脉管制冷机与 GM 制冷机是两种不同的低温设备，GM制冷机（吉福德 - 麦克马洪制冷机）是 1959 年由美国学者 Gifford 和 McMahon 发明的利用绝热放气膨胀原理工作的机械式低温制冷设备，而脉管制冷机冷端无运动部件，两者原理有本质区别 。截至 2026 年 9 月，GM 制冷机已广泛应用于医疗 MRI、半导体制造、量子研究等需要稳定低温环境的领域 。

 

GM 制冷机是怎么工作的

1. 核心原理：GM 制冷机基于吉福德 - 麦克马洪循环，利用高压氦气绝热放气膨胀（西蒙膨胀）来制取冷量，热力学过程由两个等压过程和两个等容过程构成一个完整循环 。
2. 四大工作过程：
   • 等容充气升压：推移活塞在下死点时进气阀开启，高压氦气进入热腔和回热器，压力从低压升至高压。
   • 等压充气：推移活塞向上移动，热腔气体经回热器进入冷腔，气体通过回热器时放热降温。
   • 绝热放气：推移活塞到达上死点后进气阀关闭、排气阀开启，冷腔气体绝热膨胀，温度降低产生冷量。
   • 等压排气：推移活塞向下运动，将膨胀后的冷气体排出，完成一次循环 。
3. 主要结构组成：
   • 压缩系统：往复式压缩机、高低压室、冷却器与纯化器。
   • 制冷系统：膨胀机（含气缸、推移活塞）、蓄冷器（回热器）、传动机构、配气阀。
   • 连接部件：高压/低压氦气软管、控制电缆 。
4. 与脉管制冷机的关键区别：GM 制冷机冷端有推移活塞等运动部件，而脉管制冷机冷端无运动部件，因此 GM 制冷机振动相对较大但技术更成熟 。

注意：公开网络中 GM 制冷机的结构图解和动画演示资源较少，专业设备的详细结构图通常由厂商在技术手册中提供，建议联系设备供应商获取完整技术资料。

两级冷头有哪些技术参数

1. 温区分类：
   • 10K 及以下（2K、4K、10K 级）：通常采用双级结构，技术门槛高，用于核磁共振、超导磁体、氦气再冷凝及低温科学实验 。
   • 10.1K-30K（20K 级为主）：单级或双级冷头，制冷量较大，适用于氢液化、高温超导、科研恒温器及部分低温真空设备 。
   • 30K 以上（40K、50K、65K、77K 等）：用于低温泵辐射屏、高温超导设备、氮气与氩气液化、低温冷阱及大热负载预冷 。
2. 典型性能参数：
   • 双级 GM 制冷机最低温度可达 4.2K 甚至 2K，制冷量约 1-5W@4.2K，高端型号如 SHI RJT-100 可达 9W@4.2K。
   • 单级 GM 制冷机温区 14-100K，制冷量数十瓦，终极温度约 30K-40K。
   • 冷却时间：双级冷头降至 4.2K 约需 60 分钟内，单级降至 77K 约 30 分钟内 。
   • 维护周期：GM 冷头通常 10000-20000 小时需维护一次 。
3. 具体产品参考：
   • 住友（日本）：覆盖 2K、4K、10K、20K、40K、77K 全温区产品系列。
   • ULVAC UHE15：双级 1.5W@4.2K，终极温度 2.7K，重量 18kg。
   • SHI RJT-100：9W@4.2K，冷却时间<13 小时至 4.2K，重量 57-68kg。
   • 国产厂商（中船鹏力、博开机电、八匹马、氢合）：已推出 4K 级 GM 冷头及 20K-77K 系列产品 。

市场价格和哪里可以购买

• 市场价格参考（2025 年数据）：
  • 全球 GM 制冷机整机平均售价约2.46 万美元/台，2025 年全球产量约 2.19 万台 。
  • GM 制冷机冷头单独售价平均约1.44 万美元/台，2025 年冷头产量约 1.87 万台 。
  • 毛利率区间 25%-45%，10K 以下深低温、医疗超导级、定制化高端产品毛利率接近 45%。
• 主要购买渠道（厂商列表）：
  • 日本厂商：住友重机（Sumitomo Heavy Industries）、ULVAC CRYOGENICS[爱发科]。
  • 英国厂商：Edwards Vacuum、Oxford Cryosystems。
  • 芬兰厂商：Bluefors（旗下 Cryomech）。
  • 美国厂商：ARS（Advanced Research Systems）。
  • 中国厂商：中船鹏力、博开机电、八匹马、氢合 。
• 选型建议：
  • 医疗 MRI 设备：优先选择 10K 及以下双级冷头，要求长期连续运行、低故障率、成熟售后服务体系。
  • 科研低温恒温器：根据样品温度需求选择 10K 以下、10.1K-30K 或 30K 以上冷头。
  • 半导体真空设备：通常使用 10K-20K 低温表面冷凝气体，配合 50K-80K 辐射屏 。
    

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一、认识GM制冷机

提及“极低温制冷”，多数人会想到物理实验室里需两人环抱一直冒烟的液氦杜瓦罐。而G-M制冷机作为商用化最成熟的“小型化极低温解决方案”，在2K（-271℃）温区展现出突出的性价比。

1、什么是G-M制冷机？

G-M制冷机全称为“吉福德-麦克马洪制冷机”，由美国工程师吉福德（W. E. Gifford）和麦克马洪（H. O. McMahon）于1960年发明，基于“回热式循环”工作。它无需依赖液氦，仅通过机械循环就能将温度降至2K。早期G-M制冷机应用于低温物理研究、超导磁体等领域，随着量子技术的发展，凭借“小型化、低成本、长寿命”的特点，成为SNSPD器件的“标配低温源”。

2、G-M制冷机的“呼吸式制冷”魔法

G-M制冷机基于“西蒙膨胀”循环系统，如同“会呼吸的低温泵”，通过四个关键步骤实现制冷。

2.1、核心结构：压缩机+冷头，各司其职

图2 GM 制冷机结构示意图

G-M制冷机主要由压缩机和冷头两部分组成：

• 压缩机：位于常温端，是“动力源”，将氦气压缩至2-3 MPa高压，同时通过水冷或风冷散热，为制冷循环“打气”。
• 冷头：位于低温端，既是制冷核心，也是 SNSPD 的 “栖息地”，内部包含驱动机构、进排气阀、气缸、活塞（排出器）、回热器等部件。

冷头还设有“两级冷台”：

• 一级冷台：温度约40K（-233℃），主要负责“预冷”，拦截室温的辐射热和线缆漏热，是低温环境的“第一道防线”。
• 二级冷台：裸机无负载时温度可达 2.0-2.3K，上面搭载一个金属圆盘用于安装器件，表面经镀金抛光处理，以减少辐射漏热。
  

2.2、工作原理：四步循环，实现“绝热降温”

G-M制冷机的制冷过程是“氦气的压缩-膨胀循环”，分为四个关键阶段，恰似一次完整的“呼吸”：

图3 GM 制冷机冷却循环的四个阶段

• 升压阶段（“吸气”）：压缩机将常温3 MPa高压氦气通过高压管线送入冷头，此时进气阀打开、排气阀关闭，氦气进入热腔和回热器，压力从0.1 MPa升至3 MPa，气体压缩后温度升高，类似给气球打气时气球变热的现象。
• 等压进气阶段（“预冷”）：驱动机构推动活塞向上运动，热腔中的高压氦气被迫流经回热器。回热器内的低温蓄冷材料（如Er3Ni、HoCu2等磁性材料）比热容大，快速吸收氦气热量，使氦气温度从室温降至约40 K（接近回热器温度），随后进入冷腔。此阶段压力保持不变，温度却大幅下降。。
• 绝热放气阶段（“降温”）：活塞到达气缸顶部时，进气阀关闭、排气阀打开，冷腔与低压管线连通，高压氦气“卸压”后在绝热状态下膨胀，根据热力学定律，气体膨胀内能减少，温度急剧下降，这是产生“极低温”的关键步骤，类似打开可乐瓶时瓶口结霜的原理。
• 等压排气阶段（“排气”）：活塞向下运动，冷腔中的低压氦气被推出，流经回热器时将热量传递给蓄冷材料（为下一次循环预冷），自身温度升至室温，最终通过排气阀排出，完成一次循环。

这四个阶段以1-2 Hz的循环频率不断重复，冷头温度逐渐降低并稳定在2 K。实际循环中因回热器阻力、阀门延迟等因素影响，存在少量能量损失，制冷量低于理想值。

二、核心参数：衡量G-M制冷机的“硬指标”

要了解G-M制冷机“能塞多少SNSPD”，需先看懂其关键参数，这些数据直接决定制冷机“承载能力”，是工程师设计多通道系统的核心依据。

1. 制冷性能参数：决定“能扛多少漏热”

• 最低制冷温度：裸机无负载时，二级冷台最低温度通常为2.0-2.3K，受个体差异和冷头朝向影响。
• 制冷量：指冷台在特定温度下能带走的最大热量，主流型号额定制冷量为0.1W@4.2K。该数值决定总漏热上限，如0.1W制冷量意味着所有组件漏热总和需远小于100mW。
• 降温时间：从室温300K降到2.3K，裸机通常需1.5-2小时，带负载时约8小时，降温速度越快，系统启动效率越高。
  

2. 结构参数：决定“能装多少组件”

• 二级冷台尺寸：作为SNSPD的“栖息地”，通常设计为直径15厘米左右的圆盘，面积约180 cm²。
• 冷头高度：一级冷台到二级冷台的距离约15-20厘米，决定射频线、光纤的走线长度（通常为15-50厘米）。
  

3. 运行参数：决定“长期可靠性”

• 连续运行时间：商用G-M制冷机设计寿命约15000小时，期间无需维护，适合SNSPD“7×24小时”不间断工作。
• 振动水平：冷头运行时振动幅度约10-50μm，远低于SNSPD的敏感阈值（>100μm），不影响光子耦合精度。
• 功耗：压缩机功耗约1.2 kW，冷头无额外功耗，整体功耗与家用空调相当，适合实验室部署。