数百mK 〜数mK の温度環境を作り出すには、希釈冷凍器を用いる。これはヘリウム３・ヘリウム４混合溶液の性質を用いた連続型の冷凍器である。物理的・熱力学的解説は後回しにして、まずは全体像を解説しよう。
全体図は以下の通りである。
冷凍器は、ヘリウム４系とヘリウム３系の２系統に分かれる。
上の図で、緑の矢印で書かれているのがヘリウム４系であり、１Ｋポット（凝縮器：コンデンサー）と排気ポンプから成る。１Ｋポット中の液体ヘリウム４をポンプで排気することにより冷却能力を得る。通常はインピーダンス（あるいは流量調整弁）を介して外部（魔法瓶）から直接４．２Ｋの液体ヘリウム４を取り込むことにより、連続的な運転が可能となっている。最低温度はおよそ１Ｋである。
１Ｋポットはコンデンサーという名の通り、希釈冷凍器を循環するヘリウム３を液化する役割を担う。
希釈冷凍器の本体は、様々な部品から成る。ここではまず、ヘリウム３に関する最も主要な部分３つを解説する。
ヘリウム３を循環するためのポンプである。通常のポンプとは違い、ヘリウム３が外気へ逃げないような構造になっている。希釈冷凍器の冷却能力はヘリウム３の循環量に大きく依存するため、目標とする冷却能力によっては２段（ブースターポンプ）、３段（ブースターポンプｘ２）式にすることがある。
希釈冷凍器の心臓部にして、もっとも温度が低い場所（約５ｍＫ）。相分離した液体ヘリウム３・４混合液の界面が存在する。上半分はＣ相と呼ばれるヘリウム３濃厚相であり、１Ｋポット（コンデンサー）から絶えずヘリウム３が供給されている。下半分がＤ相とよばれるヘリウム３希薄相（濃度約６％で、残りが超流動ヘリウム４）であり、次に述べる Still と繋がっている。
Mixer において、ヘリウム３はＣ相（エントロピー大）からＤ相（エントロピー殆どなし）へ強制的に移動させられる。このときに生ずるエントロピー差が冷却能力を生んでいる。
Mixer のＤ相にあるヘリウム３だけを選択的に蒸発（分溜）させる部分。Still の温度をある特定のの温度（０．８Ｋ以下）に保たれる。これは、ヘリウム４の蒸気圧は０だが、ヘリウム３の蒸気圧は有限に保たれる（蒸気圧曲線参照）現象を利用するためである。
現実の希釈冷凍器をもっと詳しく描くとは、下の図のように非常に沢山の部分から成っている。
| LN2 Trap | 液体窒素中を通り、3Heポンプから3He ガスと同時に排出される油蒸気を排除する吸着ポンプの一種。 |
| He Trap | LN2 Trap でも取りきれなかった汚ガスを取るためのトラップ。だめ押し。 |
| Vacuum Can | 液体ヘリウム中にある断熱真空層。冷凍器の低温部分は、すべてこの中にある。 |
| Main-Z | 主インピーダンス。3He の流れに対する抵抗をつけ、1K Pot 温度での圧力を維持し、液化させる。 |
| Still Heater/ Film Burner |
Still Heater は、Still 温度を一定に保ち、蒸気圧をコントロールするためのヒーター。 Film Burner は、Still 中の超流動ヘリウム４が、容器壁をフィルムフローによってはい上がってくるのを、妨げる働きがある。 |
| HX-1/HX-2 | (HX-1)連続型、(HX-2)ステップ型熱交換器。アルファベットの名称は仮に付けただけで、正式名称ではない。 いずれも、Mixer から来る冷たい液体ヘリウムを利用して、Mixer に入る液体ヘリウム流を冷やす役目を持つ。 100mK クラスの希釈冷凍器では、HX-2 が省略されている。 |
| Sub-Z | 副インピーダンス。Mixer へ向かう液体ヘリウム流が気化することを防ぐ。 主インピーダンスにくらべてかなり弱く、必要ない（ＨＸ１で十分な）場合もある。 |
| Radiation Shiled | 真空中でも、黒体輻射による熱伝導が生ずる。この熱伝導率は温度の４乗に比例するため、4.2K とMixer の温度の間で、金属の光遮蔽板（筒）を入れる事がある。断熱消磁する場合は、さらにMixer Shield を増設する。 |
| Helium Recovery | Dewar 内の蒸発ヘリウムおよび、１Ｋポットで排気されたヘリウムガスを回収する装置。 |
| Dewar | 液体ヘリウムをためるための魔法瓶。 |
では、次にヘリウム３・４混合液の物性について見てみよう。