一种用于极低温制冷系统的快速装载装置及方法

本发明属于极低温强磁场，具体涉及一种用于极低温制冷系统的快速装载装置及方法。

背景技术：

1、在极低温下(通常指最低温度能到mk量级)，材料的量子行为得以呈现，因此毫开尔文极低温的极端环境下对量子器件进行调控是目前物理学研究的重要方向之一。在科研过程中，更换不同的量子器件进行科学研究是必不可少的。

2、极低温系统结构非常复杂，涉及到多级降温，而且在越低温度下继续降温的时间也会越长。如图1所示，传统极低温制冷系统200的真空腔顶盘201安装在制冷机支架212上，通过螺丝固定；一级冷盘202、二级冷盘203、三级冷盘204、四级冷盘205和五级冷盘206依次挂载在真空腔顶盘201下方；一级冷盘202、二级冷盘203和三级冷盘204下方分别挂有一级热辐射屏蔽罩208、二级热辐射屏蔽罩209和三级热辐射屏蔽罩210，通过螺丝固定，各级冷盘与对应的热辐射屏蔽罩之间热接触良好；二级热辐射屏蔽罩209下方挂载有超导磁体211；真空腔尾罩207挂载在真空腔顶盘201下方，与真空腔顶盘201间通过密封圈密封连接，形成真空腔；制冷机213(可选用4k制冷机)安装在真空腔顶盘201上，其冷头端探入真空腔内部，制冷机与真空腔顶盘201间通过密封圈密封连接，制冷机213的一级冷头与一级冷盘通过导热良好的铜辫固定，二级冷头与二级冷盘通过导热良好的铜辫固定；稀释制冷混合室214安装在五级冷盘206上，与五级冷盘206热接触良好，制冷混合室214通过进气管道215和抽气管道216与真空腔顶盘201外部循环系统相连接，进气管道上安装有进气管道阀门217，抽气管道上安装有抽气管道阀门218，进气管道和抽气管道与各级冷盘间均有良好的热接触，进气管道和抽气管道本身为不锈钢材质，自身不会影响各级冷盘间的导热性；稀释制冷混合室214与进气管道215和抽气管道216以及真空腔外部循环系统组成一个闭循环气路，氦3和氦4混合气体在内部循环流动；温度传感器219安装在五级冷盘206上，之间热接触良好，用于监控采集冷盘的温度；样品放置于五级冷盘下方，与五级冷盘处于同一温度。

3、现有极低温制冷系统在更换样品时一般包括以下步骤：(1)将整套极低温系统回到室温，(2)打开真空腔尾罩，(3)移除各级热辐射屏蔽罩和超导磁体，(4)更换样品，(5)安装回各级热辐射屏蔽罩和超导磁体，(6)密封真空腔尾罩，(7)抽腔体真空，(8)开启制冷机，逐级降温，单系统整体重新降温需耗时50小时以上。

4、显而易见，上述方式存在以下缺点：1、整个过程需要升温、反复拆装、降温等，至少耗时80小时，更换样品时间太长；2、在拆除和安装真空腔尾罩、各级热辐射屏蔽罩和超导磁体时，需要2-3人协助完成，拆装复杂，费时费力；3、反复拆除和安装真空腔尾罩、各级热辐射屏蔽罩和超导磁体，存在磕碰损坏的风险；4、整个过程中需要实验人员频繁监控各阶段的状态，耗人力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于极低温制冷系统的快速装载装置及方法，它可以解决现有技术中存在的更换样品时流程复杂且耗时长、耗人力、易磕碰损坏的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种用于极低温制冷系统的快速装载装置，包括：

4、对接坞，安装于所述极低温制冷系统的最下层冷盘的底部，所述极低温制冷系统的各个热辐射屏蔽罩和真空腔尾罩上均设有位于对接坞正下方的开口；

5、弹簧门，密封安装于各个热辐射屏蔽罩的开口处，且可在受到外力挤压时打开热辐射屏蔽罩的开口；

6、高真空插板阀，密封安装于真空腔尾罩的开口处且可对极冷真空腔进行开关；

7、装载真空腔，可拆卸的密封安装于高真空插板阀上，当其密封安装于高真空插板阀上时，高真空插板阀打开使极冷真空腔与装载真空腔连通；

8、样品架，设置于装载真空腔内；

9、升降机构，用于驱动样品架升降，并使样品架在上升过程中依次打开各个弹簧门直至位于对接坞底部；

10、固定机构，用于将样品架固定或拆卸于对接坞上。

11、可选的，所述装载真空腔包括从上至下依次设置的上平台、升降平台和下平台以及多个导轨、法兰盘、弹簧波纹管和真空泵；

12、所述导轨的下端与下平台固定连接，其上端穿过升降平台与上平台固定连接，所述升降平台滑动安装于导轨上，所述上平台上设有一开口，所述法兰盘密封安装在上平台上，且与该开口连通，所述法兰盘与高真空插板阀可拆卸连接，所述弹簧波纹管可伸缩的密封设置于上平台与升降平台之间，所述弹簧波纹管的下端开口被升降平台密封封堵，其上端开口与上平台的开口和法兰盘连通，真空泵用于向弹簧波纹管内抽真空。

13、可选的，所述升降机构包括升降电机、升降螺杆和传送杆，所述升降电机固定安装在下平台上，所述升降螺杆竖直设置于弹簧波纹管外，其下端与升降电机固定连接，其上端与升降平台螺纹连接，所述传送杆竖直设置于弹簧波纹管内，其下端与升降平台固定连接，所述样品架放置于传送杆顶部。

14、可选的，所述传送杆与样品架之间设有防止样品架转动或移动的限位机构。

15、可选的，所述固定机构包括扭力电机、多个长螺杆和多个固定螺丝，所述扭力电机固定安装于升降平台底部，多个长螺杆间隔一定距离穿设于传送杆内，所述长螺杆的下端伸出升降平台与扭力电机连接，所述长螺杆的顶部设有非圆形槽，所述固定螺丝的下端设有与非圆形槽相配置的非圆形柱，所述固定螺丝的下端通过其非圆形柱嵌设于非圆形槽内，其上端从样品架穿设而出，所述对接坞上设有与固定螺丝相配置的螺孔。

16、可选的，所述非圆形槽为内六角螺丝头，所述非圆形柱为外六角螺丝头。

17、可选的，所述样品架包括上层架、下层架以及设置于上、下层架之间的多个套管，所述固定螺丝从对应的套管穿设而出。

18、可选的，所述上层架上设有多个引导柱，所述对接坞上设有相配置的多个引导槽。

19、可选的，该装置还包括设于下平台下方的可移动的平板车以及安装于平板车与下平台之间的多个气垫柱。

20、相应的，本发明还提供一种用于极低温制冷系统的快速装载方法，基于上述装置实现，

21、当需向极低温制冷系统内放置量子器件时，该方法包括以下步骤：

22、s1、将量子器件放置于样品架上；

23、s2、将装载真空腔与高真空插板阀密封连接，打开高真空插板阀使极冷真空腔与装载真空腔连通，并使其内真空度达到10-5mbar量级；

24、s3、启动升降机构，驱动样品架上升，并依次打开各个弹簧门直至位于对接坞底部；

25、s4、启动固定机构，将样品架固定于对接坞上；

26、s5、启动升降机构下降至装载真空腔内，同时弹簧门依次闭上；

27、s6、关闭高真空插板阀，将装载真空腔从高真空插板阀上拆除；

28、当需更换极低温制冷系统内的量子器件时，该方法包括以下步骤：参照步骤s2、s3，将升降机构上升至已安装于对接坞上的样品架下方，启动固定机构将样品架从对接坞上拆除，然后参考步骤s5、s6，再取下旧的量子器件，将新的量子器件放置于样品架上，重复步骤s2-s6即完成量子器件的更换。

29、本发明产生的有益效果是：本发明通过在极低温制冷系统最下层冷盘的底部安装对接坞，并在各个热辐射屏蔽罩和真空腔尾罩对应对接坞的正下方开设开口，且在开口处安装对应的弹簧门或高真空插板阀，形成一个可开关的极冷真空腔；同时，本发明设置一个可以装样品架的装载真空腔，使装载真空腔可拆卸的密封安装在高真空插板阀上，以使装载真空腔与极冷真空腔连通，再通过升降机构实现样品架的升降，当样品架从装载真空腔通过高真空插板阀进入极冷真空腔，再依次打开各个弹簧门升至对接坞下方，然后通过固定机构将样品架固定安装在对接坞底部，便可将样品送入极低温制冷系统内，然后固定机构、升降机构退出极低温制冷系统，弹簧门和高真空插板阀依次关闭，可以保证极冷真空腔的极冷温度和真空环境，即可快速完成更换样品，而不需要对极低温制冷系统进行包括回到室温、拆除再安装真空腔尾罩、各级热辐射屏蔽罩和超导磁体、重新密封、抽真空、再制冷等操作，可以大大缩短更换样品时间，可从将传统方式所需的80小时缩短至10小时以内，而且所有操作仅需一人即可完成，操作简单省时省力，且不存在磕碰损坏的风险，另外，由于无需对极低温制冷系统进行操作，因此无需对其内环境进行频繁监控操作，可以节省人力。