卒業論文
冷却性能向上を目指したsaltpillの製作
宇宙物理実験研究室
0041030
新妻周子
①本研究の目的
◎TES型マイクロカロリメータ
R (Ω)
X-ray
X線入射の際の微細な
温度変化をとらえる
吸収体
ΔR
TES
ΔT
T (K )
TES温度計・・・
超伝導遷移端にて
温度に対し大きな抵抗変化
◎極低温冷凍機
動作温度 ~100mK程度
無重力空間では
断熱消磁冷凍機のみ
実現可能
◎目標 カロリメータ導入
60mKを10時間保持
液体ヘリウム24時間保持
温度安定性DTrms=1μK
①本研究の目的
◎TES型マイクロカロリメータ
X線の入射エネルギーを温度上昇として測定
↓
極低温において、高いエネルギー分解能
このため、断熱消磁冷凍機(ADR)
が必要。動作温度は、~100mK。
◎目的
ADRの心臓部であるsaltpillの設計、
組み立て、および結晶作成。
①本研究の目的
ADRの構造
◎TES型マイクロカロリメータ
X線の入射エネルギーを温度上昇として測定
↓
極低温において、高いエネルギー分解能
このため、断熱消磁冷凍機(ADR)
が必要。最低到達温度は、~30mK。
◎研究内容
ADRの心臓部であるsaltpillの設計
および結晶作成。
Al
液体Heタンク
saltpill
detector table
②断熱消磁の冷却原理
ADR ---Adiabatic Demagnetization Refrigerator
エントロピー(J/K-mol)
◎極低温における常磁性体の磁気的相転移を利用
磁性体の 強磁性領域での
◎冷凍サイクル(FAAを例)
局在スピン スピン相互作用
0T
30mK
熱浴
0.08T
断熱
60mK保持
熱浴
3T
※到達温度
TH
TL 
b
BH
※磁気比熱
Cb 2
C M~ 2
T
強磁場
3K
熱平衡
熱浴
=b
C:キュリー定数
≫電子/格子比熱
②冷却原理
常磁性塩に磁場を与える。
B/T=B’/T’=const
磁性体の スピンがそろい、
局在スピン エントロピーが下がる。
エントロピー(J/K-mol)
◎冷凍サイクル(FAAを例)
30mK
0T
熱浴
0.08T
断熱
60mK保持
熱浴
3T
強磁場
3K
熱平衡
熱浴
その状態で断熱し、
磁場を取り去る。
左上の式に従って、
常磁性塩の温度が
下がる。
②冷却原理
常磁性塩に磁場を与える。
B/T=B’/T’=const
エントロピー(J/K-mol)
◎冷凍サイクル(FAAを例)
スピンがそろい、
エントロピーが下がる。
0T
その状態で断熱し、
磁場を取り去る。
0.08T
3T
3K
左上の式に従って、
常磁性塩の温度が
下がる。
③ADRデュワーの構造
○蒸気冷却方式 コンパクト化
○多層断熱 80枚Al蒸着フィルム
○7ℓ He tank 減圧してさらに低温に
ヒートスイッチ
稼働部
液体
ヘリウム
注入口
ガラスエポキシ
support shell
He
t
a
n
k
Al蒸着
フィルム
detector table
初段アンプ導入部 473mm
ヒートスイッチ
④ADR中心部の構造
◎saltpill --- 磁性体のカプセル
FAA(鉄ミョウバン) 89.8g(0.187mol)
220mm
◎超伝導マグネット
NbTi線 約4万turn max [email protected]
補償コイル 磁場を99%キャンセル
超伝導
マグネット
補償コイル
saltpill
detector table
X-ray
ケブラー
ワイヤー
⑤デュワー性能
◎蒸気冷却
液体ヘリウムの
蒸発ガスで
支持材料とshieldを
冷却
蒸発Heガス
注入口流入熱 ~20mW
支持材料その他の
流入熱 ~100mW
He tank
50K shield
150K shield
輻射熱 ~0.1mW
300K真空槽
◎冷却試験結果
4.2ℓ減圧液体ヘリウム
---1.7K
保持時間 --- 24hours
全流入熱理論計算値
~120mW
流入熱測定値-----~127mW
ほぼ計算値通り
⑥断熱消磁試験
(K)
heat switch
02/06/28 冷却試験
He tank top
detector table
① 等温磁化 ② 断熱消磁
エントロピー
ヒートスイッチ on
off
①
電流(mA)
②
温度
90mK
Time(min)
⑦冷凍サイクル
0:00 デュワー真空引き
4hours
4:00 液体窒素予冷
8hours
detector table 77K
12:00 液体ヘリウム予冷
3hours 4.2K
15:00 液体ヘリウム減圧
1.5hours 2.5K
16:30 等温磁化、断熱消磁
2hours
18:30 最低温度到達 ~100mK
BH
b
TL~constant
TH
= 600~650Gaussと測定
(15回の断熱消磁試験)
◎saltpillへの流入熱測定値
0.6~0.8μW(ほぼ設計通り)
◎極低温保持時間(熱負荷 1μW)
60mK --- 3.1hours
100mK --- 20.7hours
⑧温度制御
100mK以下において
DTrms ~3μKが実現可能
磁性体自身を、磁場を用いて制御
◎コイル電流の方程式(PID model)
i(t) = i(t-1) + P×(T-Tset) + I×Di + D×DT
ADRデュワー
PC
LabWindows
saltpill
電流源
KEITHLEY2400
GPIB
超伝導コイル
RuO2
ThermoMeter
抵抗ブリッジ
CryoCon 62
P, I, D : 制御パラメータ
i(t) : コイル出力電流
T
: 温度平均値
Tset : 設定温度
ΔT : 温度変化平均
Δi
: 電流変化平均
Dt
: 平均時間
Lab Windowsで
自動温度モニター、
電流制御
⑨温度制御試験
◎温度測定系のノイズ
DTrms =7.8μK相当(@100mK)
長期ランニング試験
2時間以上の制御で
大きなブレなし(02/11/23)
電流(mA)
Time(min)-Temp(mK)
100
DTrms =
13.5μK
@80mK
number
-1.1mA/s
Time(min)
79.96
20
80
80.04mK
number
パラメータをチューニング(03/01/19)
[email protected]
温度測定系のノイズが壁
70
70.03
70.06mK
⑩TES型カロリメータ導入試験
シャント
抵抗
TES
10kΩ
V
(max10V)
TESカロリメータを
マウント
SQUID
100mK
1.7K
◎TESバイアス回路図
素子 : SII-32(セイコーインスツルメンツ)
Ti/Au = 50/120nmの2層薄膜
転移温度138mK
2回の断熱消磁試験で60-65mKに正常に冷却できることを確認
TESカロリメータを超伝導遷移させることは成功
⑪ADRの現状と課題
◎デュワー性能 減圧液体ヘリウム温度 1.7K、保持時間~24hours
◎断熱消磁
消磁開始温度 ~3K、最大磁場 ~3T
100mK以下に到達を確認。
◎温度制御
[email protected]
◎TES型カロリメータ導入試験 冷却まではOK
◎課題
最低温度30mKを目指す、 温度安定性1mK以下
X線検出
◎将来目標 入射窓導入、X線ビームラインに接続
X線
ジェネレータ
X-ray
ADR
SQUID system
◎SII(セイコーインスツルメンツ)製
200 Serial SQUID Array Amp 使用
21mm
65mm
振幅130mV
Shieldを設計
自作のshieldにて
試験
1.7Kにて
測定モードに入ることを確認
ノイズパワースペクトル 3mV / Hz
磁気トラップによるノイズが大きい
横に倒しての冷却試験
※液体ヘリウム注入後、注入口が上になるよう倒す
最初のみ蒸発速度が増す
回数
no1.
no2.
消磁開始温度 最大磁場 到達温度 内部磁化 磁化時間 消磁時間
3.56K
2.04T
168mK
890Gauss 30min
25min
3.5K
2.65T
80mK
606Gauss 60min
40min
正常に冷却が可能。流入熱も変化なし
③改善点
今のところ最低到達温度は75mK
FFAの本来の
最低到達温度は30mK
30mKまでいかない一番の
要因は、saltpillの中の
結晶の状態にあると思われる。
③saltpillの作成
◎saltpillの条件
熱伝導性
--- 0.2mmφ金線160本
対強酸性、対極低温性 --- 内部はSUS,Au,アクリル
対圧性
--- 容器にSUSを採用
結晶を育てる構造--- パイプを2本使用
saltpill3号機の必要性
・1号機は、最低到達温度
30mKまでいかない
・2号機は、密封が不完全
・3号機
常磁性塩を変更
真空シール部の改良
④CrKミョウバンの結晶作成
◎最低到達温度(理論値)
鉄ミョウバン---約30mK
CrKミョウバン---約10mK
◎比熱
鉄ミョウバン>CrKミョウバン
KCr(SO4)2・12H2O --- 6.980g
蒸留水 --- 20g
温度(※) --- 27℃、30℃、32℃
<作成方法>
1、ビーカーに試料と蒸留水を入れ
一定の温度(※)で攪拌
2、上をろ過し、数日間放置
左記の方法で結晶が
約3.4g析出(30℃の場合)。
(必要量は約85g)
⑤現状報告と今後について
◎設計と組み立て
密封方法を改善したsaltpill 3号機を設計。
今後、実際に組み立て、saltpill内で結晶を育てる。
◎結晶
3.4gのCrKミョウバンが析出。
今後、攪拌時の温度、放置時の温度、
放置日数を変え、最適な条件を決定。
②saltpillについて
ADRの冷却原理
常磁性塩に磁場を与える。
◎saltpill
saltpillの仕事はdetector tableを
極低温状態にもっていくことであり、
この中に磁性体が入る。
スピンがそろい、
エントロピーが下がる。
その状態で断熱し、
磁場を取り去る。
ヒートスイッチ
超伝導マグネット
下の式に従って、
常磁性塩の温度が
下がる。
B/T=B’/T’=const
saltpill(1号機)
detector table
ADR中心部の構造
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