3He-4He希釈冷凍法

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本来の表記は「3He-4He希釈冷凍法」です。この記事に付けられた題名は記事名の制約から不正確なものとなっています。
3He-4He希釈冷凍法
相分離を示す液体 3He-4Heの混合物の相図。
およそ6.6%の3Heを、4Heは溶解することができる。(6.6%=0.066のグラフ上の位置は、左下の横軸上でのFermi liquidとFobidden regionの境界部分)

3He-4He希釈冷凍法3He-4Heきしゃくれいとうほう、英:3He/4He dilution refrigerator|dilution refrigerator)とは、ヘリウム同位体である3Heと通常の4Heの、3Heと4Heの分離状態から、3Heが4Heへと希釈する際の潜熱を利用した冷却法である。極低温領域での冷却法のひとつ。液体ヘリウムによる蒸気冷凍を使った冷却では冷やせない、さらに低温の冷却を行う。現在100mK以下の極低温を連続的に生成する唯一の方法である。

4He中の3Heの溶解量については、およそ6.6%の3Heを、4Heは溶解することができる。極低温では、3Heと4Heの蒸気圧がことなり、そのため、溶媒の4Heの中から選択的に3Heを蒸発させる事ができる。すると、4He中の3He濃度が低下するので、4Heは引き続き3Heを溶解させることができ、3He-4He混合液が潜熱を奪い続けて、冷却をする。蒸発させた3Heは回収し、液化させたのち、再び4Heに溶解させて繰り返し使うことができる。

3He-4He希釈冷凍法の量子論的原理[編集]

ヘリウムには、3Heと4Heが同位体として存在しており、自然界では4Heが主体である。3Heはフェルミ粒子であり、4Heはボース粒子である。4Heは極低温で超流動を起こす。

ヘリウム3とヘリウム4の混合液は0.87K以下で「多くのヘリウム4の中に少しのヘリウム3が混ざった希薄相(D相)」と「ほとんどがヘリウム3の濃厚相(C相)」の2相に分離する。3He-4He希釈冷凍機で最も低温になる部分は混合器(mixing chamber)と呼ばれ、その中では図のように2相が接している。図でD相につながっているパイプの先は分溜器(still)とよばれる内部に熱交換器を持った部分につながっており、そこは約0.8Kに保たれている。0.8Kにおいてはヘリウム4の蒸気圧はほぼ0だが、ヘリウム3の蒸気圧は有限であるため、ヘリウム3を選択的に蒸発させることが出来る。するとD相のヘリウム3濃度が平衡状態より低くなり、ヘリウム3はC相からD相へ蒸発する。このときC相とD相の間のエントロピー差を利用することによって混合液から熱を奪うことができるのである。このような操作により10mK程度の極低温を連続的に生成することが可能である。

関連項目[編集]

出典[編集]

  • 新しい物性物理 伊達宗行 講談社BLUEBACKS ISBN 4-06-257483-7
  • 低温技術 小林俊一,大塚洋一 東京大学出版会 ISBN 978-4-13-063042-9
  • 《超流体 》/ (美)沈星揚著 (1982). - 北京: 科学出版社
  • Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.