3He-4He希釈冷凍法とは？わかりやすく解説

³He-⁴He希釈冷凍法
水色が³He濃厚相（C相）、緑色が希薄相（D相）にあたる

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）とは、ヘリウムの二つの同位体である³Heと⁴Heをそれぞれ液化して、⁴He相に³He相を注いで希釈する際に生じる希釈熱を利用する冷却法である。液体ヘリウムの蒸発潜熱を使った冷却法では到達できない極低温領域における冷却法のひとつであり、さらなる低温を実現するための冷却法である。現在 100 mK 以下の極低温を連続的に実現することができる唯一の方法である。

⁴He中への³Heの溶解度はおよそ6.6%である。極低温では、³Heと⁴Heの蒸気圧は異なるおんで、溶媒である⁴Heの中から選択的に³Heをより多く蒸発させる事ができる。それにより、⁴He中の³He濃度は低下するから、⁴Heに引き続いて³Heを溶解させることができるので、³He-⁴He混合液が潜熱を奪い続けることで、冷却を継続できる。蒸発させた³Heは回収して液化させたのち、再び⁴Heに溶解させて再度利用する。

³He-⁴He希釈冷凍法の量子論的原理

ヘリウム原子には、同位体として³Heと⁴Heが存在するが、自然界では⁴Heが主である。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。

³Heと⁴Heの混合液は 0.87 K 以下で「多くの⁴Heの中に少しの³Heが混ざった希薄相（D相）」と「ほとんどが³Heの濃厚相（C相）」とに相分離する。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 0.8 K に保たれている。0.8 K においては⁴Heの蒸気圧はほぼ零だが、³Heの蒸気圧は有限であるため、³Heだけを選択的に蒸発させることが出来る。するとD相の³He濃度が平衡状態よりも低くなり、³HeはC相からD相へ向けて溶解する。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10 mK 程度の極低温を生成して維持することが可能である。

出典

伊達宗行『新しい物性物理』講談社〈ブルーバックス〉。ISBN 4-06-257483-7。
小林俊一; 大塚洋一『低温技術』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.