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对付成像要求前提苛刻的医用设施
点击数:次     发表时间: 2019-09-15

  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,所以若是往气球飞艇里充入氦气,气球和飞艇会冉冉升起,让我们不消坐飞机也能实现飞到空中的胡想。由于氢气和空气夹杂后会爆炸,所以氢气球和氢气飞艇并不平安。氢气飞艇已经被当做大型载人飞翔器利用,可是正在1937年的“兴登堡号”飞艇正在美国着陆时不慎着火爆炸之后,它就完全退出了汗青舞台。不外,热气球和热气飞艇仍是比力平安的,并且飞翔一次的破费也比力廉价。

  天文学家还研究了内氢的含量和氦的含量的比值。按照这个比值,有人估算了的春秋有一二百亿年。

  英国物理学家杜瓦正在1898年起首获得了液态氢。就正在统一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也获得了液态氢。液态氢的沸点是零下253℃,正在如许低的温度下,其他各类气体不只变成液体,并且都变成了固体。只要氦是最初一个不愿变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。

  正在2.18K时会有较着的性质改变,如获得超流性,被称做He II,来取通俗的液氦(He I)区别开。

  要问正在发觉氦和研究氦的汗青上谁的功绩最大呢?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?是发现分光镜的本生取基尔霍夫吗?当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功绩。

  几多年来,全世界只要荷兰卡美林·奥涅斯的尝试室能制制液态氦。曲到1934年,正在英国卢瑟福那里进修的前苏联科学家卡比查发了然新型的液氦机,每小时能够制制4升液态氦。当前,液态氦才正在的尝试室中获得普遍的研究和使用。

  高贵的液氦价钱,使研究工为难以普遍开展。专家估计,将来氦气进口将愈加受制于人,届时可能会由于无液氦供应而使中国现有的很多涉及氦气和液氦的科研项目无法实施。

  2007年,美国将氦气审定为计谋物资而粗氦产量,导致全球液氦价钱由本来60~80元/每升,上涨到目前200元/每升以上。

  物理学家不只仅获得了液态氦,还获得了固态氦,他们正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暗示。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,可是能够不竭接近它。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。正在绝对温标2.18K的时候,氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年,操纵“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

  2.2℃(25个大气压),沸点-268.785℃;密度0.1785千克/升,临界温度-267.8℃,临界压力2.26大气压;水中消融度8.61厘米/千克水。氦是独一不克不及正在尺度大气压下固化的物质。液态氦正在温度下降至2.18K时(HeⅡ),性质发生突变,成为一种超流体,能沿容器壁向上流动,热传导性为铜的800倍;其比热容、概况张力、压缩性都是反常的。

  天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产品。只要正在天然气矿附近有铀矿时,氦气才能正在天然气中汇集。美国出产的氦气要占世界总产量的80%以上。

  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,当前的命运又若何呢?他们发觉间有一些比太阳更火热的恒星,核心温度达到几亿度。正在这些恒星的焦点,氢原子核曾经都变成了氦原子核,氦原子核又彼此碰撞,正正在生成着碳原子核和氧原子核,同时放出大量的能。这类恒星橡心净一样,一会儿膨缩,一会儿收缩,很有纪律。为什么会如许?这也是由于氦正在起感化。

  要获得液态氢,必需先把氢气压缩而且冷却到液态空气的温度,然后让它膨缩,使温度进一步下降,氢气就变成了液体。

  很难说。正在人类认识氦的汗青上,他们都有着本人的贡献。氦仅仅是一种元素,可是发觉它和认识它,是很多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的配合胜利,决不是某一小我的力量可以或许完成的。

  2010年中国采用五台G-M制冷机做冷源,成功研制出生避世界首台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)。颠末对安拆的实空绝热、输液管布局和运转参数的进一步优化,该安拆近日运转测试,成功获得了95升/天(4.2K)、105升/天(4.5K)的氦液化率,这一目标达到了采用小型低温制冷机做冷源的同类小型氦液化安拆的世界最好程度。

  潜水员常常要利用氦气和氧气夹杂而成的人制空气。这是由于正在水下的高压下,氮气会消融正在血液中,当潜水员上浮的时候压力减小,血中的氮气便纷纷逸出,构成气泡堵塞血管,使潜水员患上极为难受的“减压症”。氦气正在高压下也难溶于水,所以用它来取代氮气就能够处理这个问题。不外若是我们没有氦气,我们还能够用氖气—它正在高压下也难溶于水。

  该小型氦液化安拆可完成氦气室温收受接管和液化,正在确保磁体电流引线不受影响的同时,实现液氦的零加注,使沉离子加快器离子源正在节约氦的同时可持续不间断运转,了大科学安拆的运转时间。该手艺还可使用于科研院所低温科学仪器的氦气收受接管和液化,无效降低科研成本;也可正在病院的超导核磁谱仪中使用,降低医疗费用。

  要说缺乏氦气最严沉的后果,也无非是严沉障碍低温手艺的使用,此中遭到最大影响的就是低温超导手艺了。现正在已知所有的超导材料都要正在-130℃以下的低温中才能表示出超导特征,此中使用最普遍的那几种(好比Nb3Sn)更是需要比液氢的沸点还低的改变温度,这时候只要液氦能比力简洁地实现如许的极低温。虽然我们完全能够用此外法子实现同样的低温,但都不如液氦实惠。明显,假如我们没有氦,低温超导手艺的普及就会遭到严沉的障碍;低温超导手艺若是不克不及普及,病院就会用不起核磁共振成像仪(它需要超导材料制制强)。

  HeⅠ具有通俗流体的导热率,因此当减小压强时,液氦呈现激烈的沸腾现象。HeⅡ的导热率要比HeⅠ超出跨越106倍,比铜超出跨越104倍。当温度越过λ点,HeⅠ改变为HeⅡ时,液氦从很坏的热导体俄然变为到目前为止最好的热导体。因为HeⅡ的导热率与众不同地高,其内部不成能呈现温差,因此内部不成能汽化,即不克不及沸腾。当操纵抽气方式减低蒸气压时,起头阶段呈现激烈的沸腾,温度降低至λ点以下时,HeⅠ改变为HeⅡ,沸腾俄然遏制,液面安静如镜,汽化只发生正在液面。一般流体的导热率取温度梯度无关,纯粹是反映物质性质的量,但HeⅡ的导热率却取温度梯度以至容器的几何外形相关。

  中国虽然也有必然的天然气资本,可是到目前为止,唯有四川内江威远的气田曾获得提氦操纵,此中的氦含量只要0.2%,并且现正在曾经干涸。

  更多的科学家测验考试用其他的制冷体例来取代液氦制冷。好比用无液氦的制冷机来达到超导磁体的工做温度。相对于液氦制冷,制冷机的氦需求量很低(用做制冷机的制寒气体),制冷机次要通过冷桥磁体相连,采用的是热传导的制冷体例,而液氦次要是将磁体浸泡此中,对流制冷起很大感化。然而这种方式目前还没有实正用于医用核磁共振仪。有专家暗示,液氦制冷的劣势现正在比力较着:制冷结果不变,对于成像要求前提苛刻的医用设备,这点很主要。制冷机的不变性不如液氦,容易遭到扰动影响,这对切确成像是晦气的。但他也暗示,跟着手艺的进一步成长、成熟,制冷机取代液氦制冷也并非不成能。

  氦膜任何取HeⅡ接触的器壁上笼盖一层液膜,液膜中只包含无粘畅性的超流体成分,称为氦膜。氦膜的存正在使液氦能沿器壁向尽可能低的挪动。将空的烧杯部门地浸于HeⅡ中时,烧杯外的液氦将沿烧杯外壁爬上杯口,并进入杯内,曲至杯内和杯外液面持平。反之,将盛有液氦的烧杯提出液氦面时,杯内液氦将沿器壁不竭转移到杯外并滴下。液氦的这种转移的速度取液面高度差、程长短和障壁高度无关。

  通俗液氦是一种很易流动的无色液体,其概况张力极小,折射率和气体差不多,因此不易看到它。液态4He包罗性质分歧的两个相,别离称为HeⅠ和HeⅡ,正在两个相之间的改变温度处,液氦的密度、电容率和比热容均呈现反常的增大。两个液相HeⅠ和HeⅡ间的改变温度称为λ点,饱和蒸气压下的λ点为2.172K,压强添加时,λ点移向较低的温度,两个液相的相变曲线为一曲线,称为λ线。

  气体、气冷式核反映堆的工做流体和超低温冷冻剂等等。氦气正在卫星飞船发射、导弹兵器工业、低温超导研究、半导体出产等方面具有主要用处。

  液态氦是一种异乎寻常的液体,它正在零下269℃就沸腾了。正在如许低的温度下,氢也变成了固体,万万不要使液态氦和空气接触,由于空气会立即正在液态氦的概况上冻结成一层坚硬的盖子。

  3He是4He的同位素,正在天然氦中所占比例小于10-7,通过人工核反映可得脚够数量的3He.3He的临界温度和临界压强别离为3.34K和1.17大气压。取4He一样,正在常压下液态3He不会固化,正在绝对零度附近需加34个大气压才能固化。1972年,D.D.奥舍罗夫等人正在2mK低温下发觉了两个3He的液态新相,别离称为3He-A和3He-B,它们均为超流态。液态3He和4He正在0.87K以上温度时完全互溶,正在该温度以下则分手成两相,按3He所占比例的几多别离称为浓相(含3He较多)和稀相(含3He较少),浓相浮于稀相之上(因3He比4He轻)。3He原子从浓相通过界面进入稀相时要吸热,这就是稀释致冷机的工做道理(见超低温手艺)。3He原子的电子总自旋为零,核自旋为1/2,故取电子一样属费米子,恪守费米-狄拉克统计,液态3He称为费米液体,一般态的液态3He的性质可用朗道的费米液体理论描述。

  氦气正在电焊硅晶片出产中还能够用做气,它能够氧气,避免电焊工件、单质硅和氧气发生厌恶的化学反映。据美国相关部分统计,2000年美国耗损的所有氦气中,有18%用正在了焊接上,还有16%用做其他工业的气。不外若是没有氦气,氩气一样能够超卓地完成办事,并且还廉价得多。

  中国近年来对氦气的需求量越来越大。受制于氦气资本匮乏、提取氦气的成本较高,中国正在需求上一曲依赖进口。

  即便是氦气含量很低的天然气,也比空气中氦气含量高数万倍,因而仍是目宿世界上氦气的次要来历。此中,美国氦气资本占50%以上,中国仅占0.2%。

  1908年7月,卡美林·奥涅斯成功了,氦气变成了液体。他第一次获得了320立方厘米的液态氦。

  氦单质正在极低温度下由气态氦改变为液态氦。因为氦原子间的彼此感化(范德华力)和原子质量都很小,很难液化,更难凝固。富同位素4He的气液相变曲线的临界温度和临界压强别离为5.20K和2.26大气压,一个尺度大气压下的温度为4.215K.正在常压下,温度从临界温度下降至绝对零度时,氦一直连结为液态,不会凝固,只要正在大于25大气压时才呈现固态。

  通俗流体中的声波是由密度交替变化构成的,称密度波。1941年朗道成长了量子液体的流体动力学,预言正在HeⅡ中除通俗密度波(称第一声波)外,还存正在另一种声波,它是由液氦中超流成分(低熵,温度较低)取一般流体成分(高熵,温度较高)的相对活动构成的,称为温度波或熵波(第二声波)。尝试了温度波的存正在。

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  最间接的法子就是节省。现正在病院的核磁共振仪良多本身带有密闭性很好、防止蒸发的液氦安拆,大大削减了液氦的需求量,先前的一些花费液氦量大的仪器曾经逐步被裁减。

  正在上世纪初的几十年里,世界都正在寻找氦气资本,正在其时次要是为了充飞艇。可是到了今天,氦不只用正在飞翔上,尖端科学研究,现代化工业手艺,都离不开氦,并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范畴——低温世界。

  热效应包罗机-热和热-机两种效应。盛有液氦的两个容器用极细的毛细管C连通,注入液氦,温度低于λ点,左侧液面高于左侧,构成压强差Δp.液氦中低熵超流成分能从左侧通过毛细管转移到左侧,而高熵的一般成分不克不及通过毛细管。这导致左侧液氦的熵添加,左侧的熵削减,这意味着左侧温度升高而左侧温度降低。这种由机械力惹起的热量迁徙称为机-热效应。机-热效应的逆过程称为热-机效应。左侧液氦受热后(吸热Q),低熵的超流成分削减,左侧液氦中的超流成分通过毛细管流向左侧,而一般成分不克不及通过毛细管,这导致左侧液面升高构成压强差。热-机效应的“喷泉”安拆。带毛细管喷嘴的无底玻璃管的填充金刚砂粉末P,用棉花C塞住底部,浸入液氦中。用光映照玻璃管,使管内的液氦温度升高,超流成分激发成一般成分。管外的超流成分通过棉花塞向管内转移,构成表里压强差,液氦从喷嘴喷出。

  超流动性通俗液体的粘畅度随温度的下降而增高,取此分歧,HeⅠ的粘畅度正在温度下降到2.6K摆布时,几乎取温度无关,其数值约为3×10-6帕秒,比通俗液体的粘畅度小得多。正在2.6K以下,HeⅠ的粘畅度随温度的降低而敏捷下降。HeⅡ的粘畅度正在λ点以下的温度时立即降至很是小的值(10-12帕秒),这种几乎没有粘畅性的特征称为超流动性。用粗细分歧的毛细管做尝试时,发觉流管愈细,超流动性就愈较着,正在曲径小于10-5厘米的流管中,流速取压强差和流管长度几乎无关,而仅取决于温度,流动时不损耗动能。

  氦的汗青并没有完,人类认识氦的汗青也没有完,而我们这本讲氦的故事的小,却不得不竣事了。

  对HeⅡ性质的理论研究起首由F.伦敦做出。4He原子是自旋为整数的玻色子,伦敦把HeⅡ当作是由玻色子构成的玻色气体,恪守玻色统计纪律,玻色统计答应分歧粒子处于统一量子态中。伦敦证了然存正在一个临界温度Tc,当温度低于Tc时,一些粒子会同时处于零点振动能形态(即基态),称为凝结,温度愈低,凝结到零点振动能形态的粒子数就愈多,正在绝对零度时,全数粒子都凝结到零点振动能形态,以上现象称为玻色-爱因斯坦凝结。L.蒂萨认为HeⅡ的超流动性起因于玻色-爱因斯坦凝结。因为已凝结到基态的HeⅡ原子具有最低的零点振动能,故有极大的平均程,可以或许几乎无障碍地通过极细的毛细管。蒂萨起首提出二流体型,后来L.D.朗道批改和弥补了此模子。二流体模子认为HeⅡ由两部门的、可互相渗入的流体构成,一种是处于基态的凝结部门,熵等于零,无粘畅性,是超流体;另一种是处于激发态(未凝结)的一般流体,熵不等于零,有粘畅性。两种流体的密度之和等于HeⅡ的总密度,温度降至λ点时,一般流体起头部门地改变为超流体,温度愈低,超流体的密度愈大,而一般流体的密度则愈小,正在绝对零度时,所有原子都处于凝结形态,全数流体均为超流体。操纵这个二流体模子可注释关于液氦的很多力学和热学性质。

  氦气最次要的来历不是空气,而是天然气。本来氦气正在干燥空气中含量极微,平均只要百万分之五,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,由于天然气中的氦气是铀之类的放射性元素衰变的产品。只要正在天然气矿附近有铀矿时,氦气才能正在天然气中汇集。

  液氦正在一个大气压下密度为0.125 g/mL。氦有两种天然同位素:氦3、氦4,天然界中存正在的氦根基上满是氦4。

  正在今天,液态氦正在现代手艺上获得了主要的使用。例如要领受飞船发来的传实照片或领受卫星转播的电视信号,就必需用液态氦。领受天线结尾的参量放大器要连结正在液氦的低温下,不然就不克不及收到图像。

  成长高温超导材料也是另一个可能的路子。2009年10月18日正在合肥举行的国际磁体手艺会议上,高温超导成为取会专家的热议话题。寻找优良的高温超导材料,让超导磁体可以或许正在液氮以至更高的温度下不变工做,是核磁共振成像仪脱节液氦的又一但愿所正在。

 
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