吸附制冷機：SNSPD的“低溫貴人”
自2001年問世以來，超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的探測效率持續(xù)突破技術(shù)天花板：2013 年首次邁過 90% 門檻，2020 年攀升至 98%，2025 年更挺進(jìn) 99% 大關(guān)。這份亮眼的 “進(jìn)階成績單” 背后，離不開一位關(guān)鍵 “幕后推手”—— 吸附制冷機。憑借無運動部件、高可靠性的核心優(yōu)勢，吸附制冷機為 SNSPD 打造了穩(wěn)定的極低溫環(huán)境，助其突破性能瓶頸。今天，我們就一同揭開這位 “低溫貴人” 的神秘面紗。
圖1 SNSPD在2.1 K和0.8 K下的探測效率和噪聲曲線對比
一、吸附制冷機的工作原理
吸附制冷機的核心原理是減壓蒸發(fā)制冷，其本質(zhì)是借助吸附劑對溫度的敏感性，調(diào)控工質(zhì)的相變與壓力，最終通過工質(zhì)蒸發(fā)吸熱實現(xiàn)極低溫。這一過程可通過生活中常見現(xiàn)象類比理解：比如活性炭能吸附甲醛，經(jīng)太陽暴曬后，因溫度升高釋放甲醛，便可重復(fù)使用；而在吸附制冷機中，這一 “吸附 - 解吸” 循環(huán)被精準(zhǔn)適配到低溫場景 —— 以活性炭為吸附劑，在 4K 左右的低溫環(huán)境下，活性炭對氦氣的吸附容量大幅提升，可快速 “抽走” 蒸發(fā)器內(nèi)的氦氣，使壓力降至目標(biāo)值；當(dāng)溫度升高至40 K以上時，活性炭吸附能力下降，釋放出氦氣，完成循環(huán)驅(qū)動。
圖2 不同活性炭對氦氣的低溫吸附效果
1. 核心構(gòu)成：四大部件協(xié)同發(fā)力
圖3 吸附制冷機的結(jié)構(gòu)構(gòu)成
吸附制冷機的穩(wěn)定運行，依賴四大核心部件的協(xié)同配合：
吸附床（Cryopump）：核心“調(diào)控單元”，內(nèi)部填充多孔吸附劑（如活性炭、分子篩），低溫時吸附能力強，可“捕捉”工質(zhì)氣體；高溫時吸附能力弱，釋放工質(zhì)氣體，是控制工質(zhì)狀態(tài)的關(guān)鍵。
蒸發(fā)器（Evaporator pot）：“制冷輸出單元”，儲存液態(tài)工質(zhì)（如?He），當(dāng)工質(zhì)減壓蒸發(fā)時吸收熱量，降低自身溫度，為SNSPD等外部負(fù)載提供冷量。
熱開關(guān)（Heat switch）：“溫度控制閥門”，多為氣隙式，需要冷卻吸附床時，氣隙充入氦氣增強導(dǎo)熱；需要維持吸附床溫度時，抽空氣隙實現(xiàn)絕熱，精準(zhǔn)控制導(dǎo)熱路徑通斷。
前級冷源（Condenser plate）：“基礎(chǔ)冷量提供者”，多為G-M制冷機、脈沖管制冷機等，將系統(tǒng)預(yù)冷至4.2 K左右，為吸附-解吸循環(huán)創(chuàng)造低溫條件，是制冷循環(huán)的“起跑線”。
2. 四步循環(huán)：從預(yù)冷到再生的完整邏輯
以極低溫場景（?He工質(zhì)、G-M制冷機預(yù)冷）為例，吸附制冷機的四步循環(huán)環(huán)環(huán)相扣，確保制冷效果穩(wěn)定持久：
圖4 吸附制冷機的溫度循環(huán)
（1）預(yù)冷階段：奠定低溫基礎(chǔ)
目標(biāo)：將吸附床、蒸發(fā)器等核心部件從室溫降至4.2K，排除系統(tǒng)初始熱量，為工質(zhì)相變做準(zhǔn)備。
過程：啟動G-M制冷機，通過無氧銅導(dǎo)熱柱、柔性導(dǎo)熱鏈將冷量傳遞至主冷臺。此階段大約耗時10-20小時。當(dāng)溫度穩(wěn)定后，系統(tǒng)進(jìn)入“待冷凝”狀態(tài)。
（2）冷凝階段：儲備液態(tài)工質(zhì)
目標(biāo)：將吸附床中的工質(zhì)解吸為氣體，再冷凝為液態(tài)儲存于蒸發(fā)器，積累“冷量原料”。
過程：斷開熱開關(guān)，通過加熱器將吸附床加熱至40-60K，活性炭吸附能力下降，?He氣體被解吸（壓力升至數(shù)兆帕）；氣態(tài)?He通過內(nèi)徑1-2mm的薄壁不銹鋼管（低漏熱、高氣密性）流向蒸發(fā)器；蒸發(fā)器與G-M制冷機二級冷頭（4.2K）熱耦合，氣態(tài)?He被冷卻至4.2K以下，冷凝為液態(tài)并儲存，直至液體體積達(dá)到系統(tǒng)總?cè)莘e的60%-80%，冷凝階段結(jié)束。
（3）制冷階段：輸出極低溫冷量
目標(biāo)：通過工質(zhì)蒸發(fā)吸熱，將蒸發(fā)器溫度降至0.8 K左右，為SNSPD提供穩(wěn)定的極低溫環(huán)境。
過程：關(guān)閉吸附床加熱器，閉合熱開關(guān)，使吸附床與4.2K冷源導(dǎo)通——吸附床溫度快速降至4.2K，活性炭吸附能力恢復(fù)，開始“吸附”蒸發(fā)器中的?He氣體；蒸發(fā)器內(nèi)壓力急劇降低，液態(tài)?He進(jìn)入“減壓蒸發(fā)”狀態(tài)，吸收大量熱量，溫度持續(xù)下降至0.8 K。
（4）再生階段：重置系統(tǒng)循環(huán)
目標(biāo)：將吸附床吸附的工質(zhì)解吸，恢復(fù)初始狀態(tài)，為下一輪制冷做準(zhǔn)備。
過程：第一步，加熱吸附床至50-60K，使活性炭吸附的?He解吸為氣體，打開閥門讓氣體回流至吸附床；第二步，關(guān)閉加熱器，通過熱開關(guān)將吸附床與冷源連通，使其溫度降至4.2K，活性炭重新吸附?He氣體。整個過程約1-2小時，需監(jiān)測吸附床壓力與溫度，確保工質(zhì)無泄漏、解吸充分。當(dāng)吸附床溫度與壓力恢復(fù)初始狀態(tài)，再生完成，系統(tǒng)可進(jìn)入下一輪循環(huán)。
3. 關(guān)鍵參數(shù)
制冷功率：指蒸發(fā)器在 1K 時能穩(wěn)定輸出的冷量，商用模塊（如 Chase GL4）通常為100μW-1mW，可滿足小型探測器需求；
運行時間：一次循環(huán)的制冷時長，與工質(zhì)量、負(fù)載功率相關(guān)。例如，商用模塊在 100μW 負(fù)載下，運行時間可達(dá)29±3 小時；
再生時間：完成 “冷凝階段” 所需的時間，通常為1-2小時，主要取決于吸附泵的加熱速率和熱開關(guān)的導(dǎo)熱效率。
二、對SNSPD的性能助力：從“合格”到“卓越”
SNSPD的核心性能與工作溫度緊密綁定?；贜bN材料的SNSPD雖能在2.2 K（G-M制冷機常規(guī)最低溫）下工作，但在光量子計算、貝爾不等式驗證、設(shè)備無關(guān)量子密鑰分發(fā)等高精度場景中，95%以上的探測效率需求讓2.2 K成為“性能天花板”——多數(shù)SNSPD在這一溫度下難以達(dá)到理想探測狀態(tài)，且時間抖動較高、抗干擾能力較弱。
吸附制冷機提供的1K極低溫環(huán)境，從多維度提升SNSPD性能，真正從“勉強達(dá)標(biāo)”躍升至“穩(wěn)定超優(yōu)”，助其突破應(yīng)用瓶頸：
探測效率顯著提升：2.2 K環(huán)境下SNSPD探測效率通常為80%-90%，而0.8 K極低溫下探測效率可提升至95%以上，部分器件突破98%。
時間抖動大幅降低：SNSPD時間抖動性能與偏置電流近似呈反比，0.8 K極低溫可以使器件臨界電流增大25%以上，時間抖動對應(yīng)地可降低25%以上。
工作穩(wěn)定性全面優(yōu)化：吸附制冷機無機械運動部件，運行時無振動、無電磁干擾，避免機械制冷機振動對SNSPD的影響；器件臨界電流增大，工作平臺區(qū)范圍更廣，抗干擾能力顯著增強，長時工作更穩(wěn)定。
三、吸附制冷機的優(yōu)勢與待突破瓶頸
圖5 商用吸附制冷機性能（Chase Research Cryogenics）
1. 優(yōu)勢
（1）無振動、無電磁干擾
這是吸附制冷機最核心的優(yōu)勢——無任何運動部件（如壓縮機、活塞），振動水平僅由預(yù)冷級決定（通常 < 1μm），遠(yuǎn)低于機械制冷機（10-100μm）。1K 吸附制冷機的振動加速度≤10??g，完全滿足引力波探測器、空間干涉儀等設(shè)備的需求。同時，系統(tǒng)無電磁線圈，不會產(chǎn)生電磁干擾，適配超導(dǎo)量子芯片等敏感負(fù)載。
（2）高可靠性、長壽命
吸附制冷機的核心部件（吸附劑、熱開關(guān)、蒸發(fā)器）無磨損，壽命主要取決于吸附劑穩(wěn)定性。物理吸附型（活性炭 + 氦氣）制冷機的壽命可達(dá)15年以上，遠(yuǎn)超機械制冷機（5-8 年）。
（3）結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化
商用 1K 吸附模塊的重量僅2.5-3 kg，尺寸約 127×242 mm，可直接加裝在 4K 預(yù)冷級上，無需復(fù)雜改造。
（4）微重力適配性
通過多孔材料的毛細(xì)力固定液態(tài)氦，1K 吸附制冷機可在微重力環(huán)境下穩(wěn)定工作，無需依賴重力實現(xiàn)工質(zhì)傳輸。
2. 缺點
（1）間歇性制冷，需再生循環(huán)
一次“冷凝 - 蒸發(fā)”循環(huán)的制冷時間有限（通常 12-40 小時），需定期停止制冷、啟動再生。盡管可通過“雙模塊交替工作”（一個制冷、一個再生）彌補，但會增加系統(tǒng)復(fù)雜度和重量。
（2）制冷功率低，適配范圍有限
現(xiàn)有商用模塊的制冷功率多在 100μW-1mW，僅能滿足小型探測器（如超導(dǎo)納米線、bolometer）需求，無法覆蓋高功率負(fù)載（如大型量子芯片、紅外焦平面陣列，需 10mW 以上冷量）。
（3）吸附劑性能受限
傳統(tǒng)活性炭在低溫下的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致吸附-解吸速率慢，再生時間長（1-1.5 小時）；同時，其吸附容量隨溫度降低而下降，在 1K 時對?He 的吸附容量僅為 4K 時的 50%，限制了制冷效率提升。
四、結(jié)語
對超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）而言，吸附制冷機絕非僅提供低溫的工具，更是突破其性能瓶頸的關(guān)鍵推手。依托 “無振動、高可靠” 核心優(yōu)勢，1K 吸附制冷機正成為低溫技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵拼圖 —— 隨著其持續(xù)升級，SNSPD 將實現(xiàn)更高效率、更多通道與更低成本，為量子通信、量子計算的規(guī)?；瘧?yīng)用鋪路，推動量子技術(shù)從實驗室走向走向更廣闊的實際應(yīng)用場景。未來，1K 吸附制冷機必將從 “小眾技術(shù)” 邁向 “主流應(yīng)用”，成為低溫領(lǐng)域的標(biāo)配。
參考文獻(xiàn)
【1】Martins D, Catarino I, Lopes D, et al. Low temperature adsorption versus pore size in activated carbons[C]//International Cryocooler Conference, Inc., Boulder, CO. 2011.
