2022-04-15

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　　中国科学院上海技术物理研究所党海政团队对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环进行了理论与实验研究，并联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队对该复合制冷循环用于冷却实际的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)进行了应用验证，相关研究成果发表在《科学通报》2022年第9期。

 

　　量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展，对可有效工作于2K（或-271.15℃）及以下温区低温制冷机的需求日益迫切。例如在量子信息领域，光量子计算机（典型如我国的“九章”系列）需要借助其核心部件之一——SNSPD对光子的最终状态进行观测，而SNSPD需要在2 K左右的低温环境下才能有效工作。目前这一制冷需求主要使用Gifford-McMahon（GM）制冷机来满足，但迄今为止，我国2 K温区GM制冷机仍基本依赖进口。更大的挑战还来自于空间领域的需求。因GM制冷机不具有空间应用的可能性，空间量子通信和深空探测等所需的高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率的2 K及以下温区制冷机，还必须通过复合制冷技术等途径来实现。在国际上，以回热式的高频脉冲管循环耦合间壁式的Joule-Thomson（JT）循环所组成的复合制冷循环是极低温区制冷领域的学科前沿和研究热点之一。例如，美国国家航空航天局于2001年启动的先进低温制冷机技术发展计划（Advanced Cryocooler Technology Development Program），带动了国际范围内20余年来极低温区空间制冷机的研究和应用；美国诺斯罗普∙格鲁门空间系统公司（NGAS）的三级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环方案，也顺利获得了1.7 K无负荷温度，并于2021年12月25日随同詹姆斯∙韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）发射升空，服务于其红外天文探测任务。

 

　　党海政团队于2018年提出以四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环方案，并于2020年以纯粹的四级高频脉冲管循环成功获取3.3 K，较大幅度低于NGAS方案的10~18 K预冷温度。之后，他们对相关技术路线进一步深化，在2021年实验获取1.52 K，优于NGAS于2020年的最新报道结果1.7 K。

 

　　但需要指出，目前国际、国内以高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获得2K以下温区的成功实践，均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的。氦-3在地球上存量稀少、价格高昂，是阻碍这一循环在更广领域内实用化的关键瓶颈。可以设想，如果在JT分系统中也能以成本相对低廉的氦-4替代氦-3，亦即整个复合制冷循环中以氦-4为唯一工质，则这一循环在更广领域的实用化瓶颈将有望得到根本解决。

 

　　本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究，分析了基于该循环获取2K以下温度的关键难点和可行性，理论预测出以氦-4为唯一工质也可以获得1.78K制冷温度，进而分析了在氦-4超流态工况下循环参数优化的限制条件。设计出的制冷机实际无负荷温度达到1.8 K，且在360小时连续运行时间内温度波动不超过±6 mK，验证了理论的正确性和工质在超流状态下制冷温度的稳定性。随后，将制冷机应用于冷却实际SNSPD器件，通过对系统探测效率和暗计数率等关键指标的实测，表明制冷机可以为SNSPD提供1.84 K工作温度和良好电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。

复合制冷机实物图



复合制冷机典型降温曲线



SNSPD器件探测效率和暗计数随偏置电流的变化关系

 

　　本文所取得的理论、实验以及应用验证方面的突破，不但为SNSPD的未来空间应用提供了可靠保障，同时也将有力地促进该类复合制冷循环在更广领域的实用化。

 

原文信息： 　　党海政, 张涛, 赵帮健, 等. 以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证. 科学通报, 2022, 67: 896–905, doi: 10.1360/TB-2021-1305

 

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