[发明专利]用于使用静态和移动气体来控制低温的低温恒温器中的温度的方法和设备

说明书

技术领域

本发明总体上涉及低温恒温器（cryostat）中的温度调节，使用此类低温恒温器的示意性目的在于作为用于调节低温测量室中的温度的设备和方法，同时使用低温冷却器作为制冷源来冷却超导磁体。

背景技术

已经可用系统来采用低温恒温器对低温区域中的温度进行调节。此类低温恒温器的一个用途在于测试试样（specimen）的物理性质。关于针对不同性质来测试各种类型试样的物理性质的需求近年来显著增加。目前存在这样的系统，该系统用于通过编制任意顺序的温度和场扫描（field sweep）及步骤来表示在各种测量情况下各种材料的物理特征，以这种顺序来表示样本（sample）试样的各种物理性质。

此类系统通常包括低温室，该低温室具有多个热屏、诸如氦的冷却剂、冷却源（低温冷却器）、超导磁体、样本室、和用于控制温度的设备，所有这些项目可被称为低温恒温器。低温测试室中的温度调节需要热能的供应与损耗之间的精密平衡，并且已设计各种方法以在低（冷冻）温度下完成此类任务。具体控制方案的效率的一个测量是温度范围的宽度，在该温度范围上控制能有效且高效地保持，以及在该范围中任何温度处实现持久性和稳定性。整个系统性能的附加测量是冷却剂使用量，优选为较低的使用率。

此类测量系统的一个实例使用设计为执行各种自动测量的可变温度场控制设备。为进行实验，该系统需要快速地改变磁场（一般在±16特斯拉之间），同时保持磁体一般在大约4.2K的恒温处。同时，包含样本试样和相关实验设备的室通常以任意顺序的温度（范围从大约400K至低于约2K）来控制。该功能需要这样一种系统设计，该系统设计能在不同的温度下将各种量的冷却功率传送至该系统的不同部件。此外，通常的测试进度要求实现低于典型低温冷却器的最冷级的样本温度（大部分实际情况下为4.2K）并且因此采用液氦连续流的蒸发处理。

通常，吉福德-麦克马洪（GM）或GM型脉冲管低温冷却器（PTC）用于此目的。PT低温冷却器在不同的温度级运行时提供不同量的冷却功率。较高的温度级提供比较低温度级明显更高的冷却功率。此类低温冷却器的一个实例是PT410（由纽约州雪城的Cryomech公司销售），其可以在50K的温度级提供大约40W的冷却功率，但在4.2K的级仅能提供大约一瓦特的冷却功率。

许多目前可用的设计致力于提供可变冷却功率至超导磁体和样本室，这通过采用多级PTC（三级或更多级）与用于将低温冷却器耦接至低温恒温器组件的剩余部分的各种方法的组合一起来实现。PTC与低温恒温器的其他元件（诸如固定的热交换器单元）之间的柔性编织金属联接（link）通常被用作将PTC冷却元件物理地耦接至低温恒温器剩余部分。使用柔性物理联接或固定的热交换器限制了测量系统的模块性及使用，这是因为物理联接对PTC与其他低温恒温器元件之间的热交换设定了上限，并且如果需要增加的热交换率则附加的热耦接件是必需的。总的来说，低温冷却器与低温恒温器的剩余部分之间的物理耦接明显使维护变得复杂并且增加了整个系统的复杂性和成本。

典型的脉冲管低温冷却器单元在正常的操作情况下产生频率大约为1Hz的振动。因而，一种采用物理联接的系统将多余的振动能从PTC传送入样本区域，这对于对较小运动特别敏感的应用是不利的，诸如光学干涉度量法，其中需要特别注意防止PTC的振动能污染样本信号。已致力于将样本信号从PTC的振动运动中分离。

一些目前可用的低温测量系统使用分离的再冷凝器模块，以将气态的冷却剂转换为液态形式，这种液态形式通常是在最低温度下的低温恒温器操作所需的。该方法增加了系统的复杂性和成本，同时限制了使用的灵活性，因为再冷凝器单元需要物理接触PTC。本技术领域中已认识到通常需要多个（或多级）低温冷却器单元以获得非常低的温度，大约4.2K或更低。

在不同温度下连接和分离不同的低温冷却器级的挑战性任务已在一个先有技术实例中的得以解决，该实例采用具有至少三个级的低温冷却器设备与多个热交换器的相结合，以将冷却功率从不同的级输送至低温恒温器中的期望区域。

其他先有技术至少理论上提供了这样的教导，机械阀可用于在多级低温冷却器操作期间可打开和关闭耦接管，以调节冷却功率分布。然而，构造可靠的低温阀的难度限制了该方法的实用性。一种用于调节低温室中温度的替换方法使用双毛细管入口室和多级冷却器/加热器设备。虽然此类设计允许在期望范围上在样本室中的平滑温度调节，但其增加了测量设备的成本和复杂性，并且不能满足当超导磁体在扫描模式（sweep mode）中操作时将额外的冷却功率传送至超导磁体的需要。

发明内容