Page 75 - 《真空与低温》2025年第5期

614 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

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机需求日益迫切 。如量子信息领域超导纳米线 高系统可操作性等方面具有明显优势，逐步成为主
单光子探测器（SNSPD）需要苛刻的 2 K 左右工作 流设备。
环境 [2-3] 。宇宙深空远距离探测器、超导器件、硅基 本文研制一套异型无液氦 1.8 K 干式低温系统，
和锗基红外探测器通常要处于液氦温区甚至毫开 具有很小的样品区占用空间，样品区外部可配套磁
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尔文温区的极低温环境 。与正常态氦相比，超流 场、光学等测试环境，可适用量子技术、自旋电子
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氦具有低黏度、高比热、高热传导等优点 ，应用超 学、聚态物理等领域。
流氦制冷的加速器，可以更大地降低成本和能源消
1 流程设计
耗 [6-7] 。此外，2 K 温区的实现也为材料、物理等基
础科学拓展了研究范围，成为科学研究中不可或缺 无液氦 1.8 K 干式低温系统以 GM 制冷机为冷
的工具。 源、真空泵为循环动力、高纯氦气为载冷剂实现对
目前，实验室用小型超流氦低温系统主要分为 样品的流动冷却，通过节流降温、抽空减压等技术
湿式、干式两种。前者以液氦为冷源，具有震动小、 实现 1.8 K 的超低温 [11-12] ，通过精确加热控温技术
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噪音低等优势 ，但需要不断加注液氦来维持样品 实现样品在 1.8～300 K 的连续宽温区测试。无液
低温，系统复杂，操作繁琐，会造成大量氦气资源的 氦 1.8 K 干式低温系统流程如图 1 所示，系统主要
浪费，经济成本较高。后者以 GM 制冷机或脉冲管 由真空容器、冷屏、GM 制冷机、冷凝器、节流器、
制冷机作为冷源干式制冷 [9-10] ，系统为闭式循环，在 超流氦腔、样品腔、减压阀 V1、循环泵、储气罐、
节约资源、降低运行成本、降低系统复杂程度、提 流量计等组成。

储气罐 循环泵
M
V1
GM
制冷机

样品腔

控温仪
氦气压缩机

节流器
冷屏
真空容器

图 1 无液氦 1.8 K 低温系统流程
Fig. 1 Process of 1.8K cryogenic system without liquid helium

制冷机一级冷头连接冷屏为其提供冷源，从而 在超流氦腔内形成了超流氦，超流氦蒸气在循环泵
减小二级冷头、超流氦腔、样品腔等低温区域受到 的作用下经样品腔实现样品的氦浴冷却。节流器
的辐射漏热。同时在一、二级冷头上软焊紫铜管， 为 DN1 的微型阀门，降温初期为全开状态，节流时
二级冷头安装冷凝器，实现循环氦气从常温到 50 K 关闭至指定开度形成有效流阻。通过调节减压阀
的预冷、50 K 到 4.2 K 的降温及冷凝，最终在冷凝 可控制循环泵有效抽速从而实现样品腔压力的控
器形成常压的 4.2 K 液氦 。冷凝器布置有加热器， 制。循环氦气经循环泵增压进入储气罐。
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可在样品腔 10 K 以上温度控温时，将冷凝器控温 对于超流氦系统，为提高系统效率和液化率，
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为 4.5 K。 通常使用负压换热器回收 1.8 K 负压氦气的冷量 ，
4.2 K 液氦经过节流降温和循环泵抽空减压， 采用室温真空泵组和预冷节流相结合的方法来获