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希釈冷凍機
超低温（ ０．０５ Ｋ ＝ −２７３．１０ ℃ ）まで
温度を下げられる装置です。
4.2 K で沸騰する 4He と、 3.2 K で沸騰する 3Heを
利用します。 4He と 3He の混合ガスは液化した
さらに低温で相分離（ 希薄相、 濃厚相 ）を起こします。
この希薄相と濃厚相中における 3He のエントロピー
には差があり、 3He が濃厚相から希薄相に
移動するときに、 熱を奪って移動します。
真空ポンプを利用して、強制的に 3He を移動させる
ことで、温度が下がります。
（兵庫県立大学に所属していた時に、製作した希釈冷凍機です。 現在も寒剤となる液体ヘリウムを購入すれば
運転可能です。）
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前多雄大（兵庫県立大学平成２０年度修了生）
＆ 本山岳 製作
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希釈冷凍機の超低温を作りだす部分の写真と
その心臓部である混合器の内部の様子を模式的に
表した図です。
混合器 ( mixing chamber ) には流量を調整された
3He が常に循環 （ 供給 ・ 回収 ）しています。
供給は濃厚相に、 回収は希薄相からされます。
3He は内部エネルギーの小さい濃厚相から、 内部エネ
ルギーの大きい希薄相に移らなければいけません。
自身の熱エネルギーを内部エネルギーに変えて、
濃厚相から希薄相に移って行くことになります。
このとき、 全エネルギーは保存されていますが、
熱エネルギーに注目すると小さくなります、
つまり、温度が下がります。
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混合器がついていて、3He - 4He 混合ガスがあれば温度が下がるというわけではありません。
現実には、3He を供給するときに“熱”もいっしょに供給してしまいます。
この“熱”をいかに小さくできるかが希釈冷凍機の能力になります。
この役割を果たしているのが熱交換器 ( Heat Exchanger ) です。
これから混合相に供給されていく 3He の温度を、回収途中の最低温度に近い 3He で冷却します。
写真で紹介した熱交換器はチューブインチューブと言われるもっともシンプルな熱交換器です。
他にも、 1 K ポット ( 1 K pot ) 、分留器 ( still ) 、インピーダンス ( impedance ) と
呼ばれるそれぞれに役割を持った部品の協力によって、希釈冷凍機は絶対零度に近い温度まで、
温度を下げることが可能になっています。
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Motoyama lab., Shimane Univ.
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