跳到主要内容
Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

稀释制冷机怎样一直搬走极低温的热

一束电线接到极冷的样品上,既能送进信号,也会送进热。稀释制冷机靠循环的氦三不断把热带走;电线沿途夹在哪一级冷台上,样品最后能冷到多少,就会跟着改变。

Sandbox Physics ·

氦三在两层液体之间吸热

混合室里有上下两层液体:上层富含氦三,下层以氦四为主,还能溶进少量氦三。氦三从上层跨进下层时,每摩尔携带的能量增加,需要从周围吸热。混合室连着样品,样品的热就沿金属连接流过来。

这股吸热要持续,氦三就得不断离开下层。较暖的蒸馏室把氦三蒸发并抽走,循环管路再把它送回上层。进入、跨界和离开连成一圈,最冷端便能一边收到热,一边把热搬走。

在1971年的NBS分析里,极低温下能吸走多少热,取决于循环率,也取决于进入混合室的液体有多暖。同样一股循环,来流越暖,留给样品的冷量越少。这里的20毫开尔文,指距离绝对零度只有百分之二开尔文。

来源:[1][2]

回流先把来流冷下来

从混合室离开的稀相液体仍然很冷。让它贴着来流逆向流过,热就从来流传给回流,来流抵达混合室前先降温。这是逆流换热器:同一条循环里,已经完成吸热的液体继续帮助下一批液体。

真实冷机上方还有室温、50K、4K等平台,下面再接蒸馏室、冷板和混合室。平台名称只是习惯叫法,实际温度会随运行条件改变。冷机先经过预冷,建立液相和循环,才进入毫开尔文运行段。低温混合公式只负责这最后一段。

来源:[1][3]

电线在半路把热交给冷台

室温设备必须和样品通信,导线也就成了通向低温端的热路。导线越粗、越短,同样温差下传热通常越多。把导线盘绕并夹紧在中间冷台上,可以让热先流进那块冷台,再由对应冷级带走。

接线夹本身也有热阻。夹子松了,导线接点就未必和冷板一样冷,仍会把较多热送往下一级。热锚的作用要沿实际路径来看:热从暖端来,一部分流进冷板,剩下的继续走向混合室。

把更多导线接到样品上,可能同时增加测量能力和热负载。接线布局、材料、截面、长度与接触质量,都是低温实验设计的一部分。

来源:[2][3]

混合室冷了,样品还需要散热

样品上的加热器、测量电流和外来干扰都会放热。热要经过样品架与混合室之间的接触才能流走。接触有限时,必须留出温差才有热流,样品便会比混合室更暖。观察混合室温度之外,还要在靠近样品的位置测温,并等它真正稳定。

来源:[2][4]

温度稳定时,热仍在流动

温度曲线最后变平,表示流进来的热与循环带走的热一样多。此时导线还在传热,样品上的电流也仍会发热,冷机持续工作,温度才停在这里。

给混合室连上一只功率已知的小加热器,再增加一点电功率,温度会先上升。按这段低温关系,混合室暖一些时吸热能力也会增加,随后停在一个更高的温度。比较几次平衡后的温度和加热功率,就能看出这台装置怎样应对增加的热负载。流率与接线要保持相同,才能比较同一条冷量曲线。

来源:[1]

温度计也会给自己加热

电阻温度计用一小股电流测出电压,再从电阻换算温度。电流虽小,仍会发热;极低温下,传感器散热慢,读到的可能是它自己稍暖的温度。换一档更弱的激励,看看读数是否仍相同,是一个直接检查。

2021年,Myers、Li和Csáthy比较了不同装配和滤波的氧化钌温度计。改善屏蔽与滤波后,其中一只在更低温度仍保持灵敏;论文也测到,越冷越需要耐心等它平衡。温度计的校准、安装和激励,与冷机本身一起决定读数是否可信。

来源:[4][2]

来源与延伸阅读

  1. Radebaugh and Siegwarth (1971), Dilution refrigerator technology, Cryogenics 11, 368–384

    核读印刷369至373页,特别是371页式6至11及373页稀相流热容。采用旧版94/12与同温82系数;换热器107.2倍温度的流股热容单独处理。系数对应论文所选溶解度及低温近似。

  2. N. H. Balshaw, Practical Cryogenics, Oxford Instruments, 2001 imprint

    采用35至37页的两相与循环、56至61页的逐级接线截热和四线测阻,以及67页热导积分形式。不把高温材料表外推到20毫开尔文。

  3. Bluefors (2023), Components of the Dilution Refrigerator Measurement System

    采用2023年2月14日原厂说明中的冷台结构、预冷、热开关与闭合循环架构。平台名称和实际温度不同;公开产品冷量不作为本模拟数据。

  4. Myers, Li and Csáthy (2021), A ruthenium oxide thermometer for dilution refrigerators operating down to 5 mK

    核读论文校准、自热及平衡时间部分。采用独立参考温度、改变激励检查自热,以及装配和滤波影响读数的事实。幂律、幅值、接触与响应时间在模拟中另作合成假设。

反馈这个页面有错误、看不明白,或者缺了什么?告诉我们
反馈类型

提交时会附带本页地址、Lab ID、网站语言和设备类型。请不要填写个人信息。反馈最多保存 12 个月。隐私政策