空间应用mK温区制冷系统关键技术研究

With the development of science and technology in China, many space projects such as high-resolution X-ray imaging spectrometer, satellite-to-surface imaging and terahertz communications are increasingly demanding cryogenic refrigeration systems. At present, there is no ultra-low temperatrure refrigeration system suitable for space applications in China, and the development of related technologies is imperative. The direct service target of this project is the " Hot Universe Baryon Surveyor " (HUBS) satellite program. Its key component is the superconducting transition edge sensor, and the working principle is to detect the energy of the incident X-rays through the temperature change of the micro-energy device at extremely low temperature (less than 100mK). This project will design the overall cooling system for HUBS satellite, conduct research on the key technologies of cryogenic refrigeration systems, and develop a set of prototypes. A pulse tube refrigerator with no moving parts will be employed to obtain a temperature below 3K, and then the adiabatic demagnetization technology will be used to further reduce the temperature to below 100mK. The scheme has the advantages of simple process, low system complexity, high reliability and low power consumption. The development of this project can fill gaps in the space application of cryogenic refrigeration technology in China, enabling the successful implementation of the HUBS satellite program and meeting the needs of future similar satellite programs.

随着我国科学技术的发展，高分辨率X射线成像光谱仪、卫星对地成像和太赫兹通讯等众多空间项目对极低温制冷系统的需求愈加强烈。然而，目前我国尚无适用于空间应用的极低温制冷系统，相关技术的研发势在必行。本项目直接服务对象为“热宇宙重子探寻者”（HUBS）卫星计划，其关键部件为超导转变边缘传感器，工作原理是通过极低温度下（小于100mK）微量能器的温度变化来获知入射X射线的能量。本项目将为HUBS卫星整体制冷方案进行设计，对小于100mK极低温制冷系统关键技术开展研究，最终研制出一套原理样机。制冷流程将采用冷头无运动部件的脉冲管制冷机直接获得3K以下温度，进一步通过绝热去磁技术将温度降低至100mK以下，具有流程简单、系统复杂度低、可靠性高和整体功耗低的优点。本项目的研制能够填补国内空间应用极低温制冷技术的空白，确保HUBS卫星计划得以顺利实施，并满足以后类似卫星计划的需求。

目前我国尚无适用于空间应用的mK极低温制冷系统，相关技术的研发势在必行。本项目直接服务对象为“热宇宙重子探寻者”（HUBS）卫星计划，其需要低于100mK的制冷温度。主要研究内容包括HUBS卫星mK制冷系统的整体流程设计及其负载布局优化、预冷级液氦温区脉冲管制冷机、低温级顺磁盐绝热去磁制冷机、预冷级制冷机与低温级制冷机的耦合特性四大部分。完成了HUBS多冷屏结构设计和热负载优化，典型温度分布为300K、80K、25K、4K、1K和50mK制冷；完成了液氦温区脉冲管制冷机的研究，总功耗687W，可以同时提供6.0W@80K、160.9mW@25K、20.1mW@4.2K的制冷量。获得的无负荷温度2.4K是同类制冷机的国际最低记录（4He）；完成了两级绝热去磁制冷机的研究，总功耗30W时，无负荷制冷温度43.8mK；热负载5uW时，温度小于≤100mK的维持时间3小时，热负载降至1uW时，预计维持时间可以延长至15小时。考虑到空间制冷机对轻量化的需求，进一步研制了800mK吸附制冷机以期作为第二级绝热去磁的预冷级，从而减少整个制冷系统的重量。基于“4K制冷机+1K吸附制冷机+50mK绝热去磁”复合制冷机开展了系统耦合特性研究，研究了第二级绝热去磁微量能器涉及的焦平面组件的耦合振动响应特性，并着重研究了“4K制冷机+1K吸附制冷机”的耦合特性，提出了一种梯级利用高频脉冲管制冷机冷量的吸附制冷机预冷方法，显著降低了对预冷级制冷机的冷量需求，将mK吸附制冷系统的输入电功从上千瓦降低至百瓦左右。本项目轻量化mK制冷系统的成功研制对于填补国内空间极低温制冷技术空白，打破国外对空间极低温制冷技术的垄断，具有重要意义。研制空间极低温制冷系统不仅可以满足HUBS卫星计划的需求，对未来的与之类似的空间探测项目也有着重要的意义。