3He-4He稀释制冷机的发明是毫开温区制冷技术的一项重大突破,它极大地推动了超低温研究更普及地开展。

通常氦原子的原子核中有两个质子和两个中子，它还有一种同位素，原子核中有两个质子但只有一个中子。前者叫氦-4（4He），在不特别声明的情况下，所说的氦即指氦-4，后者称为氦-3（3He）。这两种同位素性质有很大不同，3He非常稀少，在自然界每1000万个氦原子中才有一个较轻的3He原子。也许正是由于这一原因，科学家们多年都无法找到足够数量的3He来研究它的性质。不过核工业的副产物之一是3He，近年发现一些天然气中富含氦，其中3He含量也较高，这些都为3He的研究和应用提供了条件。

1951年H．伦敦观察到，在低温下呈超流态的4He中，即使混入少量3He，仍能保持超流状态。其中的3He原子宛如存在于真空中，它不受摩擦而自由运动。若用一个仅可通过4He的超流导管输入更多的超流体，3He将向4He中扩散，如同气体向真空膨胀一样降温。

1956年，瓦尔特斯（G. K. Walters）和费尔班克斯（W. M. Fairbanks）发现，温度在0.87K以下时，3He和4He混合液分成两个完全不同的相，较轻的富3He相浮在上层，而较重的富4He相沉在下层。富3He相也称浓缩相，在0.3K以下时几乎是纯3He。富4He相则称为稀释相，它含有6.4%的3He，即使接近绝对零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。这一特性成为可连续获得毫开温度的稀释制冷机的基础。

一台稀释制冷机要能长时间制冷，这意味着必须使3He连续循环制冷。稀释制冷机的结构如图7-1所示。在稀释制冷机中，稀释制冷过程发生在混合室。这里是整个装置最冷的部分，温度在0.1K以下，富3He相和富4He相就在这里分层。用一根管道将混合室下部与蒸发器相连，蒸发器中与混合室下部一样是富4He液体，而蒸发器温度为0.6K。不断用真空泵抽取蒸发器中的蒸气，因为在蒸发器温度下3He的蒸气压远远高于4He蒸气压，所以基本上只有3He被抽走，而4He并不参加循环。混合室里富4He相中的3He不断被抽走，富3He相中的3He原子穿过界面向富4He相扩散，就产生如前所说的降温效应。蒸发器中泵出的3He蒸气，经换热—加压—换热，再次凝结为液体，返回混合室，完成整个循环。

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