鉑鉞科技與上海技物所等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在mK溫區(qū)大制冷量無液氦稀釋制冷機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究方面取得重要進(jìn)展
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2024-02-22
稀釋制冷循環(huán)是目前實(shí)現(xiàn)mK溫區(qū)制冷的主要技術(shù)手段之一。在mK溫區(qū)，相比較絕熱去磁制冷、蒸發(fā)制冷等循環(huán)方式，稀釋制冷循環(huán)具有天然的連續(xù)制冷、無電磁干擾、更低制冷溫度等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在量子科技等重要領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，例如稀釋制冷機(jī)便是為超導(dǎo)、拓?fù)涞攘孔佑?jì)算系統(tǒng)提供極低溫工作環(huán)境的關(guān)鍵部件。
稀釋制冷機(jī)根據(jù)是否采用液氦作為前級預(yù)冷分為“濕式”和“干式”兩種。“濕式”機(jī)型在實(shí)際操作中存在諸多不便，且液氦的消耗也使得成本變得更為高昂，目前實(shí)際中已很少采用。“干式”稀釋制冷機(jī)一般需采用液氦溫區(qū)高功率脈沖管制冷機(jī)作為前級預(yù)冷手段，是目前的主要應(yīng)用形式。“干式”稀釋制冷機(jī)也常稱為無液氦稀釋制冷機(jī)。
我國在無液氦稀釋制冷機(jī)的理論和樣機(jī)研制方面起步較晚。目前其研究和發(fā)展雖受到高度重視，且在國內(nèi)多個有代表性的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了布局，但總體發(fā)展?fàn)顩r并不理想，主要表現(xiàn)在技術(shù)鏈不完整、對深層的內(nèi)部循環(huán)運(yùn)行機(jī)制研究匱乏、實(shí)用化機(jī)型研制進(jìn)展緩慢、典型溫區(qū)的制冷量與國際最好水平相差懸殊等諸多方面。
本公司技術(shù)總監(jiān)黨海政教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海量子科學(xué)研究中心等國內(nèi)優(yōu)勢力量，基于聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)前期在多級高頻脈沖管制冷機(jī)（五級高頻脈管2.2K，見本公司2023年1月11日新聞）、復(fù)合制冷機(jī)（四級脈管+JT，1.36K世界同類機(jī)型最低溫度，見本公司2022年4月18日新聞轉(zhuǎn)載）的基礎(chǔ)上，開展了國產(chǎn)化全技術(shù)鏈mK溫區(qū)大制冷量無液氦稀釋制冷機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，經(jīng)過刻苦攻關(guān)，取得重要進(jìn)展。
研究團(tuán)隊(duì)首先以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，建立從常溫到mK溫區(qū)的焓流模型，對稀釋制冷機(jī)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制、比蒸餾加熱功率、第一級換熱器效率、最優(yōu)上游壓力和預(yù)冷溫度等進(jìn)行了系統(tǒng)分析，為稀釋制冷機(jī)的性能優(yōu)化提供了有益的理論指導(dǎo)。根據(jù)上述模型，該稀釋制冷機(jī)的最低溫度低于5mK，且在10mK、20mK和100mK的凈制冷量分別可達(dá)38.5μW、65μW和1.8mW，相關(guān)制冷量大幅度高于目前國際最好商業(yè)化機(jī)型在相關(guān)溫區(qū)的相應(yīng)制冷能力。
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研究團(tuán)隊(duì)隨后以該模型為基礎(chǔ)，對稀釋制冷機(jī)的各關(guān)鍵部件進(jìn)行了專題研究，并在此基礎(chǔ)上開展了實(shí)際整體樣機(jī)的研制。相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利，實(shí)驗(yàn)與理論數(shù)據(jù)變化趨勢吻合良好。相關(guān)研究結(jié)果在低溫制冷以及應(yīng)用超導(dǎo)領(lǐng)域的國際期刊《Cryogenics》、《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》上連續(xù)發(fā)表。
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以上研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市“量子信息技術(shù)”市級重大科技專項(xiàng)、上海市科委重大項(xiàng)目等研究計(jì)劃的支持，特此致謝。
【附】已發(fā)表的系列學(xué)術(shù)論文鏈接如下：
（1）https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2023.103731.
（2）https://doi.org/10.1109/TASC.2023.3349370.
（3）https://doi.org/10.1109/TASC.2024.3350594.
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