零下273.14度稳定运行！无液氦稀释制冷机卡脖子技术突破

2023年3月28日，中国科学院物理研究所承担的北京市科技计划课题“400微瓦无液氦稀释制冷机研制”顺利通过了第三方技术测试。该无液氦稀释制冷机实现了长时间连续稳定运行最低温度已达到7.6mK，制冷功率达到450μW@100mK，两项指标均达到了国外主流中型商业稀释制冷机的水平。（来源于中科院物理研究所）

　　▲ 新一代无液氦稀释制冷工程样机（图片来源于中科院物理研究所）

　　▲ 工程样机长时间稳定运行在10mK以下最低温度低于7.6mK（图片来源于中科院物理研究所）

　　▲ 制冷功率测试曲线

　　99.8mK制冷功率达到450微瓦

　　（图片来源于中科院物理研究所）

　　什么是稀释制冷机 

　　在了解稀释制冷机之前，我们先要知道国际温标的单位“K”。

　　在生活中我们是以℃为单位的，两者的换算关系为：℃=K-273.15，如气温30℃即是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于绝对零度（0K，即-273.15℃），绝对零度只是一个理论值。

　　我们生活中所需的低温环境，用冰箱、液氮就可以获得。氮气的液化温度为70K，所以要获得低于70K的温度，氮气就不能充当工质了，需要用氦气来替代。而要想获得液氦温区（4K以下）的低温，则需要采用节流、减压降温等技术，1K以下的极低温需要吸附制冷技术。要获得趋近于绝对零度的极低温（100mK以下，1mK=0.001K），稀释制冷机就要登场了。

　　▲ 牛津仪器发布的无液氦稀释制冷机

　　稀释制冷机是一种超低温冷却系统，它为极端环境的物理实验研究提供了可靠的支撑，广泛应用于凝聚态物理、量子计算、纳米材料和天文观测等多个研究领域。

　　尤其在量子计算领域内，稀释制冷机被诸多技术路线使用，它是满足基于超导、半导体、拓扑、离子阱等对低温环境有要求的量子计算机运行需求的关键元素。

　　▲ 位于稀释制冷机内部的量子处理器

　　稀释制冷机工作原理 

　　在极低温度下，液氦具有很多量子特性，例如超流动性和极高的热导率。3He/4He混合液在一定条件下会发生分相，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以3He/4He溶液的相图为基础的。以一定比例混合的3He/4He气体经过预冷后，4He气体首先液化，在温度低于3.19K时3He也被液化，进一步降温至2.17K后出现超流态液氦。

　　▲ 3He/4He溶液相图：X为3He的浓度

　　稀释相的浓度为X1，浓缩相的浓度为X2

　　当温度低于临界温度0.87K时，3He/4He的混合液将出现分相，类似于水油分层。密度较小的3He浓缩相会浮在上层，密度相对较大的3He稀释相会沉到下层。稀释制冷机的工作温度即在两相混合区。

　　▲ 稀释制冷原理示意图

　　（来源于：量子位）

　　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、真空腔抽吸循环气体处理系统等组成。

　　在真空泵组的作用下，大量3He将被抽走。在渗透压的作用下，为了维持3He的浓度平衡，混合室中的3He原子不断进入蒸馏室，进一步破坏了两相分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，从浓缩相进入到稀释相，完成吸热降温的目的。被蒸馏室上面的真空泵抽走的3He气体在过滤液氮阱中净化或增压再送回到稀释制冷机中，通过换热器的降温又补充入混合室上面3He浓缩相中。3He蒸气在蒸馏室上面不断被抽走，经过换热冷却被送回混合室，之后越过两相界面进入稀释相，并在渗透压的作用下回流到蒸馏室的底部液体中，至此完成整个稀释制冷机的工作循环。

　　▲ 稀释制冷机原理图

　　箭头方向表示3He流动方向

　　稀释制冷机主要分为两种类型：干式稀释制冷机和湿式稀释制冷机。两者在液氦温区以下的制冷原理都是一样的，即是上述的分相制冷原理。

　　而从室温冷却到液氦温区这一过程，两者有所不同。湿式是利用液氮及液氦来提供预冷，干式则是利用机械制冷机，主要是脉冲管制冷机来提供预冷。由中国科学院物理研究所研制的无液氦稀释制冷机即是干式稀释制冷机。

　　由于氦气在地球的资源很少，基本上存在于天然放射性核矿的氦气田里，在天然气中能够提取氦气，全球产量也就是23吨液氦，所以显得特别珍贵。无液氦稀释制冷机因为不消耗大量液氦，因此在经济性和可维护性上更具优势，目前已成为市场主流。

　　“有别于传统的依赖液氦辅助降温的湿式稀释制冷机，无液氦稀释制冷机无需液氦供应，样品空间大，连续运行时间长且运维方便，在最近十年迅速普及并成为市场主流。”——中国科学院物理研究所副研究员姬忠庆

　　中国的稀释制冷机 

　　早在世纪70年代，中国科学院物理研究所就研制成功了我国第一台湿式稀释制冷机，实现了33mK的极低温，也就是-273.116℃。

　　2021年6月，中国科学院物理研究所团队研制出了国产无液氦稀释制冷原型机，实现了10mK以下的极低温。

　　▲ 我国无液氦稀释制冷原型机

　　（来源于：央视网）

　　又经过一年多时间的工艺优化和固化，中国科学院物理研究所姬忠庆研究员团队依托综合极端条件实验装置国家重大科技基础设施研制的新一代无液氦稀释制冷机工程样机在性能指标和使用性上达到了国际主流中型商业产品的水平，可以满足包括量子计算在内的量子科学和技术研究的需求。

　　近年来，美国大量限制在人工智能、量子计算、生物技术和无人机等领域对中国的出口。作为构建量子计算机的关键部件，稀释制冷机同样也受到了影响。在国产无液氦稀释制冷机研制之前，该仪器完全依赖进口，是亟待攻破的关键核心技术。如今新一代国产无液氦稀释制冷机已达到国际主流商业机水平，该技术的突破对于解决我国量子计算“卡脖子”问题又向前迈出了坚实的一步。