低温装置的制作方法

本发明涉及一种低温装置、具有该低温装置的系统以及操纵和/或操作低温装置的方法。更特别地，本发明涉及一种允许外部真空室连接到低温装置而不破坏外部真空室中的真空的热接口。

背景技术：

1、对于各种应用，需要实现小于1·10-9mbar的非常高的真空，例如用于构建基于捕获离子的量子计算机。该真空度可以通过借助涡轮分子泵对真空容器抽气并将容器的温度升高到超过100℃以加快气体的解吸来实现。该过程花费几周时间才能达到所需的真空条件。

2、另一种技术是对容器或容器部件抽气并冷却至低于70k的温度，以增加气体在冷表面上的吸附，从而提高真空质量。为了实现甚至更好的真空质量，可以结合这两种技术。然而，这通常需要在烘烤后将真空容器连接到制冷器，因为低温系统中的许多组件不能长时间承受高于100℃的温度，而最有效的真空产生在高于150℃的温度实现。

3、鉴于上述情况，克服现有技术中的至少一些问题的新的低温装置、具有该低温装置的系统以及操纵和/或操作低温装置的方法是有益的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低温装置、具有该低温装置的系统以及操纵和/或操作低温装置的方法，其可以有利于在真空室内提供低温，同时在真空室中保持高真空质量。本发明的另一目的是提高低温装置的运行效率。

2、根据本发明的独立方面，提供了一种低温装置。低温装置包括真空室、真空室中的冷却组件以及在真空室处(例如真空室的外部处)并且配置为由冷却组件冷却的热接口组件。

3、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置可连接到外部真空室。

4、优选地，在外部真空室中存在真空的状态下，低温装置可连接到外部真空室。

5、真空通常理解为基本上没有物质的空间。本技术通篇使用的术语“真空”尤其理解为技术真空，即气体压力远小于大气压的区域。真空室内部的真空可以是高真空、超高真空或极高真空(xhv)。一个或多个真空产生源、例如涡轮泵和/或低温泵和/或离子吸气泵可以连接到真空室以产生真空。

6、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置可连接到外部真空室，外部真空室具有与低温装置的(第一)热接口组件兼容的(第二)热接口组件。

7、例如，当低温装置连接到外部真空室时，低温装置的热接口组件连接到(例如机械地接触)外部真空室的热接口组件。

8、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，外部真空室包括在其中的载物台。

9、优选地，当低温装置连接到外部真空室时，低温装置的热接口组件连接到外部真空室的热接口组件，以通过低温装置的冷却组件的操作来冷却外部真空室内的载物台。

10、外部真空室内部的载物台可以配置为支撑或保持一个或多个物体。

11、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，物体是离子阱。通常，离子阱使用电场和/或磁场来捕获离子。离子陷阱可以用于例如构建基于捕获离子的量子计算机(“捕获离子量子计算机”)。

12、在其他实施例中，物体可以是样品。在这种情况下，载物台也可以称为“样品台”。本发明通篇使用的术语“物体”和“样品”包括但不限于科学材料、电子器件(例如超导电子器件)、有源器件、无源器件、处理单元及其组合。

13、优选地，物体热连接到载物台。例如，物体可以通过机械部件、例如夹具和/或螺钉附接到载物台，和/或可以粘合到载物台。低温装置可以配置为将载物台并且因此物体冷却至1k和300k之间的范围、特别是4k和300k之间的范围的温度。在一些实施方式中，可以提供达室温的温度以在物体上进行测量和/或测试或者操作物体、例如离子阱。可以使用加热组件提供高于室温的温度。

14、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，在低温装置的真空室中存在真空的状态下，低温装置可连接到外部真空室。

15、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，在外部真空室中存在真空的状态下和/或在低温装置的真空室中存在真空的状态下，低温装置和外部真空室彼此可拆卸。

16、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置的真空室中的真空是主隔热真空。

17、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，至少冷却组件流体地浸入低温装置的真空室中的真空中。

18、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，至少载物台流体地浸入外部真空室中的真空中。

19、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置的真空室与外部真空室分离。因此，低温装置的真空室内部的真空和外部真空室内部的真空可以彼此独立。

20、优选地，低温装置的真空室和外部真空室不具有共同的室壁。因此，可以独立地建立和维持低温装置的真空室内部的真空和外部真空室内部的真空。

21、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置的热接口组件包括可连接到外部真空室的热接口组件的第三热接口的第一热接口，以通过冷却组件的操作来冷却外部真空室内的载物台。

22、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置的热接口组件包括可连接到外部真空室的热接口组件的第四热接口的第二热接口。

23、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口、第二热接口、第三热接口和第四热接口包括具有高导热率的材料或由其制成。例如，第一热接口、第二热接口、第三热接口和第四热接口可以包括金属材料、例如铜或黄铜或由其制成。

24、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第二热接口配置为由低温装置的冷却组件或另一冷却组件冷却。例如，第一热接口可以连接到第一冷却组件(例如脉冲管冷却器)，并且热接口可以连接到第二冷却组件(例如另一脉冲管冷却器或两级冷却器的第二级)。

25、优选地，当低温装置连接到外部真空室时，第二热接口连接到外部真空室的第四热接口，以通过冷却组件或其他冷却组件的运行来冷却外部真空室内的至少一个元件。

26、优选地，外部真空室内的至少一个元件是预冷却台和/或隔热罩。

27、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口和第二热接口配置为分别被冷却至第一温度和第二温度。

28、优选地，第一温度和第二温度不同。

29、优选地，第一温度低于第二温度。

30、优选地，第一温度为100k或以下、40k或以下、4k或以下，或者2k或以下。

31、另外地或替代地，第二温度为100k或以下、40k或以下，或者4k或以下。

32、优选地，第一温度为4k或以下并且第二温度为40k或以下。

33、在示例性实施例中，第一温度在1k和5k之间(例如约4k)并且第二温度在35k和45k之间(例如约40k)。

34、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，冷却组件包括无制冷剂系统、例如无制冷剂闭合循环系统。

35、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，冷却组件包括脉冲管冷却器和/或绝热退磁制冷器和/或吉福德-麦克马洪制冷器和/或珀耳帖冷却器。

36、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口具有第一表面，配置为当低温装置连接到外部真空室时接触外部真空室的第三热接口的第三表面。

37、优选地，第一热接口的第一表面是基本上平的表面和/或延伸的表面和/或基本上水平的表面和/或顶表面和/或具有基本上圆形的形状。

38、另外地或替代地，第三热接口的第三表面是基本上平的表面和/或延伸的表面和/或基本上水平的表面和/或底表面和/或具有基本上圆形的形状。

39、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口具有至少一个第一接触元件，配置为接触第三热接口、例如第三热接口的接触表面。

40、优选地，第三热接口的接触表面包括垂直面和/或倾斜面。

41、优选地，至少一个第一接触元件布置在第一热接口的侧面和/或圆周处。

42、优选地，至少一个第一接触元件是弹簧元件。

43、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口配置为接触第三热接口的至少一个第三接触元件。换句话说，第三热接口可以包括至少一个第三接触元件。例如，第一热接口的接触表面可以配置为接触第三热接口的至少一个第三接触元件。

44、优选地，第一热接口的接触表面包括垂直面和/或倾斜面。

45、优选地，至少一个第三接触元件是弹簧元件。

46、优选地，至少一个第三接触元件布置在第三热接口的侧面和/或圆周处。

47、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第三热接口至少部分地围绕第一热接口。

48、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置的第一热接口和第二热接口位于不同高度处，例如沿第一热接口和/或第二热接口的纵向轴线。如果第一热接口和/或第二热接口具有圆柱形形状，则纵向轴线可以是圆柱轴线。

49、另外地或替代地，外部真空室的第三热接口和第四热接口位于不同高度处，例如沿第三热接口和/或第四热接口的纵向轴线。如果第三热接口和/或第四热接口具有圆柱形形状，则纵向轴线可以是圆柱轴线。

50、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第二热接口具有至少一个第二接触元件，配置为接触第四热接口、例如第四热接口的接触表面。

51、优选地，第四热接口的接触表面包括垂直表面和/或倾斜表面。

52、优选地，至少一个第二接触元件布置在第二热接口的侧面和/或圆周处。

53、优选地，至少一个第二接触元件是弹簧元件。

54、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第二热接口配置为接触第四热接口的至少一个第四接触元件。换句话说，第四热接口可以包括至少一个第四接触元件。例如，第二热接口的接触表面可以配置为接触第四热接口的至少一个第四接触元件。

55、优选地，第二热接口的接触表面包括垂直表面和/或倾斜表面。

56、优选地，至少一个第四接触元件是弹簧元件。

57、优选地，至少一个第四接触元件布置在第四热接口的侧面和/或圆周处。

58、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括支撑第一热接口的第一支撑结构。

59、优选地，第一支撑结构从下方支撑第一热接口。例如，第一热接口可以附接到第一支撑结构的顶侧。

60、优选地，第一支撑结构连接到第二热接口以支撑第一热接口。特别地，第一支撑结构的第一端可以连接到第一热接口，第一支撑结构的与第一端相反的第二端可以连接到第二热接口。

61、另外地或替代地，第一支撑结构具有低导热率。例如，第一支撑结构可以具有1w/(km)或以下或者0.5w/(km)或以下的导热率。

62、另外地或替代地，第一支撑结构具有圆柱形形状。例如，第一支撑结构可以是中空圆柱体。在一些实施例中，第一热接口可以封闭中空圆柱体的上侧，特别是基本上真空密封的。

63、另外地或替代地，第一支撑结构包括或者是膜。

64、另外地或替代地，第一支撑结构、例如膜具有0.5mm或以下或者0.2mm或以下的厚度。

65、另外地或替代地，第一支撑结构包括一个或多个加强肋。例如，一个或多个加强肋可以围绕第一支撑结构的圆周延伸、特别是水平地延伸。

66、另外地或替代地，第一支撑结构包括金属材料、例如不锈钢或者由其制成。在其他实施例中，第一支撑结构可以由玻璃纤维增强塑料制成。

67、另外地或替代地，第一支撑结构形成为一体件。

68、另外地或替代地，第一支撑结构是基本上真空密封的(特别是与其他壁和/或装置部件组合)。例如，第一支撑结构可以将低温装置的真空室内部的真空与外部基本上真空密封地密封。

69、优选地，第一支撑结构提供或者是低温装置的真空室的壁。

70、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括支撑第二热接口的第二支撑结构。

71、优选地，第二支撑结构连接到低温装置的真空室或其另一部件以支撑第二热接口。

72、在一些实施例中，第二支撑结构的第一端可以连接到低温装置的真空室或其另一部件，第二支撑结构的与第一端相反的第二端可以连接到第二热接口。

73、另外地或替代地，第二支撑结构具有低导热率。例如，第二支撑结构可以具有1w/(km)或以下或者0.5w/(km)或以下的导热率。

74、另外地或替代地，第二支撑结构具有圆柱形形状。例如，第二支撑结构可以是中空圆柱体。在一些实施例中，第二支撑结构可以布置在第二支撑结构的内部空间中。在另一实施例中，第二支撑结构可以布置在第二支撑结构之上。

75、另外地或替代地，第二支撑结构包括或者是膜。

76、另外地或替代地，第二支撑结构、例如膜具有0.5mm或以下或者0.2mm或以下的厚度。

77、另外地或替代地，第二支撑结构包括一个或多个加强肋。例如，一个或多个加强肋可以围绕第二支撑结构的圆周延伸、特别是水平地延伸。

78、另外地或替代地，第二支撑结构包括金属材料、例如不锈钢或者由其制成。在其他实施例中，第二支撑结构可以由玻璃纤维增强塑料制成。

79、另外地或替代地，第二支撑结构形成为一体件。

80、另外地或替代地，第二支撑结构是基本上真空密封的(特别是与其他壁和/或装置部件组合)。例如，第二支撑结构可以将低温装置的真空室内部的真空与外部基本上真空密封地密封。

81、优选地，第二支撑结构提供或者是低温装置的真空室的壁。

82、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，外部真空室的热接口组件包括支撑第三热接口的第三支撑结构。

83、优选地，第三支撑结构从下方支撑第三热接口。例如，第三热接口可以附接到第三支撑结构的顶侧。

84、优选地，第三支撑结构连接到第四热接口以支撑第三热接口。特别地，第三支撑结构的第一端可以连接到第三热接口，第三支撑结构的与第一端相反的第二端可以连接到第四热接口。

85、另外地或替代地，第三支撑结构具有低导热率。例如，第三支撑结构可以具有1w/(km)或以下或者0.5w/(km)或以下的导热率。

86、另外地或替代地，第三支撑结构具有圆柱形形状。例如，第三支撑结构可以是中空圆柱体。在一些实施例中，第三热接口可以封闭中空圆柱体的上侧，特别是基本上真空密封的。

87、另外地或替代地，第三支撑结构包括或者是膜。

88、另外地或替代地，第三支撑结构、例如膜具有0.5mm或以下或者0.2mm或以下的厚度。

89、另外地或替代地，第三支撑结构包括一个或多个加强肋。例如，一个或多个加强肋可以围绕第三支撑结构的圆周延伸、特别是水平地延伸。

90、另外地或替代地，第三支撑结构包括金属材料、例如不锈钢或者由其制成。在其他实施例中，第三支撑结构可以由玻璃纤维增强塑料制成。

91、另外地或替代地，第三支撑结构形成为一体件。

92、另外地或替代地，第三支撑结构是基本上真空密封的(特别是与其他壁和/或装置部件组合)。例如，第三支撑结构可以将外部真空室内部的真空与外部基本上真空密封地密封。

93、优选地，第三支撑结构提供或者是外部真空室的壁。

94、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，外部真空室的热接口组件包括支撑第四热接口的第四支撑结构。

95、优选地，第四支撑结构连接到外部真空室、例如其凸缘以支撑第四热接口，例如处于悬挂状态。特别地，第四支撑结构的第一端可以连接到外部真空室、例如其凸缘，第四支撑结构的与第一端相反的第二端可以连接到第四热接口。

96、另外地或替代地，第四支撑结构具有低导热率。例如，第四支撑结构可以具有1w/(km)或以下或者0.5w/(km)或以下的导热率。

97、另外地或替代地，第四支撑结构具有圆柱形形状。例如，第四支撑结构可以是中空圆柱体。在一些实施例中，第三支撑结构可以布置在第四支撑结构的内部空间中。

98、另外地或替代地，第四支撑结构包括或者是膜。

99、附加地或替代地，第四支撑结构、例如膜具有0.5mm或以下或者0.2mm或以下的厚度。

100、另外地或替代地，第四支撑结构包括一个或多个加强肋。例如，一个或多个加强肋可以围绕第四支撑结构的圆周延伸、特别是水平地延伸。

101、另外地或替代地，第四支撑结构包括金属材料、例如不锈钢或者由其制成。在其他实施例中，第四支撑结构可以由玻璃纤维增强塑料制成。

102、另外地或替代地，第四支撑结构形成为一体件。

103、另外地或替代地，第四支撑结构是基本上真空密封的(特别是与其他壁和/或装置部件组合)。例如，第四支撑结构可以将外部真空室内部的真空与外部基本上真空密封地密封。

104、优选地，第四支撑结构提供或者是外部真空室的壁。

105、根据可以与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第四热接口和/或其延伸部在第三支撑结构和第四支撑结构之间从热接口组件的底侧延伸至顶侧。在一些实施例中，第四热接口和/或在第三支撑结构和第四支撑结构之间延伸的延伸部可以提供隔热罩。

106、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，当低温装置连接到外部真空室时，第一支撑结构、第二支撑结构、第三支撑结构和第四支撑结构同心地布置、例如同心地嵌套。例如，支撑结构可以按照以下顺序布置(从内到外)：第一支撑结构、第三支撑结构、第四支撑结构和第二支撑结构。

107、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第一热接口延伸至低温装置的真空室的外部。

108、优选地，在外部真空室未连接到低温装置的状态下，第一热接口暴露于低温装置的真空室的外部。

109、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第二热接口延伸至低温装置的真空室的外部。

110、优选地，在外部真空室未连接到低温装置的状态下，第二热接口暴露于低温装置的真空室的外部。

111、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第三热接口延伸至外部真空室的外部。

112、优选地，在外部真空室未连接到低温装置的状态下，第三热接口暴露于外部真空室的外部。

113、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，第四热接口延伸至外部真空室的外部。

114、优选地，在外部真空室未连接到低温装置的状态下，第四热接口暴露于外部真空室的外部。

115、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括在真空室处的至少一个第一电接口。至少一个第一电接口可以配置为当低温装置连接到外部真空室时连接到外部真空室的至少一个第二电接口。

116、在一些实施例中，至少一个第一电接口和至少一个第二电接口是自定心接口。例如，低温装置可以包括第一引导结构，配置为在低温装置和外部真空室的连接过程期间引导外部真空室的第二引导结构。第一引导结构和第二引导结构可以通过引导至少一个第一电接口和至少一个第二电接口以将它们连接处于限定的位置来提供自定心功能。

117、优选地，至少一个第一电接口包括dc接口和rf接口的至少一种。

118、优选地，至少一个第二电接口包括dc接口和rf接口的至少一种。

119、优选地，至少一个第一电接口和至少一个第二电接口用于控制外部真空室内部的物体。另外地或替代地，至少一个第一电接口和至少一个第二电接口用于执行和/或控制外部真空室内部的物体测量。

120、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括在真空室处的至少一个第一光学接口。至少一个第一光学接口可以配置为当低温装置连接到外部真空室时连接到外部真空室的第二光学接口。

121、优选地，至少一个第一光学接口和至少一个第二光学接口配置为在外部真空室内部的物体上执行光学测量和/或测试。在一些实施例中，光学测量和/或测试可以使用光束、例如激光束。

122、根据可以与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，当低温装置已经连接到外部真空室并且可选地在连接过程期间，在低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间形成中间空间。

123、优选地，当低温装置已经连接到外部真空室并且可选地在连接过程期间，低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间的中间空间是基本上真空密封地密封的。

124、优选地，波纹管可连接在低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间，以基本上真空密封地密封或封闭低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间的中间空间。

125、优选地，至少一个抽气端口设置在低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间的中间空间处。

126、优选地，至少一个泵可连接到至少一个抽气端口以在低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件之间的中间空间中建立真空。

127、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括阀，配置为封闭低温装置的热接口组件位于其中的第一空间。

128、优选地，阀提供至少一个抽气端口。

129、当低温装置与外部真空室断开时，可以关闭阀。例如，当关闭阀时，可以在低温装置的热接口组件位于其中的第一空间中建立真空。

130、可以在外部真空室已经附接到低温装置之后打开阀，使得外部真空室的热接口组件可以延伸通过打开的阀，以连接到低温装置的热接口组件。

131、例如，可以关闭阀，并且可以在低温装置的热接口组件位于其中的第一空间中建立或维持真空。外部真空室可以附接到低温装置，并且可以在外部真空室的热接口组件位于其中的第二空间中建立另一真空。此后，可以打开阀门以连接第一空间和第二空间。然后，外部真空室的热接口组件可以移动通过打开的阀，以与低温装置的热接口组件连接。

132、优选地，低温装置的热接口组件位于其中的第一空间和外部真空室的热接口组件位于其中的第二空间形成上述中间空间。

133、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，波纹管可连接在阀和外部真空室的热接口组件之间，以密封外部真空室的热接口组件位于其中的第二空间。

134、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置通过线性移动可连接到外部真空室。

135、优选地，线性移动是外部真空室相对于静止的(即不移动的)低温装置的线性移动。

136、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置在没有旋转移动的情况下可连接到外部真空室。例如，低温装置通过仅线性地移动可连接到外部真空室。

137、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，在冷却组件运行的状态下，低温装置可连接到外部真空室。

138、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括一个或多个保持部件，配置为当低温装置连接到外部真空室时固定低温装置和外部真空室之间的相对位置。

139、优选地，相对位置固定在线性移动的方向上。

140、优选地，一个或多个保持部件包括孔、螺纹孔、螺钉、弹簧和夹具的至少一种。

141、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括第一引导结构，配置为在低温装置和外部真空室的连接过程期间引导外部真空室的第二引导结构。第一引导结构和第二引导结构可以提供自定心功能，以将低温装置的热接口组件和外部真空室的热接口组件(并且可选地至少一个第一电接口和至少一个第二个电气接口)连接处于限定的位置。

142、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，低温装置包括加热组件，其中，当低温装置连接到外部真空室时，低温装置的热接口组件(例如第一热接口)连接到外部真空室的热接口组件(例如第三热接口)，以通过加热组件的操作来加热外部真空室内的载物台。

143、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，外部真空室包括配置为向物体施加磁场的磁装置。

144、优选地，磁装置包括至少一个超导磁体和/或至少一个(传统的或电阻的)电磁体和/或至少永磁体。

145、根据本发明的另一独立方面，提供了一种系统。系统包括本发明实施例的低温装置和外部真空室。

146、根据本发明的另一独立方面，提供了一种真空室。真空室可以如上述外部真空室那样构造。

147、根据可与本文所述的其他实施例组合的一些实施例，真空室可加热至100℃以上、例如150℃以上的温度。

148、根据本发明的另一独立方面，提供了一种用于低温装置的热接口组件。热接口组件可以如上述低温装置的热接口组件那样构造。

149、根据本发明的另一独立方面，提供了一种用于真空室的热接口组件。热接口组件可以如上述外部真空室的热接口组件那样构造。

150、根据本发明的另一独立方面，提供了一种操纵和/或操作低温装置的方法。该方法包括执行外部真空室朝低温装置的线性移动，以在外部真空室中存在真空的状态下使低温装置的热接口组件与外部真空室的热接口组件接触；以及运行低温装置的冷却组件，以冷却低温装置的热接口组件，其中外部真空室内的载物台通过冷却组件的运行并通过低温装置的热接口组件来冷却。

151、从权利要求、说明书和附图，本发明的其他方面、益处和特征是显而易见的。