科普丨液态氦与超导体

首先给大家看个小视频：氦He 能形成超流体的最不活泼的元素。

随着工业技术的发展，19世纪初，科学家开始对气体液化进行研究。1845年，物理学家法拉第已经完成了大部分气体的液化，但氧、氮、氢、氦这几种气体的液化非常困难，所以，当时这些气体被称为“永久气体”。不过，从1887年到1898年，十多年间，氧、氮、氢均被科学家成功液化，但是氦的液化却依然是一个难题。

1908年7月10日，荷兰的莱顿实验室传来了好消息，物理学家海克·开默林-昂内斯成功地对氦气进行液化，温度点为4.2K（-268.95 ）。与此同时，开默林-昂内斯发现在这个温度点的金属汞电阻降为零，汞在4.2K的温度下，进入了一种全新的状态——超导态。后来，具备这种性质的物质被称为超导体。可以说，液态氦的制成开创了人类低温物理的新时代。

氦气液化后得到液氦，与其他低温液体相比，它的正常沸点最低，为4.2221K（约为-269 ）。问题来了，氦气从哪里来呢？目前美国是氦气储量最大的国家，得到氦气的办法就是靠钻天然气，然后把氦气从天然气中分离出来。氦气的液化并不是那么简单。氦气是最难液化的物质，很多科学家付出颇多努力最后都无功而返。要将氦气液化，需先将氦气温度降至50K（-223 ）以下，如果要提高液化率，温度也得达到15K（-258 ），可想而知氦气的液化是一个艰辛的过程，如此苛刻的条件使得氦气是继氧、氮、氕、氢等物质之后最后被液化的物质。

古人云，先难后获。由于液氦具有极低的临界温度，因此液氦是科研中制造超低温的“神器”。某些材料在特定温度下，会出现电阻为零的现象，这些材料被称为超导体。但是，特定的温度往往是低温，因此需要液氢、液氮、液氦等低温液体制造低温环境，而在这三种液体中，液氦的温度是最低的，这就意味着如果不考虑成本、实验条件等因素，液氦是这三种液体中最理想的，而且也能找到更多的超导材料。在超导技术的应用中，液氦也发挥了很大的作用。核磁共振成像仪和波谱仪、超导磁体中超导线圈的低温冷源往往都会用到液氦。

把一圈导线缠绕在特制的超导材料上，再将其放置在液氦中，冷却至4.2开尔文、甚至更低，便可达到超导体所需的特殊温度条件，再向线圈中通入高强度电流。目前最大的稳定磁场位于美国佛罗里达大学国家高强磁场实验室，由一块超导磁铁产生，磁场强度足足高达地球磁场的150万倍。

液氦对于我国在低温超导研究、半导体生产、卫星飞船发射、导d武器工业等领域的发展起到了极大的作用。而今天的中科院物理研究所超导国家重点实验室，仍旧使用液氦进行着超导研究，实验室的工作一直处于国际超导研究的前沿。

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氦是最不活泼的元素，而且极难液化。氦的应用主要是作为保护气体、气冷式核反应堆的工作流体和超低温冷冻剂等等。氦气在卫星飞船发射、导d武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要用途。 氦气最主要的来源不是空气，而是天然气。原来氦气在干燥空气中含量极微，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。

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。 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制冷方式来代替液氦制冷。比如用无液氦的制冷机来达到超导磁体的工作温度。相对于液氦制冷，制冷机的氦需求量很低（用作制冷机的制冷气体），制冷机主要通过冷桥与磁体相连，采用的是热传导的制冷方式，而液氦主要是将磁体浸泡其中，对流制冷起很大作用。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，液氦制冷的优势现在比较明显：制冷效果稳定，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，制冷机代替液氦制冷也并非不可能。

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。

氦气主要应用于以下行业：航天，潜水，充气球，电子（测漏），光纤。

1、航空航天

氦气广泛应用于航空航天和飞机制造业从制造到飞行的整个过程。太空飞行作业使用氦气净化氢气系统，地面和飞行流体系统将其用作增压剂。除此之外，氦气还用作气象和其他观测气球的升力源。

2、汽车及运输设备

氦气用于散热器换热器、空调组件、燃料箱和变矩器等重要汽车部件的测试，以确保其符合质量规范。此外，氦气还可与氩气配合使用，越来越多地用于安全气囊的充气 *** 作。

3、潜水

潜水时，通过结合使用氧气和氦气，可有效消除氮麻醉，减小深处呼吸阻力并缩短减压停顿时间。氦氧混合气能使潜水者在水中更深处停留更长时间。潜水越深，氦气浓度越高，潜水者便能下潜更深并实现更长的焊接时间。

4、电子

氦气在半导体、液晶面板和光纤线制造中起着重要作用，可实现零部件的快速冷却，从而提高生产率，还能控制热传递速率，以改善生产效率并减少缺陷；此外，氦气还可在生产过程中充当载运气体。

5、医疗保健

作为磁共振和核磁共振超导磁体的理想冷冻气体，氦气可实现-451华氏度的深冷温度，有效获取内脏器官和组织的高分辨率图像。

6、焊接及金属加工

氦气在电弧温度条件下的惰性使其成为铝、不锈钢、铜和镁合金等高导热性材料焊接的理想气体，还可用作热处理过程中的淬火气体以及熔炉气体，提升零件耐性和质量。

参考资料来源：百度百科-氦气

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