量子通信用超导单光子探测低温系统的研制

摘 要：针对量子通信用超导单光子探测低温系统的要求，研制了小冷量极低温GM制冷机和风冷压缩机，研制成功的GM制冷机无负载最低制冷温度可达2.12 K，并以此搭建了用于超导单光子探测的低温系统。测试了使用不同种类、不同直径同轴电缆线时样品台的最低温度和使用不同材料热沉时样品台的温度波动。实验结果表明，使用0.86 mm直径的黄铜同轴电缆线，样品台的最低温度为2.17 K，仅比无负载最低制冷温度高了0.05 K；使用不锈钢作为抑制温度波动的热沉材料可以在不影响温度和降温时间的情况下获得理想的效果。

关键词：超导单光子探测 极低温 GM制冷机

1 引 言

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，由于其具有保密性高、快速和传输距离远等特点，在军事、国防通信上有着特殊重要的意义[1]。低温超导单光子探测系统是量子通信的重要组成部分。而在低温超导单光子探测系统中，低温系统发挥着至关重要的作用，低温系统为超导单光子探测器提供必需的低于2.5 K的超低温环境，温度越低，探测器的效率和其它参数越佳[2-4]。

目前，国际上多用过冷液氦或氦3制冷机为超导单光子探测系统提供冷源。该方法虽然可以获得极低的温度，但是系统复杂，价格昂贵，在运行时还需要提供大量液氦，这些缺点大大限制了低温超导单光子探测技术的发展[5]。为了解决上述问题，使用特别研制的小型GM制冷机为探测器提供冷源，解决了必须低于2.5 K的温度问题、系统漏热问题和温度稳定性问题。

2 小型GM制冷机系统的研制

2.1 冷头的研制

低于2.5 K低温系统研制的关键在于GM制冷机冷头的研制，且研制出的冷头无负荷最低温度须低于2.3 K或更低。这就需要对气缸尺寸、活塞尺寸、活塞内部填料配比进行特别设计。此外，活塞与气缸的间隙配合是制约制冷机性能的关键因素，间隙过大性能下降；间隙太小活塞与气缸之间的摩擦阻力太大，旋转电机发热严重。因此气缸和活塞尺寸大小，圆度、同轴度等关键尺寸的确定和加工需要有专门的设计和工艺，以确保制冷性能达到相应要求。

活塞在气缸内往复运动，之间的间隙会引起穿梭损失和气体串气漏热损失，通常的做法是在活塞热端加一个密封环进行密封。但该款制冷机的活塞密封方式采用鹏力超低温公司独创的气体间隙调相技术进行密封。GM制冷机中气缸和活塞间的气体在调相装置的作用下，达到了脉管制冷的部分效果，取消了密封环，从而解决了因密封环磨损导致的制冷性能和可靠性下降的问题，大大延长了冷头的保养周期和寿命。装配好的制冷机冷头见图1。

2.2 风冷氦压缩机的研制

氦压缩机的重要组成部分之一是油气分离系统。氦气进入冷头之前，油、气通过3个阶段完成分离。在排气过程中，通过压缩机压包的自身油、气分离功能实现第一阶段分离。在气体通过油分离器时，依靠鹏力公司自行研制的纳米通道油过滤系统将气体中的油再次过滤，实现第二阶段油气分离。该油分离器经第三方检测机构的检测，经过油分后的单位气体含油量仅为同类产品的1/3，见表1。在第三阶段，吸附器会将气体中携带的微量油吸附，从而最终将氦气中的油去除掉。吸附器中收集的少量油滞留在吸附器中，可在使用一段时间后进行更换。测试组装完成的风冷压缩机见图2，外形尺寸见图3。

表1 油分离器的滤油性能
Table 1 Oil separation performance of oil separator

2.3 制冷机系统的整机性能测试

图4为制冷机裸机性能测试台。二级冷头安装有标定过的Lakeshore温度传感器DT670，测温范围为1.2—300 K，精度为±10 mK@4.2 K。温度数据由Lakeshore的325温控仪读出，并经过数据采集系统在计算机上显示和保存。在二级冷头上安装有电加热器，由温控仪加热控温，获得制冷机的制冷量。温度计和加热器的安装位置见图5。经过测试，制冷机的性能见表2。

表2 制冷机的性能
Table 2 Performance of cryocooler

3 超导单光子探测用低温系统的研制

超导单光子探测系统主要由探测器、同轴电缆线、光纤和低温系统组成。探测器布置在样品台上，样品台布置在二级冷头上，同轴电缆线经过一级冷头预冷后连接到探测器上，光纤为非金属材料导热可忽略不计。低温系统主要由GM制冷机、真空罩、冷屏和热沉组成。

超导单光子探测系统对低温系统主要要求是：(1)温度低于2.5 K，且越低越好；(2)温度波动小于±10 mK。对于最低温度问题，从对制冷机冷头的性能测试中得知，二级冷头在2.5 K时制冷量为30 mW。那么样品台处的各项漏热之和须小于30 mW，漏热越小温度越低。经分析，样品台的漏热主要有：辐射漏热和导热漏热(系统内为高真空环境，无对流换热)。对于温度稳定性问题，须在样品台和二级冷头之间布置在该温区比热容较大的材料。

3.1 系统漏热分析

(1)对于辐射漏热，它主要是从一级冷屏向样品台的辐射，一级冷屏的温度约为40 K，样品台的温度约为2.5 K，冷屏表面和样品台表面均镀金，表面发射率取0.05，样品台的表面积约为0.05 m2，使用辐射换热公式计算出来的辐射漏热为0.18 mW，相对于导热漏热来说可忽略不计。

(2)对于导热漏热，主要是通过6根同轴电缆线的漏热，同轴电缆线的一端连接在探测器(低于2.5 K)上，另一端固定在一级冷头(约40 K)上。同轴电缆线的内导体和外导体均为金属，通常使用的同轴电缆线的直径、材料见表3，表中同时列出了不同同轴电缆线的漏热数据和样品台在该漏热下的温度。两端的同轴电缆线的长度约为0.6 m。经过计算和综合考虑，最终确定的同轴电缆线为黄铜材料、直径0.86 mm，理论上样品台的温度为2.16 K。

3.2 温度稳定性分析

超导单光子探测系统要求温度波动须小于±10 mK。因此考虑在冷头和样品台间布置在该温区(2.5 K左右)比热容较大的材料。选取了不锈钢和钬铜作为典型的材料布置在了冷头上，这两种材料在低温下的比热容数据见图6。为了便于比较，两种材料的尺寸均为直径40 mm、厚6 mm的圆柱体。

表3 不同直径和不同类型同轴电缆线的漏热数据
Table 3 Heat leak data of different diameters and types of coaxial cables

制冷机裸机在最低温度下的波动见图7，由图7可见，裸机的温度波动达到了±35 mK。布置了不锈钢块之后的温度波动见图8，为±10 mK；布置了钬铜块之后的温度波动见图9，仅为±0.5 mK。说明钬铜对于温度波动性的抑制效果非常明显，这跟钬铜在2.5 K左右的比热容比不锈钢大很多有直接的关系。

虽然使用了钬铜的样品台温度波动大大减低，但是也带来了一些不利的影响。图10为使用了钬铜作为热沉的降温曲线，样品台温度降到3 K时需要12 h，降到最低温度2.24 K时需要约17 h。而使用了不锈钢作为热沉的降温时间约为14 h(见图11)，最低温度也比钬铜低了0.07 K，达到了2.17 K。因此，使用钬铜虽然可以大幅度降低温度波动，但是降温时间和最低温度都不理想。经过综合考虑，决定使用不锈钢作为热沉在单光子探测低温系统上使用。

研制的超导单光子探测用低温系统见图12。样品台处的最低制冷温度为2.17 K，仅比无负载最低制冷温度(2.12 K)高0.05 K。温度波动±10 mK，完全可满足低温超导单光子探测系统的要求。

4 结 论

针对量子通信用超导单光子探测低温系统要求，研制了小冷量低温GM制冷机和风冷压缩机，以此搭建了低温系统。测试了使用不同种类、不同直径同轴电缆线时样品台的最低温度和使用不同材料热沉时样品台的温度波动，结论如下：

(1)研制的极低温GM制冷机无负载最低制冷温度为2.12 K，风冷压缩机输入功率为3 kW；

(2)使用0.86 mm直径的黄铜同轴电缆线，在样品台处可获得最低的温度为2.17 K，仅比无负载最低制冷温度高了0.05 K，完全可以满足超导单光子探测系统的要求；

(3)使用不锈钢作为抑制温度波动的热沉材料时，样品台处的温度波动为±10 mK，不影响最低温度和降温时间，同样满足超导单光子探测系统要求。