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绝热去磁制冷机技术介绍

发布时间:2020-04-22 09:38:08 浏览量:20


随着科学技术的不断发展,低温物理,地面探测等领域对极低温度(<1K)的需求日益增加。目前极低温制冷技术主要包括稀释致冷

(Dilution refrigerator),吸附制冷(Sorption cooler),绝热去磁制冷(Adiabatic demagnetization refrigerator,ADR)。


稀释制冷机(DR)是利用3He-4He溶液的特性进行制冷,3He-4He混合液在极低温下有相分离的现象,当3He原子从浓相进入稀相中

时,吸收热量从而产生制冷效应。


吸附制冷机原理是蒸发制冷,利用工质4He或3He的饱和温度与饱和蒸气压的对应关系,不同温度下吸附剂对吸附工质的吸附率不同,

通过周期性的加热冷却吸附剂来实现制冷。


以上两种制冷方式都需要制冷工质氦,而氦作为一种稀缺资源,价格越来越高,成为极低温技术规模应用制约因素。而绝热去磁作为一

种固态制冷方式,具有不依赖重力、不依赖稀缺工质氦3、紧凑高效的突出优点,已成为空间应用的主流极低温制冷技术,同时在地面

应用中也渐受青睐。绝热去磁制冷机(ADR)是利用顺磁盐的磁热效应实现制冷,可获得20-100mK的温度。磁热效应,是指磁性材

料在磁场增强或减弱时,由于磁矩的熵发生变化,从而表现出的一种放热或吸热现象。


我们以德国kiutra的“MR” 系列无液氦绝热去磁制冷机为例。它结合GM/PT闭环预冷和绝热去磁制冷,可以扩展多个ADR单元。它

可以执行两种工作模式:

Single-Shot绝热磁场制冷(ADR):

如下图所示,Single-Shot磁制冷可以用来产生短期冷却。在保持时间(流程6)内磁控温度提供了良好的精度和稳定性。


 


1.绝热去磁制冷机由Pre-Cooling(GM/PT制冷端),Heat Switch(热开关),Cooling Medium(顺磁盐),Magnet(磁体),Device under Test(冷台)。

2.热开关导通,磁热工质与预制冷端耦合,励磁磁场增加到最强,磁化热释放,冷台被加热至高于Tbase

3.磁化热被GM/PT制冷端不断转移出去,冷台温度低至Tbase

4.热开关断开,阻止热量从预制冷端向磁热工质传导,励磁磁场继续工作

5.励磁磁场强度减弱,冷端温度继续下降

6.冷端温度不再下降,励磁磁场强度持续减弱

7.励磁磁场强度归零,制冷流程结束

8.冷端温度上升,磁热工质返回初始状态


连续绝热去磁制冷(CADR):

对于某些应用,短期冷却是不够用的,kiutra提供了基于多级磁制冷的连续绝热去磁制冷机,几个磁制冷单元相互连接并保持平衡,第

N个冷却单元释放的磁化热被第(N-1)个单元耗散,依此类推。这就保证了连接到冷端上的最后一级磁制冷单元不会耗尽磁场,因此可

以持续提供开尔文甚至亚开尔文的温度。

德国kiutra绝热去磁制冷机: