超伝導重力計 超微細温度（0.1mK）・圧力制御ソリューション

超低重力実験装置では、液体ヘリウムプールの温度を一定に保つことが要求される。0.1mK以下の変動幅を達成するためには、空気圧制御の変動幅を10Pa以下にすることが必要である。このため、本稿では、超電導重力計における対応する技術方式に焦点を当てる。その中心的な内容は、バッファタンクの空気圧の精密制御を実現することである。双方向制御モードを採用し、1/10,000の精度の空気圧センサー、電子ニードルバルブ、PIDコントローラーが使用される。

1.質問
超電導重力機器には、重力信号を精密に測定するための超電導重力計と超電導重力グラジオメーターがある。

超伝導重力機器は低温で極めて微弱な信号を測定する必要があるため、一定の低温、つまり液体ヘリウムプールの温度変動が0.1mK以内であることが強く要求されている。

超電導重力機器における液体ヘリウムプールの温度制御は、液体ヘリウムプール内の空気圧を制御することで高精度に達するが、そのためには空気圧の測定と制御を非常に高いレベルにする必要がある。この論文では、超伝導重力計の液体ヘリウムセル内の空気圧を高精度に制御するための対応策を提案する。このソリューションの利点は、液体ヘリウムプールの温度制御精度が、主に圧力センサーの精度に影響されることである。超高精度の圧力センサーを選択し、精密数値制御ニードルバルブと高精度PIDコントローラーによる下流側のポンプ流量制御モードを採用した。液体ヘリウム温度の変動を0.1mK以内に安定的に制御することができます。

2.技術スキーム
超伝導重力計における液体ヘリウム温度の精密制御原理は、液体ヘリウムの飽和蒸気圧と対応する温度との関係に基づいている。液体ヘリウムの飽和蒸気圧と温度の対応関係から、液体ヘリウムの温度は4K程度に制御する必要があり、温度変動は0.1mK以下であることが必要である。液体ヘリウムの上限圧力を 100kPa 程度に制御する場合、その圧力変動は 10Pa 以下とする。

上記の空気圧制御精度を達成するために、本稿で特に超電導重力機器において提案する技術的解決策には、以下のような側面がある。

(1) 液体ヘリウムプール上部の空気圧制御は、密閉容器内の圧力制御として抽出することができる。密閉容器の圧力制御には、バッファータンクを追加する必要があり、バッファータンクの圧力制御を経て、液体ヘリウムプールの圧力制御に到達する。液体ヘリウムプールの圧力制御に到達するシステムで、その構造は図1の通りである。

(2) バッファタンクの圧力制御は、吸気と排気の流量を調整して制御する上流と下流の2方向制御モードを採用しました。

(3) 制御システム全体は、バッファータンク、空気圧センサー、PIDコントローラー、デジタルニードル弁、真空ポンプで構成されています。

(4) 気圧を 100kPa で制御し、その変動幅を 10 Pa 以下とする必要がある場合、気圧の計測・制御は 10/100k=0.0001（1 万分の1）の精度が必要であり、万分の1の精度の気圧計と PID コントローラを装備することが必要である。

つまり、今回紹介した技術ソリューションの制御精度は、主に空気圧センサーとPIDコントローラーの精度によって制限される。ステッピングモーターで駆動する小流量の電子ニードルバルブと組み合わせることで、高精度のセンサーとコントローラーを介して超電導重力計に到達することができます。液体ヘリウム温度を精密に制御し、温度変動を0.1mK以内に抑えることができ、外部環境温度の変化に影響されない。
比例流量制御弁の詳細については、以下をご覧ください。
https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve.htm