氦3和（hé）氦4稀釋製冷及其應（yīng）用

氦3人類未來的新能源,月（yuè）球上有百萬噸氦3至少夠（gòu）整個（gè）人類用700年

3He-4He稀釋製冷原理的提出

通常氦原子的（de）原子核中有兩個質子和兩個中子，它還有一種同位素，原子核中有兩個質子但隻有（yǒu）一個中子。前者叫氦-4（4He），在不特別聲明（míng）的情（qíng）況下，所說的氦（hài）即（jí）指氦-4，後者稱為（wéi）氦-3（3He）。這兩種同位素性質有很大不（bú）同，3He非常稀少，在自然界每1000萬個氦原子中才有一個較輕的3He原子。也許正（zhèng）是由於這一原因，科學家們多年都無法找到足夠數量的3He來研究它的性質。不過核工（gōng）業的副產物之一是3He，近年發現一（yī）些51吃瓜网中富含氦，其中3He含量也（yě）較高，這些都為3He的研究和應（yīng）用提供了條（tiáo）件。1969年阿波（bō）羅登月（yuè）飛船發現月球上存在3He，後來（lái）確定月（yuè）球的月壤（rǎng）中3He儲量（liàng）達百萬噸之（zhī）巨。如果將來能開發月球資源，3He作（zuò）為一種清潔的核（hé）能源有（yǒu）巨大的（de）應用前景。

20世紀30年代末，科學家們發現了液氦的（de）一種奇（qí）異特性，在特定的溫度下，液態氦的黏（nián）性完全消失，並進而表現出超流動性。用抽真空的方（fāng）法降低液氦的蒸氣壓來降低溫度，當溫度下降到2.17K時，液氦發（fā）生相變，這一溫度以下的液氦呈超流相。20世紀70年代進而發現了3He超流相，但它的（de）相轉變溫度比（bǐ）4He要低（dī）得（dé）多，約為前者的0.1%，在0.0026K以下3He才可能轉變為超流態。

1951年H．倫敦觀察到，在低溫下呈超流態的4He中，即（jí）使混入少量3He，仍能保持（chí）超流狀態。其中的3He原子宛如存在於真空中，它（tā）不受摩擦而自由運動。若用一個（gè）僅可通過4He的超流（liú）導管輸入更多的超流體，3He將向4He中擴散，如同氣體向真空膨脹一（yī）樣降溫。H．倫敦（dūn）提出利（lì）用這一現象製冷的設想，不過當時物理學界並未太注意他提出的這種製取超低溫的新方案，因為那時（shí）很難得到足（zú）夠數（shù）量的3He，對（duì）它的性質也不太了解，同時3He和4He的相分離現（xiàn）象還沒有發現，這種方式製（zhì）冷在技術上也難實現。

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1956年，瓦爾特（tè）斯（G. K. Walters）和費爾班克斯（W. M. Fairbanks）發現，溫度在0.87K以（yǐ）下時（shí），3He和4He混合液分成兩個完全不同的相（xiàng），較輕的富3He相浮在上層，而（ér）較重的富（fù）4He相沉（chén）在下層。富3He相也稱濃（nóng）縮相，在0.3K以下時（shí）幾乎是純3He。富4He相則稱為稀釋相，它含有（yǒu）6.4%的3He，即使接近絕對零度也仍有6.4%的3He溶解（jiě）在4He中。這一特（tè）性成為可連（lián）續獲得毫（háo）開溫度（dù）的稀釋製冷機的基礎。

1962年，H．倫敦和門德爾鬆（KurtMendelssohn）等人再次提出稀釋（shì）製冷實用技術方案。

稀釋製冷原（yuán）理與蒸發製冷有相似（sì）之處。低溫下4He呈超流態，是惰性液體，而3He仍為正（zhèng）常流體，是個活（huó）躍成分（fèn）。因此，若一個容器中盛有3He-4He混合液，下層的富4He相對於上層富3He相來說，可以認為是隻起支撐或（huò）“機械真（zhēn）空（kōng）”的作用。隻要采取某種方式除去（qù）一些富4He相中溶解的3He，下層富4He相中3He濃度降低，勢必（bì）破壞兩（liǎng）相間的平（píng）衡，富3He相中的3He原子將穿過（guò）分界層擴散到富4He相中去（qù）。從界麵上看，這相當於3He蒸發，隻不過3He分子（zǐ）不是蒸發進入氣相空間，而是“蒸發”進入液相的超流（liú）態4He中。這個過程實際上是3He不斷被（bèi）稀釋的過程，若稀（xī）釋持續下去，液體就不斷被冷卻。因此這種製冷方式稱為稀釋製冷。

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當然3He-4He稀（xī）釋製冷與（yǔ）3He的蒸（zhēng）發製冷還（hái）是有很（hěn）大（dà）區別。前麵已經提到（dào），在蒸發製冷過程中，隨著溫（wēn）度（dù）下降，3He蒸氣壓急劇降低，最終無（wú）氣可抽而不得不終止製冷過程，這限製3He蒸發製冷的極限溫度是0.25K。稀釋（shì）製（zhì）冷則不（bú）同，富4He相中3He的含量不變，不管溫度多低，抽氣機（jī）總可以維持恒定的3He循環量，因（yīn）此可以得到比3He蒸發製冷低得多的溫度（dù）。

3He-4He稀釋（shì）製冷機的誕生（shēng）

1964年荷蘭科學（xué）家製成了第一台稀釋製冷（lěng）機，奧波特（R. de Bruyn Ouboter）和塔柯尼斯在萊頓實驗（yàn）室實現了3He-4He稀釋製冷循環。當時由於換熱器設計得不太好，他（tā）們隻得到0.2K。

1966年，霍爾（H. E. Hall）等人得到更好一些的結果，他們達到0.065K。同（tóng）年，蘇聯的尼加諾夫（B. S. Neganov）建成一台高效率稀釋製冷機，並達到0.025K。1968年，他進而把（bǎ）溫（wēn）度推進到0.005K。1975年，蘇聯的彼什科夫（V.Peshkov）和法國的格勒諾布爾（Grenoble）小組把稀釋製冷的溫（wēn）度紀錄提高到0.003K。同一期間，美國、英國（guó）等國家建起稀釋製冷裝置。我（wǒ）國也研製成功一台稀釋（shì）製冷機（jī），最低溫度約35mK,0.1K以下時的製冷量為24μW。

一台稀釋製冷（lěng）機要能長時間製冷，這意味著必須使3He連（lián）續循環製冷。稀釋製冷機的結構如（rú）圖7-1所（suǒ）示。在稀釋製冷（lěng）機中，稀釋製冷過程發生在混合室。這裏是整個（gè）裝置最（zuì）冷的部分，溫（wēn）度（dù）在0.1K以下，富3He相和富4He相就在這裏分層。用一根管道將混合室下部與蒸發器相連，蒸發器中與混合室下部一樣是富4He液（yè）體，而蒸發器溫度為0.6K。不斷用真空泵抽取蒸（zhēng）發器中的蒸氣（qì），因為在蒸發器溫度（dù）下3He的蒸氣壓遠遠高於4He蒸氣（qì）壓，所以基本上隻有3He被抽走，而4He並不參加循環。混合室（shì）裏富4He相中（zhōng）的3He不斷被抽走，富3He相中的3He原子穿過界麵向富4He相擴散，就（jiù）產生如前所說的降溫效應。蒸發器中泵出的（de）3He蒸氣，經換熱—加壓—換（huàn）熱，再次凝結為液體，返回混（hún）合室，完成整個循環。

稀釋製冷機示意圖

與其他各種（zhǒng）超低溫製冷裝置相（xiàng）比，稀釋製冷機成（chéng）本較（jiào）低，能連續（xù）製冷並得到持續穩定的低溫。特（tè）別是它不需要大的磁體，不受磁環境的影響（xiǎng），這對需要避（bì）開磁影響的超導、核極化（huà）等實驗尤為可貴。這方麵許多精彩的實驗（yàn）常（cháng）常是借助（zhù）於稀釋製冷裝置完成的（de）。

隨著3He資源日（rì）漸豐富，稀釋製冷機發展非常迅速，成為獲得毫開溫（wēn）度的主要方法之一。現在，各種型號的稀釋製冷機已由廠家成批生產，在0.1K溫度下提供10～100μW的冷量。稀釋製冷的極限溫度約為0.002K，可以很方便地（dì）提供（gòng）0.003～0.5K的工作溫度。