模块化低温冷却系统的制作方法

本发明涉及低温冷却系统。特别地，本发明涉及能够使大型低温冷却系统或低温平台的建造、操作、维护和后续修改更容易的结构和功能解决方案。

背景技术：

1、低温冷却系统是复杂的机器部件，其被设计成将目标区域或有效载荷体积冷却到非常低的温度并且将这样的条件维持期望的时间段。待冷却的有效载荷可以包含例如科学实验、量子计算机、测量装置和/或其它一些东西，其正确操作需要仅一些开尔文量级或甚至远低于一开尔文的温度。低温冷却系统也可以称为低温恒温器。在一些源中，名称低温冷却系统仅用于低温恒温器的产生低温的子系统，而低温恒温器另外地被说成包括其他子系统，如机械支撑、真空泵、辐射屏蔽、电缆布线等。在本文中，术语低温恒温器和低温冷却系统用作彼此的同义词，可能包括低温恒温器可能稍微更简单的解释，如具有单个冷源(机械冷却器或液体制冷剂浴)的真空罐，而低温冷却系统可能更精细，具有用于预冷却的外部冷源和达到最冷温度的内部冷源(例如稀释制冷机)。

2、图1是配备有稀释制冷机和机械预冷器的低温冷却系统的简化示意图。最外面的结构是图1中用虚线示出的真空罐101。最上面的法兰102是真空罐的盖子。机械预冷器的室温级103与其连接。机械预冷器的第一级104附接到第一法兰105，机械预冷器的第二级106附接到第二法兰107。第一法兰和第二法兰可以被称为例如50k法兰和4k法兰，反映了它们在运行期间的温度。

3、再往下有更多的法兰，如稀释制冷机的蒸发器109所连接的蒸发器法兰108。在图1中，稀释制冷机的混合室110连接到基温法兰111。参考标志符112示出了待冷藏的有效载荷，其通常被称为样品。它牢固地附着到基温法兰111以便确保尽可能良好的导热性。由于基温法兰111由在低温下可以很好地导热的材料制成，所以样品(或其它形式的有效载荷)可被附接到其任何部分。可以有称为冷指的延伸结构，其热耦合到混合室110，通过该结构可以提供用于有效载荷的更合适的附接位置。

4、为了图形清晰，图1中未示出的圆柱形平底辐射屏蔽件通常以嵌套构造附接到法兰，以便防止来自周围较高温度部件的辐射热到达内部较冷的部件。该结构可包括其它中间法兰，例如静止法兰108和基温法兰111之间的所谓的100mk法兰。对准的孔113、114和115可存在于法兰中，以与顶部的盖116一起提供到样品112的所谓的视线端口。

5、图2示出了低温冷却系统，其在其它方面与图1中的相同，但是包括用快速样品交换机构(通常简称为样品变换器)装载样品的可能性。它包括可连接到闸阀202上的负载锁201。图2中所示的系统是顶部装载型的，因此闸阀202在真空罐101的盖102中。样品保持器203位于细长探针204的下端，该探针可以沿其纵向方向(图1中的竖直方向)移动，以最终将样品保持器203附接在基温法兰上的目标区域205处的适当位置。底部装载型系统在真空罐底部具有闸阀，以便从下方装载样品。侧装载型系统也是已知的，其中样品装载器连接到真空罐的侧表面中的闸阀。

6、图1和2中示意性示出的传统类型的低温冷却系统大致具有独立橱柜的尺寸，其中基温法兰的直径为几十厘米的量级。在某些应用的框架中，特别是量子计算，需要越来越大的有效载荷体积和有效载荷占地面积。提供更大的有效载荷体积和/或占地面积(footprints)的直接方法是简单地按比例增大传统结构的尺寸。m.hollister,r.dhuley,g.tatkowski提出了一个大型低温冷却系统的示例：“费米实验室用于量子计算应用的大型毫开尔文平台”，可在https://arxiv.org/abs/2108.10816v1上获得。其中描述的低温恒温器的有效载荷体积是直径2米和高度1.5米。

7、另一种扩大低温恒温器有效载荷体积和占地面积的方法可以从互联网出版物https://www.cryoworld.com/projects/project-1/上找到。在上述方法中，圆柱形主真空室水平放置，并设有长4米、宽60厘米的液氦冷却的4开尔文基板。真空室侧面的矩形门使得内部可进入以便进行维护。

8、尽管有这些已知的尝试，但提供具有大有效载荷体积的低温冷却系统并非易事。特别地，期望提供能够以灵活的方式提供大型低温冷却系统的解决方案，该解决方案能够适应于关于冷却能力、冷却技术和基础温度以及有效载荷尺寸和形状的各种和变化的需求。

技术实现思路

1、一个目的是提供一种低温冷却系统，其具有大的且可灵活适应的有效载荷体积；允许在期望的温度阶段的大的有效载荷足迹；容易进入有效载荷区域和需要维修的部件；易于操作和维护；并且如果需要的话能够达到毫开尔文范围内或更低的温度。另一目的是低温冷却系统可灵活地适应于不同种类的需要。再一个目的是确保低温冷却系统在运行中是可靠的，然而可以以合理的成本制造、组装和运行。

2、这些和其它有利的目的通过使低温冷却系统或平台具有在所附权利要求中叙述的特征中的至少一些特征来实现。

3、根据一个方面，提供了一种低温冷却系统，其包括真空室、用于所述真空室中的冷却板的第一支撑系统和用于所述真空室中的热辐射屏蔽件的第二支撑系统。多个相互平行的冷却板连接到所述第一支撑系统并由其支撑，所述冷却板在第一方向上彼此移位。所述第一方向定义为垂直于所述冷却板的方向。多个至少部分嵌套的热辐射屏蔽件连接到所述第二支撑系统并由其支撑。每个所述热辐射屏蔽件配置成屏蔽与对应的一个所述冷却板相邻的相应的子空间。所述冷却板中的至少第一冷却板是包括在所述第一方向上在同一水平上彼此相邻的两个或更多个区段的模块化冷却板，所述区段彼此独立地连接到所述第一支撑系统。

4、根据一个实施例，所述多个冷却板包括冷却板的有序序列，该有序序列构造成保持在形成从最高温度到最低温度的相应单调递减级数的温度下。然后，在所述序列中较高的至少一个冷却板可以从所述第一支撑系统移除，而不移除在所述序列中在它下面的任何冷却板。这涉及易于拆卸、组装和维修的优点。

5、根据实施例，模块化冷却板的所述区段的相互邻近的边缘不彼此接触。这涉及如下优点，即可以根据需要设计冷却板模块之间的热耦合。

6、根据一个实施例，连接构件将所述区段的所述相互邻近的边缘彼此连接。这涉及如下优点，即可以根据需要设计冷却板模块之间的热耦合。

7、根据一个实施例，所述连接构件包括不锈钢带、热连接块或搁板支撑件中的至少一个，所述搁板支撑件是所述第一支撑系统的一部分并且通过其相邻边缘支撑所述区段。这具有的优点是，可以实现结构上的协同作用和/或可以可靠地和以明确限定的方式设计热耦合。

8、根据一个实施例，屏蔽邻近所述模块化冷却板的子空间的一个所述热辐射屏蔽件与至少一个所述区段热绝缘。这带来的优点是，如果需要，它们的温度可以单独设置。

9、根据一个实施例，低温冷却系统包括第一专用冷源和第二专用冷源，第一专用冷源配置成冷却至少一些所述热辐射屏蔽件而不冷却任何一个所述冷却板，第二专用冷源配置成冷却至少一些所述冷却板而不冷却任何一个所述热辐射屏蔽件。这包括以下优点，即，可以有效地使用冷却功率，并且可以根据需要选择各个部件的温度。而且，这允许交换冷源并选择用于冷源的期望技术。

10、根据一个实施例，低温冷却系统包括第一稀释制冷机和第二稀释制冷机。所述第一稀释制冷机可以构造成冷却位于一个所述冷却板上的目标区域的第一子区段，并且所述第二稀释制冷机可以构造成冷却所述目标区域的与所述第一子区段绝热的第二子区段。这包括的优点是有效载荷可以被有效地冷却到期望的温度。

11、根据一个实施例，所述目标区域的所述第一子区段包括所述目标区域与所述低温冷却系统的较热部分之间的连接的热化级，并且所述目标区域的所述第二子区段包括有效载荷区域。这包括的优点是有效载荷可以被有效地冷却到期望的温度。

12、根据一个实施例，真空室具有顶部、底部和在所述顶部和底部之间的多个连接的侧表面，所述侧表面中的至少一个是平坦表面。这包括这样的优点，即可以相对简单地构建到真空室的大的入口和耦合接口。

13、根据一个实施例，真空室在垂直于所述第一方向的平面中具有恒定的多边形横截面。这包括的优点是，结构几何形状可以以通用的方式用于建造大型系统。

14、根据一个实施例，所述热辐射屏蔽件的至少一个子集具有与所述真空室类似形状的横截面。这包括结构优点，特别是当几个模块组合成更大的单元时。另外，这样可以有效地利用可用空间。

15、根据一个实施例，所述热辐射屏蔽件的至少一个子集包括片状部分，该片状部分可释放地连接到第二支撑系统并彼此可释放地连接。这包括的优点是，仅仅热辐射屏蔽件的期望部分需要被拆卸以接近系统的期望的内部部分。

16、根据一个实施例，所述真空室是第一真空室，其构成第一真空模块，所述第一支撑系统和所述第二支撑系统位于所述第一真空模块中。所述多个冷却板可以是第一多个冷却板，位于所述第一真空室内并由所述第一支撑系统支撑。所述多个热辐射屏蔽件于是可以是位于所述第一真空室中并由所述第二支撑系统支撑的第一多个热辐射屏蔽件。低温冷却系统于是可以包括第二真空室、用于所述第二真空室中的冷却板的第三支撑系统、以及用于所述第二真空室中的热辐射屏蔽件的第四支撑系统。低温冷却系统可包括连接到所述第三支撑系统并由此支撑的第二多个相互平行的冷却板，所述第二多个相互平行的冷却板在所述第一方向上彼此移位。低温冷却系统可包括连接到所述第四支撑系统并由其支撑的第二多个至少部分嵌套的热辐射屏蔽件，每个所述热辐射屏蔽件构造成屏蔽与所述第二多个冷却板中的相应的一个冷却板相邻的相应的子空间。低温冷却系统可包括至少一个相互连接，其为以下中的至少一个：将所述第一真空室和第二真空室一起连接到公共真空空间中的开口；位于所述第一多个热辐射屏蔽件与所述第二多个热辐射屏蔽件之间导热连接；在所述第一多个冷却板和所述第二多个冷却板之间的导热连接。这带来的优点是，系统可以以模块化的方式扩展。

17、根据一个实施例，第一真空室和第二真空室中的每一个具有顶部、底部和在所述顶部和底部之间的多个连接的侧表面，第一真空室和第二真空室中的每一个中的至少一个侧表面是平坦表面。第一真空室和第二真空室然后可以彼此相邻，其中所述平坦侧表面彼此抵靠，并且所述相互连接可以穿过所述平坦侧表面是其一部分的界面。这包括这样的优点，即模块化扩展的系统可以具有相对简单的整体结构，并且资源可以在不同的模块之间共享。

18、根据一个实施例，第一真空室和第二真空室具有直接彼此连接的所述平坦侧表面，并且所述平坦侧表面中的开口传递所述相互连接。这包括这样的优点，即模块化扩展的系统可以具有相对简单的整体结构，并且资源可以在不同的模块之间共享。

19、根据一个实施例，第一真空室和第二真空室定位成所述平坦侧表面以一定距离彼此面对，并且所述平坦侧表面之间的一个或多个导管传递所述相互连接。这包括更大系统的模块可以更自由地放置的优点。

20、根据一个实施例，所述第一真空室和第二真空室共享至少一个公共外部支撑系统，该公共外部支撑系统包括以下中的至少一个：机械支撑、真空泵、气体循环系统、低温液体循环系统、操作电源、控制电子设备、通信连接。这带来的优点是，即使是大的模块化系统也可以以相对紧凑的方式构建。