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超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 15K13398
研究種目

挑戦的萌芽研究

配分区分基金
研究分野 応用物理学一般
研究機関東京大学

研究代表者

福山 寛  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00181298)

研究分担者 村川 智  東京大学, 低温センター, 准教授 (90432004)
戸田 亮  東京大学, 低温センター, 技術職員 (20452203)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2017年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード磁気冷凍 / 断熱消磁冷凍 / 超低温 / 熱スイッチ / 熱接触 / 磁気シールド / 磁気冷却 / 核磁気断熱消磁冷却 / ミリケルビン
研究成果の概要

絶対零度まで1/1000度の超低温度を連続的に発生できる新設計の断熱消磁型の冷凍機が実現可能であることを、詳細な熱および磁場計算を行うことで示した。磁気作業物質には、印可した外部磁場が原子核の位置で実効的に大きく増強されるPrNi5を使う。これを1テスラまでの比較的低い磁場を発生する小型の磁気シールド付超伝導電磁石に納めた二つの冷却ユニットを、二つの超伝導熱スイッチを介して、予冷用の希釈冷凍機と試料の間で直列接続する構成となっている。両ユニットの消磁と励磁を交互に繰り返すことで超低温を連続的に維持できる。これらの主要部品を開発し、設計通りの性能をもつことを確認した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

絶対零度まで1/1000度の超低温環境を連続的に発生できる小型の新型冷凍機が実現できることを数値計算で示し、そのための主要な要素技術の開発に成功した。この冷凍機が最終的に完成すれば、物質の新現象や新機能を探る温度範囲を大きく拡げ、熱雑音を減らして観測機器の感度を著しく向上できるので、物質科学や宇宙・素粒子研究などさまざまな基礎研究の分野で新たな発見につながると期待される。本研究でその技術革新が大きく現実に近づいた。

報告書

(5件)
  • 2018 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2017 実施状況報告書
  • 2016 実施状況報告書
  • 2015 実施状況報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 4件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Design and expected performance of a compact and continuous nuclear demagnetization refrigerator for sub-mK applications2018

    • 著者名/発表者名
      Toda Ryo、Murakawa Satoshi、Fukuyama Hiroshi
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 969 ページ: 012093-012093

    • DOI

      10.1088/1742-6596/969/1/012093

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書 2017 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Possible quantum liquid crystal phases of helium monolayers2016

    • 著者名/発表者名
      S. Nakamura, K. Matsui, T. Matsui, and H. Fukuyama
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 94 号: 18

    • DOI

      10.1103/physrevb.94.180501

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A Compact Rotating 1K Cryostat for Helium 4 Studies2016

    • 著者名/発表者名
      Takahiko Makiuchi, Satoshi Murakawa, Keiya Shirahama
    • 雑誌名

      Journal of Low Temperature Physics

      巻: Online 号: 5-6 ページ: 1-6

    • DOI

      10.1007/s10909-016-1709-3

    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 小型連続核断熱消磁冷凍機実現に向けた小型熱スイッチの開発2019

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、瀧本翔平、村川智、福山寛
    • 学会等名
      総合技術研究会2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 小型連続核断熱消磁冷凍機用超伝導マグネットの開発2019

    • 著者名/発表者名
      瀧本翔平、戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発 III2018

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、瀧本翔平、植松拓真、村川智、福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第73 回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Development of a Compact and Low Heat-dissipation Shielded Superconducting Magnet Usable at Sub-mK Temperature2018

    • 著者名/発表者名
      Shohei Takimoto, Ryo Toda, Satoshi Murakawa, and Hiroshi Fukuyama
    • 学会等名
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 小型超 低温連続冷凍システムの開発 II2018

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、瀧本翔平、植松祐真、村川智、福山寛
    • 学会等名
      2018 年度春季(第 96 回) 低温工学・超電導学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発III2018

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、瀧本翔平、植松拓真、村川智、福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発II2017

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第72回 年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府・豊中市)
    • 年月日
      2017-03-17
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] 小型超低温連続冷凍システムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      総合技術研究会2017東京大学
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 年月日
      2017-03-08
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] Compact nuclear demagnetization re- frigerator to keep a sub-mK temperature continu- ously - Design and expected performance2017

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Murakawa, Ryo Toda, and Hiroshi Fukuyama
    • 学会等名
      Inter- national Conference on Ultra Low Temperature Physics (ULT 2017)
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of compact and contin- uous nuclear demagnetization refrigerator2017

    • 著者名/発表者名
      Ryo Toda, Satoshi Murakawa, and Hiroshi Fukuyama
    • 学会等名
      28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 超小型サブミリケルビン連続冷凍システムの開発II2017

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 小型超低温連続冷凍システムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      総合技術研究会2017
    • 関連する報告書
      2017 実施状況報告書
  • [学会発表] 小型超低温連続冷凍システムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      第8回低温センター研究交流会
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] シアネートエステル樹脂の低温物性2016

    • 著者名/発表者名
      中村祥子、藤井武則、松川将治、片桐誠之、福山 寛
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] ”Development of Experiment for Direct Observation of Majorana Cone at Surface of Superfluid Helium Three B Phase2016

    • 著者名/発表者名
      S. Murakawa and K. Yoshida
    • 学会等名
      International Conference on Quantum Fluids and Solids (QFS2016)
    • 発表場所
      Prague (Czech Republic)
    • 年月日
      2016-08-11
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 小型超低温連続冷凍シス テムの開発I2016

    • 著者名/発表者名
      戸田亮、村川智、福山寛
    • 学会等名
      2016年度春季第93回春季低温工学・超電導学会
    • 発表場所
      タワーホール船堀(東京都・江戸川区)
    • 年月日
      2016-05-30
    • 関連する報告書
      2016 実施状況報告書
  • [学会発表] 小型超低温連続冷凍システムの開発 I2016

    • 著者名/発表者名
      戸田 亮, 村川 智, 福山 寛
    • 学会等名
      第93回低温工学・超電導学会
    • 発表場所
      タワーホール船橋(東京都・江戸川区)
    • 年月日
      2016-05-30
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] 低温センター共同利用部門紹介2016

    • 著者名/発表者名
      戸田 亮
    • 学会等名
      東京大学全学技術発表会
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 年月日
      2016-03-10
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [学会発表] 低温センター共同利用部門紹介2016

    • 著者名/発表者名
      戸田 亮
    • 学会等名
      第7回東京大学低温センター研究交流会
    • 発表場所
      東京大学(東京都・文京区)
    • 年月日
      2016-02-26
    • 関連する報告書
      2015 実施状況報告書
  • [備考] 小型超低温連続冷凍システムの開発

    • URL

      http://kelvin.phys.s.u-tokyo.ac.jp/files/CNDR_cssj_160509.pdf

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書 2017 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2015-04-16   更新日: 2020-03-30  

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