸附泵22装配有用于监测目的的温度传感器(未示出)。
35.通过在本文称为第一连接构件45的导管使吸附泵22与气隙热开关19至21中的每一个流体联接。除了有助于气体流动，第一连接构件45不可避免地在热开关19至21和吸附泵22之间提供了热导路径。吸附泵22的另一部分与第二热级2通过第二连接构件46热联接，第二连接构件46在吸附泵22和第二热级2之间提供机械连接。第二连接构件46例如可以形成用于吸附泵的铜支撑件。在另一实施例中，可以使用诸如不锈钢等热导率非常低的材料
将吸附泵安装至第二热级。在此种情况下，吸附泵和第二热级之间的热连接将由具有相对高传导性的第二连接构件(诸如从吸附泵延伸至第二热级的一个或多个铜线)补充。
36.第一连接构件45和第二连接构件46一起形成热开关组件18和第二热级2之间的热链路，吸附泵22沿该热链路定位。如后所述，由第二连接构件46提供的热导路径是特别有利的，这是因为第二连接构件46将第二ptr级11的高冷却功率与吸附泵22热联接，使得可以将经由第一连接构件45引入的任何不需要热量从吸附泵22移除。利用这种布置，目标组件42的温度可以升高至高于吸附泵22的转变温度而无需关闭热开关组件18。
37.吸附加热器31形式的局部热源与吸附泵22热联接，该吸附加热器的操作导致气体从吸附泵22解吸。气体的解吸关闭气隙热开关19至21，并且使第二热级2至第五热级5热联接。在本实施例中，吸附加热器31是电阻加热器。
38.在吸附泵22和第二热级2之间的第二连接构件46提供弱热联接。第二连接构件46的热导率必须足够低，以确保吸附加热器31对吸附泵22的有效加热。另外，第二连接构件46的热导率必须足够高，以确保在合理的时间范围内实现ptr 9对吸附泵22的冷却。例如，将吸附泵从30开尔文冷却至5开尔文花费少于2小时，优选少于30分钟。
39.第二存储容器32构造成经由气体供应管线33将热导气体供应至气隙热开关19至21中的每一个。该供应通过操作气泵34来控制或在第二存储容器32施加的压力下控制。热导气体的选择会影响气隙热开关的转变温度。在本示例中，使用氦-4气体，并且转变温度通常在4开尔文和30开尔文之间，或者优选在10开尔文和20开尔文之间。在其它实施例中，可以使用氦-3、氢气或氖气。
40.可以使用控制系统37来控制图1的低温冷却系统。控制系统37控制系统的每个部分，包括ptr 9、稀释单元12、加热器31和36、泵27、28、34和相关阀的操作、传感器的监测和其它辅助设备的操作，以执行期望程序。使用合适的计算机系统来实现该控制，尽管还设想了手动控制。
41.图2是根据第二实施例的低温冷却系统的示意图。带撇号的附图标记用于表示相似的装置特征。系统包括以与第一实施例的热级相似的方式布置的多个热级1'至4'。热开关组件18'由与第二热级2'、第三热级3'和第四热级4'连接的两个气隙热开关19'和20'形成。在本实施例中，第四热级4'可以认为是目标组件42'的“目标板”，可以使用热开关组件18'将第四热级4'与第二热级2'热连接。目标加热器36'安装至第四热级4'。
42.在本实施例中，热开关组件18'预充有氦-4气体。连接热开关组件18'和吸附泵22'的腔室是封闭系统，因此在没有任何泄漏的情况下，不需要气体填充管线。在其它实施例中，可以提供多个吸附泵，并且可以使用连接构件将该多个吸附泵中的一个或多个与第二热级2'热联接。
43.使用包括第一氦贮存器40'和第二氦贮存器41'的氦制冷器来实现第三热级3'和第四热级4'的冷却。通常在约1.3开尔文的操作基础温度下的第一氦贮存器40'与第三热级3'热联接并且构造成包含液氦-4。该第一氦贮存器40'通常还称为“1开尔文罐”。第二氦贮存器41'与第四热级4'热联接。通常在约0.3开尔文的操作基础温度下的第二氦贮存器41'形成本实施例中的“目标制冷器”的一部分，并且构造成包含液氦-3。第一氦贮存器40'和第二氦贮存器41'分别与泵送氦的第一冷却回路38'和第二冷却回路39'联接。流体可以存储在外部存储器29'和29”中并且从外部存储器29'和29”供应。
44.虽然图1和图2的实施例描述了使用无制冷剂的低温制冷器9、9'，但是替代实施例可以替代地涉及“湿”系统，该“湿”系统结合有液体制冷剂的贮存器以对吸附泵热链接的热级施加冷却。
45.图3是示出了在根据本发明的第一实施例的低温冷却系统上执行的第一高温实验期间温度随时间变化的曲线图。该曲线图示出了在高温实验期间第五热级5、第二热级2和第二ptr级11的温度变化。下文将参照图1的系统的部件对高温实验期间的低温冷却系统的操作进行描述。
46.参见图3，在0秒至6000秒的实耗时间之间，系统处于稳态操作，其中每个部件处于其操作基础温度。在此期间，气隙热开关19至21打开，因此第二热级2与第五热级5热隔离。从0秒至20000秒的整个测量周期内第二ptr级11和第二热级2之间的温度分布的相似性可以看出，第二ptr级11与第二热级2热联接。第五热级5与混合室14热联接，并且操作流体绕稀释单元12的冷却回路24循环，以为第五热级5提供冷却。尽管第五热级5的温度在0秒至6000秒的实耗时间之间显示为约1.5开尔文，但这仅是因为实际温度低于温度传感器的可以可靠记录的最低温度。事实上，第五热级5的温度将是其操作基础温度，该操作基础温度为约3毫开尔文至30毫开尔文。
47.低温冷却系统在约6000秒的实耗时间从稳态操作切换至高温操作。特别地，控制系统37用于操作目标加热器36以将第五热级5的温度升高至15开尔文。在高温操作期间对在稳态基础温度操作期间绕冷却回路24循环的操作流体进行收集并且储存在第一存储容器29中。值得注意的是，尽管目标加热器36的操作导致第五热级5的温度急剧升高，但是第二热级5和第二ptr级11的温度基本不受此种加热的干扰。这是因为吸附泵22通过第二ptr级11的冷却功率而保持为低于转变温度，其中第二ptr级11通过第二连接构件46与吸附泵22热联接。通过将吸附泵22保持为低于转变温度，气隙热开关19至21维持在打开状态。
48.在约7500秒的实耗时间处，第五热级5的温度维持在15开尔文约1500秒。低温冷却系统的可选高温操作的优点是能够在宽温度范围内进行测量，例如对样品35进行测量。第一实施例的低温冷却系统在维持低温制冷器的操作的同时，还使操作者能够以可控的方式将目标组件42的温度从毫开尔文温度升高至几十开尔文。现有技术系统通常不覆盖该范围，并且因此该低温冷却系统提供了在低温下进行测量的额外灵活性。在一定温度范围内执行的合适实验包括运输测量和压力传感器实验。通常，在温度控制的同时，可以根据改变电场和磁场来执行这些实验。为了能够执行可重复实验，系统必须构造成可控调节样本温度。如图3所例示，这可能需要在一段时间内将温度维持在选定值，在此期间可以进行样品35的测量。
49.在约8800秒的实耗时间处，第五热级5的温度升高至26开尔文，该温度在11100秒至12500秒之间保持大致恒定。通过目标加热器36的操作来实现温度控制。在此期间，尽管热开关组件18处于打开状态，但一些热量将不可避免地沿气隙热开关19至21的腔室和第一连接构件45传导至吸附泵22。在没有第二连接构件46的情况下，该热量可能会将吸附泵的温度升高至吸附泵22的转变温度(约20开尔文)或以上。因此，气体分子将从吸附泵22解吸，并且热开关组件18将开始转变为关闭状态。第二连接构件46有利提供了热导路径，可以沿该热导路径将该“不需要”热量从吸附泵22中移除。通过将吸附泵22与由第二ptr级11提供的高冷却功率热连接来实现该“不需要”热量移除。这防止气体解吸并且使热开关组件18只
要需要就维持在打开状态。
50.为了使低温冷却系统返回至其操作基础温度，吸附加热器31在约12500秒的实耗时间处操作，使得热开关19至21关闭并且将第二热级2与第三热级3、第四热级4和第五热级5热联接。还停用目标加热器36。目标加热器的停用通常与吸附加热器的操作同时有效执行。目标组件应用在这些部件上的初始热负荷导致第二ptr级11和第二热级2在12500秒至14500秒的时间段之间的温度升高。
51.如在12500秒至14500秒的时间段之间所示，关闭热开关组件导致第五热级5的温度快速降低。目标加热器的操作在约12500秒终止，从而移除输入至目标组件的热量并且减少该冷却时间。在本实施例中，操作吸附加热器31以将热开关组件18维持在关闭状态，直到目标组件的温度降低至第二ptr级5的温度。这发生在约14500秒处。此时，允许吸附泵22冷却至低于转变温度，以便将第二热级2与第五热级5热隔离。
52.尽管第二连接构件46在吸附泵22和第二热级之间提供了重要热连接，但是第二连接构件46本身通过选择材料和几何形状而形成为具有相对低的热导率。例如，如果使用诸如铜等高传导率材料，则选择小的面积与长度比以降低热导率，并且如果使用诸如不锈钢或黄铜等低传导率材料，则选择较大的面积与长度比。第二连接构件46在约4开尔文的温度下可以具有8mw/k的热导率。这确保了吸附泵22的温度可以不依赖于第二热级2的温度而变化，如在吸附加热器31的操作期间所发生的那样。尽管具有低热导率，但在没有来自吸附加热器31的任何升温影响的情况下，第二ptr级11将使吸附泵22冷却至低于吸附泵22的转变温度。在4开尔文的温度下，第二ptr级11的冷却功率通常超过1瓦特。吸附加热器31的操作通常不会使第二热级2的温度升高超过0.2开尔文。然而，如图3所示，当热开关组件18转变至关闭状态时，来自第五热级5的热负荷可以导致第二热级2的温度进一步升高。
53.吸附泵22的温度维持成高于其标称转变温度，直到第二热级2至第五热级5冷却至约5开尔文。控制系统37用于监测各级的温度并且自动停用吸附加热器31，并且在该级处将操作流体重新引入冷却回路24。然后，操作流体循环通过稀释单元12，以继续将第三热级3、第四热级4和第五热级5冷却至该第三热级3、第四热级4和第五热级5各自的操作基础温度。在吸附加热器31停用后，吸附泵22在约0.5小时内从33开尔文冷却至5开尔文。
54.图4是示出了在根据本发明的第一实施例的低温冷却系统上执行的第二高温实验期间温度随时间变化的曲线图。该系统的操作基本如图3所述。然而，图4提供了在此使用期间的第五热级5、吸附泵22、第二热级2、第三热级3和第四热级4的温度的进一步细节。
55.在图4的示例中，第五热级5的温度在0小时至3小时之间逐步升高，使得可以在每个温度间隔处从目标组件获得测量结果。温度阶梯的大小和定时可以由系统使用者确定。在一个实施例中，可以对这些值预编程，并且可以使用控制系统37来自动运行高温实验。基于从第五热级5上的温度传感器获得的反馈数据来控制目标加热器36的操作，以实现第五热级5的期望温度控制。第二ptr级11与第二热级2热联接，并且在整个方法中提供连续冷却。
56.在实验开始后不久，第五热级的温度升高至5开尔文并且维持约0.8小时。然后，第五热级5的温度再次升高至10开尔文并且维持在0.8小时至1.4小时之间。然后，在约0.2小时的时间段内，第五热级5的温度升高至20开尔文并且维持在1.6小时和2.2小时之间。然后，在约0.6小时的时间段内，第五热级5的温度升高至30开尔文，并且在此温度下保持额外
的0.8小时。再一次，尽管将目标组件的温度升高至显著高于吸附泵22的转变温度，但是由于第二ptr级11的冷却影响，经由第二连接构件46，吸附泵22保持为低于转变温度。这使热开关组件18保持在打开状态，因此目标加热器36的操作不影响第二热级2的温度。第三热级3和第四热级4的温度在0小时至3.5小时的实耗时间之间未在图4中示出，这是因为在该时间期间相应的温度传感器未启用(inactive)。然而，预计第三热级3和第四热级4将保持在0.5开尔文至2.5开尔文的范围内。
57.为了在低温冷却系统的高温操作后开始冷却处理，控制系统37用于通过操作吸附加热器31将吸附泵22的温度升高至约33开尔文。这发生在约3.5小时的实耗时间处，此时第三热级3和第四热级4的温度传感器也被启用。目标加热器36的操作基本同时或稍后终止，从而允许第五热级5冷却。在另一实施例中，在吸附泵22的温度升高前，关闭目标加热器36。
58.吸附加热器31的操作以及由此产生的目标组件和其余热级之间的热连接使第二热级2、第三热级3和第四热级4中的每一个的温度在约3.6小时的实耗时间处分别迅速升高至约4.5开尔文、14开尔文和18开尔文的最大值。此后，在热开关组件18关闭时，在第二ptr级11的冷却影响下，这些热级中的每一个温度降低。
59.当第三热级3、第四热级4和第五热级5中的每一个的温度达到约5开尔文时，吸附加热器31关闭。然后，通过第二ptr级11将吸附泵22冷却至低于转变温度，以便将热开关组件18转变为打开状态。
60.由于目标制冷器回路启动并且氦混合物初始冷凝物回到稀释制冷器中，所以在4.4小时处可以观察到第五热级5的温度升高。一旦混合物冷凝，目标制冷器的温度随后冷却至低于第二ptr级11的温度。这导致与稀释单元12热联接的第三热级3、第四热级4和第五热级5的温度降低，直到达到相应的操作基本温度。
61.图5是示出了图4所示实验的3.5小时和5.5小时的实耗时间之间的温度分布的曲线图。与图4不同，图5的y轴以对数温度标度示出，以便更清楚示出不同热级的跨越几个数量级的温度。图5示出了当系统的每个部件返回至其相应的操作基础温度时，该系统的每个部件的温度降低。
62.总之，应将理解的是，因此提供了一种改善的低温冷却系统，在该低温冷却系统中，吸附泵与低温制冷器热联接。由于气隙热开关的操作取决于吸附泵的温度，因此气隙热开关可以不依赖于从热开关组件传导至吸附泵的任何热量而可控地打开和关闭。进而，与热开关组件一端连接的目标组件可以在升高的温度下进行操作，而不升高系统的其余热级的温度。

技术特征：

1.一种低温冷却系统，包括：冷却板，其与低温制冷器热联接；目标组件，其中，所述目标组件包括目标制冷器，所述目标制冷器构造成获得低于所述低温制冷器的基础温度；热开关组件，其包括一个或多个气隙热开关，所述热开关组件具有与所述冷却板热联接的第一端和与所述目标组件热联接的第二端；以及吸附泵，其构造成根据所述吸附泵的温度来控制所述热开关组件的热导率，其中，所述吸附泵通过从所述冷却板延伸至所述热开关组件的热链路而与所述低温制冷器热联接，其中，所述吸附泵布置在沿着所述热开关组件和所述冷却板之间的所述热链路的位置处。2.根据权利要求1所述的低温冷却系统，其中，所述吸附泵构造成响应于所述吸附泵的温度超过标称转变温度而关闭所述热开关组件的一个或多个气隙热开关，并且其中，所述吸附泵与所述冷却板热联接，从而在所述低温制冷器的操作期间将所述吸附泵的温度冷却至低于所述标称转变温度。3.根据权利要求2所述的低温冷却系统，其中，所述吸附泵与所述冷却板热联接，从而将所述吸附泵的温度维持成低于所述标称转变温度而不依赖于所述目标组件的温度。4.根据权利要求2或3所述的低温冷却系统，其中，所述标称转变温度在4开尔文和30开尔文之间，并且优选在15开尔文和25开尔文之间。5.根据权利要求2至4中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述目标组件包括与目标加热器和所述目标制冷器热联接的目标板，其中，所述吸附泵与所述冷却板热联接，从而在所述目标加热器的操作期间将所述吸附泵的温度维持成低于所述标称转变温度。6.根据权利要求5所述的低温冷却系统，其中，所述目标加热器的所述操作将所述目标板的温度升高至高于所述标称转变温度。7.根据权利要求1至4中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述目标组件包括与目标加热器和所述目标制冷器热联接的目标板。8.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述吸附泵构造成打开和关闭所述热开关组件的每个所述气隙热开关。9.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，还包括吸附加热器，所述吸附加热器构造成向所述吸附泵施加局部加热。10.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述热链路包括第一连接构件和第二连接构件，其中，所述第一连接构件在所述热开关组件和所述吸附泵之间延伸，并且其中，所述第二连接构件在所述吸附泵和所述冷却板之间延伸。11.根据权利要求10所述的低温冷却系统，其中，所述第一连接构件包括在所述吸附泵与所述热开关组件的一个或多个气隙热开关之间输送气体的导管。12.根据权利要求10或11所述的低温冷却系统，其中，所述第二连接构件在4开尔文下具有1毫瓦每开尔文至50毫瓦每开尔文之间的热导率，并且优选具有5毫瓦每开尔文至10毫瓦每开尔文之间的热导率。13.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，还包括布置在所述冷却板与所述目标组件之间的一个或多个级，其中，每个级与所述热开关组件的一个或多个气隙热开关热联接。
14.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述低温制冷器是选自包括以下团组的机械制冷器，所述团组包括：脉冲管制冷器、斯特林制冷器和吉福德-麦克马洪制冷器。15.根据前述权利要求中任一项所述的低温冷却系统，其中，所述目标制冷器包括氦-3制冷器、稀释制冷器的蒸馏器或混合室、以及1开尔文罐中的任一种。16.一种操作根据前述权利要求中的任一项所述的低温冷却系统的方法，其中，所述吸附泵构造成响应于所述吸附泵的温度超过标称转变温度而将所述低温制冷器与所述目标组件热联接，所述方法包括以下步骤：a)将所述目标组件的温度从低于所述标称转变温度的第一温度升高至高于所述标称转变温度的第二温度；其中，使用所述热链路将所述吸附泵与所述低温制冷器热联接，以便在步骤(a)期间将所述吸附泵的所述温度维持成低于所述标称转变温度。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述低温冷却系统还包括与所述吸附泵热联接的吸附加热器，所述方法还包括在步骤(a)后执行以下步骤：b)操作所述吸附加热器，以便将所述吸附泵的温度升高至高于所述标称转变温度，从而将所述低温制冷器与所述目标组件热联接。18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述目标组件还包括目标加热器，并且其中，通过操作所述目标加热器来执行步骤(a)。19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述第一温度低于5开尔文。20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中，所述第二温度高于20开尔文。

技术总结

提供一种低温冷却系统，包括：与低温制冷器(9)热联接的冷却板(2)、热开关组件和目标组件(5)。目标组件(5)包括目标制冷器(12)，目标制冷器构造成获得低于低温制冷器(9)的基础温度。热开关组件(18)包括一个或多个气隙热开关，该热开关组件(18)具有与冷却板(2)热联接的第一端和与目标组件(5)热联接的第二端。吸附泵(22)设置成根据吸附泵(22)的温度来控制热开关组件(18)的热导率。吸附泵(22)通过从冷却板(2)延伸至热开关组件(18)的热链路46而与低温制冷器(9)热联接。吸附泵(22)布置在沿着热开关组件18和冷却板(2)之间的热链路(46)的位置处。位置处。位置处。