州大学 低センター

Kyushu University
Low Temperature Center伊都地区

病院地区

ヘリウム液化システム
初めてヘリウムガスの液化に成功したのは今から約１００年前、１９０８年のことです。オランダ

ラ イ デ ン 大 学 の ヘ イ ケ ・ カ マ リ ン ・ オ ネ ス （ HeikeKamerlingh Onnes）によって成し遂げられました。液体ヘリウムによって得られる極低温環境は、現在では先端科学を支える基盤技術として、広範な分野で用いられています。

九州大学低温センター伊都地区では最新型の高効率ヘリウム液化機を導入しています。これにより寒剤を必要とする教育・研究活動を強力にサポートします。

液化機器仕様・設備＜液化・冷凍能力＞＜貯蔵能力＞

・ヘリウム冷凍液化機
Linde 社（スイス）製 LR280
液化能力：235 L/h
冷凍能力：1440Ｗ＠20K 1550Ｗ＠60K
・ヘリウム冷凍液化機用圧縮機
KAESER 社（ドイツ）製 ESD441
処理能力：1503Nm3/h・液体ヘリウム貯槽
ジェック東理社製 CH-2000
液体ヘリウム貯蔵能力：2000L×2 基・純ガス用長尺カードル
小池酸素工業社製 ヘリウムガス最大貯蔵量：2,255m３
・不純ガス用長尺カードル
小池酸素工業社製 ヘリウムガス最大貯蔵量：4,511m３＜回収・精製能力＞＜その他＞

・回収・精製用高圧圧縮機
Green Field 社（スイス）製 C5U217GPEX
Bauer 社（ドイツ）製 IK25.0-NI
回収能力：100Nm3/h×2 台
・高圧外部精製器
小池酸素工業社製
精製能力 ：100Nm3/h×5h×2 台
・回収・精製用ガスバック
小池酸素工業社製
内容積：50m３×1 基, 60m３×1 基・ヘリウムガス分析システム Linde 社製
・水素除去装置 Peak Laboratories 社製

長尺ガードル（増設）
屋外長尺カードル

ヘリウム冷凍液化機

ヘリウム冷凍液化機用圧縮機
高圧外部精製器

液体窒素貯蔵タンク＜液体窒素貯槽＞

回収・精製用高圧圧縮機

ヘリウムガス
分析システム

水素除去装置

日本化学機械製造社製
ＣＥ10000－Ｍ
液体窒素貯蔵能力：10,000 L

ヘリウム液化のしくみ
分子間に相互作用が働いている気体を自由膨張させるとわずかに温度が下がります。これをジュール・トムソン（ＪＴ）効果と呼びま＜窒素（Nitrogen）＞

液体窒素は沸点が約７７Ｋ（マイナスす。ヘリウム液化機も最終的にはこの効果を利用しています。しかし１９６℃）です。安価でしかも比較的ヘリウムは分子間力が極めて小さいため、４０Ｋ以下でないとこの効安全な為、様々な用途に用いられて果は現れません。そこで、あらかじめガスを別の方法（膨張エンジいます。ただし、使用する場合は酸ン）で低温（実際には２０Ｋ以下）まで冷却した上でＪＴ膨張させて欠防止の為、換気に十分注意する液化を行なっています。

必要があります。

実際の液化の手順は、まず、ヘリウムガスを圧縮機で高圧状態にします。熱交換器を経てある程度冷却されたガスは、一部が膨張エンジンに送られます。昔はピストンシリンダー型が主流でしたが最近では＜液体窒素供給支援＞

タービン型が用いられています。この部分でガスは仕事（ピストンを低温センターでは、伊都地区・病院押す、もしくはタービンを回す）をさせられ、結果として圧力と温度地区において液体窒素供給支援をが下がります。この過程はカルノーサイクルの断熱膨張（等エントロ行っています。

ピー膨張）と同じで、理想気体（分子間相互作用なし）であっても温寒剤を利用する場合は学内の安全度が下がります。先に述べた実在気体に対するＪＴ膨張（等エンタル
ピー膨張）とは原理が異なります。膨張エンジンは低温でなめらかに可動する必要がある為、技術的に高度な様々な工夫が施されています。加えて、低温ほど断熱膨張の効率は低くなるので、膨張エンジンで冷却されるのは精々１０Ｋ程度までです。後はこの冷えたガスを利用して元々の高圧ガスを４０Ｋ以下に冷やし、ＪＴ膨張弁により１気圧まで自由膨張させて液体ヘリウムを得ることができます。

講習を受講する必要があります。

九州大学における液体ヘリウムの用途

九州大学では応用を念頭に置いた機能性材料や超伝導材料の開発、学術的価値の高い基礎物性研究分野など、様々な局面で液体ヘリウムが使われています。

核磁気共鳴吸収装置；JNM-ECX500（写真左）、JNM-ECZ400(写真右)中央分析センターは、研究教育上必要な試料、あるいは物質の分析及び特殊研究試料作製を行うための学内共同利用施設として、1982年に設置されました。現在では、筑紫キャンパスで18台、伊都キャンパスで30台の機器を管理しています。これらの機器は学内に広く開放しています。
伊都キャンパスの中央分析センターでは、2 台の NMR （JNM-ECX500 及び JNM-ECZ400）を管理しており、これらは最近更新しました。NMR は、構造解析や物質の同定等の用途に使われています。
NMR は超伝導マグネットコイルを冷却するために液体ヘリウムが必要であり、中央分析センターでは、2010 年からヘリウム回収システムを使用しています。

中央分析センター磁気特性測定装置(カンタム・デザイン社

mpms-5S, mpms-XL)

数 mg 程度のサンプルの磁気特性を簡便な操作で測定することができる。0～5 kOe の外部磁場をかけることができ、1.9～400 K の温度範囲での段階的な温度変化や、温度掃引での測定を行える。装置のサンプルルームへ光ファイバーを導入することで、様々な波長の光を用いた光照射実験を可能としており、磁気特性の光応答性を測定できる。これまでの本装置での測定から、光応答性ナノ磁石[1]や巨大なスピン量子数を持つクラスター分子[2]等を見出し、報告している。また本装置は扱いの容易な温度制御装置として使用することができる。我々は電気特性測定装置と組み合わせることで伝導性測定やその光応答性、誘電特性測定といった幅広い電子物性の測定を行っている。
[1][2]

T. Liu, O. Sato et al., Nat Commun 2013 , 4, 2826.
S. Kang, O. Sato et al., Nat Commun 2015, 6, 5955.

先導物質化学研究所

連続フロー型 液体ヘリウム・クライオスタット
4K 以下の低温環境を継続的に実現できるクライオスタットです。現在評価している物性は、主に電気的特性の評価で、20pin の電極からなる LCC ソケットに試料をマウントしています。最大 １．2 T まで発生できる大型電磁石が取り付けられており、磁気輸送特性の精密評価が可能です。また、高周波が印加可能な同軸ケーブル型のホルダーもあり、目的に応じて試料ホルダーを作成することで、様々な物性評価が可能です。

理学研究院

小型温度可変調装置
液体ヘリウム容器から供給される液体ヘリウムは温度可変調ユニット（熱交換部）を経て２０K から７０K 程度までの定温に保持されたガスとなり、実験用クライオスタット内の超伝導線材や小型コイルなどの被試験体を冷却します。

超伝導システム科学研究センター

多重極限環境下物性評価装置
３Ｈｅ－４Ｈｅ希釈冷凍機と超伝導磁石を組み合わせ、最低温度５０ｍＫ、最大磁場８Ｔの極低温強磁場のもと実験を行います。
写真は希釈冷凍機にダイアモンドアンビルセルを取り付け、３０ＧＰａの超高圧下の実験を準備しているところです。

工学研究院

高温超伝導線における常伝導転移部の伝播現象についての測定装置

250Ｌ液体ヘリウム容器からトランスファーチューブにより実験用クライオスタットに手軽に液体ヘリウムを供給できます。

この装置を使って伝播現象と液体ヘリウムの冷却効果との関係を解明します。

超伝導システム科学研究センター

多重反射ミリ波ジェット分光装置
この分光装置は、50 – 800 GHz 領域で短寿命分子種（反応中間体など）の回転スペクトルや、分子錯体の分子間振動を観測するための分光装置です。ミリ波領域で多重反射光学系（10 往復）を用いた高感度検出が行える世界で唯一の装置です。これまでの主な成果としては、ビニルラジカルのトンネル回転遷移を観測し、ビニルラジカルでは通常より 10 億倍も速いオルト・パラ変換が起こっていることを明らかにした研究[1]や、結合力がわずか 9 cm-1 の He-HCN 分子錯体で、分子間振動遷移を解離限界すれすれまで観測した研究[2]などがあります。

[1] Mol. Phys. 108, 2289 (2010) Invited Article.

[2] J. Chem. Phys., 117, 7041-7050 (2002)

理学研究院

複合極限環境物性測定装置
試料を圧力セルに入れ、超伝導磁石内に配置することによって、複合極限環境下で物性を測定することができます。主に電気抵抗、熱膨張、磁気抵抗、ホール抵抗、磁化の測定を行っています。主に遍歴電子磁性体や希土類原子の価数揺動現象の解明を行っています。温度 1.5K～300K、圧力 2.5GPa、磁場 0～14T までの測定が可能です。

理学研究院

伊都地区

〒８１９－０３９５
福岡市西区元岡７４４
九州大学 低温センター
伊都地区センター

Tel &Fax: 092-802-3940
URL: https://www.ltc.kyushu-u.ac.jp

病院地区〒８１２－８５８２
福岡市東区馬出 3-1-1
九州大学
コラボステーション ２ 管理人室

Tel &Fax: 092-642-6883
URL: https://www.ltc.kyushu-u.ac.jp