稀釋製冷機
一種高端科研儀器
稀釋製冷機(dilutionrefrigerator)1951年H.London提出可以用超流4He稀釋3He的方法製冷的理論。到1965年P.Das等人根據這一理論製成了3He-4He稀釋製冷機,已達到1.8mK的低溫。它可以長時間地維持毫K範圍的溫度,有較大的冷卻能力,已成為獲得毫K溫度的最重要的手段和設備。
2021年7月12日,記者從中國科學院物理研究所獲悉,該所自主研發的無液氦稀釋製冷機成功實現10mK(絕對零度以上0.01度)以下極低溫運行。這標誌著我國在高端極低溫儀器研製上取得了突破性的進展。
3He,4He的混合液在0.86K以上時,液3He可以以任何比例溶解在液4He中,但是當混合溶液的溫度降到0.86K以下時,混合液則分離成兩相,其中含3He多的相稱為濃縮相,而含3He少的相稱為稀釋相。在低於0.86K的任一溫度都對應於一定的3He含量的稀釋相和濃縮相,並達到相平衡。當從稀釋相中取走3He原子時,為了保持兩相的平衡,則由濃縮相中的3He通過相界面進入稀釋相以補充被移去的3He原子。可以計算得3He在稀釋相中的焓和熵比在濃縮相中要大得多。所以這種稀釋過程需要吸熱,利用這個吸熱現象製成了稀釋製冷機。
從稀釋製冷機的結構圖來看,包含相界面的室稱做混合室,3He原子從濃縮相經過相界面進入稀釋相要吸熱而製冷,使溫度降低。包含稀釋相的自由表面的室稱為蒸餾室,溫度維持在0.6~0.7K。此時3He的飽和蒸氣壓遠高於4He的飽和蒸氣壓,可以用抽氣機抽走,這時濃縮相中的3He原子就不斷地通過相界面進入稀釋相,抽走的3He經過冷凝再補充到濃縮相中形成循環,使製冷機不斷地運行。
2021年7月13日,據中國科學院物理研究所消息,其自主研發的無液氦稀釋製冷機實現10mK以下極低溫,標誌著我國在高端極低溫儀器研製上取得了突破性的進展。
稀釋製冷機是一種能夠提供接近絕對零度環境的高端科研儀器,在凝聚態物理、材料科學、粒子物理乃至天文探測等科研領域廣泛應用。
稀釋製冷機為量子計算機的正常運行提供必要的極低溫環境,是量子計算研究中不可替代的關鍵設備。