(57)【要約】  冷却システムの一部を形成する機械式冷凍機に関連した極低温冷却システムにおけるノイズを低減する方法が提供される。この方法は、機械式冷凍機の動作中に冷却システム内の振動を監視する段階と、振動の振幅を低減するために監視された振動に基づいて機械式冷凍機の動作周波数を調節する段階とを含む。これにより、冷却システム内のノイズを低減することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温冷却システムにおけるノイズを低減する方法であって、前記ノイズは、前記冷却システムの一部を形成する機械式冷凍機に関連しており、前記方法は、
前記機械式冷凍機の動作中に前記冷却システムにおける振動を監視する監視段階と、
監視された前記振動に基づいて前記機械式冷凍機の動作周波数を調節して前記振動の振幅を低減する調節段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記動作周波数を調節する前記調節段階は、前記機械式冷凍機の前記動作周波数を第１の周波数から第２の周波数に調整する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記機械式冷凍機の前記動作周波数を調節する前記調節段階は、前記機械式冷凍機の駆動モータの前記動作周波数を調節する段階を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記駆動モータは、ステッピングモータである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ステッピングモータのステップレートは、制御可能である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記駆動モータは、前記機械式冷凍機の動作中に前記機械式冷凍機のロータリーバルブを駆動する、請求項３〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記動作周波数は、使用時に前記ロータリーバルブが回転する周波数である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記動作周波数は、約１．２０Ｈｚから約１．９０Ｈｚの間である、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記動作周波数は、約１．３０Ｈｚから１．５０Ｈｚの間である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記機械式冷凍機は、パルスチューブ冷凍機である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記動作周波数は、監視された前記振動に基づいてユーザによって調節される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記動作周波数は、監視された前記振動に基づいて自動的に調節される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記振動は、前記冷却システムと接触して配置されたプローブによって監視される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記プローブは、前記冷却システムに備えられた低温保持装置と接触して配置される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記振動は、前記冷却システムの冷却標的と接触して配置されたプローブによって監視される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記プローブは、加速度計である、請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記機械式冷凍機の前記動作周波数は、前記動作周波数の少なくとも１つの調波を前記冷却システムの構造的共振から実質的に分離するように調節される、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記動作周波数の前記少なくとも１つの調波および前記冷却システムの前記構造的共振は、前記機械式冷凍機の前記動作周波数を調整することによって実質的に分離される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記動作周波数は、少なくとも０．０１Ｈｚで調整される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
極低温冷却システムでの振動を監視するために使用されるように構成された振動検出器と、
前記冷却システムの一部を形成する機械式冷凍機の動作周波数を制御するように構成されたコントローラと、
を備える周波数調整器であって、
前記動作周波数は、前記振動検出器によって監視された振動に基づいて、前記振動の振幅を低減するように前記コントローラを使用して調節される、周波数調整器。
【請求項２１】
前記周波数調整器は、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法を実行するように構成される、請求項２０に記載の周波数調整器。
【請求項２２】
低温保持装置と、
前記低温保持装置に結合された機械式冷凍機と、
前記低温保持装置内の振動を監視し、前記機械式冷凍機の動作周波数を調節するよう使用されるように構成された、請求項２０又は２１に記載の周波数調整器と、
を備える極低温冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温冷却システム内のノイズ低減に関する。本発明は、このような冷却システムに結合された機械式冷凍機に関連したノイズを低減することを目的としている。
【背景技術】
【０００２】
例えば、７７ケルビン（Ｋ）未満の温度、または約４Ｋまたは４Ｋ以下の温度など、極低温度で行われるいくつかの実験および手順が存在する。従来、これらの温度を実現するために液体窒素および液体ヘリウムなどの極低温流体が使用されてきた。通常、これらの流体は、専用の液化プラント（強力な機械式圧縮機および膨張段を備えている）で生産され、その後、実験領域に輸送され（液体の形態で）、ここでは冷却力（冷却能力、すなわち、冷却を提供する能力とも呼ばれる）が消費される。したがって、冷熱源の「生成」と「消費」との間には距離間隔があり、冷熱源の生産プロセス中に関連した「ノイズ」が発生していた。しかしながら、現在では、これらの極低温流体の使用を最小限に抑えながら、可能であれば、極低温流体の使用を完全に避けながら、このような温度を実現することが望まれる。
【０００３】
このことは、極低温流体の使用に対する代替案または追加案として機械式冷凍機を使用することにつながる。このような機械式冷却器には多くの構成が存在し、ある範囲の温度で動作する。例えば、単段式ギフォード・マクマホンまたはパルスチューブ機械式冷却器は、８０Ｋ未満の温度で冷却力を提供することができ、２段式ギフォード・マクマホンまたはパルスチューブ機械式冷却器は、４Ｋ未満の温度で冷却力を提供することができる。しかしながら、多くの種類の機械式冷凍機を駆動するモータの使用に起因して、機械式冷凍機の使用は、内部にモータが配置されている冷却システム内で付加的なノイズを引き起こす。多くの場合、機械的に冷却された冷却システム内で実行される実験および手順は、非常に高感度であり、データの破壊およびエラーを回避するためにノイズを最小限に抑える必要があり、付加的なノイズは望ましくない。
【０００４】
同様の課題は、「超」低温（通常は１Ｋ未満の温度）の実現に適用される。液化ヘリウム４（4Ｈｅ）をはじめとして、原理的には機械的要素を組み込むことを必要とせずに超低温を実現することが可能であり、例えば、液体４Ｈｅを含むある所定体積を超える蒸気は、１Ｋ未満に冷却するために吸着ポンプで低減することができる。これを使用して、所定容積のヘリウム３（3Ｈｅ）を凝縮することができ、第２の吸着ポンプは3Ｈｅから蒸気をポンプ送給して結果的に３００ミリケルビン（ｍＫ）未満に冷却するために使用することができる。同様の概念（より複雑な配置ではあるが）は、任意の機械的要素なしで１００ｍＫ未満の温度に冷却する希釈冷凍機を構築することができることを実証するために利用できる。しかしながら、外部の機械式ポンプのような機械的要素を超低温システムに結合して、それらの構成および／または動作を簡素化するか、またはより高い性能を実現することが望ましい場合が多い。このような構成では、このような超低温システムは、機械式冷凍機として見なすこともでき、それ自身は、「寒剤フリー」の超低温システムを実現するためのパルスチューブ冷却器など、他の機械式冷凍機（場合によっては異なる構成で異なる温度で動作する）と結合することができる。
【０００５】
様々な機械式冷却器を利用できるので、２段式パルスチューブ冷却器（すなわち、３Ｋ冷却器、換言すると約３Ｋの温度まで冷却する能力がある冷凍機または冷却器）のような、そのような冷却器の特定の実現にどのように適用されるかを検討することで、以下の大部分は簡略化することができる。しかしながら、説明される提案は、一般的に他のタイプの機械式冷凍機にも同様に適用できることは明らかであろう。
【０００６】
機械式冷凍機（３Ｋ機械式冷凍機など）のユーザは、機械式冷凍機に提供される標準モータが、機械式冷凍機から発生する主要なノイズ源であると考える場合が多い。これらの機械式冷凍機は、電気モータを使用して駆動される。電気モータ自体が電気的ノイズの発生源となる可能性があるが、通常、電気モータは、本明細書が対象とする機械的振動によって引き起こされたノイズも発生する。
【０００７】
機械式冷凍機がこのモータによって駆動される期間は、機械的振動によってシステムにノイズを発生させる可能性がある。これらの振動によって発生した実験用配線におけるマイクロフォニック雑音は、敏感なサンプルに接続された実験用配線と結合して、測定回路内に電気的ノイズをもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
量子計算に関連するものなど、このような様式で発生したノイズに敏感な実験および手順のために、振動レベルが可能な限り最小化される環境を提供するために、ノイズを低減する手段が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、極低温冷却システムのノイズを低減する方法が提供され、ノイズは、冷却システムの一部を形成する機械式冷凍機と関連しており、この方法は、機械式冷凍機の動作中に冷却システム内の振動を監視する段階と、振動の振幅を低減するために監視された振動に基づいて機械式冷凍機の動作周波数を調節する段階とを含む。
【００１０】
現在行われている高感度の実験および手順における有意なノイズ源は、内部で実験および手順が行われる冷却システム内で生じる振動に起因する。これらの振動は、機械式冷凍機の動作周波数の調波と冷却システムの構造的共振の結合によって生じることが分かっている。さらに、機械式冷凍機の動作周波数を調節することにより、冷却システムおよびシステム全体として（他の構成要素が冷却システムに取り付けられる場合）のノイズレベルは、機械式冷凍機が実現することができる最低温度を上昇させることなく大幅に低減できることが分かっている。一例として、約３Ｋで動作するパルスチューブ冷凍機に関して、最低温度は、約０．３Ｋを超えることで摂動を受けなかったが、冷却システム内でノイズを引き起こす振動の振幅は、約５０％まで低減することができる。このレベルのノイズの低減は、約３Ｋの最低温度まで冷却する機械式冷凍機などの他の機械式冷凍機の冷却にも適用できることが分かっている。
【００１１】
機械式冷凍機の動作周波数を調節することは、例えば、機械式冷凍機で到達することができる最大到達可能冷却力および／または最低温度を変更することにより、機械式冷凍機の伝熱能力を変更する。したがって、機械式冷凍機の主な目的が、できる限り効率的かつ迅速に可能な限り低い温度に冷却することであるため、このことは、これまでは望ましくないと見なされていた。しかしながら、最低温度の変更を回避しながら、上記に示されるノイズ低減の量を実現することができることが分かっている。３Ｋ機械式冷凍機の例を使用すると、この温度を約０．１Ｋ以上変更することを回避しながら、最低温度を実現できることが分かっている。上記の点と矛盾することなく、この温度変化での低減は、約３Ｋの最低温度まで冷却する機械式冷凍機などの、他の機械式冷凍機にも適用できることも分かっている。
【００１２】
監視されるノイズは、複数の機械式冷凍機と関連するノイズとすることができる。しかしながら、通常、監視されるノイズは、単一の機械式冷凍と関連するノイズだけとすることができる。これにより、単一の機械式冷凍機によって引き起こされた振動を単一の機械式冷凍機の動作周波数を調節することによって、最小限に抑えることが可能になる。複数の冷却器が動作している状態では、１つの方策は、単に２つの冷却器が同じ周波数で動作しないことを保証することである。これは、その周波数でのノイズの「倍増」を避けるためである（例えば、振動の重ね合わせに起因する）。これは、各冷却器の動作周波数を単純に監視して、どれも等しくないことを保証することで実現することができる。これは、本明細書で説明されるものではない。代わりに、振動の実際の振幅が最終システムにあることを測定することで、各振動要素から完全システムへの全体「伝達関数」を考慮することができる。実際には、わずか２つの構成要素をデチューンすることが完全システムの全体の振動振幅に著しい影響を与えるより低い周波数で生成される「うなり（beating）」につながる可能性がある。このような挙動は、全体の振動振幅を測定できる場合は、検出して修正することができる。
【００１３】
「動作周波数を調節する」という表現は、機械式冷凍機の動作周波数が第１の周波数から第２の周波数に少なくとも調整されることを意味することが意図される。これは、第１の周波数から第２の周波数への少なくとも単一の調整と、第１の周波数と第２の周波数との間で連続的に交互に切り替えることとを含むことが意図されており、例えば動作と不動作との間で切り替えることで、機械式冷凍機の動作をパルス化させる、または第１の周波数を第２の周波数に、周波数スペクトルにわたって連続的に少なくとも１または２以上の別の周波数に調整する。動作周波数を第１の周波数から第２の周波数に調整することを含む動作周波数の調節は、ノイズを低減するための単純かつ効率的なプロセスを提供する。
【００１４】
一般的に、振動などのノイズを発生させる可能性がある、機械式冷凍機の多くの構成要素が存在する。したがって、駆動されて振動の発生の原因となる可能性がある機械式冷凍機の任意の構成要素の動作周波数は、機械式冷凍機の動作周波数を調節するために調節することができる。しかしながら、通常、機械式冷凍機の動作周波数を調節することは、機械式冷凍機の駆動モータの動作周波数を調節することを含む。
【００１５】
機械式冷凍機内の駆動モータは、振動が発生する基本周波数を規定し、このモータの周波数を調節することによって、機械式冷却器の基本周波数を調整することができる。しかしながら、駆動モータは、機械式冷凍機が達成できる冷却力および最低温度に影響を与えるので、駆動モータの動作周波数を調整することは、従来、望ましくなかった。本出願人は、駆動モータの動作周波数を調節することで、システム内の振動レベルに対する機械式冷凍機の寄与を全体として変更することが可能になり、機械式冷凍機の伝熱能力に悪影響を及ぼす関連の不利益よりも大きな利益をもたらすことを見出している。
【００１６】
駆動モータは任意の形態のモータとすることができるが、通常、駆動モータはステッピングモータである。また、これは３Ｋパルスチューブ冷却器に対しても適用できる。好ましくは、ステッピングモータのステップレートは、制御可能である。ステッピングモータである駆動モータは、モータによって機械式冷凍機に加えられる回転量を制御することを可能にし、制御可能なステッピングモータのステップレートは、回転周波数（モータの駆動周波数に対応する）を変更することを可能にする。
【００１７】
駆動モータは、機械式冷凍機の任意の駆動可能な構成要素を駆動することができる。通常、駆動モータは、機械式冷凍機の動作中に機械式冷凍機のロータリーバルブを駆動する。多くの機械式冷凍機は、冷却メカニズムの重要な部分としてロータリーバルブを使用する。したがって、ロータリーバルブを駆動する駆動モータは、駆動モータの動作周波数の調節をもたらし、機械式冷凍機の動作周波数の調節をもたらす。これは、振動低減機能を、全体としてシステムの構造的共振に結合する機械式冷凍機によって生成された振動の低減に拡張する。これに従って、通常、動作周波数は、使用時にロータリーバルブが回転する周波数である。これは、３Ｋパルスチューブ冷却器に適用できる。
【００１８】
好ましくは、動作周波数は、約１．２０Ｈｚから約１．９０Ｈｚの間とすることができる。さらにより好ましくは、動作周波数は、約１．３０Ｈｚから１．５０Ｈｚの間とすることができる。通常、動作周波数を調節する場合、動作周波数は、これらの周波数範囲のうちの１つの中にある。これは、機械式冷凍機の伝熱能力に対する周波数調節の影響を最小限に抑える。これは、３Ｋパルスチューブ冷却器に適用できる。
【００１９】
機械式冷凍機は、例えば、外部の圧力ポンプおよび／または圧縮システムと共に動作可能なスターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、または希釈冷凍機などの任意の形態の機械式冷凍機とすることができる。しかしながら、通常、機械式冷凍機は、パルスチューブ冷凍機（ＰＴＲ、パルスチューブ冷却器とも呼ばれる）である。高精度の実験および手順では、複数のＰＴＲを使用することがより好ましい。これは、ＰＴＲの唯一の物理的可動部が（内部に含まれる作動流体以外の）ロータリーバルブであるからである。したがって、機械式冷凍機としてＰＴＲを使用すると、ＰＴＲのロータリーバルブの動きによって発生する振動によってノイズの大部分が生じることになるので、ノイズを最小限に抑えることで高品質のデータを生成することができる方法を高感度な環境に適用することができる。ＰＴＲは、３Ｋ  ＰＴＲとすることができる。
【００２０】
希釈冷凍機の一部の具現化は、機械式冷凍機ではないと見なされる場合があるが、希釈冷凍機は、第１の態様で使用することができる上記の機械式冷凍機のリストに含まれる。これは、上述のように、このような冷凍機によって提供される冷却を手助けする機械的構成要素を使用時に希釈冷凍機に結合することができるためである。これは、希釈冷凍機が機械的構成要素を有し、したがって第１の態様に適用可能な機械式冷凍機の意図された意味の範囲に入ることを意味する。さらに、このような希釈冷凍機を備える外部構成要素の使用は、複数のＰＴＲなどの、他の機械式冷凍機のための外部構成要素の使用と類似している。例えば、４Ｋ機械式冷凍機（複数のＰＴＲなど）は、通常、作動流体として4Ｈｅを使用して動作する。また、一部の専門的な複数のＰＴＲは、3Ｈｅを使用して低温を実現するように構成されている（しかし、実用的使用ではなく「研究デモ用モデル」である）。4Ｈｅは、外部圧縮機構成からシステムに供給され、周期的に変動する「高圧」および「低圧」の形態は、冷凍機内の4Ｈｅの運動を促進するために与えられる。類似の方法で、希釈冷凍機は、冷凍機内の3Ｈｅの運動に依存するが、（周期的な変動よりはむしろ）連続流の状態である。多くの場合、外部の「低圧」および「高圧」のポンプ／圧縮システムは、この連続流を促進するために用いられる。3Ｈｅを処理するためのこの外部システムは、例えば、ターボ分子ポンプ（多くの場合、約５００Ｈｚ〜９００Ｈｚの代表的回転周波数を使用する）、ロータリーポンプ（多くの場合、約３０Ｈｚ〜７０Ｈｚの代表的回転周波数を使用する）、および圧縮ポンプ（多くの場合、約３０Ｈｚ〜７０Ｈｚの代表的回転周波数を使用する）で構成することができる。これらの周波数のいずれかは、本明細書に記載の方法で冷却システムの振動モードに結合する可能性があり、その影響は、付属システムの任意の機械式冷凍機と同様の方法で軽減することもできる。例えば、ターボポンプの動作速度を８２０Ｈｚから８１９Ｈｚに調整したとしてもポンプ速度に実際的な影響を与えることはないが、共振周波数（または共振周波数の特定の調波）で動作していないことを保証することができる。したがって、通常、冷却システムで使用できる適切な機械式冷凍機は、上記のパラグラフに記載されている機械式冷凍機だけを含むことができる。
【００２１】
第１の代替案では、動作周波数は、監視された振動に基づいてユーザによって調節することができる。これにより、ユーザは、どれくらい周波数を調節するか、および何の調節を適用するかを選択することができる。
【００２２】
第２の代替案では、動作周波数は、監視された振動に基づいて自動的に調節することができる。これにより、動作周波数は、連続フィードバックに基づいて調節することができる。これにより、振動の監視の間に監視された振動の検出されるべき任意の変動を考慮に入れるために動作周波数を調節することができる。したがって、極低温冷却システム内の変化によって引き起こされた監視された振動の変化に対して周波数調節を動的に適用することができる。
【００２３】
動作周波数の調節は、監視されている機械式冷凍機の変位信号を機械式冷凍機の動作周波数を調節するためのフィードバック信号として使用することができるので、実現可能である。「変位信号」という表現は、振動によって生成されこれにより振動振幅に起因して変位がもたらされる検出信号を意味することを意図している。さらに、「フィードバック信号」という表現は、動作周波数を調節できるようにするために提供されるフィードバックを意味することを意図している。変位信号をフィードバック信号として使用することにより、システムの完全な伝達関数が考慮され、その性能が直接最適化される。
【００２４】
ノイズを引き起こす振動は、振動を監視する任意の既知の方法によって監視することができる。通常、振動は、冷却システムと接触して配置されたプローブによって監視される。これにより、振動が生じる冷却システムと、振動を監視するための全体としてのシステムとの間の直接的な相互作用が可能になる。
【００２５】
プローブは、振動を監視することができる任意の種類のセンサとすることができる。しかし、通常、プローブは加速度計である。加速度計を使用することは、受振器または光学センサなどの他の変位センサを使用するよりも簡単である。これは、加速度計を使用することが容易であり、他のセンサよりも堅牢であることに加えて、室温および極低温の真空下での使用に適していることが分かっていためである。
【００２６】
プローブは、フレームなどの冷却システムの何らかの部分と接触して、またはサンプルと接触して配置することができる。通常、プローブは、冷却システムが備える低温保持装置と接触して配置される。これにより、プローブを低温保持装置の外側に配置することができ、極低温または温度サイクルに耐え得る必要がないことを意味する。これにより、プローブは、ほとんどの振動を検出することができる冷却システムの最大の構成要素と接触して配置することもできる。
【００２７】
もしくは、振動は、冷却システムの冷却標的と接触して配置されたプローブによって監視することができる。これにより、ユーザの実験装置などのユーザ機器が振動に敏感な場合、冷却システム内で適用される任意の冷却の対象となる追加のユーザ機器を監視することが可能となる。これにより、機器に関する条件をさらに最適化するために、動作周波数を調節する際にこのような感度を考慮することが可能となる。
【００２８】
通常、動作周波数は、機械式冷凍機の動作周波数の少なくとも１つの調波を、冷却システムおよびシステム全体としての構造的共振から実質的に分離するように調節することができる。機械式冷凍機の動作周波数の調波が、極低温冷却システムの構造的共振の周波数と同じ周波数をもつ場合、調波および構造的共振が結合する。これにより、結合された調波によって駆動された構造的共振に起因して、冷却システム内で増幅された振動が引き起こされる。この増幅された振幅は、測定回路内でノイズを発生させる可能性のあるマイクロフォニック雑音を介して電気測定ラインに結合する可能性がある。少なくとも１つの調波と構造的共振を分離すると増幅が低減し、したがってノイズが低減する。
【００２９】
好ましくは、動作周波数の少なくとも１つの調波および冷却システムの構造的共振は、機械式冷凍機の動作周波数を調整することによって実質的に分離することができる。機械式冷凍機の動作周波数を調整することにより、調波と構造的共振との間の周波数の差が大きくなり、調波と構造的共振を分離することができる。上記のように、このことは、調波と構造的共振の一致に起因して生成された任意の振動振幅を低減する。
【００３０】
機械式冷凍機の動作周波数の調整は、構造的共振または調和ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）分析に基づいてピーク振幅を監視するか、またはピークの特定の間隔又は分離を監視することによって実現することができる。通常、動作周波数は、共振および／または調波のピークが最小になる周波数を特定してその周波数を選択するために、周波数の範囲全体にわたって調整される。これは、例えば、周波数の範囲全体にわたって振動の出力を監視して振動が最小になるときを特定することによる、振動の振幅を監視することによって実現することができる。ユーザの機器が振動に敏感な場合、測定データの構造的データに対応するピークを監視することも可能であろう。
【００３１】
好ましくは、動作周波数は、少なくとも０．０１Ｈｚの単位で調整することができる。これにより、調波と構造的共振の適切な分離度を実現できることが分かっている。
【００３２】
本発明の第２の態様によれば、極低温冷却システム内の振動を監視するために使用するために構成された振動検出器と、冷却システムの一部を形成する機械式冷凍機の動作周波数を制御するように構成されたコントローラとを備える周波数調整器が提供され、動作周波数は、振動の振幅を低減するために、振動検出器によって監視された振動に基づいてコントローラを使用して調節される。
【００３３】
好ましくは、周波数調整器は、第１の態様による方法を実行するように構成される。
【００３４】
本発明の第３の態様によれば、低温保持装置と、低温保持装置に結合された機械式冷凍機と、低温保持装置内の振動を監視し、機械式冷凍機の動作周波数を調節するために使用されるように構成された、第２の態様による周波数調整器と、を備える、極低温冷却システムが提供される。
【００３５】
ノイズ低減方法および対応する周波数調整器および極低温冷却システムの例は、添付図面を参照して、以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】例示的なノイズ低減方法の流れ図を示す。
【図２】例示的な極低温冷却システムの概略図を示す。
【図３】パルスチューブ冷凍機のロータリーバルブの周波数に対する例示的なパルスチューブ冷凍機の動作温度のプロットを示す。
【図４】パルスチューブ冷凍機が作動している場合およびパルスチューブ冷凍機が作動していない場合の例示的な極低温冷却システム内の周波数スペクトル全体にわたる振動の比較プロットを示す。
【図５】種々のパルスチューブ冷凍機の動作周波数での周波数スペクトル全体にわたる振動振幅を比較したプロットを示す。
【図６】極低温冷却システムの質量が変更された場合の、例示的な冷却システムの周波数スペクトル全体にわたる振動の比較プロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
ここで、ノイズ低減方法の例を、例示的な周波数調整器を含む例示的な極低温冷却システムの説明と併せて説明する。
【００３８】
ここで図１および図２を参照すると、第１の例示的なノイズ低減方法のプロセスが図１の１で概して示され、例示的な極低温冷却システムが図２の１０で概して示される。
【００３９】
極低温冷却システム１０において、パルスチューブ冷凍機（ＰＴＲ）１２は、低温保持装置１４に結合される。低温保持装置は、通常、支持フレーム（図示せず）に取り付けられる。加速度計１６は、低温保持装置と接触しかつコントローラ１８に接続されており、加速度計はコントローラ１８にデータを出力する。加速度計およびコントローラは、周波数調整器を構成する。
【００４０】
ステップ１０１において、ＰＴＲ１２は、第１の動作周波数で動作する。これは、ＰＴＲ内のロータリーバルブ（図示せず）を第１の動作周波数で動作させることによって実現される。さらに、ＰＴＲは、通常、ＰＴＲと結合した外部構成要素を有する。このような構成要素の例は、高圧と低圧を周期的に変動させてＰＴＲ内の4Ｈｅ作動流体の運動を促進するために使用される外部圧縮機である。外部構成要素の別の例は、ポンプまたはポンプ送給システムである。ＰＴＲ（または任意の他の例の他の機械式冷凍機）に結合された外部構成要素は、通常、動作時に振動し、従って、ＰＴＲに結合するのでＰＴＲの動作周波数の一因となる。
【００４１】
ＰＴＲ１２は、低温保持装置１４内の冷却標的（図示せず）を約３．５Ｋから４．０Ｋの動作温度に冷却するように動作する。冷却標的が動作温度に達すると、ステップ１０２において、低温保持装置内の振動を監視する。これは、低温保持装置と接触する加速度計１６を使用して実現される。これにより、低温保持装置内の変位を引き起こす振動を周波数スペクトル全体にわたって観察することができる。
【００４２】
冷却標的は、希釈冷凍機、3Ｈｅ回路または4Ｈｅ回路などの別の冷却段（図示せず）とすることができる。これらは、約０．０１Ｋのような低温までのさらなる冷却を可能にする。これらの別の冷却段によって引き起こされる振動は、ＰＴＲ１２または別の機械式冷凍機によって引き起こされる振動よりも非常に小さい。当然ながら、そのような別の冷却段のシステムでの振動の任意の影響を監視して考慮することもできるであろう。
【００４３】
上記のように、ＰＴＲ１２は、第１の動作周波数を有する。ＰＴＲの低温保持装置１４への結合に起因して、この周波数でのＰＴＲの動作は、ロータリーバルブの動作によって引き起こされるＰＴＲの機械的な動きに起因して、この周波数での低温保持装置内の一次振動を引き起こす。第１の動作周波数に直接起因するＰＴＲによって引き起こされる一次振動に加えて、二次振動は、低温保持装置内で引き起こされる。二次振動のそれぞれは、第１の動作周波数の調波によって引き起こされる、第１の動作周波数よりも高い周波数での振動である。調波の一部は、ロータリーバルブの動作によって発生したＰＴＲの周期的な機械的振動が正弦関数ではない理由から発生する。
【００４４】
加えて、低温保持装置１４は、低温保持装置の固有周波数振動に起因するそれ自身の構造的共振を有する。これは、少なくとも部分的には、極低温冷却システムおよび低温保持装置を含むその様々な構成要素の通常振動モードに起因する。振動はディスプレイ（図示せず）に出力することができる。構造的共振がＰＴＲの動作周波数の調波と一致するか、またはそれに近い場合、共振と調波が結合する。結合は、低温保持装置内で、非結合の場合に共振または調波の各々によって引き起こされるであろうそれぞれの独立した振動の振幅よりも大きな振幅の振動を引き起こす。
【００４５】
加速度計１６からの出力は、周波数スペクトル上の調波および構造的共振によって生じる振動の測定値を示す。出力される測定値は、周波数範囲内のそれぞれの周波数での振動の大きさである。加速度計からの出力に基づいて、ステップ１０３において、ＰＴＲ１２の第１の動作周波数は、第１の動作周波数を第２の動作周波数に調整することによって調節される。これは、ＰＴＲ１２の動作周波数を変更させるコントローラ１８によって実現される。加えて、ＰＴＲに結合された外部構成要素がＰＴＲの動作周波数の一部として考慮される例では、調節をこれらの構成要素に適用して、これらが引き起こす振動の周波数を調整し、結果的に動作周波数に対するこれらの寄与を調節することもできる。これは、代替的な機械式冷凍機を使用した例にも適用される。
【００４６】
ＰＴＲ１２の動作周波数を変更することで、調波の周波数が変化する。約０．１Ｈｚから０．５Ｈｚの変化のような小さな変化であっても、動作周波数の任意の調波が低温保持装置１４の構造的共振と結合する範囲を制限するには十分である。これにより、低温保持装置内の振動の総量が減少し、その結果、冷却標的での任意のサンプルが受けるノイズが低減する。ＰＴＲの動作周波数を調節する際に振動レベルの増大を防ぐために、第２の動作周波数によって引き起こされる振動は、第１の動作周波数によって引き起こされる振動と同じ方法で監視することができる。振動が第２の動作周波数によって増大した場合、周波数をさらに調整することができる。しかしながら、動作周波数を調整しながら加速度計１６の出力を評価することにより、第１の動作周波数から第２の動作周波数への変化の振動への影響を予測することができるので、これはおそらく不要であろう。
【００４７】
ＰＴＲ１２の動作周波数を調節する際に他の要因を考慮する必要もある。このような要因の１つは、ＰＴＲの伝熱能力である。上記のように、複数のＰＴＲは、通常、約１．４０Ｈｚの動作周波数を有する。これは、この動作周波数付近で最低の動作温度と最大の冷却力を実現できるためである。しかしながら、本出願人は、約１．２０Ｈｚから約１．９０ＨｚのＰＴＲ動作周波数を使用して、実現できる最低温度に著し有害作用を与えることなくＰＴＲを駆動できることを見出している。このことは、ロータリーバルブの周波数と比較したＰＴＲの最低温部の温度プロットを示す図３から分かる。
【００４８】
図３から、１．２０Ｈｚにおいて、ＰＴＲヘッド温度は、約３．８Ｋであり（図３の直線３０で示されている）、１．４０Ｈｚにおいては、ＰＴＲヘッド温度は、約３．６Ｋであり（図３の直線３２で示されている）、１．９０Ｈｚにおいて、ＰＴＲヘッド温度は、約３．８Ｋ（この場合もやはり図３の直線３０で示されている）であることが分かる。これらは、この周波数範囲内の最大および最小温度値である。したがって、ＰＴＲは、１．４０Ｈｚ以外の周波数で動作しながら、依然として４．０Ｋ未満の温度に冷却を行うことができる。１．２０Ｈｚから１．９０Ｈｚよりもさらに制限された範囲にわたる動作周波数を選択すると、ＰＴＲヘッド温度の範囲が制限される。図３から分かるように、例えば、１．３０Ｈｚから１．５０Ｈｚの動作周波数範囲では、温度範囲は０．１Ｋ未満である。
【００４９】
しかしながら、１．２０Ｈｚから１．９０Ｈｚの周波数範囲の外側では、ＰＴＲヘッドの温度が大幅に上昇する。これは、１．２０Ｈｚの周波数未満では、ＰＴＲヘッド温度が１．００Ｈｚの周波数で約７．６Ｋに上昇することを示す図３から分かる。２．００Ｈｚの周波数では、ＰＴＲヘッドの温度上昇は、有意ではない。しかしながら、ＰＴＲヘッド温度が依然として上昇しており、図３内に示されていないが、周波数が上昇するにつれて温度も上昇し続ける。
【００５０】
低温保持装置に結合されたＰＴＲ１２の動作時の低温保持装置１４内の振動への影響は、図４で示される。図４は、ＰＴＲが動作していない場合の加速度計１６の出力と、ＰＴＲが１．４０Ｈｚの動作周波数で動作している場合の加速度計の出力を比較する２つのプロットを示す。
【００５１】
各プロットは、プロットを生成するのに使用した低温保持装置が約８．００Ｈｚおよび約１３．００Ｈｚで構造的共振を有することを示す。これは、各プロット内のこれらの周波数の各々に示されたそれぞれのピークによって示される。構造的共振におけるピークは、ＰＴＲが動作していない場合の加速度計１６の出力を示すプロット上の主要な特徴であるが、ＰＴＲが動作している場合の加速度計の出力を示すプロットは、さらなるピークを示す。これらのピークは、図３に示す周波数スペクトル全体にわたって一定の間隔で示される。これらの一定の間隔でのピークは、ＰＴＲの動作周波数および動作周波数の各倍数における動作周波数調波でＰＴＲによって引き起こされる振動を表す。さらに、このプロットから、それぞれの調波が約８．００Ｈｚおよび約１３．００Ｈｚでそれぞれの構造的共振と一致し、それぞれの調波およびそれぞれの構造的共振を結合させることが分かる。
【００５２】
直線４０で示されるように、ＰＴＲ１２が動作していない場合の約８．００Ｈｚでのピークは、この周波数での振動が約１００ナノメートル（ｎｍ）の変位を引き起こすことを示す。ＰＴＲ１２が動作していない場合の約１３．００Ｈｚでのピークは、直線４２で示されるように、この周波数での振動が約４０ｎｍの変位を生じることを示す。比較すると、ＰＴＲが動作している場合の加速度計の出力のプロットは、約８．００Ｈｚでのピーク及び約１３．００Ｈｚでのピークが、それぞれの調波とそれぞれの構造的共振の結合に起因して、それぞれ少なくとも３００ｎｍの変位振幅を有していることを示す。これは、図４の直線４４で示される。これらの測定は、システムのトッププレートの外側に配置された加速度計を使用して行い、したがって冷却領域および真空適用環境では行わなかった。
【００５３】
約１３．００Ｈｚでの構造的共振に関して、約４０ｎｍから少なくとも３００ｎｍへの変位振幅の増加は、少なくとも７５０パーセント（％）の増加である。一方で小さいが、約８．００Ｈｚでの１００ｎｍから少なくとも３００ｎｍへの構造的共振の変位振幅の増加は、少なくとも３００％の増加である。上記に示したように、変位振幅でのこれらの増加の理由は、ＰＴＲ動作周波数の調波が低温保持装置の構造的共振と結合するためである。このことは、ＰＴＲが動作している場合に低温保持装置内に存在する他の振動と比べて、低温保持装置内で高振幅の振動につながる。本出願人は、これらの振動が、低温保持装置で行われる実験または手順から出力されるデータにノイズをもたらし、高感度の実験および手順に著しく影響を与えることを見出している。
【００５４】
低温保持装置内で構造的共振へのＰＴＲ動作周波数の調波の結合によって引き起こされる低温保持装置内の動きによって影響を受けることになる構成の例は、超伝導磁石を使用するものである。このような構成は、発生した磁場に対してもたらされるサンプルの変位に起因して、動きがサンプル内に渦電流を誘発させるので、影響を受ける。次にこれらはサンプルの加熱をもたらし、これは行い得る測定に影響を与える。振動に敏感な構成の別の例は、サンプルの自由空間光学測定である。このような状況では、サンプルの外部で光学的測定を実行するために使用される光源または検出器は、サンプルに対して適切な位置に固定されないので、外部の光源または検出器に対するサンプルの動きは、収集されるデータに影響を与えることになる。したがって、振動によって引き起こされるこのような動きを最小限に抑えることが、収集されたデータの品質を高めることになる。
【００５５】
振動の大きさを低減するために、構造的共振がＰＴＲ動作周波数の調波ともはや一致しないように、極低温冷却システムを「デチューン」する必要がある。これにより、調波および構造的共振の分離が生じ、構造的共振および調波によって引き起こされる振動の増幅が減少する。
【００５６】
これは、ＰＴＲの動作周波数を調整することで実現することができる。これにより、製造および設置中におおよそのデチューンを適用でき、その後、ユーザが低温保持装置に必要なものを追加した時点で必要と見なした場合は、より正確なデチューンを行うことができる。これは、低温保持装置に結合されたＰＴＲの動作周波数を調節するようにプログラム可能なコントローラ１８によって実現される。
【００５７】
ＰＴＲの動作周波数を調節することにより、最適な動作周波数を選択することができる。これの説明は図５に見ることができる。これは、約１．４３Ｈｚから約１．５２Ｈｚまでの複数のＰＴＲ動作周波数にわたり、約１９．００Ｈｚで構造的共振を有する低温保持装置での振動振幅のプロットを示す。これらは、ＰＴＲ動作周波数の１２次、１３次、および１４次調波によって引き起こされる振動と、約１９．００Ｈｚの構造的共振で生じる振動へのそれらの影響を示す。
【００５８】
図５において、ＰＴＲ動作周波数の調波は、文字「ｎ」で示される。この図は、１３次調波と低温保持装置の構造的共振との間の最大の結合が約１．４７Ｈｚの動作周波数で発生することを示す。この結合によって生じる振動は、ＰＴＲの動作周波数が約１．４３Ｈｚおよび約１．５１Ｈｚのときの約２００ｎｍの変位と比較して、９００ｎｍを超える変位を生じさせる。上記のように、これらの測定値を収集するために使用される加速度計は、システムのトッププレートの外側上に設置され、従って冷却された環境または真空が適用された環境には設置されていない。
【００５９】
また、図５は、約０．０１Ｈｚの動作周波数での変化も大きな影響を与える可能性があることを示す。これは、約１．４６ＨｚのＰＴＲ動作周波数に関するプロットのピークを約１．４７ＨｚのＰＴＲ動作周波数に関するプロットのピークと比較することで確認することができる。約１．４６Ｈｚの動作周波数では、最大振幅の振動は、動作周波数が約１．４７Ｈｚのときに生じる最大振幅の振動よりも約５００ｎｍだけ小さくなる。
【００６０】
ＰＴＲの動作周波数の調整に加えて、構造的共振から調波のさらなる分離を実現する方法を適用することができる。この追加の方法は、構造的共振の周波数に影響を与えるために、極低温冷却システムの質量を変更することである。
【００６１】
図６は、この方法が適用された低温保持装置における振動への影響を示す。図６の上半分のプロットは、ＰＴＲが結合され、約１．４０Ｈｚの周波数で動作する低温保持装置に取り付けられた加速度計の出力を示す。この例で使用した低温保持装置では、約８．６０Ｈｚの共振が存在する。図６の上部のプロットでは、約８．６０Ｈｚの共振が、ＰＴＲ動作周波数の調波の１つに結合され、（ＰＴＲ動作周波数のそれぞれは、図で示される周波数の分布全体にわたって一定の間隔でピークによって再び表わされる）、ＰＴＲ動作周波数が増幅されていることが分かる。
【００６２】
図６に示す下部のプロットは、同じ周波数で動作する同じＰＴＲと同じ低温保持装置の加速度計の出力を示す。しかしながら、このプロットでは、構造的共振が約７．６０Ｈｚに変化しており、ＰＴＲ動作周波数の調波ともはや結合していないことを意味する。これを実現するために、約１００キログラム（ｋｇ）の質量が低温保持装置に取り付けられ、低温保持装置の振動の振幅の減少がもたらされている。
【００６３】
この方法は、振動の振幅の低減を実現するものであるが、本出願人は、ＰＴＲの動作周波数を調整することが、この追加の方法を使用して実現する可能性よりも高い柔軟性をもたらすことを見出している。これは、個々の低温保持装置が、低温保持装置がどのように構成されるかによって並びに構成要素の配置および質量によって決定されるそれ自体の固有の構造的共振を有し、システム間で（たとえほんの少しでも）変わるためである。加えて、サンプルなどの実験または手順のために低温保持装置に追加されるものは、低温保持装置に追加されたものに相当する質量に起因して、構造的共振の周波数を変更する。製造時または設置時に、ユーザが低温保持装置を使用する際に低温保持装置に何を追加するかが正確に分からないので、低温保持装置の質量を変更して低温保持装置を正確にデチューンすることはできず、低温保持装置の質量を変更することによって適用された任意の追加のデチューンは、一旦、低温保持装置がユーザが望むように調整されると、意図されるよりも劣った影響を与える可能性がある。
【００６４】
ノイズ低減方法の例および周波数調整器の例に戻ると、動作周波数の調節を実現するために使用することができる２つの手順が存在する。第１の手順は、ユーザが加速度計の出力を評価するためのものである。次に、周波数調整器のコントローラを使用して、加速度計が取り付けられている低温保持装置に結合されたＰＴＲの動作周波数を、加速度計の出力に基づいて適切な周波数に調整する。これは、ＰＴＲのロータリーバルブを回転させるステッピングモータ（図示せず）に接続されたコントローラ上のダイヤルまたはユーザインターフェース（図示せず）を使用して、コントローラからの対応する信号に応答して回転速度を調整することによって実現される。
【００６５】
第２の手順は、ユーザの代わりにソフトウェアがＰＴＲの動作周波数を調節するために使用される自動化された手順である。この手順では、加速度計の出力は、周波数調整器のコントローラが保持するソフトウェアを使用して分析される。これによって、周波数スペクトルにわたって振動によって引き起こされるピークを識別し、高速フーリエ変換などの周波数走査およびスペクトル解析法を使用して、ＰＴＲの動作周波数を最低周波数に又は振動の最低レベルまで調整する。もちろん、いくつかの例では、ユーザは、必要に応じてソフトウェアをオーバーライドしてＰＴＲ用の代替動作周波数を選択することができる。
【００６６】
振動に対して特に敏感であると考えられる、またはより非常に重要な低温保持装置の部分がある場合、加速度計は、ユーザが低温保持装置のその部分に関する振動を低減することに全力を注ぐことができるように、その部分に配置することができる。
【００６７】
いくつかの例では、例えば圧力ポンプおよび／または圧縮システムで動作可能なギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機、スターリング冷却器、または希釈冷凍機は、ＰＴＲの代わりに（またはそれに加えて）使用される。ＧＭ冷凍機では、発生する振動を低減するために、ロータリーバルブの動作周波数が調節され、スターリング冷却器では、ピストンの動作周波数が同じ理由で調節され、希釈冷凍機では、希釈冷凍機に結合され、その動作を助けるために希釈冷凍機で使用される圧力ポンプおよび／または圧縮システムの動作周波数が同じ理由で調節される。
【００６８】
上述の動作周波数に加えて、本明細書で説明されている例で使用される３Ｋ機械式冷凍機、最も「高出力の」冷凍機（換言すると、３Ｋと同じくらいに低い温度、またはより低い温度にするために、および／または、高いと考えられている冷却能力を用いて冷却することができると考えられるもの）のすべては、約１Ｈｚから２Ｈｚの動作周波数を有する。一部の特殊な３Ｋ冷却器（例えば、宇宙用途に使用される）は、通常、数十ヘルツ、又は数百ヘルツのより高い周波数で動作する。
【符号の説明】
【００６９】
１０  極低温冷却システム
１２  パルスチューブ冷凍機
１４  低温保持装置
１６  加速度計
１８  コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2021534364.tif 000010