编辑推荐：
•开发了一种紧凑型三级CADR，可在300 mK下实现连续制冷。•改进的气隙热开关可抑制初级意外热短路并实现连续运行。•具有优化热截断的热集成方案显著减少了寄生热泄漏。•讨论了提高连续制冷功率的耦合策略并进行了验证。•热力学分析给出了ADR的总体效率。引言亚开尔文制冷是推动量
- •
开发了一种紧凑型三级CADR，可在300 mK下实现连续制冷。
- •
改进的气隙热开关可抑制初级意外热短路并实现连续运行。
- •
具有优化热截断的热集成方案显著减少了寄生热泄漏。
- •
讨论了提高连续制冷功率的耦合策略并进行了验证。
- •
热力学分析给出了ADR的总体效率。
引言
亚开尔文制冷是推动量子计算、凝聚态物理和空间观测研究进展的关键技术。空间探测器始终在超低温下运行，以抑制热背景噪声并分辨微弱信号。在众多主流亚开尔文制冷技术中，绝热去磁制冷因其宽温度范围、高效率和不依赖重力的特性而在空间应用中受到青睐。作为一种无低温制冷剂的制冷技术，ADR消除了复杂的低温管路，实现了从制冷器到冷负荷的完全固态制冷链。基于顺磁材料的磁热效应，ADR的制冷循环通过控制磁场和热传递状态来驱动。磁场与温度之间的耦合关系允许在不同制冷温度下实现精确的温度调节。
自20世纪90年代以来，空间观测的进展推动了ADR的发展。包括NASA、ESA和JAXA在内的多个国际航天机构先后开发了用于冷却空间探测器的ADR。1999年，为Astro-E任务开发了一级ADR，在65 mK下的制冷量为386 mJ。此后，在21世纪初，为Astro-H中的软X射线光谱仪设计了三级ADR，用于50 mK的制冷。随着探测器技术的进步和阵列规模的扩大，ADR的工作温度和制冷功率也得到了逐步提升。提出了各种ADR架构并付诸实施，使多级系统能够实现连续运行。为Constellation-X任务中的X射线微卡量计光谱仪报告了一个在50 mK下连续运行的五级CADR。它可实现连续冷却至35 mK，并在100 mK下提供20 μW的制冷功率。法国CEA也展示了一个从2.7 K到300 mK运行的三级ADR，在300 mK下实现了10 μW的连续制冷功率。
已报道了众多CADR原型机，但不同架构之间的设计方案差异显著。本文构建了一台从4 K到300 mK运行的三级CADR。详细描述了系统关键部件的设计和热集成方案。展示了该CADR原型机在300 mK下连续制冷的实验结果和运行情况。
章节摘要
配置与设计细节
图1示意性地展示了一台三级无低温制冷剂CADR。G-M型脉管制冷器为ADR提供了3.5 K的热沉。每一级由一个磁性制冷剂、一个热开关和一个超导磁体组成。第一级通过热开关HS1连接到3.5 K制冷平台。第二级一侧通过HS2与第一级相连，另一侧通过HS3与第三级相连。连续级S3直接连接到负载。表1列出了
制冷运行
我们的CADR暖启动过程相对简单。将所有热开关置于开启状态，并将三级均冷却至约4 K，同时将S1和S2的电流分别升至10 A和20 A，使它们完全磁化。ADR在循环过程中产生的所有热量均由制冷器吸收。然后，关闭HS1并将S1去磁至1 K。在此去磁过程中，S2和S3保持在初始磁场状态，S2在20 A，对应2.3 T，
结论
本文介绍了一台无低温制冷剂三级ADR的设计、制冷运行及性能，该ADR可在300 mK下实现超过10 μW制冷功率的连续制冷。精心设计的热集成方案实现了多个温度级之间的高效热耦合。系统在300 mK下分别以10 μW和12 μW的制冷功率实现了4.25%和4.83%的总体效率。专用控制程序监控每一级的状态并执行自动
CRediT作者贡献声明
李彦楠：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、调查研究。潘腾：方法论、调查研究。赵鹏：调查研究。沈俊：监督、方法论。戴伟：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、方法论。李可：撰写—审阅与编辑、软件、方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2203303）的资金支持。
李彦楠|潘腾|赵鹏|沈俊|戴伟|李可
