稀释制冷

稀释制冷机是1962年首先由Heinz London提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素³He和⁴He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖³He和⁴He特殊的热力学特征。

氦是所有气体中沸点最低的，是最难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10^-6体积分数左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10^-12Pa•s左右，具有极好的超流动性, 流动几乎没有阻力。同时，导热系数非常大，比铜大104倍，因此在超流液氦中不可能形成温度梯度。氦由二种稳定同位素³He和⁴He组成。正常的氦气里仅含1.3×10^-6的³He，因此，除非特别说明，一般均指⁴He。⁴He在2.172K以下，具有超流动性，而³He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。在极低温下，液体³He和⁴He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。



Heinz London, German (1907-1970)

低温下³He和⁴He的液氦混合物相图显示，³He和⁴He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。



低温下³He/⁴He液相混合物相图

在低于三相点（0.87K）的温度下，³He/⁴He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。一个相主要含有³He，因此被称为³He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一个相主要含有³He，因此被称为⁴He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论什么温度下，总是至少含有6％的³He。

油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。但是，如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，反之，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。



含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物

如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把³He原子从³He的浓缩相运输到³He 稀缺相（⁴He的浓缩相）。如果³He原子可不断跨越这个界限，则可有效地冷却³He和4He混合物。由于³He稀缺相即使在绝对零度也不能的6％，因此，可以在极低的温度下进行有效的稀释制冷。这个过程发生的地方被称为混合室。

最简单的应用是间歇式稀释制冷机，首先收集大量的³He浓缩相混合物液体，然后将逐渐把³He移到³He的稀缺相进行稀释制冷，一旦所有的³He处于³He稀缺相，制冷过程就停止了。

通常采用连续运行的稀释制冷机。³He浓缩相混合物在冷凝器中首先液化，然后流到在混合室中，³He从³He浓缩相迁移到³He稀缺相中，产生制冷量，然后³He稀缺相混合物液体在蒸发器（Still）中蒸发，成为^3_He浓缩相气体混合物，被压缩机加压后返回到冷凝器，开始再次循环。



连续氦稀释制冷原理

氦稀释制冷机具有连续制冷、操作方便、稳定可靠、不用磁场就可获得mK级低温的特点，为低温物理学研究提供了便利。现已制成能获得约0.005K低温的间歇式稀释制冷机，在连续制冷系统中可达到0.01K。



连续氦稀释制冷机

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• 2016-10-28稀释制冷