低温物理与技术-第12章超低温技术2
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利用3He-4He稀释致 冷机可达1.5mK。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
3He/4He 稀释制冷机
1951 年，H. London 提出用3He/4He 混合液来制冷的设想。 1962 年，H. London 等人给出了混合液的热力学性质，并提 出了获得1K 以下温度的详细建议。 1964 年，P. Das等人做出第一个稀释制冷机，但最低温度只 达到220mK。 1966 年，H. E. Hall 和Neganov等人分别做出了比较成功的稀 释制冷机，最低温度分别达到65mK 和22mK。 目前最好的稀释制冷机可达到2mK，商品化的产品一般可达 5−15mK。 稀释制冷机是获得mK温度的最有力工具，也是获得μK温度 的前级，被广泛地用于从事低温物理、凝聚态物理乃至核物 理、表面物理、半导低体温物物理理与技等术领-第1域2章的超低各温技个实验室。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
坡密朗丘克冷却
当T≈0.319K和p=2.931MPa时, 3He的熔化曲线上有一个很深的极小值，在比极 小值更低的温度下沿着熔化曲线对3He的液体-固体混合物进行绝热压缩，会发生 冷却效应, 这就是坡密朗丘克效应。通常所用的冷却步骤是:先将3He小液池预冷到 0.319K以下某一温度，这时3He液池内只有液态3He，在绝热条件下加大压力，则 3He的状态沿着溶化曲线移动，低温液物体理与逐技渐术固-第1化2章,当超低液温池技全部固化时即达到最终温度。
估算：在0.3K时液体3He 的汽化潜热是26.20 J/mol，而一般金属
在这样低的温度下的比热都很小。标准状态下的1 升3He 气体可
得到0.3K 的3He 液体1.63 毫升，其汽化潜热是1.16J，可以把
200kg 铜从1K 冷却到0.3K.对于发热量在10μW 以下的实验，有1
－2 毫升的液体3He 就可以在0.3－1K 的任何温度连续工作10 小
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
4He 减压液池：需要在抽气管道上安置限氦膜孔，如1mm 直 径，膜流0.3 cm3液体/小时。为了连续得到1K 温度，必须有 一毛细管到4He 液池，可用烧结铜粉或插入流阻。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
3He 制冷机
3He
因不存在3He膜,也就没有沿着3He膜的传热或3He蒸发而产生的额外漏热。所以在 低温端可以利用一粗管道对3He液浴减压,获得比利用4He液浴减压所能达到的更低 的温度。3He的正常沸点是3.1低9K温，物理通与过技术减-第压12可章达超低稍温低技 于0.3K的温度。
术2
计算指出，使用这种方法所能达到的极限温度约1mK。 Ss为固态3He 的熵 S1为液态3He 的熵
验证坡密朗丘克冷却低的温物3H理e与相技图术和-第温12-章熵超图低温技
术2
He3 制冷机小车及测量样品托
低温物百度文库与技术-第12章超低温技 术2
Janis 公司的连续循环的3He
制冷机
base temperature 420mK for continuous mode
（1）4He 的蒸气压比较低例如T= 1K 时，4He 蒸气压比3He 小35 倍；T=
0.5K 时，4He 蒸气压比3He 小10000 倍。 （2）4He 超流后形成爬行氦膜的现象，厚度约30 nm 的氦膜沿着容器壁 向上爬行，在温度较高的地方蒸发，限制了抽速。并且这种蒸发随着 HeII温度的降低而迅速增大。 估算： 1.5K，在清洁金属表面上的蒸发率约为每厘米周长每秒0.15cm3 标准状态 下气体。因此，内径60mm 的杜瓦中的液氦要减压降温至1K，需要的抽速 为21 升/秒。
第12章 超低温技术
低于1K的温度叫做超低温，因此获得低于1K温度的方法 就叫超低温技术
12.1 He减压蒸发制冷
对4.2K 的4He 液氦 恒温器减压，所能 达到的最低温度约 1.2 K。 4He液浴减压可达 最低温度约0.5K
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
对4.2K 的4He 液池减压，限制获得更低温度的因素主要有：
3He 制冷机
3He 恒温器所能达到的最低温度为0.2 K，通常为0.3 K。
减压液体3He 之所以要比减压液体4He 容易得到更低的温度，是
由于：
（1）在相同的温度下3He 的饱和蒸气压比4He 高得多；
（2）3He 没有4He 超流爬行膜引起的附加蒸发和漏热，也不需
要加限制膜流的小孔。
液体3He 具有较大的冷却能力。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
采用活性炭吸附泵的3He 制冷机
冷凝液体3He 时，保持活性炭 的温度在30K 以上，这时活性炭 没有吸附作用。等3He 气体充分 液化后，停止对活性炭的加热， 其温度下降，开始大量吸附3He 气，起到减压作用。
整个过程是可重复的，并且避 免了使用真空泵可能出现的3He 气体损失和受污染。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
连续循环的3He 制冷机
采用连续循环的方式可以长时间地维持在极低温下，即 让抽走的3He 气体重新冷凝返回3He 液池，如图中虚线 所示。注意：冷凝的液体3He 进入液池之前要经过一流 阻，选择适当大小的流阻，使得其上方的3He 压强可达 到凝聚压强，又要保证进入液池的液体流速不小于被抽 走的速率。流阻：通常是在毛细管中塞进一段不锈钢丝， 用其长短来调节。
术2
3He低温恒温器
1955 年T. R. Roberts 和S. G. Sydoriak首先成功地设计出3He 恒温器。利用3He蒸发的低温恒温器是获得1K以下温度的最简 便的方法。
3He的质量小,零点运动强烈,因此在所有的温度下它的蒸气 压比4He都要高。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
时以上。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
一次性减压的3He 制冷机
1K 池的作用是使3He 气体液化。
1K 辐射屏是为了减小辐射漏热。
利用机械泵和扩散泵减压，抽气 速率不是问题，限制最低温度的 达到主要是3He 抽气管道的阻力。
3He 液池的制作：无氧铜材料， 内部要放烧结铜粉或铜箔。
连续抽气至液体3He 全部汽化后 必须升温、重新液化3He，在低温 下连续使用的时间是有限的，一 般几个小时左右。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
牛津仪器公司的HelioxTL
>50hr holding time; 400μW cooling power
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
牛津仪器公司的HelioxVL
>60hr holding time; 40μW cooling power
利用3He液浴减压 最低温度可达到 0.2K；
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3He/4He 稀释制冷机
1951 年，H. London 提出用3He/4He 混合液来制冷的设想。 1962 年，H. London 等人给出了混合液的热力学性质，并提 出了获得1K 以下温度的详细建议。 1964 年，P. Das等人做出第一个稀释制冷机，但最低温度只 达到220mK。 1966 年，H. E. Hall 和Neganov等人分别做出了比较成功的稀 释制冷机，最低温度分别达到65mK 和22mK。 目前最好的稀释制冷机可达到2mK，商品化的产品一般可达 5−15mK。 稀释制冷机是获得mK温度的最有力工具，也是获得μK温度 的前级，被广泛地用于从事低温物理、凝聚态物理乃至核物 理、表面物理、半导低体温物物理理与技等术领-第1域2章的超低各温技个实验室。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
坡密朗丘克冷却
当T≈0.319K和p=2.931MPa时, 3He的熔化曲线上有一个很深的极小值，在比极 小值更低的温度下沿着熔化曲线对3He的液体-固体混合物进行绝热压缩，会发生 冷却效应, 这就是坡密朗丘克效应。通常所用的冷却步骤是:先将3He小液池预冷到 0.319K以下某一温度，这时3He液池内只有液态3He，在绝热条件下加大压力，则 3He的状态沿着溶化曲线移动，低温液物体理与逐技渐术固-第1化2章,当超低液温池技全部固化时即达到最终温度。
估算：在0.3K时液体3He 的汽化潜热是26.20 J/mol，而一般金属
在这样低的温度下的比热都很小。标准状态下的1 升3He 气体可
得到0.3K 的3He 液体1.63 毫升，其汽化潜热是1.16J，可以把
200kg 铜从1K 冷却到0.3K.对于发热量在10μW 以下的实验，有1
－2 毫升的液体3He 就可以在0.3－1K 的任何温度连续工作10 小
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
4He 减压液池：需要在抽气管道上安置限氦膜孔，如1mm 直 径，膜流0.3 cm3液体/小时。为了连续得到1K 温度，必须有 一毛细管到4He 液池，可用烧结铜粉或插入流阻。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
3He 制冷机
3He
因不存在3He膜,也就没有沿着3He膜的传热或3He蒸发而产生的额外漏热。所以在 低温端可以利用一粗管道对3He液浴减压,获得比利用4He液浴减压所能达到的更低 的温度。3He的正常沸点是3.1低9K温，物理通与过技术减-第压12可章达超低稍温低技 于0.3K的温度。
术2
计算指出，使用这种方法所能达到的极限温度约1mK。 Ss为固态3He 的熵 S1为液态3He 的熵
验证坡密朗丘克冷却低的温物3H理e与相技图术和-第温12-章熵超图低温技
术2
He3 制冷机小车及测量样品托
低温物百度文库与技术-第12章超低温技 术2
Janis 公司的连续循环的3He
制冷机
base temperature 420mK for continuous mode
（1）4He 的蒸气压比较低例如T= 1K 时，4He 蒸气压比3He 小35 倍；T=
0.5K 时，4He 蒸气压比3He 小10000 倍。 （2）4He 超流后形成爬行氦膜的现象，厚度约30 nm 的氦膜沿着容器壁 向上爬行，在温度较高的地方蒸发，限制了抽速。并且这种蒸发随着 HeII温度的降低而迅速增大。 估算： 1.5K，在清洁金属表面上的蒸发率约为每厘米周长每秒0.15cm3 标准状态 下气体。因此，内径60mm 的杜瓦中的液氦要减压降温至1K，需要的抽速 为21 升/秒。
第12章 超低温技术
低于1K的温度叫做超低温，因此获得低于1K温度的方法 就叫超低温技术
12.1 He减压蒸发制冷
对4.2K 的4He 液氦 恒温器减压，所能 达到的最低温度约 1.2 K。 4He液浴减压可达 最低温度约0.5K
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
对4.2K 的4He 液池减压，限制获得更低温度的因素主要有：
3He 制冷机
3He 恒温器所能达到的最低温度为0.2 K，通常为0.3 K。
减压液体3He 之所以要比减压液体4He 容易得到更低的温度，是
由于：
（1）在相同的温度下3He 的饱和蒸气压比4He 高得多；
（2）3He 没有4He 超流爬行膜引起的附加蒸发和漏热，也不需
要加限制膜流的小孔。
液体3He 具有较大的冷却能力。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
采用活性炭吸附泵的3He 制冷机
冷凝液体3He 时，保持活性炭 的温度在30K 以上，这时活性炭 没有吸附作用。等3He 气体充分 液化后，停止对活性炭的加热， 其温度下降，开始大量吸附3He 气，起到减压作用。
整个过程是可重复的，并且避 免了使用真空泵可能出现的3He 气体损失和受污染。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
连续循环的3He 制冷机
采用连续循环的方式可以长时间地维持在极低温下，即 让抽走的3He 气体重新冷凝返回3He 液池，如图中虚线 所示。注意：冷凝的液体3He 进入液池之前要经过一流 阻，选择适当大小的流阻，使得其上方的3He 压强可达 到凝聚压强，又要保证进入液池的液体流速不小于被抽 走的速率。流阻：通常是在毛细管中塞进一段不锈钢丝， 用其长短来调节。
术2
3He低温恒温器
1955 年T. R. Roberts 和S. G. Sydoriak首先成功地设计出3He 恒温器。利用3He蒸发的低温恒温器是获得1K以下温度的最简 便的方法。
3He的质量小,零点运动强烈,因此在所有的温度下它的蒸气 压比4He都要高。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
时以上。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
一次性减压的3He 制冷机
1K 池的作用是使3He 气体液化。
1K 辐射屏是为了减小辐射漏热。
利用机械泵和扩散泵减压，抽气 速率不是问题，限制最低温度的 达到主要是3He 抽气管道的阻力。
3He 液池的制作：无氧铜材料， 内部要放烧结铜粉或铜箔。
连续抽气至液体3He 全部汽化后 必须升温、重新液化3He，在低温 下连续使用的时间是有限的，一 般几个小时左右。
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
牛津仪器公司的HelioxTL
>50hr holding time; 400μW cooling power
低温物理与技术-第12章超低温技 术2
牛津仪器公司的HelioxVL
>60hr holding time; 40μW cooling power
利用3He液浴减压 最低温度可达到 0.2K；