李珂 王亞男 劉萍 禹芳秋 戴巍? 沈俊?

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 100049)

1 引言

極低溫制冷技術(shù)通常是指獲取1 K 以下溫度的技術(shù),在前沿物理、空間探測(cè)、量子技術(shù)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用.一方面,極低溫制冷能夠提供極端實(shí)驗(yàn)環(huán)境,探索和發(fā)現(xiàn)極低溫下的物理規(guī)律,例如3He 超流、量子反?；魻栃?yīng);另一方面,極低溫制冷也是諸多先進(jìn)儀器和尖端科技的關(guān)鍵支撐技術(shù),如單光子探測(cè)器、超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)等.

目前主要的極低溫制冷技術(shù)有三種: 吸附制冷、稀釋制冷和絕熱去磁制冷(adiabatic demagnetization refrigeration,ADR).吸附制冷雖具有體積小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),但熱效率低,制冷溫度下限較高,約250 mK,遠(yuǎn)高于后兩者(10 mK 以下);稀釋制冷具有可連續(xù)制冷、冷量大、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),自20 世紀(jì)60 年代起,逐漸取代更早出現(xiàn)的絕熱去磁制冷成為主流.但稀釋制冷機(jī)需要依賴重力實(shí)現(xiàn)相分離,無法滿足空間應(yīng)用.隨著20 世紀(jì)90 年代空間科學(xué)對(duì)探測(cè)器分辨率的要求不斷提高,亟需發(fā)展空間可用的極低溫制冷技術(shù),而無需依賴重力運(yùn)行的ADR 幾乎已成為唯一選擇.美國(guó)NASA[1?4]、歐洲ESA[5?7]、日本JAXA[8,9]等國(guó)際機(jī)構(gòu)均開展了絕熱去磁制冷相關(guān)研究,其中以美國(guó)NASA 技術(shù)最為代表性.2001 年Shirron等[10]提出了基于恒溫級(jí)可連續(xù)運(yùn)行的ADR 架構(gòu),解決了絕熱去磁制冷循環(huán)本征不連續(xù)難題,拓展了ADR 的應(yīng)用場(chǎng)景.憑借著結(jié)構(gòu)緊湊、無需稀缺3He 工質(zhì)、易于維護(hù)和操作等優(yōu)勢(shì),用于地面實(shí)驗(yàn)的商業(yè)ADR 設(shè)備也在國(guó)際上相繼出現(xiàn),如美國(guó)FormFactor 公司[11](原HPD 公司)與德國(guó)Entropy公司[12]等.

目前國(guó)內(nèi)的極低溫ADR 技術(shù)研究很少,成熟度低.20 世紀(jì)80 到90 年代,中國(guó)科學(xué)院萬邵寧和容錫燊[13]、冉啟澤和李金萬[14]曾進(jìn)行過絕熱去磁的低溫實(shí)驗(yàn),以十二水合硫酸鉻鉀(CrK(SO4)2?12H2O,CPA)為制冷工質(zhì),利用4He 減壓蒸發(fā)作為預(yù)冷,獲得21 mK 最低溫.但尚未發(fā)展出可循環(huán)運(yùn)行、溫度可控的絕熱去磁制冷機(jī).此后隨著極低溫設(shè)備的大量進(jìn)口,我國(guó)極低溫制冷技術(shù)的相關(guān)研究幾近停滯.

近年來,國(guó)際形勢(shì)日益嚴(yán)峻,大量先進(jìn)技術(shù)裝備和科研儀器遭到禁運(yùn),為保障我國(guó)在凝聚態(tài)物理、空間探測(cè)、量子技術(shù)等領(lǐng)域相關(guān)科研的順利進(jìn)行,本課題組[15]自2019 年開展絕熱去磁制冷機(jī)的自主研究,并成功搭建國(guó)內(nèi)首臺(tái)可循環(huán)運(yùn)行、制冷溫度可控的絕熱去磁制冷機(jī),最低制冷溫度460 mK.之后又構(gòu)建了一臺(tái)采用釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12,GGG)與十二水合鐵銨礬(Fe(SO4)2NH4?12H2O,FAA)為制冷工質(zhì)的兩級(jí)ADR 系統(tǒng),制冷溫度進(jìn)一步降低至150 mK[16],但距離國(guó)際主流商業(yè)ADR 仍有一定差距.為此,基于上述研究搭建了一臺(tái)多級(jí)絕熱去磁制冷系統(tǒng).本文將從技術(shù)原理、系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵部件以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹.

2 ADR 結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 ADR 基本結(jié)構(gòu)及制冷循環(huán)

ADR 的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,磁熱模塊、超導(dǎo)磁體和熱開關(guān)是三個(gè)基本部件.磁熱模塊由磁熱材料和熱總線組成,前者的磁熱效應(yīng),即磁熵隨外界磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致的吸放熱,是ADR 冷量的來源;后者則負(fù)責(zé)強(qiáng)化傳熱,并將熱量傳遞給熱沉或冷頭.超導(dǎo)磁體用來提供變化的磁場(chǎng),以激發(fā)材料的磁熱效應(yīng).熱開關(guān)用來控制熱量傳遞和斷開,是實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)的關(guān)鍵.結(jié)合圖1(b),具體的循環(huán)過程下.

圖1 ADR 基本結(jié)構(gòu)與工作原理 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖;(b) ADR 制冷循環(huán)Fig.1.Schematic and principle of ADR: (a) Schematic diagram;(b) refrigeration cycle of ADR.

1) a→b: 熱開關(guān)維持?jǐn)嚅_狀態(tài),施加磁場(chǎng),磁熱模塊溫度升高,直至達(dá)到熱沉溫度Th.

2) b→c: 閉合熱開關(guān),控制勵(lì)磁速率,磁熱模塊開始向熱沉等溫放熱,直至達(dá)到最大磁場(chǎng)Bhigh.

3) c→d: 切斷熱開關(guān),降低磁場(chǎng),磁熱模塊溫度降低,直至目標(biāo)制冷溫度Tc.

4) d→a: 控制去磁速率,進(jìn)入恒溫去磁過程,直至磁場(chǎng)降低至Blow,之后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán).

由上可知,對(duì)負(fù)載的冷卻主要由d→a 過程完成,且一旦磁場(chǎng)去磁至Blow,則必須進(jìn)入a→b→c→d 過程完成再生,因此ADR 制冷循環(huán)本質(zhì)上屬于非連續(xù)制冷.此外,理想的ADR 制冷循環(huán)是由兩個(gè)等溫和兩個(gè)絕熱過程構(gòu)成的卡諾循環(huán),這也是ADR 制冷效率較高的原因之一.

2.2 多級(jí)ADR

圖1(a)為最基本的單級(jí)ADR 結(jié)構(gòu),要獲得更低的制冷溫度,主要面臨兩個(gè)問題: 1) 為避免磁熱材料進(jìn)入磁有序狀態(tài)導(dǎo)致無磁熵可用,必須選用磁有序轉(zhuǎn)變溫度更低的材料,但這類材料的磁熵變密度也較低;2) 機(jī)械制冷機(jī)能提供的預(yù)冷溫度通常為3—4 K,懸掛機(jī)構(gòu)、熱開關(guān)等部件會(huì)引入較大的漏熱,導(dǎo)致系統(tǒng)比功率降低甚至無法達(dá)到預(yù)期制冷溫度.為解決上述問題,目前通常采用多級(jí)ADR架構(gòu),如圖2 所示.該架構(gòu)將多級(jí)ADR 串聯(lián),利用上一級(jí)ADR 為下一級(jí)提供預(yù)冷,通過控制各級(jí)磁場(chǎng)與熱開關(guān)的運(yùn)行時(shí)序?qū)崿F(xiàn)逐級(jí)冷卻,具體工作過程參見4.1 節(jié).

圖2 多級(jí)ADR 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic diagram of multi-stage ADR.

多級(jí)架構(gòu)中,各級(jí)ADR 可采用該溫區(qū)下最佳的磁熱材料.其中,高溫級(jí)ADR (制冷溫度通常在1 K 附近)可采用磁有序轉(zhuǎn)變溫度雖高但磁熵密度更大的稀土氧化物、氟化物,如GGG 與Dy3Ga5O12(DGG)等,以獲得更大的制冷量;而低溫級(jí)ADR 則采用磁有序轉(zhuǎn)變溫度更低的水合物順磁鹽,如CPA,FAA 等,以獲得更低的制冷溫度.同時(shí),由于第一、二級(jí)ADR 的存在,4 K 熱沉與mK級(jí)冷頭間的漏熱得到抑制.此外,多級(jí)架構(gòu)還可進(jìn)一步衍生出具備連續(xù)制冷能力的ADR 技術(shù),從而解決ADR 制冷循環(huán)本征不連續(xù)的難題[10].

3 整機(jī)架構(gòu)及關(guān)鍵部件

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 為整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu),主要包含以下4 部分.

1) 預(yù)冷系統(tǒng): 主要包括一臺(tái)4 K GM 型脈管制冷機(jī),負(fù)責(zé)吸收第1 級(jí)ADR 高溫側(cè)釋放的熱量,并冷卻一級(jí)和二級(jí)防輻射屏,阻擋外界環(huán)境的輻射漏熱.

2) 真空系統(tǒng): 主要包括真空罩、高真空分子泵以及真空管件,保證系統(tǒng)內(nèi)的真空度,避免殘余氣體導(dǎo)致的漏熱.

3) 測(cè)控系統(tǒng): 主要包括用于監(jiān)測(cè)磁熱模塊溫度的氧化釕溫度計(jì)及其配套測(cè)溫儀;可編程控制的超導(dǎo)磁體電源;驅(qū)動(dòng)熱開關(guān)的多路直流恒壓源;以及采用Labview 語(yǔ)言編寫的測(cè)量控制軟件.測(cè)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能有: ①通過發(fā)送特定時(shí)序指令,完成ADR 自身的制冷循環(huán)控制;② 控制各級(jí)ADR 運(yùn)行時(shí)彼此之間的時(shí)序配合;③通過PID控制器,實(shí)現(xiàn)mK 級(jí)冷頭的恒溫控制.

4) ADR 核心: 由三級(jí)ADR 串聯(lián)構(gòu)成,下文將詳細(xì)介紹分部件.

3.2 關(guān)鍵部件

3.2.1 磁熱模塊

如前文所述,多級(jí)ADR 的一大優(yōu)勢(shì)在于各級(jí)ADR 可采用其工作溫區(qū)下性能最佳的磁熱材料.對(duì)于本制冷機(jī),第1 級(jí)ADR 設(shè)計(jì)制冷溫度在0.7—0.8 K,可看作高溫級(jí)ADR,故選擇磁熵密度較大,磁有序轉(zhuǎn)變溫度0.38 K 的GGG;第2 級(jí)和第3 級(jí)ADR 屬于低溫級(jí)ADR,選擇磁有序轉(zhuǎn)變溫度更低0.009 K 的CPA 作為磁制冷工質(zhì).

由于兩種材料在穩(wěn)定性和熱導(dǎo)率上的巨大差異,導(dǎo)致磁熱模塊結(jié)構(gòu)存在較大不同,如圖3 所示.對(duì)于GGG,由于其形態(tài)穩(wěn)定,熱導(dǎo)率相對(duì)較高,因此,熱總線形式簡(jiǎn)單,無需額外的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu),直接與GGG 復(fù)合粘接即可,如圖3(a)所示;對(duì)于CPA,由于是水合物,其穩(wěn)定性差、熱導(dǎo)率低,故采用了圖3(b)所示的特殊結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)包含兩部分,外圍的G10 外殼和端蓋用來密封CPA,防止其失水導(dǎo)致失效;內(nèi)部有若干均勻分布銅線,用來強(qiáng)化磁熱模塊內(nèi)部的晶體傳熱.通過合適的生長(zhǎng)方法和參數(shù)優(yōu)化后,目前CPA 填充率約97%.

圖3 磁熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖(a) GGG 磁熱模塊;(b) CPA 磁熱模塊Fig.3.Schematic diagram and photo of salt pills: (a) GGG salt pill;(b) CPA salt pill.

3.2.2 熱開關(guān)

熱開關(guān)位于各級(jí)磁熱模塊之間以及磁熱模塊和熱沉之間,用來控制熱量傳遞.理想的熱開關(guān)應(yīng)在OFF 狀態(tài)時(shí)近似絕熱,在ON 狀態(tài)時(shí)具有較高的熱導(dǎo),即具有較大的開關(guān)比;同時(shí)開關(guān)動(dòng)作速度快,開關(guān)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)引入寄生熱.目前最常見的熱開關(guān)主要有機(jī)械式、超導(dǎo)式和氣隙式.機(jī)械式由于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜,僅適用于磁熱模塊和熱沉之間;超導(dǎo)式在OFF 狀態(tài)下很難實(shí)現(xiàn)有效絕熱.因此本系統(tǒng)中的三個(gè)熱開關(guān)均采用了氣隙式熱開關(guān),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、開關(guān)比大等優(yōu)點(diǎn).

圖4(a)為主動(dòng)氣隙式熱開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖.通過電加熱片給活性炭吸附床加熱,釋放氣體分子,氣隙中的壓力升高,熱開關(guān)導(dǎo)通;停止加熱,吸附床通過弱熱連接被4 K 熱沉冷卻,吸附氣隙中氣體分子,氣隙壓力降低,熱開關(guān)斷開.本制冷機(jī)的第1 級(jí)和第2 級(jí)ADR 均采用主動(dòng)氣隙式熱開關(guān),但主動(dòng)氣隙式熱開關(guān)的電加熱片以及與4 K 冷盤的弱熱連接會(huì)引入寄生熱.因此,對(duì)于工作溫區(qū)更低、對(duì)漏熱更敏感的第3 級(jí)ADR,采用了被動(dòng)氣隙式熱開關(guān),如圖4(b)所示.被動(dòng)氣隙式熱開關(guān)取消了電加熱片和吸附床,利用銅翅片作為吸附表面、磁熱模塊自身的溫度變化作為激勵(lì),驅(qū)動(dòng)氣體的脫附和吸附,實(shí)現(xiàn)開關(guān)通斷.經(jīng)測(cè)試,所研制的被動(dòng)式熱開關(guān)在0.3 K 溫區(qū)下,ON 狀態(tài)熱導(dǎo)約為3.9 mW/K,OFF 狀態(tài)熱導(dǎo)為3.5 μW/K,開關(guān)比可達(dá)1000 以上.

圖4 氣隙式熱開關(guān)示意圖與實(shí)物圖(a)主動(dòng)式氣隙熱開關(guān)[17];(b)被動(dòng)式氣隙熱開關(guān)Fig.4.Schematic diagrams and photos of gas-gap heat switches: (a) Active gas-gap heat switch[17];(b) passive gas-gap heat switch.

3.2.3 超導(dǎo)磁體和磁屏蔽

本制冷機(jī)中各級(jí)ADR 所用的超導(dǎo)磁體均由NbTi 多芯超導(dǎo)線繞制而成,中心最大磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為4,2 和1 T,并各自裝有二極管失超保護(hù)器.為降低引線漏熱,采用了YBCO 高溫超導(dǎo)線.考慮到ADR 的大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)有一定要求,因此,在超導(dǎo)磁體外圍設(shè)置有磁屏蔽.前期對(duì)磁屏蔽效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,并與數(shù)值仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比.圖5 顯示,在距離4 T 磁體的相同位置,數(shù)值計(jì)算和磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量結(jié)果分別為0.51 mT 和0.58 mT.

圖5 磁屏蔽的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置Fig.5.Numerical simulation and experimental measurement of magnetic shielding.

4 整機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 為整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置以及內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)圖.為使結(jié)構(gòu)更加緊湊同時(shí)便于安裝維護(hù),ADR 核心采用了相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).三級(jí)ADR 采用平行布置以節(jié)省縱向空間,并放置于一塊單獨(dú)的冷盤之上,該冷盤通過3 根銅棒與4 K 冷盤連接并傳熱.

圖6 多級(jí)ADR 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6.Photos of multi-stage ADR.

4.1 不確定度分析

實(shí)驗(yàn)中通過交流電阻橋(Lake shore 372)和電阻型溫度計(jì)(Lake shore RX102B)來測(cè)量溫度.根據(jù)儀器使用手冊(cè)查到,在20—300 mK 溫區(qū),總不確定度為4 mK[18].實(shí)驗(yàn)中采用電加熱片模擬制冷機(jī)的熱負(fù)載,因此,電加熱功率即為制冷機(jī)的制冷功率,其可通過測(cè)量電流和加熱片電阻值求得.電流使用數(shù)字萬用表(Keithley 2700)測(cè)量,不確定度為0.1 μA[19];加熱片阻值采用Lake shore 372測(cè)量,不確定度為2.1 Ω[18].根據(jù)誤差傳遞法則可知,制冷功率的不確定度約為10 nW.

4.2 多級(jí)ADR 的運(yùn)行時(shí)序

多級(jí)ADR 的制冷時(shí)序要比單級(jí)ADR 復(fù)雜,為便于理解,以最低溫實(shí)驗(yàn)為例,結(jié)合圖7 介紹本制冷機(jī)的運(yùn)行過程.

圖7 多級(jí)ADR 運(yùn)行時(shí)序及降溫過程Fig.7.Operation sequence and cooling process of multistage ADR.

1) 準(zhǔn)備階段: 啟動(dòng)預(yù)冷制冷機(jī),使4 K 冷盤和超導(dǎo)磁體溫度降低至4 K 附近;對(duì)三個(gè)超導(dǎo)磁體勵(lì)磁至電流上限;開啟主動(dòng)熱開關(guān)1 和2.

2) a→b: 三個(gè)磁熱模塊被冷卻至熱沉溫度,準(zhǔn)備過程結(jié)束.

3) b→c: 切斷熱開關(guān)1,此時(shí)ADR 核心與4 K熱沉之間絕熱.

4) c→d→e: 超導(dǎo)磁體1 電流逐漸降低至0,ADR1 進(jìn)行去磁,溫度降低,預(yù)冷ADR2 和ADR3,直至三者溫度接近.

5) e→f: 斷開熱開關(guān)2,此時(shí)ADR2,ADR3與ADR1 之間絕熱.

6) f→g: ADR2 進(jìn)行去磁,預(yù)冷ADR3,直至ADR2 溫度達(dá)到200 mK;期間調(diào)整去磁速率避免二者溫差過大.

7) g→h: ADR3 開始去磁,當(dāng)溫度達(dá)到150 mK附近時(shí),熱開關(guān)3(被動(dòng)式)自動(dòng)斷開,直至磁場(chǎng)接近0 時(shí),獲得最低制冷溫度,38 mK.

4.3 恒溫控制與溫度波動(dòng)

ADR 的恒溫控制屬于測(cè)控系統(tǒng)功能的一部分,用以維持去磁制冷過程中的冷頭溫度恒定.當(dāng)測(cè)量溫度與設(shè)定值存在差異時(shí),由測(cè)控軟件中的PID 控制器發(fā)送指令,調(diào)節(jié)超導(dǎo)磁體電源勵(lì)/去磁速率.實(shí)際中,由于極低溫制冷機(jī)的循環(huán)周期長(zhǎng),系統(tǒng)熱響應(yīng)慢,給PID 控制參數(shù)整定帶來一定難度.為此,建立了相關(guān)的數(shù)值仿真模型,用以輔助加速PID 的調(diào)參過程,具體可參考文獻(xiàn)[20].

為了降低溫度波動(dòng),根據(jù)噪音來源在硬件線路接線方面改進(jìn)以下三個(gè)方面.

1)電磁噪音: 溫度計(jì)的測(cè)量激勵(lì)信號(hào)通常在nA 級(jí)別,因此需做好屏蔽.在真空罩內(nèi)部采用雙絞線以減小磁通;真空罩外部采用屏蔽線.

2)熱噪音: 針對(duì)真空罩內(nèi)部,溫度計(jì)自身和測(cè)量導(dǎo)線進(jìn)行良好的熱沉,避免溫度導(dǎo)致的測(cè)量誤差,同時(shí)還可降低導(dǎo)線漏熱.

3)接地: 外部采用星型單點(diǎn)接地,防止形成地線環(huán)路.

系統(tǒng)的溫度波動(dòng)的測(cè)試情況如圖8 所示,對(duì)30 min 內(nèi)共17575 溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析,可得溫度波動(dòng)(RMSE)為10.6 μK.

圖8 系統(tǒng)的溫度波動(dòng)Fig.8.Temperature fluctuation of the system.

4.4 制冷量與漏熱

為避免混淆,此處強(qiáng)調(diào)下制冷量與制冷功率的定義.大多數(shù)制冷方式如蒸汽壓縮制冷、斯特林制冷、稀釋制冷等,均為連續(xù)制冷,制冷量常指代制冷功率,單位為W.但對(duì)于ADR 或其他非連續(xù)制冷,制冷量Q和制冷功率P的關(guān)系為

其中t為制冷時(shí)間(恒溫去磁過程).為測(cè)量制冷量,在第3 級(jí)ADR 冷頭上,安裝有電阻絲加熱片,用來模擬熱負(fù)載,而實(shí)際制冷量Qact就等于焦耳熱:

其中I通過Keithley 2700 數(shù)字萬用表測(cè)量,電加熱片阻值采用四線法通過交流電阻橋獲得.

事實(shí)上,磁熱模塊等溫去磁時(shí)的總制冷量Qtotal,還有一部分用于抵消系統(tǒng)的漏熱量Qloss(包括熱開關(guān)漏熱、懸掛機(jī)構(gòu)漏熱、導(dǎo)線漏熱、輻射漏熱,以及機(jī)械振動(dòng)、電渦流等引起的損耗),即

其中Pact為實(shí)際制冷功率,Ploss為漏熱功率.顯然在磁場(chǎng)、磁熱模塊等條件不變的情況下,漏熱量越小,實(shí)際制冷量就越大,其上限即為Qtotal.

在100 mK 制冷溫度下,制冷功率分別為1,2,3 μW 時(shí),各自的維持時(shí)間如圖9 所示,顯然制冷功率越大,維持時(shí)間也越短.根據(jù)(3)式對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行擬合,可求漏熱功率Ploss=4.5 μW,總制冷量Qtotal=71 mJ;同時(shí)也可推算出100 mK 下的無負(fù)荷(Pact=0)維持時(shí)間約為4.3 h.

圖9 100 mK 下不同實(shí)際制冷功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9.Experimental results of different actual cooling power at 100 mK.

5 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)多級(jí)絕熱去磁制冷機(jī),介紹了其工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵部件和主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果.目前,所獲得的最低制冷溫度為38 mK,100 mK 下的制冷量為71 mJ,溫度波動(dòng)約10 μK.該機(jī)不僅是國(guó)內(nèi)率先突破50 mK 的多級(jí)ADR 系統(tǒng),同時(shí)部分性能參數(shù)達(dá)到國(guó)外同類商業(yè)產(chǎn)品水平,為國(guó)內(nèi)相關(guān)科研和尖端儀器提供了有力的技術(shù)保障.為進(jìn)一步提高整機(jī)性能,未來研究計(jì)劃講從以下四個(gè)方面開展: 1) 改進(jìn)磁熱模塊熱總線結(jié)構(gòu)和制造工藝,降低傳熱溫差、提高可靠性;2) 優(yōu)化軟熱連接和懸掛機(jī)構(gòu),減少振動(dòng)產(chǎn)熱和漏熱;3) 優(yōu)化氣隙熱開關(guān)設(shè)計(jì),提高熱導(dǎo)以縮短循環(huán)周期,并探索更低溫區(qū)的超導(dǎo)式熱開關(guān);4) 增設(shè)恒溫級(jí),開展連續(xù)型多級(jí)ADR 架構(gòu)的研究,并最終實(shí)現(xiàn)ADR 連續(xù)制冷.