在公共真空空间内分段的多个低温系统的制作方法

在公共真空空间内分段的多个低温系统


背景技术：

1.本公开涉及低温环境，并且更具体地，涉及促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的技术。


技术实现要素：

2.以下呈现概述以提供对本发明的一个或多个实施例的基本理解。本概述并不旨在标识关键或重要的元素，或描绘特定实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。在本文描述的一个或多个实施例中，描述了促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的系统、设备和/或方法。
3.根据一个实施例，一种低温恒温器可以包括多个热级和热开关。所述多个热级可以介于4-开尔文(k)级与冷板级之间。所述多个热级可以包括静止级和中间热级，所述中间热级可以经由支撑杆被直接机械耦合到所述静止级。所述热开关可以被耦合到所述中间热级和相邻的热级。所述热开关可以通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布(profile)。
4.根据另一个实施例，一种低温恒温器可以包括静止级和热开关。所述静止级可以经由支撑杆被直接机械耦合到中间热级。所述静止级和所述中间热级可以被包括在介于4-开尔文(k)级与冷板级之间的多个热级之中。所述热开关可以被耦合到所述中间热级和相邻的热级。所述热开关可以通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布。
5.根据另一个实施例，一种低温恒温器可以包括封闭热容积部和热开关。所述封闭热容积部可以由耦合到热屏蔽件的中间热级形成。所述中间热级可以经由支撑杆被直接机械耦合到静止级。所述静止级和所述中间热级可以被包括在介于4-开尔文(k)级与冷板级之间的多个热级之中。所述热开关可以被耦合到所述中间热级和相邻的热级。所述热开关可以通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布。
附图说明
6.图1示出了根据本文描述的一个或多个实施例的示例非限制性低温恒温器；
7.图2示出了根据本文描述的一个或多个实施例的示例非限制性低温恒温器的电路示意图；
8.图3示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的可切换热路径的示例非限制性低温恒温器；
9.图4示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的可切换热路径的另一个示例非限制性低温恒温器；
10.图5示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段
的多个低温系统的多个可切换热路径的示例非限制性低温恒温器；
11.图6示出了根据本文描述的一个或多个实施例的在耦合状态下促进可切换热路径的示例非限制性热开关；
12.图7示出了在解耦状态下的图6的示例非限制性热开关；
13.图8示出了根据本文描述的一个或多个实施例的促进可切换热路径的另一个示例非限制性热开关。
具体实施方式
14.以下详细说明仅是说明性的并且不旨在限制实施例和/或实施例的应用或使用。此外，不打算被在先前背景或概述部分或具体实施方式部分中呈现的任何明确或隐含的信息约束。
15.现在参考附图描述一个或多个实施例，其中相同的附图标记在全文中用于指代相同的元件。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的更透彻理解。然而，明显的是，在各种情况下，可以在没有这些具体细节的情况下实践一个或多个实施例。
16.图1示出了根据本文描述的一个或多个实施例的示例非限制性低温恒温器100。如图1所示，低温恒温器100包括由介于顶板130和底板140之间的侧壁120形成的外部真空室110。在运行中，外部真空室110能够在外部真空室110的周围环境150与外部真空室110的内部160之间维持压差。低温恒温器100还包括设置在内部160之内的多个热级(或级)170，其各自机械地耦合到顶板130。多个级170包括：级171、级173、级175、级177和级179。多个级170之中的每个级可与不同的温度相关联。例如，级171可以是与50开尔文(k)的温度相关联的50-开尔文(50-k)级，级173可以是与4k的温度相关联的4-开尔文(4-k)级，级175可以与700毫开尔文(mk)的温度相关联，级177可以与100mk的温度相关联，以及级179可以与10mk的温度相关联。多个级170之中的每个级通过多个支撑杆(例如支撑杆172和174)与多个级170中的其它级在空间上隔离。在一个实施例中，级175可以是静止级，级177可以是冷板级，而级179可以是混合室级。
17.图2示出了根据本文描述的一个或多个实施例的示例非限制性低温恒温器200的电路示意图。低温恒温器(例如，图1的低温恒温器100)可以将放置在位于低温恒温器内的样品安装表面上的样品或器件维持在接近绝对零度的温度，以促进在低温条件下评估此类样品或器件。低温恒温器通常利用五个热级来提供这种低温，五个热级机械地耦合到外部真空室的室温板(例如，顶板130)。低温恒温器的五个热级可包括热分布，其中每个后续热级具有比前一热级处存在的温度逐渐更低的温度。在低温条件下评估样品或器件通常涉及使用处于低温恒温器外部的室温条件下的一个或多个器件与这些样品或器件相互作用。为此，低温恒温器可包括输入/输出(i/o)线，这些i/o线促进电信号在放置于低温恒温器内的样品与低温恒温器外部的器件之间的传播。
18.例如，超导量子位可以被放置在低温恒温器200的样品安装表面260上。将位于样品安装表面260上的超导量子位耦合到低温恒温器200外部的一个或多个器件是四个i/o线：驱动线271；通量(flux)线273；泵送线275；以及输出(或读出)线277。本领域技术人员将理解，这四条i/o线可以以多种方式对施加在低温恒温器200上的热负载做出贡献。这四条
i/o线可对热负载做出贡献的一种方式是，每条i/o线可提供热路径，热量可沿着该热路径从较高温度热级传导到较低温度热级。例如，在图2中，驱动线271从低温恒温器200的50-k级210路由到混合室级250。沿着穿过低温恒温器200的该路由路径，驱动线271可以提供热路径，通过该热路径，可以将热量从较高温度的热级传导到较低温度的热级，诸如从50-k级210传导到4-k级220。
19.四条i/o线可对热负载做出贡献的另一种方式涉及由于沿着给定i/o线或经由介入电组件传播的信号的耗散而产生的热量(例如，焦耳加热)。例如，沿着通量线273朝向与位于样品安装表面260上的超导量子位相关联的squid回路传播的微波通量信号可以经由热耦合274在低温恒温器200的静止级230上引入热量。作为另一个示例，沿着通量线273传播以用于行波参数放大器(twpa)281的操作的微波泵送信号可以经由耦合到通量线273和冷级240的衰减器283将热量引入到冷级240上。
20.四条i/o线可以对热负载做出贡献的另一种方式涉及较高温度热级向较低温度热级表现出的辐射负载。例如，偏置高电子迁移率晶体管(hemt)放大器285以促进经由输出线277对位于样品安装表面260上的超导量子位进行测量的直流(dc)信号可以在4-k级220上引入热量。在4-k级220上引入的这种热量可使较低温度热级(例如，静止级230)暴露于4-k级220向较低温度热级表现出的辐射负载，如4k黑体辐射。
21.如上所述，低温恒温器可以将放置在位于低温恒温器内的样品安装表面上的样品或器件维持在接近绝对零度的温度，以促进在低温条件下评估此类样品或器件。通常用于提供这种低温条件的低温恒温器的五个热级可包括热分布，其中每个后续热级具有比前一热级处存在的温度逐渐更低的温度。该热分布可存在于由低温恒温器的外部真空室限定的包围五个热级的公共真空空间内。
22.在一些情况下，接近绝对零度的温度在低温条件下评估样品或器件时能够是有利的。例如，接近绝对零度的温度在评估超导电路中的非相干噪声、受限超流体氦-3中的外来相变以及高度相关系统中的局部化和无序的拓扑效应方面能够是有利的。在其它情况下，较高的温度可能足以在低温条件下评估样品或器件。例如，约4k的温度可以足以在低温条件下评估hemt器件或某些铌(nb)谐振器。作为另一示例，约1k的温度可以足以在低温条件下评估某些约瑟夫逊结(jj)器件(例如jj场效应晶体管)或某些nb谐振器。作为另一个示例，约300mk的温度可以足以评估量子位器件、微波部件、或某些jj器件。因此，在低温恒温器的公共真空空间内分段的多个低温系统可以通过灵活地修改低温恒温器的热分布以适应变化的评估条件来促进效率的提高。本文描述的实施例通过在中间热级(中间热级向低温恒温器提供额外的冷却能力)与相邻的热级之间提供可切换热路径，促进在公共真空空间内分段的多个低温系统。
23.图3示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的可切换热路径的示例非限制性低温恒温器300。如图3所示，低温恒温器300包括50-k级305，其可以被耦合到外部真空室(未示出)的室温板(例如，图1的顶板130)。外部真空室可限定在公共压力下包围低温恒温器300的各个热级的公共真空空间(例如，内部160)。
24.低温恒温器300还包括介于4-k级310和冷板级325之间的多个热级。这些多个热级包括静止级320和中间热级315。中间热级315经由支撑杆311被直接机械地耦合到4-k级
310，以及经由支撑杆316被直接机械地耦合到静止级320。中间热级315经由支撑杆306被间接机械地耦合到50-k级305，经由支撑杆321被间接机械地耦合到冷板级325，以及经由支撑杆326被间接机械地耦合到混合室级330。
25.图3还示出低温恒温器300还包括可以由耦合到中间热级315的热屏蔽件342形成的封闭热容积部340。封闭热容积部340可以与低温恒温器300的在封闭热容积部340外部的容积部345热隔离。在图3中，热屏蔽件342被示为介于中间热级315与热板344之间以形成封闭热容积部340。然而，在其它实施例中，热屏蔽件342和热板344可以被实施为单一元件，以使得将该单一元件耦合到中间热级315可以形成封闭热容积部340。
26.中间热级315可以包括介入接线结构370的馈通元件317，接线结构370促进电信号在4-k级310与冷板级325之间的传播。接线结构370可以包括i/o线，其耦合位于低温恒温器300内的样品和低温恒温器300外部的一个或多个器件。例如，接线结构370可以包括i/o线，例如图2的驱动线271、通量线273、泵送线275和/或输出(或读出)线277，在一个实施例中，中间热级315可以包括铜、金、银、黄铜、铂或其组合。
27.中间热级315可以经由耦合到中间热级315的密封罐350提供用于低温恒温器300的附加的冷却能力。为此，密封罐350促进氦介质(氦-4)的蒸发冷却。冷凝器管线352可经由4-k级310将泵360的出口端口362耦合到密封罐350。在一个实施例中，泵360可以是用于使氦介质循环通过密封罐350的真空泵。在一个实施例中，泵360可以位于低温恒温器300的外部。在一个实施例中，泵360可以位于低温恒温器300之内。在该实施例中，泵360可以被实现为吸附泵。冷凝器管线352可提供氦介质到密封罐350的返回路径。泵送管线354可经由4-k级310将泵360的入口端口364耦合到密封罐350。4-k级310可经由馈通元件(诸如馈通元件312)提供用于冷凝器管线352和/或泵送管线354的通路。
28.如图3所示，低温恒温器300还包括热开关380，其耦合到中间热级315和相邻的热级。在图3的示例中，该相邻的热级是4-k级310。下面将参考图6-7更详细地讨论适于实现热开关380的示例非限制性热开关。热开关380可以通过在中间热级315与4-k级310之间提供可切换热路径，促进修改低温恒温器300的热分布。为此，当热开关380处于耦合状态时，热开关380的传递介质可以提供将中间热级315热耦合(或短路)到4-k级310的热路径。当热开关380从耦合状态转变到解耦状态时，可以移除由热开关380的传递介质提供的热路径，从而将中间热级315与4-k级310热解耦。
29.在一个实施例中，传递介质可以包括氦介质。在一个实施例中，传递介质可以包括超导材料(例如，铝)。在该实施例中，通过将传递介质从非超导状态转变到超导状态，热开关380可以转变成解耦状态。在一个实施例中，通过将传递介质的温度降低到超导材料的临界温度以下，传递介质可以从非超导状态转变为超导状态。在一个实施例中，超导材料可以被置于磁场内。在一个实施例中，通过将磁场的强度增大到高于超导材料的临界磁场，传递介质可以从超导状态转变为非超导状态。
30.在运行中，氦-4可以以气态从出口端口362流向密封罐350。馈通元件312可将冷凝器管线352热锚定到4-k级310。当氦-4流过馈通元件312时，氦-4可从气态转变到液态。液态氦-4可以收集在密封罐350中。当热开关380处于解耦状态时，可以操作泵360的入口端口364以降低收集在密封罐350中的液化氦-4上方的压力。气态氦-4可通过蒸发形成在收集在密封罐350中的液化氦-4上方，并经由泵送管线354流到泵360的入口端口364。由流经泵送
管线354的气态氦-4所携带的热量可降低密封罐350中剩余的液化氦-4的温度。密封罐350中的液化氦-4的这种蒸发冷却可降低中间热级315的温度，以使得中间热级315可在约1k的温度下工作。
31.在约1k的温度下操作中间热级315能够促进将低温恒温器300分段成在公共真空空间内以不同的温度工作的多个低温系统(例如，封闭热容积部340和容积部345)。例如，低温恒温器300还可以包括附加的热开关(未示出)，诸如介于中间热级315与静止级320之间的热开关；介于静止级320与冷板级325之间的热开关；以及介于冷板级325与混合室级330之间的热开关。在该示例中，每个介于中间的热开关可以转变到耦合状态，以使得静止级320、冷板级325和混合室级330可以各自与中间热级315热平衡，以在约1k的温度下工作。
32.当热开关380处于耦合状态时，可以操作泵360的入口端口364以将收集在密封罐350中的液化氦-4上方的压力保持在公共真空空间的公共压力。将收集在密封罐350中的液化氦-4上方的压力保持在公共压力可阻止密封罐350中的液化氦-4的蒸发冷却。在没有这种蒸发冷却的情况下，中间热级315可以经由热开关380提供的热路径与4-k级310热平衡，以使得中间热级315可以在约4k的温度下工作。在一个实施例中，密封罐350可以是真空密封或低温密封的。在一个实施例中，密封罐350可以包括促进热预算优化的烧结材料。烧结材料可包括银、金、铜、铂等。
33.图4示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的可切换热路径的另一个示例非限制性低温恒温器400。如图4所示，低温恒温器400包括50-k级405，其可以耦合到外部真空室(未示出)的室温板(例如，图1的顶板130)。外部真空室可限定在公共压力下包围低温恒温器400的各个热级的公共真空空间(例如，内部160)。
34.低温恒温器400还包括介于4-k级410与冷板级425之间的多个热级。这些多个热级包括静止级415和中间热级420。中间热级420经由支撑杆416被直接机械地耦合到静止级415，以及经由支撑杆421被直接机械地耦合到冷板级425。中间热级420经由支撑杆406被间接机械地耦合到50-k级405，经由支撑杆411被间接机械地耦合到4-k级410，以及经由支撑杆426被间接机械地耦合到混合室级430。
35.图4还示出低温恒温器400还包括可以由耦合到中间热级420的热屏蔽件442形成的封闭热容积部440。封闭热容积部440可以与低温恒温器400的在封闭热容积部340外部的容积部445热隔离。在图4中，热屏蔽件442被示为介于中间热级420与热板444之间以形成封闭热容积部440。然而，在其它实施例中，热屏蔽件442和热板444可以被实施为单一元件，以使得将该单一元件耦合到中间热级420可形成封闭热容积部440。
36.中间热级420可以包括介入接线结构470的馈通元件422，接线结构470促进电信号在4-k级410与冷板级425之间的传播。静止级415还可以包括介入接线结构470的馈通元件418。接线结构470可以包括i/o线，其耦合位于低温恒温器400内的样品和低温恒温器400外部的一个或多个器件。例如，接线结构470可以包括i/o线，例如图2的驱动线271、通量线273、泵送线275和/或输出(或读出)线277，在一个实施例中，中间热级420可以包括铜、金、银、黄铜、铂或其组合。
37.中间热级420可以经由耦合到中间热级420的密封罐450提供用于低温恒温器400的附加的冷却能力。为此，密封罐450促进氦介质(氦-3)的蒸发冷却。冷凝器管线452可经由
4-k级410将泵460的出口端口462耦合到密封罐450。在一个实施例中，泵460可以是用于使氦介质循环通过密封罐450的真空泵。在一个实施例中，泵460可以位于低温恒温器400的外部。在一个实施例中，泵460可以位于低温恒温器400之内。在该实施例中，泵460可以被实现为吸附泵。冷凝器管线452可提供氦介质到密封罐450的返回路径。泵送管线454可经由4-k级410将泵460的入口端口464耦合到密封罐450。4-k级410可经由馈通元件(诸如馈通元件412)提供用于冷凝器管线452和/或泵送管线454的通路。静止级415可经由馈通元件(诸如馈通元件422)提供用于冷凝器管线452和/或泵送管线454的通路。
38.如图4所示，低温恒温器400还包括热开关480，其耦合到中间热级420和相邻的热级。在图4的示例中，该相邻的热级是静止级415。下面将参考图6-7更详细地讨论适于实现热开关480的示例非限制性热开关。热开关480可以通过在中间热级420与静止级415之间提供可切换热路径，促进修改低温恒温器400的热分布。为此，当热开关480处于耦合状态时，热开关480的传递介质可以提供将中间热级420热耦合(或短路)到静止级415的热路径。当热开关480从耦合状态转变到解耦状态时，可以移除由热开关480的传递介质提供的热路径，从而将中间热级420与静止级415热解耦。
39.在一个实施例中，传递介质可以包括氦介质。在一个实施例中，传递介质可以包括超导材料(例如，铝)。在该实施例中，通过将传递介质从非超导状态转变到超导状态，热开关480可以转变成解耦状态。在一个实施例中，通过将传递介质的温度降低到超导材料的临界温度以下，传递介质可以从非超导状态转变为超导状态。在一个实施例中，超导材料可以被置于磁场内。在一个实施例中，通过将磁场的强度增大到高于超导材料的临界磁场，传递介质可以从超导状态转变为非超导状态。
40.在运行中，氦-3可以以气态从出口端口462流向密封罐450。馈通元件412和/或417可将冷凝器管线452分别热锚定到4-k级410和/或静止级415。当氦-3流过馈通元件412和/或417时，氦-3可以从气态转变到液态。液态氦-3可以收集在密封罐450中。当热开关480处于解耦状态时，可以操作泵460的入口端口464以降低收集在密封罐450中的液化氦-3上方的压力。气态氦-3可通过蒸发形成在收集在密封罐450中的液化氦-3上方，并经由泵送管线454流到泵460的入口端口464。由流经泵送管线454的气态氦-3所携带的热量可降低密封罐450中剩余的液化氦-3的温度。密封罐470中的液化氦-3的这种蒸发冷却可降低中间热级420的温度，以使得中间热级420可在约300mk的温度下工作。
41.在约300mk的温度下操作中间热级420能够促进将低温恒温器400分段成在公共真空空间内以不同的温度工作的多个低温系统(例如，封闭热容积部440和容积部445)。例如，低温恒温器400还可以包括附加的热开关(未示出)，诸如介于中间热级420与冷板级425之间的热开关；以及介于冷板级425和混合室级430之间的热开关。在该示例中，每个介于中间的热开关可以转变到耦合状态，以使得冷板级425和混合室级430可以各自与中间热级420热平衡，以在约300mk的温度下工作。
42.当热开关480处于耦合状态时，可以操作泵460的入口端口464以将收集在密封罐450中的液化氦-3上方的压力保持在公共真空空间的公共压力。将收集在密封罐450中的液化氦-3上方的压力保持在公共压力可阻止密封罐450中的液化氦-3的蒸发冷却。在没有这种蒸发冷却的情况下，中间热级420可以经由热开关480提供的热路径与静止级415热平衡，以使得中间热级420可以在约700mk的温度下工作。在一个实施例中，密封罐450可以是真空
密封或低温密封的。在一个实施例中，密封罐450可以包括促进热预算优化的烧结材料。烧结材料可包括银、金、铜、铂等。
43.图5示出了根据本文描述的一个或多个实施例的具有促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的多个可切换热路径的示例非限制性低温恒温器500。如图5所示，低温恒温器500包括50-k级505，其可以耦合到外部真空室(未图示)的室温板(例如，图1的顶板130)。外部真空室可限定在公共压力下包围低温恒温器500的各个热级的公共真空空间(例如，内部160)。低温恒温器500还包括介于4-k级510与冷板级530之间的多个热级。这些多个热级包括静止级520和多个中间热级(例如，中间热级515和中间热级525)。
44.图5还示出低温恒温器500还包括封闭热容积部540和被嵌套在封闭热容积部540内的封闭热容积部550。封闭热容积部540可以与封闭热容积部550和低温恒温器500的在封闭热容积部540外部的容积部545热隔离。封闭热容积部540可以由耦合到中间热级515的热屏蔽件542形成。在图5中，热屏蔽件542被示为介于中间热级515与热板544之间以形成封闭热容积部540。然而，在其它实施例中，热屏蔽件542和热板544可以被实施为单一元件，以使得将该单一元件耦合到中间热级515可以形成封闭热容积部540。封闭热容积部550可由耦合到中间热级525的热屏蔽件552形成。在图5中，热屏蔽件552被示为介于中间热级525与热板554之间以形成封闭热容积部550。然而，在其它实施例中，热屏蔽件552和热板554可以被实施为单一元件，以使得将该单一元件耦合到中间热级525可以形成封闭热容积部550。
45.中间热级515经由支撑杆511被直接机械地耦合到4-k级510，经由支撑杆516被直接机械地耦合到静止级520。中间热级515经由支撑杆506被间接机械地耦合到50-k级505、经由支撑杆521被间接机械地耦合到中间热级525、经由支撑杆526被间接机械地耦合到冷板级530，以及经由支撑杆531被间接机械地耦合到混合室级535。中间热级525经由支撑杆521被直接机械地耦合到静止级520，以及经由支撑杆526被直接机械地耦合到冷板级530。中间热级525经由支撑杆506被间接机械地耦合到50-k级505、经由支撑杆511被间接机械地耦合到4-k级510、经由支撑杆516被间接机械地耦合到中间热级515、以及经由支撑杆531被间接机械地耦合到混合室级535。中间热级515和525分别经由支撑杆516和521被直接机械地耦合到静止级520的相对侧。
46.中间热级515和525可分别包括介入接线结构580的馈通元件518和527，接线结构580促进电信号在4-k级510与冷板级530之间的传播。静止级520还可包括介入接线结构580的馈通元件523。接线结构580可包括i/o线，其耦合位于低温恒温器500内的样品和低温恒温器500外部的一个或多个器件。例如，接线结构580可以包括i/o线，例如图2的驱动线271、通量线273、泵送线275和/或输出(或读出)线277，在一个实施例中，中间热级515和/或525可以包括铜、金、银、黄铜、铂或其组合。
47.中间热级515可以经由耦合到中间热级515的密封罐560提供用于低温恒温器500的附加的冷却能力。为此，密封罐560促进氦介质(氦-4)的蒸发冷却。冷凝器管线562可经由4-k级510将泵565的出口端口567耦合到密封罐560。冷凝器管线562可提供氦介质到密封罐560的返回路径。泵送管线564可经由4-k级510将泵565的入口端口569耦合到密封罐560。4-k级510可经由馈通元件(诸如馈通元件512)提供用于冷凝器管线562和/或泵送管线564的通路。
48.中间热级525可经由耦合到中间热级525的密封罐570提供用于低温恒温器500的
附加的冷却能力。为此，密封罐570促进氦介质(氦-3)的蒸发冷却。冷凝器管线572可以经由4-k级510将泵575的出口端口577耦合到密封罐570。在一个实施例中，泵565和/或575可以是用于使相应的氦介质分别循环通过密封罐560和/或570的真空泵。在一个实施例中，泵565和/或575可以位于低温恒温器500的外部。在一个实施例中，泵565和/或575可以位于低温恒温器500之内。在该实施例中，泵565和/或575可以被实现为吸附泵。冷凝器管线572可提供氦介质到密封罐570的返回路径。泵送管线574可以经由4-k级510将泵575的入口端口579耦合到密封罐570。4-k级510可以经由馈通元件(例如馈通元件513)提供用于冷凝器管线572和/或泵送管线574的通路。中间热级515可经由馈通元件(诸如馈通元件517)提供用于冷凝器管线572和/或泵送管线574的通路。静止级520可以经由馈通元件(例如馈通元件522)提供用于冷凝器管线572和/或泵送管线574的通路。
49.如图5所示，低温恒温器500还包括耦合到低温恒温器500的各个热级的多个热开关。多个热开关包括：热开关591，其耦合到4-k级510和中间热级515；热开关593，其耦合到中间热级515和静止级520；以及热开关595，其耦合到静止级520和中间热级525。下文将参考图6-7更详细地讨论适于实现热开关591、593和/或595的示例非限制性热开关。热开关591、593和/或595各自可通过在低温恒温器500的各个热级之间提供可切换热路径，促进修改低温恒温器500的热分布。
50.为此，每个热开关可以包括传递介质，当该热开关处于耦合状态时，该传递介质可以提供将相应的热级热耦合(或短路)的热路径。例如，热开关591可以包括传递介质，当热开关591处于耦合状态时，该传递介质可以提供将中间热级515热耦合到4-k级510的热路径。当给定的热开关从耦合状态转变到解耦状态时，可以移除由该热开关的传递介质提供的热路径，从而将相应的热级热解耦。继续以上示例，当热开关591转变到解耦状态时，可以移除由热开关591的传递介质提供的热路径，由此将中间热级515与4-k级510热解耦。
51.在一个实施例中，传递介质可以包括氦介质。在一个实施例中，传递介质可以包括超导材料(例如，铝)。在该实施例中，通过将传递介质从非超导状态转变到超导状态，热开关830可以转变成解耦状态。在一个实施例中，通过将传递介质的温度降低到超导材料的临界温度以下，传递介质可以从非超导状态转变为超导状态。在一个实施例中，超导材料可以被置于磁场内。在一个实施例中，通过将磁场的强度增大到高于超导材料的临界磁场，传递介质可以从超导状态转变为非超导状态。
52.在运行中，氦-4可以以气态从出口端口567流向密封罐560。馈通元件512可将冷凝器管线562热锚定到4-k级510。当氦-4流过馈通元件512时，氦-4可以从气态转变到液态。液态氦-4可收集在密封罐560中。当热开关591处于解耦状态时，可以操作泵565的入口端口567以降低收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力。气态氦-4可通过蒸发形成在收集在密封罐560中的液化氦-4上方，并经由泵送管线564流至泵560的入口端口569。由流经泵送管线564的气态氦-4所携带的热量可降低密封罐560中剩余的液化氦-4的温度。密封罐540中的液化氦-4的这种蒸发冷却可降低中间热级515的温度，以使得中间热级515可在约1k的温度下工作。
53.在约1k的温度下操作中间热级515能够促进将低温恒温器500分段成在公共真空空间内以不同的温度工作的多个低温系统(例如，封闭热容积部540和容积部545)。例如，低温恒温器500还可以包括附加的热开关(未示出)，诸如介于中间热级525与冷板级530之间
的热开关；以及介于冷板级530与混合室级535之间的热开关。在该示例中，介于中间热级515与混合室级535之间的每个热开关(即，热开关593和595连同介于中间热级525、冷板级530与混合室级535之间的附加的热开关)可以转变到耦合状态。通过将这些介于中间的热开关转变到耦合状态，混合室级535以及介于中间热级515与混合室级535之间的每个热级可以与中间热级515热平衡，以在约1k的温度下工作。
54.当热开关591处于耦合状态时，可以操作泵565的入口端口567以将收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力保持在公共真空空间的公共压力。将收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力保持在公共压力可阻止密封罐560中的液化氦-4的蒸发冷却。在没有这种蒸发冷却的情况下，中间热级515可以经由热开关591提供的热路径与4-k级510热平衡，以使得中间热级515可以在约4k的温度下工作。
55.在运行中，氦-4可以以气态从出口端口567流向密封罐560。馈通元件512可将冷凝器管线562热锚定到4-k级510。当氦-4流过馈通元件512时，氦-4可从气态转变到液态。液态氦-4可收集在密封罐560中。当热开关591处于解耦状态时，可以操作泵565的入口端口567以降低收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力。气态氦-4可通过蒸发形成在收集在密封罐560中的液化氦-4上方，并经由泵送管线564流至泵560的入口端口569。由流经泵送管线564的气态氦-4所携带的热量可降低密封罐560中剩余的液化氦-4的温度。密封罐540中的液化氦-4的这种蒸发冷却可降低中间热级515的温度，以使得中间热级515可在约1k的温度下工作。
56.在约1k的温度下操作中间热级515能够促进将低温恒温器500分段成在公共真空空间内以不同的温度工作的多个低温系统(例如，封闭热容积部540和容积部545)。例如，低温恒温器500还可以包括附加的热开关(未示出)，诸如介于中间热级525与冷板级530之间的热开关；以及介于冷板级530与混合室级535之间的热开关。在该示例中，介于中间热级515与混合室级535之间的每个热开关(即，热开关593和595连同介于中间热级525、冷板级530与混合室级535之间的附加的热开关)可以转变到耦合状态。通过将这些介于中间的热开关转变到耦合状态，混合室级535以及介于中间热级515与混合室级535之间的每个热级可以与中间热级515热平衡，以在约1k的温度下工作。
57.当热开关591处于耦合状态时，可以操作泵565的入口端口567以将收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力保持在公共真空空间的公共压力。将收集在密封罐560中的液化氦-4上方的压力保持在公共压力可阻止密封罐560中的液化氦-4的蒸发冷却。在没有这种蒸发冷却的情况下，中间热级515可以经由热开关591提供的热路径与4-k级510热平衡，以使得中间热级515可以在约4k的温度下工作。
58.在运行中，氦-3可以以气态从出口端口577流向密封罐570。馈通元件513、517和/或522可以将冷凝器管线572分别热锚定到4-k级510、中间热级515和/或静止级520。当氦-3流过馈通元件513、517和/或522时，氦-3可以从气态转变到液态。液态氦-3可以收集在密封罐570中。当热开关591、593和595各自处于解耦状态时，可以操作入口端口579、泵575的入口端口579以降低收集在密封罐570中的液化氦-3上方的压力。气态氦-3可通过蒸发形成在收集在密封罐570中的液化氦-3上方，并经由泵送管线574流至泵575的入口端口579。由流经泵送管线574的气态氦-3所携带的热量可降低密封罐570中剩余的液化氦-3的温度。密封罐570中的液化氦-3的这种蒸发冷却可降低中间热级525的温度，以使得中间热级525可在
约300mk的温度下工作。
59.在约300mk的温度下操作中间热级525还能够促进将低温恒温器500分段成在公共真空空间内以不同的温度工作的多个低温系统(例如，封闭热容积部550和容积部545)。例如，低温恒温器500还可以包括附加的热开关(未示出)，诸如介于中间热级525与冷板级530之间的热开关；以及介于冷板级530与混合室级535之间的热开关。在该示例中，介于中间热级525与混合室级535之间的每个热开关可以转变到耦合状态。通过将这些介于中间的热开关转变到耦合状态，冷板级530和混合室级535可以与中间热级525热平衡，以在约300mk的温度下工作。
60.当热开关591、593和595各自处于耦合状态时，可以操作泵575的入口端口579以将收集在密封罐570中的液化氦-3上方的压力保持在公共真空空间的公共压力。将收集在密封罐570中的液化氦-3上方的压力保持在公共压力可阻止密封罐570中的液化氦-3的蒸发冷却。在没有这种蒸发冷却的情况下，中间热级525可以与低温恒温器500的一个或多个较高温度的热级热平衡。例如，中间热级525可经由热开关591、593和595所提供的热路径与4-k级510热平衡，以使得中间热级515可在约4k的温度下工作。作为另一个实例，中间热级525可以经由热开关593和595所提供的热路径与中间热级515热平衡，以使得中间热级525可在约1k的温度下工作。作为另一个示例，中间热级525可以经由热开关595提供的热路径与静止级520热平衡，以使得中间热级525可以在约700mk的温度下工作。在一个实施例中，密封罐560和/或570可以是真空密封或低温密封的。在一个实施例中，密封罐560和/或570可包括促进热预算优化的烧结材料。烧结材料可包括银、金、铜、铂等。
61.图6-7示出了根据本文描述的一个或多个实施例的促进可切换热路径的示例非限制性热开关600。如图6-7所示，热开关600包括通过使用附接机构620将顶部612与底部614联接而形成的壳体610，从而限定内部容积部630。在图6-7中，附接机构620被示为螺栓。然而，在其它实施例中，不同的附接机构可以被用于实现附接机构620。例如，附接机构620可以被实施为将顶部612联接到底部614的焊接接头。热开关600还包括设置在内部容积部630内的活塞640和围绕活塞640的一个或多个永磁体650。可通过用一对超导导线660围绕底部614而形成亥姆霍兹(helmholtz)线圈系统。亥姆霍兹线圈系统可以与围绕活塞640的一个或多个永磁体650相互作用，以促进热开关600的磁致动。
62.在运行中，当热开关600处于图6所示的耦合状态时，氦介质可以经由耦合到泵(未示出)的出口端口的毛细管672被接收到内部容积部630中。当处于耦合状态时，内部容积部630之内的氦介质可以热耦合被耦合到热开关600的相邻的热级。热开关600可以通过将电信号施加到形成亥姆霍兹线圈系统的该对超导线660而从图6所示的耦合状态转变到图7所示的解耦状态。如图7所示，将电信号施加到形成亥姆霍兹线圈系统的该对超导线660可使红宝石珠690与聚合物座680接触。使红宝石珠690与聚合物座680接触可以防止氦介质进一步进入内部容积部630。在一个实施例中，聚合物座680包含聚酰胺-酰亚胺。由于防止了氦介质进一步进入内部容积部630，所以泵(未示出)的入口端口可以经由毛细管674从内部容积部630中去除残留的氦介质，以使被耦合到热开关600的相邻的热级热解耦。在一个实施例中，氦介质可以是氦-4。在该实施例中，热开关600可以是磁致动超流体防漏阀。在一个实施例中，氦介质可以是氦-3。在该实施例中，热开关600可以是磁致动流体防漏阀。
63.图8示出了根据本文描述的一个或多个实施例的促进可切换热路径的另一个示例
非限制性热开关800。热开关800包括设置在由密封容器810限定的内部容积部820内的金属物体830。在一个实施例中，金属物体830可以包括黄铜。在一个实施例中，密封容器810可包括不锈钢。如图8所示，一个或多个木炭球粒840和加热元件850可以被耦合到金属物体830。在一个实施例中，一个或多个木炭球粒840和/或加热元件850可以使用环氧树脂被耦合到金属物体830。
64.密封容器810的内部容积部820可以包括氦介质。在一个实施例中，氦介质可以在室温下被引入密封容器810的内部容积部820中。在一个实施例中，氦介质可经由设置在密封容器810的壁内的阀(未示出)被引入密封容器810的内部容积部820中。在一个实施例中，氦介质可以在约10毫巴的压力下被引入密封容器810的内部容积部820中。当密封容器810的内部容积部820内的温度下降到10k以下时，木炭球粒840可以通过吸收氦介质而从内部容积部820中去除氦介质。在氦介质是氦-4的实施例中，当内部容积部820内的温度下降到4.2k以下时，木炭球粒840可以有效地从内部容积部820中去除氦介质。在氦介质是氦-3的实施例中，当内部容积部820内的温度下降到3.1k以下时，木炭球粒840可以有效地从内部容积部820中去除氦介质。通过木炭球粒840的吸收从内部容积部820中去除氦介质将热开关800转变成解耦状态。在解耦状态中，被耦合到热开关800的相邻的热级被热解耦。电信号可经由导电元件852和854被施加到加热元件850。由加热元件850产生的热量可以经由金属物体830被施加到木炭球粒840。对木炭球粒840施加热量可以释放木炭球粒840吸收到内部容积部820中的氦介质，从而将热开关800从解耦状态转变到耦合状态。在耦合状态中，被耦合到热开关800的相邻的热级被热耦合。
65.本发明的实施例可以是处于任何可能的技术细节集成水平的系统、方法、装置。以上描述的内容仅包括系统、方法和装置的示例。当然，不可能为了描述本公开的目的而描述组件或计算机实现的方法的每个可构想的组合，但是本领域普通技术人员可以认识到，本公开的许多其他组合和排列是可能的。此外，就在具体实施方式、权利要求、附件以及附图中使用术语“包括”、“具有”、“拥有”等而言，这些术语旨在是包括性的，其方式类似于术语“包括”在权利要求中被用作过渡词时所解释的。
66.此外，术语“或”旨在意指包括性的“或”而不是排他性的“或”。也就是说，除非另外指明，或从上下文清楚，“x采用a或b”旨在意指任何自然的包含性排列。即，如果x采用a；x采用b；或x采用a和b两者，则在任何前述情况下满足“x采用a或b”。此外，如主题说明书和附图中所使用的冠词“一个(a)”和“一种(an)”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另外说明或从上下文清楚指向单数形式。如本文所使用的，术语“示例和/或“示例性”用于表示用作示例、实例或例证。为了避免疑问，在此公开的主题不受此类示例的限制。此外，本文中描述为“示例”和/或“示例性”的任何方面或设计不一定被解释为优选或优于其他方面或设计，也不意味着排除本领域普通技术人员已知的等效的示例性结构和技术。
67.已经出于说明的目的呈现了不同实施例的描述，但其不旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对本领域普通技术人员将是显而易见的。本文使用的术语被选择为最好地解释实施例的原理、实际应用或对在市场中找到的技术的技术改进，或者使得本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施例。
68.虽然已经描述了特定示例实施例，但是这些实施例仅以示例的方式呈现，并且不
旨在限制本公开的范围。因此，前述说明中的任何内容都不是要暗示任何特定的特征、特性、步骤、模块或块是必需的或不可缺少的。实际上，本文描述的新颖方法和系统可以以各种其它形式体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本发明的特定公开的范围和精神内的这些形式或修改。

技术特征：
1.一种低温恒温器，包括：多个热级，其介于4-开尔文(k)级与冷板级之间，所述多个热级包括静止级和中间热级，所述中间热级经由支撑杆被直接机械耦合到所述静止级；以及热开关，其耦合到所述中间热级和相邻的热级，其中，所述热开关通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布。2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其中，所述多个热级被封闭在限定公共真空空间的外部真空室中。3.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述中间热级在大约300毫开尔文(mk)或大约1开尔文(k)的温度下工作。4.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述热开关是磁致动超流体防漏阀。5.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述相邻的热级是静止级或4-k级。6.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，还包括：附加的热开关，其耦合到所述4-k级，所述附加的热开关通过在所述4-k级与所述中间热级之间提供附加的可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布，其中，所述热开关和所述附加的热开关耦合到所述中间热级的相对侧。7.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述热开关包括放置在磁场内的超导材料。8.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述热开关包括接收氦介质的毛细管。9.根据权利要求8所述的低温恒温器，其中，所述氦介质是氦-3或氦-4。10.根据权利要求8至9中任一项所述的低温恒温器，其中，所述氦介质将所述中间热级热短接到所述相邻的热级。11.根据前述权利要求中任一项所述的低温恒温器，其中，所述中间热级提供到泵送管线的通路，所述泵送管线将泵和附加的中间热级的促进氦-3蒸发的密封罐相耦合。12.一种低温恒温器，包括：静止级，其经由支撑杆被直接机械耦合到中间热级，其中，所述静止级和所述中间热级被包括在介于4-开尔文(k)级与冷板级之间的多个热级之中；以及热开关，其耦合到所述中间热级和相邻的热级，其中，所述热开关通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布。13.根据权利要求12所述的低温恒温器，还包括：热屏蔽件，其耦合到所述中间热级，所述热屏蔽件形成封闭热容积部。14.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，所述静止级被放置在所述封闭热容积部之内。15.根据权利要求13所述的低温恒温器，其中，所述静止级被放置在所述封闭热容积部的外部。16.根据权利要求13到15中任一项所述的低温恒温器，其中，所述冷板级被放置在所述封闭热容积部之内。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的低温恒温器，还包括：附加的封闭热容积部，其被嵌套在所述封闭热容积部之内，其中，所述附加的封闭热容积部由耦合到附加的热屏蔽件的附加的中间热级形成，并且其中，所述附加的中间热级被包括在所述多个热级之中。18.一种低温恒温器，包括：封闭热容积部，其由耦合到热屏蔽件的中间热级形成，其中，所述中间热级经由支撑杆被直接机械耦合到静止级，并且其中，所述静止级和所述中间热级被包括在介于4-开尔文(k)级与冷板级之间的多个热级之中；以及热开关，其耦合到所述中间热级和相邻的热级，其中，所述热开关通过在所述中间热级与所述相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改所述低温恒温器的热分布。19.根据权利要求18所述的低温恒温器，其中，所述封闭热容积部被嵌套在由耦合到附加的热屏蔽件的附加的中间热级形成的附加的封闭热容积部之内，并且其中，所述附加的中间热级被包括在所述多个热级之中。20.根据权利要求19所述的低温恒温器，其中，所述附加的封闭热容积部被封闭在由所述低温恒温器的外部真空室限定的公共真空空间之内。21.根据权利要求18到20中任一项所述的低温恒温器，其中，所述相邻的热级是静止级或4-k级。22.根据权利要求18到21中任一项所述的低温恒温器，其中，所述低温恒温器的混合室级被放置在所述封闭热容积部之内。

技术总结
提供了促进在公共真空空间内分段的多个低温系统的技术。在一个示例中，低温恒温器可以包括多个热级和热开关。多个热级可以介于4-开尔文(K)级与冷板级之间。多个热级可包括静止级和中间热级，中间热级可经由支撑杆被直接机械耦合到静止级。热开关可以耦合到中间热级和相邻的热级。热开关可以通过在中间热级与相邻的热级之间提供可切换热路径，促进修改低温恒温器的热分布。恒温器的热分布。恒温器的热分布。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：国际商业机器公司
技术研发日：2022.01.05
技术公布日：2023/9/7