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。稀释制冷机的出现使人们可以很方便地得到绝对零度以上千分之几度的低温。过去毫开温度被看得神秘莫测，世界上只有为数不多国家的几个实验室能够达到。现在，只要财政上允许，任何一个实验室都可以毫不费力地购买到作为商品出售的稀释制冷机，极大地推动了超低温研究更普及地开展。

3He-4He稀释制冷原理的提出

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。1969年阿波罗登月飞船发现月球上存在3He，后来确定月球的月壤中3He储量达百万吨之巨。如果将来能开发月球资源，3He作为一种清洁的核能源有巨大的应用前景。

20世纪30年代末，科学家们发现了液氦的一种奇异特性，在特定的温度下，液态氦的黏性完全消失，并进而表现出超流动性。用抽真空的方法降低液氦的蒸气压来降低温度，当温度下降到2.17K时，液氦发生相变，这一温度以下的液氦呈超流相。20世纪70年代进而发现了3He超流相，但它的相转变温度比4He要低得多，约为前者的0.1%，在0.0026K以下3He才可能转变为超流态。

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。H．伦敦提出利用这一现象制冷的设想，不过当时物理学界并未太注意他提出的这种制取超低温的新方案，因为那时很难得到足够数量的3He，对它的性质也不太了解，同时3He和4He的相分离现象还没有发现，这种方式制冷在技术上也难实现。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。

1962年，H．伦敦和门德尔松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀释制冷实用技术方案。

稀释制冷原理与蒸发制冷有相似之处。低温下4He呈超流态，是惰性液体，而3He仍为正常流体，是个活跃成分。因此，若一个容器中盛有3He-4He混合液，下层的富4He相对于上层富3He相来说，可以认为是只起支撑或“机械真空”的作用。只要采取某种方式除去一些富4He相中溶解的3He，下层富4He相中3He浓度降低，势必破坏两相间的平衡，富3He相中的3He原子将穿过分界层扩散到富4He相中去。从界面上看，这相当于3He蒸发，只不过3He分子不是蒸发进入气相空间，而是“蒸发”进入液相的超流态4He中。这个过程实际上是3He不断被稀释的过程，若稀释持续下去，液体就不断被冷却。因此这种制冷方式称为稀释制冷。

当然3He-4He稀释制冷与3He的蒸发制冷还是有很大区别。前面已经提到，在蒸发制冷过程中，随着温度下降，3He蒸气压急剧降低，最终无气可抽而不得不终止制冷过程，这限制3He蒸发制冷的极限温度是0.25K。稀释制冷则不同，富4He相中3He的含量不变，不管温度多低，抽气机总可以维持恒定的3He循环量，因此可以得到比3He蒸发制冷低得多的温度。

3He-4He稀释制冷机的诞生

1964年荷兰科学家制成了第一台稀释制冷机，奥波特（R. de Bruyn Ouboter）和塔柯尼斯在莱顿实验室实现了3He-4He稀释制冷循环。当时由于换热器设计得不太好，他们只得到0.2K。1966年，霍尔（H. E. Hall）等人得到更好一些的结果，他们达到0.065K。同年，苏联的尼加诺夫（B. S. Neganov）建成一台高效率稀释制冷机，并达到0.025K。1968年，他进而把温度推进到0.005K。1975年，苏联的彼什科夫（V.Peshkov）和法国的格勒诺布尔（Grenoble）小组把稀释制冷的温度纪录提高到0.003K。同一期间，美国、英国等国家建起稀释制冷装置。我国也研制成功一台稀释制冷机，最低温度约35mK,0.1K以下时的制冷量为24μW。

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。

与其他各种超低温制冷装置相比，稀释制冷机成本较低，能连续制冷并得到持续稳定的低温。特别是它不需要大的磁体，不受磁环境的影响，这对需要避开磁影响的超导、核极化等实验尤为可贵。这方面许多精彩的实验常常是借助于稀释制冷装置完成的。

随着3He资源日渐丰富，稀释制冷机发展非常迅速，成为获得毫开温度的主要方法之一。现在，各种型号的稀释制冷机已由厂家成批生产，在0.1K温度下提供10～100μW的冷量。稀释制冷的极限温度约为0.002K，可以很方便地提供0.003～0.5K的工作温度。

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