氦3和氦4稀釋制冷及其應用

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3He-4He稀釋制冷原理的提出

通常氦原子的原子核中有兩個質(zhì)子和兩個中子，它還有一種同位素，原子核中有兩個質(zhì)子但只有一個中子。前者叫氦-4（4He），在不特別聲明的情況下，所說的氦即指氦-4，后者稱為氦-3（3He）。這兩種同位素性質(zhì)有很大不同，3He非常稀少，在自然界每1000萬個氦原子中才有一個較輕的3He原子。也許正是由于這一原因，科學家們多年都無法找到足夠數(shù)量的3He來研究它的性質(zhì)。不過核工業(yè)的副產(chǎn)物之一是3He，近年發(fā)現(xiàn)一些天然氣中富含氦，其中3He含量也較高，這些都為3He的研究和應用提供了條件。1969年阿波羅登月飛船發(fā)現(xiàn)月球上存在3He，后來確定月球的月壤中3He儲量達百萬噸之巨。如果將來能開發(fā)月球資源，3He作為一種清潔的核能源有巨大的應用前景。

20世紀30年代末，科學家們發(fā)現(xiàn)了液氦的一種奇異特性，在特定的溫度下，液態(tài)氦的黏性完全消失，并進而表現(xiàn)出超流動性。用抽真空的方法降低液氦的蒸氣壓來降低溫度，當溫度下降到2.17K時，液氦發(fā)生相變，這一溫度以下的液氦呈超流相。20世紀70年代進而發(fā)現(xiàn)了3He超流相，但它的相轉(zhuǎn)變溫度比4He要低得多，約為前者的0.1%，在0.0026K以下3He才可能轉(zhuǎn)變?yōu)槌鲬B(tài)。

1951年H．倫敦觀察到，在低溫下呈超流態(tài)的4He中，即使混入少量3He，仍能保持超流狀態(tài)。其中的3He原子宛如存在于真空中，它不受摩擦而自由運動。若用一個僅可通過4He的超流導管輸入更多的超流體，3He將向4He中擴散，如同氣體向真空膨脹一樣降溫。H．倫敦提出利用這一現(xiàn)象制冷的設想，不過當時物理學界并未太注意他提出的這種制取超低溫的新方案，因為那時很難得到足夠數(shù)量的3He，對它的性質(zhì)也不太了解，同時3He和4He的相分離現(xiàn)象還沒有發(fā)現(xiàn)，這種方式制冷在技術(shù)上也難實現(xiàn)。

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1956年，瓦爾特斯（G. K. Walters）和費爾班克斯（W. M. Fairbanks）發(fā)現(xiàn)，溫度在0.87K以下時，3He和4He混合液分成兩個完全不同的相，較輕的富3He相浮在上層，而較重的富4He相沉在下層。富3He相也稱濃縮相，在0.3K以下時幾乎是純3He。富4He相則稱為稀釋相，它含有6.4%的3He，即使接近絕對零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。這一特性成為可連續(xù)獲得毫開溫度的稀釋制冷機的基礎(chǔ)。

1962年，H．倫敦和門德爾松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀釋制冷實用技術(shù)方案。

稀釋制冷原理與蒸發(fā)制冷有相似之處。低溫下4He呈超流態(tài)，是惰性液體，而3He仍為正常流體，是個活躍成分。因此，若一個容器中盛有3He-4He混合液，下層的富4He相對于上層富3He相來說，可以認為是只起支撐或“機械真空”的作用。只要采取某種方式除去一些富4He相中溶解的3He，下層富4He相中3He濃度降低，勢必破壞兩相間的平衡，富3He相中的3He原子將穿過分界層擴散到富4He相中去。從界面上看，這相當于3He蒸發(fā)，只不過3He分子不是蒸發(fā)進入氣相空間，而是“蒸發(fā)”進入液相的超流態(tài)4He中。這個過程實際上是3He不斷被稀釋的過程，若稀釋持續(xù)下去，液體就不斷被冷卻。因此這種制冷方式稱為稀釋制冷。

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當然3He-4He稀釋制冷與3He的蒸發(fā)制冷還是有很大區(qū)別。前面已經(jīng)提到，在蒸發(fā)制冷過程中，隨著溫度下降，3He蒸氣壓急劇降低，最終無氣可抽而不得不終止制冷過程，這限制3He蒸發(fā)制冷的極限溫度是0.25K。稀釋制冷則不同，富4He相中3He的含量不變，不管溫度多低，抽氣機總可以維持恒定的3He循環(huán)量，因此可以得到比3He蒸發(fā)制冷低得多的溫度。

3He-4He稀釋制冷機的誕生

1964年荷蘭科學家制成了第一臺稀釋制冷機，奧波特（R. de Bruyn Ouboter）和塔柯尼斯在萊頓實驗室實現(xiàn)了3He-4He稀釋制冷循環(huán)。當時由于換熱器設計得不太好，他們只得到0.2K。

1966年，霍爾（H. E. Hall）等人得到更好一些的結(jié)果，他們達到0.065K。同年，蘇聯(lián)的尼加諾夫（B. S. Neganov）建成一臺高效率稀釋制冷機，并達到0.025K。1968年，他進而把溫度推進到0.005K。1975年，蘇聯(lián)的彼什科夫（V.Peshkov）和法國的格勒諾布爾（Grenoble）小組把稀釋制冷的溫度紀錄提高到0.003K。同一期間，美國、英國等國家建起稀釋制冷裝置。我國也研制成功一臺稀釋制冷機，最低溫度約35mK,0.1K以下時的制冷量為24μW。

一臺稀釋制冷機要能長時間制冷，這意味著必須使3He連續(xù)循環(huán)制冷。稀釋制冷機的結(jié)構(gòu)如圖7-1所示。在稀釋制冷機中，稀釋制冷過程發(fā)生在混合室。這里是整個裝置最冷的部分，溫度在0.1K以下，富3He相和富4He相就在這里分層。用一根管道將混合室下部與蒸發(fā)器相連，蒸發(fā)器中與混合室下部一樣是富4He液體，而蒸發(fā)器溫度為0.6K。不斷用真空泵抽取蒸發(fā)器中的蒸氣，因為在蒸發(fā)器溫度下3He的蒸氣壓遠遠高于4He蒸氣壓，所以基本上只有3He被抽走，而4He并不參加循環(huán)?；旌鲜依锔?He相中的3He不斷被抽走，富3He相中的3He原子穿過界面向富4He相擴散，就產(chǎn)生如前所說的降溫效應。蒸發(fā)器中泵出的3He蒸氣，經(jīng)換熱—加壓—換熱，再次凝結(jié)為液體，返回混合室，完成整個循環(huán)。

稀釋制冷機示意圖

與其他各種超低溫制冷裝置相比，稀釋制冷機成本較低，能連續(xù)制冷并得到持續(xù)穩(wěn)定的低溫。特別是它不需要大的磁體，不受磁環(huán)境的影響，這對需要避開磁影響的超導、核極化等實驗尤為可貴。這方面許多精彩的實驗常常是借助于稀釋制冷裝置完成的。

隨著3He資源日漸豐富，稀釋制冷機發(fā)展非常迅速，成為獲得毫開溫度的主要方法之一。現(xiàn)在，各種型號的稀釋制冷機已由廠家成批生產(chǎn)，在0.1K溫度下提供10～100μW的冷量。稀釋制冷的極限溫度約為0.002K，可以很方便地提供0.003～0.5K的工作溫度。