[发明专利]一种基于新型阻挫磁性材料的级联式无液氦制冷机设计方法

说明书

本发明提供一种基于新型阻挫磁性材料的级联式无液氦制冷机设计方法，其步骤如下：步骤A：绝热去磁过程，利用上级阻挫磁性工质在临界场附近显著的磁热效应冷却下级顺磁盐，通过磁热泵浦减小后者的磁熵并实现更低制冷温度；步骤B：等温去磁过程，下级保持工作温度，同时上级作为热保护层；步骤C：磁化升温过程，增大磁场，使得磁热模块升温至热沉温度；步骤D：等温磁化过程，在热沉温度下充磁，磁热模块回到初始状态；通过以上步骤，能实现“单次”磁制冷过程，获取极低温并大幅提升制冷冷量；并且通过四个步骤后制冷机复位，能重复上述过程继续工作；能满足深空探测，超导测量，极低温光谱，量子电子学等对极低温的要求，有效缓解氦资源紧缺诸问题，对基础研究和发展新型量子技术都具有重要的实际价值和战略意义。

技术领域

本发明提出了一种基于新型阻挫磁性材料的级联式无液氦制冷机设计方法，它利用关联量子材料与传统顺磁盐复合产生的磁热泵浦实现高效制冷，涉及低温制冷技术，可以应用于深空探测、量子技术等领域。

背景技术

磁热效应(magnetocaloric effect,MCE)是指在绝热条件下磁体的温度随外加磁场调控变化的现象和规律。当外磁场增大时，顺磁盐被磁化而产生熵的变化，在绝热情况下系统温度上升；反之，磁场减小时顺磁盐温度下降则可以制冷。借助磁热效应发展出的绝热退磁制冷技术(Adiabatic Demagnetization Refrigerator,ADR)是历史上最早实现1K以下(亚开)低温的制冷技术。

自上世纪八十年代以来，随着人类航天科学探索活动的增多，对深空探测器工作温度区间的要求也越来越低，常常在50-100mK之间。由于太空的微重力环境，稀释制冷不再适用，因此包括美国宇航局、欧洲航天局在内的国际空间研究机构主要利用绝热退磁制冷技术来获得mK级的低温。与稀释制冷不同，绝热退磁制冷技术不存在重力环境依赖的问题，并依靠其高制冷效率、低振动、高可靠等优点被广泛应用于深空探测。另一方面，近年来量子技术的蓬勃发展也对低温制备提出很高要求，例如基于超导约瑟夫森节的量子计算要求工作温度在10mK附近，以降低热噪声的干扰。另外，一些先进的光学探测器和量子电子学器件都需要在亚开温区工作。这些对极低温大冷量制冷的迫切需求与目前国际氦资源的稀缺和高昂的价格形成尖锐的矛盾，成为相关基础研究和工业应用面临的重大问题。综上，设计开发新型的无液氦mK级极低温大冷量制冷机，对深空探测、量子技术等领域的发展有重要意义，更是关系到未来重要科研和生产任务顺利开展的关键技术。

目前的绝热退磁制冷技术主要存在以下问题。首先，当代的深空探测和量子技术要求在极低温环境下工作，一般是50-100mK(如单光子微量能器)，甚至达到10mK(超导量子计算)。这要在给定磁场下(如初始磁场为4T)跨越足够大的温区，如3-4K(热沉温度)至100mK(工作温度)以下，并在到达极低温后提供足够的冷量和制冷持续时间。目前传统顺磁盐制冷已经接近极限，需要发展新的磁热工质和基于新效应的制冷机制；其次，传统顺磁盐一般为水合物，自旋密度低，对其单位体积制冷功率产生了很强的限制，同时顺磁盐中磁相互作用十分微弱，无法有效利用磁激发传导热量，使得工质本身热导很小，不利于制冷冷量的高效提取。

这些缺点可以被新型的阻挫量子磁性工质很好的克服，相互作用量子磁性材料具有很大的自旋密度，当存在自旋阻挫效应时直至极低温仍具有较大的自旋涨落和显著的磁熵，并可以被磁场所有效调控。在磁场驱动的量子临界点附近，阻挫磁性材料具有很大的熵变和显著的磁热效应。另外，由于阻挫磁性材料中存在大量的低能磁激发(甚至包括新颖的分数化自旋子激发)，在量子临界区中具有优良的热导。