【48812】以氦-4为仅有工质的18 K复合制冷循环及其运用验证
作者：乐鱼体育官方直营门户 发布日期： 2024-06-21
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量子信息技能和深空勘探等范畴的蓬勃发展，对可有用作业于2K（或-271.15℃）及以下温区低温制冷机的需求日益火急。例如在量子信息范畴，光量子计算机（典型如我国的“九章”系列）需求凭借其核心部件之一——SNSPD对光子的终究状况进行观测，而SNSPD需求在2K左右的低温度的环境下才可以有用作业。现在这一制冷需求首要运用Gifford-McMahon（GM）制冷机来满意，但迄今为止，我国2K温区GM制冷机仍底子依靠进口。更大的应战还来自于空间范畴的需求。因GM制冷机不具有空间运用的可能性，空间量子通讯和深空勘探等所需的高牢靠、长寿命、小型轻量化、高制冷功率的2K及以下温区制冷机，还一定要经过复合制冷技能等途径来完成。在世界上，以回热式的高频脉冲管循环耦合间壁式的Joule-Thomson（JT）循环所组成的复合制冷循环是极低温区制冷范畴的学科前沿和研讨热门之一。例如，美国国家航空航天局于2001年发动的先进低温制冷机技能发展计划（Advanced Cryocooler Technology Development Program），带动了世界范围内20余年来极低温区空间制冷机的研讨和运用;美国诺斯罗普∙格鲁门空间体系公司（NGAS）的三级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环计划，也顺畅获得了1.7K无负荷温度，并于2021年12月25日伴随詹姆斯∙韦布空间望远镜（JamesWebbSpaceTelescope）发射升空，服务于其红外地理勘探使命。党海政团队于2018年提出以四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环计划，并于2020年以朴实的四级高频脉冲管循环成功获取3.3K，较大起伏低于NGAS计划的10~18K预冷温度。之后，他们对有关技能道路K。但需求指出，现在世界、国内以高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获得2K以下温区的成功实践，均是在脉冲管分体系运用氦-4而JT分体系运用氦-3作为循环工质的情况下获得的。氦-3在地球上存量稀疏、价格昂扬，是阻止这一循环在更广范畴内实用化的要害瓶颈。可以想象，如果在JT分体系中也能以本钱相对低价的氦-4代替氦-3，亦即整个复合制冷循环中以氦-4为仅有工质，则这一循环在更广范畴的实用化瓶颈将有望得到底子处理。
本文对以氦-4为仅有工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环展开了理论与试验研讨，剖析了根据该循环获取2K以下温度的要害难点和可行性，理论预测出以氦-4为仅有工质也可以得到1.78K制冷温度，从而剖析了在氦-4超流态工况下循环参数优化的约束条件。规划出的制冷机实践无负荷温度到达1.8K，且在360小时接连运转时间内温度动摇不超越±6mK，验证了理论的正确性和工质在超流状况下制冷温度的稳定性。随后，将制冷机运用于冷却实践SNSPD器材，经过对体系勘探功率和暗计数率等要害目标的实测，标明制冷机可认为SNSPD供给1.84K作业时分的温度和杰出电环境，使其保持稳定牢靠的作业状况。
本文所获得的理论、试验以及运用验证方面的打破，不光为SNSPD的未来空间运用供给了牢靠保证，一起也将有力地促进该类复合制冷循环在更广范畴的实用化。