A hybrid cryocooler achieving 1.8 K with He-4 as the only working medium and its application verification

Abstract

量子信息技术以及深空探测领域的蓬勃发展，对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切，高频脉冲管耦合Joule-Thomson（JT）的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段。目前国际上以该循环获得2 K以下温区的实践，均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3的情况下获得的。氦-3在地球上存量稀少、价格高昂，是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈。本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究，分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性，从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手，理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降，从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压，此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度。同时，在氦-4超流态工况下，分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响，并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件。设计出的制冷机的无负荷温度经过16.5小时从300 K降至1.8 K，且在360小时连续开机时间内温度波动不超过±6 mK，验证了理论的正确性和工质在超流状态下制冷温度的稳定性。随后开展了与实际超导纳米线单光子探测器（superconducting nanowire single-photon detector，SNSPD）的耦合联试，通过对SNSPD器件的系统探测效率和暗计数率的实际测试表明，所研制复合制冷机在采用氦-4为唯一工质条件下，依然可以为SNSPD提供1.84 K的工作温度以及良好的电环境，使其保持稳定可靠的工作状态。上述理论和实验突破不但将为SNSPD的未来空间应用提供可靠保障，而且也将为彻底打破该类复合制冷循环在更广领域内的实用化瓶颈铺平道路。