高科技產(chǎn)業(yè)的不斷建立和相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展, 使氦這種性能*的物質(zhì)越來越多地應(yīng)用于科技和生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域, 人們對(duì)這種物質(zhì)也有了更多的了解。

氦和液氦

      氦元素的存在是由法國(guó)天文學(xué)家皮亞J. C. 詹森( Pierre J. C. Janssen) 于100多年前首先發(fā)現(xiàn)的。在1868年的一次日蝕期間, 他在研究太陽光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)了一條新的光譜線, 從而確定了一種新的物質(zhì)元素的存在并將其命名為“Helium”,中文譯為“氦”。此后的研究表明, 氦是一種物性奇特的元素, 它的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了世界科技的發(fā)展。自然界的氦實(shí)際上由原子質(zhì)量數(shù)為3和4的兩種穩(wěn)定同位素所組成, 可分別寫成氦3和氦4。

      大氣中的含氦量很低, 約有百萬分之五, 而氦3則更低, 不超過千萬分之一, 雖說可利用空氣液化技術(shù)可將氦分離出來, 但所花代價(jià)極大故不經(jīng)濟(jì)。而天然氣中的含氦量遠(yuǎn)高于大氣, 所以現(xiàn)時(shí)的商品氦均是采天然氣中提取。從天然氣中提取氦3也存在極大的技術(shù)難度, 直到五十年代初, 人們利用人工核反應(yīng)技術(shù)才得到稍多一些氦3, 故極為昂貴。與氦4相比, 氦3的含量可說是微不足道, 故常用的商品氦和液氦可以認(rèn)為就是氦4, 如無特別說明, 一般書籍或文獻(xiàn)資料上所說的“氦”,泛指的就是氦4。

      氦是一種無色、無味的惰性氣體。氦元素與任何其它已知的元素不起化合作用, 與其它各種氣體比較, 其水溶性。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下, 氦的密度是0. 01785千克/ 立方米, 比重是0. 14( 空氣= 1) , 單位重量?jī)H次于氫元素( 氫的密度是0. 08988千克/ 立方米) 。氦液化后得到的液態(tài)氦, 與其它各種低溫液體相比, 其正常沸點(diǎn)( 4. 2221K) 。對(duì)液氦本身的研究也發(fā)現(xiàn)其在一定的條件下與其它液體有著極不相同的奇異特性, 如流動(dòng)性、超熱導(dǎo)性及氦3與氦4相互滲透時(shí)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象( 人們利用這個(gè)特性制成稀釋致冷機(jī)用于1K 至毫K溫區(qū)的低溫研究工作) 等, 在此不作詳述。

      自發(fā)現(xiàn)氦元素的存在至最終將其液化而獲得液氦的過程長(zhǎng)達(dá)40年, 這是因?yàn)楹な亲铍y液化的物質(zhì), 它的臨界溫度和沸點(diǎn)是所有物質(zhì)中的, 其節(jié)流轉(zhuǎn)化溫度也很低( 約50K) , 這表明, 要將氦液化, 就必須先將氦的溫度降至50K 以下, 若要提高液化率, 還需將節(jié)流前的溫度降至15K 或更低。此外, 液氦的汽化潛熱值在各種低溫液體中也是的, 故氦的液化工藝對(duì)絕熱、換熱等技術(shù)條件及材料性能要求較高。

      經(jīng)多年不懈的努力, 隨著各種技術(shù)和工藝條件的不斷完善, 荷蘭物理學(xué)家卡麥林翁內(nèi)斯( Kamer ling h Onnes) 首先成功地將氦液化。這是繼氧、氮、氕、氫等物質(zhì)之后而最后被液化的物質(zhì), 其重大的意義在于人類在科學(xué)實(shí)踐的進(jìn)程中得到一種零度( 0 K , - 273. 15℃) 的低溫冷源, 它是進(jìn)行4. 2K 至接近零度溫區(qū)的極低溫研究工作的首要條件。卡麥林翁內(nèi)斯隨之利用液氦低溫條件開展某些材料的低溫物性研究, 并于1911年發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性這一奇特的現(xiàn)象。從此, 作為物理學(xué)重要分支的低溫物理學(xué)得到迅速的發(fā)展。

氦和液氦的應(yīng)用

      世界各國(guó)的天然氣資源中含氦量各不相同, 如我國(guó)一般只有千分之二, 而美國(guó)則得天獨(dú)厚地高達(dá)千分之十六, 故美國(guó)在氦的生產(chǎn)和貯運(yùn)、低溫研究及低溫技術(shù)等方面亦居世界先導(dǎo)地位, 同時(shí)也促進(jìn)其綜合科技水平的發(fā)展, 尤其是生產(chǎn)和貯運(yùn)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)集約化, 生產(chǎn)成本低而售價(jià)低, 因而得到較為普遍的使用, 甚至中學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)課也可用上液氦。

      美國(guó)至今仍是商品氦和液氦的主要出口國(guó)。除美國(guó)外, 許多國(guó)家( 包括我國(guó)) 的用氦單位, 尤其是用量較大的單位一般都設(shè)置回收系統(tǒng), 使之能作循環(huán)利用而提高經(jīng)濟(jì)效益。

      由于我國(guó)天然氣中的含氦量低, 故生產(chǎn)成本高, 售價(jià)昂貴, 嚴(yán)重地制約其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用及相應(yīng)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展。改革開放后, 高科技產(chǎn)業(yè)不斷地建立, 高科技設(shè)備不斷引進(jìn), 使氦和液氦的需求量不斷增大而導(dǎo)致進(jìn)口量迅速增加, 售價(jià)下降, 隨之也擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

      目前, 除了用于科研和核子工業(yè)等領(lǐng)域, 氦和液氦還用于超導(dǎo)電技術(shù)的應(yīng)用方面, 如作核磁共振成像儀和波譜儀超導(dǎo)磁體的低溫冷源及致冷機(jī)的工質(zhì)。氦還用于特種金屬的冶煉、合金材料的焊接保護(hù)、色譜分析、光學(xué)器件、示蹤儀器、電子工業(yè)和特殊容器與部件的加壓清洗用氣、以及用作潛水呼吸氣和氦質(zhì)譜檢漏的示蹤氣體等。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 空中廣告服務(wù)所用的氫氣( 氫是極為危險(xiǎn)的燃爆物質(zhì)) 將會(huì)逐步地被氦所取代。

循環(huán)利用的技術(shù)問題

      相對(duì)而言, 氦還是一種售價(jià)較高的商品, 這是受自然資源的客觀條件所決定的。對(duì)需要長(zhǎng)期地使用較大量的液氦和氦的設(shè)備或系統(tǒng)來說, 如核磁共振成像儀和用于綜合性空中服務(wù)的各種飛艇( 充氦量從幾十至上萬立方米) 設(shè)置回收系統(tǒng)是一種有利于提高經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。然而, 回收氦的純度一般只有90% ～99%, 要作循環(huán)利用必須予以再純化。