自2001年问世以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的探测效率持续突破技术天花板：2013 年首次迈过 90% 门槛，2020 年攀升至 98%，2025 年更挺进 99% 大关。这份亮眼的 “进阶成绩单” 背后，离不开一位关键 “幕后推手”—— 吸附制冷机。凭借无运动部件、高可靠性的核心优势，吸附制冷机为 SNSPD 打造了稳定的极低温环境，助其突破性能瓶颈。今天，我们就一同揭开这位 “低温贵人” 的神秘面纱。

图1 SNSPD在2.1 K和0.8 K下的探测效率和噪声曲线对比

吸附制冷机的核心原理是减压蒸发制冷，其本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。这一过程可通过生活中常见现象类比理解：比如活性炭能吸附甲醛，经太阳暴晒后，因温度升高释放甲醛，便可重复使用；而在吸附制冷机中，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，可快速 “抽走” 蒸发器内的氦气，使压力降至目标值；当温度升高至40 K以上时，活性炭吸附能力下降，释放出氦气，完成循环驱动。

图2 不同活性炭对氦气的低温吸附效果

1. 核心构成：四大部件协同发力

图3 吸附制冷机的结构构成

吸附制冷机的稳定运行，依赖四大核心部件的协同配合：

• 吸附床（Cryopump）：核心“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“捕捉”工质气体；高温时吸附能力弱，释放工质气体，是控制工质状态的关键。

• 蒸发器（Evaporator pot）：“制冷输出单元”，储存液态工质（如⁴He），当工质减压蒸发时吸收热量，降低自身温度，为SNSPD等外部负载提供冷量。

• 热开关（Heat switch）：“温度控制阀门”，多为气隙式，需要冷却吸附床时，气隙充入氦气增强导热；需要维持吸附床温度时，抽空气隙实现绝热，精准控制导热路径通断。

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

2. 四步循环：从预冷到再生的完整逻辑

以极低温场景（⁴He工质、G-M制冷机预冷）为例，吸附制冷机的四步循环环环相扣，确保制冷效果稳定持久：

图4 吸附制冷机的温度循环

（1）预冷阶段：奠定低温基础

• 目标：将吸附床、蒸发器等核心部件从室温降至4.2K，排除系统初始热量，为工质相变做准备。

• 过程：启动G-M制冷机，通过无氧铜导热柱、柔性导热链将冷量传递至主冷台。此阶段大约耗时10-20小时。当温度稳定后，系统进入“待冷凝”状态。

（2）冷凝阶段：储备液态工质

• 目标：将吸附床中的工质解吸为气体，再冷凝为液态储存于蒸发器，积累“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，活性炭吸附能力下降，⁴He气体被解吸（压力升至数兆帕）；气态⁴He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制冷机二级冷头（4.2K）热耦合，气态⁴He被冷却至4.2K以下，冷凝为液态并储存，直至液体体积达到系统总容积的60%-80%，冷凝阶段结束。

（3）制冷阶段：输出极低温冷量

• 目标：通过工质蒸发吸热，将蒸发器温度降至0.8 K左右，为SNSPD提供稳定的极低温环境。

• 过程：关闭吸附床加热器，闭合热开关，使吸附床与4.2K冷源导通——吸附床温度快速降至4.2K，活性炭吸附能力恢复，开始“吸附”蒸发器中的⁴He气体；蒸发器内压力急剧降低，液态⁴He进入“减压蒸发”状态，吸收大量热量，温度持续下降至0.8 K。

（4）再生阶段：重置系统循环

• 目标：将吸附床吸附的工质解吸，恢复初始状态，为下一轮制冷做准备。

• 过程：第一步，加热吸附床至50-60K，使活性炭吸附的⁴He解吸为气体，打开阀门让气体回流至吸附床；第二步，关闭加热器，通过热开关将吸附床与冷源连通，使其温度降至4.2K，活性炭重新吸附⁴He气体。整个过程约1-2小时，需监测吸附床压力与温度，确保工质无泄漏、解吸充分。当吸附床温度与压力恢复初始状态，再生完成，系统可进入下一轮循环。

3. 关键参数

• 制冷功率：指蒸发器在 1K 时能稳定输出的冷量，商用模块（如 Chase GL4）通常为100μW-1mW，可满足小型探测器需求；

• 运行时间：一次循环的制冷时长，与工质量、负载功率相关。例如，商用模块在 100μW 负载下，运行时间可达29±3 小时；

• 再生时间：完成 “冷凝阶段” 所需的时间，通常为1-2小时，主要取决于吸附泵的加热速率和热开关的导热效率。

SNSPD的核心性能与工作温度紧密绑定。基于NbN材料的SNSPD虽能在2.2 K（G-M制冷机常规最低温）下工作，但在光量子计算、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%以上的探测效率需求让2.2 K成为“性能天花板”——多数SNSPD在这一温度下难以达到理想探测状态，且时间抖动较高、抗干扰能力较弱。

吸附制冷机提供的1K极低温环境，从多维度提升SNSPD性能，真正从“勉强达标”跃升至“稳定超优”，助其突破应用瓶颈：

• 探测效率显著提升：2.2 K环境下SNSPD探测效率通常为80%-90%，而0.8 K极低温下探测效率可提升至95%以上，部分器件突破98%。

• 时间抖动大幅降低：SNSPD时间抖动性能与偏置电流近似呈反比，0.8 K极低温可以使器件临界电流增大25%以上，时间抖动对应地可降低25%以上。

• 工作稳定性全面优化：吸附制冷机无机械运动部件，运行时无振动、无电磁干扰，避免机械制冷机振动对SNSPD的影响；器件临界电流增大，工作平台区范围更广，抗干扰能力显著增强，长时工作更稳定。

图5 商用吸附制冷机性能（Chase Research Cryogenics）

1. 优势

（1）无振动、无电磁干扰

这是吸附制冷机最核心的优势——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），远低于机械制冷机（10-100μm）。1K 吸附制冷机的振动加速度≤10⁻⁶g，完全满足引力波探测器、空间干涉仪等设备的需求。同时，系统无电磁线圈，不会产生电磁干扰，适配超导量子芯片等敏感负载。

（2）高可靠性、长寿命

吸附制冷机的核心部件（吸附剂、热开关、蒸发器）无磨损，寿命主要取决于吸附剂稳定性。物理吸附型（活性炭 + 氦气）制冷机的寿命可达15年以上，远超机械制冷机（5-8 年）。

（3）结构紧凑、轻量化

商用 1K 吸附模块的重量仅2.5-3 kg，尺寸约 127×242 mm，可直接加装在 4K 预冷级上，无需复杂改造。

（4）微重力适配性

通过多孔材料的毛细力固定液态氦，1K 吸附制冷机可在微重力环境下稳定工作，无需依赖重力实现工质传输。

2. 缺点

（1）间歇性制冷，需再生循环

一次“冷凝 - 蒸发”循环的制冷时间有限（通常 12-40 小时），需定期停止制冷、启动再生。尽管可通过“双模块交替工作”（一个制冷、一个再生）弥补，但会增加系统复杂度和重量。

（2）制冷功率低，适配范围有限

现有商用模块的制冷功率多在 100μW-1mW，仅能满足小型探测器（如超导纳米线、bolometer）需求，无法覆盖高功率负载（如大型量子芯片、红外焦平面阵列，需 10mW 以上冷量）。

（3）吸附剂性能受限

传统活性炭在低温下的导热性差，导致吸附-解吸速率慢，再生时间长（1-1.5 小时）；同时，其吸附容量随温度降低而下降，在 1K 时对⁴He 的吸附容量仅为 4K 时的 50%，限制了制冷效率提升。

对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）而言，吸附制冷机绝非仅提供低温的工具，更是突破其性能瓶颈的关键推手。依托 “无振动、高可靠” 核心优势，1K 吸附制冷机正成为低温技术领域的关键拼图 —— 随着其持续升级，SNSPD 将实现更高效率、更多通道与更低成本，为量子通信、量子计算的规模化应用铺路，推动量子技术从实验室走向走向更广阔的实际应用场景。未来，1K 吸附制冷机必将从 “小众技术” 迈向 “主流应用”，成为低温领域的标配。

参考文献

【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.