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氦气在工业中的应用(二)

更新时间:2010-1-30 11:44:00
(三)在电光源中的应用
氦、氖、和汞蒸气混合可用于充填磷光管。对于低压放电管,在清洁的玻璃管内,氦产生白黄色的光,氦-氩产生橙色光。氖与氩-氦按不同比例混合,充入各种滤光玻璃管,可制成绚丽多彩的霓虹灯(字模显示灯)。激光技术广泛应用氦族气体。氖-氦连续激光器广泛应用于功率仅为零点几瓦应用中。贵重气体离子激光器以非常高的功率密度和在很宽广的频率范围内操作。二氧化碳激光器是普通连续激光器中功率最强和效率最高的,激发气体是氦和二氧化碳的混合物。
(四)氦在电光源中的应用
电子工业中,氦气的最大应用是半导体器件的生产。起始材料,超纯半导体的单晶体,如硅和锗共熔体生长的过程利用氦既用为保护气又作为传热介质。只有非常纯的惰性气体(一般要求纯度为99.999%~99.999 99%)才可以保证极高的晶体纯度。惰性气体氦还用做掺杂气(如砷化氢和磷化氢)的稀释气和载气,掺杂气在半导体器中用来生成N结和P结。
在某些高压电子管转换开关和调整管中也要用到氦。氦-氩混合气在电子元件封装等工艺过程所需的微件焊接中用做保护气。用氦气作半导体生产过程的运载气体,可以安全地将挥发性物质或气体混合物从发生源输送到扩散炉管或反应器的工作室。
(五)氦在低温工程中的应用
作为低温工作介质的气体不仅受到它的沸点和冰点的限制,同时还必须考虑价格和安全性。
由于氦的化学惰性,它在除极低温度外的所有温度下都接近理想气体行为,且单位质量的热容量高,黏度低和热导率高等特性,所以气氦通常被用做封闭循环低温制冷机的工作介质。
在氢的三相点温度13.80K以下,仅有氦作为稠密的流体存在,而地更低温度下,它是惟一保持可观热容量的物质。液态氦可以产生供固体物理学研究所需的极低温。在常压下、液氦(4He)浴温度为4.22K左右。利用真空泵抽吸液氦(4He)浴上蒸气,降低氦的蒸气压,有可能达到0.7K的低温。为了制取0.7K以下的更低温,可以利用氦的稳定同位素3He的某些物理性质。在所有给定温度下,3He的蒸气压比4He的都要高,因此,用抽吸3He浴上蒸气以降低其蒸气压的办法,有可能将3He浴温度降到0.3K。3He的另一特定性质是3He和4He混合可导致温度降低的所谓稀释制冷性,利用这种效应可以制成稀释制冷机。连续操作该制冷机可获得约8×10-3K的低温,间隙操作则可能达到4.5×10-3K。Pomeranchuk效应,对液体3He进行色热压缩,可以达到3He固化的温度2×10-3K,这也是目前采用机械方法所能达到的最低温度。
所有物质的蒸气压都随温度降低而降低,在氦的沸点温度,仅有氦保持了它的基本蒸气压。用低温表面冷凝气体以达到抽气目的的泵称为冷凝泵或低温泵。当充满空气的密闭容器冷却到20K时,即可达到0.16Pa(1.2×10-3乇)的真空;冷却到4.2K时,可过到6.6×10-3Pa(5×10-5乇)的真空。由于低温泵的冷表面可以直接放在被抽空间中,或本身就是器壁的一部分,没有连接管道的影响,冷表面又可以做得很大,因此抽气速率很高。为了能够把大空间快速抽成真空状态,经常使用液氦低温泵。低温泵主要用于要求低温、高真空的大容积的地面模拟宇宙空间,以及要求高速,又非常清洁的控热核反应装置等方面。
在极低温度下,物质的物理性质要发生很大变化。纯金属的导电率随温度的降低而增加,当它们深度冷却时,正常金属(铝、铜或钠)可以作为电磁体并用于电力分配。一些金属和合金在冷却到液氦级温度时,从正常的导电体急剧变化为超导体。在超导体状态下,对直流电的电阻完全消失了,对交流电的电阻变得非常小。当材料进一步冷却到它的转变温度以下时,超导体可以承受的电流密度和磁场急剧增加。因此,在大多数超导性应用中,都希望在最低的实用温度下进行。
此外,由于很多电子器件中的热噪声在低温下都会减少,因此,许多无线电、红外线和其他辐射检测仪器可用氦循环制冷系统冷却以增加它们的灵敏度。
(六)氦在核反应堆中的应用
第一代气冷裂变反应堆利用仅400℃左右的冷媒温度,采用价廉的二氧化碳作为冷媒气体。为了改善热效率,第二代反应堆设计采用高达790℃的气体冷媒温度。在此温度下,只有氦(4He)具有必需的化学稳定性、惰性、高传热速率、低动力学压力损失和低中子有效截面,因此,只能用氦作为冷媒气体。
聚变能源的开发计划开辟了氦气的又一应用领域。氦-3是可控核聚变的重要原料,而氦-3在月球上的储量约有(1~5)×1060t。中国一年的发电量,大约吸需要最多不超过10t的氦-3,而全世界的需求约100t多一点。照此计算,月球完全可以提供人类社会用上万年的能源需求,这是非常诱人的、有巨大前景的一种资源。
此外,磁性等离子体约束法需要大量液氦来冷却大型超导磁体和低温泵。在示踪粒子检测器中,氦是火花室和电子流室常用的充填气。
(七)氦在空间技术中的应用
在火箭和空间飞行器燃料系统中,氦气用于清洗低温燃料和氧化贮槽,以及加压低温贮槽液面上部空间,以提供直接输送液体氢和液体氧的压力或者仅给输液泵提供净吸入正压,氦常用气动控制系统中作为工作介质。在火箭发射之前,为了在点火的最初几分钟内得到最大的推进效率,低温氦已用于预冷上一级液氢火箭发动机。
液氦还广泛用于低温辐射检测器以及用于空间探索计划中其他专门仪表。
氦气还用于充填飞行与欢庆气球,比充氢气安全。
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