向北出北京市區(qū)，山巒起伏的懷柔便映入眼簾，遠山近嶺錯落如畫。在山谷前的平坦之地，坐落著懷柔科學城（以下簡稱“科學城”）。
在科學城里，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。中國科學院物理研究所的綜合極端條件實驗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)象的極低溫實驗場所。該樓宇內(nèi)，中國科學院物理研究所自主研發(fā)的頂部插桿式氦3制冷機發(fā)揮著關鍵作用。
“許多物理現(xiàn)象只有在極端條件下才能被更好地觀察到。”中國科學院物理研究所研究員、綜合極端條件實驗裝置亞毫開實驗站負責人劉廣同告訴科技日報記者，“極端條件實驗設備是開展相關物理實驗不可或缺的基礎設施，而氦3制冷機就是其中之一。”
極低溫，有門道
走進“X2”，實驗大廳放置著多臺制冷機。屋頂高約8米，空間寬敞如工廠車間。這樣設計是為了適應實驗設備的龐大尺寸。
整臺制冷機的結構就是“聚千鈞之力于底部之一毫”。劉廣同指著一臺高約3米、直徑近1米的大功率稀釋制冷機說，它的主體部分是制冷和保溫結構，制造出來的極低溫環(huán)境位于制冷機底部的樣品腔處，也是觀測物理現(xiàn)象的區(qū)域。設備上粗重的氦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)境而設計。
記者注意到，大廳里從前到后擺放著多臺制冷機，它們在大小、形狀乃至名稱上都各不相同。
劉廣同告訴記者，物理學上的絕對零度是0開爾文（K）。雖然這個理論上的極值在現(xiàn)實中無法達到，但科學家們?yōu)榱私咏鼧O限，基于不同技術原理發(fā)明了各種制冷機。其中，氦3制冷機代表了最基礎的技術，大部分極低溫制冷機都是以氦3作為制冷劑，其最低溫度大約是300毫開爾文。在此基礎上，科學家們研發(fā)了稀釋制冷機，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，科學家們又進一步研發(fā)出了核絕熱去磁制冷機。這種制冷機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，在物理學實驗當中，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，制冷機的制冷功率、制冷時間等參數(shù)也非常重要。
此外，不同的物理實驗需要的環(huán)境也有差異。因此，大廳里不同系列、不同型號的制冷機，有著各自發(fā)揮作用的空間。
“我們自主研發(fā)的這臺氦3制冷機，從溫度極限來講不是最低的，但它在本系列當中具有出色的性能，為開展相關實驗提供了基礎設施支撐。”劉廣同說。
工匠心，破困局
氦3制冷機的制造過程，需要開展大量調(diào)試和加工工作。端坐在工作臺前的李沛嶺博士，正投入地進行制冷機樣品桿的優(yōu)化工作。自從團隊開始研發(fā)氦3制冷機，他就負責樣品桿的研制。制冷機試運行后，李沛嶺又接手了改進任務。
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，將細如發(fā)絲的銅線精準放置在焊接點上；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。每個轉(zhuǎn)換頭需要重復這樣的操作48次，而每根樣品桿需要準備五六個這樣的部件。
站在李沛嶺身后，可以窺見氦3制冷機的核心單元。其外觀酷似一根柱狀的大型注射器。內(nèi)部的不同結構和金屬光澤，展現(xiàn)了制冷機不同層次的材料和科研人員的匠心獨運。
“這臺外表極度精密的制冷機，一旦焊口處有微孔，就可能發(fā)生低溫泄漏，嚴重影響功能不說，還會損耗昂貴的氦3制冷劑。”李沛嶺說，為應對焊接過程中的準直難題，科研人員精心設計了一套專業(yè)工裝，確保在焊接等環(huán)節(jié)實現(xiàn)精準定位。同時，他們還利用激光對準等技術，將誤差降至最小。
這臺頂部插桿式氦3制冷機能夠達到265毫開爾文的超低溫度，并在300毫開爾文時實現(xiàn)200微瓦的大制冷功率。“這些指標均達到了國際同類先進商業(yè)產(chǎn)品的水平，并成功完成了低溫強磁場低維電子波譜學實驗站的低溫工藝驗收。”李沛嶺說。
沖極限，探新知
氦3制冷機運作時的場景是怎樣的？研究團隊為記者演示了制冷機運作時的實驗流程。
操作人員使用小型吊機，制冷機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驗設備中。
對于劉廣同來說，氦3制冷機已是團隊的一位“老伙計”了。制冷機運轉(zhuǎn)時，科研人員會通過樣品桿接入光譜儀和精密電表等實驗設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，如在極低溫與強磁場下，人們發(fā)現(xiàn)了整數(shù)/分數(shù)量子霍爾效應。”劉廣同說，“我們開展極端條件實驗，也是為了給探索新規(guī)律、開辟新應用、合成新材料、制備新器件提供基礎。”
正如劉廣同所言，這些物理學研究成果極大地推動了我國基礎研究水平的提高。在物理學實驗向極限沖刺的同時，科研人員也在繼續(xù)改進氦3制冷機，提高基礎設施的性能。
李沛嶺介紹，目前團隊使用的氦3制冷機是二代機型，其最低溫度可達250毫開爾文，最低溫保持時長可達130小時。作為自主研發(fā)的制冷機，該設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，團隊計劃改進吸附泵進氣結構，優(yōu)化樣品桿布局，力爭在300毫開爾文以上的溫度實現(xiàn)制冷功率加倍的目標。
習近平總書記在合肥濱湖科學城考察時指出，高新技術是討不來、要不來的，必須加快實現(xiàn)高水平科技自立自強?？蒲泄ぷ髡呤峭七M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，為建設科技強國奉獻才智、寫下精彩篇章。
劉廣同表示：“下一步，團隊將齊心協(xié)力繼續(xù)研發(fā)設備、開展實驗，在懷山柔水間奮勇爭先，向尖端基礎科學前沿不斷挺進！”
向北出北京市區(qū)，山巒起伏的懷柔便映入眼簾，遠山近嶺錯落如畫。在山谷前的平坦之地，坐落著懷柔科學城（以下簡稱“科學城”）。
在科學城里，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。中國科學院物理研究所的綜合極端條件實驗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)象的極低溫實驗場所。該樓宇內(nèi)，中國科學院物理研究所自主研發(fā)的頂部插桿式氦3制冷機發(fā)揮著關鍵作用。
“許多物理現(xiàn)象只有在極端條件下才能被更好地觀察到。”中國科學院物理研究所研究員、綜合極端條件實驗裝置亞毫開實驗站負責人劉廣同告訴科技日報記者，“極端條件實驗設備是開展相關物理實驗不可或缺的基礎設施，而氦3制冷機就是其中之一。”
極低溫，有門道
走進“X2”，實驗大廳放置著多臺制冷機。屋頂高約8米，空間寬敞如工廠車間。這樣設計是為了適應實驗設備的龐大尺寸。
整臺制冷機的結構就是“聚千鈞之力于底部之一毫”。劉廣同指著一臺高約3米、直徑近1米的大功率稀釋制冷機說，它的主體部分是制冷和保溫結構，制造出來的極低溫環(huán)境位于制冷機底部的樣品腔處，也是觀測物理現(xiàn)象的區(qū)域。設備上粗重的氦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)境而設計。
記者注意到，大廳里從前到后擺放著多臺制冷機，它們在大小、形狀乃至名稱上都各不相同。
劉廣同告訴記者，物理學上的絕對零度是0開爾文（K）。雖然這個理論上的極值在現(xiàn)實中無法達到，但科學家們?yōu)榱私咏鼧O限，基于不同技術原理發(fā)明了各種制冷機。其中，氦3制冷機代表了最基礎的技術，大部分極低溫制冷機都是以氦3作為制冷劑，其最低溫度大約是300毫開爾文。在此基礎上，科學家們研發(fā)了稀釋制冷機，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，科學家們又進一步研發(fā)出了核絕熱去磁制冷機。這種制冷機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，在物理學實驗當中，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，制冷機的制冷功率、制冷時間等參數(shù)也非常重要。
此外，不同的物理實驗需要的環(huán)境也有差異。因此，大廳里不同系列、不同型號的制冷機，有著各自發(fā)揮作用的空間。
“我們自主研發(fā)的這臺氦3制冷機，從溫度極限來講不是最低的，但它在本系列當中具有出色的性能，為開展相關實驗提供了基礎設施支撐。”劉廣同說。
工匠心，破困局
氦3制冷機的制造過程，需要開展大量調(diào)試和加工工作。端坐在工作臺前的李沛嶺博士，正投入地進行制冷機樣品桿的優(yōu)化工作。自從團隊開始研發(fā)氦3制冷機，他就負責樣品桿的研制。制冷機試運行后，李沛嶺又接手了改進任務。
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，將細如發(fā)絲的銅線精準放置在焊接點上；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。每個轉(zhuǎn)換頭需要重復這樣的操作48次，而每根樣品桿需要準備五六個這樣的部件。
站在李沛嶺身后，可以窺見氦3制冷機的核心單元。其外觀酷似一根柱狀的大型注射器。內(nèi)部的不同結構和金屬光澤，展現(xiàn)了制冷機不同層次的材料和科研人員的匠心獨運。
“這臺外表極度精密的制冷機，一旦焊口處有微孔，就可能發(fā)生低溫泄漏，嚴重影響功能不說，還會損耗昂貴的氦3制冷劑。”李沛嶺說，為應對焊接過程中的準直難題，科研人員精心設計了一套專業(yè)工裝，確保在焊接等環(huán)節(jié)實現(xiàn)精準定位。同時，他們還利用激光對準等技術，將誤差降至最小。
這臺頂部插桿式氦3制冷機能夠達到265毫開爾文的超低溫度，并在300毫開爾文時實現(xiàn)200微瓦的大制冷功率。“這些指標均達到了國際同類先進商業(yè)產(chǎn)品的水平，并成功完成了低溫強磁場低維電子波譜學實驗站的低溫工藝驗收。”李沛嶺說。
沖極限，探新知
氦3制冷機運作時的場景是怎樣的？研究團隊為記者演示了制冷機運作時的實驗流程。
操作人員使用小型吊機，制冷機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驗設備中。
對于劉廣同來說，氦3制冷機已是團隊的一位“老伙計”了。制冷機運轉(zhuǎn)時，科研人員會通過樣品桿接入光譜儀和精密電表等實驗設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，如在極低溫與強磁場下，人們發(fā)現(xiàn)了整數(shù)/分數(shù)量子霍爾效應。”劉廣同說，“我們開展極端條件實驗，也是為了給探索新規(guī)律、開辟新應用、合成新材料、制備新器件提供基礎。”
正如劉廣同所言，這些物理學研究成果極大地推動了我國基礎研究水平的提高。在物理學實驗向極限沖刺的同時，科研人員也在繼續(xù)改進氦3制冷機，提高基礎設施的性能。
李沛嶺介紹，目前團隊使用的氦3制冷機是二代機型，其最低溫度可達250毫開爾文，最低溫保持時長可達130小時。作為自主研發(fā)的制冷機，該設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，團隊計劃改進吸附泵進氣結構，優(yōu)化樣品桿布局，力爭在300毫開爾文以上的溫度實現(xiàn)制冷功率加倍的目標。
習近平總書記在合肥濱湖科學城考察時指出，高新技術是討不來、要不來的，必須加快實現(xiàn)高水平科技自立自強?？蒲泄ぷ髡呤峭七M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，為建設科技強國奉獻才智、寫下精彩篇章。
劉廣同表示：“下一步，團隊將齊心協(xié)力繼續(xù)研發(fā)設備、開展實驗，在懷山柔水間奮勇爭先，向尖端基礎科學前沿不斷挺進！”
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