極低温学

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。

沸点がケルビン^{[ 17 ]}と摂氏で示される極低温流体。

極低温バルブのカタログ画像

Cryogenic valves in situ, heavily frozen from condensed atmospheric humidity

Liquefied gases, such as liquid nitrogen and liquid helium, are used in many cryogenic applications. Liquid nitrogen is the most commonly used element in cryogenics and is legally purchasable around the world. Liquid helium is also commonly used and allows for the lowest attainable temperatures to be reached.

These liquids may be stored in Dewar flasks, which are double-walled containers with a high vacuum between the walls to reduce heat transfer into the liquid. Typical laboratory Dewar flasks are spherical, made of glass and protected in a metal outer container. Dewar flasks for extremely cold liquids such as liquid helium have another double-walled container filled with liquid nitrogen. Dewar flasks are named after their inventor, James Dewar, the man who first liquefied hydrogen. Thermos bottles are smaller vacuum flasks fitted in a protective casing.

Cryogenic barcode labels are used to mark Dewar flasks containing these liquids, and will not frost over down to −195 degrees Celsius.^[18]

Cryogenic transfer pumps are the pumps used on LNG piers to transfer liquefied natural gas from LNG carriers to LNG storage tanks, as are cryogenic valves.

極低温技術の応用例：

• 核磁気共鳴（NMR）は、磁場中で原子核が吸収し、その後緩和する無線周波数を検出することによって、原子の物理的および化学的性質を決定する最も一般的な方法の 1 つです。これは最も一般的に使用されている特性評価技術の 1 つであり、多くの分野で応用されています。主に、強力な磁場は超冷却電磁石によって生成されますが、極低温物質を必要としない分光計もあります。従来の超伝導ソレノイドでは、常圧で約 4 K の沸点を持つ液体ヘリウムが内部コイルの冷却に使用されます。安価な金属超伝導体をコイル配線に使用できます。いわゆる高温超伝導化合物は、約 77 K で沸騰する液体窒素を使用して超伝導状態にすることができます。
• 磁気共鳴画像法（MRI）は、核磁気共鳴（NMR）の複雑な応用例であり、共鳴の幾何学的構造をデコンボリューションし、強力な磁場中で高周波パルスによって摂動されたプロトンの緩和を検出することで、対象物を画像化する。これは主に医療分野で用いられている。
• 極低温電子顕微鏡法（クライオEM）は、タンパク質、細胞、その他の生物系の構造を解明するための構造生物学における一般的な手法です。試料は液体窒素で冷却された液体エタンなどの極低温物質に急速凍結され、その後、電子顕微鏡に挿入されて画像化される間、液体窒素温度に保たれます。電子顕微鏡自体も液体窒素で冷却されます。
• 大都市では架空送電線による送電が困難なため、地下送電線が用いられます。しかし、地下送電線は発熱し、電線の抵抗が増加するため、電力の無駄が生じます。超伝導体を用いることで送電量を増やすことが可能ですが、そのためには、送電量を増やすために、特殊な合金を含むケーブルを窒素やヘリウムなどの極低温液体で冷却する必要があります。これまでにいくつかの実現可能性調査が行われており、この分野は国際エネルギー機関（IEA）の協定の対象となっています。

• 極低温ガスは、大量の冷凍食品の輸送や保管に使用されます。戦地や地震被災地などへ大量の食料を輸送する場合、長期間保管する必要があるため、極低温冷凍が用いられます。また、極低温冷凍は大規模な食品加工産業にも役立ちます。
• 多くの赤外線カメラ（前方監視型赤外線カメラ）は、検出器を極低温で冷却する必要がある。
•  特定の希少な血液型は、血液バンクで-165℃などの低温で保管されている。
• 液体窒素と二酸化炭素_を用いた極低温技術は、ナイトクラブの特殊効果システムに組み込まれ、冷気を演出したり、色付きのライトで照らすことができる白い霧を発生させたりするために用いられている。
• 極低温冷却は、製造工程における機械加工時に工具先端を冷却するために使用されます。これにより工具寿命が延びます。酸素は、鋼材製造工程においていくつかの重要な機能を果たすために使用されます。
• 自動車やトラックのタイヤを液体窒素で凍結させると、ゴムが脆くなり、細かく粉砕することができる。これらの粉砕されたゴム片は、他の用途に再利用できる。
• スピントロニクスや磁気輸送特性といった特定の物理現象に関する実験的研究では、その効果を観測するために極低温が必要となる。
• 特定のワクチンは極低温で保管する必要があります。例えば、ファイザー・ビオンテックのCOVID-19ワクチンは-90～-60 ℃（-130～-76 °F）の温度で保管する必要があります。（コールドチェーンを参照。）^{[ 23 ]}  

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。

• 絶対零度
• 地球上で記録された最低気温
• 極低温粉砕
• 急速冷凍
• 冷凍食品

• Haselden, G. G. (1971), Cryogenic fundamentals, Academic Press, New York, ISBN 0-12-330550-0.