【低温实验室：张超博士 撰文】
【仪器设备：无液氦稀释制冷机 Oxford Triton 500】
【地点：云谷校区 E10-135实验室】
目前稀释制冷机技术已十分成熟并应用于多种科研领域，但其昂贵的价格和复杂的操作使其成为“小众”设备，让大量科研工作者望而却步，极大地限制了该技术的应用。西湖大学立足于“高起点、小而精、研究型”的办学定位，物质科学公共实验平台综合物性分析实验室购置了牛津仪器科技有限公司生产的Triton 500无液氦稀释制冷机，目前该设备正为西湖大学PI提供测试服务，并向全社会开放预约使用。我们将以合理的价格为广大科研工作者提供高质量的测试服务。
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。值得注意的是，少数几个分子甚至是一个分子构成的系统，由于缺乏统计的数量要求，是没有温度的意义的。图1左图展示了不同温度区间的范例（这里的温度单位是开尔文，绝对零点0 K = -273.15 ℃），例如太阳中心的温度可达16 MK；右图展示了利用不同制冷技术所能达到的低温，例如目前所能达到的最低温度为100 PK。
图1不同温度区间（左图）；低温的获得（右图）
温度出现在各种自然科学的领域中，包括物理、地质学、化学、大气科学及生物学等，是一个非常重要的参数。在物理学中，两物体之间的热平衡是由其温度而决定，温度也会造成固体的热涨冷缩，温度也是热力学的重要参数之一。现代物理实验，尤其是凝聚态物理实验，许多需要在低温甚至极低温下进行研究，我们不禁要问，这种极低温对于科学研究有什么意义？为什么需要极低温？目前主要有一下几个方面的考虑：1.研究对象本身在低温下有独特性质：例如超导、4He和3He的超流、超固体等。2.所关心的物理过程能量尺度小：如果我们想要研究的量子态的能隙D较小，那么在热运动的特征能量尺度和它可比拟时，两个量子态的态密度会产生交叠，它就有较大概率跃迁到与之相邻的激发态上，不再是我们希望研究的那个目标态。3.追求极端实验条件:这里既包括研究对象本身，又包括实验环境的实现。例如超高磁场的实现，目前借助超导磁体可以轻易的获得9 T乃至16 T的磁场，其上限由超导线材的上临界场决定。温度越低，上临界场就越大，为了追求更高的磁场，磁体就需要处于更低的温度。
低温要如何获得呢？低温最初是通过空气的液化获得的，早在1823年，英国科学家法拉第利用加压和冷却的方法液化了SO2、CO2、NO2、H2S、NH3、HCI等气体，还有一些气体，如O2、H2、N2、CO、He等，在163 K的低温下，无论加多大的压力都无法使它们液化。这些气体在当时被称为永久气体。1869年安德鲁发现任何一种气体都有一个临界温度Tc，高于这个温度时，光靠加压是无法使它们液化的。1877年，卡里捷液化了氧气，得到了90 K的低温；1883年，奧利雪夫斯基和伏洛布列夫斯基液化了一氧化碳、甲烷、氮气和空气，得到了48 K的低温；1898年，杜瓦液化了氢气，获得了20 K的低温；1908年，昂纳斯成功地液化了氦气，得到了深冷低温4.2 K，因而获得了1913年度的诺贝尔物理学奖。
在大气压下，氦气会在4.2 K下沸腾。随着压力的降低，沸点逐渐降低。所以只需要通过泵吸走蒸汽降低压强就可以更进一步降低液氦的温度。但是当温度低于1 K时，这个过程变得不切实际：即使是很小的热量泄漏，也会显着提高氦气的温度，此时即使使用最好的真空泵，也不能足够快地去除蒸汽进行补偿。氦的稀有同位素3He，其标准沸点仅为3.2 K，可以通过泵降低压强冷却至约0.3 K。1951年H. London提出可以用超流4He稀释3He的方法制冷的理论。到1965年P. Das等人根据这一理论制成了3He-4He稀释制冷机，目前已达到2 mK的低温。它可以长时间地维持mK范围的温度，有较大的冷却能力，已成为获得mK温度的最重要的手段和设备。3He和4He的混合液在0.86K以上时，液3He可以以任何比例溶解在液4He中，但是当混合溶液的温度降到0.86 K以下时，混合液则分离成两相，其中含3He多的相称为浓缩相，而含3He少的相称为稀释相。在低于0.86 K的任一温度都对应于一定的3He含量的稀释相和浓缩相，并达到相平衡。当从稀释相中取走3He原子时，为了保持两相的平衡，则由浓缩相中的3He通过相界面进入稀释相以补充被移去的3He原子。可以计算得3He在稀释相中的焓和熵比在浓缩相中要大得多。所以这种稀释过程需要吸热，利用这个吸热现象制成了稀释制冷机。
图2氦稀释制冷机示意图。工作介质是3He（浅灰色），以逆时针方向循环。4He（深灰色）不循环。
图2展示了稀释制冷机的工作原理，从稀释制冷机的结构图来看，包含相界面的室称做混合室，3He原子从浓缩相经过相界面进入稀释相要吸热而制冷，使温度降低。包含稀释相的自由表面的室称为蒸馏室，温度维持在0.6～0.7 K。此时3He的饱和蒸气压远高于4He的饱和蒸气压，可以用抽气机抽走，这时浓缩相中的3He原子就不断地通过相界面进入稀释相，抽走的3He经过冷凝再补充到浓缩相中形成循环，使制冷机不断地运行。
