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氦气在很多工业应用上找不到更合适的替代品

氦气在很多工业应用上找不到更合适的替代品

分类:
新闻资讯
发布时间:
2020/02/19 16:04
氦对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言,氦气的作用都不可或缺。氦气最重要的用途还当数医学成像,尤其是磁共振成像技术(MRI),以及利用高强度磁场的核磁共振技术(NMR)。若不是因为氦气沸点极低,这些技术都不可能诞生。
 
氦是一种非常稳定的元素,具有极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒的特性,最关键的一点是,它的沸点低至4.2开尔文,即零下268℃,十分接近宇宙中的温度下限绝对零度, 是目前唯一具有这些特性、且能够为我们所用的物质。
高纯氦气
高纯氦气
氦原子核质量只有4,仅由两个质子和两个中子构成,是一种非常稳定的元素。氦最重要的特性包括:极难发生化学反应、不具有放射性、不可燃烧、无毒,最关键的一点是,它的沸点低至4.2开尔文,即零下268℃,十分接近宇宙中的温度下限——绝对零度。其他元素在该温度下都不可能保持液体状态。氦气是目前唯一一种具有这些特性、且能够为我们所用的物质。
 
氦很多工业应用根本找不到更合适的替代品。对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言,氦气的作用都不可或缺。然而,氦气最重要的用途还当数医学成像,尤其是磁共振成像技术(MRI),以及利用高强度磁场的核磁共振技术(NMR)。若不是因为氦气沸点极低,这些技术都不可能诞生。
 
超导体材料是磁共振和核磁共振设备的关键,而这些材料在4.2开尔文的温度下才能保持稳定。电子从材料中流过、产生电流时,大多数材料都会产生电阻,这对磁装置而言是一大问题。我们使用的每一样电子设备以及运输电力的所有基础设施都会因为电阻损失能量。
工业氦气
工业氦气
由于电阻的存在,很难用高强度电流产生高强磁场。然而超导体却不会阻碍电子的流动,因此能产生极强的磁场,可以进行高分辨率医学成像。但超导体材料要想发挥正常功能,就必须被放置在超低温环境中。这也正是液氦不可或缺的原因。
 
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。
 
科学家们会利用核磁共振技术分析实验室中发现的新材料的物理特性。有些材料后来被研发成了药品,如能够解决全球健康问题的新型抗生素;有些则被研发成了能够回收利用的绿色建筑材料。能源领域也取得了不少进步,研发出了更小、更便携、能量更高的电池,或可减少我们对碳燃料的依赖。但核磁共振技术目前仍需要大量液氦,这点在短时间内暂时无法改变。