小型制冷機低溫泵采用兩級制冷的氦封閉循環制冷機。選用這種制冷機的原因是它在77K和15K時能提供抽除真空室所必需的制冷功率。適合小型制冷機的制冷循環如圖5-53所示。現代小型制冷機低溫泵用得z*多的是G-M循環，無負荷時可獲得7K的低溫，20K時制冷功率為1W～20W。另一類是斯特林(Stirling)循環，z*低溫度為12K，20K時制冷功率10W～400W，但斯特林循環制冷機的振動較大，很少選用。
　　
　　G-M循環制冷機的工作原理
　　
　　G-M循環制冷機將壓縮機和膨脹機分開，前者作為氣源，后者產生制冷效應。中間用閥門控制膨脹機的工作。與斯特林制冷機相比，效率低、體積和質量大。但它的主要優點是壓縮機的機械振動傳不到冷頭，并且兩部分分開后制造容易。膨脹機部分很緊湊，使用方便。由于活塞運動速率很低（50r/min一500r/min），汽缸和膨脹活塞之間的間隙大，膨脹活塞兩面的壓差小，對密封要求低，壓縮機用油潤滑，這就大大提高了膨脹機的使用壽命。目前這種制冷機的維修周期可達3000h，壽命上萬小時。
　　
　　G-M循環制冷機的工作原理由吉福特(Gifford)和麥克馬洪(McMahon)于1959年提出，其基本組成部分是壓縮機及油吸附器等附屬裝置。壓縮機的作用是把從膨脹機來的低壓氣體進行壓縮，提供高壓力的純凈工質（氦氣）。現在大都使用油冷卻和潤滑的旋片式壓縮機，并帶有必要的冷卻和過濾凈化裝置。膨脹機的作用是使高壓氣體在它內部絕熱膨脹制冷。為使它有效地工作，除膨脹機汽缸要有真空絕熱外，還要使膨脹機內的活塞運動和進、排氣閥門的啟閉成合適的關系。可用啟動閥門的電機帶活塞運動，也可做成氣動式的，即利用高壓氣體的能量，使活塞兩面的壓力不同，迫使活塞運動。基本流程示意圖如圖5-54所示。工質（氦氣）經壓縮機壓縮為高壓高溫氣體，與冷卻器熱交換為常溫高壓氦氣，經油分離器、油吸附器成為高純度氦氣。由進氣閥進入制冷機汽缸絕熱膨脹做功后，再經排氣閥流入壓縮機，形成封閉循環。汽缸中的活塞驅動方式有氣動和機械驅動二種。機械驅動采用低速電機帶動二個偏心輪（按一定角度配置）和活塞曲軸，使進、排氣閥按一定的配氣角交替開啟、關閉，同時曲軸帶動活塞作上下往復運動，使G-M循環制冷系統內的壓力產生周期性變化（圖5-55）。


　　
　　制冷原理如下：當活塞運動到下死點（冷腔體積近于零、熱腔體積z*大）位置6時，進氣閥打開（排氣閥關閉），常溫高壓氦氣充入熱腔和蓄冷器，氣體壓力從6位置突然升高到位置1，氣體壓縮熱在冷腔接近于零。接著活塞變為向上運動，熱腔中的常溫高壓氦氣經過蓄冷器被冷卻后進入冷腔，這時氣體比容隨之減小，壓力降低，常溫高壓氦氣經進氣閥不斷補人，氣體壓力如線段1-2、維持壓力不變。當活塞運動到接近上死點位置2時，進氣閥關閉，充氣結束。活塞繼續向上運動，工質壓力沿曲線2-3下降，直到活塞運動到上死點位置3，排氣閥打開，冷腔中的低溫高壓氦氣與壓縮機進氣端接通，氦氣絕熱膨脹制冷，獲得凈冷量，壓力變化為3-4。之后，活塞向下運動，冷腔中的低壓冷氦氣經過蓄冷器、使蓄冷器內的填料溫度進一步降低后分別流入熱腔和壓縮機的進氣端，壓力維持不變(4 -5)。當活塞接近z*低位置時，排氣閥門關閉，氣體壓力沿5-6升高，活塞回到位置6時，進氣閥門打開，開始下一個循環。
　　
　　每次循環中，通過進氣閥經過蓄冷器冷卻流入冷腔的高壓氦氣的初溫比上個循環審更低，在冷腔中絕熱膨脹階段后的溫度也就更低，進一步冷卻冷腔壁和蓄冷器內填料，這樣經過多次循環不斷降溫，直到熱量的動平衡建立為止。
　　
　　為了使結構緊湊，實用的G-M循環制冷機中的蓄冷器放在活塞內。二級制冷的G-M制冷機的缸體內部結構如圖5-56所示。G-M循環小型制冷機性能參數見表5-24。