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Dilution Refrigerator


헬륨 동위원소인 He-3와 He-4 혼합을 이용해 냉각하는 시스템으로 두 동위원소의 성질을 활용하여 극저온 중에서 가장 낮은 온도대인 밀리켈빈(mK, 0.001K) 이하의 환경을 구현할 수 있는 냉각 시스템으로, 현재 양자컴퓨팅, 초전도 연구, 저온물리학 실험에서 핵심 장비로 사용되고 있습니다.
Principle


Dilution-Ref.png
구성 요소
기능 설명
Still (증발기)
He-3이 기화되어 펌핑되는 구간 (~0.7K)
열교환기
고온과 저온의 He-3이 열을 교환하며 냉각 효율 증가
Mixing Chamber
냉각이 실제 일어나는 핵심 구간 (~10mK 이하 도달 가능)
He-3/He-4 회로
동위원소의 흐름과 농도 제어
1K Pot / 4K Stage
GM 또는 PT 냉동기로 선행 냉각
※보통 GM Cryocooler 또는 Pulse Tube Cryocooler를 전단에 붙여
    Pre-cooling 후 희석 냉각을 시작합니다.


▶ 작동 원리 핵심

He-3와 He-4는 절대온도 0.87K 이하에서 서로 완전히 섞이지 않는 상전이가 발생합니다. 이때 He-3이 *농축상(concentrated phase)*에서 *희석상(dilute phase)*로 이동하면서 엔트로피가 증가하고 흡열 반응이 일어나면서 온도가 낮아지는 것을 이용합니다.
이 엔트로피 차이가 바로 냉각의 원천입니다.
Cooling Performance


  1. 도달 온도 : 10mK ↓
  2. 냉각 파워 : 400~1,000㎼ @ 100 mK
  3. 연속 냉각 : He-3 공급만 유지되면 무한 가동 가능
  4. 재생 시간 : 약 24~48시간 (기동 시간 포함)
Applications


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  1. 양자컴퓨팅 : 큐비트(Qubit) 냉각 (Superconducting Qubits)
  2. 저온물리 : Fractional QHE, 초유체 연구
  3. 나노전기소자 : 초정밀 전도성 측정, CNT, 2D 재료 연구
  4. 초전도 센서 : TES, MKID 검출기
  5. 기초과학: 다체계 양자계의 열역학 연구
Models


GENDilution400-1.png
Technical Data
Specifications
Base Temperature
≤10mK
Base T Stability
±1mK
Cooling power
≥400㎼@100mK
Cryocooler
Pulse tube, 1.5W@4.2K, 36W@48K
Operation mode
Continuously
Precool time
≤30h
Sample Environment
Vacuum
GENDilution1000-1.png
Technical DataSpecifications
Base Temperature
≤10mK
Base T Stability
±1mK
Cooling power
≥1000㎼@100mK
Cryocooler
Pulse tube, 1.5W@4.2K, 36W@48K
Operation mode
Continuously
Precool time
≤30h
Sample Environment
Vacuum