He-He希釈冷凍法（He-Heきしゃくれいとうほう、英:He/He dilution refrigerator|dilution refrigerator）とは、ヘリウムの同位体であるHeと通常のHeの、HeとHeの分離状態から、HeがHeへと希釈する際の潜熱を利用した冷却法である。極低温領域での冷却法のひとつ。液体ヘリウムによる蒸気冷凍を使った冷却では冷やせない、さらに低温の冷却を行う。現在100mK以下の極低温を連続的に生成する唯一の方法である。He中のHeの溶解量については、およそ6.6%のHeを、Heは溶解することができる。極低温では、HeとHeの蒸気圧がことなり、そのため、溶媒のHeの中から選択的にHeを蒸発させる事ができる。すると、He中のHe濃度が低下するので、Heは引き続きHeを溶解させることができ、He-He混合液が潜熱を奪い続けて、冷却をする。蒸発させたHeは回収し、液化させたのち、再びHeに溶解させて繰り返し使うことができる。ヘリウムには、HeとHeが同位体として存在しており、自然界ではHeが主体である。Heはフェルミ粒子であり、Heはボース粒子である。Heは極低温で超流動を起こす。ヘリウム3とヘリウム4の混合液は0.87K以下で「多くのヘリウム４の中に少しのヘリウム３が混ざった希薄相（D相）」と「ほとんどがヘリウム３の濃厚相（C相）」の２相に分離する。He-He希釈冷凍機で最も低温になる部分は混合器（mixing chamber）と呼ばれ、その中では図のように２相が接している。図でD相につながっているパイプの先は分溜器（still）とよばれる内部に熱交換器を持った部分につながっており、そこは約0.8Kに保たれている。0.8Kにおいてはヘリウム4の蒸気圧はほぼ0だが、ヘリウム3の蒸気圧は有限であるため、ヘリウム3を選択的に蒸発させることが出来る。するとD相のヘリウム3濃度が平衡状態より低くなり、ヘリウム3はC相からD相へ溶解する。このときC相とD相の間のエントロピー差を利用することによって混合液から熱を奪うことができるのである。このような操作により10mK程度の極低温を連続的に生成することが可能である。

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