中科院物理所自主研发无液氦稀释制冷机成功实现绝对零度以上 0.01 度极低温运行，这一成就意味着什么？ 第1页

1、科普一下这种仪器的原理！

刚看到“无液氦”，吓了一跳——莫非现在制冷都不需要氦了吗？这是什么天顶星黑科技？后来仔细了解了一下，原来是不需要“液氦”制冷，但“氦气”还是需要的。按物理所（崔琦实验室）的说法——

“无液氦制冷机从室温到液氦温区的降温通过脉冲管制冷进行。这种技术利用对氦气介质作功，配以精巧设计的热交换器，以达到在每个压缩/膨胀周期带走热量的目的。在液氦温区以下的制冷原理与常规的稀释制冷机相同。”

在 300K~4.2K 的温度区间，通过氦气的热机循环带走热量，不断降温，这里的4.2K是氦气的液化点，其实可以进一步通过液氦的蒸发继续降温到2K左右。再往下就降不下去了，必须用稀释致冷降温了。在整个降温过程中可以把氦气液化得到液氦，确实全程不需要液氦。

在更低的液氦温区(<2K)，使用稀释制冷的方法。稀释制冷除了需要氦4，还需要氦3。

2、简单说一下稀释制冷的原理

在1K以上，氦4和氦3液体可以任意比例互溶；在1K以下，氦4和氦3液体会发生相分离（就像油和水一样，但有微溶），这时候抽走氦3（稀释氦3），整个系统会吸热，从而进一步带走热量降温。上世纪50年代由伦敦提出稀释制冷的机制，现在的稀释制冷机最低可以达到1mK量级的低温。

这里插一嘴，氦3比氦4含量低太多了。举个栗子，氦气田天然气中氦气的含量达到1%就具有开采条件了，当然这1%的氦气既有氦4也有氦3，但其中氦3只占0.000137%。所以氦3非常昂贵，我记得好像是黄金价格的10倍以上。

3、“无液氦稀释制冷机”的优势

“无液氦稀释制冷机”的优势在于——氦气的热循环过程中损耗很小，甚至一年加充一次氦气都可以。而且氦气的储存运输相对简单得多！与之相比，那种“液氦注入式制冷机”就极度损耗液氦（或氦气），储存运输也麻烦——杜瓦瓶夹层是液氮冷却的，每次灌液氦的时候像蒸汽开了锅一样，大量的氦气蒸发，甚至能看见周围空气被液化的淡蓝色气雾！更别提每次灌液氦推着笨重的液氦杜瓦车跑来跑去！

4、地球氦资源非常紧缺

其一，产量有限。氦气生成主要是那些天然放射性核矿的氦气田，在天然气中可提取出氦气，2018年全球氦气产量1.3亿立方米，全部液化也就23吨液氦，产量非常有限，但全球的低温试验和医疗行业都需要氦气。现在全球氦气有一半是美国生产的。（为什么美国能够垄断氦气生产？）

其二，地球的氦气只会减少不会增加。氦气分子一旦进去大气中就会逐渐逃逸出地球大气层。

其三，氦气存储不易。氦分子是最小的气体分子（氢分子是双原子分子，比单原子的氦气分子要大），氦气还是惰性气体，结果就是同样密闭条件的容器，氦气泄露得更快！所以氦气储存需要更高的密闭条件！

欧洲核子中心运行之后，全球氦气供应紧张——加速器的超导磁铁线圈需要大量的液氦，更别提2008年还发生过一次液氦泄露，数吨重的液氦泄露！

5、为什么超导线圈不用高温超导材料！

现在有很多高温超导材料——铜基高温超导材料Tc高于液氮的77K，铁基高温超导也有50K的Tc，如果用高温超导材料做超导线圈就可以用便宜到水的液氮做实验了！但很遗憾，这些高温超导材料都是陶瓷材料，不具有加工变形特性。现在的超导磁铁线圈普遍采取的是金属或者合金材料，如目前超导磁铁应用最多的临界电流最大的铌钛合金，Tc在10K左右，所以还需要液氦或者氦气。

现代物理离开了氦简直不能活！

6、希望中国的科学仪器和试剂行业继续努力，这也是高科技领域。

早日取代 Alfa Aesar、Quantum Design、Oxford Instruments ……。

2021 年 6 月 24 日晚，中国科学院物理研究所自主研发的无液氦稀释制冷机原型机成功实现 10.9mK 的连续稳定运行，满足超导量子计算需要的条件。该机在单冲程运行模式下可实现低于 8.7mK 的温度，基本达到了国际主流产品的水平，结束了我国此类仪器完全依赖进口的历史，在低温超导量子计算领域被“卡脖子”的可能性显著下降，值得祝贺。

而且，即使低温超导量子计算搞不出名堂，这技术也很有用：凝聚态物理、材料科学、粒子物理、可控核聚变、天文探测都有需要超低温的场合，而且氦气也可以重新拿去充气球了。