低温冷冻机

2023年3月28日，由中国科学院物理研究所承担的北京市科技计划项目“400 MW无液氦稀释制冷机的研制”顺利通过第三方技术测试。无液体氦稀释制冷机实现了长期连续稳定运行。最低温度达到7.6mK，制冷功率达到450μW@100mK，均达到国外主流中型商用稀释冰箱水平。（来自中国科学院物理研究所）

【/br/]▲无需液氦稀释的新一代制冷工程样机。

（图片来自中国科学院物理研究所）

▲工程样机在10mK以下长期稳定运行。

最低气温低于7.6 MK。

（图片来自中国科学院物理研究所）

▲制冷功率测试曲线

99.8mK制冷功率达到450 MW。

（图片来自中国科学院物理研究所）

什么是稀释冰箱？

在了解稀释冰箱之前，我们需要知道国际温标的单位“K”。

我们在生活中以℃为单位，它们之间的换算关系为:℃=K-273.15例如30℃的温度为303.15K .热力学第三定律指出宇宙所能达到的最低温度只能无限接近绝对零度（0K，即-273.15℃），绝对零度只是一个理论值。

我们生活中需要的低温环境可以通过使用冰箱和液氮来获得。氮气的液化温度为70K，因此要获得低于70K的温度，不能使用氮气作为工作介质，而应该使用氦气。为了获得液氦的低温（4K以下），需要节流和减压等技术，1 K以下的极低温需要吸附制冷技术。为了获得接近绝对零度的极低温（100mK以下，1mK = 0.001K），稀释制冷机将登场。

▲牛津仪器发布的无液体氦稀释制冷机。

稀释制冷机是一种超低温冷却系统，为极端环境下的物理实验研究提供了可靠支撑，在凝聚态物理、量子计算、纳米材料和天文观测等领域得到广泛应用。

特别是在量子计算领域，稀释制冷机被许多技术路线所采用，是满足基于超导、半导体、拓扑、离子阱等量子计算机运行要求的关键元件。

▲位于稀释冰箱内部的量子处理器。

稀释冰箱的工作原理

在极低温下，液氦具有超流性和极高的热导率等多种量子特性。在某些条件下，3He/4He混合物将发生相分离。根据这一现象，科学家提出了分相制冷原理。

稀释制冷机的工作原理是基于3He/4He溶液的相图。将按一定比例混合的3He/4He气体预冷后，4He气体首先液化，当温度低于3.19K时3He液化，进一步冷却到2.17K时出现超流液氦..

▲3He/4He溶液相图:X为3He的浓度。

稀释相的浓度为X1，浓缩相为X2。

当温度低于临界温度0.87K时，3He/4He混合物将被分离，这类似于水油分离。密度低的3He浓相浮在上层，密度相对较高的3He稀相沉在下层。稀释冰箱的工作温度在两相混合区。

▲稀释制冷原理示意图

（来自:量子比特）

稀释制冷机的核心部分主要由蒸馏室、连续换热器、中间冷板、银粉烧结换热器、混合室、真空空空腔抽气循环气体处理系统等组成。

在true空泵组的作用下，将泵走大量3He。在渗透压的作用下，为了维持3He的浓度平衡，混合室中的3He原子继续进入蒸馏室，这进一步破坏了两相界面之间的动态平衡。为了维持平衡，3He原子从周围环境中吸收热量，从浓相进入稀相，从而完成吸热降温的目的。由蒸馏室上方的真空空泵泵送的3He气体在过滤的液氮阱中净化或加压，然后送回稀释冰箱，然后由热交换器冷却并补充到混合室上方的3He浓缩相中。3He蒸气从蒸馏室顶部连续抽走，经热交换和冷却后送回混合室，然后穿过两相界面进入稀释相，并在渗透压的作用下流回蒸馏室底部液体，从而完成整个稀释制冷机的工作循环。

▲稀释冰箱示意图

箭头方向表示3He流向。

稀释冰箱主要分为两种类型:干式稀释冰箱和湿式稀释冰箱。两者在液氦温区以下的制冷原理是相同的，即上述的分相制冷原理。

但是，从室温冷却到液氦温区的过程是不同的。湿式使用液氮和液氦提供预冷，干式使用机械制冷机，主要是脉管制冷机提供预冷。中国科学院物理研究所研制的无液氦稀释制冷机是一种干式稀释制冷机。

氦在地球上非常稀有，基本存在于天然放射性核矿的氦场中。氦气可以从天然气中提取，全球产量为23吨液氦，因此尤为珍贵。无液氦稀释冰箱由于不消耗大量液氦，在经济性和可维护性方面更具优势，目前已成为市场主流。

“与传统依靠液氦辅助制冷的湿式稀释冰箱不同，无液氦稀释冰箱无需液氦供应，样品空间大空，连续运行时间长，操作维护方便。在过去十年中，它迅速普及并成为市场的主流。”——中国科学院物理研究所副研究员季忠清

中国的稀释冰箱

早在上世纪70年代，中国科学院物理研究所就成功研制了我国第一台湿式稀释制冷机，实现了33mK的极低温，即-273.116℃。

2021年6月，中国科学院物理研究所团队研制出国内无液氦稀释制冷样机，实现了10mK以下的极低温。

▲中国无液氦稀释制冷样机

（来源:央视网）

中国科学院物理研究所季忠清研究员团队经过一年多的工艺优化和固化，基于综合极端条件实验装置研制出新一代无液氦稀释制冷机工程样机，性能指标和可用性达到国际主流中型商用产品水平，可满足包括量子计算在内的量子科技研究需求。

近年来，美国在人工智能、量子计算、生物技术和无人机等领域大幅限制对华出口。作为构建量子计算机的关键部件，稀释制冷机也受到影响。在国产无液氦稀释制冷机研制之前，仪器完全依赖进口，这是亟待突破的关键核心技术。如今，新一代国产无液氦稀释制冷机已达到国际主流商用机水平，该技术的突破为解决我国量子计算“瓶颈”问题迈出了坚实一步。

微信搜索关注微信官方账号:iVacuum True空关注获取更多真实空科技前沿资讯。IVacuum Zhen空Focus由Zhen空杂志主办，致力于报道国内外Zhen空采集和应用领域的最新科技进展、成功经验和案例。欢迎行业交流/求报道。