——探访“综合极端条件实验装置”之氦3制冷机
图为氦3制冷机。受访单位供图
【走近大国重器】
◎本报记者 华 凌 孙明源
向北出北京市区，山峦起伏的怀柔便映入眼帘，远山近岭错落如画。在山谷前的平坦之地，坐落着怀柔科学城（以下简称“科学城”）。
在科学城里，矗立着一组红白相间的楼宇。这些楼宇以字母X加数字的格式命名，X源自英文“EXTREME”（极端）一词。中国科学院物理研究所的综合极端条件实验装置就藏身于代号为“X2”的楼中。
这里是科研人员观测物理现象的极低温实验场所。该楼宇内，中国科学院物理研究所自主研发的顶部插杆式氦3制冷机发挥着关键作用。
“许多物理现象只有在极端条件下才能被更好地观察到。”中国科学院物理研究所研究员、综合极端条件实验装置亚毫开实验站负责人刘广同告诉科技日报记者，“极端条件实验设备是开展相关物理实验不可或缺的基础设施，而氦3制冷机就是其中之一。”
极低温，有门道
走进“X2”，实验大厅放置着多台制冷机。屋顶高约8米，空间宽敞如工厂车间。这样设计是为了适应实验设备的庞大尺寸。
整台制冷机的结构就是“聚千钧之力于底部之一毫”。刘广同指着一台高约3米、直径近1米的大功率稀释制冷机说，它的主体部分是制冷和保温结构，制造出来的极低温环境位于制冷机底部的样品腔处，也是观测物理现象的区域。设备上粗重的氦3气罐、低温泵、保温层等装置，都是为了在底部样品杆上创造出一片狭小的极低温环境而设计。
记者注意到，大厅里从前到后摆放着多台制冷机，它们在大小、形状乃至名称上都各不相同。
刘广同告诉记者，物理学上的绝对零度是0开尔文（K）。虽然这个理论上的极值在现实中无法达到，但科学家们为了接近极限，基于不同技术原理发明了各种制冷机。其中，氦3制冷机代表了最基础的技术，大部分极低温制冷机都是以氦3作为制冷剂，其最低温度大约是300毫开尔文。在此基础上，科学家们研发了稀释制冷机，通过氦4稀释氦3提高制冷上限，其制冷极限可降至约10毫开尔文。
基于稀释制冷机，科学家们又进一步研发出了核绝热去磁制冷机。这种制冷机利用铜原子的物理特性，可以在磁场助力下把制冷极限压低到1毫开尔文以下。
“然而，在物理学实验当中，制冷极限并不是唯一重要的考量因素。”刘广同说，除了极限温度以外，制冷机的制冷功率、制冷时间等参数也非常重要。
此外，不同的物理实验需要的环境也有差异。因此，大厅里不同系列、不同型号的制冷机，有着各自发挥作用的空间。
“我们自主研发的这台氦3制冷机，从温度极限来讲不是最低的，但它在本系列当中具有出色的性能，为开展相关实验提供了基础设施支撑。”刘广同说。
工匠心，破困局
氦3制冷机的制造过程，需要开展大量调试和加工工作。端坐在工作台前的李沛岭博士，正投入地进行制冷机样品杆的优化工作。自从团队开始研发氦3制冷机，他就负责样品杆的研制。制冷机试运行后，李沛岭又接手了改进任务。
在明亮的光线照射下，只见李沛岭左手拿起小镊子，透过高倍显微镜，将细如发丝的铜线精准放置在焊接点上；右手熟练地操作电烙铁，轻柔地将铜线焊接到转换接头上。每个转换头需要重复这样的操作48次，而每根样品杆需要准备五六个这样的部件。
站在李沛岭身后，可以窥见氦3制冷机的核心单元。其外观酷似一根柱状的大型注射器。内部的不同结构和金属光泽，展现了制冷机不同层次的材料和科研人员的匠心独运。
“这台外表极度精密的制冷机，一旦焊口处有微孔，就可能发生低温泄漏，严重影响功能不说，还会损耗昂贵的氦3制冷剂。”李沛岭说，为应对焊接过程中的准直难题，科研人员精心设计了一套专业工装，确保在焊接等环节实现精准定位。同时，他们还利用激光对准等技术，将误差降至最小。
这台顶部插杆式氦3制冷机能够达到265毫开尔文的超低温度，并在300毫开尔文时实现200微瓦的大制冷功率。“这些指标均达到了国际同类先进商业产品的水平，并成功完成了低温强磁场低维电子波谱学实验站的低温工艺验收。”李沛岭说。
冲极限，探新知
氦3制冷机运作时的场景是怎样的？研究团队为记者演示了制冷机运作时的实验流程。
操作人员使用小型吊机，制冷机的核心单元被缓缓吊起。抬头望去，核心单元宛如银光闪烁的长枪，只待操作人员精确地将其嵌入与之配套的实验设备中。
对于刘广同来说，氦3制冷机已是团队的一位“老伙计”了。制冷机运转时，科研人员会通过样品杆接入光谱仪和精密电表等实验设备来观察和记录物理现象。
“很多重要的物理现象都是在极端条件下被发现的，如在极低温与强磁场下，人们发现了整数/分数量子霍尔效应。”刘广同说，“我们开展极端条件实验，也是为了给探索新规律、开辟新应用、合成新材料、制备新器件提供基础。”
正如刘广同所言，这些物理学研究成果极大地推动了我国基础研究水平的提高。在物理学实验向极限冲刺的同时，科研人员也在继续改进氦3制冷机，提高基础设施的性能。
李沛岭介绍，目前团队使用的氦3制冷机是二代机型，其最低温度可达250毫开尔文，最低温保持时长可达130小时。作为自主研发的制冷机，该设备还配套了自主研发的软件控制及测试程序。
对于未来的三代机，团队计划改进吸附泵进气结构，优化样品杆布局，力争在300毫开尔文以上的温度实现制冷功率加倍的目标。
习近平总书记在合肥滨湖科学城考察时指出，高新技术是讨不来、要不来的，必须加快实现高水平科技自立自强。科研工作者是推进中国式现代化的骨干，要拿出“人生能有几回搏”的劲头，放开手脚创新创造，为建设科技强国奉献才智、写下精彩篇章。
刘广同表示：“下一步，团队将齐心协力继续研发设备、开展实验，在怀山柔水间奋勇争先，向尖端基础科学前沿不断挺进！”
