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ＧＭ冷凍機の改造による絶対温度１Ｋ以下の極低温の実現
Achievement of very low temperature below 1 K using GM cryogenic refrigerator
高知大学 理学部 理学科
教授 西岡 孝
JST新技術説明会 2009年4月3日
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目 次
• 序論– 重い電子系– 冷凍機開発を行うことになった経緯– 従来の1 K冷凍機
• 本論– ４ＫＧＭ冷凍機の性能– １Ｋ冷凍機– 3He冷凍機
• まとめ– 新技術の特徴・従来技術との比較– 実用化に向けた課題– 想定される用途
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重い電子系
希土類のCe, YbやアクチナイドのUを含む化合物
磁性と超伝導が関係している
磁性と超伝導の相関を実験面から明らかにしたい！
苛酷な実験環境が要求される
• 極低温（１Ｋ以下）
• 超高圧（１万気圧以上）
• 純良試料（純良でなければ超伝導は現れない）
温度
圧力
~10K
0
1K
数万気圧
反強磁性
超伝導
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現在の低温技術
液体Heが必要
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極低温研究の格差の実態
極低温環境（液化装置を所有する大学 ｖｓ 高知大学）
～2 日/年100 日以上/年実験可能日数
～10 万円/年～100 万円/年予算
～3000 円/L （大口）～350 円/L（大口）
～650 円/L（小口）液体ヘリウム
～200 円/L～70 円/L液体窒素
高知大学
（現在）
液化装置を所有する大学
（H16年頃）
重い電子系の研究を続けるべきか否か？
山頂の環境？
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重い電子系の実験家の現状
• 旧帝大が中心（実験環境が苛酷なため）
• 地方大学の研究者は旧帝大のサテライトとして活動
– 試料のみ作って，共同研究を利用
– 試料を提供していただいて測定のみ行う
– 重い電子系の研究をあきらめる
• 高知大西岡研の立場
– 重い電子系の主要な研究をすべて高知大学のみで行う。
大学の主要な役割は学生を育てること
Ｈ１６年４月
開発開始
現時点
ほぼ完成
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既存の 1 K以下のGM冷凍機
島崎毅：産総研ＴＯＤＡＹ，2006年12月 p.12
長所 ： 長時間運転可能
短所 ： 低到達温度0.6 K，冷却まで60時間，装置大型化，
冷凍機を止めることができない，測定が限定，高価
J-T 回路の使用
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本研究で用いた４ＫＧＭ冷凍機
• 到達温度 4.2 K以下
• 温度安定性（±0.2 K）
• 三相200 V・水冷方式
光学＆電気測定用冷却システム （市販タイプ）
• 冷却能力
– １段ステージ：40 W @ 50 K– ２段ステージ：0.5W @ 4.2 K
光学測定用窓
Φ12 x 2 面
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ＧＭ冷凍機の性能
無負荷の状態で3.0 K 4He液化可能
0 1 2 3 4 50
0.5
1
Temperature (K)
vapo
r pre
ssur
e (a
tm)
0.24 atm
0.81 atm 4He
0 20 40 60 801
10
100
time (min)
Tem
pera
ture
(K)
4.0 K
3.0 K
窓あり
窓なし
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１Ｋ冷凍機の性能（one shot 運転）
4
3
2
1
0
Tem
per
ature
(K
)
76543210
time (h)
He 20L 15min 1.55K
He 40L 1h 1.45K
He 60L 6h 1.37K
① ② ③
４４KKシールドがなくてもシールドがなくても1.3K1.3Kをを
長時間維持可能長時間維持可能
３３HeHe 冷凍機冷凍機
４K pot ４K pot４K pot
1K 1K
1K
1.37 K～5０ cc③ ガラス
1.45 K～２０ cc② Cu＋(CuNi)
1.55 K～１０ cc① CuNi
低温度容積１K pot の材質
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3He 冷凍機システム
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－3He温度の持続時間－
24時間以上0.5K以下を維持
3Heポット真空引き
1Kポット真空引き中止
0.1
2
3
456
1
2
3
456
Tem
pera
ture
(K)
302520151050
time (h)
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3He 冷凍機の性能 －温度のゆらぎ－
1.488
1.486
1.484
1.482
1.480
1.478
T (
K)
323130292827
Time (h)
1K pot
0.485
0.484
0.483
0.482
0.481
0.480
T (
K)
28.027.527.026.526.025.5
Time (h)
3He pot
温度のゆらぎは 1 mK 以下
短時間では 0.2 mK 程度
T e m p e ra tu reΘ
3 R
C
0
物質の比熱
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－測定例 （交流磁化率）－
単体金属 (Al，Zn，Cd) の超伝導転移
-4
-3
-2
-1
0
χ(α.υ)
2.01.51.00.50
Temperature (K)
Cd
Zn
Al
(1.196 K)
(0.852 K)
(0.56 K)
3He ポット
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高知大学方式冷却システム＊＊ High performanceHigh performance
One shot 運転で１日以上持続可能
＊＊ Low costLow costRunning cost : 電気＋水＋数百円開発費用 100万以下
＊＊ Easy operationEasy operation液体 He free で低温技術不要
＊＊ CustomizeCustomize必要温度に応じシステム交換可能
＊＊ ArrangementArrangementあらゆる物性実験に対応（電気抵抗・磁化率・比熱・NMR etc…）
ほとんどの物性実験に対応 あらゆる物性実験に対応
物性実験に液化機不要
低温実験はどこでも
できる
将来計画
現状
テラヘルツ産業へ
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高知大学の機関紙による特集記事
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成 果• 日本物理学会
– 市販GM冷凍機の改造－1K環境の実現－ 2007/03 鹿児島大学
– 市販GM冷凍機の改造－1K以下の実現－ 2007/09 北海道大学
– 市販GM冷凍機の改造III－3He温度における物性測定－ 2008/03 近畿大学
• 低温国際会議（LT25）– “New type liquid He free 3He Cryostat using Commercial GM
Refrigerator”2008/08 アムステルダム
• 論文– J. Phys. (2009) in press
• 招待講演– 「４Ｋ ＧＭ冷凍機を用いた１Ｋ以下の実現」
第8回受信機ワークショップ 2008/01 （大阪府立大）
– ＪＳＴ成果報告会 2008/11 （松山全日空ホテル）
• 共同研究– 「4ＫＧＭ冷凍機を用いた無振動１Ｋ冷却技術の開発」 国立天文台
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従来技術とその問題点
• 液体ヘリウムを使用した技術
– マイクロケルビン以下までの冷却が可能であるが，限られた研究施設でしか利用できない
– 希少資源であるヘリウムを浪費（アメリカからの輸出が途絶えると極低温研究はできなくなる）
– 高度な低温技術が必要
• ＧＭ ＪＴ冷凍機
– ＪＴ回路を使っているために装置が大型
– 開発コストが高い
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 冷凍機を用いて１Ｋ以下を実現するために不可欠であると思われてきた 「ＪＴ回路」を使っていない
– 開発コスト大幅に削減（１/１０以下：１００万円以下）
– 大幅な小型化（屋外への搬送可）
– カスタムが容易で，ほとんどの物性実験に対応可能
• 本技術の適用により，１Ｋ以下の極低温の利用は電気を利用できればどこでもできるようになる。
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想定される用途
• 極低温研究– 液化機の代替：コストが1/10以下に抑えられる
– 液体ヘリウムは不要
• 電波天文学
– ミリ波・サブミリ波検出器の感度向上
（国立天文台と共同研究）
• テラヘルツ産業
– 空港の手荷物検査など
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実用化に向けた課題
• 低温度0.1 K以下までの実現。
• 一層の小型化現在のシステムでもかなり小型化を達成できたが，簡単に持ち
運べる状況にはなっていない。チャコールポンプを利用して，可搬性のあるシステムにする。
• 温度振動の逓減冷凍機の機械的振動から来る温度振動が感度向上の妨げになる。温度振動を10 mK以下に逓減することが必要。
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高知大学の基礎・応用技術と企業様の製品化技術をタイアップさせて、小型で安価な装置の開発・販売を目指したい。
• 4Heのみ使用の１K以下を実現する冷凍機の開発
• 物理特性計測システム（ＰＰＭＳ）の
冷凍機版の開発あらゆる物性実験を大規模な液化機なし
の冷凍機のみで実現（循環システムによる連続運転も可能）
• テラヘルツ技術と本技術を融合させた製品開発
（検査・測定装置など）
企業との共同開発を期待
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：極低温冷凍機
• 出願番号 ：特願２００７－３２６０２８
• 出願人 ：高知大学
• 発明者 ：西岡 孝
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お問い合わせ先
高知大学
国際・地域連携センター
兵頭 正洋
ＴＥＬ ０８８－８４４－８９１８
ＦＡＸ ０８８－８４４－８５５６
e-mail [email protected]
四国ＴＬＯ
技術移転部 田村 恭弥
ＴＥＬ 087-811-5039
ＦＡＸ 087-811-5040
E-mail [email protected]
