冷漠毕竟！实际天下的冰系大魔导师-浓缩制冷机
说到冰系邪术，我们约莫想到是火影忍者中白的冰遁血继界线，是死神中日番谷冬狮郎的斩破刀冰轮丸，是海贼王水师大将青雉的冰河世纪。在动漫中的冰魔刑场景常常让我们遐想我们假如有了冰系邪术该是何等炫酷的事
随着科技的提高，在我们平常生存中以前有了可以时候坚持温度低的容器了，没错，我说的正是冰箱（笑），固然其在平常生存中以前可以满意我们大局部生存必要，但是在物理学中这种温度还远远不够低。在物理学中所说的温度低寻常是指在液氮温度（77K，K表现开尔文温度，开尔文温度数值上即是摄氏温度数值减去273.15）以下的温度区间，而与动漫中寻求冰系邪术的更强毁坏性不同的是，在物理学中，物理学家们朝着别的的邪术极限去积极，就是不休打破更低的温度。
室温下的液氮
向一个物理极限倡导打击本身就是一件令人冲动的事变。并且在极温度低下，固体具有比热变很小，热噪声比低温明显减小等优点，有利于高敏捷度的传感器的制备。除此之外更紧张的是在物理学中，一些征象只产生在十分低的温度下，比如超流体、超导体和半导体中的量子力学效应；这些征象对凝结态物理的提高起着至关紧张的作用。因此极温度低的完成具有十分紧张的意义。
超导体的完全抗磁性
现在到达温度低的伎俩主要有吸附制冷、绝热去磁制冷和浓缩制冷。浓缩制冷武艺于 1950 年代初次提出，并在 60 年代建成了第一个完备的浓缩制冷体系，随后便告捷商业化。浓缩制冷武艺最温度低度可以低至数个mK（10K），具有制冷历程一连不中断及制冷功率较大等优点，随着温度低物理研讨需求的不休增长，其以前成为现在最为盛行的制冷办法，是古代温度低物理范畴当之无愧的大魔导师。
浓缩制冷使用 He/He（氦的两种同位素）殽杂物的特性来完成制冷。我们先简便了解一下He/He殽杂溶液的基本实质，及之后会显现的节流历程。
完成极温度低的途径 | 图片源自[3]
我们晓得氦(He)是一种有数气体，它的化学实质十分安定，寻常在天然界中以单质存在，它有两种同位素，He和He，当温度高于0.87K时，两种溶液可以以随意比例互溶，而当温度低于0.87K时，殽杂液会分散成两种相，此中He较多的相当为浓缩相，He较少的相当为浓缩相，并且在浓缩相中的He具有比浓缩相中小得多的焓和熵（这是两个与体系热力学实质有关的物理量，其增长伴随着吸热历程），当从浓缩相中不休抽走He时，为了坚持新的均衡，浓缩相的He会跑到浓缩相中招致熵增，如此就会吸热惹起体系温度的低落。
节流历程是指在较高压力下的流体（气或液）经多孔塞向较低压力朝向活动的历程，在这个历程中，流体的温度会产生厘革，大大多气体在常温下节流历程就会招致温度的低落，而氦在46K以下时，节流历程才会有制冷效应。浓缩制冷机中就有使用这个原理的局部布局。
浓缩制冷机氦浓缩制冷机表现图。事情介质是He（浅灰色），以逆时针朝向循环。He（深灰色）不循环。
底下就让我们来了解浓缩制冷机的原理吧！在这之前，我们应该先构成两个看法：1、浓缩制冷机中的He在外加的泵的作用下在一个闭合的回路中循环活动(如图a中的绿线所示)。2、浓缩制冷机由上到下温度是逐级低落的。
图（a）展现了一台湿式浓缩制冷剂的主要布局，主要包含室温下的 He 循环泵（图中并未画出）、4 K 液氦池(helium bath，He循环布局基本泡在此中)、 1 K 池(1K bath)、节流元件(main impedance、secondary impedance)、多个热互换器(heat exchanger)、殽杂室(mix chamber)，He蒸发腔室(still)。
图(a) 浓缩制冷机布局表现图及实物图 | 表现源自[1]
其基本事情历程是：从a图中绿色虚线的箭头处开头He气体经过外部循环泵加压，颠末液氦池（helium bath）并经过与其热互换冷却到4K支配，再围绕1K池(1K bath)向卑劣动，经过与1K池热互换的办法冷却到1K四周（1K池中装有He,同时一个毗连在外部的泵经过抽走He蒸气以减克制冷的办法使得其温度维持在1K四周）。随后，He颠末一个特制节流元件(main impedance)使其温度持续低落，此时，He的温度约莫为0.7K，比He蒸发腔室(still)中略高，之后He流经缠绕在still上导热精良的导管，使用still进一步冷却He。然后He气体再次颠末一个节流变大历程(secondary impedance)使得温度进一步低落，最初He颠末殽杂室之上的热互换器(heat exchanger)，经过与殽杂室(mix chamber)中流出的更冷的He互换热量，降至更低的温度后流入殽杂室。
氦三（上图）与氦四（下图）的压强-温度相图。氦三的相变温度十分低，为展现出特性，温度使用对数标尺。注意两图在温度区间上的宏大不同。| 图片源自[4]
在殽杂室中存在之条件到的两个相，浓缩相和浓缩相，浓缩相在上方。浓缩相本人方并不休分布到He蒸发室（still）的地点。得当加热still，由于He的饱和蒸气压宏大于He的饱和蒸气压，以是只需温度控制的切合，就可以使得蒸发而出的基本是He，因此浓缩相中He的浓度减小，使得殽杂室浓缩相中的He会进入浓缩相中以到达新的均衡，而这是一个熵增的历程会吸取热量，从而到达降温的目标。still中蒸发的He颠末循环泵的作用进入下个循环，循环往复，使得殽杂室中的温度不休低落。怎样样，是不是很简便？
熵增历程表现
讲完浓缩制冷机的制冷历程，接下去我们就简便了解一下它的制冷功率与什么有关。
依据热力学第二定律，思索一个可逆的等温历程，实际冷却功率为：
公式来自文献[1]。此中n的导数是 He 的流速。T是殽杂室的温度。S是每摩尔He 的熵，x是浓缩相的饱和He 浓度，R 是普适摩尔气体常数，T是费米温度，h是普朗克常数，k是玻尔兹曼常量，N是阿伏加德罗常数，V是浓缩相中He的摩尔体积，m*是好效质量。在稀相中m* = 2.45m，在浓相中m* = 2.8m ，m是原本He原子的质量。
可以看到，制冷功率主要与费米温度的倒数的差有关，而费米温度又取决于浓缩相中He的摩尔体积，因此实质上制冷功率，取决于浓缩相He的摩尔体积。
费米面
由于不休持续到0K时He/He殽杂液的浓缩相浓缩相的分散不休存在，看上去仿佛浓缩制冷机温度能不休低落没有极限。而实践上，当殽杂室温度低于3 mK 支配时，由于浓缩相出口导管与殽杂室外部存在的热传导等作用，会使得殽杂室的温度不克不及无穷地减小。当出口导管传导到殽杂室的热流量即是浓缩制冷的制冷功率时，浓缩制冷剂的温度到达最小值。干系盘算标明其最温度低度为：
此中d为出口导管直径，因此出口管越大，最温度低度越低，而由于实践的缘故出口导管的直径又不克不及随意的增大从而限定了制冷机的最温度低度。
浓缩制冷机的基本原理基本就是如此啦，小伙子，我看你骨骼精奇，想来物理所一同砚习温度低邪术吗?
参考文献：
[1] Zu H, Dai W, de Waele A. Development of dilution refrigerators—A review[J]. Cryogenics, 2022, 121: 103390.
[2] 汪志诚. 热力学· 统计物理[J]. 1993.
[3] 浓缩制冷 – 走向极温度低-西湖大学 物质封建公用实行平台
[4] Helium
? 物理所师生原创投稿 ?
作者：胡利洪
审稿：刘广同
编纂：云开叶落
