鉑鉞科技與上海技物所聯合研究團隊在mK溫區無液氦稀釋制冷機中 氦-3工質的節流過程研究方面取得新的重要進展
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2024-03-18
稀釋制冷機的末級主要利用氦-4和氦-3兩種工質在特定溫度下（約0.87K）的顯著不同特性來實現mK溫區的制冷效應。氦-4和氦-3是氦元素在自然界中的兩種穩定同位素，在極低溫下二者均屬于量子流體，在特定溫度下均會發生奇異的超流現象（超流現象目前被認為是一種典型的量子效應，其宏觀表現為超熱導、黏性為零、反重力爬升、噴泉效應等等）。但氦-4是玻色子，遵守玻色-愛因斯坦統計；而氦-3是費米子，遵守費米-狄拉克統計。反映在超流發生溫度上，氦-4在2.172K（-270.978℃）附近就會發生玻色-愛因斯坦凝聚，從而變為超流態；而遵守費米-狄拉克統計的氦-3不發生玻色-愛因斯坦凝聚，要到非常接近絕對零度的2.6mK（-273.1474℃）時才發生一種特殊凝聚而轉變為超流態，而對這種特殊凝聚的一般解釋還需要借助超導研究中著名的BCS理論并進一步推廣延伸。
氦-4雖然也屬于稀有氣體，但在自然界中有較穩定的來源（如天然氣等），對其獲取、提純和液化的技術發展較早，目前已經相對成熟，且形成了一定規模的工業化，所以人們對于氦-4性質的研究已經比較透徹，實際應用也很廣泛。
而氦-3的情況則迥然不同。氦-3的特殊性首先在于其來源的極端稀缺。不但相對于一般常規氣體，就是與它的同位素氦-4相比，氦-3也屬于一種極其特殊的存在。自然界中氦-3的含量不足氦-4含量的百萬分之一，所以從自然界中提取有實用價值體量的氦-3，幾無可能；月球中氦-3的含量雖然很豐富，但相關開采和運輸方案目前還都停留在設想階段。因此，自從氦-3于1920年被發現以來直到現在，世界上科學研究和工業應用所需的氦-3基本還都是從原子反應堆中獲取的（而且大部分情況下還是作為副產品）。目前氦-3的購銷雖然也有一定的商業渠道，但因為其來源的敏感和稀缺，所以價格極其高昂，如果連氦-4都能號稱“氣體黃金”的話，那氦-3只能稱為“氣體鉆石”甚至是“氣體和氏璧”了。
氦-3來源的稀缺，在一定程度上導致了人們對其研究的匱乏；而氦-3的某些奇異特性常常還需要在幾個量級的更極端低溫下才能表現出來（當然這個是后來才知道的），更加劇了相關研究的困難。例如，氦-4在1908年就被液化了，而氦-3的液化還要再等整整40年（氣態氦-3也是自然界中最后一種被液化的氣體）；氦-4的超流動性在1938年就被發現了（發現者彼得•卡皮查主要因為這一巨大貢獻，再加上對新型氦液化方法的發明，獲得了1978年的諾貝爾物理學獎；而建立氦-4超流模型的朗道更是在1962年就獲獎了，當然朗道的獲獎并不全部由于此，但朗道將量子理論引入氦-4超流動現象的研究，意義重大），而氦-3超流動性的發現要推遲到1972年（發現者戴維•李、道格拉斯•奧謝羅夫和羅伯特•理查森因此獲得了1996年的諾貝爾物理學獎）。
對氦-3的研究雖然如此艱難，但塞翁失馬，焉知非福。研究者直面這一艱巨挑戰所開展的無畏探索卻陸續產生了許多非常有價值的成果，一個有趣的現象是人們對氦-3非常規特性的研究成為了諾貝爾物理學獎的“富礦”之一。例如，除前述獲獎外，安東尼•萊格特主要就是因為建立了系統的理論模型，成功地解釋了氦-3的超流動性，從而獲得了2003年的諾貝爾物理學獎。
近年來與氦-3相關的研究再次引起人們濃厚的興趣，則主要得益于量子科技的飛速發展。超導、拓撲等量子計算的重要方向對mK溫區制冷的巨大需求，使得稀釋制冷機這一之前極為小眾的研究方向迅速變成了低溫制冷領域的研究前沿和研究熱點之一。其中氦-3是稀釋制冷機中的兩種關鍵工質之一，自然無法回避。但目前的研究重點已經與之前明顯不同：如主要關注點已經從氦-3本身的基本特性研究（如其自身的熱物性、輸運性質等）轉變為其在具體的稀釋制冷循環中運行機制的研究（如氦-3在稀釋制冷系統中的流動和傳熱過程及規律），而這些研究正是之前非常欠缺的。
造成相關研究欠缺局面的主要原因是和稀釋制冷機本身的發展歷史緊密相關的。稀釋制冷循環于20世紀50年代提出、并于60年代研制出實用機型，其后近半個世紀的主要應用場合基本局限于實驗室內的低溫物理研究。這些研究相對分散，對用于創造低溫環境的稀釋制冷機的要求也相對寬松，比如用于衡量低溫制冷機的一些關鍵指標如制冷量、制冷效率、連續無故障工作壽命、重量、體積、能耗等等，均無嚴格要求。特別是由于市場很小、供應商極為有限，長期以來供需雙方之間形成的相互依存、互相妥協的情形也使得稀釋制冷機研制人員并無主動的技術革新動力。然而，在進入21世紀第二個10年之后，特別是最近四、五年來，隨著量子計算領域取得爆炸性的科技進步，這一局面迅速被打破。要想緊緊跟上日趨以實用化為目的的量子計算領域的發展步伐，稀釋制冷機之前已經固化的循環流程乃至設計模型都有優化甚至是完全革新的必要，這里面首當其沖的就是氦-3工質在稀釋制冷循環中的熱力學、傳熱學和流體力學特性與行為，因為如前所述的原因，人們在這些方面的研究還遠遠說不上充分。
鉑鉞科技與上海技物所聯合研制團隊，在黨海政研究員的帶領下，近年來對國產化、全技術鏈、大制冷量無液氦稀釋制冷機開展了全方位的系統研究，其中一部分工作就著眼于重點開展對氦-3工質在稀釋制冷循環中的運行機制進行機理澄清和流程優化，目前已經取得重要進展，相關工作將陸續發表，以在全球范圍內與本領域的國際同行切磋探討，此處介紹1篇最新成果，該論文以“Investigations on the throttling process of 3He in a dilution refrigerator used for cooling superconducting quantum chips”（漢譯：“用于冷卻超導量子芯片的稀釋制冷機中氦-3工質的節流過程研究”）為題發表在低溫制冷國際期刊《Cryogenics》上。
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在稀釋制冷機中，對于氦-3工質的循環流程，阻抗節流元件是關鍵部件之一，其主要作用是控制氦-3工質的流動，并最終液化氦-3氣體，這一作用對于稀釋制冷機最終獲取mK溫度至關重要。我們發現基于等焓膨脹假設的氦-3節流過程和真實過程之間存在一定的偏差，而且隨著工質臨界溫度的降低，所帶來的誤差會變得越來越顯著，因此基于等焓膨脹假設的方法對于研究兩相區域中的阻抗節流性能的影響因素并不適用，等焓膨脹假設不能用于解決超低溫下的節流問題。因而本文提出了一個新型的氦-3工質節流模型，該模型重點聚焦于氦-3工質的復雜物理特性，以及節流過程中氦-3從過冷態向飽和態轉變時對制冷性能的影響。文中研究了入口壓力和入口溫度對于氦-3流率的影響，并討論了能量轉變給節流過程帶來的變化。結果顯示，本文提出的節流模型能夠合理地預測不同入口壓力和入口溫度下的氦-3工質流率，對于mK溫區無液氦稀釋制冷機的設計和優化具有重要的指導意義。
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上述研究得到國家自然科學基金、上海市科委重大項目、上海市“量子信息技術”市級重大科技專項等研究計劃的支持，特此致謝。
【附】上述已發表的學術論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2024.103832
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滬公網安備 31011402009347號