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--> --> -->常用的亚开温区制冷技术包括稀释制冷(dilution refrigeration, DR)、吸附制冷(sorption refrigeration, SR)和绝热去磁制冷(adiabatic demagnetization refrigeration, ADR). 三种技术的对比如表1所列[5].
| 原理 | 适用温区 | 优点 | 缺点 | |
| DR | 氦3从其浓相进入稀相时吸收热量 | 5 mK—1 K | 制冷温度低 冷量大 可连续制冷 | 依赖重力 依赖稀缺氦3 |
| SR | 工质饱和温度和饱和蒸气压的 对应关系, 蒸发制冷 | 300 mK—1 K | 结构简单 可靠性高 | 最低温下限较高 热效率低 依赖稀缺氦3 |
| ADR | 磁热材料的磁熵随外加磁场变化 | 2 mK—1 K | 内禀高效 不依赖重力 工质易得 | 单级制冷不连续 可能有电磁干扰 |
表1常见亚开温区制冷技术对比
Table1.Comparison of commonly used sub-Kelvin refrigeration technology.
ADR是最早出现的亚开温区制冷方式[6-8], 但由于单级制冷不连续, 在20世纪60年代逐渐被稀释制冷机替代. 20世纪90年代以来, 随着空间技术的发展, 亟需发展可在无重力条件下运行、高效紧凑的极低温制冷机, ADR再次进入****的视野. 尤其是可连续制冷的CADR (continuous ADR)的出现[9], 使绝热去磁制冷再次成为最具发展潜力的极低温制冷技术, 其连续工作原理主要包括基于恒温级的串联结构和交替运行的并联结构. 目前国际领先的ADR技术以美国宇航局、欧洲航天局、美国加州大学、英国伦敦大学等为代表[10], 技术路线包括单级ADR、dADR(单磁体多级ADR)、多磁体多级ADR.
我国的极低温绝热去磁制冷研究很少. 在20世纪80年代, 有****对极低温下的绝热去磁现象进行了研究[11], 采用铬钾矾(CrK(SO4)2·12H2O, CPA)工质, 利用氦4减压蒸发预冷, 最低温度可达21 mK, 在25 mK下可维持6 h, 但尚未发展出可循环运行、制冷温度可控的绝热去磁制冷机. 后由于稀释制冷机的发展和极低温设备的进口, 我国极低温绝热去磁制冷技术的研究出现滞缓.
本研究研制了一台用于亚开温区的ADR, 阐述了其制冷原理、构成和运行性能; 对其制冷循环的热力学参数进行了分析; 最后, 讨论了ADR的优化和未来发展方向. 该制冷机是国内首台可循环运行的绝热去磁制冷系统, 对我国实现极低温制冷设备的自主研制有着重要意义.
图 1 ADR的基本构成Figure1. Basic components of ADR.
磁热模块是ADR的冷量来源, 由磁热工质和传热结构两部分组成. 磁热工质一般为顺磁材料, 以保障磁熵随外界磁场有较大程度的改变. 当温度低于某一临界温度(居里温度或奈尔温度)时, 工质将从顺磁态转变为铁磁或反铁磁态, 磁矩出现自发有序, 磁熵急剧降低, 制冷能力降至几乎为0. 因此, 这一临界温度决定了工质的制冷温区下限. 另一方面, 临界温度越低意味着磁矩间相互作用越弱, 磁性离子越稀疏, 例如在小于0.1 K温区通常使用含有结晶水的水合盐工质, 其磁熵密度较低, 即单位制冷量较小. 因此, 在选择磁热工质时应综合考虑制冷温区和磁熵密度, 一般选择制冷下限略低于目标制冷温度的工质. 此外, 还需考虑工质的热导率、稳定性、腐蚀性等[12]. 常用的亚开温区磁热工质如表2所列[5,13-17].
| 名称 | 化学式 | 最低工作温度/K |
| GGG[13] | Gd3Ga5O12 | 0.38 |
| DGG[14] | Dy3Ga5O12 | 0.6 |
| GLF[15] | GdLiF4 | 0.48 |
| YbGG[16] | Yb3Ga5O12 | 0.054 |
| MAS[5] | Mn(SO4)2(NH4)2·6H2O | 0.17 |
| FAA[5] | Fe(SO4)2(NH4)2·12H2O | 0.026 |
| CPA[5] | CrK(SO4)2·12H2O | 0.009 |
| CCA[17] | CrCs(SO4)2·12H2O | 0.01 |
| CMN[5] | Ce2Mg3(NO3)12·24H2O | 0.0015 |
表2ADR中常用的磁热工质
Table2.Commonly used magnetocaloric materials (MCM) in ADR.
热开关位于磁热模块和热沉之间, 起到控制热量传递的作用. 当热开关断开(OFF状态)时, 磁热工质与热沉绝热; 当热开关闭合(ON状态)时, 磁热模块与热沉间传热导通. ADR中常用的热开关类型如表3所列, 主要考虑因素包括温区、开关比和寄生热等. 在某些应用场景中, 磁热模块与负荷间也存在热开关.
| 适用温区 | 开关比 | 寄生热来源 | 优缺点 | |
| 机械式 | 不受限制 | — | 机械能损耗 | 可完全断开 结构复杂、耐用性差 |
| 超导式 | ≤ 0.5 K | > 100 | 剩余导热 涡流产热 | 温区下限低 需额外磁场 |
| 气体式 | ≥ 0.2 K | ≈1000 | 剩余导热 | 结构简单、可被动驱动 较低温区失效 |
| 磁阻式 | ≤ 20 K | > 1000 | 剩余导热 涡流产热 | 适用温区广、开关比大 需额外磁场 |
表3ADR中常用的热开关[18]
Table3.Commonly used heat switches in ADR.
磁场用于控制磁热材料的磁熵和温度的变化, ADR所需磁场大小一般为0.1—4 T, 通常使用超导磁体.
理想的ADR循环如图2所示. 1) ab段, 等温磁化. 磁热材料被预冷至热沉温度后(a点), 保持热开关闭合, 施加磁场并控制磁化速率使其等温磁化, 直至达到最大磁场(b点), 实际过程中等温磁化温度略高于热沉温度. 2) bc段, 绝热去磁. 断开热开关, 逐渐减小磁场, 使工质在绝热条件下降温至目标温度, 此时仍剩余一定磁场(c点). 3) cd段, 等温去磁. 在有负荷状态下, 继续去磁并控制去磁速率, 以进行等温制冷, 直至磁场为0 (d点). 4) da段, 绝热磁化. 当去磁完全后, 需对材料磁化再生, 保持热开关断开, 施加磁场, 使工质在绝热条件下升温至等温磁化温度(a点), 从而进入下一循环. 上述循环由两个绝热过程和两个等温过程构成, 本质上属于逆卡诺循环. 因此, ADR是一种内禀高效的制冷技术.
图 2 ADR制冷循环Figure2. Refrigeration cycle of ADR.
3.1.实验装置
该制冷机包括预冷模块和ADR模块两部分, 如图3和图4所示.
图 3 制冷系统示意图Figure3. Schematic diagram of refrigeration system.
图 4 制冷系统实物图Figure4. Photo of refrigeration system.
预冷模块采用GM型脉管制冷机(1 W@4 K, 表示4 K下可提供1 W制冷功率, 下同)提供预冷热沉, 最低预冷温度小于3 K. 在制冷机冷头和冷盘间采用柔性热连接, 以减小振动的影响. 通过高真空、低热导支撑结构、低发射率的冷屏等减少各级间的漏热.
在高于0.5 K温区, 通常使用磁离子密度较高的稀土金属氧/氟化物作为磁热工质, 如GGG, DGG, GLF. 由于GGG单晶具有较高的热导率, 有利于热量和冷量的取出, 且较易制备, 因此本制冷机选择GGG单晶作为1 K温区的制冷工质. 该制冷机使用的GGG单晶直径为30 mm、长为50 mm (质量为252 g, 约0.75 mol). 在4 K温区, GGG单晶具有较高的热导率[19], 约为10 W·m–1·K–1. 因此该磁热模块不需额外强化传热结构, GGG直接与复合热连接黏接即可. 磁热模块由低热导率的凯夫拉线(Kevlar)悬挂在超导磁体中, 通过热连接分别与热开关和冷头连接.
该制冷机使用的热开关为主动气隙式热开关, 通过加热或冷却吸附床, 使气体脱附或吸附, 实现开关通断. 该热开关在吸附床为20 K时完全导通, 4 K下热导约为20 W·K–1; 当温度低于12 K时完全切断, 其开关比大于100.
超导磁体由NbTi多芯超导线绕制成, 磁热工质所在区域中心最大磁场为4 T, 径向平均磁场为3.88 T, 轴向平均为3.44 T. 为削弱磁场对其他部件的干扰, 采用软磁材料作为磁屏蔽. 本装置中, 在最大磁场时, 冷头(与磁体距离10 cm)处的磁感应强度为0.5 mT.
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3.2.误差分析
温度测量的总精度受以下因素影响[20]:4.1.ADR的热力学分析
制冷温度、制冷量和制冷效率是衡量制冷机性能的基本参数. 在ADR中, 这些参数的分析以磁热工质的熵为基础. 如图2, 在绝热去磁过程(bc)中, 磁热工质的总熵S不变, 其可达到的最低温度取决于初始温度和磁场变化,从宏观层面, 磁热工质的总熵可通过测量比热CB(B, T)由下式间接获得[12]:
另一方面, 在微观层面, 磁热工质的总熵S由晶格熵Sl、磁熵Sm和电子熵Se三部分构成:
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4.2.ADR的实际工作过程
图2描述了理想的ADR循环, 但由于换热温差、工质内温度梯度等因素的存在, 实际过程与理想过程存在一定差异, 因此有必要对实际的循环过程进行考虑. 图5描述了ADR实际运行时首次循环和周期制冷循环的热力学过程, 图6记录了对应过程中工质温度(测点位于冷头)、热开关和磁场的变化情况. 具体运行过程如下:
图 5 ADR的实际循环Figure5. Thermodynamic cycle of ADR.
图 6 典型的ADR工作过程Figure6. Typical running process of ADR.
1)首次制冷. 当工质被预冷至热沉温度后(图5中a点), 保持热开关闭合, 以较快速率磁化, 使工质升温至等温磁化的目标温度(图5中b点); 继续磁化并控制磁化速率, 使工质在该温度下等温磁化至最大磁场(图5中c点); 在最大磁场下, 保持热开关闭合, 使工质恢复至热沉温度(图5中d点); 断开热开关, 在绝热条件下逐渐减小磁场, 使工质降温至制冷温度(图5中e点); 继续去磁并控制去磁速率, 使冷头在一定负荷下维持恒温制冷, 直至磁场为0 (图5中f点), 进入再生(recycle)阶段.
2)再生和周期制冷. 当去磁结束后, 保持热开关断开, 施加磁场使工质升温至等温磁化的目标温度(图5中g点); 然后闭合热开关, 继续磁化并控制磁化速率, 使工质等温磁化至最大磁场(图5中c点); 之后的过程与1)中c-d-e-f过程相同. 制冷过程(e-f)和再生过程(f-g-c-d-e)构成了一个完整的周期.
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4.3.制冷性能
34.3.1.最低温度
根据4.1节推导, ADR在一次循环中可达到的最低温度取决于绝热去磁过程初始状态的温度和磁场((1)式), 可由两种熵的计算途径分别得到. 图7展示了由两种理论途径计算的绝热过程中温度随磁场变化与实验值的对比, 绝热去磁的初始状态为4 T, 2.9 K, 其中红色点划线由GGG的总熵测量值[13]及(1)式(B2 = 0 T)得到, 蓝色点划线由GGG的磁熵推导值((8)式)及(1)式得到. 与实验测量值对比发现, 采用磁熵推导式近似代替总熵计算的结果与实验值存在较大差异, 而以总熵间接测量值为依据计算工质的热力学参数的方法更为准确.
图 7 绝热去磁过程中温度-磁场对应关系Figure7. T-B diagram during adiabatic demagnetization progress.
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4.3.2.制冷量和制冷效率
实验中, 冷头上设有电加热片以模拟热负载, 通过测量加热片的电功率即可得到制冷机的制冷功率, 该功率与等温去磁持续时间的积分即为单周期制冷量Qc. 实验过程中施加的加热功率最大为0.7 mW, 持续时间为3850 s, 因此单周期制冷量约为2.7 J. 当以更大功率加热时, 由于磁热模块产热和导热能力有限, 无法将冷头维持至低于1 K.为计算制冷的热力学第二效率((4)式), 还需测量单周期内工质向热沉的放热量Qh (图5中g-c-d过程). 由于放热量难以直接测量, 本文采用了由加热器产热模拟磁化过程放热的方法间接测量放热量, 具体过程为: 在不运行ADR的情况下, 保持工质与热沉间热开关导通, 调节冷头处(即工质处)加热器加热功率, 使工质的温度变化与g-c过程温度变化一致, 通过对加热功率进行时间积分获得加热量, 该加热量即可等效为ADR运行中g-c过程的放热量. 而c-d过程的放热量, 则可由磁热模块的总比热和c-d段的温变计算得到. 上述方法可得, 在单个制冷周期中, ADR在g-c阶段放热量约为9.2 J, 在c-d阶段放热量约为2.5 J. 因此ADR在热沉温度Th为2.9 K、制冷温度Tc为1 K下的第二热力学效率为
未来还计划从以下两方面进行改进以提高制冷性能: 1)提高热开关在导通状态下的热导, 降低因换热温差带来不可逆损失; 2)提高磁热模块的传热性能, 同时优化连接、支撑、悬挂等部件, 减少振动产热和结构导热漏热. 随着空间探测和量子技术等领域的发展, 亚开温区制冷的需求日益增加. 与另外两种技术相比, ADR具有高效、紧凑、不依赖重力、工质易得的突出优点, 是一种极具发展潜力的亚开温区制冷技术. 本文介绍的制冷机是国内首台可循环运行的绝热去磁制冷系统, 为进一步开展极低温多级连续绝热去磁制冷研究奠定了基础.
