Transcript 口頭 - 大阪府立大学 宇宙物理学研究室

第10回受信機ワークショップ 2010/3/6 （国立天文台）
ＧＭ冷凍機の温度振動逓減
高知大理
西岡 孝
-----------共同研究者------------高知大 角田泰啓，沖殿圭祐
国立天文台 松尾宏
大阪府大 小川英夫
名古屋大 前澤裕之
-----------開発資金補助---------国立天文台共同開発研究
ＪＳＴシーズ発掘試験
目次
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序論
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本論
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重い電子系
高知大学方式3He GM冷凍機
国立天文台との共同開発とその影響
ＧＭ冷凍機の温度振動
高知大学方式3He GM冷凍機の温度のゆらぎ
冷却能力と温度振動
冷却能力の維持
温度振動の逓減
まとめと今後の開発
重い電子系の研究
希土類のCe, YbやアクチナイドのUを含む化合物
温
度
~10 K
超伝導
反強磁性
1K
0
数万気圧
圧力
• 極低温（１Ｋ以下）
• 超高圧（１万気圧以上）
極低温環境（名古屋大学 ｖｓ 高知大学）
名古屋大学
（～H16.3）
高知大学
（H16.4～）
液体窒素
～70 円/L
～200 円/L
液体ヘリウム
～350 円/L（大口）
～650 円/L（小口）
～3000 円/L （大口）
予算
～100 万円/年
～10 万円/年
実験可能日数
100 日以上/年
～2 日/年
山頂の環境？
GM 冷凍機
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長所
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比較的安価
簡単に低温(4 K程度)を実現
液体ヘリウム不要
短所
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
1K以下の物性測定が困難
冷却ヘッドの温度振動が大きい
目的：1 K以下の極低温環境の実現
GM冷凍機本体
高知大学方式3He GM冷凍機システム
4 K pot
1 K pot
3He
日本物理学会2007年秋
pot
高知大学方式3He冷凍機の発明以降の開発
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2007.3
2007.7
2008.1
2008.1.24
高知大学方式3He GM冷凍機特許出願
名古屋大学技術部小林さん，河合さん
名古屋大学STE研前澤さん
第8回受信機ワークショップ
「4KGM冷凍機を用いた1K以下の実現」
2008.1.30 国立天文台共同開発研究書類提出
小川先生，松尾さん
2008.4
採択通知（角田君の修士論文のテーマ）
2008.7.28
共同研究締結
2008.12
冷凍機入荷
2009.3
共同開発研究終了
2008.4 ~2010.3
角田君の修士論文のテーマとして冷凍機開発
高知大学に与えられた課題
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
間欠運転による完全無振動運転（前沢さん）
30分程度の維持は可能であるが、再び低温を
得るのに1時間程度要する
連続運転による温度振動の逓減（小川先生）
冷却能力を損ねずに温度振動はどのくらい逓
減できるか？
4Heのみで1 K以下(1mW@1K)（松尾さん）
3Heは高価であり、取り扱い面倒
テラヘルツカメラへの応用など
国立天文台との共同開発の影響
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JSTからの支援
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2008.11.7
2009.4.3
2010.1.19
2009.6
技術シーズ発表会
ＪＳＴ新技術発表会
地域発技術シーズ発表会inおおさか
シーズ発掘試験採択
大学内での影響
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
全学金工室の整備（学長裁量経費）
補正予算の順位の繰上げ（~5000万円のマグネット）
高知大学のインフラ整備
全学金工室
物理金工室
昭和37年般若鉄工所
~2009.3
2009.4~
GM冷凍機の温度振動

最低温度付近で ~ 200 mKの温度振動
2nd Stage
3He冷凍機の温度のゆらぎ
4th 3He-System Cooling Test (3He in) [11/04/2007]
1.488
0.485
1.486
0.484
1.484
0.483
T (K)
T (K)
4th 3He-System Cooling Test (3He in) [11/04/2007]
1.482
1.480
0.482
0.481
3
1K pot
1.478
27
28
29
30
31
32
Time (h)
0.480
25.5
26.0
26.5
27.0
He pot
27.5
28.0
Time (h)
Prg : gogo3He_fastest
File : gogo3He_11042007.dat
温度のゆらぎは 1 mK 以下
短時間では 0.2 mK 程度
物質の比熱
冷却能力と温度振動
2nd Stageへの熱流：
2nd Stage

Q

Q
  Kθ  θ  ･･･K：熱伝導
Q
0
  W  K(θ θ )  C dθ
W Q
0
dt
①
定常状態(dθ/dt=0) では，
温度差：Δθ∝1/K
また，温度振動(時間当たりの温度変化)は
温度振動：dθ/dt∝K/C
Test pot
•熱伝導(K)を良くし，さらに熱容量(C)を大きくすることによって，
冷却能力を維持しつつ温度振動の逓減が可能
冷却能力の維持
2nd Stage
Test pot


接触面にInを挟む
Test potを銅で造る
熱容量の増加
実験方法



銅製 Test pot使用
4Heガスなどをコンデンス
He Gas等

振動逓減の様子を見る
Test pot
ヘリウムガスによる温度振動逓減

4Heガスの液化量によって振
動が逓減

一定量以上の液化しても温
度振動は変化しない


4 K pot：1/10以下
3He pot：1/100
その他，温度振動の逓減

H2は測定温度領域によっては適切か。
まとめ

温度振動の逓減


冷却能力をある程度犠牲にしていい場合（~1/100）
熱的に切り離したポットにヘリウムを液化
冷却能力を維持する場合 (~1/10)
銅製の容器の中に熱容量の大きな材料を入れる
例）ヘリウム（４Ｋ以下），水素（２０Ｋ以下），鉛（１０Ｋ以上）
今後の開発
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4Heのみを用いた1K以下の冷却システム
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

3Heの価格が高騰（1年で20倍以上）
ミリ波・サブミリ波・テラヘルツ波へ
物性測定システムの開発（ヘリウム液化機からの開放）