低温系统 – 制冷原理与冷头

低温系统研究诞生了数个诺贝尔物理奖：1913年液氦与超导发现，1978年液氦高效制备和超流发现，1962年超流体解释，1996年氦3超流体的发现。尽管发展许久大多数理论成熟，在工程上仍然有许多可以日益精进的部分，氦3氦4回收，更高效率的制冷，震动控制等。

背景：维持超导需要接近绝对零度，稀释制冷机是超导量子计算核心部件（整个系统30%以上的成本），稳定的低温环境才能隔离热噪声，得到足够精确的结果。稀释制冷机主要玩家(超60%市场份额)：芬兰的Bluefors和英国的牛津仪器。主要应用场景在材料研究和量子效应观测。

我们这里讨论的是干式的稀释制冷机，他不用传统的液氦进行初步降温，而是采用“Pulse Tube”压缩机+利用3-He,4-He超流的特性来降温。

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这是3-He(上)与4-He(下)的相图，我们生活中知道给水不同的温度和压强可以控制他的固液气体的表现，同样的氦也是有相似的情况，3-He,4-He作为同位素仅差一个中子在物理上却有完全不同的表现（4-He玻色子,3-He费米子）他们的特点是在足够的低温下都表现出了一个超流的特性（而不是固态）* 特性1。

bluefors稀释制冷机LD系列⼿册 制冷机每层结构

当然我们是没办法一口气从常温直接降到10mK的。目前干式的稀释制冷机通常分预制冷，和稀释制冷等阶段。预制冷的核心器件是pulse-tube，可以先当成一个传统的压缩机需要具体了解的可以看最终的文献参考，能预降温达到4K的低温，下图中有分第一阶段的pulse-tube达到50k,在第二阶段的冷头能达到4K。最后在mixing chamber层达到需要的温度10mk

超流体导热能力很强可以将热量轻松传递到表面，稀释制冷机中mixing chamber正是利用了这个特性。

*特性2：3-He,4-He混合物还有一个特别的表现，图中我们购买时可以选购不同比例的3-He/4-He混合气体，假设初始40%3-He浓度，最开始在绿色区域3-He/4-He都是普通流体，随着温度降低，大约低于1.5K时4-He进入超流状态，750mk时开始分层，出现3-He的稀释相和丰富相，200mk左右上层为丰富相(红绿交界右侧)达到100%的3-He，就算接近绝对0度，下层为稀释相(红黄交界左侧)也有约6.4%的3-He基本稳定

bluefors稀释制冷机LD系列⼿册，冷头结构

1.图中最下面区域的Mixing chamber根据我们混合相的机制可以知道输入进来到上层丰富相的3-He不断跑到下层稀释相，并且最终将热量跟随箭头带出mixing chamber，这个过程可以想象成水气化的过程吸热

2.是红色箭头的位置：随着3-He输入，进来的3-He实际上是经过热交换器降温

3. 右侧顶部通过蒸馏的收集3-He再循环回mixing chamber(氦气真的很贵)

下一节会从制冷功率的计算和稀释制冷机的工作流程来学习。一起努力~

参考文献：

1. Basic Operation of Cryocoolers and Related Thermal Machines    (https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s10909-011-0373-x.pdf)

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Dilution_refrigerator

3. https://infrabooking.aalto.fi/kokvar/tilakuvat/aaltoinfra/220429115535_manual_ldseries_v1.5.0.pdf

4. https://www.phdhouse.com/yehaishenqideliangziyetizhong/