零下273.14度穩(wěn)定運(yùn)行！無液氦稀釋制冷機(jī)卡脖子技術(shù)突破

　　2023年3月28日，中國科學(xué)院物理研究所承擔(dān)的北京市科技計(jì)劃課題“400微瓦無液氦稀釋制冷機(jī)研制”順利通過了第三方技術(shù)測試。該無液氦稀釋制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行最低溫度已達(dá)到7.6mK，制冷功率達(dá)到450μW@100mK，兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了國外主流中型商業(yè)稀釋制冷機(jī)的水平。（來源于中科院物理研究所）

　　▲ 新一代無液氦稀釋制冷工程樣機(jī)（圖片來源于中科院物理研究所）

　　▲ 工程樣機(jī)長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行在10mK以下最低溫度低于7.6mK（圖片來源于中科院物理研究所）

　　▲ 制冷功率測試曲線

　　99.8mK制冷功率達(dá)到450微瓦

　?。▓D片來源于中科院物理研究所）

　　什么是稀釋制冷機(jī) 

　　在了解稀釋制冷機(jī)之前，我們先要知道國際溫標(biāo)的單位“K”。

　　在生活中我們是以℃為單位的，兩者的換算關(guān)系為：℃=K-273.15，如氣溫30℃即是303.15K。熱力學(xué)第三定律指出，宇宙所能達(dá)到的最低溫度只能無限接近于絕對零度（0K，即-273.15℃），絕對零度只是一個(gè)理論值。

　　我們生活中所需的低溫環(huán)境，用冰箱、液氮就可以獲得。氮?dú)獾囊夯瘻囟葹?0K，所以要獲得低于70K的溫度，氮?dú)饩筒荒艹洚?dāng)工質(zhì)了，需要用氦氣來替代。而要想獲得液氦溫區(qū)（4K以下）的低溫，則需要采用節(jié)流、減壓降溫等技術(shù)，1K以下的極低溫需要吸附制冷技術(shù)。要獲得趨近于絕對零度的極低溫（100mK以下，1mK=0.001K），稀釋制冷機(jī)就要登場了。

　　▲ 牛津儀器發(fā)布的無液氦稀釋制冷機(jī)

　　稀釋制冷機(jī)是一種超低溫冷卻系統(tǒng)，它為極端環(huán)境的物理實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的支撐，廣泛應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、量子計(jì)算、納米材料和天文觀測等多個(gè)研究領(lǐng)域。

　　尤其在量子計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)，稀釋制冷機(jī)被諸多技術(shù)路線使用，它是滿足基于超導(dǎo)、半導(dǎo)體、拓?fù)洹㈦x子阱等對低溫環(huán)境有要求的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)行需求的關(guān)鍵元素。

　　▲ 位于稀釋制冷機(jī)內(nèi)部的量子處理器

　　稀釋制冷機(jī)工作原理 

　　在極低溫度下，液氦具有很多量子特性，例如超流動(dòng)性和極高的熱導(dǎo)率。3He/4He混合液在一定條件下會(huì)發(fā)生分相，根據(jù)這一現(xiàn)象科學(xué)家提出了分相制冷原理。

　　稀釋制冷機(jī)的工作原理是以3He/4He溶液的相圖為基礎(chǔ)的。以一定比例混合的3He/4He氣體經(jīng)過預(yù)冷后，4He氣體首先液化，在溫度低于3.19K時(shí)3He也被液化，進(jìn)一步降溫至2.17K后出現(xiàn)超流態(tài)液氦。

　　▲ 3He/4He溶液相圖：X為3He的濃度

　　稀釋相的濃度為X1，濃縮相的濃度為X2

　　當(dāng)溫度低于臨界溫度0.87K時(shí)，3He/4He的混合液將出現(xiàn)分相，類似于水油分層。密度較小的3He濃縮相會(huì)浮在上層，密度相對較大的3He稀釋相會(huì)沉到下層。稀釋制冷機(jī)的工作溫度即在兩相混合區(qū)。

　　▲ 稀釋制冷原理示意圖

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　　稀釋制冷機(jī)的核心部分主要由蒸餾室、連續(xù)換熱器、中間冷板、銀粉燒結(jié)換熱器、混合室、真空腔抽吸循環(huán)氣體處理系統(tǒng)等組成。

　　在真空泵組的作用下，大量3He將被抽走。在滲透壓的作用下，為了維持3He的濃度平衡，混合室中的3He原子不斷進(jìn)入蒸餾室，進(jìn)一步破壞了兩相分界面之間的動(dòng)態(tài)平衡。為了維持平衡，3He原子從周圍環(huán)境中吸收熱量，從濃縮相進(jìn)入到稀釋相，完成吸熱降溫的目的。被蒸餾室上面的真空泵抽走的3He氣體在過濾液氮阱中凈化或增壓再送回到稀釋制冷機(jī)中，通過換熱器的降溫又補(bǔ)充入混合室上面3He濃縮相中。3He蒸氣在蒸餾室上面不斷被抽走，經(jīng)過換熱冷卻被送回混合室，之后越過兩相界面進(jìn)入稀釋相，并在滲透壓的作用下回流到蒸餾室的底部液體中，至此完成整個(gè)稀釋制冷機(jī)的工作循環(huán)。

　　▲ 稀釋制冷機(jī)原理圖

　　箭頭方向表示3He流動(dòng)方向

　　稀釋制冷機(jī)主要分為兩種類型：干式稀釋制冷機(jī)和濕式稀釋制冷機(jī)。兩者在液氦溫區(qū)以下的制冷原理都是一樣的，即是上述的分相制冷原理。

　　而從室溫冷卻到液氦溫區(qū)這一過程，兩者有所不同。濕式是利用液氮及液氦來提供預(yù)冷，干式則是利用機(jī)械制冷機(jī)，主要是脈沖管制冷機(jī)來提供預(yù)冷。由中國科學(xué)院物理研究所研制的無液氦稀釋制冷機(jī)即是干式稀釋制冷機(jī)。

　　由于氦氣在地球的資源很少，基本上存在于天然放射性核礦的氦氣田里，在天然氣中能夠提取氦氣，全球產(chǎn)量也就是23噸液氦，所以顯得特別珍貴。無液氦稀釋制冷機(jī)因?yàn)椴幌拇罅恳汉?，因此在?jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性上更具優(yōu)勢，目前已成為市場主流。

　　“有別于傳統(tǒng)的依賴液氦輔助降溫的濕式稀釋制冷機(jī)，無液氦稀釋制冷機(jī)無需液氦供應(yīng)，樣品空間大，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長且運(yùn)維方便，在最近十年迅速普及并成為市場主流。”——中國科學(xué)院物理研究所副研究員姬忠慶

　　中國的稀釋制冷機(jī) 

　　早在世紀(jì)70年代，中國科學(xué)院物理研究所就研制成功了我國第一臺濕式稀釋制冷機(jī)，實(shí)現(xiàn)了33mK的極低溫，也就是-273.116℃。

　　2021年6月，中國科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)研制出了國產(chǎn)無液氦稀釋制冷原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了10mK以下的極低溫。

　　▲ 我國無液氦稀釋制冷原型機(jī)

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　　又經(jīng)過一年多時(shí)間的工藝優(yōu)化和固化，中國科學(xué)院物理研究所姬忠慶研究員團(tuán)隊(duì)依托綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施研制的新一代無液氦稀釋制冷機(jī)工程樣機(jī)在性能指標(biāo)和使用性上達(dá)到了國際主流中型商業(yè)產(chǎn)品的水平，可以滿足包括量子計(jì)算在內(nèi)的量子科學(xué)和技術(shù)研究的需求。

　　近年來，美國大量限制在人工智能、量子計(jì)算、生物技術(shù)和無人機(jī)等領(lǐng)域?qū)χ袊某隹?。作為?gòu)建量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件，稀釋制冷機(jī)同樣也受到了影響。在國產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)研制之前，該儀器完全依賴進(jìn)口，是亟待攻破的關(guān)鍵核心技術(shù)。如今新一代國產(chǎn)無液氦稀釋制冷機(jī)已達(dá)到國際主流商業(yè)機(jī)水平，該技術(shù)的突破對于解決我國量子計(jì)算“卡脖子”問題又向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。