WO2001035034A1 - Cryogenic cooling device - Google Patents

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WO2001035034A1
WO2001035034A1 PCT/EP2000/011143 EP0011143W WO0135034A1 WO 2001035034 A1 WO2001035034 A1 WO 2001035034A1 EP 0011143 W EP0011143 W EP 0011143W WO 0135034 A1 WO0135034 A1 WO 0135034A1
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WO
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temperature
cooling device
pulse tube
cooling
low
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PCT/EP2000/011143
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German (de)
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Inventor
Jens HÖHNE
Original Assignee
Csp Cryogenic Spectrometers Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1408—Pulse-tube cycles with pulse tube having U-turn or L-turn type geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface

Definitions

  • the invention relates to a low-temperature cooling device according to claims 1 and 2.
  • cooling devices have a wide range of uses due to the use of one or more pulse tube coolers and are preferably used as mobile cooling devices which allow cooling to low or very low temperatures at any location.
  • a cooling device according to the invention is therefore suitable, for example, for cooling components made of high-temperature superconductors, such as SQUIDs, for cooling semiconductor components, such as infrared detectors or high-speed circuits for very fast data processing, or also for cooling sensors based on a low-temperature effect.
  • a device for cooling a superconducting magnet system housed in a cryostat which uses a two-stage pulse tube cooler system, as shown in FIG. 1.
  • a first pulse tube 20 has at its lower end a first cold head 24, which is connected on the one hand to a first regenerator and on the other hand to the magnet system 82 to be cooled.
  • a second pulse tube 30 has a second cold head 34, which is connected to a radiation shield 81 which surrounds the lower section of the first pulse tube 20 or the first cold head 24 and the magnet system 82, but is thermally insulated from the first pulse tube 20.
  • the pulse tube cooler system If the pulse tube cooler system is put into operation, heat or thermal energy is absorbed and dissipated at the first 24 and second 34 cold heads.
  • This cooling process which takes place approximately at room temperature, i.e. about 300 K, is shown schematically in Figure 2.
  • the second pulse tube 30 If the second pulse tube 30 is put into operation at the time tO, since its cooling capacity is optimized for higher temperatures, it reaches its target temperature of approximately 60 K on the second cold head 34 after a relatively short time t1, as shown by line 230.
  • the first pulse tube 20 since its cooling capacity is optimized for lower temperatures, the first pulse tube 20 only reaches a temperature of approximately 60 K at the first cold head 24 later by ⁇ t t2, as shown in line 220, and then after further cooling at time t3 to have a temperature of approximately 4K.
  • the cooling process on the first pulse tube especially in an initial cooling phase, in which relatively high temperatures are still present, takes a very long time.
  • the low-temperature cooling device according to a first aspect comprises: a first cooling device in the form of a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a first cold head for providing a first cooling area with a first temperature TE, and with a first regenerator, which has a first cold end section , which is connected to the first cold head of the first pulse tube; and a second cooling device with a second cooling area for providing a second temperature TZ1, which is higher than the first temperature TE.
  • the second cooling area can be thermally coupled to the first pulse tube and / or the first regenerator via a first heat switch.
  • the second cooling area is connected to the Most pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled can be thermally coupled.
  • the measure according to the invention makes it possible, in particular at the beginning of a "cold run" or a cooling process of the low-temperature cooling device, i.e. if the temperature of the cooling devices or the object to be cooled is still at a relatively high temperature, such as the room temperature, the second cooling area of the second cooling device via a first heat switch with the first pulse tube and / or the first regenerator and / or (in the case of the second aspect) to thermally couple the object to be cooled.
  • the cooling capacity of the second cooling device which is better or optimized for higher temperatures, can (additionally) be used in a relatively short time to also the first pulse tube cooler, the cooling capacity of which is more optimized for lower or lower temperatures Time to cool down to the temperature TZ1, which the second cooling area provides. If after a certain time the second cooling area and the corresponding components of the first pulse tube cooler or the object to be cooled, which are thermally coupled to it, are at the target temperature TZ1 of the second cooling area, the first heat switch is opened or brought into a non-heat-conducting state , and the first pulse tube cools down further to its first temperature or setpoint temperature TE at the first cold head. Thus, the cooling process of the low-temperature cooling device or the object to be cooled is accelerated.
  • the second cooling area can be thermally coupled via the first heat switch to the first cold head of the first pulse tube and / or the first cold end section of the first regenerator.
  • the coupling with the first cold head or the The first cold end section does not have to be directly at this, but can also take place in the vicinity thereof.
  • the low-temperature cooling device can furthermore have a third cooling device with a third cooling area for providing a third temperature TZ2, which is higher than the second temperature TZ1, the third cooling area having a second heat switch with the second cooling device, preferably on the second cooling device second cooling area, is thermally coupled.
  • a third cooling device with a third cooling area for providing a third temperature TZ2, which is higher than the second temperature TZ1, the third cooling area having a second heat switch with the second cooling device, preferably on the second cooling device second cooling area, is thermally coupled.
  • This measure allows a direct thermal connection from the third to the second cooling device or from there to the first pulse tube cooler. It is conceivable that the third cooling area can also be thermally coupled to the first pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled via a third heat switch.
  • the low-temperature cooling device can also have a third cooling device with a third cooling area for providing a third temperature TZ2, which is higher than the second temperature TZ1, here the third cooling area using a third heat switch with the first pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled can be thermally coupled.
  • This measure allows a direct thermal connection from the third to the first cooling device or the first pulse tube cooler.
  • the third cooling area can be thermally coupled to the first cold head of the first pulse tube and / or the first cold end section of the first regenerator via the third heat switch.
  • the coupling with the first cold head or the The first cold end section does not have to be directly at this one, but can also take place in the vicinity thereof.
  • a third cooling device permits a further staggering of the cooling devices in accordance with their cooling capacities optimized for certain temperatures or temperature ranges. This means that when the low-temperature cooling device is driven cold, starting from a temperature, such as room temperature, in a first cooling phase, the third cooling device can advantageously be thermally coupled to the first and second cooling devices in order to achieve better or optimized cooling performance for higher temperatures to use the third cooling device for rapid cooling down of the three cooling devices or the components connected to them.
  • the target temperature TZ2 of the third cooling device has been reached, the second or third heat switch is opened in order to allow the second and first cooling device to cool down further.
  • the second cooling device in particular the second cooling area, is thermally connected via the first heat switch to the first pulse tube cooler or the object to be cooled, in order to avoid the "medium" temperatures, ie temperatures below TZ2 to TZl to use better or optimized cooling performance of the second cooling device.
  • the better cooling performance of the second cooling device is used for rapid cooling down of the second and first cooling devices or the components connected to them. If the target temperature TZl of the second cooling device has been reached, the first heat switch is opened in order to allow the first cooling device or the object to be cooled to cool further to the target temperature TE in a third cooling phase.
  • thermo coupling via heat switch can be carried out analogously to the diagram shown above, in order to achieve a gradual cooling down of the entire low-temperature cooling device.
  • the better cooling performance of higher-level cooling devices at higher temperatures can then be used again in order to bring about rapid cooling.
  • the second cooling device has a second pulse tube cooler, on the pulse tube of which a second cold head is provided for providing the second cooling area with the temperature TZl. If, according to one of the above advantageous embodiments, a second heat switch is provided for interruptible thermal coupling of the third cooling area to the second cooling device, this coupling can be carried out on the entire second cooling device, i.e. the second pulse tube or the second regenerator, but in particular on or in the vicinity of the second cold head or on or in the vicinity of the second cold end section of the second regenerator.
  • the third cooling device can have a third pulse tube cooler, on the pulse tube of which a third cold head is provided for providing the third cooling area with the temperature TZ2. In a broader sense, as with the first or second pulse tube cooler, not only the respective cold head, but also the cold end section of the respective regenerator that is directly connected to the cold head, can be regarded as a cooling area.
  • the second cooling device and / or third cooling device has an electrical cooling device, such as a pelletizing element, in order to provide a second or third cooling area. It is also conceivable that the second and / or third cooling device has a cooling device based on cooled liquefied gases, such as a nitrogen cooler, or a mechanical cooling device such as a helium compression cooler.
  • the first, second and third heat switches are designed as a mechanical heat switch, as a gas heat switch or as a superconducting heat switch (cf. Frank Pobell: “Matter and methods at low temperatures", 2nd edition, Springer- Verlag 1996).
  • Mechanical heat switches are based on the principle that thermal, highly conductive input or output contact materials, such as metals (e.g. copper, brass, gold), are mechanically pressed together when pressure is applied. This creates a contact between the materials, so that a heat flow can flow in this closed state of the heat switch.
  • the thermal conductivity of this mechanical heat switch can be varied by changing the contact pressure. It is found to be particularly advantageous in the mechanical heat switch that when the contact materials are detached from one another, i.e. when there is no longer any mechanical contact between the contact materials, the heat switch is really open in this open state and does not allow any heat flow to flow through it.
  • the gas heat switch is based on the principle that a gas (for example hydrogen, nitrogen, etc.) is provided for the thermal coupling between two or more coupling parts, ie in the closed state of the heat switch is.
  • a gas for example hydrogen, nitrogen, etc.
  • the gas In order to open the gas heat switch, the gas is either removed by pumping, or it is frozen out or converted into a liquid state by the action of cold in order to prevent heat transfer between the coupling parts.
  • a coupling material such as, for example, a certain metal (for example Al, Pb, Zn, Sn, In), which is between a superconducting state and a normally conductive state " is switchable ".
  • a coupling material such as, for example, a certain metal (for example Al, Pb, Zn, Sn, In)
  • This switching can be achieved in that the coupling material in the superconducting state is brought into the normal conducting state, for example by applying a magnetic field with a strength above the critical field strength. If the coupling material is in the normally conductive state, it has a high thermal conductivity, while in the superconducting state it has a thermal conductivity that is several orders of magnitude lower.
  • the object to be cooled by the cooling device according to the invention has, for example, a reservoir of a liquefied gas, such as a helium reservoir.
  • the object to be cooled can have a magnet based on a superconducting or normally conducting material, which can serve as part of a demagnetization stage (as a special low-temperature cooling device suitable for very low temperatures in the vicinity of the absolute zero point).
  • the object to be cooled can also have a sensor for detecting particles, radiation or fields.
  • sensors can sensors with an operating temperature in the range of about 30 to 100 K, such as silicon detectors (Si (Li) detectors), germanium detectors (HPGe detectors) or on high-temperature superconductors.
  • the object to be cooled can also have sensors that are based on a low-temperature effect, these sensors being due to their operating temperature less than 20 K, usually even less than 4 K, from a low-temperature cooling device (for example an adiabatic demagnetization stage or a 3He / 4He demixing cooling stage), which is connected to the first cold head of the first pulse tube, are cooled to the corresponding operating temperature.
  • a low-temperature cooling device for example an adiabatic demagnetization stage or a 3He / 4He demixing cooling stage
  • the sensors used in the detector device based on a low-temperature effect are sensors which measure energy deposited by radiation or particle absorption by means of an effect which only or in particular occurs at low temperatures. These temperatures are provided by a heat sink which is thermally coupled to the detector device, which has a respective sensor based on a low-temperature effect.
  • Superconductivity is a low-temperature effect. The lower the transition temperature to superconductivity, the more of these quasiparticles are generated by the energy deposition. The more quasi part the more energy can be determined.
  • thermometers such as a sensor in a microcalorimeter: These essentially consist of an absorber, a phase transition thermometer (superconducting layer, e.g. made of tungsten, iridium, aluminum or tantalum) and a cooling device or a coupling to a heat sink. In the temperature transition area between its superconducting and normal conducting phase, the thermometer changes its electrical resistance very strongly depending on the temperature, i.e. even after absorption of lattice vibrations and quasiparticles.
  • Superconducting tunnel diodes They consist of two overlapping thin superconducting films (SIS: superconductor-insulator-superconductor, whereby the films do not necessarily have to consist of the same superconductor on both sides) or a superconducting and a normally conducting film (NISt normal conductor- Insulator super conductor), the respective films being separated by a thin electrically insulating barrier. The barrier is so thin that they quantified echanical tunneling M
  • the NIS diode or SIS diode is operated below the transition temperature of the respective superconductor and the applied voltage is less than the voltage (NIS) corresponding to the superconducting energy gap or less than twice this voltage (SIS), the voltage rises the barrier current flows when energy is deposited in the tunnel diode.
  • the deposition of the energy can take place through an increase in temperature, absorption of lattice vibrations or quasiparticles or directly through absorption of radiation or particles.
  • NTD NTD thermometer
  • NTD Neurotron Transmutation Doping
  • semiconductors highly doped with neutrons These thermometers can be used to measure temperature fluctuations because, like all semiconductors, the resistance increases with decreasing temperature. In order to avoid that the resistors grow so high at very low temperatures that they can no longer be measured with sufficient accuracy, the semiconductors used are heavily doped, as a result of which their resistance is reduced.
  • Magnetic bolometers These sensors, which have a weak thermal coupling to a cold bath or a heat sink with a temperature preferably in the millivin range, comprise a weak concentration of paramagnetic ions in a magnetic field.
  • rare earth ions such as erbium (Er3 +) are advantageously used. If a small amount of energy, for example due to electromagnetic radiation, is deposited in such a sensor, the rise in temperature causes a change in the magnetization of the paramagnet formed by the paramagnetic ions, for example using a coil connected to an input of a sensor SQUIDs is connected, can be measured.
  • An absorber is advantageously thermally coupled to the magnetic bolometer.
  • the object to be cooled can also have a large number of sensors. This is advantageous, for example, if two different types of sensors are used, the energy resolution of which is different in each case in different energy ranges.
  • Figure 1 is a schematic sectional view from the side of a two-stage pulse tube cooler device in the prior art
  • FIG. 2 shows a diagram to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of the first pulse tube and on the second cold head of the second cold head of the pulse tube cooler device shown in FIG. 1;
  • Figure 3 is a schematic sectional view from the side of a cryogenic cooling device according to the invention according to a first embodiment
  • Figure 4 is a schematic sectional view from the side of a cryogenic cooling device according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 5 each show diagrams to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of a first pulse tube and on the second cold head of a second cold head of a pulse tube cooler device or low-temperature cooling device, FIG. 5a showing the cooling course in a conventional cooling device and FIG. 5b showing the cooling course in one shows cooling device according to Figures 3 or 4;
  • Figure 6 is a schematic sectional view from the side of a cooling device according to the invention according to a third embodiment
  • Figure 7 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a first embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a second embodiment
  • Figure 9 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a third embodiment.
  • Figure 10 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in Figure 9;
  • Figure 11 is a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first embodiment of a deep-temperature cooling device according to the invention.
  • the same parts are denoted by the same reference numerals.
  • the low-temperature cooling device according to the invention is here, as well as in the following embodiments, advantageously arranged to improve the cooling performance in a cooling container or a cryostat, the temperature levels (300K, 77K) shown in the figures representing areas which are advantageously affected by heat or Radiation shields for heat insulation are surrounded.
  • a warm head 22 (located at the upper end of a pulse tube 20 and not explicitly identified) of a first pulse tube 20, a warm head 32 (located at the upper end of a pulse tube 30 and not explicitly identified) of a second pulse tube 30, and a warm end portion 54 of a second regenerator 50 in thermal contact with the 300 K temperature level, for example a cryostat cover that is in contact with the environment.
  • the two regenerators 40 and 50 of the pulse tubes 20 and 30 are connected to one another, so that the upper regenerator 50 is used by the regenerator 40 as a warm regenerator section 50 or for coupling to the 300 K temperature level.
  • an arrangement with two separate regenerators is conceivable. bar.
  • the first and second pulse tubes 20 and 30, as well as the regenerators or regenerator sections 40 and 50 are arranged essentially parallel and in the direction of gravity.
  • a cold head 24 is provided at the lower end of the first pulse tube 20, at which a cooling temperature of approximately 4 K (TE) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82.
  • TE cooling temperature
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77 K (TZ) is provided for precooling the first pulse tube 20. More specifically, the temperature of 77 K is provided to a cooling area containing the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82, which in the case of using a cryostat is surrounded by a heat shield 81 for thermal insulation.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52.
  • the lines 42, 52 are gas lines which are provided for transferring the oscillating gas from the respective regenerators 40, 50 to the pulse tubes 20, 30.
  • the cold head 34 of the second pulse tube 30 is thermally coupled (interruptible) to the cold head 24 of the first pulse tube 20 via a heat switch 100, which is preferably designed here as a mechanical heat switch.
  • the coupling of the heat switch 100 to the respective components 34 and 24 takes place via lines 101, 101 ', which are preferably wire or tubular lines made of a thermally highly conductive (eg copper, gold) material.
  • lines 101, 101 ' are preferably wire or tubular lines made of a thermally highly conductive (eg copper, gold) material.
  • thermally highly conductive eg copper, gold
  • temperature levels indicated in this, as well as in the other embodiments, serve for illustration and may have different values depending on the prevailing operating state or the operating mode or depending on the ambient temperature.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a second embodiment of the low-temperature cooling device according to the invention.
  • the structure of the low-temperature cooling device according to the second embodiment essentially corresponds to that of the first embodiment, which is why reference is made to the detailed description thereof at this point.
  • the second cold head 34 is coupled via the heat switch 100 or the lines 101, 101 'to the first pulse tube cooler 20, 40 by thermal coupling to the cold end section 46 of the regenerator 40. Whether to the cold end section 46 (second Embodiment) or the cold head 24 (first embodiment) is dependent on what is technically or mechanically more favorable when forming the low-temperature cooling device.
  • Diagrams to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of a first pulse tube and on the second cold head of a second cold tube. represent the head of a pulse tube cooler or low-temperature cooling device.
  • 5a shows the cooling profile in a conventional cooling device
  • FIG. 5b shows the cooling profile in a cooling device according to the invention according to FIGS. 3 or 4.
  • the first pulse tube 20 which is essentially insulated from the second pulse tube 30, since its cooling capacity is optimized for lower temperatures, does not reach a temperature of approximately 77 K at the first cold head 24 until ⁇ tl later t2, as is shown in FIG Line 220 is shown in order to then have a temperature of approximately 4 K at time t3.
  • the situation is different for a low-temperature cooling device according to the present invention, in particular according to FIGS. 3 or 4.
  • the heat switch 100 is closed for thermal coupling to create between the second cold head 34 and the first cold head 24 or the first cold end portion 46 of the first regenerator 40.
  • the cooling process is now started and the low-temperature cooling device, in particular the object 82 to be cooled on the first cold head 24, is driven cold or cooled down, this is now done by the combined cooling capacity of the first 20 and second 30 pulse tubes or their cold heads 24, 34.
  • This fact also illustrates the thick solid line 220 ', 230' (lower line) in Figure 5b.
  • the heat switch 100 When the time t1 is reached, the heat switch 100 is opened and the first cold head 24 alone cools the object 82 to be cooled to the desired temperature of 4 K (TE), which occurs at time t4 according to the curve 220 '.
  • TE desired temperature
  • the first cold head 24 (curve 220 ') already the intermediate temperature of 77 K (tZl) by a time interval .DELTA.l and earlier a time interval ⁇ t2 correspondingly reaches the target temperature of 4 K earlier.
  • the cooling time for cooling an object 82 to be cooled can be reduced by up to half from 300 K to 4 K compared to a conventional cooling device.
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a third embodiment of a low-temperature cooling device according to the invention.
  • a warm head 22 (located at the upper end of a first pulse tube 20 and not explicitly identified) of a first pulse tube 20, a warm head 32 (located at the upper end of a second pulse tube 30 and not explicitly identified) of a second pulse tube 30, a warm head 112 (located at the upper end of a third pulse tube 110 and not explicitly identified) of a third pulse tube 110, and a warm end section 124 of a third regenerator 120 in thermal contact with the 300 K temperature level, for example a cryostat cover that is in contact with the environment.
  • the three regenerators 40, 50 and 120 are connected to one another, so that the upper regenerators 50, 120 are used as the warm regenerator section 50, 120 or for coupling to the 30OK temperature level from the regenerator 40, and the upper regenerator 120 as the warm regenerator section 120 or for coupling to the 30OK temperature level from the regenerator 50 is also used.
  • the first, second and third pulse tubes 20, 30 and 110, and the regenerators or regenerator sections 40, 50 and 120 are arranged essentially parallel and in the direction of gravity.
  • a first cold head 24 is provided, on which a cooling temperature of approximately 4 K (TE) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82.
  • a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 30 K (TZl) 51
  • the temperature of 30 K is provided to a cooling region which contains the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82 and which is surrounded by a heat shield for thermal insulation in the case of using a cryostat.
  • a cold head 114 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77 K (TZ2) is provided for precooling the first and second pulse tubes 20 and 30, respectively.
  • TZ2 cooling temperature of approximately 77 K
  • the temperature of 77 K can be provided to a cooling region which includes the cold heads 24, 34 of the first, second pulse tube and the magnet 82 and which, in the case of using a cryostat, is surrounded by a heat shield (not shown) for thermal insulation.
  • the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42
  • the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52
  • is Cold head 114 of the third pulse tube 110 is connected via a line 122 to a cold end section 126 of the third regenerator 120.
  • the lines 42, 52, 122 are gas lines which are provided for transmitting the oscillating gas from the respective regenerators 40, 50, 120 to the pulse tubes 20, 30, 110.
  • the cold head 34 of the second pulse tube 30 is thermally coupled (interruptible) to the cold head 24 of the first pulse tube 20 via a heat switch 100, which in turn is preferably designed as a mechanical heat switch.
  • the heat switch 100 is coupled to the respective components 34 and 24 via lines 101, 101 ', 109.
  • the cold head 114 of the third pulse tube 110 is via a heat switch 104 again preferably designed as a mechanical heat switch, thermally coupled to the cold head 24 of the first pulse tube 20 (interruptible).
  • the heat switch 104 is coupled to the respective components 114 and 24 via lines 105, 105 ', 109, the line 109 which is coupled to the cold head 24 also being connected to the line 101' to simplify the construction.
  • the cold head 114 of the third pulse tube 110 is connected to the cold head 34 of the second pulse tube 30 or the cold end section 56 of the second regenerator 50 via a heat switch 102, which in turn is preferably designed as a mechanical heat switch. interruptible) thermally coupled.
  • the heat switch 102 is coupled to the respective components 114 and 52 via lines 103, 103 '.
  • the line 103 ' can also be connected directly to the cold head 24 or the cold end section 56.
  • the lines 101, 101 ', 103, 103', 105, 105 ' are preferably designed as wire or tubular lines made of a thermally highly conductive (eg copper, gold) material.
  • a cooling process of a low-temperature cooling device is as follows. Before the actual cooling process begins, which begins at approximately room temperature, ie approximately 300 K, the heat switches 100, 102 and advantageously also the heat switch 104 are closed in order to provide a thermal Coupling between the second 34 and first 24 cold heads, the third 114 and second 34 cold heads or the cold end section 46, and for better or faster thermal connection also to create a thermal coupling directly between the third 114 and first 24 cold heads. Now the cooling process is started and the low-temperature cooling device, especially that too Z3
  • Cooling object 82 on the first cold head 24, driven cold or cooled is now done by the combined cooling capacity of the first 20, second 30, and third pulse tube or their cold heads 24, 34, 114.
  • the target temperature TZ2 of the third cold head 114 has been reached, the heat switches 102, 104 are opened and the first and second cold heads 24, 34 continue (in a second cooling phase) to cool the object 82 to the target temperature of the second cold head 34 from cool about 30 K (TZl).
  • the heat switch 100 is opened and only the first cold head 24 continues (in a third cooling phase) to cool the object 82 to be cooled to the target temperature of the first cold head 24 of approximately 4 K ( TZl) to cool.
  • the best possible cooling performance is provided by the supporting performance of the pulse tubes optimized for lower temperatures in the respective cooling phases and by corresponding decoupling thereof, as a result of which the cooling time of the inventive low-temperature cooling device for cooling the object 82 is minimized.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a first embodiment. Here how lk
  • the cooling effect in the pulse tube cooler is based on the periodic change in pressure and displacement ("pulsation") of a working gas in a thin-walled cylinder with heat exchangers at both ends, the so-called pulse tube 20.
  • the pulse tube 20 is connected to the pressure oscillator 10 via a regenerator 40.
  • the regenerator 40 serves as an intermediate heat store, which cools the gas flowing in from the pressure oscillator 10 before entering the pulse tube 20 and then warms the outflowing gas back to room temperature.
  • it is advantageously filled with a material with a high heat capacity, which has a good heat exchange with the flowing gas and at the same time a low flow resistance.
  • stacks of fine-mesh stainless steel or bronze sieves are used as the regenerator filling.
  • a compressor 10 is used in combination with a downstream rotary valve 15, which periodically connects the high and low pressure sides of the compressor to the cooler.
  • the pressure oscillation can be generated directly via the piston movement of a valveless compressor.
  • the pulse tube is closed at the warm end 22.
  • the quality of the cooling process is as follows: in the compression phase, the gas which has been precooled in the regenerator 40 flows into the pulse tube 20. By increasing the pressure, the gas in the pulse tube 20 is heated and at the same time displaced towards the warm heat exchanger 22 or warm head 22, where part of the compression heat is dissipated to the environment.
  • the gas in the pulse tube 20 is cooled.
  • the gas which leaves the pulse tube 20 is colder than when it enters and can therefore heat from the cold heat exchanger 24 or cold head 24 and the object to be cooled or a further cooling device , take up.
  • a more detailed analysis of the process in this embodiment shows that the heat transfer from the cold 24 to the warm 22 end requires a heat exchange between the gas and the pipe wall ("surface heat pumps"). However, since the heat contact only occurs in a thin gas layer on the pipe wall, this cooling process has not yet been optimized.
  • FIG. 8 now shows a schematic illustration of a pulse tube cooler 20 according to a second embodiment.
  • This results in a significant increase in effectiveness by connecting a ballast volume 70 via a flow resistance (needle valve) 26 to the warm heat exchanger 22.
  • a flow resistance needle valve
  • the warm heat exchanger 22 can then give off heat of compression there.
  • the gas in the pulse tube 20 does work when gas is shifted into the ballast volume 70, as a result of which a significantly higher cooling effect is achieved.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a third embodiment, in which the effectiveness of the cooler can be increased further by the portion of the gas flow which is necessary for changing the pressure in the warm part of the pulse tube 20 through a second inlet at the warm end is directed. Since this gas flow no longer passes through the regenerator 40, the losses in the regenerator 40 are reduced. In addition, with a second inlet (with a valve 28), a chronological sequence of pressure and flow variation which is more favorable for cooling is established.
  • FIG. 10 shows a schematic overall structure of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in FIG. 9. In this system, a commercial helium compressor 10 feeds a motor-driven rotary valve 15, which is used to control the helium gas flow.
  • the actual cooler and the rotary valve can be connected to one another via a flexible plastic line 12.
  • FIG 11 shows a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components.
  • a compressor 10 is coupled to a rotary valve 15.
  • a line 12 connects the rotary valve 15 to the pulse tube cooler system.
  • This has a regenerator 40 of the first stage and a regenerator 50 of the second stage, a flow straightener 45 being arranged between them. It is also conceivable to choose a different regenerator arrangement in which, for example, two separate regenerators are used.
  • the pulse tube cooler system has a first pulse tube 20 with a warm heat exchanger 22 and a cold heat exchanger or cold head 24 and a second pulse tube 30 with a warm heat exchanger 32 and a cold heat exchanger or cold head 34.
  • the respective warm heat exchangers 22 and 32 are connected to a common ballast container or ballast volume 70 via throttle valves, for example in the form of needle valves 26 and 36. It is also conceivable that two separate ballast volumes are used instead of the common ballast volume.
  • valves 38 and 28 are provided on the respective warm heat exchangers 22 and 32 for a second inlet. The cold head 24 of the second pulse tube 30 cools one of a heat or vk
  • Radiation shield 92 area up to about a maximum of 50 K, while a temperature of about 2.2 to 4.2 K is provided at the cold head 24 of the first pulse tube 20 (cf. C. Wang et al.: "A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K ", Cryogenics 1997, Volume 37, No. 3).

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Abstract

The invention relates to a cryogenic cooling device comprising a first pulse tube cooler. Said pulse tube cooler is equipped with a first pulse tube (20), which has a first cold head (24) for providing a first cooling area with a first temperature (TE), and is equipped with a first regenerator (40), which has a first cold end section (46) that is connected to the first cold head of the first pulse tube (20). The inventive cooling device also comprises a second cooling unit (30) that has a second cooling area (34) for providing a second temperature (TZ1) which is higher than the first temperature (TE). An object (82) to be cooled can be thermally coupled to the first cold head (24) of the first pulse tube (20). According to the invention, the second cooling area (34) can be thermally coupled via a first thermostatic switch (100) to the first pulse tube (20) and/or to the first regenerator (40) and/or to the object (82) to be cooled. A third cooling unit (110) can also be added which comprises a second thermostatic switch (102) and a third thermostatic switch (104).

Description

Beschreibung description
TieftemperaturkühlvorrichtunqTieftemperaturkühlvorrichtunq
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft eine Tieftemperaturkühlvor- richtung gemäß Anspruch 1 und 2.The invention relates to a low-temperature cooling device according to claims 1 and 2.
Derartige Kühlvorrichtung haben aufgrund ihrer Verwendung eines oder mehrerer Pulsröhrenkühler einen breiten Einsatzbereich und werden vorzugsweise als mobile Kühlvorrichtungen verwendet, die ein Kühlen auf tiefe bzw. sehr tiefe Temperaturen an beliebigen Orten gestatten. Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich somit beispielsweise zur Kühlung von Bauelementen aus Hochtemperatursupraleitern, wie SQUIDs, zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, wie Infrarotdetektoren oder Hochgeschwindigkeitsschaltkreise für eine sehr schnelle Datenverarbeitung, oder auch zur Kühlung von Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren.Such cooling devices have a wide range of uses due to the use of one or more pulse tube coolers and are preferably used as mobile cooling devices which allow cooling to low or very low temperatures at any location. A cooling device according to the invention is therefore suitable, for example, for cooling components made of high-temperature superconductors, such as SQUIDs, for cooling semiconductor components, such as infrared detectors or high-speed circuits for very fast data processing, or also for cooling sensors based on a low-temperature effect.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik, wie beispielsweise aus dem Artikel von C. Wang et al.:"Cryogen Free Operation of a Ni- obium-Tin Magnet using a Two-stage Pulse tube cooler", in den Proceedings zur Konferenz "Applied Superconducti- vity", 1998 in Palm Desert ist eine in einem Kryostaten untergebrachte Vorrichtung zum Kühlen eines supraleitenden Magnetsystems bekannt, die ein zweistufiges Pulsröh- renkühlersystem verwendet, wie es in Figur 1 gezeigt ist. Ein erstes Pulsrohr 20 hat dabei an seinem unteren Ende einen ersten Kaltkopf 24, der zum einen mit einem ersten Regenerator und zum anderen mit dem zu kühlenden Magnetsystem 82 verbunden ist. Ein zweites Pulsrohr 30 hat einen zweiten Kaltkopf 34, der mit einem Strahlungsschild 81 verbunden ist, welcher den unteren Abschnitt des ersten Pulsrohrs 20 bzw. den ersten Kaltkopf 24 und das Magnetsystem 82 umgibt, jedoch von dem ersten Pulsrohr 20 thermisch isoliert ist.In the prior art, such as from the article by C. Wang et al .: "Cryogen Free Operation of a Ni-obium-Tin Magnet using a Two-stage Pulse tube cooler", in the proceedings for the conference "Applied Superconductivity ", 1998 in Palm Desert, a device for cooling a superconducting magnet system housed in a cryostat is known, which uses a two-stage pulse tube cooler system, as shown in FIG. 1. A first pulse tube 20 has at its lower end a first cold head 24, which is connected on the one hand to a first regenerator and on the other hand to the magnet system 82 to be cooled. A second pulse tube 30 has a second cold head 34, which is connected to a radiation shield 81 which surrounds the lower section of the first pulse tube 20 or the first cold head 24 and the magnet system 82, but is thermally insulated from the first pulse tube 20.
Wird das Pulsröhrenkühlersystem in Betrieb genommen, so wird Wärme bzw. Wärmeenergie an dem ersten 24 und zweiten 34 Kaltkopf aufgenommen und abgeführt. Dieser Kühlvorgang, der ungefähr bei Raumtemperatur, d.h. ungefähr 300 K, beginnt, ist schematisch in Figur 2 gezeigt. Wird das zweite Pulsrohr 30 zum Zeitpunkt tO in Betrieb genommen, so erreicht es, da seine Kühlleistung für höhere Temperaturen optimiert ist, nach relativ kurzer Zeit tl am zweiten Kaltkopf 34 seine Solltemperatur von ungefähr 60 K, wie es anhand von Linie 230 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu erreicht das erste Pulsrohr 20, da seine Kühlleistung für tiefere Temperaturen optimiert ist, erst zu einem um Δt späteren Zeitpunkt t2 am ersten Kaltkopf 24 eine Temperatur von ungefähr 60 K, wie es in anhand von Linie 220 gezeigt ist, um dann nach weiterem Abkühlen zum Zeitpunkt t3 eine Temperatur von ungefähr 4 K aufzuweisen. Somit stellt sich bei dem herkömmlichen Kühlsystem als nachteilig heraus, daß der Kühlvorgang am ersten Pulsrohr, insbesondere in einer anfänglichen Kühlphase, bei der noch relativ hohe Temperaturen vorhanden sind, sehr lange dauert.If the pulse tube cooler system is put into operation, heat or thermal energy is absorbed and dissipated at the first 24 and second 34 cold heads. This cooling process, which takes place approximately at room temperature, i.e. about 300 K, is shown schematically in Figure 2. If the second pulse tube 30 is put into operation at the time tO, since its cooling capacity is optimized for higher temperatures, it reaches its target temperature of approximately 60 K on the second cold head 34 after a relatively short time t1, as shown by line 230. In contrast to this, since its cooling capacity is optimized for lower temperatures, the first pulse tube 20 only reaches a temperature of approximately 60 K at the first cold head 24 later by Δt t2, as shown in line 220, and then after further cooling at time t3 to have a temperature of approximately 4K. Thus, it turns out to be disadvantageous in the conventional cooling system that the cooling process on the first pulse tube, especially in an initial cooling phase, in which relatively high temperatures are still present, takes a very long time.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung mit einem Pulsröhrenkühler zu schaf- fen, bei der die Zeit des Kühlvorgangs bzw. des "Kaltfahrens " der Kühlvorrichtung minimiert ist.It is an object of the present invention to provide a cooling device with a pulse tube cooler. fen, at which the time of the cooling process or the "cold running" of the cooling device is minimized.
Diese Aufgabe wird durch eine Tieftemperaturkühlvor- richtung gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .This object is achieved by a low-temperature cooling device according to the features of claim 1 or 2. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt umfaßt dabei: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr, das einen ersten Kaltkopf zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur TE aufweist, und mit einem ersten Regenerator, der einen ersten kalten Endabschnitt, welcher mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; und eine zweite Kühleinrichtung mit einem zweiten Kühlbereich zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur TZ1, die höher als die erste Temperatur TE liegt. Erfin- dungsgemäß ist der zweite Kühlbereich über einen ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator thermisch koppelbar.The low-temperature cooling device according to the invention according to a first aspect comprises: a first cooling device in the form of a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a first cold head for providing a first cooling area with a first temperature TE, and with a first regenerator, which has a first cold end section , which is connected to the first cold head of the first pulse tube; and a second cooling device with a second cooling area for providing a second temperature TZ1, which is higher than the first temperature TE. According to the invention, the second cooling area can be thermally coupled to the first pulse tube and / or the first regenerator via a first heat switch.
Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt umfaßt: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr, das einen ersten Kaltkopf zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur TE aufweist, und mit einem ersten Regenerator, der einen ersten kalten Endabschnitt, welcher mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs verbunden ist, aufweist; eine zweite Kühleinrichtung mit einem zweiten Kühlbereich zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur TZ1, die höher als die erste Temperatur TE liegt; und ein zu kühlendes Objekt, das an den ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs thermisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der zweite Kühlbereich über einen ersten Wärmeschalter mit dem er- sten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar.The low-temperature cooling device according to the invention according to a second aspect comprises: a first cooling device in the form of a first pulse tube cooler with a first pulse tube, which has a first cold head for providing a first cooling area with a first temperature TE, and with a first regenerator, which has a first cold end section, which is connected to the first cold head of the first pulse tube; a second cooling device with a second cooling area for providing a second temperature TZ1, which is higher than the first temperature TE; and an object to be cooled, which is thermally coupled to the first cold head of the first pulse tube. According to the invention, the second cooling area is connected to the Most pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled can be thermally coupled.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, insbesondere zu Beginn eines "Kaltfahrens " bzw. eines Kühlvorgangs der Tieftemperaturkühlvorrichtung, d.h. wenn die Temperatur der Kühleinrichtungen bzw. des zu kühlenden Objekts noch auf einer relativ hohen Temperatur, wie beispielsweise der Raumtemperatur liegen, den zweiten Kühlbereich der zweiten Kühleinrichtung über einen ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder (im Falle des zweiten Aspekts) dem zu kühlenden Objekt thermisch zu koppeln. Dies hat den Vorteil, daß zu Beginn des Kühlvorgangs die für höhere Temperaturen bessere bzw. optimierte Kühlleistung der zweiten Kühleinrichtung (zusätzlich) genutzt werden kann, um auch den ersten Pulsröhrenkühler, dessen Kühlleistung mehr für tiefe bzw. tiefere Temperaturen optimiert ist, in relativ kurzer Zeit auf die Temperatur TZ1, die der zweite Kühlbereich bereitstellt, abzukühlen. Befinden sich nach einer gewissen Zeit der zweite Kühlbereich und die entsprechenden mit diesem thermisch gekoppelten Komponenten des ersten Pulsröhrenkühlers bzw. des zu kühlenden Objekts auf der Solltemperatur TZ1 des zweiten Kühl- bereichs, so wird der erste Wärmeschalter geöffnet bzw. in einen nicht wärmeleitenden Zustand gebracht, und das erste Pulsrohr kühlt am ersten Kaltkopf auf seine erste Temperatur bzw. Solltemperatur TE weiter runter. Somit wird also der Kühlvorgang der Tieftemperaturkühlvorrich- tung bzw. des zu kühlenden Objekts beschleunigt.The measure according to the invention makes it possible, in particular at the beginning of a "cold run" or a cooling process of the low-temperature cooling device, i.e. if the temperature of the cooling devices or the object to be cooled is still at a relatively high temperature, such as the room temperature, the second cooling area of the second cooling device via a first heat switch with the first pulse tube and / or the first regenerator and / or (in the case of the second aspect) to thermally couple the object to be cooled. This has the advantage that, at the beginning of the cooling process, the cooling capacity of the second cooling device, which is better or optimized for higher temperatures, can (additionally) be used in a relatively short time to also the first pulse tube cooler, the cooling capacity of which is more optimized for lower or lower temperatures Time to cool down to the temperature TZ1, which the second cooling area provides. If after a certain time the second cooling area and the corresponding components of the first pulse tube cooler or the object to be cooled, which are thermally coupled to it, are at the target temperature TZ1 of the second cooling area, the first heat switch is opened or brought into a non-heat-conducting state , and the first pulse tube cools down further to its first temperature or setpoint temperature TE at the first cold head. Thus, the cooling process of the low-temperature cooling device or the object to be cooled is accelerated.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Kühlbereich über den ersten Wärmeschalter mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und/oder dem ersten kalten Endabschnitt des ersten Regenerators thermisch koppelbar. Die Kopplung mit dem ersten Kaltkopf bzw. dem ersten kalten Endabschnitt muß nicht direkt an diesen, sondern kann auch in deren Nähe erfolgen.According to an advantageous embodiment, the second cooling area can be thermally coupled via the first heat switch to the first cold head of the first pulse tube and / or the first cold end section of the first regenerator. The coupling with the first cold head or the The first cold end section does not have to be directly at this, but can also take place in the vicinity thereof.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Tieftemperaturkühlvorrichtung ferner eine dritte Kühleinrichtung mit einem dritten Kühlbereich zum Bereitstellen einer dritten Temperatur TZ2, die höher als die zweite Temperatur TZ1 liegt, aufweisen, wobei der dritte Kühlbereich über einen zweiten Wärmeschalter mit der zweiten Kühleinrichtung, vorzugsweise an deren zweitem Kühlbereich, thermisch koppelbar ist. Diese Maßnahme erlaubt eine direkte thermische Verbindung von der dritten zur zweiten Kühleinrichtung bzw. von dort zu dem ersten Pulsröhrenkühler. Dabei ist es denkbar, daß der dritte Kühlbereich außerdem über einen dritten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ist.According to a further advantageous embodiment, the low-temperature cooling device can furthermore have a third cooling device with a third cooling area for providing a third temperature TZ2, which is higher than the second temperature TZ1, the third cooling area having a second heat switch with the second cooling device, preferably on the second cooling device second cooling area, is thermally coupled. This measure allows a direct thermal connection from the third to the second cooling device or from there to the first pulse tube cooler. It is conceivable that the third cooling area can also be thermally coupled to the first pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled via a third heat switch.
Neben der gerade dargestellen Ausgestaltung kann die Tieftemperaturkühlvorrichtung auch eine dritte Kühleinrichtung mit einem dritten Kühlbereich zum Bereitstellen einer dritten Temperatur TZ2, die höher als die zweite Temperatur TZ1 liegt aufweisen, wobei hier der dritte Kühlbereich über einen dritten Wärmeschalter mit dem er- sten Pulsrohr und/oder dem ersten Regenerator und/oder dem zu kühldenden Objekt thermisch koppelbar ist. Diese Maßnahme erlaubt eine direkte thermische Verbindung von der dritten zur ersten Kühleinrichtung bzw. dem ersten Pulsröhrenkühler .In addition to the embodiment just illustrated, the low-temperature cooling device can also have a third cooling device with a third cooling area for providing a third temperature TZ2, which is higher than the second temperature TZ1, here the third cooling area using a third heat switch with the first pulse tube and / or the first regenerator and / or the object to be cooled can be thermally coupled. This measure allows a direct thermal connection from the third to the first cooling device or the first pulse tube cooler.
Für den Fall der Verwendung des dritten Wärmeschalters ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der dritte Kühlbereich über den dritten Wärmeschalter mit dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und/oder dem ersten kalten Endabschnitt des ersten Regenerators thermisch koppelbar. Die Kopplung mit dem ersten Kaltkopf bzw. dem ersten kalten Endabschnitt muß auch hier nicht direkt an diesen, sondern kann auch in deren Nähe erfolgen.If the third heat switch is used, the third cooling area can be thermally coupled to the first cold head of the first pulse tube and / or the first cold end section of the first regenerator via the third heat switch. The coupling with the first cold head or the The first cold end section does not have to be directly at this one, but can also take place in the vicinity thereof.
Zusammengefaßt ausgedrückt, erlaubt die Verwendung einer dritten Kühleinrichtung eine weitere Staffelung der Kühleinrichtungen gemäß ihrer für bestimmte Temperaturen bzw. Temperaturbereiche optimierten Kühlleistungen. Das bedeutet, daß beim Kaltfahren der Tieftemperaturkühlvorrichtung ausgehend von einer Temperatur, wie beispiels- weise der Raumtemperatur, in einer ersten Kühlphase vorteilhafterweise die dritte Kühlvorrichtung mit der ersten und zweiten Kühlvorrichtung thermisch gekoppelt werden kann, um die für höhere Temperaturen bessere bzw. optimierte Kühlleistung der dritten Kühleinrichtung zum schnellen Runterkühlen der drei Kühleinrichtungen bzw. der mit diesen verbunden Komponenten zu nutzen. Ist die Solltemperatur TZ2 der dritten Kühleinrichtung erreicht, so wird der zweite bzw. dritte Wärmeschalter geöffnet, um ein weiteres Abkühlen der zweiten und ersten Kühleinrich- tung zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist hier bei der zweiten Kühlphase die zweite Kühleinrichtung, insbesondere der zweite Kühlbereich, über den ersten Wärmeschalter mit dem ersten Pulsröhrenkühler bzw. dem zu kühlenden Objekt thermisch verbunden, um die bei "mittleren" Tempe- raturen, d.h. Temperaturen unterhalb von TZ2 bis TZl, bessere bzw. optimierte Kühlleistung der zweiten Kühleinrichtung zu nutzen. Somit wird in der zweiten Kühlphase die bessere Kühlleistung der zweite Kühleinrichtung zum schnellen Runterkühlen der zweiten und ersten Kühlein- richtungen bzw. der mit diesen verbunden Komponenten genutzt. Ist die Solltemperatur TZl der zweiten Kühleinrichtung erreicht, so wird der erste Wärmeschalter geöffnet, um ein weiteres Abkühlen der ersten Kühleinrichtung bzw. des zu kühlenden Objekts auf die Solltemperatur TE in einer dritten Kühlphase zu ermöglichen. Neben der Verwendung eines dreistufigen Kühlersystems , ist es ferner denkbar ein Kühlersystem mit mehr als drei Stufen zu ver- wenden, wobei die thermische Kopplung über Wärmeschalter analog zu oben dargestelltem Schema erfolgen kann, um ein abgestuftes Runterkühlen der gesamten Tieftemperaturkühlvorrichtung zu erreichen. Hierbei kann dann wieder die bessere Kühlleistung höherstufiger Kühleinrichtungen bei höheren Temperaturen genutzt werden, um ein schnelles Abkühlen zu bewirken.In summary, the use of a third cooling device permits a further staggering of the cooling devices in accordance with their cooling capacities optimized for certain temperatures or temperature ranges. This means that when the low-temperature cooling device is driven cold, starting from a temperature, such as room temperature, in a first cooling phase, the third cooling device can advantageously be thermally coupled to the first and second cooling devices in order to achieve better or optimized cooling performance for higher temperatures to use the third cooling device for rapid cooling down of the three cooling devices or the components connected to them. When the target temperature TZ2 of the third cooling device has been reached, the second or third heat switch is opened in order to allow the second and first cooling device to cool down further. According to the invention, in the second cooling phase the second cooling device, in particular the second cooling area, is thermally connected via the first heat switch to the first pulse tube cooler or the object to be cooled, in order to avoid the "medium" temperatures, ie temperatures below TZ2 to TZl to use better or optimized cooling performance of the second cooling device. Thus, in the second cooling phase, the better cooling performance of the second cooling device is used for rapid cooling down of the second and first cooling devices or the components connected to them. If the target temperature TZl of the second cooling device has been reached, the first heat switch is opened in order to allow the first cooling device or the object to be cooled to cool further to the target temperature TE in a third cooling phase. In addition to using a three-stage cooler system, it is also conceivable to use a cooler system with more than three stages. turn, the thermal coupling via heat switch can be carried out analogously to the diagram shown above, in order to achieve a gradual cooling down of the entire low-temperature cooling device. The better cooling performance of higher-level cooling devices at higher temperatures can then be used again in order to bring about rapid cooling.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Kühleinrichtung einen zweiten Pulsröhrenkühler auf, an dessen Pulsrohr ein zweiter Kaltkopf zum Bereitstellen des zweiten Kühlbereichs mit der Temperatur TZl vorgesehen ist. Ist gemäß einer der obigen vorteilhaften Ausgestaltungen ein zweiter Wärmeschalter zur unterbrech- baren thermischen Kopplung des dritten Kühlbereichs mit der zweiten Kühleinrichtung vorgesehen, so kann diese Kopplung an der gesamten zweiten Kühleinrichtung, d.h. dem zweiten Pulsrohr bzw. dem zweiten Regenerator, jedoch insbesondere am oder in der Nähe des zweiten Kaltkopfs bzw. am oder in der Nähe des zweiten kalten Endabschnitts des zweiten Regenerators erfolgen. Außerdem kann die dritte Kühleinrichtung einen dritten Pulsröhrenkühler aufweisen, an dessen Pulsrohr ein dritter Kaltkopf zum Bereitstellen des dritten Kühlbereichs mit der Temperatur TZ2 vorgesehen ist. Im weiteren Sinn kann hier, wie bei dem ersten oder zweiten Pulsröhrenkühler, nicht nur der jeweilige Kaltkopf, sondern auch der direkt mit dem Kaltkopf in Verbindung stehende kalte Endabschnitt des jeweiligen Regenerators als Kühlbereich angesehen werden.According to an advantageous embodiment, the second cooling device has a second pulse tube cooler, on the pulse tube of which a second cold head is provided for providing the second cooling area with the temperature TZl. If, according to one of the above advantageous embodiments, a second heat switch is provided for interruptible thermal coupling of the third cooling area to the second cooling device, this coupling can be carried out on the entire second cooling device, i.e. the second pulse tube or the second regenerator, but in particular on or in the vicinity of the second cold head or on or in the vicinity of the second cold end section of the second regenerator. In addition, the third cooling device can have a third pulse tube cooler, on the pulse tube of which a third cold head is provided for providing the third cooling area with the temperature TZ2. In a broader sense, as with the first or second pulse tube cooler, not only the respective cold head, but also the cold end section of the respective regenerator that is directly connected to the cold head, can be regarded as a cooling area.
Die Verwendung von Pulsröhrenkühlern erlaubt aufgrund der fehlenden beweglichen Teile eine sehr vibrationsarme Kühlvorichtung zu schaffen, die auch besonders gut für die Kühlung von empfindlichen Sensoren, wie SQUIDs, ge- eignet sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die zweite Kühleinrichtung und/oder dritte Kühleinrichtung eine elektrische Kühleinrichtung, wie ein Pel- tierelement auf, um einen zweiten bzw. dritten Kühlbe- reich vorzusehen. Es ist ferner denkbar, daß die zweite und/oder dritte Kühleinrichtung eine Kühleinrichtung auf der Basis von gekühlten verflüssigten Gasen, wie beispielsweise einem Stickstoff-Kühler, oder eine mechanische Kühleinrichtung wie einen Helium-Kompressionkühler aufweist.Due to the lack of moving parts, the use of pulse tube coolers allows a very low-vibration cooling device to be created, which is also particularly suitable for cooling sensitive sensors such as SQUIDs. According to a further advantageous embodiment, the second cooling device and / or third cooling device has an electrical cooling device, such as a pelletizing element, in order to provide a second or third cooling area. It is also conceivable that the second and / or third cooling device has a cooling device based on cooled liquefied gases, such as a nitrogen cooler, or a mechanical cooling device such as a helium compression cooler.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste, zweite bzw. dritte Wärmeschalter als ein mechanischer Wärmeschalter, als Gaswärmeschalter, bzw. als supraleitender Wärmeschalter ausgebildet (vgl. dazu Frank Pobell: "Matter and methods at low temperatures " , 2. Auflage, Springer-Verlag 1996). Mechanische Wärmeschalter basieren dabei auf dem Prinzip, daß thermische gut leitende eingangsseitige bzw. ausgangsseitige Kontaktmate- rialien, wie Metalle (z.B. Kupfer, Messing, Gold), unter Beaufschlagung von Druck mechanisch zusammengepreßt werden. Dabei entsteht ein Kontakt zwischen den Materialien, so daß in diesem geschlossenen Zustand des Wärmeschalters ein Wärmestrom fließen kann. Die Wärmeleitfähigkeit die- ses mechanischen Wärmeschalters kann durch ändern des Anpreßdrucks variiert werden. Als besonders vorteilhaft bei dem mechanischen Wärmeschalter stellt sich heraus, daß beim Lösen der Kontaktmaterialien voneinander, d.h. wenn kein mechanischer Kontakt mehr zwischen den Kontaktmate- rialien besteht, der Wärmeschalter in diesem geöffneten Zustand wirklich offen ist, und keinen Wärmestrom durch ihn fließen läßt.According to a further advantageous embodiment, the first, second and third heat switches are designed as a mechanical heat switch, as a gas heat switch or as a superconducting heat switch (cf. Frank Pobell: "Matter and methods at low temperatures", 2nd edition, Springer- Verlag 1996). Mechanical heat switches are based on the principle that thermal, highly conductive input or output contact materials, such as metals (e.g. copper, brass, gold), are mechanically pressed together when pressure is applied. This creates a contact between the materials, so that a heat flow can flow in this closed state of the heat switch. The thermal conductivity of this mechanical heat switch can be varied by changing the contact pressure. It is found to be particularly advantageous in the mechanical heat switch that when the contact materials are detached from one another, i.e. when there is no longer any mechanical contact between the contact materials, the heat switch is really open in this open state and does not allow any heat flow to flow through it.
Der Gaswärmeschalter basiert auf dem Prinzip, daß zur thermischen Kopplung zwischen zwei oder mehr Kopplungsteilen, d.h. im geschlossenen Zustand des Wärmeschalters, ein Gas (z.B. Wasserstoff, Stickstoff, etc.) vorgesehen ist. Um den Gaswärmeschalter zu öffnen, wird das Gas entweder durch Abpumpen entfernt, oder es wird ausgefroren bzw. durch Kälteeinwirkung in einen flüssigen Zustand überführt, um eine Wärmeübertragung zwischen den Kopp- lungsteilen zu verhindern.The gas heat switch is based on the principle that a gas (for example hydrogen, nitrogen, etc.) is provided for the thermal coupling between two or more coupling parts, ie in the closed state of the heat switch is. In order to open the gas heat switch, the gas is either removed by pumping, or it is frozen out or converted into a liquid state by the action of cold in order to prevent heat transfer between the coupling parts.
Beim supraleitenden Wärmeschalter werden zwei oder mehr zu verbindende eingangsseitige bzw. ausgangsseitige Kopplungsteile mit einem Kopplungsmaterial, wie bei- spielsweise einem bestimmten Metall (z.B. AI, Pb, Zn, Sn, In) , verbunden, das zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleiten Zustand "schaltbar" ist. Dieses Schalten kann dadurch erreicht werden, daß das Kopplungs- material im supraleitenden Zustand beispielsweise durch Anlegen eines Magnetfelds mit einer Stärke oberhalb der kritischen Feldstärke in den normalleitenden Zustand gebracht wird. Befindet sich das Kopplungsmaterial im normalleitenden Zustand so hat es eine hohe thermische Leitfähigkeit, während es im supraleitenden Zustand eine um mehrere Zehnerpotenzen geringere thermische Leitfähigkeit aufweist .In the case of the superconducting heat switch, two or more coupling parts to be connected on the input or output side are connected to a coupling material, such as, for example, a certain metal (for example Al, Pb, Zn, Sn, In), which is between a superconducting state and a normally conductive state " is switchable ". This switching can be achieved in that the coupling material in the superconducting state is brought into the normal conducting state, for example by applying a magnetic field with a strength above the critical field strength. If the coupling material is in the normally conductive state, it has a high thermal conductivity, while in the superconducting state it has a thermal conductivity that is several orders of magnitude lower.
Das von der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu kühlende Objekt weist beispielsweise ein Reservoir eines verflüssigten Gases, wie beispielsweise ein Helium-Reservoir, auf. Ferner kann das zu kühlende Objekt einen auf einem supraleitenden oder normalleitenden Material basierenden Magnet aufweisen, der als Teil einer Entmagneti- sierungsstufe (als eine spezielle für sehr tiefe Tempera- turen in der Nähe des absoluten Nullpunkts geeignete Tieftemperaturkühleinrichtung) dienen kann. Das zu kühlende Objekt kann ferner einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweisen. Derartige Sensoren können Sensoren mit einer Betriebstemperatur im Bereich von etwa 30 bis 100 K, wie beispielsweise Silizium-Detektoren (Si(Li) -Dektoren) , Germanium-Detektoren (HPGe-Dektoren) oder auf Hochtemperatursupraleitern ba- sierende SQUIDs ( |Superconducting Quantum Interference DeviceiS, supraleitende Quanten-Interferenz-Vorrichtungen) sein. Das zu kühlende Objekt kann ferner auch Sensoren, die auf einem Tieftemperatureffekt basieren, aufweisen, wobei diese Sensoren aufgrund ihrer Betriebstemperatur kleiner als 20 K, meist sogar kleiner als 4 K, von einer Tieftemperaturkühleinrichtung (z.B. einer adiabatischen Entmagnetisierungsstufe oder einer 3He/4He-Entmischungs- kühlstufe), die mit dem ersten Kaltkopf des ersten Puls- rohrs verbunden ist, auf die entsprechende Betriebstemperatur gekühlt werden.The object to be cooled by the cooling device according to the invention has, for example, a reservoir of a liquefied gas, such as a helium reservoir. Furthermore, the object to be cooled can have a magnet based on a superconducting or normally conducting material, which can serve as part of a demagnetization stage (as a special low-temperature cooling device suitable for very low temperatures in the vicinity of the absolute zero point). The object to be cooled can also have a sensor for detecting particles, radiation or fields. Such sensors can sensors with an operating temperature in the range of about 30 to 100 K, such as silicon detectors (Si (Li) detectors), germanium detectors (HPGe detectors) or on high-temperature superconductors. be SQUIDs (| Superconducting Quantum Interference DeviceiS, superconducting quantum interference devices). The object to be cooled can also have sensors that are based on a low-temperature effect, these sensors being due to their operating temperature less than 20 K, usually even less than 4 K, from a low-temperature cooling device (for example an adiabatic demagnetization stage or a 3He / 4He demixing cooling stage), which is connected to the first cold head of the first pulse tube, are cooled to the corresponding operating temperature.
Die in der Detektorvorrichtung verwendeten auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensoren, oder auch Kryo- detektoren bzw. kryogene Detektoren, sind Sensoren, die durch eine Strahlungs- oder Teilchenabsorption deponierte Energie mittels eines Effektes, der nur oder insbesondere bei tiefen Temperaturen auftritt, messen. Diese Temperaturen werden von einer Wärmesenke bereitgestellt, die an die Detektoreinrichtung, welche einen jeweiligen auf einem Tieftemperatureffekt basierenden Sensor aufweist, thermisch gekoppelt ist. Diese Effekte können sein:The sensors used in the detector device based on a low-temperature effect, or also cryodetectors or cryogenic detectors, are sensors which measure energy deposited by radiation or particle absorption by means of an effect which only or in particular occurs at low temperatures. These temperatures are provided by a heat sink which is thermally coupled to the detector device, which has a respective sensor based on a low-temperature effect. These effects can be:
i) Temperaturerhöhung nach Energiedeposition (Kalorimeter) in einem Absorber (Dielektrikum, Metall, Supraleiter, usw. ) .i) Temperature increase after energy deposition (calorimeter) in an absorber (dielectric, metal, superconductor, etc.).
ii) Erzeugung von Phononen (Gitterschwingungen in einem Absorberraaterial ) durch die Energiedeposition. Je tiefer die Ausgangstemperatur, desto weniger Gitterschwingungen sind vorhanden.ii) Generation of phonons (lattice vibrations in an absorber material) by energy deposition. The lower the initial temperature, the less grid vibrations are present.
iii) Erzeugung von Quasiteilchen (Aufbrechen voniii) Generation of quasiparticles (breaking up of
Cooperpaaren) in einem Supraleiter. Supraleitung ist ein Tieftemperatureffekt . Je tiefer die Ubergangstemperatur zur Supraleitung, desto mehr dieser Quasiteilchen werden durch die Energiedeposition erzeugt. Je mehr Quasiteil- chen erzeugt werden, desto genauer kann die Energie bestimmt werden.Cooper pairs) in a superconductor. Superconductivity is a low-temperature effect. The lower the transition temperature to superconductivity, the more of these quasiparticles are generated by the energy deposition. The more quasi part the more energy can be determined.
iv) Änderung der Spinausrichtung bzw. Magnetisie- rung in einem auf tiefe Temperaturen abgekühlten Spinsystem bestehend aus paramagnetischen Ionen aufgrund einer Energiedeposition .iv) Change of the spin orientation or magnetization in a spin system cooled to low temperatures, consisting of paramagnetic ions due to an energy deposition.
Um die Temperaturerhöhung, die Gitterschwingungen, die Quasiteilchen (allgemein die Anregungen) bzw. die Änderung der Magnetisierung zu messen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei generell gilt, daß die Anregungen in einem Absorber erzeugt werden und in einem Sensor nachgewiesen werden. Sensor und Absorber können dabei identisch sein. Als Sensoren kommen in Frage:There are various ways of measuring the temperature increase, the lattice vibrations, the quasiparticles (generally the excitations) or the change in the magnetization, with the general rule that the excitations are generated in an absorber and are detected in a sensor. Sensor and absorber can be identical. Possible sensors are:
a) Supraleitende Phasenübergangsthermometer, wie beispielsweise als Sensor in einem Mikrokalorimeter : Diese bestehen im wesentlichen aus einem Absorber, einem Phasenübergangsthermometer (supraleitende Schicht, beispielsweise aus Wolfram, Iridium, Aluminium oder Tantal) und einer Kühleinrichtung bzw. einer Kopplung an eine Wärmesenke. Im Temperaturübergangsbereich zwischen seiner supraleitenden und normalleitenden Phase ändert das Ther- mometer seinen elektrischen Widerstand sehr stark in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h. auch nach Absorption von Gitterschwingungen und Quasiteilchen.a) Superconducting phase transition thermometers, such as a sensor in a microcalorimeter: These essentially consist of an absorber, a phase transition thermometer (superconducting layer, e.g. made of tungsten, iridium, aluminum or tantalum) and a cooling device or a coupling to a heat sink. In the temperature transition area between its superconducting and normal conducting phase, the thermometer changes its electrical resistance very strongly depending on the temperature, i.e. even after absorption of lattice vibrations and quasiparticles.
b) Supraleitende Tunneldioden: Sie bestehen aus zwei überlappenden dünnen supraleitenden Filmen ( SIS: Su- praleiter-Isolator-Supraleiter, wobei die Filme nicht notwendigerweise aus dem gleichen Supraleiter auf beiden Seiten bestehen müssen) oder einem supraleitenden und einem normalleitenden Film ( NISt Normalleiter-Isolator-Su- praleiter) , wobei die jeweiligen Filme durch eine dünne elektrisch isolierende Barriere getrennt sind. Die Barriere ist so dünn, daß sie quanten echanisches Tunneln Mb) Superconducting tunnel diodes: They consist of two overlapping thin superconducting films (SIS: superconductor-insulator-superconductor, whereby the films do not necessarily have to consist of the same superconductor on both sides) or a superconducting and a normally conducting film (NISt normal conductor- Insulator super conductor), the respective films being separated by a thin electrically insulating barrier. The barrier is so thin that they quantified echanical tunneling M
von Elektronen, bzw. Quasiteilchen von der einen Elektrode zur anderen erlaubt. Wird die NIS-Diode oder SIS- Diode unterhalb der Sprungtemperatur der jeweiligen Supraleiter betrieben, und ist die angelegte Spannung klei- ner als die der supraleitenden Energielücke entsprechenden Spannung (NIS) bzw. kleiner als zweimal diese Spannung (SIS), so steigt der über die Barriere fließende Strom, wenn in der Tunneldiode Energie deponiert wird. Die Deposition der Energie kann durch Temperaturerhöhung, Absorption von Gitterschwingungen oder Quasiteilchen oder direkt durch Absorption von Strahlung oder Teilchen geschehen.of electrons or quasiparticles from one electrode to the other. If the NIS diode or SIS diode is operated below the transition temperature of the respective superconductor and the applied voltage is less than the voltage (NIS) corresponding to the superconducting energy gap or less than twice this voltage (SIS), the voltage rises the barrier current flows when energy is deposited in the tunnel diode. The deposition of the energy can take place through an increase in temperature, absorption of lattice vibrations or quasiparticles or directly through absorption of radiation or particles.
c) Thermistor, wie NTD-Thermometer ( NTD: "Neutron Transmutation Doping", d.h. mittels Neutronen hochdotierter Halbleiter) . Diese Thermometer können zum Messen von Temperaturschwankungen verwendet werden, da bei ihnen, wie bei allen Halbleitern, der Widerstand mit sinkender Temperatur zunimmt. Um zu vermeiden, daß bei sehr tiefen Temperaturen die Widerstände so hoch anwachsen, daß sie nicht mehr mit genügender Genauigkeit gemessen werden können, werden die verwendeten Halbleiter hochdotiert, wodurch ihr Widerstand abgesenkt wird.c) Thermistor, such as NTD thermometer (NTD: "Neutron Transmutation Doping", i.e. semiconductors highly doped with neutrons). These thermometers can be used to measure temperature fluctuations because, like all semiconductors, the resistance increases with decreasing temperature. In order to avoid that the resistors grow so high at very low temperatures that they can no longer be measured with sufficient accuracy, the semiconductors used are heavily doped, as a result of which their resistance is reduced.
d) Magnetische Bolometer. Diese Sensoren, die eine schwache thermische Kopplung an ein Kältebad bzw. eine Wärmesenke mit einer Temperatur vorzugsweise im Millikel- vinbereich haben, umfassen eine schwache Konzentration von paramagnetischen Ionen in einem magnetischen Feld. Als derartige Ionen werden vorteilhafterweise Ionen von seltenen Erden, wie beispielsweise von Erbium (Er3+), verwendet. Wenn ein kleiner Energiebetrag, beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, in einem derartigen Sensor deponiert wird, verursacht der Temperaturanstieg eine Änderung der Magnetisierung des von den paramagnetischen Ionen gebildeten Paramagneten, die beispielsweise unter Verwendung einer Spule, die an einen Eingang eines SQUIDs angeschlossen ist, gemessen werden kann. Vorteilhafterweise ist an das magnetische Bolometer ein Absorber thermisch gekoppelt.d) Magnetic bolometers. These sensors, which have a weak thermal coupling to a cold bath or a heat sink with a temperature preferably in the millivin range, comprise a weak concentration of paramagnetic ions in a magnetic field. As such ions, rare earth ions such as erbium (Er3 +) are advantageously used. If a small amount of energy, for example due to electromagnetic radiation, is deposited in such a sensor, the rise in temperature causes a change in the magnetization of the paramagnet formed by the paramagnetic ions, for example using a coil connected to an input of a sensor SQUIDs is connected, can be measured. An absorber is advantageously thermally coupled to the magnetic bolometer.
Das zu kühlende Objekt kann ferner eine Vielzahl von Sensoren aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn zwei verschiedenartige Sensoren verwendet werden, deren Energieauflösung in jeweils verschiedenen Energiebereichen unterschiedlich gut ist.The object to be cooled can also have a large number of sensors. This is advantageous, for example, if two different types of sensors are used, the energy resolution of which is different in each case in different energy ranges.
Kurzbeschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er- findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung.Further details, features and advantages of the invention result from the following description of preferred embodiments with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer zweistufigen Pulsröhrenkühlervorrichtung im Stand der Technik;Figure 1 is a schematic sectional view from the side of a two-stage pulse tube cooler device in the prior art;
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf des ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf des zweiten Kaltkopfs der in Figur 1 gezeigten Pulsröhrenkühlervorrichtung;FIG. 2 shows a diagram to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of the first pulse tube and on the second cold head of the second cold head of the pulse tube cooler device shown in FIG. 1;
Figur 3 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungs orm;Figure 3 is a schematic sectional view from the side of a cryogenic cooling device according to the invention according to a first embodiment;
Figur 4 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; 11,Figure 4 is a schematic sectional view from the side of a cryogenic cooling device according to the invention according to a second embodiment; 11
Figuren 5 jeweils Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf eines ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf eines zweiten Kaltkopfs einer Pulsröhrenkühlervor- richtung bzw. Tieftemperaturkühlvorrichtung, wobei Figur 5a den Kühlverlauf bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung und Figur 5b den Kühlverlauf bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß den Figuren 3 oder 4 zeigt;5 each show diagrams to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of a first pulse tube and on the second cold head of a second cold head of a pulse tube cooler device or low-temperature cooling device, FIG. 5a showing the cooling course in a conventional cooling device and FIG. 5b showing the cooling course in one shows cooling device according to Figures 3 or 4;
Figur 6 eine schematische Schnittansicht von der Seite einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform;Figure 6 is a schematic sectional view from the side of a cooling device according to the invention according to a third embodiment;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung;Figure 7 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a first embodiment;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer zweiten Ausgestaltung;Figure 8 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a second embodiment;
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung;Figure 9 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to a third embodiment;
Figur 10 eine schematische Darstellung eines Puls- röhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 9; undFigure 10 is a schematic representation of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in Figure 9; and
Figur 11 eine schematische Darstellung eines zweistufigen Pulsröhrenkühlersystems mit den wichtigstem Kom- ponenten.Figure 11 is a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components.
Bevorzugte Ausführungsformen Im folgenden wird eine Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anhand bevorzugter Aus führungs formen beschrieben.Preferred embodiments In the following, a cooling device according to the present invention will be described with reference to preferred embodiments.
Erste AusführungsformFirst embodiment
Es sei dabei zunächst auf Figur 3 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer ersten Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Tieft eperaturkühlvorrichtung zeigt. Hier, wie in den folgenden Figuren, werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.Reference is first made to FIG. 3, which shows a schematic representation of a first embodiment of a deep-temperature cooling device according to the invention. Here, as in the following figures, the same parts are denoted by the same reference numerals.
Die erfindungsgemäße Tieftemperaturkühlvorrichtung ist hier, sowie in den folgenden Ausführungsformen, vor- teilhafterweise zur Verbesserung der Kühlleistung in einem Kühlbehälter bzw. einem Kryostaten angeordnet, wobei die in den Figuren dargestellten Temperaturniveaus (300K, 77 K) Bereiche repräsentieren, die vorteilhafterweise von Wärme- bzw. Strahlungsschilden zur Wärmeisolierung umge- ben sind.The low-temperature cooling device according to the invention is here, as well as in the following embodiments, advantageously arranged to improve the cooling performance in a cooling container or a cryostat, the temperature levels (300K, 77K) shown in the figures representing areas which are advantageously affected by heat or Radiation shields for heat insulation are surrounded.
In der ersten bevorzugten Ausführungs form steht ein Warmkopf 22 (am oberen Ende eines Pulsrohrs 20 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf 32 (am oberen Ende eines Pulsrohrs 30 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines zweiten Pulsrohrs 30, sowie ein warmer Endabschnitt 54 eines zweiten Regenerators 50 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau, beispielsweise einer Kryostaten- abdeckung, die mit der Umgebung in Kontakt steht. In dieser Darstellung sind die beiden Regeneratoren 40 und 50 der Pulsrohre 20 und 30 miteinander verbunden, so daß der obere Regenerator 50 als warmer Regeneratorabschnitt 50 bzw. zur Kopplung an das 300K-Temperaturniveau vom Rege- nerator 40 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit zwei voneinander getrennten Regeneratoren denk- bar. Das erste und zweite Pulsrohr 20 und 30, sowie die Regeneratoren bzw. Regeneratorabschnitte 40 und 50 sind im wesentlichen parallel und in Richtung der Erdschwerkraft angeordnet. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4 K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77 K (TZ) zum Vorkühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, wird die Temperatur von 77 K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild 81 zur thermischen Isolierung umgeben ist. Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40 und ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Re- generators 50 verbunden. Es sei hierzu bemerkt, daß die Leitungen 42, 52 Gasleitungen sind, die zum Übertragen des oszillierenden Gases von den jeweiligen Regeneratoren 40,50 zu den Pulsrohren 20,30 vorgesehen sind.In the first preferred embodiment there is a warm head 22 (located at the upper end of a pulse tube 20 and not explicitly identified) of a first pulse tube 20, a warm head 32 (located at the upper end of a pulse tube 30 and not explicitly identified) of a second pulse tube 30, and a warm end portion 54 of a second regenerator 50 in thermal contact with the 300 K temperature level, for example a cryostat cover that is in contact with the environment. In this illustration, the two regenerators 40 and 50 of the pulse tubes 20 and 30 are connected to one another, so that the upper regenerator 50 is used by the regenerator 40 as a warm regenerator section 50 or for coupling to the 300 K temperature level. However, an arrangement with two separate regenerators is conceivable. bar. The first and second pulse tubes 20 and 30, as well as the regenerators or regenerator sections 40 and 50 are arranged essentially parallel and in the direction of gravity. A cold head 24 is provided at the lower end of the first pulse tube 20, at which a cooling temperature of approximately 4 K (TE) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82. At the lower end of the second pulse tube 30, a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77 K (TZ) is provided for precooling the first pulse tube 20. More specifically, the temperature of 77 K is provided to a cooling area containing the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82, which in the case of using a cryostat is surrounded by a heat shield 81 for thermal insulation. Furthermore, the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42 and the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52. It should be noted in this regard that the lines 42, 52 are gas lines which are provided for transferring the oscillating gas from the respective regenerators 40, 50 to the pulse tubes 20, 30.
Des weiteren ist der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 über einen Wärmeschalter 100, der hier vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 100 an die jeweiligen Komponenten 34 und 24 erfolgt über Leitungen 101,101', die vorzugsweise draht- oder rohrförmige Leitungen aus einem thermisch gut leitenden (z.B. Kupfer, Gold) Material ausgebildet sind. Neben bzw. anstelle der thermischen Ankopplung der Lei- tung 101' an den ersten Kaltkopf 24, ist es auch denkbar, direkt am zu kühlenden Objekt 82 anzukoppeln. 1*Furthermore, the cold head 34 of the second pulse tube 30 is thermally coupled (interruptible) to the cold head 24 of the first pulse tube 20 via a heat switch 100, which is preferably designed here as a mechanical heat switch. The coupling of the heat switch 100 to the respective components 34 and 24 takes place via lines 101, 101 ', which are preferably wire or tubular lines made of a thermally highly conductive (eg copper, gold) material. In addition to or instead of the thermal coupling of the line 101 'to the first cold head 24, it is also conceivable to couple directly to the object 82 to be cooled. 1*
Es sei bemerkt, daß die angegebenen Temperaturniveaus in dieser, sowie in den weiteren Ausführungs formen zur Veranschaulichung dienen und entsprechend dem vorherrschenden Betriebszustand oder der Betriebsart bzw. abhängig von der Umgebungstemperatur andere Werte aufweisen können.It should be noted that the temperature levels indicated in this, as well as in the other embodiments, serve for illustration and may have different values depending on the prevailing operating state or the operating mode or depending on the ambient temperature.
Zweite AusführungsformSecond embodiment
Es sei nun auf Figur 4 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zeigt.Reference is now made to FIG. 4, which shows a schematic illustration of a second embodiment of the low-temperature cooling device according to the invention.
Der Aufbau der Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß der zweiten Aus führungsform entspricht im wesentlichen der der ersten Ausführungsform, weshalb an dieser Stelle auf deren detaillierte Beschreibung verwiesen wird. Im Gegensatz zur ersten Ausführungs form erfolgt die Kopplung des zweiten Kaltkopfs 34 über den Wärmeschalter 100 bzw. die Leitungen 101,101' an den ersten Pulsröhrenkühler 20,40 durch thermische Kopplung an den kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40. Ob an den kalten Endabschnitt 46 (zweite Ausführungsform) oder den Kaltkopf 24 (erste Ausführungsform) gekoppelt wird, hängt davon ab, was platztechnisch bzw. mechanisch günstiger beim Ausbilden der Tieftmperaturkühlvorrichtung ist.The structure of the low-temperature cooling device according to the second embodiment essentially corresponds to that of the first embodiment, which is why reference is made to the detailed description thereof at this point. In contrast to the first embodiment, the second cold head 34 is coupled via the heat switch 100 or the lines 101, 101 'to the first pulse tube cooler 20, 40 by thermal coupling to the cold end section 46 of the regenerator 40. Whether to the cold end section 46 (second Embodiment) or the cold head 24 (first embodiment) is dependent on what is technically or mechanically more favorable when forming the low-temperature cooling device.
Kühlvorgangcooling process
Es sei nun auf die Figuren 5 verwiesen, die jeweilsReference should now be made to FIGS. 5, each
Diagramme zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs des Kühlvorgangs an dem ersten Kaltkopf eines ersten Pulsrohrs und an dem zweiten Kaltkopf eines zweiten Kalt- kopfs einer Pulsröhrenkühlervorrichtung bzw. Tieftemperaturkühlvorrichtung darstellen. Genauer gesagt, zeigt Figur 5a den Kühlverlauf bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung und Figur 5b den Kühlverlauf bei einer erfin- dungsgemäßen Kühlvorrichtung gemäß den Figuren 3 oder 4 zeigt .Diagrams to illustrate the time course of the cooling process on the first cold head of a first pulse tube and on the second cold head of a second cold tube. represent the head of a pulse tube cooler or low-temperature cooling device. 5a shows the cooling profile in a conventional cooling device and FIG. 5b shows the cooling profile in a cooling device according to the invention according to FIGS. 3 or 4.
Zum besseren Vergleich der vorteilhaften Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrich- tung, insbesondere gemäß den Figuren 3 oder 4, mit den Nachteilen im Stand der Technik, insbesondere gemäß Figur 1, sei zunächst noch einmal kurz auf Figur 5a eingegangen. Wird bei einem zweistufigen Pulsröhrenkühlersyste das zweite Pulsrohr 30 zum Zeitpunkt tO in Betrieb geno - men, so erreicht es, da seine Kühlleistung für höhere Temperaturen optimiert ist, nach relativ kurzer Zeit tl am zweiten Kaltkopf 34 sein Solltemperatur von ungefähr 77 K, wie es in anhand von Linie 230 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu erreicht das von dem zweiten Pulsrohr 30 im wesentlichen isolierte erste Pulsrohr 20, da seine Kühlleistung für tiefere Temperaturen optimiert ist, erst zu einem um Δtl späteren Zeitpunkt t2 am ersten Kaltkopf 24 eine Temperatur von ungefähr 77 K, wie es in anhand von Linie 220 gezeigt ist, um dann zum Zeitpunkt t3 eine Tem- peratur von ungefähr 4 K aufzuweisen.For a better comparison of the advantageous properties of a low-temperature cooling device according to the invention, in particular according to FIGS. 3 or 4, with the disadvantages in the prior art, in particular according to FIG. 1, reference is first briefly made to FIG. If, in a two-stage pulse tube cooler system, the second pulse tube 30 is put into operation at time tO, since its cooling capacity is optimized for higher temperatures, it reaches its target temperature of approximately 77 K on the second cold head 34 after a relatively short time t1, as shown in FIG shown on line 230. In contrast, the first pulse tube 20, which is essentially insulated from the second pulse tube 30, since its cooling capacity is optimized for lower temperatures, does not reach a temperature of approximately 77 K at the first cold head 24 until Δtl later t2, as is shown in FIG Line 220 is shown in order to then have a temperature of approximately 4 K at time t3.
Anders verhält es sich bei einer Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, insbesondere gemäß den Figuren 3 oder 4. Vor Beginn des eigentli- chen Kühlvorgangs, der ungefähr bei Raumtemperatur, d.h. ungefähr 300 K, beginnt, wird der Wärmeschalter 100 geschlossen, um eine thermische Kopplung zwischen dem zweiten Kaltkopf 34 und dem ersten Kaltkopf 24 bzw. dem ersten kalten Endabschnitt 46 des ersten Regenerators 40 zu schaffen. Wird nun der Kühlvorgang gestartet und die Tieftemperaturkühlvorrichtung, insbesondere das zu kühlende Objekt 82 am ersten Kaltkopf 24, kaltgefahren bzw. abgekühlt, so geschieht das jetzt durch die kombinierte Kühlleistung des ersten 20 und zweiten 30 Pulsrohrs bzw. deren Kaltköpfe 24,34. Diese Tatsache verdeutlicht auch die dicke durchgezogene Linie 220 ',230' (untere Linie) in Figur 5b. Das bedeutet, in der ersten Kühlphase beim Abkühlen von ungefähr 300 K zum Zeitpunkt tO bis auf die Solltemperatur des zweiten Kaltkopfs von ungefähr 77 K (TZl) zum Zeitpunkt tl verlaufen die Temperaturkurven 220' des ersten Kaltkopfs 24 und 230' des zweiten Kalt- kopfs quasi identisch. Es sei bemerkt, daß der Zeitpunkt tl in Figur 5b von den Linien 220 ',230' etwas später erreicht werden kann als der Zeitpunkt tl in Figur 5a von der Linie 230, da durch die thermische Kopplung des ersten Kaltkopfs 24 bzw. des zu kühlenden Objekts 82 an den zweiten Kaltkopf 34 eine größere Kühllast am zweiten Kaltkopf anliegt, wodurch die Zeit zum Abkühlen auf ungefähr 77 K (TE1) verlängert werden kann. Ist der Zeitpunkt tl erreicht, so wird der Wärmeschalter 100 geöffnet, und der erste Kaltkopf 24 allein kühlt das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur von 4 K (TE) ab, was gemäß der Kurve 220' zum Zeitpunkt t4 geschieht. Im Vergleich zu der herkömmlichen Kühlkurve 220 eines ersten Kaltkopfs 24 ist anhand von Figur 5b zu erkennen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung der erste Kaltkopf 24 (Kurve 220') schon um ein Zeitintervall Δtl früher die Zwischentemperatur von 77 K (tZl), und um ein Zeitintervall Δt2 entsprechend früher die Solltemperatur von 4 K erreicht.The situation is different for a low-temperature cooling device according to the present invention, in particular according to FIGS. 3 or 4. Before the actual cooling process begins, which begins at approximately room temperature, ie approximately 300 K, the heat switch 100 is closed for thermal coupling to create between the second cold head 34 and the first cold head 24 or the first cold end portion 46 of the first regenerator 40. If the cooling process is now started and the low-temperature cooling device, in particular the object 82 to be cooled on the first cold head 24, is driven cold or cooled down, this is now done by the combined cooling capacity of the first 20 and second 30 pulse tubes or their cold heads 24, 34. This fact also illustrates the thick solid line 220 ', 230' (lower line) in Figure 5b. This means that in the first cooling phase when cooling from approximately 300 K at time tO to the target temperature of the second cold head of approximately 77 K (TZl) at time t1, the temperature curves 220 ′ of the first cold head 24 and 230 ′ of the second cold head run quasi identical. It should be noted that the time tl in FIG. 5b can be reached a little later from the lines 220 ', 230' than the time tl in FIG Object 82 on the second cold head 34 is subjected to a greater cooling load on the second cold head, as a result of which the time for cooling can be extended to approximately 77 K (TE1). When the time t1 is reached, the heat switch 100 is opened and the first cold head 24 alone cools the object 82 to be cooled to the desired temperature of 4 K (TE), which occurs at time t4 according to the curve 220 '. In comparison to the conventional cooling curve 220 of a first cold head 24, it can be seen from FIG. 5b that, according to the present invention, the first cold head 24 (curve 220 ') already the intermediate temperature of 77 K (tZl) by a time interval .DELTA.l and earlier a time interval Δt2 correspondingly reaches the target temperature of 4 K earlier.
In praktischen Experimenten hat sich gezeigt, daß ge- maß der vorliegenden Erfindung die Kühlzeit zum Abkühlen eines zu kühlenden Objekts 82 von 300 K auf 4 K im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühleinrichtung um bis auf die Hälfte reduziert werden kann. Dritte AusführungsformPractical experiments have shown that, according to the present invention, the cooling time for cooling an object 82 to be cooled can be reduced by up to half from 300 K to 4 K compared to a conventional cooling device. Third embodiment
Es sei nun auf Figur 6 verwiesen, die eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungs form einer er- findungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zeigt.Reference is now made to FIG. 6, which shows a schematic illustration of a third embodiment of a low-temperature cooling device according to the invention.
In der dritten bevorzugten Aus führungs form steht ein Warmkopf 22 (am oberen Ende eines ersten Pulsrohrs 20 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines ersten Pulsrohrs 20, ein Warmkopf 32 (am oberen Ende eines zweiten Pulsrohrs 30 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines zweiten Pulsrohrs 30, ein Warmkopf 112 (am oberen Ende eines dritten Pulsrohrs 110 befindlich und nicht explizit gekennzeichnet) eines dritten Puls- rohrs 110, sowie ein warmer Endabschnitt 124 eines dritten Regenerators 120 in thermischem Kontakt mit dem 300 K-Temperaturniveau, beispielsweise einer Kryostatenab- deckung, die mit der Umgebung in Kontakt steht. In dieser Darstellung sind die drei Regeneratoren 40,50 und 120 miteinander verbunden, so daß die oberen Regeneratoren 50,120 als warmer Regeneratorabschnitt 50,120 bzw. zur Kopplung an das 30OK-Temperaturniveau vom Regenerator 40 mit verwendet werden, und der obere Regenerator 120 als warmer Regeneratorabschnitt 120 bzw. zur Kopplung an das 30OK-Temperaturniveau vom Regenerator 50 mit verwendet wird. Es ist jedoch eine Anordnung mit drei voneinander getrennten Regeneratoren denkbar. Das erste, zweite und dritte Pulsrohr 20,30 und 110, sowie die Regeneratoren bzw. Regeneratorabschnitte 40,50 und 120 sind im wesent- liehen parallel und in Richtung der Erdschwerkraft angeordnet. Am unteren Ende des ersten Pulsrohrs 20 ist ein erster Kaltkopf 24 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur an einem zu kühlenden Objekt, hier an einem Magnet 82, von etwa 4 K (TE) bereitgestellt wird. Am unteren Ende des zweiten Pulsrohrs 30 ist ein Kaltkopf 34 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 30 K (TZl) zum Vor- 51In the third preferred embodiment there is a warm head 22 (located at the upper end of a first pulse tube 20 and not explicitly identified) of a first pulse tube 20, a warm head 32 (located at the upper end of a second pulse tube 30 and not explicitly identified) of a second pulse tube 30, a warm head 112 (located at the upper end of a third pulse tube 110 and not explicitly identified) of a third pulse tube 110, and a warm end section 124 of a third regenerator 120 in thermal contact with the 300 K temperature level, for example a cryostat cover that is in contact with the environment. In this illustration, the three regenerators 40, 50 and 120 are connected to one another, so that the upper regenerators 50, 120 are used as the warm regenerator section 50, 120 or for coupling to the 30OK temperature level from the regenerator 40, and the upper regenerator 120 as the warm regenerator section 120 or for coupling to the 30OK temperature level from the regenerator 50 is also used. However, an arrangement with three separate regenerators is conceivable. The first, second and third pulse tubes 20, 30 and 110, and the regenerators or regenerator sections 40, 50 and 120 are arranged essentially parallel and in the direction of gravity. At the lower end of the first pulse tube 20, a first cold head 24 is provided, on which a cooling temperature of approximately 4 K (TE) is provided on an object to be cooled, here on a magnet 82. At the lower end of the second pulse tube 30, a cold head 34 is provided, at which a cooling temperature of approximately 30 K (TZl) 51
kühlen des ersten Pulsrohrs 20 bereitgestellt wird. Insbesondere wird die Temperatur von 30 K einem den Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild zur thermischen Isolierung umgeben ist. Am unteren Ende des dritten Pulsrohrs 110 ist ein Kaltkopf 114 vorgesehen, an dem eine Kühltemperatur von etwa 77 K (TZ2) zum Vorkühlen des ersten bzw. zweiten Pulsrohrs 20 bzw. 30 bereitgestellt wird. Auch hier kann die Temperatur von 77 K einem die Kaltköpfe 24,34 des ersten, zweiten Pulsrohrs und den Magnet 82 beinhaltenden Kühlbereich bereitgestellt werden, der im Fall der Verwendung eines Kryostaten von einem Wärmeschild (nicht dargestellt) zur thermischen Isolie- rung umgeben ist.cooling of the first pulse tube 20 is provided. In particular, the temperature of 30 K is provided to a cooling region which contains the cold head 24 of the first pulse tube and the magnet 82 and which is surrounded by a heat shield for thermal insulation in the case of using a cryostat. At the lower end of the third pulse tube 110, a cold head 114 is provided, at which a cooling temperature of approximately 77 K (TZ2) is provided for precooling the first and second pulse tubes 20 and 30, respectively. Here, too, the temperature of 77 K can be provided to a cooling region which includes the cold heads 24, 34 of the first, second pulse tube and the magnet 82 and which, in the case of using a cryostat, is surrounded by a heat shield (not shown) for thermal insulation.
Ferner ist der Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 über eine Leitung 42 mit einem kalten Endabschnitt 46 des Regenerators 40, ist der Kaltkopf 34 des zweiten Puls- rohrs 30 über eine Leitung 52 mit einem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 verbunden, und ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 über eine Leitung 122 mit einem kalten Endabschnitt 126 des dritten Regenerators 120 verbunden. Es sei wiederum bemerkt, daß die Leitungen 42,52,122 Gasleitungen sind, die zum Übertragen des oszillierenden Gases von den jeweiligen Regeneratoren 40,50,120 zu den Pulsrohren 20,30,110 vorgesehen sind.Furthermore, the cold head 24 of the first pulse tube 20 is connected to a cold end section 46 of the regenerator 40 via a line 42, the cold head 34 of the second pulse tube 30 is connected to a cold end section 56 of the second regenerator 50 via a line 52, and is Cold head 114 of the third pulse tube 110 is connected via a line 122 to a cold end section 126 of the third regenerator 120. It should again be noted that the lines 42, 52, 122 are gas lines which are provided for transmitting the oscillating gas from the respective regenerators 40, 50, 120 to the pulse tubes 20, 30, 110.
Der Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 ist über einen Wärmeschalter 100, der wiederum vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 100 an die jeweiligen Komponenten 34 und 24 erfolgt über Leitungen 101,101' ,109. Des weiteren ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 ist über einen Wärmeschalter 104, der wiederum vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, mit dem Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 104 an die jeweiligen Komponenten 114 und 24 erfolgt über Leitungen 105 , 105 ' , 109 , wobei die an den Kaltkopf 24 ankoppelnde Leitung 109 zur Vereinfachung des Aufbaus auch mit der Leitung 101' verbunden ist. Neben bzw. anstelle der thermischen Ankopplung an dem ersten Kaltkopf 24, ist es auch denkbar, direkt am zu küh- lenden Objekt 82 anzukoppeln. Außerdem ist der Kaltkopf 114 des dritten Pulsrohrs 110 über einen Wärmeschalter 102, der wiederum vorzugsweise als ein mechanischer Wärmeschalter ausgeführt ist, durch die Ankopplung über die Leitung 52 mit dem Kaltkopf 34 des zweiten Pulsrohrs 30 bzw. dem kalten Endabschnitt 56 des zweiten Regenerators 50 (unterbrechbar) thermisch gekoppelt. Die Ankopplung des Wärmeschalters 102 an die jeweiligen Komponenten 114 und 52 erfolgt über Leitungen 103,103'. Es sei bemerkt, daß die Leitung 103' auch direkt mit dem Kaltkopf 24 bzw. dem kalten Endabschnitt 56 verbunden werden kann. Die Leitungen 101 , 101 ' , 103 , 103 ' , 105 , 105 ' sind vorzugsweise als draht- oder rohrförmige Leitungen aus einem thermisch gut leitenden (z.B. Kupfer, Gold) Material ausgebildet.The cold head 34 of the second pulse tube 30 is thermally coupled (interruptible) to the cold head 24 of the first pulse tube 20 via a heat switch 100, which in turn is preferably designed as a mechanical heat switch. The heat switch 100 is coupled to the respective components 34 and 24 via lines 101, 101 ', 109. Furthermore, the cold head 114 of the third pulse tube 110 is via a heat switch 104 again preferably designed as a mechanical heat switch, thermally coupled to the cold head 24 of the first pulse tube 20 (interruptible). The heat switch 104 is coupled to the respective components 114 and 24 via lines 105, 105 ', 109, the line 109 which is coupled to the cold head 24 also being connected to the line 101' to simplify the construction. In addition to or instead of the thermal coupling to the first cold head 24, it is also conceivable to couple directly to the object 82 to be cooled. In addition, the cold head 114 of the third pulse tube 110 is connected to the cold head 34 of the second pulse tube 30 or the cold end section 56 of the second regenerator 50 via a heat switch 102, which in turn is preferably designed as a mechanical heat switch. interruptible) thermally coupled. The heat switch 102 is coupled to the respective components 114 and 52 via lines 103, 103 '. It should be noted that the line 103 'can also be connected directly to the cold head 24 or the cold end section 56. The lines 101, 101 ', 103, 103', 105, 105 'are preferably designed as wire or tubular lines made of a thermally highly conductive (eg copper, gold) material.
Ein Kühlvorgang einer Tieftemperaturkühlvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform stellt sich dabei wie folgt dar. Vor Beginn des eigentlichen Kühlvorgangs, der ungefähr bei Raumtemperatur, d.h. ungefähr 300 K, beginnt, werden die Wärmeschalter 100,102 und vorteilhaf- terweise auch der Wärmeschalter 104 geschlossen, um eine thermische Kopplung zwischen dem zweiten 34 und ersten 24 Kaltkopf, dem dritten 114 und zweiten 34 Kaltkopf bzw. dem kalten Endabschnitt 46, und zur besseren bzw. schnelleren thermischen Verbindung auch eine thermische Kopp- lung direkt zwischen dem dritten 114 und ersten 24 Kaltkopf zu schaffen. Wird nun der Kühlvorgang gestartet und die Tieftemperaturkühlvorrichtung, insbesondere das zu Z3A cooling process of a low-temperature cooling device according to the third embodiment is as follows. Before the actual cooling process begins, which begins at approximately room temperature, ie approximately 300 K, the heat switches 100, 102 and advantageously also the heat switch 104 are closed in order to provide a thermal Coupling between the second 34 and first 24 cold heads, the third 114 and second 34 cold heads or the cold end section 46, and for better or faster thermal connection also to create a thermal coupling directly between the third 114 and first 24 cold heads. Now the cooling process is started and the low-temperature cooling device, especially that too Z3
kühlende Objekt 82 am ersten Kaltkopf 24, kaltgefahren bzw. abgekühlt, so geschieht das jetzt durch die kombinierte Kühlleistung des ersten 20, zweiten 30, und dritten Pulsrohrs bzw. deren Kaltköpfe 24,34,114. Das bedeu- tet, in der ersten Kühlphase beim Abkühlen von ungefähr 300 K bis auf die Solltemperatur des dritten Kaltkopfs von ungefähr 77 K (TZ2) verlaufen die Temperaturkurven des ersten Kaltkopfs 24, des zweiten Kaltkopfs 34 und des dritten Kaltkopfs 114 quasi identisch. Ist die Solltempe- ratur TZ2 des dritten Kaltkopfs 114 erreicht, so werden die Wärmeschalter 102,104 geöffnet, und der erste und zweite Kaltkopf 24,34 fahren (in einer zweiten Kühlphase) fort, das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur des zweiten Kaltkopfs 34 von ungefähr 30 K (TZl) abzuküh- len. Ist schließlich die Solltemperatur TZl des zweiten Kaltkopfs 34 erreicht, so wird der Wärmeschalter 100 geöffnet, und allein der erste Kaltkopf 24 fährt (in einer dritten Kühlphase) fort, das zu kühlende Objekt 82 auf die Solltemperatur des ersten Kaltkopfs 24 von ungefähr 4 K (TZl) abzukühlen. Auf diese Weise wird durch die unterstützende Leistung der für niedrigere Temperaturen optimierten Pulsrohre in den jeweiligen Kühlphasen und durch entsprechende Abkopplung dieser eine bestmögliche Kühlleistung bereitgestellt, wodurch die Kühlzeit der er- findungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung zum kühlen des Objekts 82 minimiert wird.Cooling object 82 on the first cold head 24, driven cold or cooled, is now done by the combined cooling capacity of the first 20, second 30, and third pulse tube or their cold heads 24, 34, 114. This means that in the first cooling phase when cooling from approximately 300 K to the target temperature of the third cold head of approximately 77 K (TZ2), the temperature curves of the first cold head 24, the second cold head 34 and the third cold head 114 are virtually identical. When the target temperature TZ2 of the third cold head 114 has been reached, the heat switches 102, 104 are opened and the first and second cold heads 24, 34 continue (in a second cooling phase) to cool the object 82 to the target temperature of the second cold head 34 from cool about 30 K (TZl). When the target temperature TZl of the second cold head 34 is finally reached, the heat switch 100 is opened and only the first cold head 24 continues (in a third cooling phase) to cool the object 82 to be cooled to the target temperature of the first cold head 24 of approximately 4 K ( TZl) to cool. In this way, the best possible cooling performance is provided by the supporting performance of the pulse tubes optimized for lower temperatures in the respective cooling phases and by corresponding decoupling thereof, as a result of which the cooling time of the inventive low-temperature cooling device for cooling the object 82 is minimized.
PulsröhrenkühlerPulse tube cooler
Im folgenden wird der allgemeine Aufbau und die Wirkungsweise eines in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zu verwendenden Pulsröhrenkühlers beschrieben. Dabei zeigt Figur 7 eine schematische Darstellung eines Puls- röhrenkühlers gemäß einer ersten Ausgestaltung. Hier, wie lkThe general structure and the mode of operation of a pulse tube cooler to be used in the cooling device according to the invention are described below. FIG. 7 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a first embodiment. Here how lk
in den folgenden Figuren, werden wiederum gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.in the following figures, the same parts are again identified by the same reference numerals.
Der Kühleffekt beim Pulsröhrenkühler beruht auf der periodischen Druckänderung und Verschiebung ("Pulsieren") eines Arbeitsgases in einem dünnwandigen Zylinder mit Wärmetauschern an beiden Enden, dem sogenannten Pulsrohr 20. Das Pulsrohr 20 ist mit dem Druckozillator 10 über einen Regenerator 40 verbunden. Der Regenerator 40 dient als Wärmezwischenspeicher, der das vom Druckoszillator 10 einströmende Gas vor Eintritt in das Pulsrohr 20 abkühlt und anschließend das ausströmende Gas wieder auf Raumtemperatur erwärmt. Für diesen Zweck ist er vorteilhafterweise mit einem Material hoher Wärmekapazität gefüllt, das einen guten Wärmeaustausch mit dem strömenden Gas bei gleichzeitig geringem Durchflußwiderstand aufweist. Bei Temperaturen oberhalb 30 K verwendet man Stapel von feinmaschigem Edelstahl- oder Bronzesieben als Regeneratorfüllung. Für tiefere Temperaturen setzt man aus Gründen der hohen Wärmekapazität Bleischrot und neuerdings auch magnetische Materialien, z.B. Er-Ni-Legierungen, ein. Zur Erzeugung der Druckoszillation wird, wie es in Figur 13 gezeigt ist, ein Kompressor 10 in Kombination mit einem nachgeschalteten Rotationsventil 15 verwendet, das peri- odisch die Hoch- und Niederdruckseite des Kompressors mit dem Kühler verbindet. Alternativ dazu kann die Druckoszillation direkt über die Kolbenbewegung eines ventillosen Kompressors erzeugt werden.The cooling effect in the pulse tube cooler is based on the periodic change in pressure and displacement ("pulsation") of a working gas in a thin-walled cylinder with heat exchangers at both ends, the so-called pulse tube 20. The pulse tube 20 is connected to the pressure oscillator 10 via a regenerator 40. The regenerator 40 serves as an intermediate heat store, which cools the gas flowing in from the pressure oscillator 10 before entering the pulse tube 20 and then warms the outflowing gas back to room temperature. For this purpose, it is advantageously filled with a material with a high heat capacity, which has a good heat exchange with the flowing gas and at the same time a low flow resistance. At temperatures above 30 K, stacks of fine-mesh stainless steel or bronze sieves are used as the regenerator filling. For lower temperatures, lead shot and, more recently, magnetic materials are used due to the high heat capacity, e.g. Er-Ni alloys, a. To generate the pressure oscillation, as shown in FIG. 13, a compressor 10 is used in combination with a downstream rotary valve 15, which periodically connects the high and low pressure sides of the compressor to the cooler. Alternatively, the pressure oscillation can be generated directly via the piston movement of a valveless compressor.
In der ersten Ausgestaltung des Pulsröhrenkühlers ist das Pulsrohr am warmen Ende 22 geschlossen. Der Kühlprozeß läuft qualitativ wie folgt ab: In der Kompressionsphase strömt das im Regenerator 40 vorgekühlte Gas in das Pulsrohr 20 ein. Durch die Druckerhöhung wird das Gas im Pulsrohr 20 erwärmt und gleichzeitig zum warmen Wärmetauscher 22 bzw. Warmkopf 22 hin verschoben, wo ein Teil der Kompressionswärme an die Umgebung abgeführt wird. ZSIn the first embodiment of the pulse tube cooler, the pulse tube is closed at the warm end 22. The quality of the cooling process is as follows: in the compression phase, the gas which has been precooled in the regenerator 40 flows into the pulse tube 20. By increasing the pressure, the gas in the pulse tube 20 is heated and at the same time displaced towards the warm heat exchanger 22 or warm head 22, where part of the compression heat is dissipated to the environment. ZS
Durch die anschließende Expansion erfolgt eine Abkühlung des Gases im Pulsrohr 20. Das Gas, welches das Pulsrohr 20 verläßt, ist kälter als beim Eintritt und kann daher Wärme aus dem kalten Wärmetauscher 24 bzw. Kaltkopf 24 und dem zu kühlenden Objekt bzw. einer weiteren Kühleinrichtung, aufnehmen. Eine genauere Analyse des Prozesses in dieser Ausführungsform zeigt, daß für den Wärmetransport vom kalten 24 zum warmen 22 Ende ein Wärmeaustausch zwischen Gas und Rohrwandung erforderlich ist ("Oberflächenwärmepumpen"). Da der Wärmekontakt jedoch nur in einer dünnen Gasschicht an der Rohrwandung erfolgt, ist dieser Kühlprozeß noch nicht optimiert.As a result of the subsequent expansion, the gas in the pulse tube 20 is cooled. The gas which leaves the pulse tube 20 is colder than when it enters and can therefore heat from the cold heat exchanger 24 or cold head 24 and the object to be cooled or a further cooling device , take up. A more detailed analysis of the process in this embodiment shows that the heat transfer from the cold 24 to the warm 22 end requires a heat exchange between the gas and the pipe wall ("surface heat pumps"). However, since the heat contact only occurs in a thin gas layer on the pipe wall, this cooling process has not yet been optimized.
Figur 8 zeigt nun eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers 20 gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Hierbei ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Effektivität durch den Anschluß eines Ballastvolumens 70 über einen Strömungswiderstand (Nadelventil) 26 am warmen Wärmetauscher 22. Zum einen strömt hier mehr Gas durch den warmen Wärmetauscher 22, das dort dann Kompressionswärme abgeben kann. Zum anderen leistet das Gas im Pulsrohr 20 Arbeit beim Verschieben von Gas in das Ballastvolumen 70, wodurch ein wesentlich höherer Kühleffekt erreicht wird.FIG. 8 now shows a schematic illustration of a pulse tube cooler 20 according to a second embodiment. This results in a significant increase in effectiveness by connecting a ballast volume 70 via a flow resistance (needle valve) 26 to the warm heat exchanger 22. On the one hand, more gas flows through the warm heat exchanger 22, which can then give off heat of compression there. On the other hand, the gas in the pulse tube 20 does work when gas is shifted into the ballast volume 70, as a result of which a significantly higher cooling effect is achieved.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Pulsröhrenkühlers gemäß einer dritten Ausgestaltung, bei der sich die Effektivität des Kühlers sich weiter steigern läßt, indem der Anteil des Gasflusses, der zur Druckänderung im warmen Teil des Pulsrohres 20 nötig ist, durch einen zweiten Einlaß am warmen Ende geleitet wird. Da dieser Gasfluß nicht mehr den Regenerator 40 passiert, werden die Verluste im Regenerator 40 verringert. Außerdem stellt sich bei einem zweitem Einlaß (mit einem Ven- til 28) eine für die Kühlung günstigere zeitliche Abfolge von Druck- und Flußvariation ein. Figur 10 zeigt einen schematischen Gesamtaufbau eines Pulsröhrenkühlers gemäß der dritten Ausgestaltung in einer konkreteren Darstellung als in Figur 9. Dabei speist in diesem System ein kommerzieller Helium-Kompressor 10 ein motorgetriebenes Rotationsventil 15, das zur Steuerung das Heliumgasstromes dient.FIG. 9 shows a schematic illustration of a pulse tube cooler according to a third embodiment, in which the effectiveness of the cooler can be increased further by the portion of the gas flow which is necessary for changing the pressure in the warm part of the pulse tube 20 through a second inlet at the warm end is directed. Since this gas flow no longer passes through the regenerator 40, the losses in the regenerator 40 are reduced. In addition, with a second inlet (with a valve 28), a chronological sequence of pressure and flow variation which is more favorable for cooling is established. FIG. 10 shows a schematic overall structure of a pulse tube cooler according to the third embodiment in a more concrete representation than in FIG. 9. In this system, a commercial helium compressor 10 feeds a motor-driven rotary valve 15, which is used to control the helium gas flow.
Zur mechanischen Entkopplung und zur Reduzierung von elektromagnetischen Störungen können der eigentliche Küh- 1er und das Rotationsventil über eine flexible Kunststoffleitung 12 miteinander verbunden werden.For mechanical decoupling and for reducing electromagnetic interference, the actual cooler and the rotary valve can be connected to one another via a flexible plastic line 12.
Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines zweistufiges Pulsröhrenkühlersystem mit den wichtigstem Komponenten. Zur Erzeugung von Druckoszillationen ist ein Kompressor 10 an ein Rotationsventil 15 gekoppelt. Eine Leitung 12 verbindet das Rotationsventil 15 mit dem Pulsröhrenkühlersystem. Dieses weist einen Regenerator 40 der ersten Stufe und einen Regenerator 50 der zweiten Stufe auf, wobei zwischen diesen ein Flußausrichter ("flow straightener" ) 45 angeordnet ist. Es ist auch denkbar, eine andere Regeneratoranordnung zu wählen, bei der beispielsweise zwei getrennte Regeneratoren verwendet werden. Ferner weist das Pulsröhrenkühlersystem ein erstes Pulsrohr 20 mit einem warmen Wärmetauscher 22 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 24 und ein zweites Pulsrohr 30 mit einem warmen Wärmetauscher 32 und einem kalten Wärmetauscher bzw. Kaltkopf 34 auf. Die jeweiligen warmen Wärmetauscher 22 und 32 sind über Drosselventile, beispielsweise in der Form von Nadelventilen 26 und 36, mit einem gemeinsamen Ballastbehälter bzw. Ballastvolumen 70 verbunden. Es ist ferner denkbar, daß anstelle des gemeinsamen Ballastvolumens zwei getrennte Ballastvolumina verwendet werden. Außerdem sind an den jeweiligen warmen Wärmetauschern 22 und 32 Ventile 38 und 28 für einen zweiten Einlaß vorgesehen. Der Kaltkopf 24 des zweiten Pulsrohrs 30 kühlt dabei einen von einem Wärme- bzw. VkFigure 11 shows a schematic representation of a two-stage pulse tube cooler system with the most important components. To generate pressure oscillations, a compressor 10 is coupled to a rotary valve 15. A line 12 connects the rotary valve 15 to the pulse tube cooler system. This has a regenerator 40 of the first stage and a regenerator 50 of the second stage, a flow straightener 45 being arranged between them. It is also conceivable to choose a different regenerator arrangement in which, for example, two separate regenerators are used. Furthermore, the pulse tube cooler system has a first pulse tube 20 with a warm heat exchanger 22 and a cold heat exchanger or cold head 24 and a second pulse tube 30 with a warm heat exchanger 32 and a cold heat exchanger or cold head 34. The respective warm heat exchangers 22 and 32 are connected to a common ballast container or ballast volume 70 via throttle valves, for example in the form of needle valves 26 and 36. It is also conceivable that two separate ballast volumes are used instead of the common ballast volume. In addition, valves 38 and 28 are provided on the respective warm heat exchangers 22 and 32 for a second inlet. The cold head 24 of the second pulse tube 30 cools one of a heat or vk
Strahlungsschild 92 umgebenen Bereich bis auf ungefähr maximal 50 K vor, während am Kaltkopf 24 des ersten Pulsrohrs 20 eine Temperatur von ungefähr 2,2 bis 4,2 K bereitgestellt wird (vgl. dazu C. Wang et al . : "A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K", Cryogenics 1997, Volume 37, Nr. 3) . Radiation shield 92 area up to about a maximum of 50 K, while a temperature of about 2.2 to 4.2 K is provided at the cold head 24 of the first pulse tube 20 (cf. C. Wang et al.: "A two-stage pulse tube cooler operating below 4 K ", Cryogenics 1997, Volume 37, No. 3).
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Kompressor Leitung vom Kompressor weg Rotationsventil Pulsrohr, erstes Pulsrohr warmer Wärmetauscher von 20 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 20 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 Ventil des zweiten Einlasses zweites Pulsrohr warmer Wärmetauscher von 30 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 30 Strömungswiderstand, Nadelventil zu 70 Ventil des zweiten Einlasses Regenerator, Regenerator der ersten Stufe Leitung von 46 zu 24 warmer Endabschnitt von 40 kalter Endabschnitt von 40 Regenerator der zweiten Stufe Leitung von 56 zu 34 warmer Endabschnitt von 50 Flußausrichter zwischen 40 und 50 kalter Endabschnitt von 50 Ballastvolumen Wärmeschild, 60,77 K-Schild Magnet, zu kühlendes Objekt Wärmeschild erster Wärmeschalter ,101' Leitung von bzw. zu 100 zweiter Wärmeschalter ,103' Leitung von bzw. zu 102 dritter Wärmeschalter ,105' Leitung von bzw. zu 104 Sammelleitung von 101' und 105' drittes Pulsrohr warmer Wärmetauscher von 110 23Compressor line away from the compressor Rotation valve pulse tube, first pulse tube warm heat exchanger from 20 cold heat exchanger, cold head from 20 flow resistance, needle valve to 70 valve of the second inlet second pulse tube warm heat exchanger from 30 cold heat exchanger, cold head from 30 flow resistance, needle valve to 70 valve of the second inlet Regenerator, regenerator of the first stage line from 46 to 24 warm end section of 40 cold end section of 40 regenerator of the second stage line from 56 to 34 warm end section of 50 flow aligners between 40 and 50 cold end section of 50 ballast volume heat shield, 60.77 K shield Magnet, object to be cooled Heat shield of first heat switch, 101 'line from or to 100 second heat switch, 103' line from or to 102 third heat switch, 105 'line from or to 104 manifold from 101' and 105 'third pulse tube warm heat exchanger from 110 23
114 kalter Wärmetauscher, Kaltkopf von 110114 cold heat exchanger, cold head of 110
120 Regenerator der dritten Stufe120 third stage regenerator
122 Leitung von 126 zu 114122 lead from 126 to 114
124 warmer Endabschnitt von 120 126 kalter Endabschnitt von 120124 warm end portion of 120 126 cold end portion of 120
220 Kühlkurve von 24 bei einer herkömmlichen Kühlvorrichtung220 cooling curve of 24 in a conventional cooling device
220' Kühlkurve von 24 bei einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung 230 Kühlkurve von 34 bei einer herkömmlichen220 'cooling curve of 24 in a low-temperature cooling device according to the invention 230 cooling curve of 34 in a conventional one
Kühlvorrichtungcooler
230' Kühlkurve von 34 bei einer erfindungsgemäßen Tieftemperaturkühlvorrichtung 230 'cooling curve of 34 in a low-temperature cooling device according to the invention

Claims

Ansprüche Expectations
1. Tieftemperaturkühlvorrichtung die aufweist: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsrohrenkuhlers mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen ersten Kaltkopf (24) zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur (TE) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen ersten kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist; und eine zweite Kühleinrichtung (30,50) mit einem zweiten Kühlbereich (34) zum Bereitstellen einer zweiten Temperatur (TZl), die höher als die erste Temperatur (TE) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlbereich (34) über einen ersten Wärmeschalter (100) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) thermisch koppelbar ist.A low-temperature cooling device comprising: a first cooling device in the form of a first pulse tube cooler with a first pulse tube (20), which has a first cold head (24) for providing a first cooling area with a first temperature (TE), and a first regenerator (40) having a first cold end portion (46) connected to the first cold head (24) of the first pulse tube (20); and a second cooling device (30, 50) with a second cooling area (34) for providing a second temperature (TZl) which is higher than the first temperature (TE), characterized in that the second cooling area (34) has a first heat switch (100) can be thermally coupled to the first pulse tube (20) and / or the first regenerator (40).
2. Tieftemperaturkühlvorrichtung die aufweist: eine erste Kühleinrichtung in Form eines ersten Pulsröhrenkühlers mit einem ersten Pulsrohr (20), das einen ersten Kaltkopf (24) zum Bereitstellen eines ersten Kühlbereichs mit einer ersten Temperatur (TE) aufweist, und einem ersten Regenerator (40), der einen ersten kalten Endabschnitt (46), welcher mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) verbunden ist, aufweist; eine zweite Kühleinrichtung (30,50) mit einem zweiten Kühlbereich (34) zum Bereitstellen einer zweiten Tera- peratur (TZl), die höher als die erste Temperatur (TE) liegt; und ein zu kühlendes Objekt (82), das an den ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlbereich (34) über einen ersten Wärmeschalter (100) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu kühlenden Objekt (82) thermisch koppelbar ist.2. Low-temperature cooling device comprising: a first cooling device in the form of a first pulse tube cooler with a first pulse tube (20), which has a first cold head (24) for providing a first cooling area with a first temperature (TE), and a first regenerator (40) having a first cold end portion (46) connected to the first cold head (24) of the first pulse tube (20); a second cooling device (30, 50) with a second cooling area (34) for providing a second temperature (TZl) which is higher than the first temperature (TE); and an object (82) to be cooled, which is thermally coupled to the first cold head (24) of the first pulse tube (20), characterized in that the second cooling area (34) is connected to the first pulse tube (20) via a first heat switch (100) ) and or the first regenerator (40) and / or the object (82) to be cooled can be thermally coupled.
3. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlbereich (34) über den ersten Wärmeschalter (100) mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) und/oder dem ersten kalten Endabschnitt (46) des ersten Regenerators (40) thermisch koppelbar ist.3. cryogenic cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the second cooling area (34) via the first heat switch (100) with the first cold head (24) of the first pulse tube (20) and / or the first cold end portion (46) of first regenerator (40) can be thermally coupled.
4. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dritte Kühleinrichtung (HO) mit einem dritten Kühlbereich (114) zum Bereitstellen einer dritten Temperatur (TZ2), die höher als die zweite Temperatur (TZl) liegt, wobei der dritte Kühlbereich (114) über einen zweiten Wärmeschalter (102) mit der zweiten Kühleinrichtung (30), vorzugsweise an deren zweitem Kühlbereich (34), thermisch koppelbar ist.4. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized by a third cooling device (HO) with a third cooling area (114) for providing a third temperature (TZ2), which is higher than the second temperature (TZl), the third cooling area (114) via a second heat switch (102) with the second cooling device (30), preferably at its second cooling area (34), can be thermally coupled.
5. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kühlbereich (114) über einen dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu kühlenden Objekt (82) thermisch koppelbar ist.5. Low-temperature cooling device according to claim 4, characterized in that the third cooling area (114) via a third heat switch (104) with the first pulse tube (20) and / or the first regenerator (40) and / or the object to be cooled (82) is thermally coupled.
6. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine dritte Kühleinrichtung (110) mit einem dritten Kühlbereich (114) zum Bereitstellen einer dritten Temperatur (TZ2), die höher als die zweite Temperatur (TZl) liegt, wobei der dritte Kühlbereich (114) über einen dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Pulsrohr (20) und/oder dem ersten Regenerator (40) und/oder dem zu kühlenden Objekt (82) ther- misch koppelbar ist. 3t6. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 3, characterized by a third cooling device (110) with a third cooling area (114) for providing a third temperature (TZ2), which is higher than the second temperature (TZl), the third cooling area (114) can be thermally coupled to the first pulse tube (20) and / or the first regenerator (40) and / or the object to be cooled (82) via a third heat switch (104). 3t
7. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kühlbereich (114) über den dritten Wärmeschalter (104) mit dem ersten Kaltkopf (24) des ersten Pulsrohrs (20) und/oder dem ersten kalten Endabschnitt (46) des ersten Regenerators (40) thermisch koppelbar ist.7. Low-temperature cooling device according to one of claims 5 to 6, characterized in that the third cooling area (114) via the third heat switch (104) with the first cold head (24) of the first pulse tube (20) and / or the first cold end section (46 ) of the first regenerator (40) can be thermally coupled.
8. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühl- einrichtung und/oder dritte Kühleinrichtung einen zweiten bzw. dritten Pulsröhrenkühler aufweisen, an dessen Pulsrohr ein zweiter (34) bzw. dritter Kaltkopf (114) zum Bereitstellen des zweiten (34) bzw. dritten (114) Kühlbereichs vorgesehen ist.8. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second cooling device and / or third cooling device have a second or third pulse tube cooler, on the pulse tube a second (34) or third cold head (114) for providing of the second (34) or third (114) cooling area is provided.
9. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kühleinrichtung und/oder dritte Kühleinrichtung eine elektrische Kühleinrichtung, wie ein Peltierelement , oder eine Kühleinrichtung auf der Basis von gekühlten verflüssigten Gasen, wie beispielsweise einem Stickstoff-Kühler, oder eine mechanische Kühleinrichtung, wie einen Helium-Kompressionkühler, aufweisen, um einen zweiten bzw. dritten Kühlbereich vorzusehen.9. cryogenic cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second cooling device and / or third cooling device is an electrical cooling device, such as a Peltier element, or a cooling device based on cooled liquefied gases, such as a nitrogen cooler, or have a mechanical cooling device, such as a helium compression cooler, to provide a second or third cooling area.
10. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein mechanischer Wärmeschalter ist.10. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first (100) and / or second (102) and / or third (104) heat switch is a mechanical heat switch.
11. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein Gaswärmeschalter ist, dessen Gas zum thermischen Kop- peln insbesondere Stickstoff aufweist. 11. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first (100) and / or second (102) and / or third (104) heat switch is a gas heat switch, the gas for thermal coupling in particular comprises nitrogen.
12. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (100) und/oder zweite (102) und/oder dritte (104) Wärmeschalter ein supraleitender Wärmeschalter ist.12. Low-temperature cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first (100) and / or second (102) and / or third (104) heat switch is a superconducting heat switch.
13. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt einen Magnet aufweist.13. Low-temperature cooling device according to one of claims 2 to 12, characterized in that the object to be cooled has a magnet.
14. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt einen Sensor zum Erfassen von Teilchen, Strahlung oder Feldern aufweist.14. Low-temperature cooling device according to one of claims 2 to 12, characterized in that the object to be cooled has a sensor for detecting particles, radiation or fields.
15. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Hochtemperatur- supralteiter-SQUID oder ein Tieftemperatursupralteiter- SQUID ist.15. Low-temperature cooling device according to claim 14, characterized in that the sensor is a high-temperature superconductor SQUID or a low-temperature superconductor SQUID.
16. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein auf einem Tief- temperatureffekt basierender Sensor ist.16. Low-temperature cooling device according to claim 14, characterized in that the sensor is a sensor based on a low-temperature effect.
17. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach Anspruch 16, da- durch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Phasenübergangsthermometer, eine supraleitende Tunneldiode, einen Thermistor oder ein magnetisches Bolometer aufweist.17. Low-temperature cooling device according to claim 16, characterized in that the sensor has a phase transition thermometer, a superconducting tunnel diode, a thermistor or a magnetic bolometer.
18. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprü- ehe 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der auf einem Tieftemperatureffekt basierende Sensor von einer Tieftemperaturkühleinrichtung, wie beispielsweise einer Ent a- gnitisierungsstufe oder einer 3He/4He-Entmischungs- kühlstufe, vorgekühlt wird. 318. Low-temperature cooling device according to one of claims 16 to 17, characterized in that the sensor, which is based on a low-temperature effect, is pre-cooled by a low-temperature cooling device, such as, for example, a degassing stage or a 3He / 4He demixing cooling stage. 3
19. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt eine Vielzahl von Sensoren aufweist.19. Low-temperature cooling device according to one of claims 14 to 18, characterized in that the object to be cooled has a plurality of sensors.
20. Tieftemperaturkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Objekt ein Reservoir eines verflüssigten Gases, wie beispielsweise ein Helium-Reservoir, aufweist. 20. Low-temperature cooling device according to one of claims 2 to 12, characterized in that the object to be cooled has a reservoir of a liquefied gas, such as a helium reservoir.
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