向北出北京市區(qū)，山巒起伏的懷柔便映入眼簾，遠(yuǎn)山近嶺錯(cuò)落如畫。在山谷前的平坦之地，坐落著懷柔科學(xué)城（以下簡稱“科學(xué)城”）。
在科學(xué)城里，矗立著一組紅白相間的樓宇。這些樓宇以字母X加數(shù)字的格式命名，X源自英文“EXTREME”（極端）一詞。中國科學(xué)院物理研究所的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置就藏身于代號為“X2”的樓中。
這里是科研人員觀測物理現(xiàn)象的極低溫實(shí)驗(yàn)場所。該樓宇內(nèi)，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(fā)的頂部插桿式氦3制冷機(jī)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“許多物理現(xiàn)象只有在極端條件下才能被更好地觀察到。”中國科學(xué)院物理研究所研究員、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置亞毫開實(shí)驗(yàn)站負(fù)責(zé)人劉廣同告訴科技日報(bào)記者，“極端條件實(shí)驗(yàn)設(shè)備是開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，而氦3制冷機(jī)就是其中之一。”
極低溫，有門道
走進(jìn)“X2”，實(shí)驗(yàn)大廳放置著多臺(tái)制冷機(jī)。屋頂高約8米，空間寬敞如工廠車間。這樣設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的龐大尺寸。
整臺(tái)制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)就是“聚千鈞之力于底部之一毫”。劉廣同指著一臺(tái)高約3米、直徑近1米的大功率稀釋制冷機(jī)說，它的主體部分是制冷和保溫結(jié)構(gòu)，制造出來的極低溫環(huán)境位于制冷機(jī)底部的樣品腔處，也是觀測物理現(xiàn)象的區(qū)域。設(shè)備上粗重的氦3氣罐、低溫泵、保溫層等裝置，都是為了在底部樣品桿上創(chuàng)造出一片狹小的極低溫環(huán)境而設(shè)計(jì)。
記者注意到，大廳里從前到后擺放著多臺(tái)制冷機(jī)，它們在大小、形狀乃至名稱上都各不相同。
劉廣同告訴記者，物理學(xué)上的絕對零度是0開爾文（K）。雖然這個(gè)理論上的極值在現(xiàn)實(shí)中無法達(dá)到，但科學(xué)家們?yōu)榱私咏鼧O限，基于不同技術(shù)原理發(fā)明了各種制冷機(jī)。其中，氦3制冷機(jī)代表了最基礎(chǔ)的技術(shù)，大部分極低溫制冷機(jī)都是以氦3作為制冷劑，其最低溫度大約是300毫開爾文。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們研發(fā)了稀釋制冷機(jī)，通過氦4稀釋氦3提高制冷上限，其制冷極限可降至約10毫開爾文。
基于稀釋制冷機(jī)，科學(xué)家們又進(jìn)一步研發(fā)出了核絕熱去磁制冷機(jī)。這種制冷機(jī)利用銅原子的物理特性，可以在磁場助力下把制冷極限壓低到1毫開爾文以下。
“然而，在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，制冷極限并不是唯一重要的考量因素。”劉廣同說，除了極限溫度以外，制冷機(jī)的制冷功率、制冷時(shí)間等參數(shù)也非常重要。
此外，不同的物理實(shí)驗(yàn)需要的環(huán)境也有差異。因此，大廳里不同系列、不同型號的制冷機(jī)，有著各自發(fā)揮作用的空間。
“我們自主研發(fā)的這臺(tái)氦3制冷機(jī)，從溫度極限來講不是最低的，但它在本系列當(dāng)中具有出色的性能，為開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)設(shè)施支撐。”劉廣同說。
工匠心，破困局
氦3制冷機(jī)的制造過程，需要開展大量調(diào)試和加工工作。端坐在工作臺(tái)前的李沛嶺博士，正投入地進(jìn)行制冷機(jī)樣品桿的優(yōu)化工作。自從團(tuán)隊(duì)開始研發(fā)氦3制冷機(jī)，他就負(fù)責(zé)樣品桿的研制。制冷機(jī)試運(yùn)行后，李沛嶺又接手了改進(jìn)任務(wù)。
在明亮的光線照射下，只見李沛嶺左手拿起小鑷子，透過高倍顯微鏡，將細(xì)如發(fā)絲的銅線精準(zhǔn)放置在焊接點(diǎn)上；右手熟練地操作電烙鐵，輕柔地將銅線焊接到轉(zhuǎn)換接頭上。每個(gè)轉(zhuǎn)換頭需要重復(fù)這樣的操作48次，而每根樣品桿需要準(zhǔn)備五六個(gè)這樣的部件。
站在李沛嶺身后，可以窺見氦3制冷機(jī)的核心單元。其外觀酷似一根柱狀的大型注射器。內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)和金屬光澤，展現(xiàn)了制冷機(jī)不同層次的材料和科研人員的匠心獨(dú)運(yùn)。
“這臺(tái)外表極度精密的制冷機(jī)，一旦焊口處有微孔，就可能發(fā)生低溫泄漏，嚴(yán)重影響功能不說，還會(huì)損耗昂貴的氦3制冷劑。”李沛嶺說，為應(yīng)對焊接過程中的準(zhǔn)直難題，科研人員精心設(shè)計(jì)了一套專業(yè)工裝，確保在焊接等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。同時(shí)，他們還利用激光對準(zhǔn)等技術(shù)，將誤差降至最小。
這臺(tái)頂部插桿式氦3制冷機(jī)能夠達(dá)到265毫開爾文的超低溫度，并在300毫開爾文時(shí)實(shí)現(xiàn)200微瓦的大制冷功率。“這些指標(biāo)均達(dá)到了國際同類先進(jìn)商業(yè)產(chǎn)品的水平，并成功完成了低溫強(qiáng)磁場低維電子波譜學(xué)實(shí)驗(yàn)站的低溫工藝驗(yàn)收。”李沛嶺說。
沖極限，探新知
氦3制冷機(jī)運(yùn)作時(shí)的場景是怎樣的？研究團(tuán)隊(duì)為記者演示了制冷機(jī)運(yùn)作時(shí)的實(shí)驗(yàn)流程。
操作人員使用小型吊機(jī)，制冷機(jī)的核心單元被緩緩吊起。抬頭望去，核心單元宛如銀光閃爍的長槍，只待操作人員精確地將其嵌入與之配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中。
對于劉廣同來說，氦3制冷機(jī)已是團(tuán)隊(duì)的一位“老伙計(jì)”了。制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，科研人員會(huì)通過樣品桿接入光譜儀和精密電表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備來觀察和記錄物理現(xiàn)象。
“很多重要的物理現(xiàn)象都是在極端條件下被發(fā)現(xiàn)的，如在極低溫與強(qiáng)磁場下，人們發(fā)現(xiàn)了整數(shù)/分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。”劉廣同說，“我們開展極端條件實(shí)驗(yàn)，也是為了給探索新規(guī)律、開辟新應(yīng)用、合成新材料、制備新器件提供基礎(chǔ)。”
正如劉廣同所言，這些物理學(xué)研究成果極大地推動(dòng)了我國基礎(chǔ)研究水平的提高。在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)向極限沖刺的同時(shí)，科研人員也在繼續(xù)改進(jìn)氦3制冷機(jī)，提高基礎(chǔ)設(shè)施的性能。
李沛嶺介紹，目前團(tuán)隊(duì)使用的氦3制冷機(jī)是二代機(jī)型，其最低溫度可達(dá)250毫開爾文，最低溫保持時(shí)長可達(dá)130小時(shí)。作為自主研發(fā)的制冷機(jī)，該設(shè)備還配套了自主研發(fā)的軟件控制及測試程序。
對于未來的三代機(jī)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃改進(jìn)吸附泵進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化樣品桿布局，力爭在300毫開爾文以上的溫度實(shí)現(xiàn)制冷功率加倍的目標(biāo)。
習(xí)近平總書記在合肥濱湖科學(xué)城考察時(shí)指出，高新技術(shù)是討不來、要不來的，必須加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。科研工作者是推進(jìn)中國式現(xiàn)代化的骨干，要拿出“人生能有幾回搏”的勁頭，放開手腳創(chuàng)新創(chuàng)造，為建設(shè)科技強(qiáng)國奉獻(xiàn)才智、寫下精彩篇章。
劉廣同表示：“下一步，團(tuán)隊(duì)將齊心協(xié)力繼續(xù)研發(fā)設(shè)備、開展實(shí)驗(yàn)，在懷山柔水間奮勇爭先，向尖端基礎(chǔ)科學(xué)前沿不斷挺進(jìn)！”
向北出北京市區(qū)，山巒起伏的懷柔便映入眼簾，遠(yuǎn)山近嶺錯(cuò)落如畫。在山谷前的平坦之地，坐落著懷柔科學(xué)城（以下簡稱“科學(xué)城”）。
在科學(xué)城里，矗立著一組紅白相間的樓宇。這些樓宇以字母X加數(shù)字的格式命名，X源自英文“EXTREME”（極端）一詞。中國科學(xué)院物理研究所的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置就藏身于代號為“X2”的樓中。
這里是科研人員觀測物理現(xiàn)象的極低溫實(shí)驗(yàn)場所。該樓宇內(nèi)，中國科學(xué)院物理研究所自主研發(fā)的頂部插桿式氦3制冷機(jī)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“許多物理現(xiàn)象只有在極端條件下才能被更好地觀察到。”中國科學(xué)院物理研究所研究員、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置亞毫開實(shí)驗(yàn)站負(fù)責(zé)人劉廣同告訴科技日報(bào)記者，“極端條件實(shí)驗(yàn)設(shè)備是開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，而氦3制冷機(jī)就是其中之一。”
極低溫，有門道
走進(jìn)“X2”，實(shí)驗(yàn)大廳放置著多臺(tái)制冷機(jī)。屋頂高約8米，空間寬敞如工廠車間。這樣設(shè)計(jì)是為了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的龐大尺寸。
整臺(tái)制冷機(jī)的結(jié)構(gòu)就是“聚千鈞之力于底部之一毫”。劉廣同指著一臺(tái)高約3米、直徑近1米的大功率稀釋制冷機(jī)說，它的主體部分是制冷和保溫結(jié)構(gòu)，制造出來的極低溫環(huán)境位于制冷機(jī)底部的樣品腔處，也是觀測物理現(xiàn)象的區(qū)域。設(shè)備上粗重的氦3氣罐、低溫泵、保溫層等裝置，都是為了在底部樣品桿上創(chuàng)造出一片狹小的極低溫環(huán)境而設(shè)計(jì)。
記者注意到，大廳里從前到后擺放著多臺(tái)制冷機(jī)，它們在大小、形狀乃至名稱上都各不相同。
劉廣同告訴記者，物理學(xué)上的絕對零度是0開爾文（K）。雖然這個(gè)理論上的極值在現(xiàn)實(shí)中無法達(dá)到，但科學(xué)家們?yōu)榱私咏鼧O限，基于不同技術(shù)原理發(fā)明了各種制冷機(jī)。其中，氦3制冷機(jī)代表了最基礎(chǔ)的技術(shù)，大部分極低溫制冷機(jī)都是以氦3作為制冷劑，其最低溫度大約是300毫開爾文。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們研發(fā)了稀釋制冷機(jī)，通過氦4稀釋氦3提高制冷上限，其制冷極限可降至約10毫開爾文。
基于稀釋制冷機(jī)，科學(xué)家們又進(jìn)一步研發(fā)出了核絕熱去磁制冷機(jī)。這種制冷機(jī)利用銅原子的物理特性，可以在磁場助力下把制冷極限壓低到1毫開爾文以下。
“然而，在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，制冷極限并不是唯一重要的考量因素。”劉廣同說，除了極限溫度以外，制冷機(jī)的制冷功率、制冷時(shí)間等參數(shù)也非常重要。
此外，不同的物理實(shí)驗(yàn)需要的環(huán)境也有差異。因此，大廳里不同系列、不同型號的制冷機(jī)，有著各自發(fā)揮作用的空間。
“我們自主研發(fā)的這臺(tái)氦3制冷機(jī)，從溫度極限來講不是最低的，但它在本系列當(dāng)中具有出色的性能，為開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)設(shè)施支撐。”劉廣同說。
工匠心，破困局
氦3制冷機(jī)的制造過程，需要開展大量調(diào)試和加工工作。端坐在工作臺(tái)前的李沛嶺博士，正投入地進(jìn)行制冷機(jī)樣品桿的優(yōu)化工作。自從團(tuán)隊(duì)開始研發(fā)氦3制冷機(jī)，他就負(fù)責(zé)樣品桿的研制。制冷機(jī)試運(yùn)行后，李沛嶺又接手了改進(jìn)任務(wù)。
在明亮的光線照射下，只見李沛嶺左手拿起小鑷子，透過高倍顯微鏡，將細(xì)如發(fā)絲的銅線精準(zhǔn)放置在焊接點(diǎn)上；右手熟練地操作電烙鐵，輕柔地將銅線焊接到轉(zhuǎn)換接頭上。每個(gè)轉(zhuǎn)換頭需要重復(fù)這樣的操作48次，而每根樣品桿需要準(zhǔn)備五六個(gè)這樣的部件。
站在李沛嶺身后，可以窺見氦3制冷機(jī)的核心單元。其外觀酷似一根柱狀的大型注射器。內(nèi)部的不同結(jié)構(gòu)和金屬光澤，展現(xiàn)了制冷機(jī)不同層次的材料和科研人員的匠心獨(dú)運(yùn)。
“這臺(tái)外表極度精密的制冷機(jī)，一旦焊口處有微孔，就可能發(fā)生低溫泄漏，嚴(yán)重影響功能不說，還會(huì)損耗昂貴的氦3制冷劑。”李沛嶺說，為應(yīng)對焊接過程中的準(zhǔn)直難題，科研人員精心設(shè)計(jì)了一套專業(yè)工裝，確保在焊接等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。同時(shí)，他們還利用激光對準(zhǔn)等技術(shù)，將誤差降至最小。
這臺(tái)頂部插桿式氦3制冷機(jī)能夠達(dá)到265毫開爾文的超低溫度，并在300毫開爾文時(shí)實(shí)現(xiàn)200微瓦的大制冷功率。“這些指標(biāo)均達(dá)到了國際同類先進(jìn)商業(yè)產(chǎn)品的水平，并成功完成了低溫強(qiáng)磁場低維電子波譜學(xué)實(shí)驗(yàn)站的低溫工藝驗(yàn)收。”李沛嶺說。
沖極限，探新知
氦3制冷機(jī)運(yùn)作時(shí)的場景是怎樣的？研究團(tuán)隊(duì)為記者演示了制冷機(jī)運(yùn)作時(shí)的實(shí)驗(yàn)流程。
操作人員使用小型吊機(jī)，制冷機(jī)的核心單元被緩緩吊起。抬頭望去，核心單元宛如銀光閃爍的長槍，只待操作人員精確地將其嵌入與之配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中。
對于劉廣同來說，氦3制冷機(jī)已是團(tuán)隊(duì)的一位“老伙計(jì)”了。制冷機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，科研人員會(huì)通過樣品桿接入光譜儀和精密電表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備來觀察和記錄物理現(xiàn)象。
“很多重要的物理現(xiàn)象都是在極端條件下被發(fā)現(xiàn)的，如在極低溫與強(qiáng)磁場下，人們發(fā)現(xiàn)了整數(shù)/分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。”劉廣同說，“我們開展極端條件實(shí)驗(yàn)，也是為了給探索新規(guī)律、開辟新應(yīng)用、合成新材料、制備新器件提供基礎(chǔ)。”
正如劉廣同所言，這些物理學(xué)研究成果極大地推動(dòng)了我國基礎(chǔ)研究水平的提高。在物理學(xué)實(shí)驗(yàn)向極限沖刺的同時(shí)，科研人員也在繼續(xù)改進(jìn)氦3制冷機(jī)，提高基礎(chǔ)設(shè)施的性能。
李沛嶺介紹，目前團(tuán)隊(duì)使用的氦3制冷機(jī)是二代機(jī)型，其最低溫度可達(dá)250毫開爾文，最低溫保持時(shí)長可達(dá)130小時(shí)。作為自主研發(fā)的制冷機(jī)，該設(shè)備還配套了自主研發(fā)的軟件控制及測試程序。
對于未來的三代機(jī)，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃改進(jìn)吸附泵進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化樣品桿布局，力爭在300毫開爾文以上的溫度實(shí)現(xiàn)制冷功率加倍的目標(biāo)。
習(xí)近平總書記在合肥濱湖科學(xué)城考察時(shí)指出，高新技術(shù)是討不來、要不來的，必須加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。科研工作者是推進(jìn)中國式現(xiàn)代化的骨干，要拿出“人生能有幾回搏”的勁頭，放開手腳創(chuàng)新創(chuàng)造，為建設(shè)科技強(qiáng)國奉獻(xiàn)才智、寫下精彩篇章。
劉廣同表示：“下一步，團(tuán)隊(duì)將齊心協(xié)力繼續(xù)研發(fā)設(shè)備、開展實(shí)驗(yàn)，在懷山柔水間奮勇爭先，向尖端基礎(chǔ)科學(xué)前沿不斷挺進(jìn)！”
本文鏈接：山水間的極致利器——探訪“綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置”之氦3制冷機(jī)http://www.sq15.cn/show-2-10762-0.html
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