Miniature 3He cryostat for a SQUID magnetometer finally cooled down below 500 mK!

試行錯誤を続けていたSQUID磁束計用の超小型3He冷凍機の冷却実験がついに成功しました。九大の河江先生作で東大物性研にあった冷凍機でしたが、使える人がいなくなってしまって使われなくなっていました。それならばと、金沢に持って来てみたのですが、金沢大極低温実験室が所有するSQUID磁束計(MPMS)のモデルがとても古く、最低温度の2 Kを30分程度しか保てないものであったため、新たに色々と工夫をする必要がありました。まず、2 Kでは、温度を30分程度しか保てない一方で、3 Kでは、10時間近くも同じ温度を保てることが分かりました。そこで、3 Kに保たれたMPMS内の3He冷凍機にガスを加圧した状態で送り込み、液化させることにしました。3Heガスの液化温度は、大気圧ではおよそ3 Kになります。たまたま、転用させてもらっていた阿部先生作のガス制御システムが、高圧ガス仕様であったために、これが可能となりました。活性炭を充填させたdipstickを液体ヘリウムのベッセルに挿入し、全ての3Heガスを3Heガスタンクから吸着させます。その後に、体積の大きい3Heガスタンクへのバルブを閉じて、dipstickを室温に戻すことで、ガス制御システム内の3Heガスの圧力が大気圧近くまで上昇します。そのまま、MPMS内の3He冷凍機に送り込むことで、3 Kでも液化が可能になります。この方法で、これまで液化は成功していました。しかし、同じdipstickを使って、冷凍機内の液体3Heの蒸気圧を減圧しても、高圧ガス仕様のガス制御システムの配管がとても細いために、排気速度が足りなくて、1.4 K程度までしか冷却できないという状況で止まっていました。今回、新たにもう一つ蒸気圧減圧用のdip stickを冷凍機のすぐ近くに配置して、河江先生と一緒に実験を行いました。いつも通り、大気圧3 Kで液化させ(液化にはほんの数分しかかかりません!)、その後に、新しいdipstickで減圧すると、あっという間に500 mK以下まで冷却されました!ついに、ここまで来ましたね〜。後は、いくつか改良すべきところを改良して、どんどん試料を測定していきましょう!島村さん、輪島君、そしてご協力下さった皆様、本当にありがとうございます!

We finally succeeded to cooled down the miniature 3He cryostat for the SQUID magnetometer MPMS. The cryostat was built by Prof. Kawae (Kyushu University) and brought to ISSP by Dr. Sato who was a postdoc in the institute. However, after he left ISSP, no one was using the cryostat. So, we decided to use the cryostat in Kanazawa and brought that to Kanazawa last summer. However, we found a big problem with our MPMS in Kanazawa for this experiment. Our MPMS is a very old model and therefore it does not have the continues cooling function and the keeping time at 2 K, which is the minimum temperature of MPMS, is only 30 mins! This forced us to think about another solution to carry out the experiment. We immediately found that the keeping time at 3 K is sufficiently long; more than 10 hours. The condensation temperature of 3He gas at ambient pressure is about 3 K. If we could introduce 3He gas into the cryostat at ambient pressure, we have no problem to condense sufficient amount of 3He gas. Fortunately, the gas handling system we use is meant to be used at high pressure, originally made by Prof. Abe for 3He melting curve thermometer. But the pipes used in the gas handling system were too skinny to pump out 3He vapor pressure to reach below 500 mK. So, we prepare the rapid pumping function with a dipstick which is the small closed stainless tube filled with lots of charcoal. We could prepare all of them at the timing Prof. Kawae visited us and tried the system with him this time. The condensation at 3 K was very quick, which is just a few minutes. Immediately after cooled down the dipstick with liquid 4He, the temperature of the cryostat cooled down below 500 mK! We finally did it. Thanks a lot for your hard work, Dr. Shimamura and Wajima-kun and many people who helped us.

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