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物理学において、極低温学とは、極低温における物質の製造および挙動を研究する学問である。
第 13 回国際冷凍協会(IIR) 国際冷凍会議 (1971 年にワシントン DC で開催) では、「極低温」と「極低温」の普遍的な定義が承認され、 これらの用語を従来の冷凍と区別するために 120 K (-153.15 °C) の閾値が受け入れられました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]これは論理的な境界線です。いわゆる永久ガス(ヘリウム、水素、ネオン、窒素、酸素、通常の空気など)の通常の沸点は120 K未満であるのに対し、フロン冷媒、炭化水素、その他の一般的な冷媒の沸点は 120 Kを超えているからです。[ 5 ] [ 6 ]
窒素の沸点を大幅に上回る臨界温度を持つ超伝導材料の発見により、高温極低温冷凍の信頼性が高く低コストな方法への新たな関心が高まっている。 「高温極低温」という用語は、液体窒素の沸点である−195.79 °C (77.36 K; −320.42 °F)から−50 °C (223 K; −58 °F)までの温度範囲を指す。[ 7 ]超伝導特性の発見は、1908 年 7 月 10 日にHeike Kamerlingh Onnes が2 K の温度に到達した後、初めて行われたとされている。これらの最初の超伝導特性は、4.2 Kの温度の水銀で観測された。[ 8 ]
低温学者は、絶対零度を基準とするケルビンまたはランキン温度スケールを使用します。これは、海面での水の凝固点を基準とするセルシウス温度[ 9 ] [ 10 ]や、海面での特定の塩水溶液の凝固点を基準とする華氏温度[ 11 ] [ 12 ]といった一般的なスケールとは異なります。
極低温（123K以下）の研究、その生成方法、およびそのような温度における物質の挙動を扱う工学分野。
低温が生物に及ぼす影響を研究する生物学の一分野（多くの場合、凍結保存を目的としている）。その他の応用例としては、医薬品成分や医薬品の凍結乾燥（凍結乾燥）などがある[ 13 ]。
品種を保存することを目的とした遺伝物質の保存。遺伝物質の保存は、ヒト以外の動物に限ったことではない。多くのサービスが、遺伝子の保管や出生時の幹細胞の保存を提供している。これらは、細胞株の生成の研究や幹細胞療法に利用される可能性がある。[ 14 ]
人間や動物を冷凍保存し、将来蘇生させることを目的とする。「冷凍保存」は、大衆文化や報道において「冷凍保存」と誤って使われることがある。[ 16 ]
極低温という言葉は、ギリシャ語のκρύος (cryos) – 「冷たい」 + γενής (genis) – 「生成する」に由来しています。
液体窒素や液体ヘリウムなどの液化ガスは、多くの極低温用途で使用されています。液体窒素は極低温分野で最も一般的に使用されている元素であり、世界中で合法的に購入できます。液体ヘリウムも広く使用されており、到達可能な最低温度を実現します。
これらの液体は、デュワー瓶に保管されることがあります。デュワー瓶は二重壁構造で、壁の間には高い真空状態が保たれており、液体への熱伝達を低減します。一般的な実験室用デュワー瓶は球形で、ガラス製で、金属製の外容器で保護されています。液体ヘリウムなどの極低温液体用のデュワー瓶には、液体窒素が充填された別の二重壁容器が備えられています。デュワー瓶は、水素を初めて液化した発明家ジェームズ・デュワーにちなんで名付けられました。魔法瓶は、保護ケースに収められた小型の真空フラスコです。
極低温バーコードラベルは、これらの液体が入ったデュワー瓶に印を付けるために使用され、摂氏-195度まで霜が付きません。[ 18 ]
極低温移送ポンプは、 LNG桟橋で液化天然ガスをLNGタンカーからLNG貯蔵タンクに移送するために使用されるポンプであり、極低温バルブも同様である。
極低温技術の分野は、第二次世界大戦中に科学者たちが低温に凍結した金属が耐摩耗性が高いことを発見したことで発展しました。この極低温硬化の理論に基づいて、 1966年にビルとエド・ブッシュによって商業的な極低温処理産業が設立されました。熱処理業界での経験を持つブッシュ兄弟は、1966年にデトロイトでCryoTechという会社を設立しました。[ 19 ]ブッシュは当初、熱処理の代わりに極低温焼き戻しを使用することで、金属工具の寿命を元の寿命の200%から400%まで延ばす可能性について実験していました。[ 20 ]これは1990年代後半に他の部品の処理へと発展しました。
液体窒素などの極低温物質は、特殊な冷却および冷凍用途にも使用されます。人気のスタチン系薬剤の有効成分の製造に使用されるような一部の化学反応は、約-100 ℃（-148 °F）の低温で行われる必要があります。特殊な極低温化学反応器は、反応熱を除去し、低温環境を提供するために使用されます。食品やワクチンなどのバイオテクノロジー製品の冷凍には、急速冷凍または浸漬冷凍システムで窒素が必要です。特定の軟質または弾性材料は、非常に低い温度で硬く脆くなるため、低温粉砕（クライオミリング）は、より高い温度では容易に粉砕できない一部の材料の選択肢となります。
極低温処理は熱処理の代替ではなく、加熱・焼入れ・焼戻しサイクルの延長です。通常、焼入れ後の最終温度は室温です。これは、ほとんどの熱処理業者が冷却装置を備えていないためです。室温自体に冶金学的に重要な意味はありません。極低温処理では、この動作を室温から-320 °F（140 °R、78K 、-196 °C）まで継続します。ほとんどの場合、極低温サイクルの後には焼戻し処理が行われます。すべての合金が同じ化学組成を持つわけではないため、焼戻し処理は材料の化学組成、熱履歴、および/または工具の特定の用途に応じて異なります。
全工程には3～4日かかります。
極低温技術のもう一つの用途は、ロケット用の極低温燃料であり、最も広く使われている例は液体水素ですが、近年では液体メタンも普及し始めています。液体酸素（LOX）はさらに広く使われていますが、燃料ではなく酸化剤としてです。NASAの主力宇宙船スペースシャトルは、軌道投入の主要手段として極低温水素/酸素推進剤を使用していました。LOXは、非極低温炭化水素であるRP-1ケロシンと併用して広く使用されており、セルゲイ・コロリョフがソ連の宇宙計画のために建造したロケットなどで使われています。
ロシアの航空機メーカーであるツポレフは、人気の高いTu-154の設計をベースに極低温燃料システムを搭載したTu-155を開発した。この飛行機は液化天然ガス（LNG）と呼ばれる燃料を使用し、1989年に初飛行を行った。[ 21 ]
極低温技術の応用例：
機器や材料の極低温冷却は、通常、液体窒素、液体ヘリウム、または機械式極低温冷却器（高圧ヘリウム配管を使用）を用いて行われます。ギフォード・マクマホン式極低温冷却器、パルスチューブ式極低温冷却器、スターリング式極低温冷却器は、必要な基底温度と冷却能力に基づいて選択され、広く使用されています。極低温技術における最新の進歩は、磁石を再生器および冷凍機として使用することです。これらの装置は、磁気熱量効果として知られる原理に基づいて動作します。
粒子を検出するために使用される極低温検出器には様々な種類がある。
30 Kまでの極低温測定には、抵抗温度検出器（RTD）であるPt100センサーが使用されます。30 K以下の温度では、精度を確保するためにシリコンダイオードを使用する必要があります。
ケルビン尺度では、極低温領域は一般的に約120 K（-153 C）以下の領域と考えられています。