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2024-03-18

　　稀释制冷机的末级主要利用氦-4和氦-3两种工质在特定温度下（约0.87K）的显著不同特性来实现mK温区的制冷效应。氦-4和氦-3是氦元素在自然界中的两种稳定同位素，在极低温下二者均属于量子流体，在特定温度下均会发生奇异的超流现象（超流现象目前被认为是一种典型的量子效应，其宏观表现为超热导、黏性为零、反重力爬升、喷泉效应等等）。但氦-4是玻色子，遵守玻色-爱因斯坦统计；而氦-3是费米子，遵守费米-狄拉克统计。反映在超流发生温度上，氦-4在2.172K（-270.978℃）附近就会发生玻色-爱因斯坦凝聚，从而变为超流态；而遵守费米-狄拉克统计的氦-3不发生玻色-爱因斯坦凝聚，要到非常接近绝对零度的2.6mK（-273.1474℃）时才发生一种特殊凝聚而转变为超流态，而对这种特殊凝聚的一般解释还需要借助超导研究中著名的BCS理论并进一步推广延伸。
 

　　氦-4虽然也属于稀有气体，但在自然界中有较稳定的来源（如天然气等），对其获取、提纯和液化的技术发展较早，目前已经相对成熟，且形成了一定规模的工业化，所以人们对于氦-4性质的研究已经比较透彻，实际应用也很广泛。
 

　　而氦-3的情况则迥然不同。氦-3的特殊性首先在于其来源的极端稀缺。不但相对于一般常规气体，就是与它的同位素氦-4相比，氦-3也属于一种极其特殊的存在。自然界中氦-3的含量不足氦-4含量的百万分之一，所以从自然界中提取有实用价值体量的氦-3，几无可能；月球中氦-3的含量虽然很丰富，但相关开采和运输方案目前还都停留在设想阶段。因此，自从氦-3于1920年被发现以来直到现在，世界上科学研究和工业应用所需的氦-3基本还都是从原子反应堆中获取的（而且大部分情况下还是作为副产品）。目前氦-3的购销虽然也有一定的商业渠道，但因为其来源的敏感和稀缺，所以价格极其高昂，如果连氦-4都能号称“气体黄金”的话，那氦-3只能称为“气体钻石”甚至是“气体和氏璧”了。
 

　　氦-3来源的稀缺，在一定程度上导致了人们对其研究的匮乏；而氦-3的某些奇异特性常常还需要在几个量级的更极端低温下才能表现出来（当然这个是后来才知道的），更加剧了相关研究的困难。例如，氦-4在1908年就被液化了，而氦-3的液化还要再等整整40年（气态氦-3也是自然界中最后一种被液化的气体）；氦-4的超流动性在1938年就被发现了（发现者彼得•卡皮查主要因为这一巨大贡献，再加上对新型氦液化方法的发明，获得了1978年的诺贝尔物理学奖；而建立氦-4超流模型的朗道更是在1962年就获奖了，当然朗道的获奖并不全部由于此，但朗道将量子理论引入氦-4超流动现象的研究，意义重大），而氦-3超流动性的发现要推迟到1972年（发现者戴维•李、道格拉斯•奥谢罗夫和罗伯特•理查森因此获得了1996年的诺贝尔物理学奖）。
 

　　对氦-3的研究虽然如此艰难，但塞翁失马，焉知非福。研究者直面这一艰巨挑战所开展的无畏探索却陆续产生了许多非常有价值的成果，一个有趣的现象是人们对氦-3非常规特性的研究成为了诺贝尔物理学奖的“富矿”之一。例如，除前述获奖外，安东尼•莱格特主要就是因为建立了系统的理论模型，成功地解释了氦-3的超流动性，从而获得了2003年的诺贝尔物理学奖。
 

　　近年来与氦-3相关的研究再次引起人们浓厚的兴趣，则主要得益于量子科技的飞速发展。超导、拓扑等量子计算的重要方向对mK温区制冷的巨大需求，使得稀释制冷机这一之前极为小众的研究方向迅速变成了低温制冷领域的研究前沿和研究热点之一。其中氦-3是稀释制冷机中的两种关键工质之一，自然无法回避。但目前的研究重点已经与之前明显不同：如主要关注点已经从氦-3本身的基本特性研究（如其自身的热物性、输运性质等）转变为其在具体的稀释制冷循环中运行机制的研究（如氦-3在稀释制冷系统中的流动和传热过程及规律），而这些研究正是之前非常欠缺的。
 

　　造成相关研究欠缺局面的主要原因是和稀释制冷机本身的发展历史紧密相关的。稀释制冷循环于20世纪50年代提出、并于60年代研制出实用机型，其后近半个世纪的主要应用场合基本局限于实验室内的低温物理研究。这些研究相对分散，对用于创造低温环境的稀释制冷机的要求也相对宽松，比如用于衡量低温制冷机的一些关键指标如制冷量、制冷效率、连续无故障工作寿命、重量、体积、能耗等等，均无严格要求。特别是由于市场很小、供应商极为有限，长期以来供需双方之间形成的相互依存、互相妥协的情形也使得稀释制冷机研制人员并无主动的技术革新动力。然而，在进入21世纪第二个10年之后，特别是最近四、五年来，随着量子计算领域取得爆炸性的科技进步，这一局面迅速被打破。要想紧紧跟上日趋以实用化为目的的量子计算领域的发展步伐，稀释制冷机之前已经固化的循环流程乃至设计模型都有优化甚至是完全革新的必要，这里面首当其冲的就是氦-3工质在稀释制冷循环中的热力学、传热学和流体力学特性与行为，因为如前所述的原因，人们在这些方面的研究还远远说不上充分。
 

　　bwin必赢国际科技与上海技物所联合研制团队，在党海政研究员的带领下，近年来对国产化、全技术链、大制冷量无液氦稀释制冷机开展了全方位的系统研究，其中一部分工作就着眼于重点开展对氦-3工质在稀释制冷循环中的运行机制进行机理澄清和流程优化，目前已经取得重要进展，相关工作将陆续发表，以在全球范围内与本领域的国际同行切磋探讨，此处介绍1篇最新成果，该论文以“Investigations on the throttling process of 3He in a dilution refrigerator used for cooling superconducting quantum chips”（汉译：“用于冷却超导量子芯片的稀释制冷机中氦-3工质的节流过程研究”）为题发表在低温制冷国际期刊《Cryogenics》上。
 

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　　在稀释制冷机中，对于氦-3工质的循环流程，阻抗节流元件是关键部件之一，其主要作用是控制氦-3工质的流动，并最终液化氦-3气体，这一作用对于稀释制冷机最终获取mK温度至关重要。bwin必赢国际发现基于等焓膨胀假设的氦-3节流过程和真实过程之间存在一定的偏差，而且随着工质临界温度的降低，所带来的误差会变得越来越显著，因此基于等焓膨胀假设的方法对于研究两相区域中的阻抗节流性能的影响因素并不适用，等焓膨胀假设不能用于解决超低温下的节流问题。因而本文提出了一个新型的氦-3工质节流模型，该模型重点聚焦于氦-3工质的复杂物理特性，以及节流过程中氦-3从过冷态向饱和态转变时对制冷性能的影响。文中研究了入口压力和入口温度对于氦-3流率的影响，并讨论了能量转变给节流过程带来的变化。结果显示，本文提出的节流模型能够合理地预测不同入口压力和入口温度下的氦-3工质流率，对于mK温区无液氦稀释制冷机的设计和优化具有重要的指导意义。
 

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<图7>

 

　　上述研究得到国家自然科学基金、上海市科委重大项目、上海市“量子信息技术”市级重大科技专项等研究计划的支持，特此致谢。

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【附】上述已发表的学术论文链接：

http://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2024.103832

 

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