超流動ヘリウムにおける極限温度で観測される異常熱輸送問題の解消

• 研究課題/領域番号: 20K04930
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分24010:航空宇宙工学関連
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 高田 卓 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (30578109)
• 研究分担者: 岡村 崇弘 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (90415042) ; 濱口 真司 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (00311209)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 超流動ヘリウム / 超低温 / ラムダ点 / 実効的熱伝導率 / 極小流路 / ラムダ転移温度

研究開始時の研究の概要

超流動ヘリウムにおける常流動成分と超流動成分の比が極端である1.3K以下、およびラムダ点近傍の飽和超流動ヘリウムについて実験的研究を展開する。これによって、既存理論や既存の相関式の拡張、修正を行うのが目標となる。実験環境には精緻な圧力コントロールを可能にした排気系を用いるほか、超流動乱流の特徴的なサイズ効果を明らかにするために細線やキャピラリーといった幾何学形状においての熱流動現象について注目して実験を進める。

研究実績の概要

1.4K以下の超流動ヘリウムにおける熱伝導測定については、実験装置の不具合（コールドリーク）や液体ヘリウム供給体制の不具合（ヘリウム液化機の為の冷却水蒸発器の故障）、超低温を実現する減圧する為の大型ロータリーポンプのバルブ故障などが相次いで起きたため、成果を上げることが出来なかった。一方で、ラムダ温度近傍の異常沸騰熱伝達にせまる課題においては、極細線のマンガニンヒータを用いた実験を小型のガラスデュワを使用して実施した。その結果、ラムダ点の極近傍の数ミリケルビンという狭い温度帯においてこれまで知られていなかった沸騰様相の変化、沸騰熱伝達率の変化を観測・発見することに成功した。これまで、微小重力落下棟における沸騰実験においてのみラムダ点近傍の沸騰様相の異常が見つかっていたが、地上実験でもラムダ点近傍では超流動ヘリウム沸騰の中でも特異な振る舞いをすることが発見された。しかしながら、微小重力落下棟で発見された沸騰熱伝達率の異常な増大が見られたわけではなく、沸騰モード変化、僅かな沸騰熱伝達率の上昇が見られただけである微小重力下と地上重力下の比較において、なぜこのような違いが現れるのかについては未だ結論を得ていない。また、ガラスデュワのスリットから可視化観測した沸騰様相の変化や熱伝達率測定のデータを比較しながら、これまで近似的に扱われていた理論式の見直しなどを組み合わせて本現象への理解に挑戦を続けている。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

本研究は、液体ヘリウムを使った実験をする必要があるが、所属機関の液体ヘリウム供給体制、液化機の為の冷却水塔故障、超流動ヘリウムの生成する為の大型ロータリーポンプのゲートバルブ故障など、様々な基盤的な設備・体制の不具合のタイミングが立て続けに起こり、満足に実験回数を重ねることが出来なかった。また、実験装置についてもコールドリーク等の不具合もあり予定の実験回数に至らなかった。

今後の研究の推進方策

遅延理由が液体ヘリウム供給体制の不具合等の実験基盤に多くの原因があり、成果が2023年度末に出始めたものの成果発表に至らなかった。そのため、延長期間である2024年度は2023年度の実験結果をまとめ直し成果発表を行うと共に、実験データの補完を進め論文発表へと歩みを進める。