Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Kryostaten nach Anspruch 1 für Expe rimente bei Temperaturen im Bereich von kleiner 2 K.

Kryostaten und insbesondere Entmischungskryostaten für Temperaturen im Be reich von kleiner 2 K werden zurzeit im Wesentlichen für die Entwicklung von Quanten computern und Quantenkommunikationsgeräten benötigt und gebaut. Dabei ist die An ordnung der einzelnen Temperaturniveaus bzw. Kälteplatten und damit auch die Anord nung Experimentierplätze durch die vertikale Anordnung herkömmlicher Kryostate ge geben.

Fig. 7a und 7b zeigen schematisch einen Entmischungskryostaten nach dem Stand der Technik mit hängendem, vertikalem Aufbau. Der Entmischungskryostat nach Fig. 7 umfasst sechs Kühlstufen 2-1 bis 2-6 mit vier Experimentierplätzen 4-1 bis 4-4. Der Bereich der Raumtemperatur ist nicht als Experimentierplatz ausgestattet. Die Temperaturniveaus der sechs Kühlstufen 2-i werden durch drei nicht näher spezifizierte Kühleinrichtungen bereitgestellt.

Eine nicht näher dargestellte erste Kühleinrichtung, z. B. eine erste Stufe eines GM-Kühlers, umfasst eine erste Kälteplatte 8-1 mit dem unter der ersten Kälteplatte 8-1 angeordneten erstem Experimentierplatz 4-1. Die erste Kühlstufe 2-1 stellt ein Tempe raturniveau von ca. 50 K für den ersten Experimentierplatz 4-1 bereit.

Eine nicht näher dargestellte zweite Kühleinrichtung, z. B. eine zweite Stufe des GM-Kühlers, umfasst eine unter dem ersten Experimentierplatz 4-1 angeordnet zweite Kälteplatte 8-2. Die zweite Kälteplatte 8-2 bzw. die zweiten Kühlstufe 2-2 befindet sich auf einem Temperaturniveau von ca. 4 K. Unter der zweiten Kälteplatte 8-2 ist der zwei ter Experimentierplatz 4-2 auf dem Temperaturniveau der zweiten Kühlstufe 2-2 ange ordnet. Unter dem zweiten Experimentierplatz 4-2 ist eine dritte Kälteplatte 8-3 einer dritten Kühlstufe 2-3 mit einem Temperaturniveau von ca. 1 K angeordnet, die von einer nicht näher dargestellten dritten Kühleinrichtung, z. B. einer Joule-Thomson-Stufe, ge kühlt wird.

Eine nicht näher dargestellte vierte Kühleinrichtung, z. B. ein ³ He/ ⁴ He- Entmischungskühler, stellt die Temperaturniveaus der vierten, fünften und sechsten Kühlstufe 2-4, 2-5 und 2-6 bereit. Zwischen der vierten Kälteplatte 8-4 und der fünften Kälteplatte 8-5 ist der dritte Experimentierplatz 4-3 auf der vierten Kühlstufe 2-4 vorge sehen. Unter dem dritten Experimentierplatz 4-3 und unter der fünften Kälteplatte 8-5 ist eine sechste Kälteplatte 8-6, der tiefsten Kühlstufe 2-6 vorgesehen. Das Temperaturni veau der vierten Kälteplatte 8-4 liegt im Bereich zwischen 500 und 700 mK, das Tempe raturniveau der fünften Kälteplatte 8-5 liegt zwischen 100 und 200 mK und das tiefste Temperaturniveau der sechsten Kälteplatte 8-6 und dem darunter angeordneten vierten Experimentierplatz 4-4 liegt im Bereich <100 mK.

Die gesamte Anordnung ist in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet. In dem Va kuumbehälter 10 werden alle sechs Kühlstufen 2-1 bis 2-6 von einem ersten Wärme schild 12-1 umhüllt. Innerhalb des ersten Wärmeschilds 12-1 werden die zweite bis sechste Kühlstufe 6-2 bis 6-6 von einem zweiten Wärmeschild 12-2 umhüllt. Innerhalb des zweiten Wärmeschilds 12-2 werden die vierte bis sechste Kühlstufe 2-4 bis 2-6 von einem dritten Wärmeschild 12-3 umhüllt. Die tiefste sechste Kühlstufe 2-6 wird von ei nem vierten Wärmeschild 12-4 abgeschirmt.

Diese herkömmliche Anordnung hat den Vorteil, dass die einzelnen Temperaturni veaus wie Zwiebelschalen ineinander liegen und einfach herzustellen sind - siehe Fig. 7b. Allerdings werden diese bekannten Kryostaten durch die steigenden Anforderungen in Bezug auf Experimentierplatz auf den einzelnen Stufen relativ groß und vor allem hoch bzw. lang. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeschilde immer länger werden und man muss diese entweder teilen und man muss unterhalb des Apparates sehr viel Platz vorsehen, um diese Wärmeschilde abnehmen zu können, um an die Experimentierplät ze zu kommen. Weiterhin müssen alle Aufbauten auf den einzelnen Stufen hängend vorgenommen werden, da innerhalb der Wärmeschilder unter der Kälteplatte des ent sprechenden Temperaturniveaus Experimentierplätze vorgesehen sind.

Aus dem Artikel von Kurt Uhlig„Concepts for a low-vibration and cryogen-free tab- letop dilution refrigerator“ in Cryogencis 87 (2017) 29-34 ist ein sogenannter Tabletop- Entmischungskryostat beschrieben, der durch die Anordnung von Still und Mischkam mer ein geringeres Bauvolumen ermöglicht, jedoch den gleichen Nachteil wie der Stand der Technik nach Fig. 7 aufweist, nämlich, dass die einzelnen Kälteplatten bzw. Expe rimentierplätze nur seitlich zugänglich sind.

Aus der DE 102014015665B4 ist ein optischer Tisch bekannt, der eine einzelne in die Tischplatte integrierte Kälteplatte aufweist.

Aus der DE102016214731 B3, der DE 102005041383A1 und auch der

DE102011115303A1 sind NMR-Apparaturen bzw. Tieftemperaturvorrichtungen be kannt, bei denen Probenkopfkomponenten auf unterschiedlichen Temperaturniveaus von oben betrachtet unter- bzw. übereinander angeordnet sind. Aus der

DE102011115303A1 ist der Zeichnung zu entnehmen, dass zwei Probenköpfe horizon tal und vertikal versetzt zueinander angeordnet sind. Schriftliche Erläuterungen hierzu sind der DE102011115303A1 nicht zu entnehmen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kryostaten anzugeben, der eine verbesserte Zugänglichkeit der Experimentierplätze ermöglicht und gleichzeitig ein geringeres Bauvolumen benötigt.

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

Dadurch, dass die Experimentierplätze nicht untereinander, sondern nebeneinan der angeordnet sind, sind diese nach Abnahme der jeweiligen Wärmeschilde von oben und von der Seite zugänglich, während sie beim Stand der Technik nur von der Seite zugänglich sind. Dies vereinfacht verschiedene Experimente und im Allgemeinen die Handhabung des Kryostaten im Einsatz. Durch die Nebeinanderanordung der Experi- mentierplätze verringert sich auch die Bauhöhe des Kryostaten erheblich und es ist möglich den Kryostaten in Laborräumen mit Standardhöhe zu betreiben, was bei Kryos taten mit vertikal hängender Anordnung nicht möglich ist. Zwar kann die Nebeneinan- deranordung der Experimentierplätze zu großflächigeren Wärmeschildern führen, je doch wird dieser Nachteil (zum Betrieb erhöhte Kühlleistung der verschiedenen Kühler notwendig) durch die Möglichkeit des Einsatzes in Laborräumen mit Standardhöhe in Kauf genommen.

Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird bei der Nebenei nanderanordnung der Experimentierplätze darauf geachtet, dass diese von oben und von einer Seite zugänglich sind.

Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 oder 4 werden durch einen Mischungskühler mehrere Kühlstufen bedient.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 5 bis 7 betreffen geeignete Kühleinrichtungen für den Kryostaten.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 stellt eine einfache Nebeneinanderordnung der Experimentierplätze dar, wobei diese sich noch auf unter schiedlichem Temperaturniveau befinden.

Durch die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 werden ne beneinander angeordnete Experimentierplätze bereitgestellt, die sich in etwa auf dem selben Höhenniveau befinden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.

Kurzbeschreibung der Figuren Fig. 1 a und 1 b zeigen schematisch den Grundgedanken der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2a und 2b zeigen die geometrische Struktur einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 zeigt die geometrische Struktur einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Wärmeschilder bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3;

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit den nebeneinander an geordneten Experimentierplätzen in einer Ebene;

Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung bei der ein GM-Kühler den Vakuumbehälter von unten durchsetzt, und

Fig. 7a und 7b zeigen einen Kryostaten nach dem Stand der Technik.

Die Figuren 1 a und 1 b zeigen schematisch das Grundprinzip der vorliegenden Er findung, die Nebeneinanderanordnung von fünf Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 auf den Kälteplatten 8-1 bis 8-5 in einer Ebene. Die fünf Experimentierplatze 4-1 bis 4-5, die sich auf dem Kühlstufen 2-1 bis 2-5 mit den zugehörigen Temperaturen, Raumtempera tur 50 K, 4 K, 700 mK und 100 mK befinden.

Fig. 1 a zeigt die nebeneinander angeordneten Experimentierplätze von der Seite und damit quasi das Volumen der Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 über der jeweiligen Kälteplatte 8-1 bis 8-5 und Fig. 1 b zeigt eine Aufsicht auf die Darstellung nach Fig. 1 .

Fig. 2a und 2b zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der erfin dungsgemäße Kryostat eine rechteckige Querschnittsform aufweist und die einzelnen nebeneinander in einer Ebene angeordneten Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 L-förmig ineinander geschachtelt sind; mit dem fünften Experimentierplatz 4-5 als Kubus.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Grundstruktur kreisförmig bzw. zylindrisch ist und die einzelnen Experimentierplätze 4-1 bis 4-5 einan der umgeben.

Fig. 4 stellt eine mögliche Anordnung vier Wärmeschilden 32-1 bis 32-4 zu den einzelnen Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 dar.

Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Die einzelnen Komponen ten des Kryostats sind in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet. Der Vakuumbehälter 10 umfasst eine Grundplatte 20 auf der eine seitliche Umrandung 22 angeordnet ist, wodurch sich eine Wanne 24 ergibt. Auf der linken Seite der Wanne 24 erstreckt sich ein Pulsrohrkühler 26 in die Wanne 24 hinein. Die rechte Seite der seitlichen Umran dung 22 stützt eine erste Teilkälteplatte 30-1 auf Raumtemperatur. Auf der ersten Teil kälteplatte 30-1 ist ein erster Experimentierplatz 4-1 angeordnet. Der erste Experimen tierplatz 4-1 wird durch einen ersten Wärmeschild 32-1 umhüllt und befindet sich auf Raumtemperatur. Der gesamte Vakuumbehälter 10 stellt den ersten Wärmeschild 32-1 dar.

Durch Stützelemente 28 beabstandet von der Grundplatte 20 ist eine zweite Käl teplatte 8-2 vorgesehen, die im thermischen Kontakt zu dem Pulsrohrkühler 26 steht und ebenfalls eine seitliche Umrandung 22 aufweist. Im rechten Randbereich der zwei ten Kälteplatte 8-2 stützt ein Stützelement 28 eine nach oben versetzte zweite Teilkäl teplatte 30-2 die sich in der Ebene der ersten Teilkälteplatte 30-1 befindet. Die zweite Kälteplatte 8-2 und die zweite Teilkälteplatte 30-2 befinden sich auf einem zweiten Temperaturniveau von ca. 50 K. Auf bzw. über der zweiten Teilkälteplatte 30-2 befindet sich ein zweiter Experimentierplatz 4-2. Ausgehend von der zweiten Kälteplatte 8-2 um schließt ein zweiter Wärmeschild 32-2 den zweiten Experimentierplatz 4-2.

Wiederum durch Stützelemente 28 beabstandet ist auf der zweiten Kälteplatte 8-2 eine dritte Kälteplatte 8-3 angeordnet, die wiederum thermisch mit dem Pulsrohrkühler 26 gekoppelt ist und ein Temperaturniveau von ca. 4 K bereitstellt. Ein Stützelement 28 an der rechten Seite der dritten Kälteplatte 8-3 trägt eine dritte nach oben versetzte Teilkälteplatte 30-3. Die dritte Teilkälteplatte 30-3 befindet sich in der Ebene der zwei ten und ersten Teilkälteplatten 30-1 und 30-2. Auf bzw. über der dritten Teilkälteplatte 30-3 ist ein dritter Experimentierplatz 4-3 mit einem Temperaturniveau von ca. 4 K an geordnet. Ausgehend von der dritten Kälteplatte 8-3 umschließt ein dritter Wärmeschild 32-3 den dritten Experimentierplatz 4-3.

Wiederum beabstandet durch Stützelemente 28 ist über der dritten Kälteplatte 8-3 ist eine vierte Kälteplatte 8-4 angeordnet, auf der die Komponenten eines ³ He/ ⁴ He- Entmischungskühlers 34 angeordnet sind. Auf der rechten Seite der der vierten Kälte platte 8-4 stützt ein Stützelement 28 eine nach oben versetzte vierte Teilkälteplatte 30-4 auf dem Höhenniveau der anderen Teilkälteplatten 30-1 bis 30-3.

Durch weitere Stützelemente bzw. Stützwände 28 ist über der vierten Kälteplatte 8-4 eine fünfte Kälteplatte 8-5 auf dem Höhenniveau der Teilkälteplatten 30-i auf dem tiefsten Temperaturniveau von ca. 30 mK angeordnet. Über bzw. auf der fünften Kälte platte 8-5 ist ein fünfter Experimentierplatz 4-5 angeordnet. Ausgehend von der fünften Kälteplatte 8-5 umschließt ein fünfter Wärmeschild 32-5 den fünften Experimentierplatz 8-5.

Der ³ He/ ⁴ He-Entmischungskühler 34 zwischen der vierten und fünften Kälteplatte 8-4, 8-5 umfasst eine Still 36 mit konzentrischem Wärmetauscher 38, eine Mischkam mer 40 und Anschlüsse 42. Die Still ist thermisch mit der vierten Kälteplatte 8-4 und der vierten Teilkälteplatte 30-4 gekoppelt. Die Mischkammer 40 ist thermisch mit der fünften Kälteplatte 8-5 gekoppelt.

The thermische Kopplung der einzelnen Kälteplatten 8-i mit den Teilkälteplatten 30-i und dem Pulsrohrkühler 26 bzw. dem ³ He/ ⁴ He-Entmischungskühler 34 erfolgt über Wärmeleiter 44. Der Pulsrohrkühler 26 ist über eine Vibrationsentkopplung 46 in dem Vakuumbehälter 10 montiert. Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform nach Fig. 5 dadurch unterscheidet, dass anstelle eines Pulsrohrküh lers, der den Vakuumbehälter 10 seitlich von durchsetzt, ein GM-Kühler 48 von unten in etwa mittig zur fünften Kälteplatte 8-5 den Vakuumbehälter 10 durchsetzt. Der GM- Kühler 48 durchsetzt auch eine Öffnung in der zweiten Kälteplatte 8-2, so dass die thermische Kopplung mit der dritten Wärmeplatte erfolgen kann. Durch den Einbau des GM-Kühlers 48 von unten ergibt sich eine etwas schmälere, dafür aber etwas höhere Bauform.

Wie aus den Schnittdarstellungen in Fig. 5 und 6 zu ersehen ist, ermöglicht die Nebeneinanderanordnung der Experimentierplätze 4-i eine wesentlich niedrige Bau form. Durch die geringe Bauhöhe des Kryostaten ist es möglich den Kryostaten in La borräumen mit Standardhöhe zu betreiben, was bei Kryostaten mit vertikal hängender Anordnung nicht möglich ist. Zwar kann die Nebeneinanderanordung der Experimen tierplätze zu großflächigeren Wärmeschildern führen, jedoch wird dieser Nachteil (zum Betrieb erhöhte Kühlleistung der verschiedenen Kühler notwendig) durch die Möglich keit des Einsatzes in Laborräumen mit Standardhöhe in Kauf genommen.

Bezugszeichenliste: -i Kühlstufen

-i Experimentierplätze

-i Kälteplatten

0 Vakuumbehälter

2-i Wärmeschilder

0 Grundplatte

2 seitliche Umrandung von 20, 8-24 Wanne

6 Pulsrohrkühler

8 Stützelmente

0-i Teilkälteplatte

2-i Wärmeschild

4 ³ He/ ⁴ He-Entmischungskühlers6 Still

8 konzentrischer Wärmetauscher0 Mischkammer

2 Anschlüsse von 34

4 Wärmeleiter

6 Vibrationsentkopplung

8 GM-Kühler