BESCHREIBUNG

Kryo-Detektorvorrichtung mit Temperaturstabilisierungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Kryo-Detektorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Aus der DE 103 17 888.0 A ist eine Kryo-Detektorvorrichtung bekannt, bei der eine Sensoreinrichtung mit einer mechanischen Kühleinrichtung auf die gewünschte Kühltemperatur T _min κ gekühlt wird. Bei der Kühlung der mechanischen Kühleinrichtung kommt es zu Temperaturschwankungen IAT ₁ am Kaltkopf der Kühleinrichtung. Für bestimmte Sensoreinrichtungen bzw. für bestimmte Anwendungen, z.B. supraleitende Strahlungsdetektoren mit hoher Energieauflösung, sind derartige Temperaturschwankungen nicht tolerierbar. Aus der DE 103 17 888.0 A ist es bekannt ein Heizelement vorzusehen, das thermisch mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist. Damit können durch Gegenheizen die kleinen störenden Temperaturschwankungen IAT ₁ verringert werden. Durch diese Temperaturstabilisierung kann die Sensor- einrichtung auf eine Betriebstemperatur T ₃ = T _mιnK ± AT ₂ mit AT ₂ < AT ₁ stabilisiert werden.

Alternativ oder zusätzlich lassen sie die störenden Temperaturschwankungen IAT ₁ auch dadurch dämpfen, das der Kaltkopf der mechanischen Kühleinrichtung thermisch direkt mit einer großen Wärmekapazität gekoppelt wird. Koppelt man die Wärmekapazität schwach an den Kaltkopf an, so kann man die Temperaturschwankungen ±δTi weiter reduzieren. Nachteilig hierbei ist, dass es sehr lange dauert, bis alles von Raumtemperatur auf die gewünschte Temperatur abgekühlt ist.

Ausgehend von der DE 103 17 888.0 A ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kryo-Detektorvorrichtung mit einer mechanischen Kühleinrichtung und einer Temperaturstabilisierung anzugeben, bei der die bei mechanischen Kühleinrichtungen auftretenden Temperaturschwankun- gen wesentlich reduziert werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Mittels einer Entmagnetisierungsstufe (EM-Stufe) können die durch die

Kühleinrichtung, insbesondere im Falle einer mechanischen Kühleinrichtung, auftretenden Temperaturschwankungen kompensiert werden. Die EM- Stufe ist hierbei thermisch mit der Sensoreinrichtung und/oder dem Kaltkopf gekoppelt. Bei einer EM-Stufe werden durch Anlegen eines Magnetfeldes die magnetischen Momente eines paramagnetischen Materials, z.B. eines paramagnetischen Salzes, zumindest teilweise ausgerichtet. Bei dieser Magnetisierung wird Wärme frei, die üblicherweise durch eine Vorkühlstufe abgeführt wird. Wird nun das Magnetfeld abgesenkt, wird die Ausrichtung der magnetischen Momente wieder aufgehoben. Die hierzu notwendige E- nergie wird dem Material entzogen, das Material kühlt sich ab.

Bei der vorliegenden Erfindung kann nun sowohl die üblicherweise genutzte Kühlwirkung einer EM-Stufe als auch deren „Heizwirkung" beim Hochfahren des Magnetfeldes genutzt werden. Durch Hochfahren des Mag- netfeldes wirkt die EM-Stufe als „Heizeinrichtung" und durch Absenken des

Magnetfeldes wirkt die EM-Stufe als Kühleinrichtung.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 kann dieses Hochfahren und Absenken des Magnetfeldes im Gegentakt zu den Tempe- raturschwankungen IAT ₁ der mechanischen Kühleinrichtung durchgeführt

werden, so dass die Temperaturschwankungen im Gegentakt kompensiert werden. Die Frequenz dieser Temperaturschwankung IAT ₁ liegt hier in einem Bereich von 1 bis 100 Hz. Folglich muss auch das Magnetfeld im Gegentakt mit dieser Frequenz hochgefahren und abgesenkt werden. Generell funktioniert das Verfahren jedoch auch für beliebige Störungen der Gleichgewichtstemperatur mit Zeitkonstanten bis hin zu ms.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die EM-Stufe und/oder die Sensoreinrichtung schwach an die Kühleinrichtung gekoppelt. Durch diese schwache Kopplung werden Temperaturschwankungen gedämpft. Bei Kopplung an die Sensoreinrichtung sind die Leistungsanforderungen an die EM-Stufe reduziert. Damit reduziert sich auch die Baugröße von Magnet, Salzpille etc. Bei Kopplung an die Kühleinrichtung wird eine höhere Leistung benötigt, die Position der Sensoreinrichtung ist jedoch beliebig, da alle Teile im Gleichgewicht gehalten werden.

Durch die weitere vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 5 umfasst die Temperaturstabilisierung ein Heizelement, das thermisch mit der Sensoreinrichtung und/oder dem Kaltkopf und/oder der EM-Stufe gekoppelt ist. Durch diese Heizeinrichtung wird der Arbeitspunkt der EM-Stufe festgelegt. Es wird erreicht, dass die EM-Stufe in ihrem dynamischen Bereich gehalten wird, d.h. heißt dass das benötigte Magnetfeld weder zu hoch noch zu niedrig wird.

Durch die schwache thermische Kopplung des Heizelements an die

Sensoreinrichtung und/oder die EM-Stufe wird die Temperaturstabilisierung zusätzlich verbessert - Anspruch 6.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 7 kann auch das Heizelement im Gegentakt zu der Temperaturschwankung gepulst sein.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Sensoreinrichtung thermisch an den Kaltkopf einer mechanischen Kühleinrichtung gekoppelt ist und bei der die Sensoreinrichtung thermisch mit einer Temperaturstabilisierungseinrichtung in Form einer adiabatischen Entmag- netisierungsstufe (EM-Stufe) gekoppelt ist.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die eine Variation der ersten Ausführungsform darstellt und lediglich eine zusätzliche thermische Kopplung aufweist,

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anordnung von Sensoreinrichtung und EM-Stufe im Vergleich zu der ersten und der zweiten Ausführungsform vertauscht ist,

Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform als Variation der dritten

Ausführungsform,

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform, bei der zusätzlich ein

Heizelement mit der Sensoreinrichtung gekoppelt ist.

In der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung werden identische Komponenten bzw. einander entsprechende Komponen- ten mit identischen Bezugszeichen versehen.

Die erste Ausführungsform nach Fig. 1 weist eine Sensoreinrichtung 2 auf, die über eine erste thermische Kopplungseinrichtung 4 mit einem Kaltkopf 6, einer nicht näher dargestellten mechanischen Kühleinrichtung verbunden ist. über eine zweite thermische Kopplungseinrichtung 8 ist die Sen- soreinrichtung 2 mit einer Entmagnetisierungsstufe bzw. EM-Stufe 10 verbunden.

Durch die nicht näher dargestellte mechanische Kühleinrichtung wird der Kaltkopf 6 auf eine minimale Kühltemperatur T _m mK abgekühlt. Aufgrund der Eigenheiten der mechanischen Kühleinrichtungen schwankt die minimale Kühltemperatur T _mm um eine erste Temperaturdifferenz ±δT-ι. δTi ist hierbei in der Größenordnung von 0,1 K. Durch die schwache thermische Kopplung der Sensoreinrichtung 2 an den Kaltkopf 6 wird diese Temperaturschwankung gedämpft auf die Sensoreinrichtung 2 übertragen. Um diese Temperaturschwankung ±δTi auszugleichen wird eine Temperaturstabilisierungseinrichtung in Form der EM-Stufe 10 bereitgestellt. Hierzu wird die EM- Stufe 10 die über die zweite thermische Kopplungseinrichtung 8 mit der Sensoreinrichtung 2 thermisch verbunden ist im Gegentakt zu der Temperaturschwankung ±δTi des Kaltkopfes 6 um ±δT _K gekühlt bzw. „aufgeheizt", d.h. das Magnetfeld der EM-Stufe 10 wird hochgefahren - Kühlung - oder abgesenkt - Heizung . Dieses Hochfahren bzw. Absenken des Magnetfeldes der EM-Stufe 10 erfolgt im Gegentakt mit der gleichen Frequenz mit der die minimale Kühltemperatur T _m ι _n κ schwankt. Vorzugsweise erfolgt die Kühlung bzw. Heizung durch die EM-Stufe 10 so das gilt AT ₁ = δT _K , d. h. die Tempe- raturschwankung ±δTi der mechanischen Kühleinrichtung bzw. des Kaltkopfes 6 wird durch die EM-Stufe 10 völlig ausgeglichen.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch unterscheidet, dass die EM- Stufe 10 zusätzlich über eine dritte thermische Kopplungseinrichtung 12 mit dem Kaltkopf 6 verbunden ist. Diese zusätzliche Kopplung 12 zwischen EM- Stufe 10 und Kältekopf 6 hat den Vorteil, dass man den dynamischen Bereich der EM Stufe einstellen kann.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die

Anordnung von EM-Stufe 10 und Sensoreinrichtung 2 in Bezug auf den Kaltkopf 6 ihren Platz getauscht haben. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die EM-Stufe baulich klein und kompakt ausgeführt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Variation der dritten Ausführungsform nach Fig. 3.

Hierbei ist der Kaltkopf 6 über eine vierte thermische Kopplungseinrichtung 14 mit der Sensoreinrichtung 2 verbunden. Diese Ausgestaltung kann von Vorteil sein, wenn eine EM-Stufe 10 mit hoher Kühlleistung eingesetzt wird.

Fig. 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei der die Sensoreinrichtung 2 und die EM-Stufe 10 unabhängig voneinander thermisch über eine erste und eine zweite thermische Kopplungseinrichtung 4 bzw. 8 mit dem Kaltkopf 6 verbunden sind. Auch diese Ausgestaltung kann von Vorteil sein, wenn eine EM-Stufe 10 mit hoher Kühlleistung eingesetzt wird.

Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass an die Sensoreinrichtung 2 über eine fünfte thermische Kopplungseinrichtung 16 ein Heizelement 18 mit der Sensoreinrichtung 2 verbunden ist. Durch das Heizelement 18 kann zum einen die gewünschte minimale Kühltemperatur T _min κ nach oben verschoben werden und zum anderen kann ebenfalls im Gegentakt den Temperaturschwankungen ±δTi entgegengewirkt werden.

Der Haupteffekt des Heizelements 18 besteht jedoch darin, dass er den

Arbeitspunkt der EM-Stufe einstellt. Damit wird erreicht, dass die EM-Stufe nicht ihren dynamischen Bereich verlässt.

Bezugszeichenliste:

2 Sensoreinrichtung

4 erste thermische Kopplung

6 Kaltkopf 8 zweite thermische Kopplung

10 EM-Stufe

12 dritte thermische Kopplung

14 vierte thermische Kopplungseinrichtung

16 fünfte thermische Kopplung 18 Heizelement