用于亞開(kāi)溫區(qū)的極低溫絕熱去磁制冷機(jī)*

王昌 李珂 沈俊 戴巍 王亞男羅二倉(cāng) 沈保根 周遠(yuǎn)

1) (中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所, 低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100190)

3) (中國(guó)科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院, 贛州 341000)

4) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

隨著空間觀測(cè)、量子技術(shù)等前沿科研領(lǐng)域的發(fā)展, 亞開(kāi)溫區(qū)的極低溫制冷需求日益增加.本文設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)極低溫單級(jí)絕熱去磁制冷機(jī).該制冷機(jī)由GM 型制冷機(jī)提供約3 K 熱沉, 以釓鎵石榴石為磁熱工質(zhì),由超導(dǎo)線圈提供最大為4 T 的磁場(chǎng), 通過(guò)絕熱去磁, 實(shí)驗(yàn)最低溫度可達(dá)470 mK.在恒溫控制模式下, 可在1 K下提供2.7 J 冷量, 溫度波動(dòng)小于0.5 mK, 絕熱去磁制冷的第二熱力學(xué)效率為57%; 在0.8 K 下, 制冷量為1.2 J.該制冷機(jī)將作為50 mK 溫區(qū)三級(jí)絕熱去磁制冷系統(tǒng)中的第一級(jí), 在1 K 下提供0.7 mW 制冷功率.本研究為進(jìn)一步開(kāi)展極低溫多級(jí)連續(xù)絕熱去磁制冷奠定了基礎(chǔ).

1 引 言

亞開(kāi)溫區(qū)(sub-Kelvin)制冷, 是指獲取低于1 K 溫度并提供冷量的制冷技術(shù).該溫區(qū)制冷的意義包括: 1)利用物質(zhì)在極低溫下的極小比熱,構(gòu)成探測(cè)器, 從而實(shí)現(xiàn)高分辨率、高靈敏度的測(cè)量, 如用于空間觀測(cè)的單光子探測(cè)器, 工作溫區(qū)通常低于100 mK[1]; 2)降低系統(tǒng)熱噪聲、提高信噪比, 從而觀測(cè)微弱信號(hào).如某些引力波探測(cè)器工作在100 mK[2]; 3)為特殊物理現(xiàn)象提供條件.如玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(2 mK)[3]、量子相干性(20 mK)[4]等.

常用的亞開(kāi)溫區(qū)制冷技術(shù)包括稀釋制冷(dilution refrigeration, DR)、吸附制冷(sorption refrigeration, SR)和絕熱去磁制冷(adiabatic demagnetization refrigeration, ADR).三種技術(shù)的對(duì)比如表1 所列[5].

ADR 是最早出現(xiàn)的亞開(kāi)溫區(qū)制冷方式[6?8],但由于單級(jí)制冷不連續(xù), 在20 世紀(jì)60 年代逐漸被稀釋制冷機(jī)替代.20 世紀(jì)90 年代以來(lái), 隨著空間技術(shù)的發(fā)展, 亟需發(fā)展可在無(wú)重力條件下運(yùn)行、高效緊湊的極低溫制冷機(jī), ADR 再次進(jìn)入學(xué)者的視野.尤其是可連續(xù)制冷的CADR (continuous ADR)的出現(xiàn)[9], 使絕熱去磁制冷再次成為最具發(fā)展?jié)摿Φ臉O低溫制冷技術(shù), 其連續(xù)工作原理主要包括基于恒溫級(jí)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)和交替運(yùn)行的并聯(lián)結(jié)構(gòu).目前國(guó)際領(lǐng)先的ADR 技術(shù)以美國(guó)宇航局、歐洲航天局、美國(guó)加州大學(xué)、英國(guó)倫敦大學(xué)等為代表[10], 技術(shù)路線包括單級(jí)ADR、dADR(單磁體多級(jí)ADR)、多磁體多級(jí)ADR.

表1 常見(jiàn)亞開(kāi)溫區(qū)制冷技術(shù)對(duì)比Table 1.Comparison of commonly used sub-Kelvin refrigeration technology.

我國(guó)的極低溫絕熱去磁制冷研究很少.在20 世紀(jì)80 年代, 有學(xué)者對(duì)極低溫下的絕熱去磁現(xiàn)象進(jìn)行了研究[11], 采用鉻鉀礬(CrK(SO4)2·12H2O,CPA)工質(zhì), 利用氦4 減壓蒸發(fā)預(yù)冷, 最低溫度可達(dá)21 mK, 在25 mK 下可維持6 h, 但尚未發(fā)展出可循環(huán)運(yùn)行、制冷溫度可控的絕熱去磁制冷機(jī).后由于稀釋制冷機(jī)的發(fā)展和極低溫設(shè)備的進(jìn)口, 我國(guó)極低溫絕熱去磁制冷技術(shù)的研究出現(xiàn)滯緩.

本研究研制了一臺(tái)用于亞開(kāi)溫區(qū)的ADR, 闡述了其制冷原理、構(gòu)成和運(yùn)行性能; 對(duì)其制冷循環(huán)的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析; 最后, 討論了ADR 的優(yōu)化和未來(lái)發(fā)展方向.該制冷機(jī)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)可循環(huán)運(yùn)行的絕熱去磁制冷系統(tǒng), 對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)極低溫制冷設(shè)備的自主研制有著重要意義.

2 ADR 原理和基本構(gòu)成

ADR 基于磁熱效應(yīng), 即磁性材料由于磁熵(磁矩的無(wú)序程度)隨外界磁場(chǎng)發(fā)生變化而產(chǎn)生的溫度變化或吸放熱效應(yīng).當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí), 各磁矩取向趨于一致, 磁熵降低, 對(duì)外放熱, 或在絕熱條件下, 磁熵轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц耢? 溫度升高; 當(dāng)撤去磁場(chǎng)時(shí),磁熵增加, 對(duì)外吸熱, 或在絕熱條件下, 晶格熵轉(zhuǎn)變?yōu)榇澎? 溫度降低.為構(gòu)建可持續(xù)運(yùn)行的制冷機(jī),還需建立完整的制冷循環(huán).圖1 所示為ADR 的基本構(gòu)成, 包括磁熱模塊(salt pill)、磁體、熱開(kāi)關(guān)、熱沉和冷頭.

磁熱模塊是ADR 的冷量來(lái)源, 由磁熱工質(zhì)和傳熱結(jié)構(gòu)兩部分組成.磁熱工質(zhì)一般為順磁材料,以保障磁熵隨外界磁場(chǎng)有較大程度的改變.當(dāng)溫度低于某一臨界溫度(居里溫度或奈爾溫度)時(shí), 工質(zhì)將從順磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁或反鐵磁態(tài), 磁矩出現(xiàn)自發(fā)有序, 磁熵急劇降低, 制冷能力降至幾乎為0.因此, 這一臨界溫度決定了工質(zhì)的制冷溫區(qū)下限.另一方面, 臨界溫度越低意味著磁矩間相互作用越弱, 磁性離子越稀疏, 例如在小于0.1 K 溫區(qū)通常使用含有結(jié)晶水的水合鹽工質(zhì), 其磁熵密度較低,即單位制冷量較小.因此, 在選擇磁熱工質(zhì)時(shí)應(yīng)綜合考慮制冷溫區(qū)和磁熵密度, 一般選擇制冷下限略低于目標(biāo)制冷溫度的工質(zhì).此外, 還需考慮工質(zhì)的熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性、腐蝕性等[12].常用的亞開(kāi)溫區(qū)磁熱工質(zhì)如表2 所列[5,13?17].

圖1 ADR 的基本構(gòu)成Fig.1.Basic components of ADR.

表2 ADR 中常用的磁熱工質(zhì)Table 2.Commonly used magnetocaloric materials (MCM) in ADR.

表3 ADR 中常用的熱開(kāi)關(guān)[18]Table 3.Commonly used heat switches in ADR.

熱開(kāi)關(guān)位于磁熱模塊和熱沉之間, 起到控制熱量傳遞的作用.當(dāng)熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)(OFF 狀態(tài))時(shí), 磁熱工質(zhì)與熱沉絕熱; 當(dāng)熱開(kāi)關(guān)閉合(ON 狀態(tài))時(shí),磁熱模塊與熱沉間傳熱導(dǎo)通.ADR 中常用的熱開(kāi)關(guān)類型如表3 所列, 主要考慮因素包括溫區(qū)、開(kāi)關(guān)比和寄生熱等.在某些應(yīng)用場(chǎng)景中, 磁熱模塊與負(fù)荷間也存在熱開(kāi)關(guān).

磁場(chǎng)用于控制磁熱材料的磁熵和溫度的變化,ADR 所需磁場(chǎng)大小一般為0.1—4 T, 通常使用超導(dǎo)磁體.

理想的ADR 循環(huán)如圖2 所示.1)ab段, 等溫磁化.磁熱材料被預(yù)冷至熱沉溫度后(a點(diǎn)), 保持熱開(kāi)關(guān)閉合, 施加磁場(chǎng)并控制磁化速率使其等溫磁化, 直至達(dá)到最大磁場(chǎng)(b點(diǎn)), 實(shí)際過(guò)程中等溫磁化溫度略高于熱沉溫度.2)bc段, 絕熱去磁.斷開(kāi)熱開(kāi)關(guān), 逐漸減小磁場(chǎng), 使工質(zhì)在絕熱條件下降溫至目標(biāo)溫度, 此時(shí)仍剩余一定磁場(chǎng)(c點(diǎn)).3)cd段,等溫去磁.在有負(fù)荷狀態(tài)下, 繼續(xù)去磁并控制去磁速率, 以進(jìn)行等溫制冷, 直至磁場(chǎng)為0 (d點(diǎn)).4)da段, 絕熱磁化.當(dāng)去磁完全后, 需對(duì)材料磁化再生, 保持熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi), 施加磁場(chǎng), 使工質(zhì)在絕熱條件下升溫至等溫磁化溫度(a點(diǎn)), 從而進(jìn)入下一循環(huán).上述循環(huán)由兩個(gè)絕熱過(guò)程和兩個(gè)等溫過(guò)程構(gòu)成, 本質(zhì)上屬于逆卡諾循環(huán).因此, ADR 是一種內(nèi)稟高效的制冷技術(shù).

圖2 ADR 制冷循環(huán)Fig.2.Refrigeration cycle of ADR.

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該制冷機(jī)包括預(yù)冷模塊和ADR 模塊兩部分,如圖3 和圖4 所示.

預(yù)冷模塊采用GM 型脈管制冷機(jī)(1 W@4 K,表示4 K 下可提供1 W 制冷功率, 下同)提供預(yù)冷熱沉, 最低預(yù)冷溫度小于3 K.在制冷機(jī)冷頭和冷盤(pán)間采用柔性熱連接, 以減小振動(dòng)的影響.通過(guò)高真空、低熱導(dǎo)支撐結(jié)構(gòu)、低發(fā)射率的冷屏等減少各級(jí)間的漏熱.

圖3 制冷系統(tǒng)示意圖Fig.3.Schematic diagram of refrigeration system.

圖4 制冷系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.4.Photo of refrigeration system.

在高于0.5 K 溫區(qū), 通常使用磁離子密度較高的稀土金屬氧/氟化物作為磁熱工質(zhì), 如GGG,DGG, GLF.由于GGG 單晶具有較高的熱導(dǎo)率,有利于熱量和冷量的取出, 且較易制備, 因此本制冷機(jī)選擇GGG 單晶作為1 K 溫區(qū)的制冷工質(zhì).該制冷機(jī)使用的GGG 單晶直徑為30 mm、長(zhǎng)為50 mm (質(zhì)量為252 g, 約0.75 mol).在4 K 溫區(qū), GGG 單晶具有較高的熱導(dǎo)率[19], 約為10 W·m–1·K–1.因此該磁熱模塊不需額外強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu), GGG 直接與復(fù)合熱連接黏接即可.磁熱模塊由低熱導(dǎo)率的凱夫拉線(Kevlar)懸掛在超導(dǎo)磁體中, 通過(guò)熱連接分別與熱開(kāi)關(guān)和冷頭連接.

該制冷機(jī)使用的熱開(kāi)關(guān)為主動(dòng)氣隙式熱開(kāi)關(guān),通過(guò)加熱或冷卻吸附床, 使氣體脫附或吸附, 實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)通斷.該熱開(kāi)關(guān)在吸附床為20 K 時(shí)完全導(dǎo)通,4 K 下熱導(dǎo)約為20 W·K–1; 當(dāng)溫度低于12 K 時(shí)完全切斷, 其開(kāi)關(guān)比大于100.

超導(dǎo)磁體由NbTi 多芯超導(dǎo)線繞制成, 磁熱工質(zhì)所在區(qū)域中心最大磁場(chǎng)為4 T, 徑向平均磁場(chǎng)為3.88 T, 軸向平均為3.44 T.為削弱磁場(chǎng)對(duì)其他部件的干擾, 采用軟磁材料作為磁屏蔽.本裝置中,在最大磁場(chǎng)時(shí), 冷頭(與磁體距離10 cm)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5 mT.

3.2 誤差分析

溫度測(cè)量的總精度受以下因素影響[20]:

本系統(tǒng)在1 K 溫區(qū)采用氧化釕電阻溫度計(jì),在磁屏蔽條件下, 磁場(chǎng)對(duì)其干擾可忽略, 測(cè)量分辨率為50.2 mΩ (143 μK).采用電橋法(Lakeshore 372)測(cè)量, 電子精度為0.9 Ω (2.6 mK).采用極小電壓激勵(lì)(200 μV/1.9 pW), 使傳感器的自熱誤差減小為1.2 μK.標(biāo)定誤差為 ± 4 mK, 插值誤差為± 0.2 mK.因此溫度測(cè)量的總精度為

4 結(jié)果分析

4.1 ADR 的熱力學(xué)分析

制冷溫度、制冷量和制冷效率是衡量制冷機(jī)性能的基本參數(shù).在ADR 中, 這些參數(shù)的分析以磁熱工質(zhì)的熵為基礎(chǔ).如圖2, 在絕熱去磁過(guò)程(bc)中, 磁熱工質(zhì)的總熵S不變, 其可達(dá)到的最低溫度取決于初始溫度和磁場(chǎng)變化,

其中(B1,T1)和(B2,T2)分別為絕熱過(guò)程起始和結(jié)束狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度.在等溫磁化(ab)和等溫去磁(cd)過(guò)程中, 放熱量Qh、制冷量Qc以及制冷效率的計(jì)算依賴于過(guò)程的熵變?chǔ):

其中Th和Tc分別為熱沉溫度和制冷溫度,ε為第二熱力學(xué)效率.因此, 磁熱工質(zhì)的熵與溫度和磁場(chǎng)的關(guān)系是ADR 熱力學(xué)分析的關(guān)鍵.

從宏觀層面, 磁熱工質(zhì)的總熵可通過(guò)測(cè)量比熱CB(B,T)由下式間接獲得[12]:

但在某些情況, 比熱難以測(cè)量, 這時(shí)可以由磁化強(qiáng)度M(B,T)和至少一組已知的磁感應(yīng)強(qiáng)度(B1)下的總熵?cái)?shù)據(jù)S(T)B1獲得總熵:

下文將基于上述過(guò)程推導(dǎo)出的總熵測(cè)量值S(B, T)[13], 對(duì)ADR 的熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析.

另一方面, 在微觀層面, 磁熱工質(zhì)的總熵S由晶格熵Sl、磁熵Sm和電子熵Se三部分構(gòu)成:

式中,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T為溫度.其中: 晶格熵來(lái)源于晶格的熱振動(dòng), 在溫度遠(yuǎn)小于德拜溫度時(shí), 與溫度的3 次方成正比; 電子熵來(lái)源于傳導(dǎo)電子的熱運(yùn)動(dòng), 在溫度遠(yuǎn)小于費(fèi)米溫度時(shí), 與溫度成正比;磁熵主要來(lái)自于核外電子繞核旋轉(zhuǎn)和自旋產(chǎn)生的磁矩(另外還包括核自旋磁矩), 其與磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系可由統(tǒng)計(jì)力學(xué)推導(dǎo)得到[5].

式中,J為磁性原子的總角量子數(shù), 取決于材料本身;x反映了磁場(chǎng)和溫度對(duì)磁熵的影響,其中μB為玻爾磁子(9.27 × 10–24J/T),kB為玻爾茲曼常數(shù)(1.38 × 10–23J/K),g為蘭德因子(表征原子中電子自旋磁矩和軌道磁矩相互影響的參數(shù),取決于材料本身).在亞開(kāi)溫區(qū), 晶格熵和電子熵的量級(jí)遠(yuǎn)小于磁熵, 可忽略不計(jì).因此, 在缺乏實(shí)測(cè)物性的情況下, 也可由磁熵隨溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化近似為總熵變化, 以此分析ADR 的熱力學(xué)參數(shù).后文將給出兩種理論分析方法的結(jié)果以及和實(shí)驗(yàn)的對(duì)比.

4.2 ADR 的實(shí)際工作過(guò)程

圖2 描述了理想的ADR 循環(huán), 但由于換熱溫差、工質(zhì)內(nèi)溫度梯度等因素的存在, 實(shí)際過(guò)程與理想過(guò)程存在一定差異, 因此有必要對(duì)實(shí)際的循環(huán)過(guò)程進(jìn)行考慮.圖5 描述了ADR 實(shí)際運(yùn)行時(shí)首次循環(huán)和周期制冷循環(huán)的熱力學(xué)過(guò)程, 圖6 記錄了對(duì)應(yīng)過(guò)程中工質(zhì)溫度(測(cè)點(diǎn)位于冷頭)、熱開(kāi)關(guān)和磁場(chǎng)的變化情況.具體運(yùn)行過(guò)程如下:

1)首次制冷.當(dāng)工質(zhì)被預(yù)冷至熱沉溫度后(圖5中a點(diǎn)), 保持熱開(kāi)關(guān)閉合, 以較快速率磁化, 使工質(zhì)升溫至等溫磁化的目標(biāo)溫度(圖5 中b點(diǎn)); 繼續(xù)磁化并控制磁化速率, 使工質(zhì)在該溫度下等溫磁化至最大磁場(chǎng)(圖5 中c點(diǎn)); 在最大磁場(chǎng)下, 保持熱開(kāi)關(guān)閉合, 使工質(zhì)恢復(fù)至熱沉溫度(圖5 中d點(diǎn));斷開(kāi)熱開(kāi)關(guān), 在絕熱條件下逐漸減小磁場(chǎng), 使工質(zhì)降溫至制冷溫度(圖5 中e點(diǎn)); 繼續(xù)去磁并控制去磁速率, 使冷頭在一定負(fù)荷下維持恒溫制冷, 直至磁場(chǎng)為0 (圖5 中f點(diǎn)), 進(jìn)入再生(recycle)階段.

圖5 ADR 的實(shí)際循環(huán)Fig.5.Thermodynamic cycle of ADR.

圖6 典型的ADR 工作過(guò)程Fig.6.Typical running process of ADR.

2)再生和周期制冷.當(dāng)去磁結(jié)束后, 保持熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi), 施加磁場(chǎng)使工質(zhì)升溫至等溫磁化的目標(biāo)溫度(圖5 中g(shù)點(diǎn)); 然后閉合熱開(kāi)關(guān), 繼續(xù)磁化并控制磁化速率, 使工質(zhì)等溫磁化至最大磁場(chǎng)(圖5 中c點(diǎn)); 之后的過(guò)程與1)中c-d-e-f過(guò)程相同.制冷過(guò)程(e-f)和再生過(guò)程(f-g-c-d-e)構(gòu)成了一個(gè)完整的周期.

4.3 制冷性能

4.3.1 最低溫度

圖7 絕熱去磁過(guò)程中溫度-磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7.T-B diagram during adiabatic demagnetization progress.

根據(jù)4.1 節(jié)推導(dǎo), ADR 在一次循環(huán)中可達(dá)到的最低溫度取決于絕熱去磁過(guò)程初始狀態(tài)的溫度和磁場(chǎng)((1)式), 可由兩種熵的計(jì)算途徑分別得到.圖7 展示了由兩種理論途徑計(jì)算的絕熱過(guò)程中溫度隨磁場(chǎng)變化與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比, 絕熱去磁的初始狀態(tài)為4 T, 2.9 K, 其中紅色點(diǎn)劃線由GGG 的總熵測(cè)量值[13]及(1)式(B2= 0 T)得到, 藍(lán)色點(diǎn)劃線由GGG 的磁熵推導(dǎo)值((8)式)及(1)式得到.與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比發(fā)現(xiàn), 采用磁熵推導(dǎo)式近似代替總熵計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在較大差異, 而以總熵間接測(cè)量值為依據(jù)計(jì)算工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)的方法更為準(zhǔn)確.

4.3.2 制冷量和制冷效率

實(shí)驗(yàn)中, 冷頭上設(shè)有電加熱片以模擬熱負(fù)載,通過(guò)測(cè)量加熱片的電功率即可得到制冷機(jī)的制冷功率, 該功率與等溫去磁持續(xù)時(shí)間的積分即為單周期制冷量Qc.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中施加的加熱功率最大為0.7 mW, 持續(xù)時(shí)間為3850 s, 因此單周期制冷量約為2.7 J.當(dāng)以更大功率加熱時(shí), 由于磁熱模塊產(chǎn)熱和導(dǎo)熱能力有限, 無(wú)法將冷頭維持至低于1 K.

為計(jì)算制冷的熱力學(xué)第二效率((4)式), 還需測(cè)量單周期內(nèi)工質(zhì)向熱沉的放熱量Qh(圖5 中g(shù)-cd過(guò)程).由于放熱量難以直接測(cè)量, 本文采用了由加熱器產(chǎn)熱模擬磁化過(guò)程放熱的方法間接測(cè)量放熱量, 具體過(guò)程為: 在不運(yùn)行ADR 的情況下, 保持工質(zhì)與熱沉間熱開(kāi)關(guān)導(dǎo)通, 調(diào)節(jié)冷頭處(即工質(zhì)處)加熱器加熱功率, 使工質(zhì)的溫度變化與g-c過(guò)程溫度變化一致, 通過(guò)對(duì)加熱功率進(jìn)行時(shí)間積分獲得加熱量, 該加熱量即可等效為ADR 運(yùn)行中g(shù)-c過(guò)程的放熱量.而c-d過(guò)程的放熱量, 則可由磁熱模塊的總比熱和c-d段的溫變計(jì)算得到.上述方法可得, 在單個(gè)制冷周期中, ADR 在g-c階段放熱量約為9.2 J, 在c-d階段放熱量約為2.5 J.因此ADR 在熱沉溫度Th為2.9 K、制冷溫度Tc為1 K下的第二熱力學(xué)效率為

在熱開(kāi)關(guān)切斷狀態(tài)下, 流向磁熱模塊及冷頭的漏熱來(lái)源包括輻射漏熱、導(dǎo)線和懸掛機(jī)構(gòu)導(dǎo)熱、熱開(kāi)關(guān)剩余導(dǎo)熱和振動(dòng)產(chǎn)熱.總漏熱功率由實(shí)驗(yàn)測(cè)量: 在無(wú)其他冷熱源條件下, 磁熱模塊經(jīng)過(guò)12 h由0.8 K 升溫至1.9 K, 根據(jù)(5)式計(jì)算出1 K 下漏熱功率P為120 μW,

其中T為冷頭溫度,C為磁熱模塊及冷頭總熱容.

5 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)極低溫區(qū)絕熱去磁制冷機(jī), 介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)及初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果.該機(jī)目前獲得了470 mK 最低溫, 單周期制冷量2.7 J@1 K, 預(yù)計(jì)作為50 mK 溫區(qū)三級(jí)絕熱去磁制冷系統(tǒng)中的第一級(jí), 提供制冷功率0.7 mW@1 K.

未來(lái)還計(jì)劃從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)以提高制冷性能: 1)提高熱開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下的熱導(dǎo), 降低因換熱溫差帶來(lái)不可逆損失; 2)提高磁熱模塊的傳熱性能, 同時(shí)優(yōu)化連接、支撐、懸掛等部件, 減少振動(dòng)產(chǎn)熱和結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱漏熱.隨著空間探測(cè)和量子技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展, 亞開(kāi)溫區(qū)制冷的需求日益增加.與另外兩種技術(shù)相比, ADR 具有高效、緊湊、不依賴重力、工質(zhì)易得的突出優(yōu)點(diǎn), 是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ膩嗛_(kāi)溫區(qū)制冷技術(shù).本文介紹的制冷機(jī)是國(guó)內(nèi)首臺(tái)可循環(huán)運(yùn)行的絕熱去磁制冷系統(tǒng), 為進(jìn)一步開(kāi)展極低溫多級(jí)連續(xù)絕熱去磁制冷研究奠定了基礎(chǔ).