断熱消磁（だんねつしょうじ）は極低温領域での冷却法の一つ。液体ヘリウムの蒸発潜熱や希釈冷凍（3He-4He希釈冷凍法）では冷やせない超低温の冷却が可能である。

原理と冷凍サイクル 断熱消磁冷凍機では、常磁性体を磁場中に置き、熱スイッチを介して液体ヘリウムなどの低温の熱浴に接続する。まず磁場を強めて磁性体から熱浴へ熱を逃がし、次に熱スイッチを開いて熱浴から切り離した状態で磁場を弱めると、磁性体の温度が下がる。冷却対象はこの磁性体に熱的に接続される。

低温に達した後も、流入する熱に応じて磁場を徐々に弱めることで、一定温度を維持できる。ただし単段の装置では周期的な再生が必要となる。複数段の冷凍機を組み合わせ、冷却と排熱を分担させる連続冷却方式も開発されている。

用途

極低温冷凍機 銅の核スピンを利用した核断熱消磁法では10T程度の磁場下で10mK程度まで冷却し、0.1mK以下の温度の生成が行われている。

宇宙観測装置 X線天文衛星XRISMの観測装置Resolveには、X線マイクロカロリメータを50ミリケルビンに冷却するため、NASAが開発した多段式断熱消磁冷凍機が搭載されている。予冷には液体ヘリウムと機械式冷凍機を組み合わせている。

液体水素製造 磁気冷凍は旧来の冷凍技術を超える効率の実現が可能であり、液体水素を低コストで製造できると期待されている。

ジュール=トムソン膨張を利用した旧来の気体冷凍技術では液化効率50%を超えることは困難とみられ、現状では液化効率は25%程度にとどまる。

圧縮機の不要な磁気冷凍では液化効率70%を目指せる。現状液化効率40%まで実証されている。

参考文献

脚注

関連項目

低温物理学 温度の比較