極低温技術
窒素は-195.8℃（77.3K）以下で液体です。

物理学において、極低温学とは、 非常に低い温度における物質の生成と挙動のことです

第13回国際冷凍学会（IIR）国際冷凍会議（1971年ワシントンD.C.開催）では、「極低温」と「極低温」を従来の冷凍と区別するために120 K（-153 °C）を基準温度とすることで、「極低温」と「極低温」の普遍的な定義を承認しました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]これは論理的な境界線です。なぜなら、いわゆる永久気体（ヘリウム、水素、ネオン、窒素、酸素、通常の空気など）の通常の沸点は120 K未満であるのに対し、フロン冷媒、炭化水素、その他の一般的な冷媒の沸点は120 Kを超えるからです。[ 5 ] [ 6 ]

窒素の沸点をはるかに上回る臨界温度を持つ超伝導材料の発見は、高温極低温冷凍機を製造するための信頼性が高く低コストな方法への新たな関心を呼び起こした。「高温極低温」という用語は、液体窒素の沸点である-195.79℃（77.36 K; -320.42 °F）から-50℃（223 K; -58 °F）までの温度範囲を指す。 [ 7 ]超伝導特性の発見は、1908年7月10日にハイケ・カメルリング・オンネスが2 Kの温度に到達したことに始まるとされている。これらの最初の超伝導特性は、4.2 Kの水銀で観測された。[ 8 ]

極低温学者は、海面での水の凝固点を基準とする摂氏[9] [10]や、海面での特定の塩水溶液の凝固点を基準とする華氏[ 11 ] [ 12 ]などの一般的な温度スケールではなく、絶対零度を基準とするケルビン温度スケールやランキン温度スケールを使用する。

定義と区別

極低温技術

極低温（超低温、つまり123K以下）の研究、その生成方法、そしてその温度における材料の挙動に関する研究を含む工学の分野

低温生物学

低温が生物に及ぼす影響を研究する生物学の分野（ほとんどの場合、凍結保存を目的としています）。その他の応用としては、医薬品[ 13 ]成分や医薬品 の凍結乾燥（フリーズドライ）などがあります

動物遺伝資源の凍結保存

品種保存を目的とした遺伝物質の保存。遺伝物質の保存はヒト以外の生物に限らない。多くのサービスでは、遺伝子の保管や出生時の幹細胞の保存が行われている。これらは、細胞株の生成に関する研究や幹細胞治療に利用されることがある。[ 14 ]

凍結手術

極低温を用いて癌細胞などの組織を破壊・死滅させる手術分野。一般的にはクライオアブレーションと呼ばれます。[ 15 ]

極低温エレクトロニクス

極低温における電子現象の研究。例としては、超伝導や可変範囲ホッピングなど が挙げられます

クライオニクス

将来の蘇生を目的として人間や動物を冷凍保存すること。「クライオジェニックス」は、大衆文化や報道において「クライオニクス」の意味で誤って使用されることがあります。[ 16 ]

語源

極低温学（ cryogenics）という言葉は、ギリシャ語のκρύος（cryos）「冷たい」とγενής（genis）「生成する」 に由来しています

極低温流体

これは、コールドミラーと機器を必要とする赤外線宇宙望遠鏡の図です。機器の1つはさらに低温にする必要があり、極低温冷凍機を備えています。機器は領域1にあり、その極低温冷凍機は宇宙船のより暖かい領域である領域3にあります（MIRI（中間赤外線観測装置）またはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を参照）。

極低温流体の沸点はケルビン[ 17 ]と摂氏で表されます。

流体沸点（K）沸点（℃）
ヘリウム33.19−269.96
ヘリウム44.214−268.936
水素20.27−252.88
ネオン27.09−246.06
窒素77.09−196.06
空気78.8−194.35
フッ素85.24−187.91
アルゴン87.24−185.91
酸素90.18−182.97
メタン111.7−161.45
クリプトン119.93−153.415

産業用途

中型のデュワー瓶に、より大きな極低温貯蔵タンクから液体窒素が充填されています
極低温バルブのカタログ画像
凝縮した大気中の湿気によって極低温バルブが現場で凍結している

液体窒素や液体ヘリウムなどの液化ガスは、多くの極低温用途で使用されています。液体窒素は極低温において最も一般的に使用される元素であり、世界中で合法的に購入できます。液体ヘリウムもまた広く使用されており、到達可能な最低温度を実現できます。

これらの液体は、デュワーフラスコに保存されます。デュワーフラスコは二重壁の容器で、壁の間を高真空にすることで液体への熱伝導を抑えます。一般的な実験室用デュワーフラスコは球形でガラス製で、金属製の外側容器で保護されています。液体ヘリウムなどの極低温液体用のデュワーフラスコには、液体窒素が充填された別の二重壁容器が付いています。デュワーフラスコは、水素を初めて液化した発明者であるジェームズ・デュワーにちなんで名付けられました。魔法瓶は、保護ケースに収められた 小型の魔法瓶です。

極低温バーコードラベルは、これらの液体が入ったデュワー瓶にマークを付けるために使用されており、-195℃まで凍結しません。[ 18 ]

極低温移送ポンプは、極低温バルブと同様に、 LNG 船からLNG 貯蔵タンクに液化天然ガスを移送するためにLNG 埠頭で使用されるポンプです。

極低温処理

極低温処理の分野は、科学者が金属を低温に凍結させると耐摩耗性が向上することを発見した第二次世界大戦中に進歩しました。この極低温硬化の理論に基づき、1966年にビル・ブッシュとエド・ブッシュによって商業的な極低温処理産業が設立されました。熱処理産業での経験を持つブッシュ兄弟は、1966年にデトロイトにCryoTechという会社を設立しました。[ 19 ]ブッシュは当初、熱処理の代わりに極低温焼戻しを使用することで、金属工具の寿命を元の寿命の200%から400%まで延ばす可能性について実験しました。[ 20 ]これは1990年代後半に他の部品の処理へと発展しました

液体窒素などの極低温物質は、特殊な冷却および冷凍用途にも使用されます。人気のスタチン系薬剤の有効成分を生成する反応など、一部の化学反応は、約-100 °C（-148 °F）の低温で発生させる必要があります。特殊な極低温化学反応器を使用して反応熱を除去し、低温環境を提供します。食品やワクチンなどのバイオテクノロジー製品の冷凍には、急速冷凍システムや浸漬冷凍システムに窒素が必要です。特定の柔らかい材料や弾性材料は非常に低い温度では硬くなり脆くなるため、高温では簡単に粉砕できない一部の材料には極低温粉砕（クライオミリング）が選択肢となります。

極低温処理は熱処理の代替ではなく、加熱・焼入れ・焼戻しサイクルの延長です。通常、製品を焼入れする際の最終温度は室温です。これは、ほとんどの熱処理業者が冷却装置を備えていないことが唯一の理由です。室温は冶金学的に重要な意味を持ちません。極低温処理は、この作用を室温から-320°F（140°R、78K、-196°C）まで継続します。ほとんどの場合、極低温サイクルの後に焼戻し処理が行われます。すべての合金が同じ化学成分を持つわけではないため、焼戻し処理は材料の化学組成、熱履歴、および／または工具の特定の使用用途によって異なります。

全体のプロセスには3〜4日かかります。

燃料

極低温技術のもう一つの用途は、ロケット用の極低温燃料です。最も広く使用されている例としては液体水素があり、近年では液体メタンも普及し始めています。液体酸素（LOX）はさらに広く使用されていますが、燃料ではなく酸化剤として使用されます。NASAの主力機であるスペースシャトルは、軌道に乗るための主要な手段として極低温水素/酸素推進剤を使用していました。LOX は、ソビエト宇宙計画のためにセルゲイ・コロリョフが製造したロケットなど、非極低温炭化水素であるRP-1ケロシンと組み合わせて広く使用されています

ロシアの航空機メーカー、ツポレフは、人気の高いTu-154をベースに極低温燃料システムを搭載したTu-155を開発しました。この機体は液化天然ガス（LNG）と呼ばれる燃料を使用し、1989年に初飛行を行いました。[ 21 ]

その他のアプリケーション

超大型望遠鏡の天文機器には連続流冷却システムが装備されている。[ 22 ]

極低温技術のいくつかの応用例:

  • 核磁気共鳴（NMR）は、磁場中で核が吸収する無線周波数とそれに続く緩和を検出することで、原子の物理的および化学的特性を決定する最も一般的な方法の一つです。これは最も一般的に使用される特性評価技術の一つであり、多くの分野で応用されています。主に、強力な磁場は過冷却電磁石によって生成されますが、寒剤を必要としない分光計もあります。従来の超伝導ソレノイドでは、常圧で沸点が約4 Kである液体ヘリウムが内部コイルの冷却に使用されます。コイルの配線には安価な金属超伝導体を使用することができます。いわゆる高温超伝導化合物は、約77 Kで沸点を持つ液体窒素を使用することで超伝導を起こすことができます。
  • 磁気共鳴画像法（MRI）は、NMRの複雑な応用分野であり、共鳴の幾何学的形状をデコンボリューションし、強磁場中の高周波パルスによって摂動を受けた陽子の緩和を検出することで物体を画像化します。これは医療分野で最も一般的に使用されています。
  • 極低温電子顕微鏡法（クライオEM）は、タンパク質、細胞、その他の生物系の構造を解明するための構造生物学において広く用いられている手法です。試料は液体窒素で冷却された液体エタンなどの極低温物質に浸漬凍結され、その後、電子顕微鏡に挿入されて画像化される際に液体窒素温度に保たれます。電子顕微鏡自体も液体窒素で冷却されます。
  • 大都市では架空線による送電が困難なため、地中線が使用されています。しかし、地中線は発熱し、電線の抵抗が増大するため、電力の無駄が生じます。超伝導体は電力スループットの向上に活用できますが、送電量を増加させるには、特殊な合金を含むケーブルを冷却するために窒素やヘリウムなどの極低温液体が必要になります。この分野については、既に複数の実現可能性調査が実施されており、国際エネルギー機関（IEA）における合意の対象となっています。
ミシガン州イプシランティのスーパーマーケットにある極低温ガス配送トラック
  • 極低温ガスは、大量の冷凍食品の輸送と保管に使用されます。戦地や地震の被災地など、大量の食品を輸送する必要がある場合、長期間の保管が必要となるため、極低温冷凍が用いられます。また、極低温冷凍は大規模な食品加工産業にも役立ちます。
  • 多くの赤外線（前方監視赤外線）カメラでは、検出器を極低温で冷却する必要があります。
  • 特定の希少血液型は、血液銀行で -165°C などの低温で保管されます。
  • 液体窒素と二酸化炭素を使用した極低温技術がナイトクラブのエフェクト システムに組み込まれ、冷却効果と色付きのライトで照らすことができる白い霧を作り出します。
  • 極低温冷却は、製造工程における加工時に工具先端を冷却するために使用されます。これにより工具寿命が延びます。酸素は、鉄鋼製造工程においていくつかの重要な機能を果たすために使用されます。
  • 自動車やトラックのタイヤを液体窒素で凍結すると、ゴムは脆くなり、小さな粒子に砕くことができます。これらの粒子は、他の製品に再利用することができます。
  • スピントロニクスや磁気輸送特性などの特定の物理現象に関する実験的研究では、効果を観察するために極低温が必要です。
  • 特定のワクチンは極低温で保管する必要があります。例えば、ファイザー・ビオンテックのCOVID-19ワクチンは、 -90～-60℃（-130～-76℉）の温度で保管する必要があります。（コールドチェーン参照）[ 23 ]

制作

装置や材料の極低温冷却は、通常、液体窒素、液体ヘリウム、または高圧ヘリウムラインを使用する機械式冷凍機によって行われます。ギフォード・マクマホン冷凍機、パルスチューブ冷凍機、スターリング冷凍機は、必要なベース温度と冷却能力に基づいて選択され、広く使用されています。極低温技術における最新の進歩は、磁石を冷凍機だけでなく再生器としても利用することです。これらの装置は、磁気熱量効果と呼ばれる原理に基づいて動作します。

検出器

粒子を検出するために使用されるさまざまな極低温検出器があります。

30Kまでの極低温測定には、測温抵抗体（RTD）であるPt100センサーが使用されます。30K未満の温度では、精度を保つためにシリコンダイオードを使用する必要があります。

参照

参考文献

  1. ^国際冷凍辞典、 http://dictionary.iifiir.org/search.php、Wayback Machineに2019年10月1日アーカイブ
  2. ^ ASHRAE用語、 https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology。
  3. ^「極低温工学は通常、約120K未満の温度を扱う科学技術と定義されます[4, 5]が、本稿では厳密に120Kの定義に従うものではありません。」KD Timmerhaus、R. Reed著『極低温工学：5​​0年の進歩』Springer Science+Business Media LLC (2007)、第1章2節「極低温工学の始まり」、7ページ。
  4. ^ 「極低温について」。ケルビン温度の尺度で言えば、極低温領域はおよそ120 K（-153 C）以下の領域とみなされることが多い。
  5. ^ 「Pubchem の DICHLORODIFLUOROMETHANE」。
  6. ^ 「Pubchem のプロパン」。
  7. ^ JM Nash、1991、「高温極低温用の渦膨張装置」、第26回Intersociety Energy Conversion Engineering Conference Proceedings、第4巻、521〜525ページ。
  8. ^ Radebaugh, R. (2007), Timmerhaus, Klaus D.; Reed, Richard P. (eds.), "Historical Summary of Cryogenic Activity Prior to 1950", Cryogenic Engineering , International Cryogenics Monograph Series, New York, New York: Springer, pp.  3– 27, Bibcode : 2007cren.book....3R , doi : 10.1007/0-387-46896-x_1 , ISBN 978-0-387-46896-9{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）。
  9. ^セルシウス、アンダース (1742)「温度計における安定した2度に関する観察」、スウェーデン王立科学アカデミー紀要、 3 : 171–180 および図1
  10. ^ドン・リッター、ロナルド・A・ベイリー（2005年）：『化学百科事典。事実集』マンハッタン、ニューヨーク市、43ページ。
  11. ^華氏温度目盛り、ブリタニカ百科事典オンライン。2015年9月25日。
  12. ^ 「華氏：事実、歴史、変換式」Live Science . 2018年2月9日閲覧。
  13. ^エヴァンス、ニコール. 「低温生物学とは何か？」 . www.societyforcryobiology.org . 2023年11月27日閲覧。
  14. ^ Hunt, Charles (2011年4月3日). 「臨床応用のためのヒト幹細胞の凍結保存：レビュー」 .輸血医​​学・血液療法. 38 (2): 107– 123. doi : 10.1159/000326623 . PMC 3088734. PMID 21566712 .  
  15. ^ 「がん治療のための凍結療法」 NCI 2021年6月21日 2023年11月27日閲覧。
  16. ^ 「クライオニクスはクライオジェニックスと同じではない」アメリカ低温学会。2018年12月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年3月5日閲覧。
  17. ^ランドール・バロン、CRYOGENIC SYSTEMS、 McGraw-Hill Book Company。
  18. ^ Thermal, Timmy. 「極低温ラベル」 . MidcomData . 2014年8月11日閲覧。
  19. ^ガンツ、キャロル (2015). 『冷凍の歴史』 ジェファーソン、ノースカロライナ州: マクファーランド・アンド・カンパニー、p. 227. ISBN 978-0-7864-7687-9。
  20. ^ゾフリ、バフマン (2018). 「第1章 極低温技術」.極低温物理学：超低温現象. エルゼビア. p. 34. doi : 10.1016/C2017-0-01796-2 . ISBN 978-0-12-814519-7。
  21. ^ 「Tu-155 / Tu-156」 . www.globalsecurity.org . 2023年11月27日閲覧
  22. ^ 「ESO、冷却システムの技術移転ライセンス契約を締結」。2015年6月11日閲覧。
  23. ^ 「ファイザー・ビオンテック COVID-19ワクチンの保管とドライアイスの安全対策」ファイザー・ビオンテック. 2021年1月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年12月17日閲覧。

さらに詳しい情報

  • Haselden, GG (1971)、『極低温の基礎』、Academic Press、ニューヨーク、ISBN 0-12-330550-0。
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