氦3人类未来的新能源,月球上有百万吨氦3至少够整个人类用700年
3He-4He稀释制冷原理的提出
通常氦原子的原子核中有两个质子和两个中子，它还有一种同位素，原子核中有两个质子但只有一个中子。前者叫氦-4（4He），在不特别声明的情况下，所说的氦即指氦-4，后者称为氦-3（3He）。这两种同位素性质有很大不同，3He非常稀少，在自然界每1000万个氦原子中才有一个较轻的3He原子。也许正是由于这一原因，科学家们多年都无法找到足够数量的3He来研究它的性质。不过核工业的副产物之一是3He，近年发现一些天然气中富含氦，其中3He含量也较高，这些都为3He的研究和应用提供了条件。1969年阿波罗登月飞船发现月球上存在3He，后来确定月球的月壤中3He储量达百万吨之巨。如果将来能开发月球资源，3He作为一种清洁的核能源有巨大的应用前景。
20世纪30年代末，科学家们发现了液氦的一种奇异特性，在特定的温度下，液态氦的黏性完全消失，并进而表现出超流动性。用抽真空的方法降低液氦的蒸气压来降低温度，当温度下降到2.17K时，液氦发生相变，这一温度以下的液氦呈超流相。20世纪70年代进而发现了3He超流相，但它的相转变温度比4He要低得多，约为前者的0.1%，在0.0026K以下3He才可能转变为超流态。
1951年H．伦敦观察到，在低温下呈超流态的4He中，即使混入少量3He，仍能保持超流状态。其中的3He原子宛如存在于真空中，它不受摩擦而自由运动。若用一个仅可通过4He的超流导管输入更多的超流体，3He将向4He中扩散，如同气体向真空膨胀一样降温。H．伦敦提出利用这一现象制冷的设想，不过当时物理学界并未太注意他提出的这种制取超低温的新方案，因为那时很难得到足够数量的3He，对它的性质也不太了解，同时3He和4He的相分离现象还没有发现，这种方式制冷在技术上也难实现。
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1956年，瓦尔特斯（G. K. Walters）和费尔班克斯（W. M. Fairbanks）发现，温度在0.87K以下时，3He和4He混合液分成两个完全不同的相，较轻的富3He相浮在上层，而较重的富4He相沉在下层。富3He相也称浓缩相，在0.3K以下时几乎是纯3He。富4He相则称为稀释相，它含有6.4%的3He，即使接近绝对零度也仍有6.4%的3He溶解在4He中。这一特性成为可连续获得毫开温度的稀释制冷机的基础。
1962年，H．伦敦和门德尔松（KurtMendelssohn）等人再次提出稀释制冷实用技术方案。
稀释制冷原理与蒸发制冷有相似之处。低温下4He呈超流态，是惰性液体，而3He仍为正常流体，是个活跃成分。因此，若一个容器中盛有3He-4He混合液，下层的富4He相对于上层富3He相来说，可以认为是只起支撑或“机械真空”的作用。只要采取某种方式除去一些富4He相中溶解的3He，下层富4He相中3He浓度降低，势必破坏两相间的平衡，富3He相中的3He原子将穿过分界层扩散到富4He相中去。从界面上看，这相当于3He蒸发，只不过3He分子不是蒸发进入气相空间，而是“蒸发”进入液相的超流态4He中。这个过程实际上是3He不断被稀释的过程，若稀释持续下去，液体就不断被冷却。因此这种制冷方式称为稀释制冷。
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当然3He-4He稀释制冷与3He的蒸发制冷还是有很大区别。前面已经提到，在蒸发制冷过程中，随着温度下降，3He蒸气压急剧降低，最终无气可抽而不得不终止制冷过程，这限制3He蒸发制冷的极限温度是0.25K。稀释制冷则不同，富4He相中3He的含量不变，不管温度多低，抽气机总可以维持恒定的3He循环量，因此可以得到比3He蒸发制冷低得多的温度。
3He-4He稀释制冷机的诞生
1964年荷兰科学家制成了第一台稀释制冷机，奥波特（R. de Bruyn Ouboter）和塔柯尼斯在莱顿实验室实现了3He-4He稀释制冷循环。当时由于换热器设计得不太好，他们只得到0.2K。
1966年，霍尔（H. E. Hall）等人得到更好一些的结果，他们达到0.065K。同年，苏联的尼加诺夫（B. S. Neganov）建成一台高效率稀释制冷机，并达到0.025K。1968年，他进而把温度推进到0.005K。1975年，苏联的彼什科夫（V.Peshkov）和法国的格勒诺布尔（Grenoble）小组把稀释制冷的温度纪录提高到0.003K。同一期间，美国、英国等国家建起稀释制冷装置。我国也研制成功一台稀释制冷机，最低温度约35mK,0.1K以下时的制冷量为24μW。
一台稀释制冷机要能长时间制冷，这意味着必须使3He连续循环制冷。稀释制冷机的结构如图7-1所示。在稀释制冷机中，稀释制冷过程发生在混合室。这里是整个装置最冷的部分，温度在0.1K以下，富3He相和富4He相就在这里分层。用一根管道将混合室下部与蒸发器相连，蒸发器中与混合室下部一样是富4He液体，而蒸发器温度为0.6K。不断用真空泵抽取蒸发器中的蒸气，因为在蒸发器温度下3He的蒸气压远远高于4He蒸气压，所以基本上只有3He被抽走，而4He并不参加循环。混合室里富4He相中的3He不断被抽走，富3He相中的3He原子穿过界面向富4He相扩散，就产生如前所说的降温效应。蒸发器中泵出的3He蒸气，经换热—加压—换热，再次凝结为液体，返回混合室，完成整个循环。
稀释制冷机示意图
与其他各种超低温制冷装置相比，稀释制冷机成本较低，能连续制冷并得到持续稳定的低温。特别是它不需要大的磁体，不受磁环境的影响，这对需要避开磁影响的超导、核极化等实验尤为可贵。这方面许多精彩的实验常常是借助于稀释制冷装置完成的。
随着3He资源日渐丰富，稀释制冷机发展非常迅速，成为获得毫开温度的主要方法之一。现在，各种型号的稀释制冷机已由厂家成批生产，在0.1K温度下提供10～100μW的冷量。稀释制冷的极限温度约为0.002K，可以很方便地提供0.003～0.5K的工作温度。
