希釈冷凍機

3 He/ ⁴ He希釈冷凍機、または単に希釈冷凍機は、 2 mKという低温まで連続的に冷却する極低温装置であり、低温領域には可動部品がありません。^{[ 1 ] [ 2 ]}冷却能力は、^ヘリウム3とヘリウム4同位体の混合熱によって供給されます。  

希釈冷凍機は1950年代初頭にハインツ・ロンドンによって初めて提案され、1964年にライデン大学のカメルリング・オネス研究所で実験的に実現された。^{[ 3 ]}

冷凍プロセスでは、ヘリウムの2つの安定同位体であるヘリウム3とヘリウム4の混合物を使用します。約870ミリケルビン以下に冷却すると、混合物は自発的に相分離を起こし、 ^3Heに富む相（濃縮相）と^3Heに乏しい相（希釈相）を形成します。相図に示すように、極低温では濃縮相はほぼ純粋な^3Heであり、希釈相は約6.6%の3Heと93.4%の4Heを含みます^。作動^流体は3He^であり、室温で真空ポンプによって循環されます。3Heは^数百ミリバールの圧力でクライオスタットに入ります。

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  外側の真空シールドがない湿式^3He / ^4He希釈冷凍機の概略図
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  標準的な（湿式）希釈冷凍機の概略図
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  希釈冷凍機の低温部の概略図
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  真空缶を取り外した、湿式オックスフォード・インスツルメンツ製ヘリウム希釈冷凍機の内部。
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  ヘリウム希釈冷凍機用ガス制御システム
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  点線の四角で示された、2段式パルスチューブ冷凍機で予冷された、クライオジェンフリー（またはドライ）希釈冷凍機の概略図

混合室における冷却能力（ワット）は、おおよそ次のように表される。

${\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)\left(95(T_{m}\;[{\text{K}}])^{2}-11(T_{i}\;[{\text{K}}])^{2}\right)}$

どこ$\displaystyle {\dot {n}}_{3}}$は³ He のモル循環速度、T _mは混合室の温度、T _{i は}混合室に入る³ Heの温度です。有効な冷却は、次の場合にのみ発生します。

${\displaystyle T_{i}<2.8T_{m}.}$

これは最後の熱交換器の最高温度を設定します。これを超えると、すべての冷却能力は入射する³ He を冷却するためだけに消費されます。

混合チャンバー内では、純粋相と希薄相の間には熱抵抗がほとんどなく、${\displaystyle T_{i}\approx T_{m}.}$冷却能力は低下し、

$\displaystyle {\dot {Q}}_{m}\;[{\text{W}}]=84\left({\dot {n}}_{3}\;[{\text{mol/s}}]\right)(T\;[{\text{K}}])^{2}.}$

低いT _{m は}、低いT _iの場合にのみ達成できます。希釈冷凍機では、上記の低温領域の概略図に示すように、熱交換器を使用してT _iを下げます。しかし、非常に低い温度では、いわゆるカピッツァ抵抗のために、これはますます困難になります。これは、ヘリウム液体と熱交換器の固体との間の表面での熱抵抗です。これは、T ⁴と熱交換表面積Aに反比例します。言い換えると、同じ熱抵抗を得るには、温度が 10 分の 1 に低下すると、表面積を 10,000 倍にする必要があります。低温 (約 30  mK 未満) で低い熱抵抗を得るには、大きな表面積が必要です。温度が低いほど、表面積は大きくなります。実際には、非常に細かい銀粉末を使用します。

希釈冷凍機の低温に根本的な制限はありません。しかし、 実用的な理由から温度範囲は約 2 mK に制限されています。非常に低い温度では、温度を下げると循環流体の粘度と熱伝導率の両方が大きくなります。粘性加熱を減らすには、混合室の入口および出口チューブの直径をT ⁻³ _mにし、熱流を低くするにはチューブの長さをT ⁻⁸ _mにする必要があります。つまり、温度を 2 分の 1 に下げるには、直径を 8 倍、長さを 256 倍にする必要があります。したがって、体積は 2 ¹⁴  =  16,384 倍にする必要があります。言い換えると、2 mK のcm ^{3 は}1 mK では16,384 cm ³ になります。機械は非常に大きく、非常に高価になります。2 mK未満の冷却には強力な代替手段があります。それは、核消磁冷凍です。   

• 低温技術のタイムライン
  • 絶対零度– 温度0 K
• 磁気冷凍
• 冷蔵輸送用デュワー

• Hall, HE;​​ Ford, PJ; Thomson, K. (1966). "ヘリウム3希釈冷凍機". Cryogenics . 6 (2): 80– 88. Bibcode : 1966Cryo....6...80H . doi : 10.1016/0011-2275(66)90034-8 .
• Wheatley, JC; Vilches, OE; Abel, WR (1968). "希釈冷凍の原理と方法". Journal of Low Temperature Physics . 4 : 1–64 . doi : 10.1007/BF00628435 . S2CID 123091791 . 
• Niinikoski, TO (1971). 「非常に高い冷却能力を持つ水平希釈冷凍機」. Nuclear Instruments and Methods . 97 (1): 95–101 . Bibcode : 1971NucIM..97...95N . doi : 10.1016/0029-554X(71)90518-0 .
• Frossati, GJ (1992). "実験技術：300 mK以下冷却する方法". Journal of Low Temperature Physics . 87 ( 3–4 ): 595–633 . Bibcode : 1992JLTP...87..595F . CiteSeerX 10.1.1.632.2758 . doi : 10.1007/bf00114918 . S2CID 120814643 .  

• ランカスター大学、超低温物理学– 希釈冷凍の説明。
• ハーバード大学、マーカス研究室– 希釈冷蔵庫へのヒッチハイカーズガイド。