3He-4He希釈冷凍法

280px|thumb|相分離を示す液体 -の混合物の相図。およそ6.6%のを、は溶解することができる。（6.6%=0.066のグラフ上の位置は、左下の横軸上でのFermi liquidとFobidden regionの境界部分）
-希釈冷凍法（-きしゃくれいとうほう、）とは、ヘリウムの二つの同位体であるとをそれぞれ液化して、相に相を注いで希釈する際に生じる希釈熱を利用する冷却法である。液体ヘリウムの蒸発潜熱を使った冷却法では到達できない極低温領域における冷却法のひとつであり、さらなる低温を実現するための冷却法である。現在  以下の極低温を連続的に実現することができる唯一の方法である。

中へのの溶解度はおよそ6.6%である。極低温では、との蒸気圧は異なるので、溶媒であるの中から選択的にをより多く蒸発させる事ができる。それにより、中の濃度は低下するから、に引き続いてを溶解させることができるので、-混合液が潜熱を奪い続けることで、冷却を継続できる。蒸発させたは回収して液化させたのち、再びに溶解させて再度利用する。

 -希釈冷凍法の量子論的原理 
ヘリウム原子には、同位体としてとが存在するが、自然界ではが主である。はフェルミ粒子であり、はボース粒子である。は極低温で超流動を起こす。

との混合液は  以下で「多くのの中に少しのが混ざった希薄相（D相）」と「ほとんどがの濃厚相（C相）」とに相分離する。-希釈冷凍機で最も低温になる部分は混合器（mixing chamber）と呼ばれ、その中では図のように2相が接している。図でD相につながっているパイプの先は分溜器（still）とよばれる内部に熱交換器を持った部分につながっており、そこは約  に保たれている。 においてはの蒸気圧はほぼ零だが、の蒸気圧は有限であるため、だけを選択的に蒸発させることが出来る。するとD相の濃度が平衡状態よりも低くなり、はC相からD相へ向けて溶解する。このときC相とD相の間のエントロピー差を利用することによって混合液から熱を奪うことができるのである。このような操作により 程度の極低温を生成して維持することが可能である。

 関連項目 
 断熱消磁
 冷凍機
 低温物理学

 出典 


 《超流体 》/ (美)沈星揚著 (1982). - 北京: 科学出版社
 Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.

 外部リンク 
 4He循環型希釈冷凍機による超低温生成の研究 東北大学学位論文 1984, 846号, 

きしやくれいとうほう
Category:冷凍
Category:低温物理学