稀釋制冷循環是目前實現mK溫區制冷的主要技術手段之一。在mK溫區，相比較絕熱去磁制冷、蒸發制冷等循環方式，稀釋制冷循環具有天然的連續制冷、無電磁干擾、更低制冷溫度等突出優點，因而在量子科技等重要領域獲得了廣泛應用，例如稀釋制冷機便是為超導、拓撲等量子計算系統提供極低溫工作環境的關鍵部件。
稀釋制冷機根據是否采用液氦作為前級預冷分為“濕式”和“干式”兩種。“濕式”機型在實際操作中存在諸多不便，且液氦的消耗也使得成本變得更為高昂，目前實際中已很少采用。“干式”稀釋制冷機一般需采用液氦溫區高功率脈沖管制冷機作為前級預冷手段，是目前的主要應用形式。“干式”稀釋制冷機也常稱為無液氦稀釋制冷機。
我國在無液氦稀釋制冷機的理論和樣機研制方面起步較晚。目前其研究和發展雖受到高度重視，且在國內多個有代表性的研究機構進行了布局，但總體發展狀況并不理想，主要表現在技術鏈不完整、對深層的內部循環運行機制研究匱乏、實用化機型研制進展緩慢、典型溫區的制冷量與國際最好水平相差懸殊等諸多方面。
本公司技術總監黨海政教授帶領的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所紅外物理國家重點實驗室、上海量子科學研究中心等國內優勢力量，基于聯合研究團隊前期在多級高頻脈沖管制冷機（五級高頻脈管2.2K，見本公司2023年1月11日新聞）、復合制冷機（四級脈管+JT，1.36K世界同類機型最低溫度，見本公司2022年4月18日新聞轉載）的基礎上，開展了國產化全技術鏈mK溫區大制冷量無液氦稀釋制冷機的理論和實驗研究工作，經過刻苦攻關，取得重要進展。
研究團隊首先以熱力學第一定律為基礎，建立從常溫到mK溫區的焓流模型，對稀釋制冷機的內部運行機制、比蒸餾加熱功率、第一級換熱器效率、最優上游壓力和預冷溫度等進行了系統分析，為稀釋制冷機的性能優化提供了有益的理論指導。根據上述模型，該稀釋制冷機的最低溫度低于5mK，且在10mK、20mK和100mK的凈制冷量分別可達38.5μW、65μW和1.8mW，相關制冷量大幅度高于目前國際最好商業化機型在相關溫區的相應制冷能力。
研究團隊隨后以該模型為基礎，對稀釋制冷機的各關鍵部件進行了專題研究，并在此基礎上開展了實際整體樣機的研制。相關實驗進展順利，實驗與理論數據變化趨勢吻合良好。相關研究結果在低溫制冷以及應用超導領域的國際期刊《Cryogenics》、《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》上連續發表。
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以上研究得到國家自然科學基金、上海市“量子信息技術”市級重大科技專項、上海市科委重大項目等研究計劃的支持，特此致謝。
【附】已發表的系列學術論文鏈接如下：
（1）https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2023.103731.
（2）https://doi.org/10.1109/TASC.2023.3349370.
（3）https://doi.org/10.1109/TASC.2024.3350594.
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滬公網安備 31011402009347號