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    氦氣在工業中的應用(二)

    2010-1-30 11:44:00

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    (三)在電光源中的應用
    氦、氖、和汞蒸氣混合可用于充填磷光管。對于低壓放電管,在清潔的玻璃管內,氦產生白黃色的光,氦-氬產生橙色光。氖與氬-氦按不同比例混合,充入各種濾光玻璃管,可制成絢麗多彩的霓虹燈(字模顯示燈)。激光技術廣泛應用氦族氣體。氖-氦連續激光器廣泛應用于功率僅為零點幾瓦應用中。貴重氣體離子激光器以非常高的功率密度和在很寬廣的頻率范圍內操作。二氧化碳激光器是普通連續激光器中功率最強和效率最高的,激發氣體是氦和二氧化碳的混合物。
    (四)氦在電光源中的應用
    電子工業中,氦氣的最大應用是半導體器件的生產。起始材料,超純半導體的單晶體,如硅和鍺共熔體生長的過程利用氦既用為保護氣又作為傳熱介質。只有非常純的惰性氣體(一般要求純度為99.999%~99.999 99%)才可以保證極高的晶體純度。惰性氣體氦還用做摻雜氣(如砷化氫和磷化氫)的稀釋氣和載氣,摻雜氣在半導體器中用來生成N結和P結。
    在某些高壓電子管轉換開關和調整管中也要用到氦。氦-氬混合氣在電子元件封裝等工藝過程所需的微件焊接中用做保護氣。用氦氣作半導體生產過程的運載氣體,可以安全地將揮發性物質或氣體混合物從發生源輸送到擴散爐管或反應器的工作室。
    (五)氦在低溫工程中的應用
    作為低溫工作介質的氣體不僅受到它的沸點和冰點的限制,同時還必須考慮價格和安全性。
    由于氦的化學惰性,它在除極低溫度外的所有溫度下都接近理想氣體行為,且單位質量的熱容量高,黏度低和熱導率高等特性,所以氣氦通常被用做封閉循環低溫制冷機的工作介質。
    在氫的三相點溫度13.80K以下,僅有氦作為稠密的流體存在,而地更低溫度下,它是惟一保持可觀熱容量的物質。液態氦可以產生供固體物理學研究所需的極低溫。在常壓下、液氦(4He)浴溫度為4.22K左右。利用真空泵抽吸液氦(4He)浴上蒸氣,降低氦的蒸氣壓,有可能達到0.7K的低溫。為了制取0.7K以下的更低溫,可以利用氦的穩定同位素3He的某些物理性質。在所有給定溫度下,3He的蒸氣壓比4He的都要高,因此,用抽吸3He浴上蒸氣以降低其蒸氣壓的辦法,有可能將3He浴溫度降到0.3K。3He的另一特定性質是3He和4He混合可導致溫度降低的所謂稀釋制冷性,利用這種效應可以制成稀釋制冷機。連續操作該制冷機可獲得約8×10-3K的低溫,間隙操作則可能達到4.5×10-3K。Pomeranchuk效應,對液體3He進行色熱壓縮,可以達到3He固化的溫度2×10-3K,這也是目前采用機械方法所能達到的最低溫度。
    所有物質的蒸氣壓都隨溫度降低而降低,在氦的沸點溫度,僅有氦保持了它的基本蒸氣壓。用低溫表面冷凝氣體以達到抽氣目的的泵稱為冷凝泵或低溫泵。當充滿空氣的密閉容器冷卻到20K時,即可達到0.16Pa(1.2×10-3乇)的真空;冷卻到4.2K時,可過到6.6×10-3Pa(5×10-5乇)的真空。由于低溫泵的冷表面可以直接放在被抽空間中,或本身就是器壁的一部分,沒有連接管道的影響,冷表面又可以做得很大,因此抽氣速率很高。為了能夠把大空間快速抽成真空狀態,經常使用液氦低溫泵。低溫泵主要用于要求低溫、高真空的大容積的地面模擬宇宙空間,以及要求高速,又非常清潔的控熱核反應裝置等方面。
    在極低溫度下,物質的物理性質要發生很大變化。純金屬的導電率隨溫度的降低而增加,當它們深度冷卻時,正常金屬(鋁、銅或鈉)可以作為電磁體并用于電力分配。一些金屬和合金在冷卻到液氦級溫度時,從正常的導電體急劇變化為超導體。在超導體狀態下,對直流電的電阻完全消失了,對交流電的電阻變得非常小。當材料進一步冷卻到它的轉變溫度以下時,超導體可以承受的電流密度和磁場急劇增加。因此,在大多數超導性應用中,都希望在最低的實用溫度下進行。
    此外,由于很多電子器件中的熱噪聲在低溫下都會減少,因此,許多無線電、紅外線和其他輻射檢測儀器可用氦循環制冷系統冷卻以增加它們的靈敏度。
    (六)氦在核反應堆中的應用
    第一代氣冷裂變反應堆利用僅400℃左右的冷媒溫度,采用價廉的二氧化碳作為冷媒氣體。為了改善熱效率,第二代反應堆設計采用高達790℃的氣體冷媒溫度。在此溫度下,只有氦(4He)具有必需的化學穩定性、惰性、高傳熱速率、低動力學壓力損失和低中子有效截面,因此,只能用氦作為冷媒氣體。
    聚變能源的開發計劃開辟了氦氣的又一應用領域。氦-3是可控核聚變的重要原料,而氦-3在月球上的儲量約有(1~5)×1060t。中國一年的發電量,大約吸需要最多不超過10t的氦-3,而全世界的需求約100t多一點。照此計算,月球完全可以提供人類社會用上萬年的能源需求,這是非常誘人的、有巨大前景的一種資源。
    此外,磁性等離子體約束法需要大量液氦來冷卻大型超導磁體和低溫泵。在示蹤粒子檢測器中,氦是火花室和電子流室常用的充填氣。
    (七)氦在空間技術中的應用
    在火箭和空間飛行器燃料系統中,氦氣用于清洗低溫燃料和氧化貯槽,以及加壓低溫貯槽液面上部空間,以提供直接輸送液體氫和液體氧的壓力或者僅給輸液泵提供凈吸入正壓,氦常用氣動控制系統中作為工作介質。在火箭發射之前,為了在點火的最初幾分鐘內得到最大的推進效率,低溫氦已用于預冷上一級液氫火箭發動機。
    液氦還廣泛用于低溫輻射檢測器以及用于空間探索計劃中其他專門儀表。
    氦氣還用于充填飛行與歡慶氣球,比充氫氣安全。
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