京都大学ELCAS(エルキャス)

実施レポート

[専修コース]低温物理学

理学研究科 物理学・宇宙物理学専攻 低温物理学研究室

2017年8月11日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • 実習の内容

    前日までの測定結果の解析を行い、解析結果をもとに発表内容についての検討を行った。おおまかな概要から、徐々に細部にわたる検討を行った。しかし、時間の都合で図の作成等は各自が自宅で行うことにして解散となった。

  • 低温0811-1白板で発表内容を検討している
  • 低温0811-2発表内容の検討
  • 低温0811-3コンピューターで資料を確認する

活動を通して学んだこと

  • 前回の実習で測定したデータをもとに、松原先生がまとめてくださった内容の確認、成果発表会で発表する内容、スライドの構成について話し合った。今となると私も少し低温物理学の知識も増えたが、発表会では殆どその知識を持っていない人がほとんどと思われる。はじめの頃の私の視点に立ってみるなどしてわかりやすいスライドになるように心がけることが大切だと感じた。
  • 松原先生が作ってくださったデータによると、2つ目から4つ目の共鳴周波数をそれぞれの序数で割るとちょうど1つ目の共鳴周波数に一致する、という結果が得られました。この時に先生が、「大学の三回生が第一音波で同じ実験をした時は、このように綺麗に一致せず、だいたいズレるねん、だからいつも今回のような結果が得られるとは限らへん」とおっしゃっていて、我々は幸運だったと感じたと共に、大学の三回生の方々が実験をしてもズレが生じる程精密な実験であるということを学びました。

2017年8月10日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • 実習の内容

    前日の測定結果に基いて、超流動ヘリウム4中の第2音波の共鳴周波数の温度依存性を測定した。朝9時に液体窒素の補給、液体ヘリウムの移送(トランスファー)を行った。減圧冷却法で4.2Kから温度を下げ、超流動転移温度(2.17K)付近から低温の領域で、第2音波の観測を行った。観測は1~4番のモードを追いかけながら測定を行い、最低到達温度(1.3K付近)まで測定を行った後、転移温度近傍の温度依存性を取り直すために温度を上げながら3番のモードの依存性を測定した。さらに、転移温度付近から温度をゆっくりと上げながら、2番、3番のモードの依存性を取って終了した。

  • 低温0810-1温度計のデータから温度を求めている
  • 低温0810-2第2音波の測定を行っている
  • 低温0810-3温度計のデータを取得

活動を通して学んだこと

  • 今回は2泊3日で、実習を行った。
    1日目はクライオスタットにセルを入れて冷却し、装置がうまく動くかどうかを確かめ、その後、パルスで熱を入れた時にどうなるのか試した。しかし、パルスとして熱は入るのだがノイズが多いこともあり、ハッキリと結果が出ることはなかった。2日目はパルスで実験するのをやめ、気柱の共鳴を利用して行う実験をした。こちらの実験でもノイズが多かったが、2ndをはじめ3rd、4thの共鳴の結果を得られた。大体の周波数を予想して熱を入れるのだが、なかなか見つからず、また温度の調整が難しかったため、苦戦した。3日目はひたすらデータをとっていった。一日中データをとった。途中からピークが見えるとすぐに温度を読むようにした。温度の変化によってピークの位置が変わったり4thかと思っていたら実は2ndの共鳴だったりした。とてもおもしろかった。
  • 今回は二泊三日の実習でした。初日は回路に不具合が生じ、予定以上に実習に時間がかかってしまいました。しかし松原先生は、物理の実験では一発でうまくいくことの方が珍しい、これが普通なのだ、とおっしゃられていました。私は実習一日目を通してつくづくそう思いました。幾度となく回路の部品を変え、回路のつなぎ方を変え、周辺機器を調節して、それだけで1日目が終わってしまったのですから。本当の目的である測定は2日目に持ち越されてしまいました。私は以前に準備をいかに丁寧に綿密に行ってきたかどうかで結果が決まる、ということを聞いたことがあります。私はこの言葉をこの実習で痛感しました。2日目は実際に液体ヘリウムをセルに満たし、第二音波のパルスを送る実験をしましたが、60ヘルツのノイズがどうしても取れず、次の実験に行かざるを得ませんでした。そこで第二音波の共鳴実験を行いました。これは、ノイズの影響が比較的少なく、気柱の共鳴が観測されて安心しました。しかし、パルスでノイズが邪魔をしていたにもかかわらず、共鳴実験でノイズの影響が気にならなくったという謎は解決できませんでした。これは考えてみたい課題です。3日目である今日は、朝から晩まで第二音波の温度依存性を調べ上げました。オシロスコープに表示される波形のわずかな変化を捉え、その時のあらゆるデータを記録していくという調べ方です。私はまさかここまで執念深く、細かく実験を行っていくとは予想していませんでした。今日の実験を通して、改めてこの実験の繊細さと実験に対する、真摯に粘り着くような姿勢が必要であることを学びました。

2017年8月9日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • 実習の内容

    前日に引き続き、液体ヘリウム4の超流動状態で第2音波の測定に挑戦した。液体ヘリウムをクライオスタットにトランスファーした後、減圧冷却法で液体ヘリウムの温度を下げて超流動状態にした。当初、前日と同様に熱パルスで第2音波を励起し温度素子で検出することを試みた。しかし、ノイズに阻まれて検出できなかった。S/N比を上げるべく熱パルスの電力を上げても追いつかなかった。ノイズを減らすように努めたが、残念ながら信号を検出するには至らなかった。そこで、ロックインアンプを使っ共鳴法での検出を試みた。共鳴法は、ロックインアンプで生成される交流を電流増幅回路を通して第2音波を連続的に励起し、セル内で第2音波を共鳴させて検出する手法であり、微細な信号を検出するのに適している。多くのパラメーターをいじって最適化することで、第2音波の信号を捉えることができた。1番から6番までの高調波を確認することができ、第2音波と確認できた。

  • 低温0809-1クライオスタットに液体ヘリウムを移送(トランスファー)している
  • 低温0809-2測定器をコンピューターで制御して測定を行っている
  • 低温0809-3測定結果から共鳴周波数などを求めている

2017年8月8日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • 実習の内容

    今回は、実際に超流動ヘリウム4中の第2音波を測定すべく、サンプルセルをクライオスタット(低温実験装置)にセットした。セット後、セル内のヒーターと温度計、セル外の温度計(3種)の配線のチェックを行い、液体窒素温度に冷却した。さらに液体ヘリウムを移送し、真空ポンプを用いた減圧冷却法で液体ヘリウム4の温度を下げ、超流動状態にした。超流動状態で熱パルスを用いた第2音波の測定(Time Of Flight 法)に挑戦した。しかし、音波検出用のCernox温度計に対するノイズが大きく、また、音波励起ヒーターへの電流供給用の増幅回路が故障したため、第2音波の検出には至らなかった。

  • 低温0808-1測定セルをクライオスタットにセットしている
  • 低温0808-2クライオスタット内の配線の固定をしている
  • 低温0808-3クライオスタットをデュワーにセットしている

2017年7月29日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    今回は、前回に引き続き、超流動ヘリウム4の第2音波用のセルのテストの準備を行った。前回、温度センサーを液体ヘリウム温度に直接浸してその温度変化を観測したが、今回、超流動状態での動作テストを行うべく、測定系を低温実験装置(クライオスタット)にセットした。その際、温度センサーから出ている微細配線が断線したため、配線の外部への取り出し方法を改善した。その作業に手間取ったため、超流動ヘリウム温度でのテストは行えてないが、次回こそ超流動ヘリウム温度でのテストを行う予定である。また、測定用のパルス発生回路や電流増幅回路の確認を行った。

  • 低温0729-1測定セルをクライオスタットにセットしている
  • 低温0729-2パルス発生回路でマイクロ秒長さのパルスのチェック中
  • 低温0729-3クライオスタットをデュワーにセットしている

活動を通して学んだこと

  • 今回の実習ではセルを軸と繋いだり、作っている実験装置の仕組みについて学んだりした。前回の実習で出てきた式の意味がわかって嬉しかった。低温状態の抵抗値を測定するときに他の部分で熱起電力が起こるため、それを消すような計算だった。計算問題で出てきそうなものではあったが、実際に使うことがあるとは驚いた。また何度か温度計の線が切れていたが、今回も先生方がしっかり対応してくださった。
  • 今回も前回に引き続き、セルの温度計側から出ている導線が切れかけました。そしてそれを修正するのに今日のほとんどの時間を割いてしまいました。というのも、その修正には極めて細い導線を用いなければならず、全神経を集中させる必要があったからです。前回、今回と測定機器の製作の難しさを痛感しました。また、今日人生で初めてと言っていいほどオシロスコープを触りました。今までオシロスコープを操作する機会があまりなかったので今日の体験は貴重でした。教科書では見るけれども実際に触れて、操作して、測定することは高校になって激減したと思います。ELCASではそんな机上の学習とは違い、実際に見て触って体感できる機会が与えられているので、改めてそのありがたさを感じました。

2017年7月22日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    今回は超流動ヘリウム4の第2音波用のセルのテストを行った。サンプルセルを液体ヘリウム4(LHe)温度に下げて、温度測定素子(Lake Shore社製 Cernox シリーズ、酸窒化ジルコニウム薄膜)がうまく働くことを確かめるべく、セルを簡易クライオスタットにセットした。しかし、セットする際に、温度センサーの配線が断裂してしまい、その復旧に時間を要した。最終的に温度センサーの値が、室温で 44.6 Ωだったものが、4.2 K で 624 Ωになることを確認した。この結果から、測定温度域 (2.17 K 以下) では、数キロΩになると予想された。次回は超流動ヘリウム温度でのテストを行う予定である。

  • 低温0722-1ニクロム線をキャピラリーに通している
  • 低温0722-2セルを簡易クライオスタットに固定している
  • 低温0722-3温度計の測定について説明を受けている

活動を通して学んだこと

  • 今回の実習では温度計をアンプにに繋ぎ、測定できるようにした。作業中にはどの同軸がどの線なのかわからなくなってしまったり、温度計の線が切れてしまったり順調だったとは言えなかった。そのときに対策を考え、松原先生の技術を見ることができ、いい経験になった。また、セルを液体ヘリウムに入れて値が変化していったときに、順調でなかった分、さらに嬉しかった。
  • 温度を測定するためのセルの導線が何らかの衝撃で切れてしまい、実験が振り出しに戻ってしまいました。科学の実験は本当に繊細に慎重に行わなければ全てが水の泡になるのだということを痛感しました。

2017年6月18日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    今回は超流動ヘリウム4の第2音波用のセルの作成を行った。サンプルセルは樹脂の円筒の両端に樹脂の蓋がある構造であり、一方の蓋にヒーター、他方に温度計をセットして温度はである第2音波を観測する。ヒーターは直径0.16mmのニクロム線を用い、温度計は酸窒化ジルコニウム薄膜の温度計センサー(Lake Shore社製 Cernox シリーズ)を用いた。共に微小サイズであり、工作には拡大鏡や顕微鏡が必要だった。セルが形になったので、次回超流動ヘリウム温度でのテストを行う予定である。

  • 樹脂(スタイキャスト)のパーツに穴を開ける作業
  • セルにヒーターをセット
  • 顕微鏡を見ながら温度計をセット

活動を通して学んだこと

  • 温度計の設置が想像以上に難しいことを知りました。そもそも温度計が小さいため、双眼実体顕微鏡を用いながらの作業であり、加えてその温度計にはんだ付けをするものであったので、先生も細心の注意を払って取り付けていらっしゃいました。
  • 今回の実習では前回設計したセルを実際に製作した。松原先生が事前に作ってくださった蓋や管に穴を開けたり、ニクロム線を付ける方法を考えたりした。樹脂で作った部品や、穴をあける際に油がたくさんついた部品を洗う超音波洗浄機や、管を作るときなどに使う機械など見たことのない道具を見ることができて興味深かった。
    私が担当した作業は温度計を蓋に付ける(練習)だった。第4音波の実験というだけあって、部品は全体的にミニサイズだった。温度計は普段見るような細長いものとは違って非常に小さく、顕微鏡を見ながらの作業だったため緊張した。温度計のどちらの面を接着するか、どの向きに付けるかなど実際に作るとなると考慮しなければいけないことがたくさんあった。練習用はなんとかついたが、先生が担当してくださったより小さい本番の温度計は大変つきにくそうだった

2017年6月3日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    今回は超流動ヘリウム4の第2音波の測定を行うための測定セルの設計について議論を行った。細部にわたり様々な意見が出たが、最終的にセル全体は熱伝導性の悪いエポキシ系樹脂であるスタイキャスト1266を用いることとした。検出部である温度センサは円筒の一方の端に設置し、ワニスで固定することにした。音波の発生源であるヒーターは細いニクロム線を用いることとした。次回、この設計に従って測定セルを組み上げる予定である。

  • 実体顕微鏡で微小温度センサを確認
  • 測定セルを設計するために計算を行っている
  • 白板を使ってセルの構造について議論している

活動を通して学んだこと

  • 今回のテーマはセルの計画をたてることだった。前回は既にできているセルを使って実験した。自分達だけで考えるのはできなかったが、実際にセルを作ったことがある先生方にたくさん指導していただいて設計することができた。設計する前は形を考えるだけだと思っていたが、実際はセルを何で作るか(第二音波では熱が振動するため、熱伝導等を考慮しなければならない)等も考えなければならなかった。
  • 超流動現象が観察されたのは「ヘリウム3」と「ヘリウム4」であるということはかなり以前から知識として知っていたのですが、ヘリウム3がフェルミ粒子で、ヘリウム4がボース粒子であるという点において、それら二つの「ヘリウム」と名の付く物質は明確に区別されるべき存在であるということは初めて知りました。それに加え、ボース粒子、フェルミ粒子というものについても、名前は知っていても具体的にどのような性質を持っているのかについては今日の授業を受けて初めて知りました。やはり、表面的に知識を蓄えていても全く意味はなく、先生から深く突っ込まれた時に的確に返答できて初めてその知識が意味を持つのだということを今日の授業を受けて改めて実感しました。

2017年5月28日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    今回は超流動ヘリウム4の第2音波の測定の基礎として、ロックインアンプを用いた測定を行った。まずロックインアンプの測定の原理について学習し、その後空気中の音波の共鳴測定を行って音速の導出を行った。さらに液体ヘリウムを用いて、温度降下により常流動ヘリウム4液体が超流動ヘリウム4に相転移する様子を観察したのち、超流動ヘリウム4中の第4音波での共鳴測定を行い、共鳴信号上の複数の音波モードや圧力発生/検出素子自体の共鳴モードの確認を行った。そのデータから超流動ヘリウム4の第4音波の音速の導出を行った。

  • コンピュータを制御して音波の共鳴を測定
  • 装置のスリットから超流動ヘリウム4を観察
  • 測定装置の説明を受けている

活動を通して学んだこと

  • 今回の実習では改めて第一音波を測定し、その後液体ヘリウムを使って第4音波を測定した。ピエゾ素子を使った第1音波の測定ではロックインアンプを使った。オシロスコープなどでは測定できない位相や周期を測定できる機械だった。セルの大きさと測定した音波の波長から(大体の)音速を出すことができた。
    第四音波の測定ではセルに微粒子を詰め、それを伝わる超流動速度を測定した。測定結果としては共鳴したときの振動の実軸方向のズレと虚軸方向のズレ、共鳴時の周波数を記録した。それによると第四音波の音速は170m/sとなり、貸していただいている冊子によると約1.9Kくらいだったと言える。
  • 測定結果が、必ずしも理論通りにいくとは限らず、多くの要因によって誤差を生み出してしまうということを改めて実感しました。

2017年5月13日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    前回学習した内容の復習を行った。その後、テーマに関連する項目として、音波についてより具体的に学習するために、音波の特徴や音速と波長の関連などについて学習をおこなった。その後、音速と波長の関係を体感するために室温での気柱の共鳴の実験をおこなった。まず共鳴管を準備するところから始めて、音響発振子や測定子からリード線の取り出しや、設置を行い、交流発振器で発生させた交流の振動数を変更しながら測定を行った。結果ははっきりと共鳴が見れず、その原因について考察を行った。

  • リード線のはんだ付けを行う
  • オシロスコープを使った信号の観測
  • 測定結果からグラフを作成

活動を通して学んだこと

  • 今回は低温での実験に向けて、まずは常温で共鳴管を作って実験をした。学校の授業で習ったり、問題で解いたりしたことはあったが、実際に実験できたのはとても嬉しかった。
    実験道具を作る過程では、なかなか丸い板と管の穴の大きさが合わなくて苦戦した。実験ではピエゾ素子を使って実験をした。顕著な結果が見られず残念だった。原因は板を削りすぎたことなのかもしれない。学校でやってきた失敗しようのない実験とは違って、試行錯誤するのも研究なのだろうと思った。

2017年4月15日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 理学研究科6号館308号室

  • 当日の講師

    松原 明 准教授

  • チューター

    福部 翔太

  • 実習の内容

    自己紹介を行ったのち、今後の日程の調整、連絡先の確認をおこなった。その後、論文を示して今回のテーマに関しての説明を行った。テーマは超流動ヘリウム4に関する物性測定ということで、第2音波の測定に挑戦することになった。より具体的な測定内容や測定装置に関しては次回検討することにした。テーマに関連し,超流動ヘリウム4についての講義を行った。講義の内容が高度なため一回では終わらず次回に継続となったため、テーマに関する復習を次回までの課題とした。その後、予備実験で使用予定の装置の他、実際の研究を行っている装置(回転冷凍機)の見学を行った。

  • 低温物理学_実習風景論文の内容についての紹介
  • 低温物理学_実習風景超流動ヘリウムに関する講義
  • 低温物理学_実習風景回転冷凍機の見学

活動を通して学んだこと

  • エントロピーとは乱雑さを表し、気体や液体は分子同士を入れ替えても同じであるようにエントロピーが大きい。同じように考えて固体はエントロピーが小さい。ヘリウムはT=0のときに液体ヘリウムⅡになる場合がある。しかしT=0のときにはエントロピーは0であるはず。そのときヘリウムは、液体ですべての粒子が揃った状態といえ、粒子同士の隙間が狭いため抵抗が少なくて、対流が起こらないため熱を素早く伝えるという性質を持つ。
    超流動ヘリウムといっても超流動体と常流動体の割合は温度によって変化する。第2音波は超流動体と常流動体がそれぞれ逆位相の振動を起こし、温度とエントロピーが波として伝わる。また、渦は第2音波を弱める。
  • 超流動という現象を完全に理解するのには大変多くの前提となる知識がいるということです。

平成29年度 実施レポート

年度別の実施レポート