--- title: "稀释制冷机怎样一直搬走极低温的热" description: "氦三跨过两层液体的界面时吸热，回流帮助冷却来流。接线、样品接触和温度计，则决定最冷端实际能到多冷。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/dilution-refrigerator/" language: "zh-CN" page_type: "story" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/dilution-refrigerator/" last_modified: "2026-11-12" --- [物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/) 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 · 2026-11-12 ## 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] ## [让接线夹改变最低温度](https://sandboxphysics.com/zh/labs/dilution-refrigerator/) 松开热锚，再比较混合室、样品和反向电流测温曲线。 从已预冷的20至40毫开尔文运行段计算两节点储热、有限接线截热与原始测温。 ## 来源与延伸阅读 1. [Radebaugh and Siegwarth (1971), Dilution refrigerator technology, Cryogenics 11, 368–384](https://trc.nist.gov/cryogenics/Papers/Review/1971-Dilution_Refrigerator_Technology.pdf) 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](https://andor.oxinst.com/downloads/uploads/practical-cryogenics.pdf) 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](https://bluefors.com/stories/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](https://arxiv.org/abs/2110.03788) 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。 [游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [旋转流变仪为什么要同时量转速和扭矩](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/brillouin-microscope/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/) [用光听见原子在磁场里的节奏](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optically-pumped-magnetometer/) [让激光跟着原子走时](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optical-lattice-clock/) [Kibble 天平怎样用两次实验测质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/kibble-balance/) [泵很大，为什么样品旁边还抽不干净](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ultra-high-vacuum-system/) [怎样用微波读出超导量子比特](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/superconducting-qubit-readout/) [电流怎样在薄片两侧留下电压](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/four-probe-hall/) [离子跑一段路，怎样量出质荷比](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/time-of-flight-mass-spectrometer/) [四根直杆怎样筛选离子的质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quadrupole-mass-filter/)