公司参研的1K温区复合制冷机研制及应用验证取得重要进展
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2022-03-27
近日，上海铂钺制冷科技有限公司作为重要合作单位，在1 K温区（-272.15℃附近）复合制冷机的研制及应用验证方面取得新的重要进展。公司技术总监党海政教授带领的联合研究团队提出的以四级高频脉冲管循环作为前级、JT循环作为终端的复合制冷循环方案，继在2021年实验获取1.52 K（-271.63℃，见本公司2021年3月10日新闻）的基础之上，又将制冷温度进一步延伸至1.36 K（-271.79℃），这是迄今为止公开报道的基于多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环实际获取的最低温度，相关工作已于近日在低温制冷领域国际期刊《CRYOGENICS》上发表。
在国际上，以多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获取1 K温区的研究，可以追溯到美国国家航空航天局（NASA）于2001年发布的先进低温制冷机技术发展计划（ACTDP），该计划提出了深空探测所需的10 K以下、1~2 K、亚开尔文温区（低于1 K）和mK温区制冷等阶段性目标，这一极具挑战性的任务目标的发布，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，使其成为整个低温制冷领域的学科前沿和研究热点之一。ACTDP计划发布后，美国（也是世界上）实力最为雄厚的几家低温制冷机科研机构如鲍尔公司（Ball）、克雷尔公司（Creare）、洛克希德∙马丁高技术中心（LMATC）、诺斯罗普∙格鲁门空间系统公司（NGAS）等均参与了竞标，Ball、Creare和LMATC分别提出了三级斯特林循环耦合JT的复合循环、三级逆布雷顿循环耦合JT的复合循环以及纯粹的四级高频脉冲管循环技术路线，实施后均没有达到预期目的；NGAS提出的三级高频脉冲管循环耦合JT的技术路线在激烈竞争中最终胜出，顺利获得1.7 K，相关机型先后被詹姆斯∙韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope)、“X星云”计划(Constellation-X)、国际X射线天文台(International XrayObservatory, IXO)和宇宙膨胀实验探针(ExperimentalProbe of Inflationary Cosmology, EPIC)等深空探测计划所选用，并于2021年12月25日随同詹姆斯∙韦伯空间望远镜发射升空，服务于其天文探测任务，其衍生机型还被用于冷却包括超导单光子探测器（SNSPD）在内的低温超导电子学器件。20余年来，多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环技术路线也成为得到空间实用验证并具有最广阔应用前景的极低温区制冷方案之一。
党海政教授带领的技术团队在极低温区复合制冷循环领域经过了十年磨一剑的潜心积累，预冷级多级高频脉冲管循环研究率先取得重大突破，如关于三级高频脉冲管循环的研究曾荣获《CRYOGENICS》期刊2018年度唯一的最佳学术论文奖（CRYOGENICS Best Paper Award 2018，见本公司2019年7月25日新闻），受到领域内国际同行的普遍认可和充分尊重；以此为基础在国内率先开展了四级高频脉冲管循环研究，并进而提出以四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环方案；2020年以四级高频脉冲管循环获取3.3 K（见本公司2019年12月5日新闻），预冷级接近国际最好水平（LMATC四级高频脉冲管3.0K）；此后对上述复合制冷循环获取2K以下温度的技术路线进行了更为深入的研究，于2021年实验获取1.52K，已优于NGAS于2020年报道的最好结果1.7K；直至近日，又再次将上述制冷温度纪录刷新至1.36 K。
同时，针对此前国内外获取2 K以下温度的具体实践均需在分系统使用昂贵而稀缺的氦-3工质（包括NGAS方案），从而严重阻碍这一循环在更广领域内实用化的缺点，团队又进一步提出以相对廉价的氦-4作为唯一工质的复合制冷循环方案，并成功获取了1.8K，验证了理论的正确性和工质在超流状态下的温度稳定性，这也是基于多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环在仅使用氦-4作为循环工质的条件下，首次实验获取低于2 K的制冷温度。为验证所研制复合制冷机的实际性能，团队又联合中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队，将该制冷机应用于冷却实际的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器件提供1.84 K的工作温度和良好的电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。上述理论和实验突破以及应用验证结果已于近日发表在国内综合性学术期刊《科学通报》上。
随着量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展，对能有效工作于2 K以下温区的高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率的低温制冷机的需求日益迫切，多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环是实现该目标的最重要途径之一。上述研究结果不但为该类复合制冷循环的空间应用提供了可靠保障，而且也将有力地促进其在更广领域的实用化。
上述工作得到国家自然科学基金、上海市“量子信息技术”市级重大科技专项、上海市产业协同创新项目以及上海市科技创新行动计划项目资助。中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室是本工作的牵头单位，上海铂钺制冷科技有限公司、上海量子科学研究中心、中科院上海微系统与信息技术研究所、赋同量子科技（浙江）有限公司、中国科学院大学等作为主要合作单位提供了重要支持。
论文链接1：四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获取1.36 K的实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103452
论文链接2：以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证：https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1305
四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环系统结构及循环流程示意图
1.36~1.8 K复合制冷机典型实物图. (a)系统整体布置; (b) 低温端细节
在国际上，以多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获取1 K温区的研究，可以追溯到美国国家航空航天局（NASA）于2001年发布的先进低温制冷机技术发展计划（ACTDP），该计划提出了深空探测所需的10 K以下、1~2 K、亚开尔文温区（低于1 K）和mK温区制冷等阶段性目标，这一极具挑战性的任务目标的发布，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，使其成为整个低温制冷领域的学科前沿和研究热点之一。ACTDP计划发布后，美国（也是世界上）实力最为雄厚的几家低温制冷机科研机构如鲍尔公司（Ball）、克雷尔公司（Creare）、洛克希德∙马丁高技术中心（LMATC）、诺斯罗普∙格鲁门空间系统公司（NGAS）等均参与了竞标，Ball、Creare和LMATC分别提出了三级斯特林循环耦合JT的复合循环、三级逆布雷顿循环耦合JT的复合循环以及纯粹的四级高频脉冲管循环技术路线，实施后均没有达到预期目的；NGAS提出的三级高频脉冲管循环耦合JT的技术路线在激烈竞争中最终胜出，顺利获得1.7 K，相关机型先后被詹姆斯∙韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope)、“X星云”计划(Constellation-X)、国际X射线天文台(International XrayObservatory, IXO)和宇宙膨胀实验探针(ExperimentalProbe of Inflationary Cosmology, EPIC)等深空探测计划所选用，并于2021年12月25日随同詹姆斯∙韦伯空间望远镜发射升空，服务于其天文探测任务，其衍生机型还被用于冷却包括超导单光子探测器（SNSPD）在内的低温超导电子学器件。20余年来，多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环技术路线也成为得到空间实用验证并具有最广阔应用前景的极低温区制冷方案之一。
党海政教授带领的技术团队在极低温区复合制冷循环领域经过了十年磨一剑的潜心积累，预冷级多级高频脉冲管循环研究率先取得重大突破，如关于三级高频脉冲管循环的研究曾荣获《CRYOGENICS》期刊2018年度唯一的最佳学术论文奖（CRYOGENICS Best Paper Award 2018，见本公司2019年7月25日新闻），受到领域内国际同行的普遍认可和充分尊重；以此为基础在国内率先开展了四级高频脉冲管循环研究，并进而提出以四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环方案；2020年以四级高频脉冲管循环获取3.3 K（见本公司2019年12月5日新闻），预冷级接近国际最好水平（LMATC四级高频脉冲管3.0K）；此后对上述复合制冷循环获取2K以下温度的技术路线进行了更为深入的研究，于2021年实验获取1.52K，已优于NGAS于2020年报道的最好结果1.7K；直至近日，又再次将上述制冷温度纪录刷新至1.36 K。
同时，针对此前国内外获取2 K以下温度的具体实践均需在分系统使用昂贵而稀缺的氦-3工质（包括NGAS方案），从而严重阻碍这一循环在更广领域内实用化的缺点，团队又进一步提出以相对廉价的氦-4作为唯一工质的复合制冷循环方案，并成功获取了1.8K，验证了理论的正确性和工质在超流状态下的温度稳定性，这也是基于多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环在仅使用氦-4作为循环工质的条件下，首次实验获取低于2 K的制冷温度。为验证所研制复合制冷机的实际性能，团队又联合中科院上海微系统与信息技术研究所尤立星团队，将该制冷机应用于冷却实际的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器件提供1.84 K的工作温度和良好的电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。上述理论和实验突破以及应用验证结果已于近日发表在国内综合性学术期刊《科学通报》上。
随着量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展，对能有效工作于2 K以下温区的高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率的低温制冷机的需求日益迫切，多级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环是实现该目标的最重要途径之一。上述研究结果不但为该类复合制冷循环的空间应用提供了可靠保障，而且也将有力地促进其在更广领域的实用化。
上述工作得到国家自然科学基金、上海市“量子信息技术”市级重大科技专项、上海市产业协同创新项目以及上海市科技创新行动计划项目资助。中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室是本工作的牵头单位，上海铂钺制冷科技有限公司、上海量子科学研究中心、中科院上海微系统与信息技术研究所、赋同量子科技（浙江）有限公司、中国科学院大学等作为主要合作单位提供了重要支持。
论文链接1：四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环获取1.36 K的实验验证：https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2022.103452
论文链接2：以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证：https://engine.scichina.com/doi/10.1360/TB-2021-1305
四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环系统结构及循环流程示意图
1.36~1.8 K复合制冷机典型实物图. (a)系统整体布置; (b) 低温端细节
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