2023年3月28日，中國科學院物理研究所承擔的北京市科技計劃課題“400微瓦無液氦稀釋制冷機研制”順利通過了第三方技術測試。該無液氦稀釋制冷機實現了長時間連續(xù)穩(wěn)定運行最低溫度已達到7.6mK，制冷功率達到450μW@100mK，兩項指標均達到了國外主流中型商業(yè)稀釋制冷機的水平。（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（圖片來源于中科院物理研究所）

　　▲ 工程樣機長時間穩(wěn)定運行在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 

　　在了解稀釋制冷機之前，我們先要知道國際溫標的單位“K”。

　　在生活中我們是以℃為單位的，兩者的換算關系為：℃=K-273.15，如氣溫30℃即是303.15K。熱力學第三定律指出，宇宙所能達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。氮氣的液化溫度為70K，所以要獲得低于70K的溫度，氮氣就不能充當工質了，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，1K以下的極低溫需要吸附制冷技術。要獲得趨近于絕對零度的極低溫（100mK以下，1mK=0.001K），稀釋制冷機就要登場了。

　　▲ 牛津儀器發(fā)布的無液氦稀釋制冷機

　　稀釋制冷機是一種超低溫冷卻系統，它為極端環(huán)境的物理實驗研究提供了可靠的支撐，廣泛應用于凝聚態(tài)物理、量子計算、納米材料和天文觀測等多個研究領域。

　　尤其在量子計算領域內，稀釋制冷機被諸多技術路線使用，它是滿足基于超導、半導體、拓撲、離子阱等對低溫環(huán)境有要求的量子計算機運行需求的關鍵元素。

　　▲ 位于稀釋制冷機內部的量子處理器

　　稀釋制冷機工作原理 

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

　　稀釋制冷機的工作原理是以3He/4He溶液的相圖為基礎的。以一定比例混合的3He/4He氣體經過預冷后，4He氣體首先液化，在溫度低于3.19K時3He也被液化，進一步降溫至2.17K后出現超流態(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

　　當溫度低于臨界溫度0.87K時，3He/4He的混合液將出現分相，類似于水油分層。密度較小的3He濃縮相會浮在上層，密度相對較大的3He稀釋相會沉到下層。稀釋制冷機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、銀粉燒結換熱器、混合室、真空腔抽吸循環(huán)氣體處理系統等組成。

　　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原子不斷進入蒸餾室，進一步破壞了兩相分界面之間的動態(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中，通過換熱器的降溫又補充入混合室上面3He濃縮相中。3He蒸氣在蒸餾室上面不斷被抽走，經過換熱冷卻被送回混合室，之后越過兩相界面進入稀釋相，并在滲透壓的作用下回流到蒸餾室的底部液體中，至此完成整個稀釋制冷機的工作循環(huán)。

　　▲ 稀釋制冷機原理圖

　　箭頭方向表示3He流動方向

　　稀釋制冷機主要分為兩種類型：干式稀釋制冷機和濕式稀釋制冷機。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冷，干式則是利用機械制冷機，主要是脈沖管制冷機來提供預冷。由中國科學院物理研究所研制的無液氦稀釋制冷機即是干式稀釋制冷機。

　　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，全球產量也就是23噸液氦，所以顯得特別珍貴。無液氦稀釋制冷機因為不消耗大量液氦，因此在經濟性和可維護性上更具優(yōu)勢，目前已成為市場主流。

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

　　中國的稀釋制冷機 

　　早在世紀70年代，中國科學院物理研究所就研制成功了我國第一臺濕式稀釋制冷機，實現了33mK的極低溫，也就是-273.116℃。

　　2021年6月，中國科學院物理研究所團隊研制出了國產無液氦稀釋制冷原型機，實現了10mK以下的極低溫。

　　▲ 我國無液氦稀釋制冷原型機

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　　又經過一年多時間的工藝優(yōu)化和固化，中國科學院物理研究所姬忠慶研究員團隊依托綜合極端條件實驗裝置國家重大科技基礎設施研制的新一代無液氦稀釋制冷機工程樣機在性能指標和使用性上達到了國際主流中型商業(yè)產品的水平，可以滿足包括量子計算在內的量子科學和技術研究的需求。

　　近年來，美國大量限制在人工智能、量子計算、生物技術和無人機等領域對中國的出口。作為構建量子計算機的關鍵部件，稀釋制冷機同樣也受到了影響。在國產無液氦稀釋制冷機研制之前，該儀器完全依賴進口，是亟待攻破的關鍵核心技術。如今新一代國產無液氦稀釋制冷機已達到國際主流商業(yè)機水平，該技術的突破對于解決我國量子計算“卡脖子”問題又向前邁出了堅實的一步。