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一提到冰系魔法，我就会想起《火影忍者》中白的冰遁血脉传承界，《死神》中日谷敏郎的斩剑冰轮丸，还有《海贼王》中青雉上将的冰河世纪……也许吧。当你看到动漫中的冰魔法场景时，你会发现自己幻想着如果你能使用冰魔法该有多好。由于科学技术的进步，持续保持低温的容器已经存在于我们的日常生活中。我说的是冰箱（笑）冰箱可以满足我们大部分的日常需求，但是物理学说这个温度还不够低。在物理学中，低温一般是指低于液氮温度的温度范围（77K，其中K代表开尔文温度，在数值上等于以摄氏度为单位的温度负273.15）。和冰系魔法的追求不同。与强大破坏力的区别在于，在物理学中，物理学家致力于不断打破其他神奇的极限：更低的温度。室温下液氮对物理极限的影响本身就很有趣。此外，在极低的温度下，固体的优点是比高温下的比热变化小得多，热噪声也低得多，这对于创建高灵敏度的传感器非常有用。更重要的是，在物理学中，有些现象只有在很低的温度下才会发生，比如超流体、超导体和半导体中的量子力学效应，而这些现象在凝聚态物理的发展中发挥着重要作用。因此，实现低温极其重要。目前在低温下实现超导体完全抗磁性能的方法包括吸附制冷、绝热退磁制冷和稀释制冷。稀释制冷技术于20世纪50年代首次提出，建成第一个完整的稀释制冷系统，并于20世纪60年代成功商业化。稀释制冷技术的最低温度可达数mK（10K），且具有制冷过程连续不间断、制冷量大等优点，并且随着低温物理研究需求的不断增加，已成为最热门的制冷技术。我是。现代低温物理领域天生的大魔法师。稀释制冷利用He/He（氦的两种同位素）混合物的特性来实现制冷。首先，让我们简单了解一下He/He混合溶液的基本性质以及随后发生的挤压过程。如何实现低温| 图片来自[3] 众所周知，氦(He) 是一种化学性质非常稳定的惰性气体。在自然界中通常作为单个实体存在。有两种同位素：He和He。如果温度高于0.87K，两种溶液将以任意比例溶解，但如果温度低于0.87K，混合溶液将分成两相。富He相称为浓相，贫He相称为浓相或稀相。当从稀相连续抽气时（随着吸热的增加，系统温度降低。节流过程是高压流体（气体或液体）沿低压方向流经多孔塞的过程。在此过程中流体的温度发生变化，但大多数气体在室温下进行节流过程温度.马苏.这会降低温度，一旦氦气降至46K 以下，节流过程就会产生冷却效果。稀释制冷机的部分结构就是利用了这一原理。稀释制冷机氦稀释制冷机示意图。工作介质为He（浅灰色），逆时针循环。他（深灰色）不骑自行车。
一起来了解一下稀释冰箱的原理吧！在我们做到这一点之前，我们首先需要形成两个概念。 1、稀释制冷机中的He在外部泵的作用下进行闭环循环（图a中绿线所示）。 2、稀释制冷机的温度从上到下逐级降低。图（a）所示为湿稀释制冷剂的主要结构，主要由常温He循环泵（未图示）和4K液氦罐（氦罐）组成，He循环结构基本为（浸入式）， 1K浴、节流元件（初级阻抗、次级阻抗）、多个热交换器（热交换器）、混合室（混合室）、He蒸发室（固定式）。图(a) 稀释制冷机的结构示意图及实物图| 该图取自[1]，基本操作过程如下： 从图a中绿色虚线箭头开始，通过一个制冷机对氦气进行加压外循环泵。经过液氦池（氦罐），与液氦池（氦罐）进行热交换，冷却至4K左右，然后绕着1K罐（1K罐）向下流动，与1K 水箱。冷却至约1K。 （1K 浴充满He，连接的外部泵通过去除He 蒸气以降低压力和冷却，将温度保持在大约1K）。然后He通过特殊的节流元件（主阻抗）继续降低其温度，此时He温度约为0.7K，略高于He蒸发室中（静止时）。他在蒸馏器周围流动以传导热量。这是一个很好的渠道。使用蒸馏器进一步冷却氦气。氦气再次经过节流膨胀过程（二次阻抗）进一步降低温度，最后经过混合室上方的热交换器，与从混合室流出的冷却后的氦气进行热交换。降至较低温度后流入混合室。氦3（上）和氦4（下）的压力和温度相图。 Hel-3 具有非常低的相变温度，为了表征它，温度采用对数尺度。请注意两个图表之间的温度范围差异很大。 | 图片来自[4] 混合室有两相，即前面提到的浓缩相和稀释相，浓缩相位于顶部。稀相从He 蒸发室（固定）底部一直向下分布。 He的饱和蒸气压远高于He的饱和蒸气压，所以只要适当加热蒸馏器，适当控制温度，He基本上就能蒸发，稀相中的He浓度降低。相中的他进入稀相并达到新的平衡。这是一个熵增的过程，吸收热量从而达到冷却的目的。在蒸馏器中汽化的He在循环泵的作用下进入下一个循环，不断循环使混合室内的温度不断降低。你觉得怎么样？是不是很简单呢？熵增过程图解释完稀释冰箱的冷冻过程之后，我们来简单了解一下它的冷冻能力是如何关联的。根据热力学第二定律，考虑可逆等温过程，理论冷却功率为：该公式取自参考文献[1]。这里，n的导数是He的流量。 T是混合室的温度。 S 是每摩尔He 的熵，x 是稀相中的饱和He 浓度，R 是通用摩尔气体常数，T 是费米温度，h 是普朗克常数，k 是玻尔兹曼常数，N 是Av Gadreau 常数，V 为稀相中He 浓度，摩尔体积，m* 为有效质量。在稀相中，m*=2.45m，在浓相中，m*=2.8m。 m 是He 原子的原始质量。由于冷却能力主要与费米温度倒数的差异有关，而费米温度取决于稀相中He的摩尔体积，因此我们发现冷却能力本质上取决于摩尔量。稀相He 的体积。由于He/He混合物的浓相和He/He混合物的稀相的分离持续存在直至0 K，因此稀释制冷机的温度如何降低似乎没有限制。
事实上，如果混合室的温度低于约3mK，则由于稀相出口导管与混合室外部之间的热传导，混合室的温度不能无限地降低。当从出口导管传导至混合室的热流量等于稀释制冷剂的制冷量时，稀释制冷剂的温度达到其最小值。根据相关计算，最低温度为： 式中，d为出口管道直径。因此，出口管越大，最低温度越低。但出于实用原因，出口管的直径不能随意增大。限制冰箱的最低温度。稀释制冷机的基本原理基本上如下。 “小子，看来你的骨头真棒，要不要跟我去物理实验室学习冷冻魔法？”参考文献：[1] Zu H, Dai W, de Waele A. 冰箱的稀释发展——综述[J].低温学，2022，121: 103390.[2]王志成.热力学与统计物理[J].1993.[3]稀释制冷机-迈向低温-西湖大学物理科学公共实验平台[4]氦物理学院师生原创帖子 作者：胡立红审稿人：刘光通编辑：云凯叶罗
