自2001年问世以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的探测效能持续突破技术天花板：2013 年初次迈过 90% 门槛，2020 年攀升至 98%，2025 年更挺进 99% 大关
。这份亮眼的 “进阶成就单” 背后，离不开一位关键 “幕后推手”—— 吸附造冷机
。凭借无运动部件、高靠得住性的主题优势，吸附造冷机为 SNSPD 打造了不变的极低温环境，助其突破机能瓶颈
。今天，我们就一起揭开这位 “低温贵人” 的神秘面纱
。

图1 SNSPD在2.1 K和0.8 K下的探测效能和噪声曲线对比

吸附造冷机的主题道理是减压蒸发造冷，其性质是借助吸附剂对温度的敏感性，调控工质的相变与压力，最终通过工质蒸发吸热实现极低温
。这一过程可通过生涯中常见景象类比理解：好比活性炭能吸附甲醛，经太阳暴晒后，因温度升高开释甲醛，便可沉复使用
；而在吸附造冷机中，这一 “吸附 - 解吸” 循环被精准适配到低温场景 —— 以活性炭为吸附剂，在 4K 左右的低温环境下，活性炭对氦气的吸附容量大幅提升，可急剧 “抽走” 蒸发器内的氦气，使压力降至指标值
；当温度升高至40 K以上时，活性炭吸附能力降落，开释出氦气，实现循环驱动
。

图2 分歧活性炭对氦气的低温吸附成效

1. 主题组成：四大部件协同发力

图3 吸附造冷机的结构组成

吸附造冷机的不变运行，依赖四大主题部件的协同共同：

• 吸附床（Cryopump）：主题“调控单元”，内部填充多孔吸附剂（如活性炭、分子筛），低温时吸附能力强，可“捉拿”工质气体
  ；高温时吸附能力弱，释放工质气体，是节造工质状态的关键
  。

• 蒸发器（Evaporator pot）：“造冷输出单元”，贮存液态工质（如?He），当工质减压蒸发时吸收热量，降低自身温度，为SNSPD等表部负载提供冷量
  。

• 热开关（Heat switch）：“温度节造阀门”，多为气隙式，必要冷却吸附床时，气隙充入氦气加强导热
  ；必要维持吸附床温度时，抽空气隙实现绝热，精准节造导热蹊径通断
  。

• 前级冷源（Condenser plate）：“基础冷量提供者”，多为G-M造冷机、脉冲管造冷机等，将系统预冷至4.2 K左右，为吸附-解吸循环创造低温前提，是造冷循环的“起跑线”
  。

2. 四步循环：从预冷到再生的齐全逻辑

以极低温场景（?He工质、G-M造冷机预冷）为例，吸附造冷机的四步循环环环相扣，确保造冷成效不变悠久：

图4 吸附造冷机的温度循环

（1）预冷阶段：奠定低温基础

• 指标：将吸附床、蒸发器等主题部件从室温降至4.2K，排除系统初始热量，为工质相变做筹备
  。

• 过程：启动G-M造冷机，通过无氧铜导热柱、柔性导热链将冷量传递至主冷台
  。此阶段约莫耗时10-20幼时
  。当温度不变后，系统进入“待冷凝”状态
  。

（2）冷凝阶段：储蓄液态工质

• 指标：将吸附床中的工质解吸为气体，再冷凝为液态贮存于蒸发器，堆集“冷量原料”
  。

• 过程：断开热开关，通过加热器将吸附床加热至40-60K，活性炭吸附能力降落，?He气体被解吸（压力升至数兆帕）
  ；气态?He通过内径1-2mm的薄壁不锈钢管（低漏热、高气密性）流向蒸发器
  ；蒸发器与G-M造冷机二级冷头（4.2K）热耦合，气态?He被冷却至4.2K以下，冷凝为液态并贮存，直至液体体积达到系统总容积的60%-80%，冷凝阶段实现
  。

（3）造冷阶段：输出极低温冷量

• 指标：通过工质蒸发吸热，将蒸发器温度降至0.8 K左右，为SNSPD提供不变的极低温环境
  。

• 过程：关关吸附床加热器，关合热开关，使吸附床与4.2K冷源导通——吸附床温度急剧降至4.2K，活性炭吸附能力复原，起头“吸附」佤发器中的?He气体
  ；蒸发器内压力急剧降低，液态?He进入“减压蒸发”状态，吸收大量热量，温度持续降落至0.8 K
  。

（4）再生阶段：沉置系统循环

• 指标：将吸附床吸附的工质解吸，复原初始状态，为下一轮造冷做筹备
  。

• 过程：第一步，加热吸附床至50-60K，使活性炭吸附的?He解吸为气体，打开阀门让气体回流至吸附床
  ；第二步，关关加热器，通过热开关将吸附床与冷源连通，使其温度降至4.2K，活性炭沉新吸附?He气体
  。整个过程约1-2幼时，需监测吸附床压力与温度，确保工质无泄漏、解吸充分
  。当吸附床温杜纂压力复原初始状态，再生实现，系统可进入下一轮循环
  。

3. 关键参数

• 造冷功率：指蒸发器在 1K 时能不变输出的冷量，商用
  ？椋ㄈ Chase GL4）通常为100μW-1mW，可满足幼型探测器需要
  ；

• 运行功夫：一次循环的造冷时长，与工质量、负载功率有关
  。例如，商用
  ？樵 100μW 负载下，运行功夫可达29±3 幼时
  ；

• 再生功夫：实现 “冷凝阶段” 所需的功夫，通常为1-2幼时，重要取决于吸附泵的加热速度和热开关的导热效能
  。

SNSPD的主题肠能与工作温度缜密绑定

；贜bN资料的SNSPD虽能在2.2 K（G-M造冷机通例最低温）下工作，但在光量子推算、贝尔不等式验证、设备无关量子密钥分发等高精度场景中，95%以上的探测效能需要让2.2 K成为“机能天花板”——无数SNSPD在这一温度下难以达到梦想探测状态，且功夫抖动较高、抗滋扰能力较弱
。

吸附造冷机提供的1K极低温环境，从多维度提升SNSPD机能，真正从“勉强达标”跃升至“不变超优”，助其突破利用瓶颈：

• 探测效能显著提升：2.2 K环境下SNSPD探测效能通常为80%-90%，而0.8 K极低温下探测效能可提升至95%以上，部吩祺件突破98%
  。

• 功夫抖动大幅降低：SNSPD功夫抖动机能与偏置电流近似呈反比，0.8 K极低温能够使器件临界电流增大25%以上，功夫抖动对应地可降低25%以上
  。

• 工作不变性全面优化：吸附造冷机无机械运动部件，运行时无振动、无电磁滋扰，预防机械造冷机振动对SNSPD的影响
  ；器件临界电流增大，工作平台区领域更广，抗滋扰能力显著加强，长时工作更不变
  。

图5 商用吸附造冷机机能（Chase Research Cryogenics）

1. 优势

（1）无振动、无电磁滋扰

这是吸附造冷机最主题的优势——无任何运动部件（如压缩机、活塞），振动水平仅由预冷级决定（通常 < 1μm），远低于机械造冷机（10-100μm）
。1K 吸附造冷机的振动加快度≤10??g，齐全满足引力波探测器、空间过问仪等设备的需要
。同时，系统无电磁线圈，不会产生电磁滋扰，适配超导量子芯片等敏感负载
。

（2）高靠得住性、长命命

吸附造冷机的主题部件（吸附剂、热开关、蒸发器）无磨损，寿命重要取决于吸附剂不变性
。物理吸附型（活性炭 + 氦气）造冷机的寿命可达15年以上，远超机械造冷机（5-8 年）
。

（3）结构紧凑、轻量化

商用 1K 吸附
？榈某亮拷2.5-3 kg，尺寸约 127×242 mm，可直接加装在 4K 预冷级上，无需复杂刷新
。

（4）微沉力适配性

通过多孔资料的毛细力固定液态氦，1K 吸附造冷机可在微沉力环境下不变工作，无需依赖沉力实现工质传输
。

2. 弊端

（1）间歇性造冷，需再生循环

一次“冷凝 - 蒸发”循环的造冷功夫有限（通常 12-40 幼时），需定期终场造冷、启动再生
。只管可通过“双
？榻惶婀ぷ鳌保ㄒ桓鲈炖洹⒁桓鲈偕┨聿，但会增长系统复杂度和沉量
。

（2）造冷功率低，适配领域有限

现有商用
？榈脑炖涔β识嘣 100μW-1mW，仅能满足幼型探测器（如超导纳米线、bolometer）需要，无法覆盖高功率负载（如大型量子芯片、红表焦平面阵列，需 10mW 以上冷量）
。

（3）吸附剂机能受限

传统活性炭在低温下的导热性差，导致吸附-解吸速度慢，再生功夫长（1-1.5 幼时）
；同时，其吸附容量随温度降低而降落，在 1K 时对?He 的吸附容量仅为 4K 时的 50%，限度了造冷效能提升
。

对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）而言，吸附造冷机绝非仅提供低温的工具，更是突破其机能瓶颈的关键推手
。依附 “无振动、高靠得住” 主题优势，1K 吸附造冷机正成为低温技术领域的关键拼图 —— 随着其持续升级，SNSPD 将实现更高效能、更多通路与更低成本，为量子通讯、量子推算的规
；闷搪，推动量子技术从尝试室走向走向更辽阔的现实利用场景
。未来，1K 吸附造冷机必将从 “幼多技术” 迈向 “主流畅用”，成为低温领域的标配
。

参考文件

【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.