液氦( 二 ) _生活百科

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氦气曾被用来当做热气球和飞艇的驱动力气球和飞艇氦气曾被用来当做热气球和飞艇的驱动力，氦气的密度要比空气小得多，所以如果往气球和飞艇里充入氦气，气球和飞艇会冉冉升起，让我们不用坐飞机也能实现飞到空中的梦想。因为氢气和空气混合后会爆炸，所以氢气球和氢气飞艇并不安全。氢气飞艇曾经被当做大型载人飞行器使用，但是在1937年德国的“兴登堡号”飞艇在美国着陆时不慎着火爆炸之后，它就彻底退出了历史舞台。不过，热气球和热气飞艇还是比较安全的，而且飞行一次的花费也比较便宜。人造空气潜水员常常要使用氦气和氧气混合而成的人造空气。这是因为在水下的高压环境下，氮气会溶解在血液中，当潜水员上浮的时候压力减小，血中的氮气便纷纷逸出，形成气泡堵塞血管，使潜水员患上极为难受的“减压症” 。氦气在高压下也难溶于水，所以用它来代替氮气就可以解决这个问题。不过如果我们没有氦气，我们还可以用氖气—它在高压下也难溶于水。保护气氦气在电焊、硅晶片生产中还可以用做保护气，它可以隔绝氧气，避免电焊工件、单质硅和氧气发生讨厌的化学反应。据美国政府有关部门统计，2000年美国消耗的所有氦气中，有18%用在了焊接上，还有16%用作其他工业的保护气。不过如果没有氦气，氩气一样可以出色地完成服务，而且还便宜得多。低温超导技术要说缺乏氦气最严重的后果，也无非是严重阻碍低温技术的套用，其中受到最大影响的就是低温超导技术了。现在已知所有的超导材料都要在-130℃以下的低温中才能表现出超导特性，其中套用最广泛的那几种（比如Nb3Sn）更是需要比液氢的沸点还低的转变温度，这时候只有液氦能比较简便地实现这样的极低温。虽然我们完全可以用别的办法实现同样的低温，但都不如液氦实惠。显然，假如我们没有氦，低温超导技术的普及就会受到严重的阻碍；低温超导技术如果不能普及，医院就会用不起核磁共振成像仪（它需要超导材料製造强磁场）。资源分布来源分布氦气最主要的来源不是空气，而是天然气。原来氦气在乾燥空气中含量极微，平均只有百万分之五，天然气中最高则可含7.5%的氦，是空气的一万五千倍。可是这种高氦的天然气矿藏并不多，因为天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产物。只有在天然气矿附近有铀矿时，氦气才能在天然气中汇集。

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氦液化器即使是氦气含量很低的天然气，也比空气中氦气含量高数万倍，因此仍是目前世界上氦气的主要来源。其中，美国氦气资源占50%以上，中国仅占0.2% 。天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产物。只有在天然气矿附近有铀矿时，氦气才能在天然气中汇集。美国生产的氦气要占世界总产量的80%以上。中国虽然也有一定的天然气资源，可是到目前为止，唯有四川自贡威远的气田曾得到提氦利用，其中的氦含量只有0.2%，而且现在已经枯竭。中国近年来对氦气的需求量越来越大。受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高，中国在需求上一直依赖进口。2007年，美国将氦气核定为战略物资而限制粗氦产量，导致全球液氦价格由原来60～80元/每升，上涨到目前200元/每升以上。昂贵的液氦价格，使研究工作难以广泛开展。专家预计，未来氦气进口将更加受制于人，届时可能会因为无液氦供应而使中国现有的许多涉及氦气和液氦的科研项目无法实施。三种途径解除氦危机最直接的办法就是节流。现在医院的核磁共振仪很多自身带有密闭性很好、防止蒸发的液氦装置，大大减少了液氦的需求量，先前的一些耗费液氦量大的仪器已经逐渐被淘汰。更多的科学家尝试用其他的製冷方式来代替液氦製冷。比如用无液氦的制冷机来达到超导磁体的工作温度。相对于液氦製冷，制冷机的氦需求量很低（用作制冷机的製冷气体），制冷机主要通过冷桥与磁体相连，採用的是热传导的製冷方式，而液氦主要是将磁体浸泡其中，对流製冷起很大作用。然而这种方法目前还没有真正用于医用核磁共振仪。有专家表示，液氦製冷的优势现在比较明显：製冷效果稳定，对于成像要求条件苛刻的医用设备，这点很重要。制冷机的稳定性不如液氦，容易受到扰动影响，这对精确成像是不利的。但他也表示，随着技术的进一步发展、成熟，制冷机代替液氦製冷也并非不可能。发展高温超导材料也是另一个可能的途径。2009年10月18日在合肥举行的国际磁体技术会议上，高温超导成为与会专家的热议话题。寻找优质的高温超导材料，让超导磁体能够在液氮甚至更高的温度下稳定工作，是核磁共振成像仪摆脱液氦的又一希望所在。氦液化器氦液化器，只能液化气态氦，不能凭空製造出氦。2010年中国採用五台G-M制冷机做冷源，成功研製出世界首台70升/天的4.2K G-M制冷机做冷源的小型氦液化器，其氦液化率达到73升/天（4.21K）、87升/天（4.5K）。经过对装置的真空绝热、输液管结构和运行参数的进一步最佳化，该装置近日运行测试，成功获得了95升/天（4.2K）、105升/天（4.5K）的氦液化率，这一指标达到了採用小型低温制冷机做冷源的同类小型氦液化装置的世界最好水平。该小型氦液化装置可完成氦气室温回收和液化，在确保磁体电流引线不受影响的同时，实现液氦的零加注，使重离子加速器的离子源在节约氦的同时可连续不间断运行，保证了大科学装置的运行时间。该技术还可套用于科研院所低温科学仪器的氦气回收和液化，有效降低科研成本；也可在医院的超导核磁谱仪中套用，降低医疗费用。研究历史在上世纪初的几十年里，世界各国都在寻找氦气资源，在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天，氦不仅用在飞行上，尖端科学研究，现代化工业技术，都离不开氦，而且用的常常是液态的氦，而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。在液态空气的温度下，氦和氖仍然是气体；在液态氢的温度下，氖变成了固体，可是氦仍然是气体。要冷到什幺程度，氦才会变成液体呢？英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年，荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃，在这样低的温度下，其他各种气体不仅变成液体，而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。1908年7月，卡美林·奥涅斯成功了，氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。要得到液态氢，必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度，然后让它膨胀，使温度进一步下降，氢气就变成了液体。液态氦是透明的容易流动的液体，就像打开了瓶塞的汽水一样，不断飞溅着小气泡。液态氦是一种与众不同的液体，它在零下269℃就沸腾了。在这样低的温度下，氢也变成了固体，千万不要使液态氦和空气接触，因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。多少年来，全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能製造液态氦。直到1934年，在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机，每小时可以製造4升液态氦。以后，液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和套用。在今天，液态氦在现代技术上得到了重要的套用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号，就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下，否则就不能收到图像。物理学家不仅仅得到了液态氦，还得到了固态氦，他们正在向绝对零度进军（物理学把零下273.15℃叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标，用K表示。0K就是-273.15℃，而273.15K就是0℃）。从理论上讲，绝对零度是达不到的，但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2K，液态氦的沸点是绝对温标4.2K 。在绝对温标2.18K的时候，氦Ⅰ变为氦Ⅱ 。1935年，利用“绝热去磁”法，使液态氦冷到绝对温标0.0034K；1957年，达到绝对温标0.00002K；目前已达到2.4×10-11K了。天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦，以后的命运又如何呢？他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恆星，中心温度达到几亿度。在这些恆星的核心，氢原子核已经都变成了氦原子核，氦原子核又相互碰撞，正在生成着碳原子核和氧原子核，同时放出大量的能。这类恆星橡心脏一样，一会儿膨胀，一会儿收缩，很有规律。为什幺会这样？这也是因为氦在起作用。天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值，有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。氦的历史并没有完，人类认识氦的历史也没有完，而我们这本讲氦的故事的小册子，却不得不结束了。要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢？是天文学家詹森和罗克耶吗？是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗？是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗？当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。很难说。在人类认识氦的历史上，他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素，但是发现它和认识它，是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利，决不是某一个人的力量能够完成的。科