01低温冷却原理¶

要了解稀释制冷机（DR：Dilution Refrigerator）的制冷原理，建议首先阅读以下两篇文章，质量之高，令人望尘莫及。

对于一个孤立的多体系统，只要设法将其中的能量不断抽取出来，或者说保持能量抽出的速度大于传入的，那么系统的温度就会持续降低。在现代实用技术中，实现低温的方法一般可以分为三大类。

一类是热传导，直接采用低温冷剂来制冷，如液氦、液氮；
一类是机械制冷，基于气体动力学将热持续地从低温端抽出，比如斯特林制冷机、[[03GM和脉冲管制冷机_4K]]等，[[05JT阀_1K]]也可以视作此类，它们遵循[[02卡诺冷机|02卡诺冷机]]的循环过程；
剩下的一类则是利用某些物理化学现象（温差热电效应），例如[[04蒸发冷却_1K]]、[[07稀释制冷机_20mK]]、[[10核去磁]]、热电效应、隧穿效应等。

其中，DR 可提供低至 mK 水平的 连续冷却温度（这点很重要） ，这种方法是在1956年发现3He-4He混合液体相分离现象后，由亨氏伦敦公司在20世纪50年代初提出的，并于1964年在莱顿大学的卡默林昂尼斯实验室实验实现。

由于技术或者物理原理的限制，各种制冷方式有各自的温度极限

从物理上来看，DR 没有基本的低温限制。然而，由于实际原因，[DR 的温度范围被限制在 2 mK 左右](Dilution refrigerator - Wikipedia)。在非常低的温度下，如果温度降低，循环流体的粘度和导热系数都会变大。为了减少粘性加热，混合室进出口管的直径必须为，为了获得低热流，管道的长度应该为，这意味着，为了降低2倍的温度，需要将直径增加8倍，长度增加256倍。因此，体积应该增加倍。换句话说，在 2 mK 时每立方厘米将在 1 mK 时变成16,384立方厘米。机器将变得非常大，且昂贵。
出于效率考虑，极低温的获取往往涉及多种制冷方式

例如，DR 的前级预冷（4K）需要液氦、GM 或者 PTR 来完成。再比如，[[10.核去磁]]可以冷却到低于 2 mK，它会用 DR 的混合室作为第一级预冷。目前已经可以用两级核去磁方法使核系统达到 \(5×10^{-8}K\) 的低温。

最后，由于量子比特需要在极低温环境下（超导量子计算一般需要 20 mK以下）操作，以维持量子叠加态和减小量子噪声，并且这个低温系统需要能保持较长时间的稳定运行，DR 因此成为了量子计算机的关键设备之一。