GM 冷凍機予冷希釈冷凍機

前述のように希釈冷凍機は，³He−⁴He混合液の特性を利用した冷凍機であり，その運転の ためには4 K程度の温度まで予冷する必要がある．GM冷凍機とよばれる機械式冷凍機を予 冷に用いた希釈冷凍機は，液体⁴Heを消費せず長時間容易に極低温を保持できる．

4.3.1 GM ^{冷凍機の原理}

GM（Gifford−McMahon）サイクルは 1950 年代後半に開発された冷却サイクルであり，

GMサイクルを利用したGM冷凍機は，⁴Heガスの断熱膨張と圧縮により4 K程度の温度ま で冷却が可能である．図4.3および図4.4にそれぞれ模式的に表した GMサイクルおよびシ リンダー低温側の圧力と体積の関係を示す．GM冷凍機はシリンダーとシリンダー内を機械 的に往復運動するディスプレーサー，⁴Heガスの膨張圧縮を制御する圧縮機，蓄熱材から構成 される．シリンダー内のディスプレーサー上下の空間は蓄熱材を通して接続されている．GM 冷凍機は図4.3の(a)→(b)→(c)→(d)→(a)で示すサイクルで動作し，4 Kの温度を生成する．

(a) 圧縮動作

ディスプレーサーは最下部に位置し，圧縮機のバルブL^{を閉じ，バルブ}H^{を開く．このとき，}

高圧⁴Heガスがシリンダー室温（上）側および低温（下）側の空間に充填される．

(b) 吸気動作

圧縮機のバルブLを閉じ，バルブHを開いた状態のまま，ディスプレーサーを最上部まで引 き上げる．このとき，室温側の⁴Heガスは蓄熱材で冷却されて低温側へ移動する．冷却に伴い

4Heガス圧力が低下すると同時に，圧縮機から⁴Heガスが供給されるため，圧力変化はない．

(c) 膨張動作

バルブH^{を閉じ，バルブ}Lを開く．このとき，高圧⁴Heガスは圧縮機により排出され，圧力 が低下するとともにサイモン膨張により⁴He ガスの温度が低下し，シリンダーの低温側に低 温が生成される．

(d) 排気動作

圧縮機のバルブH ^{を閉じ，バルブ}Lを開いた状態のまま，ディスプレーサーを最下部まで押 し下げる．このとき，低温側の⁴Heガスは蓄熱材を冷却して室温部へ移動するため，次のサイ クルの高圧⁴Heガスを冷却できる状態となる．

(a) (b)

(d) (c)

圧縮機

バルブL 開

蓄熱材 シリンダー

ディスプレーサー 室温側

低温側 閉

バルブH

図4.3 GMサイクルの模式図

(a)

(b)

(d)

(c)

図4.4 GMサイクルにおけるシリンダー低温側の圧力と体積の関係

4.3.2 GM ^{冷凍機予冷}

He −

He ^{希釈冷凍機}

本研究で利用した，GM冷凍機を予冷に用いた希釈冷凍機の模式図，ガスハンドリングシス テムおよび写真をそれぞれ図4.5^，図4.6^および図4.7^に示す．

GM冷凍機は 2ステージで構成されており，第1ステージが約30 K，第2 ステージが約

5 Kの温度を保持する．断熱真空容器をターボ分子ポンプを用いて10⁻³ Pa程度まで真空引 きした後，循環ラインに³He−⁴He混合ガスを導入し，GM冷凍機を起動する．極低温ステー ジを4 K程度の温度まで冷却し，希釈冷凍機を起動する．室温部に設置したドライ真空ポンプ

（NeoDry30E^，Kashiyama）およびメタルベローズポンプ（MB-151^，IBS^{）より構成されるオ} イルフリーポンプシステムを用いて，分溜器の³He ガスを排気し，圧縮して希釈冷凍機内へ 戻すことで，ガスを循環させる．希釈冷凍機内に入った室温程度の循環ガスは，GM冷凍機の 2つのステージと熱交換し，十分冷却され，液化される．一般的な希釈冷凍機では，1Kポッ ト内の凝縮器で循環ガスを液化するが，GM冷凍機予冷による希釈冷凍機では，液体⁴He ^を 消費せず，JT（Joule−Thomson）インピーダンスにより液化する．JTインピーダンスでは，

循環ガスに140 kPa程度の圧力をかけ，JT膨張により循環ガスを液化する．液化された循環 液は2段直列に接続された混合器（MC1およびMC2），分溜器に入りポンプシステムに排気 される．さらに，液体窒素トラップ（LNT: Liquid Nitrogen Trap）により微量の不純物を除 去され，再び希釈冷凍機に戻される．冷却試料はMC2と接触するプレート（極低温ステージ）

に設置する．

図4.5 GM冷凍機を予冷に用いた希釈冷凍機の模式図

Pump V6 V12

V4

LNT V9

V7 V3

P2 P1

3He-⁴He Tank

DR DR

MFM

P3 V18 V11

V19 V10 V15

Compressor V5

図4.6 GM冷凍機を予冷に用いた希釈冷凍機のガスハンドリングシステム

希釈冷凍機 GM冷凍機

温度モニター ガスハンドリング

システム

図4.7 GM冷凍機予冷希釈冷凍機

GM 冷 凍 機 予 冷 希 釈 冷 凍 機 は ，GM 冷 凍 機 の 第 1 ス テ ー ジ と 第 2 ス テ ー ジ ，混 合 器 内 部 ，極 低 温 ス テ ー ジ の 4 箇 所 の 温 度 計 お よ び 混 合 器 に ヒ ー タ ー を 搭 載 し て い る ．本 研究においては，混合器内部の温度計の指示値を参考値として混合器のヒーターを PID

（Proportional−Integral−Differential）制御し，極低温ステージの温度を制御した．GM ^冷 凍機の第 1 ステージおよび第 2 ステージの温度測定には温度モニター（218 Temperature Monitor，LakeShore），混合器と極低温ステージの温度測定およびPID制御にはACレジス タンスブリッジ（370 AC Resistance Bridge，LakeShore）を利用した．