鉑鉞科技與上海技物所聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在mK溫區(qū)無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)中 氦-3工質(zhì)的節(jié)流過(guò)程研究方面取得新的重要進(jìn)展
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2024-03-18
稀釋制冷機(jī)的末級(jí)主要利用氦-4和氦-3兩種工質(zhì)在特定溫度下（約0.87K）的顯著不同特性來(lái)實(shí)現(xiàn)mK溫區(qū)的制冷效應(yīng)。氦-4和氦-3是氦元素在自然界中的兩種穩(wěn)定同位素，在極低溫下二者均屬于量子流體，在特定溫度下均會(huì)發(fā)生奇異的超流現(xiàn)象（超流現(xiàn)象目前被認(rèn)為是一種典型的量子效應(yīng)，其宏觀表現(xiàn)為超熱導(dǎo)、黏性為零、反重力爬升、噴泉效應(yīng)等等）。但氦-4是玻色子，遵守玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)；而氦-3是費(fèi)米子，遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。反映在超流發(fā)生溫度上，氦-4在2.172K（-270.978℃）附近就會(huì)發(fā)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，從而變?yōu)槌鲬B(tài)；而遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)的氦-3不發(fā)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，要到非常接近絕對(duì)零度的2.6mK（-273.1474℃）時(shí)才發(fā)生一種特殊凝聚而轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)，而對(duì)這種特殊凝聚的一般解釋還需要借助超導(dǎo)研究中著名的BCS理論并進(jìn)一步推廣延伸。
氦-4雖然也屬于稀有氣體，但在自然界中有較穩(wěn)定的來(lái)源（如天然氣等），對(duì)其獲取、提純和液化的技術(shù)發(fā)展較早，目前已經(jīng)相對(duì)成熟，且形成了一定規(guī)模的工業(yè)化，所以人們對(duì)于氦-4性質(zhì)的研究已經(jīng)比較透徹，實(shí)際應(yīng)用也很廣泛。
而氦-3的情況則迥然不同。氦-3的特殊性首先在于其來(lái)源的極端稀缺。不但相對(duì)于一般常規(guī)氣體，就是與它的同位素氦-4相比，氦-3也屬于一種極其特殊的存在。自然界中氦-3的含量不足氦-4含量的百萬(wàn)分之一，所以從自然界中提取有實(shí)用價(jià)值體量的氦-3，幾無(wú)可能；月球中氦-3的含量雖然很豐富，但相關(guān)開(kāi)采和運(yùn)輸方案目前還都停留在設(shè)想階段。因此，自從氦-3于1920年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)直到現(xiàn)在，世界上科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用所需的氦-3基本還都是從原子反應(yīng)堆中獲取的（而且大部分情況下還是作為副產(chǎn)品）。目前氦-3的購(gòu)銷雖然也有一定的商業(yè)渠道，但因?yàn)槠鋪?lái)源的敏感和稀缺，所以價(jià)格極其高昂，如果連氦-4都能號(hào)稱“氣體黃金”的話，那氦-3只能稱為“氣體鉆石”甚至是“氣體和氏璧”了。
氦-3來(lái)源的稀缺，在一定程度上導(dǎo)致了人們對(duì)其研究的匱乏；而氦-3的某些奇異特性常常還需要在幾個(gè)量級(jí)的更極端低溫下才能表現(xiàn)出來(lái)（當(dāng)然這個(gè)是后來(lái)才知道的），更加劇了相關(guān)研究的困難。例如，氦-4在1908年就被液化了，而氦-3的液化還要再等整整40年（氣態(tài)氦-3也是自然界中最后一種被液化的氣體）；氦-4的超流動(dòng)性在1938年就被發(fā)現(xiàn)了（發(fā)現(xiàn)者彼得•卡皮查主要因?yàn)檫@一巨大貢獻(xiàn)，再加上對(duì)新型氦液化方法的發(fā)明，獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；而建立氦-4超流模型的朗道更是在1962年就獲獎(jiǎng)了，當(dāng)然朗道的獲獎(jiǎng)并不全部由于此，但朗道將量子理論引入氦-4超流動(dòng)現(xiàn)象的研究，意義重大），而氦-3超流動(dòng)性的發(fā)現(xiàn)要推遲到1972年（發(fā)現(xiàn)者戴維•李、道格拉斯•奧謝羅夫和羅伯特•理查森因此獲得了1996年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。
對(duì)氦-3的研究雖然如此艱難，但塞翁失馬，焉知非福。研究者直面這一艱巨挑戰(zhàn)所開(kāi)展的無(wú)畏探索卻陸續(xù)產(chǎn)生了許多非常有價(jià)值的成果，一個(gè)有趣的現(xiàn)象是人們對(duì)氦-3非常規(guī)特性的研究成為了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“富礦”之一。例如，除前述獲獎(jiǎng)外，安東尼•萊格特主要就是因?yàn)榻⒘讼到y(tǒng)的理論模型，成功地解釋了氦-3的超流動(dòng)性，從而獲得了2003年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
近年來(lái)與氦-3相關(guān)的研究再次引起人們濃厚的興趣，則主要得益于量子科技的飛速發(fā)展。超導(dǎo)、拓?fù)涞攘孔佑?jì)算的重要方向?qū)K溫區(qū)制冷的巨大需求，使得稀釋制冷機(jī)這一之前極為小眾的研究方向迅速變成了低溫制冷領(lǐng)域的研究前沿和研究熱點(diǎn)之一。其中氦-3是稀釋制冷機(jī)中的兩種關(guān)鍵工質(zhì)之一，自然無(wú)法回避。但目前的研究重點(diǎn)已經(jīng)與之前明顯不同：如主要關(guān)注點(diǎn)已經(jīng)從氦-3本身的基本特性研究（如其自身的熱物性、輸運(yùn)性質(zhì)等）轉(zhuǎn)變?yōu)槠湓诰唧w的稀釋制冷循環(huán)中運(yùn)行機(jī)制的研究（如氦-3在稀釋制冷系統(tǒng)中的流動(dòng)和傳熱過(guò)程及規(guī)律），而這些研究正是之前非常欠缺的。
造成相關(guān)研究欠缺局面的主要原因是和稀釋制冷機(jī)本身的發(fā)展歷史緊密相關(guān)的。稀釋制冷循環(huán)于20世紀(jì)50年代提出、并于60年代研制出實(shí)用機(jī)型，其后近半個(gè)世紀(jì)的主要應(yīng)用場(chǎng)合基本局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的低溫物理研究。這些研究相對(duì)分散，對(duì)用于創(chuàng)造低溫環(huán)境的稀釋制冷機(jī)的要求也相對(duì)寬松，比如用于衡量低溫制冷機(jī)的一些關(guān)鍵指標(biāo)如制冷量、制冷效率、連續(xù)無(wú)故障工作壽命、重量、體積、能耗等等，均無(wú)嚴(yán)格要求。特別是由于市場(chǎng)很小、供應(yīng)商極為有限，長(zhǎng)期以來(lái)供需雙方之間形成的相互依存、互相妥協(xié)的情形也使得稀釋制冷機(jī)研制人員并無(wú)主動(dòng)的技術(shù)革新動(dòng)力。然而，在進(jìn)入21世紀(jì)第二個(gè)10年之后，特別是最近四、五年來(lái)，隨著量子計(jì)算領(lǐng)域取得爆炸性的科技進(jìn)步，這一局面迅速被打破。要想緊緊跟上日趨以實(shí)用化為目的的量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展步伐，稀釋制冷機(jī)之前已經(jīng)固化的循環(huán)流程乃至設(shè)計(jì)模型都有優(yōu)化甚至是完全革新的必要，這里面首當(dāng)其沖的就是氦-3工質(zhì)在稀釋制冷循環(huán)中的熱力學(xué)、傳熱學(xué)和流體力學(xué)特性與行為，因?yàn)槿缜八龅脑颍藗冊(cè)谶@些方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)說(shuō)不上充分。
鉑鉞科技與上海技物所聯(lián)合研制團(tuán)隊(duì)，在黨海政研究員的帶領(lǐng)下，近年來(lái)對(duì)國(guó)產(chǎn)化、全技術(shù)鏈、大制冷量無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)開(kāi)展了全方位的系統(tǒng)研究，其中一部分工作就著眼于重點(diǎn)開(kāi)展對(duì)氦-3工質(zhì)在稀釋制冷循環(huán)中的運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行機(jī)理澄清和流程優(yōu)化，目前已經(jīng)取得重要進(jìn)展，相關(guān)工作將陸續(xù)發(fā)表，以在全球范圍內(nèi)與本領(lǐng)域的國(guó)際同行切磋探討，此處介紹1篇最新成果，該論文以“Investigations on the throttling process of 3He in a dilution refrigerator used for cooling superconducting quantum chips”（漢譯：“用于冷卻超導(dǎo)量子芯片的稀釋制冷機(jī)中氦-3工質(zhì)的節(jié)流過(guò)程研究”）為題發(fā)表在低溫制冷國(guó)際期刊《Cryogenics》上。
<圖1>
<圖2>
<圖3>
在稀釋制冷機(jī)中，對(duì)于氦-3工質(zhì)的循環(huán)流程，阻抗節(jié)流元件是關(guān)鍵部件之一，其主要作用是控制氦-3工質(zhì)的流動(dòng)，并最終液化氦-3氣體，這一作用對(duì)于稀釋制冷機(jī)最終獲取mK溫度至關(guān)重要。我們發(fā)現(xiàn)基于等焓膨脹假設(shè)的氦-3節(jié)流過(guò)程和真實(shí)過(guò)程之間存在一定的偏差，而且隨著工質(zhì)臨界溫度的降低，所帶來(lái)的誤差會(huì)變得越來(lái)越顯著，因此基于等焓膨脹假設(shè)的方法對(duì)于研究?jī)上鄥^(qū)域中的阻抗節(jié)流性能的影響因素并不適用，等焓膨脹假設(shè)不能用于解決超低溫下的節(jié)流問(wèn)題。因而本文提出了一個(gè)新型的氦-3工質(zhì)節(jié)流模型，該模型重點(diǎn)聚焦于氦-3工質(zhì)的復(fù)雜物理特性，以及節(jié)流過(guò)程中氦-3從過(guò)冷態(tài)向飽和態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)對(duì)制冷性能的影響。文中研究了入口壓力和入口溫度對(duì)于氦-3流率的影響，并討論了能量轉(zhuǎn)變給節(jié)流過(guò)程帶來(lái)的變化。結(jié)果顯示，本文提出的節(jié)流模型能夠合理地預(yù)測(cè)不同入口壓力和入口溫度下的氦-3工質(zhì)流率，對(duì)于mK溫區(qū)無(wú)液氦稀釋制冷機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。
<圖4>
<圖5>
<圖6>
<圖7>
上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委重大項(xiàng)目、上海市“量子信息技術(shù)”市級(jí)重大科技專項(xiàng)等研究計(jì)劃的支持，特此致謝。
【附】上述已發(fā)表的學(xué)術(shù)論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2024.103832
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