王昌 李珂 沈俊 戴巍 王亚男罗二仓 沈保根 周远

1) (中国科学院理化技术研究所, 低温工程学重点实验室, 北京 100190)

2) (中国科学院大学, 北京 100190)

3) (中国科学院赣江创新研究院, 赣州 341000)

4) (中国科学院物理研究所, 磁学国家重点实验室, 北京 100190)

随着空间观测、量子技术等前沿科研领域的发展, 亚开温区的极低温制冷需求日益增加.本文设计并研制了一台极低温单级绝热去磁制冷机.该制冷机由GM 型制冷机提供约3 K 热沉, 以钆镓石榴石为磁热工质,由超导线圈提供最大为4 T 的磁场, 通过绝热去磁, 实验最低温度可达470 mK.在恒温控制模式下, 可在1 K下提供2.7 J 冷量, 温度波动小于0.5 mK, 绝热去磁制冷的第二热力学效率为57%; 在0.8 K 下, 制冷量为1.2 J.该制冷机将作为50 mK 温区三级绝热去磁制冷系统中的第一级, 在1 K 下提供0.7 mW 制冷功率.本研究为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷奠定了基础.

1 引 言

亚开温区(sub-Kelvin)制冷, 是指获取低于1 K 温度并提供冷量的制冷技术.该温区制冷的意义包括: 1)利用物质在极低温下的极小比热,构成探测器, 从而实现高分辨率、高灵敏度的测量, 如用于空间观测的单光子探测器, 工作温区通常低于100 mK[1]; 2)降低系统热噪声、提高信噪比, 从而观测微弱信号.如某些引力波探测器工作在100 mK[2]; 3)为特殊物理现象提供条件.如玻色-爱因斯坦凝聚(2 mK)[3]、量子相干性(20 mK)[4]等.

常用的亚开温区制冷技术包括稀释制冷(dilution refrigeration, DR)、吸附制冷(sorption refrigeration, SR)和绝热去磁制冷(adiabatic demagnetization refrigeration, ADR).三种技术的对比如表1 所列[5].

ADR 是最早出现的亚开温区制冷方……