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稀释制冷机是1962年由HeinzLondon提出的，它的制冷过程中使用了氦的二种稳定同位素3He和4He的混合物作为制冷剂。这个过程要依赖3He和4He特殊的热力学特征。

氦是所有气体中沸点Zui低的，是Zui难液化的气体。氦在大气中含量极低，只有5×10-6体积分数左右。在极低温下，液氦具有量子性质，即粘度很小，仅为10-12Pa•s左右，具有极好的超流动性,流动几乎没有阻力。导热系数非常大，比铜大104倍，在超流液氦中不可能形成温度梯度。氦由二种稳定同位素3He和4He组成。正常的氦气里仅含1.3×10-6的3He，除非特别说明，一般均指4He。4He在2.172K以下，具有超流动性，而3He的超流动性要将温度降到0.003K时才显示出来。在极低温下，液体3He和4He混合时具有吸热效应，这些特性被用于稀释制冷机中。

Heinz London, German (1907-1970)

低温下3He和4He的液氦混合物相图显示，3He和4He的混合物可以是正常液体、超液体、正常液体和超流体的两相混合物，取决于混合物的浓度和温度。稀释冷却只可能发生在低于三相点温度的地方。

低温下3He/4He液相混合物相图

在低于三相点（0.87K）的温度下，3He/4He液相混合物将由相界面分成两个不同浓度的液相。一个相主要含有3He，被称为3He的浓缩相，对应于从图的右下角至三相点的相平衡线。一个相主要含有3He，被称为4He的浓缩相，对应于从图的左下角至三相点的相平衡线。不论什么温度下，总是至少含有6％的3He。

油和水的混合物在一起是一个很好的例子，可以说明这种状态。如果维持油水混合物在一个较高的温度，油和水将保持均匀混合。如果降低温度，油会与水分开且浮在上面，仔细分析后发现油中有少量水存在，水中有少量油存在，即这是含有两个不同油水混合物浓度的两相混合物。

含有两个不同油/水混合物浓度的两相混合物

如同液体蒸发相变制冷，需要额外的能源把3He原子从3He的浓缩相运输到3He稀缺相（4He的浓缩相）。如果3He原子可不断跨越这个界限，则可有效地冷却3He和4He混合物。由于3He稀缺相在juedui零度也不能的6％，可以在极低的温度下进行有效的稀释制冷。这个过程发生的地方被称为混合室。

Zui简单的应用是间歇式稀释制冷机，收集大量的3He浓缩相混合物液体，将逐渐把3He移到3He的稀缺相进行稀释制冷，一旦所有的3He处于3He稀缺相，制冷过程就停止了。

通常采用连续运行的稀释制冷机。3He浓缩相混合物在冷凝器中液化，流到在混合室中，3He从3He浓缩相迁移到3He稀缺相中，产生制冷量，3He稀缺相混合物液体在蒸发器（Still）中蒸发，成为3He浓缩相气体混合物，被压缩机加压后返回到冷凝器，开始循环。

连续氦稀释制冷原理

氦稀释制冷机具有连续制冷、操作方便、稳定可靠、不用磁场就可获得mK级低温的特点，为低温物理学研究提供了便利。现已制成能获得约0.005K低温的间歇式稀释制冷机，在连续制冷系统中可达到K。

连续氦稀释制冷机

在极低的温度下（<1K），一切气体都已转化为液体或固体，包括液氦。仅靠气体膨胀制冷，难以达到更低的温度。

主要的进展Zui早终于出现在20世纪20年代末，Debye在1926年和Giauque在1927年分别独自提出可通过绝热去磁冷实现更低的温度。这种制冷技术首次被化学家Giauque和他的同事D.P.MacDougall博士在1933年在低温实验性中得到证明，当时他们达到了0.25K，这个温度仅可通过对液体3He抽真空得到，Giauque也获得了诺贝尔奖。

Peter Joseph William Debye, Dutch (1884-1966)

William Francis Giauque, American (1895- 1982)

磁制冷是一种基于磁热效应的制冷技术。这种技术既可以用来实现极低温度（低于1 K），也可以在普通冰箱的温区范围使用。

该磁热效应是磁-热力学现象，一个特殊材料的温度可随器所处的磁场强度而可逆变化，它也被低温物理学家称为绝热去磁，因为他们应用这种过程的目的是专门为了产生温降。

任何一种金属物质在磁场中均会产生附加磁场，如果产生的附加磁场与原磁场的方向相同，则该物质称为顺磁性物质；成为抗磁性物质。磁性制冷机中所采用的均是顺磁性物质。

外加磁场强度的降低，材料中的分子运动，使得原来磁热材料内部的各个区域（磁畴）重新失去方向。如果材料被孤立开来，例如绝热过程，磁畴将吸收热能已重新排布，结果使其温度下降。如图所示，钆合金在磁场内部先被磁化加热，把热能散到环境中，此时它若离开磁场，则其温度会比进入的时候更冷。

绝热去磁制冷原理

磁热效应Zui显着的例子之一是化学元素钆及其一些合金。当进入某一磁场时，钆的温度会上升；当它离开磁场，温度下降。钆合金的磁热效应更加强。镨与镍（PrNi5）合金的磁热效应Zui强，它使得科学家能够达到离juedui零度只有千分之一的范围内。

2001年，已可成功地研制出可在室温下商业应用化的材料和yongjiu磁铁，可用于制造可广泛使用的磁热制冷机。

室温绝热去磁制冷机

在Giauque成功试验以后的30年中，都是采用这种绝热去磁方法来获得低于1K的温度。直至稀释制冷机出现后，1K以下的低温才由稀释制冷机来取代磁制冷机。由于稀释制冷机的制冷量很小，如果要连续制取温度为1~4K，而制冷量达瓦级水平，则稀释制冷机就无法满足要求。正是这种需求使磁性制冷机的发展达到了一个新的阶段。目前世界上用绝热去磁法获得的Zui低温度为10-7K。