札幌西高校見学会・講義（Aug. 4, 2022）

先端科学技術を支える物質 − ヘリウム − の不思議
低温科学研究センター

福山寛

１．ヘリウム元素
２．ヘリウムガスの性質と用途
３．先端研究を支える液体ヘリウムの不思議な性質
４．希少なヘリウム資源を大切に使う

参考文献

長岡洋介 著「極低温の世界」(科学ライブラリ、岩波書店)

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ヘリウム元素Ⓒ 日本化学会2

ヘリウム元素・原子量 (4) が自然界で2番目に小さい (原子直径も小さい)
4He, 14N , 16O , 54Xe
4He
22・希ガス原子で化学的に不活性
👉 非常に軽く不活性なガス
👉 熱をよく伝えるガス
👉 狭い隙間もすり抜けるガス
宇宙で２番目に大きな存在比

1802年、1814年、1868年（ピエール・ジャンサン）皆既日食時に太陽光スペクトルに暗線として発見
仮想元素「ヘリウム」
1882年、1895年（ウィリアム・ラムゼー）
鉱石から分離されて地上で発見され、実在が確定
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ヘリウムガスの用途（浮揚体）
気球

非常に軽く、安全な気体Ⓒ Space Perspective

風船

飛行船Ⓒ Zeppelin NTⒸ オリエンタルランド

4ヘリウムガスの用途（半導体産業）
光ファイバーの製造や半導体微細加工における冷却ガスやキャリアガス
シリコンウェハー冷却ガス

ヘリウム密封型大容量
ハードディスクドライブⒸ Fujikura

記憶容量 ＋50%
消費電力 ­25%

K. Kim, IJMET 9, 1106 (2018)Ⓒ amazon5（参考）気体分子運動論
m：分子の質量d ：分子の直径

気体の熱伝導率：

n ：分子数密度r ：気体の密度kB：ボルツマン定数

理想気体の比熱：

気体の粘性係数：（単原子分子の場合）

平均自由行程：（分子が他の分子と衝突するまでに進む距離）

窒素分子と水素分子のマックスウェル速度分布

散乱断面積：（分子の実効的な断面積）

f (v)

86 K

273 K
86 K

分子の平均速度：v (m/s)273 K

6低温になると、物質は粒子間引力のため状態変化 (相転移) する
液体固体

格子振動

気体

2分子間ポテンシャル
エネルギー: Upot (r)

冷却物質の状態相図(古典力学での)A： 斥力
B：平衡状態
C： 引力

2分子間の絶対零度

粒子が全て静止した
最低エネルギー状態

臨界点(Tc)

融解

圧力曲線

参考

三重点(Tt)

1気圧

固体

F = U − TS
液体

気体

蒸気線
凝固点(融点)沸点

U：内部エネルギー
S：エントロピー

線
圧曲

曲
昇華

0

ヘルムホルツの自由エネルギー
F を最小にするのが熱平衡状態

温度

低温では右辺第2項が小さいので、第1項のU が低い状態に移ろうとする。

7

液体寒剤（低温寒剤、液化ガス）の特徴▣ 極低温環境を容易に実現でき、冷却力が大きい (潜熱と顕熱)▣ 高密度貯蔵ができ (ガスの600〜700倍)、運搬も容易▣ 被冷却物との熱接触がよく、熱伝導率が高い (対流)液体窒素 (N2)メタン (CH4)

沸点 = 77 K (= ­196℃)
沸点 = 112 K (= ­161℃)
液体窒素（参考）ジュール ｰ トムソン冷却 (ガスの液化)多孔体で隔てた二つの空間A, Bの圧力がそれぞれ一定に保たれるよう(PA > PB) 実在気体を定常的に流すと、両空間の気体に温度差 (TA TB) がつく

A (PA,TA)

B (PB,TB)

ジュール ｰ トムソン効果

このとき、気体のエンタルピー
H (= U + pV) が一定に保たれる(株)東京ガス資料より

多孔体8

ヘリウムガスの用途（ロケット）
ロケット液体燃料の加圧・噴霧
液体酸素の沸点：90 K
液体水素の沸点：20 K
液体Heの沸点 ： 4.2 KⒸ インターステラテクノロジズ

9ヘリウム4の不思議な低温相図
実験室で扱える最も純粋で単純な物質
ヘリウム(4He)の状態相図• 零点振動が大きく、絶対零度でも固化しない
量子液体 (三重点の消失)⟶ 不純物は全て容器底に沈殿する• ラムダ点以下で超流動状態に相転移

量子力学でしか理解不能
ラムダ転移

ハイゼンベルクの不確定性原理：プランク定数K
：零点振動
エネルギー

減圧冷却
ラムダ点 (Tl = 2.17 K)で超流動転移粒子質量mが小さいほど量子的

Dx

T=010超流動4Heのスーパーリーク
http://qfs2018.sakura.ne.jp/kelvin/japanese/research/helium.html

粘性がなく、チョークの粉の非常に狭い隙間も流れる

粘性の消失は、壁表面と保存則を満たすエネルギーと運動量のやり取りができず、流れのエネルギーが減じないため

11超伝導現象（金属中の伝導電子の“超流動”）
超伝導の発見 (1911年4月)
金属の電気抵抗に関する異なる理論予想 (20世紀初頭)

1908年7月に初めてヘリウムの液化に成功したカマリン・オネス (オランダ) が、水銀試料を使ってTc = 4 Kで発見

温度 (K)予想 I
予想 II
予想 III

不純物で決まる残留抵抗極小点をもち、絶対零度では発散ゼロに近づく

電気抵抗 (W)

電気抵抗

ノーベル物理学賞(1913年)温度 (K)

12液体Heは超伝導マグネットの冷却に広く使われている
磁気共鳴イメージング (MRI)

リニアモーターカー

永久電流回路マグネット用直流電源

永久モード
スイッチ>
>
>
>
超伝導マグネット

液体He

NMR分析器from Varian社

超伝導マグネット
素粒子加速器 (CERN)

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3 He- 4 He希釈冷凍機が作るミリケルビンの世界

量子コンピュータ

宇宙マイクロ波背景輻射検出器Ⓒ IBM

当センターのミリケルビン量子プラットフォーム
10 mKの極低温で超伝導量子ビット研究ができる最先端の共同利用設備(PLANCK衛星)

ヨーロッパ宇宙機関 (ESA)2010-2013

マイクロ波検出の心臓部をT = 100 mKまで冷却

希釈冷凍機

焦点面ユニット

PLANCK衛星
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ヘリウムの国内需要と利用分野 (2018年)(社) 日本産業・医療ガス協会のデータを参考に作成

ヘリウムガス

7,850千m3

全ヘリウム 10,380千m3(ガス換算)

液体ヘリウム2,530千m3(ガス換算)※ ガス1 m3 は 液1.15 L に相当

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世界のヘリウムガス生産量 (2018年)コンテナ船で海上輸送

56.3%
90

29.2%

液体Heコンテナ(4万L)
MCS, US Geological Survey, Jan. 2019

Ø 天然ガスとともに地中から産する (a崩壊)。空気中にはほとんど含有されない。
Ø 日本は100%輸入に頼る稀少な天然資源
Ø うち75％を米国から、25％をカタールから輸入(2017年 財務省貿易統計)

全生産量

1億6千万m3/年(ガス換算)
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地下のヘリウムガス田 (米国Cliffside Field )ヘリウムの取り出しAnhydrite：

ガス/水接触 北・東側のキャップ(南・西側は地層の空孔率の違いでキャップ)

硬石膏 (CaSO4)

ヘリウムを閉じ込めるキャップ層

Brown Dolomite：
苦灰石 (CaMg(CO3)2) の一種

ヘリウムを溜め込む地層(空孔率10%)

石灰質層
NRC, “Selling the Nation's Helium Reserve” (Natl. Acad. Press, 2010)

ヘリウム (地中の天然ガスと混合) 純度0.1〜1%
数億年にわたって地中の放射性物質がアルファ崩壊して生成したヘリウムが、特別な地層に蓄えられたのがヘリウムガス田"&'"#$%"#%
Pb!"U → "He + !&Th ⋯ →(8 4He) 半減期：45億年"&$"#"""$%
Pb!&Th → "He + $$Ra ⋯ →(6 4He) 半減期：140億年“Bush Dome Reservoir”
枯渇した古いヘリウムガス田を天然の巨大貯槽として利用
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世界のヘリウム供給難 (2021年〜)

国内供給が20〜50%減！

原 因：・コロナ禍で海上輸送を中心としたサプライチェーンに多大な影響（コンテナ船の遅延、調達困難）
・米国ガス精製施設のトラブル
・シベリアの新ヘリウムプラントの立ち上げ不調（火災事故、政情不安）
18東京大学のヘリウムリサイクル事業
低温科学研究センターでは、本郷地区の3キャンパスで利用して蒸発したヘリウムガスを回収・再液化して、各研究室に液体ヘリウムを安定供給している。

約25万L/年を供給

液体ヘリウム貯槽

ヘリウム液化機
長尺ガスボンベ

トラック配送新型のHe液化機 (250L/h)と液体He貯槽 (8,000Ｌ)

低温科学研究センター
研究室＠各部局

地下回収配管網

ガス乾燥機
ガスホルダー

回収ガス圧縮機19