PoF | 深圳国际量子研究院低温制冷团队:新型低温驱动努森泵的首次示范

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本工作首次实现了一款新型可在77 K（液氮温度）至 300 K（室温）宽低温范围运行的无运动部件低温驱动克努森泵（LT-KP），下图给出了LT-KP的工作原理和设计方案。努森泵是一种由温差驱动的无运动部件的静止泵，在真空获取、流体输运和气体分离等领域具有广泛应用前景，而研究表明努森泵在液氮甚至液氦等低温温区的研究应用尚处空白。研究首先围绕LT-KP的核心工作原理展开，采用N-S方程结合速度滑移和温度跳跃边界条件，通过COMSOL构建单级LT-KP二维仿真模型，模拟了泵内克努森数、压力以及速度的分布特征，揭示了泵内沿壁面的热蠕变流与通道中心的泊肃叶回流双向流动的核心机制，验证了低温工况下克努森泵工作的可行性。

在实验层面，团队选用平均孔径0.5 μm、孔隙率38%的氧化铝多孔陶瓷为核心元件，设计并组装了4级平面构型的LT-KP，同时搭建了包含真空、液氮供给、气体循环及数据采集的完整实验系统。实验验证了4级 LT-KP 的成功运行，将其压力变化划分为系统稳定、快速瞬态响应、准稳态渐近、动态平衡四个阶段，结果表明在大气压以及170 K的温度梯度下，本文设计的4级LT-KP可产生201 Pa的压差和1.3 μmol/s 的流量。此外，本文还开展了多参数性能研究，发现 LT-KP 的最大压差与温度梯度呈线性正相关，温差越大压差建立速率越快；气体稀薄程度提升会增强增压性能但降低流量；氦气因分子特性成为最优工作气体，其增压效果优于氮气和氩气。

研究最后提出了性能优化方向，包括选用更小孔径多孔材料、增加泵级数、优化热管理减少热损失等。本工作提出的无运动部件的LT-KP为未来气体输运和制冷技术的发展提出了新的设计方案，并奠定了相关理论和实验基础，这将在空间探测和氢能利用领域发挥重要应用潜力。

潘长钊（通讯作者）深圳国际量子研究院研究员，博士生导师，曾入选“博士后创新人才支持计划”、欧盟玛丽居里学者计划、广东省珠江学者计划等。主要研究方向为极低温制冷，发表第一/通讯SCI论文 33 篇。带领团队致力于极低温关键技术研究，在4K脉冲管制冷机、热开关等关键部件中开展了系统研究，基于自研脉冲管制冷机搭建了多台4 K恒温器、1 K恒温器以及稀释制冷机，打通了极低温制冷系统从室温至mK全温区的技术链条，研究成果已实现多项应用，为我国低温仪器的自主可控与国产化发展提供了重要支撑。

肖田田（第一作者），在中国科学院理化技术研究所获得硕士学位，目前为南方科技大学博士研究生，研究方向为“克努森泵低温驱动特性及其在低温系统中的应用”。

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