量子通信用超導(dǎo)單光子探測(cè)低溫系統(tǒng)的研制

董文慶 李 奧 許哲真 葛金宏 張 超 高金林

(中船重工鵬力(南京)超低溫技術(shù)有限公司 南京 211106)

量子通信用超導(dǎo)單光子探測(cè)低溫系統(tǒng)的研制

董文慶 李 奧 許哲真 葛金宏 張 超 高金林

(中船重工鵬力(南京)超低溫技術(shù)有限公司 南京 211106)

針對(duì)量子通信用超導(dǎo)單光子探測(cè)低溫系統(tǒng)的要求，研制了小冷量極低溫GM制冷機(jī)和風(fēng)冷壓縮機(jī)，研制成功的GM制冷機(jī)無負(fù)載最低制冷溫度可達(dá)2.12 K，并以此搭建了用于超導(dǎo)單光子探測(cè)的低溫系統(tǒng)。測(cè)試了使用不同種類、不同直徑同軸電纜線時(shí)樣品臺(tái)的最低溫度和使用不同材料熱沉?xí)r樣品臺(tái)的溫度波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用0.86 mm直徑的黃銅同軸電纜線，樣品臺(tái)的最低溫度為2.17 K，僅比無負(fù)載最低制冷溫度高了0.05 K；使用不銹鋼作為抑制溫度波動(dòng)的熱沉材料可以在不影響溫度和降溫時(shí)間的情況下獲得理想的效果。

超導(dǎo)單光子探測(cè) 極低溫 GM制冷機(jī)

1 引 言

量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的一種新型的通訊方式，由于其具有保密性高、快速和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，在軍事、國防通信上有著特殊重要的意義[1]。低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)是量子通信的重要組成部分。而在低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)中，低溫系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，低溫系統(tǒng)為超導(dǎo)單光子探測(cè)器提供必需的低于2.5 K的超低溫環(huán)境，溫度越低，探測(cè)器的效率和其它參數(shù)越佳[2-4]。

目前，國際上多用過冷液氦或氦3制冷機(jī)為超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)提供冷源。該方法雖然可以獲得極低的溫度，但是系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，在運(yùn)行時(shí)還需要提供大量液氦，這些缺點(diǎn)大大限制了低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展[5]。為了解決上述問題，使用特別研制的小型GM制冷機(jī)為探測(cè)器提供冷源，解決了必須低于2.5 K的溫度問題、系統(tǒng)漏熱問題和溫度穩(wěn)定性問題。

2 小型GM制冷機(jī)系統(tǒng)的研制

2.1 冷頭的研制

低于2.5 K低溫系統(tǒng)研制的關(guān)鍵在于GM制冷機(jī)冷頭的研制，且研制出的冷頭無負(fù)荷最低溫度須低于2.3 K或更低。這就需要對(duì)氣缸尺寸、活塞尺寸、活塞內(nèi)部填料配比進(jìn)行特別設(shè)計(jì)。此外，活塞與氣缸的間隙配合是制約制冷機(jī)性能的關(guān)鍵因素，間隙過大性能下降；間隙太小活塞與氣缸之間的摩擦阻力太大，旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。因此氣缸和活塞尺寸大小，圓度、同軸度等關(guān)鍵尺寸的確定和加工需要有專門的設(shè)計(jì)和工藝，以確保制冷性能達(dá)到相應(yīng)要求。

活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，之間的間隙會(huì)引起穿梭損失和氣體串氣漏熱損失，通常的做法是在活塞熱端加一個(gè)密封環(huán)進(jìn)行密封。但該款制冷機(jī)的活塞密封方式采用鵬力超低溫公司獨(dú)創(chuàng)的氣體間隙調(diào)相技術(shù)進(jìn)行密封。GM制冷機(jī)中氣缸和活塞間的氣體在調(diào)相裝置的作用下，達(dá)到了脈管制冷的部分效果，取消了密封環(huán)，從而解決了因密封環(huán)磨損導(dǎo)致的制冷性能和可靠性下降的問題，大大延長(zhǎng)了冷頭的保養(yǎng)周期和壽命。裝配好的制冷機(jī)冷頭見圖1。

圖1 裝配好的制冷機(jī)冷頭Fig.1 Assembled cold head of cryocooler

2.2 風(fēng)冷氦壓縮機(jī)的研制

氦壓縮機(jī)的重要組成部分之一是油氣分離系統(tǒng)。氦氣進(jìn)入冷頭之前，油、氣通過3個(gè)階段完成分離。在排氣過程中，通過壓縮機(jī)壓包的自身油、氣分離功能實(shí)現(xiàn)第一階段分離。在氣體通過油分離器時(shí)，依靠鵬力公司自行研制的納米通道油過濾系統(tǒng)將氣體中的油再次過濾，實(shí)現(xiàn)第二階段油氣分離。該油分離器經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)，經(jīng)過油分后的單位氣體含油量?jī)H為同類產(chǎn)品的1/3，見表1。在第三階段，吸附器會(huì)將氣體中攜帶的微量油吸附，從而最終將氦氣中的油去除掉。吸附器中收集的少量油滯留在吸附器中，可在使用一段時(shí)間后進(jìn)行更換。測(cè)試組裝完成的風(fēng)冷壓縮機(jī)見圖2，外形尺寸見圖3。

表1 油分離器的濾油性能Table 1 Oil separation performance of oil separator

圖2 風(fēng)冷壓縮機(jī)內(nèi)部組裝圖和組裝好的實(shí)物圖Fig.2 Internal assembly drawing and assembled photo of air-cooling compressor

圖3 風(fēng)冷壓縮機(jī)外形尺寸Fig.3 Dimensions of air-cooling compressor

2.3 制冷機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)性能測(cè)試

圖4為制冷機(jī)裸機(jī)性能測(cè)試臺(tái)。二級(jí)冷頭安裝有標(biāo)定過的Lakeshore溫度傳感器DT670，測(cè)溫范圍為1.2—300 K，精度為±10 mK@4.2 K。溫度數(shù)據(jù)由Lakeshore的325溫控儀讀出，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上顯示和保存。在二級(jí)冷頭上安裝有電加熱器，由溫控儀加熱控溫，獲得制冷機(jī)的制冷量。溫度計(jì)和加熱器的安裝位置見圖5。經(jīng)過測(cè)試，制冷機(jī)的性能見表2。

圖4 制冷機(jī)整機(jī)性能測(cè)試臺(tái)Fig.4 Performance testing platform of cryocooler

圖5 溫度計(jì)安裝位置Fig.5 Installation location of thermometer

表2 制冷機(jī)的性能Table 2 Performance of cryocooler

3 超導(dǎo)單光子探測(cè)用低溫系統(tǒng)的研制

超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)主要由探測(cè)器、同軸電纜線、光纖和低溫系統(tǒng)組成。探測(cè)器布置在樣品臺(tái)上，樣品臺(tái)布置在二級(jí)冷頭上，同軸電纜線經(jīng)過一級(jí)冷頭預(yù)冷后連接到探測(cè)器上，光纖為非金屬材料導(dǎo)熱可忽略不計(jì)。低溫系統(tǒng)主要由GM制冷機(jī)、真空罩、冷屏和熱沉組成。

超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)對(duì)低溫系統(tǒng)主要要求是：(1)溫度低于2.5 K，且越低越好；(2)溫度波動(dòng)小于±10 mK。對(duì)于最低溫度問題，從對(duì)制冷機(jī)冷頭的性能測(cè)試中得知，二級(jí)冷頭在2.5 K時(shí)制冷量為30 mW。那么樣品臺(tái)處的各項(xiàng)漏熱之和須小于30 mW，漏熱越小溫度越低。經(jīng)分析，樣品臺(tái)的漏熱主要有：輻射漏熱和導(dǎo)熱漏熱(系統(tǒng)內(nèi)為高真空環(huán)境，無對(duì)流換熱)。對(duì)于溫度穩(wěn)定性問題，須在樣品臺(tái)和二級(jí)冷頭之間布置在該溫區(qū)比熱容較大的材料。

3.1 系統(tǒng)漏熱分析

(1)對(duì)于輻射漏熱，它主要是從一級(jí)冷屏向樣品臺(tái)的輻射，一級(jí)冷屏的溫度約為40 K，樣品臺(tái)的溫度約為2.5 K，冷屏表面和樣品臺(tái)表面均鍍金，表面發(fā)射率取0.05，樣品臺(tái)的表面積約為0.05 m2，使用輻射換熱公式計(jì)算出來的輻射漏熱為0.18 mW，相對(duì)于導(dǎo)熱漏熱來說可忽略不計(jì)。

(2)對(duì)于導(dǎo)熱漏熱，主要是通過6根同軸電纜線的漏熱，同軸電纜線的一端連接在探測(cè)器(低于2.5 K)上，另一端固定在一級(jí)冷頭(約40 K)上。同軸電纜線的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體均為金屬，通常使用的同軸電纜線的直徑、材料見表3，表中同時(shí)列出了不同同軸電纜線的漏熱數(shù)據(jù)和樣品臺(tái)在該漏熱下的溫度。兩端的同軸電纜線的長(zhǎng)度約為0.6 m。經(jīng)過計(jì)算和綜合考慮，最終確定的同軸電纜線為黃銅材料、直徑0.86 mm，理論上樣品臺(tái)的溫度為2.16 K。

3.2 溫度穩(wěn)定性分析

超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)要求溫度波動(dòng)須小于±10 mK。因此考慮在冷頭和樣品臺(tái)間布置在該溫區(qū)(2.5 K左右)比熱容較大的材料。選取了不銹鋼和鈥銅作為典型的材料布置在了冷頭上，這兩種材料在低溫下的比熱容數(shù)據(jù)見圖6。為了便于比較，兩種材料的尺寸均為直徑40 mm、厚6 mm的圓柱體。

表3 不同直徑和不同類型同軸電纜線的漏熱數(shù)據(jù)Table 3 Heat leak data of different diameters and types of coaxial cables

圖6 不銹鋼和鈥銅的比熱容Fig.6 Heat capacity of stainless steel and HoCu2

制冷機(jī)裸機(jī)在最低溫度下的波動(dòng)見圖7，由圖7可見，裸機(jī)的溫度波動(dòng)達(dá)到了±35 mK。布置了不銹鋼塊之后的溫度波動(dòng)見圖8，為±10 mK；布置了鈥銅塊之后的溫度波動(dòng)見圖9，僅為±0.5 mK。說明鈥銅對(duì)于溫度波動(dòng)性的抑制效果非常明顯，這跟鈥銅在2.5 K左右的比熱容比不銹鋼大很多有直接的關(guān)系。

圖7 制冷機(jī)裸機(jī)的溫度波動(dòng)Fig.7 Temperature fluctuation of cryocooler

圖8 布置了不銹鋼塊的溫度波動(dòng)Fig.8 Temperature fluctuation with stainless steel block of cryocooler

圖9 布置了鈥銅的溫度波動(dòng)Fig.9 Temperature fluctuation with HoCu2block of cryocooler

雖然使用了鈥銅的樣品臺(tái)溫度波動(dòng)大大減低，但是也帶來了一些不利的影響。圖10為使用了鈥銅作為熱沉的降溫曲線，樣品臺(tái)溫度降到3 K時(shí)需要12 h，降到最低溫度2.24 K時(shí)需要約17 h。而使用了不銹鋼作為熱沉的降溫時(shí)間約為14 h(見圖11)，最低溫度也比鈥銅低了0.07 K，達(dá)到了2.17 K。因此，使用鈥銅雖然可以大幅度降低溫度波動(dòng)，但是降溫時(shí)間和最低溫度都不理想。經(jīng)過綜合考慮，決定使用不銹鋼作為熱沉在單光子探測(cè)低溫系統(tǒng)上使用。

圖10 使用鈥銅作為熱沉的降溫曲線Fig.10 Cool down curve of cryocooler using HoCu2 as heat sink

圖11 使用不銹鋼作為熱沉的降溫曲線Fig.11 Cool down curve of cryocooler using stainless steel as heat sink

研制的超導(dǎo)單光子探測(cè)用低溫系統(tǒng)見圖12。樣品臺(tái)處的最低制冷溫度為2.17 K，僅比無負(fù)載最低制冷溫度(2.12 K)高0.05 K。溫度波動(dòng)±10 mK，完全可滿足低溫超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)的要求。

圖12 研制成功的超導(dǎo)單光子探測(cè)用低溫系統(tǒng)Fig.12 Successfully developed cryogenic system used for superconducting single photon detection

4 結(jié) 論

針對(duì)量子通信用超導(dǎo)單光子探測(cè)低溫系統(tǒng)要求，研制了小冷量低溫GM制冷機(jī)和風(fēng)冷壓縮機(jī)，以此搭建了低溫系統(tǒng)。測(cè)試了使用不同種類、不同直徑同軸電纜線時(shí)樣品臺(tái)的最低溫度和使用不同材料熱沉?xí)r樣品臺(tái)的溫度波動(dòng)，結(jié)論如下：

(1)研制的極低溫GM制冷機(jī)無負(fù)載最低制冷溫度為2.12 K，風(fēng)冷壓縮機(jī)輸入功率為3 kW；

(2)使用0.86 mm直徑的黃銅同軸電纜線，在樣品臺(tái)處可獲得最低的溫度為2.17 K，僅比無負(fù)載最低制冷溫度高了0.05 K，完全可以滿足超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)的要求；

(3)使用不銹鋼作為抑制溫度波動(dòng)的熱沉材料時(shí)，樣品臺(tái)處的溫度波動(dòng)為±10 mK，不影響最低溫度和降溫時(shí)間，同樣滿足超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)要求。

1 Natarajan C M，Tanner M G，Hadfield R H. Superconducting nanowire single-photon detectors：physics and applications[J]. Superconductor Science and Technology，2012，25(6)：063001.

2 Hadfield R H. Single-photon detectors for optical quantum information applications[J]. Nature Photonics，2009，3(12)：696-705.

3 Eisaman M D，F(xiàn)an J，Migdall A，et al. Invited rview aticle：single-photon sources and detectors[J]. Review of Scientific Instruments，2011，82(7)：071101-1-071101-25.

4 Itzler M A，Jiang X D，Entwistle M，et al. Advances in gas-based avalanche diode single photon detectors[J]. Journal of Modern Optics，2011，58(3-4)：174-200.

5 Radebaugh R. Refrigeration for superconductors [J]. P IEEE，2004，92(10)：1719-1734.

Development of cryogenic system used in quantum communication with superconducting single photon detector

Dong Wenqing Li Ao Xu Zhezhen Ge Jinhong Zhang Chao Gao Jinlin

(China Shipbuilding Industry Corporation Pride(Nanjing)Cryogenic Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China)

In order to meet the requirements of the cryogenic system used in quantum communication with superconducting single photon detector，a small capacity and ultra-low temperature GM cryocooler and air cooling compressor were developed，the unloaded lowest temperature of this cryocooler reached 2.12 K. A cryogenic system used in superconducting single photon detector was set up.The lowest temperature and temperature fluctuation tests of the sample holder were made by using different kinds and diameters of coaxial cables with various diameters and different heat sink materials. Experimental results show that the lowest temperature is 2.17 K in the case of using 0.86 mm diameter brass coaxial cable，only 0.05 K higher than the unloaded condition；meanwhile，it can obtain ideal effect by using stainless steel as heat sink material to suppress the temperature fluctuation.

superconducting single photon detector；ultra-low temperature；GM cryocooler

2016-06-12；

2016-07-26

董文慶，男，33歲，博士、高級(jí)工程師。

TB663

A

1000-6516(2016)04-0045-05