稀释制冷机及其中的热交换问题*

付柏山 廖奕 周俊

1) (南方科技大学量子科学与工程研究院,深圳 518055)

2) (南京师范大学物理科学与技术学院,量子输运与热能科学中心,南京 210023)

在低温物理和量子信息科学等学科的研究中,持续保持稳定的mK 级低温是至关重要的.稀释制冷机是用来获得极低温的制冷装置,它利用了超流态4He 与其同位素3He 的混合溶液在超低温下的相分离效应.热交换器的性能是决定连续循环工作制冷机性能的关键因素.在极低温下,氦与金属之间存在巨大的界面热阻(即卡皮查热阻),利用多孔的烧结金属颗粒来提高接触面积,可以有效地解决热交换问题.因此,研究极低温下金属颗粒与液氦之间的热交换,并以此为指导研制高性能的银粉烧结换热器具有重要的应用价值.

1 引言

很多前沿的科学研究工作需要在极低温条件下进行,因此研制能获得极低温的制冷设备是非常重要的.稀释制冷机是可以连续稳定工作的一种制冷设备,它为极端环境的物理实验研究提供了可靠的支撑,特别是在当今迅速发展的量子科学 (如量子超导计算、量子输运、量子传感、量子材料)以及航空航天、医疗、天文等领域发挥着重要的作用.在极低温度下,液氦具有很多量子特性,例如超流动性和极高的热导率.特别地,3He/4He 混合液在一定条件下会发生分相,London[1]根据这一现象提出了分相制冷原理,1965 年Das 等根据这一理论制成了3He/4He 稀释制冷机,目前的稀释制冷机最低可达到大约2 mK 的……